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大功率LED封装技术与发展趋势 摘要：本文从光学、热学、电学、可靠性等方面,详细评述了大功率白光LED封装的设计和研究进展，并对大功率LED封装的关键技术进行了评述。提出LED的封装设计应与芯片设计同时进行，并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑。在封装过程中，虽然材料(散热基板、荧光粉、灌封胶)选择很重要，但封装结构中应尽可能减少热学和光学界面，从而降低封装热阻，提高出光效率。文中最后对LED灯具的设计和封装要求进行了阐述。 一、前言 大功率LED封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到LED的使用性能和寿命，一直是近年来的研究热点，特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。LED封装的功能主要包括：1.机械保护，以提高可靠性;2.加强散热，以降低芯片结温，提高LED性能;3.光学控制，提高出光效率，优化光束分布;4.供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制等。 LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由芯片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展，LED封装先后经历了支架式(Lamp LED)、贴片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等发展阶段。随着芯片功率的增大，特别是固态照明技术发展的需求，对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有效地降低封装热阻，提高出光效率，必须采用全新的技术思路来进行封装设计。 二、大功率LED封装关键技术 大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面，如图1所示。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺兼容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与芯片设计同时进行，即芯片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等芯片制造完成后，可能由于封装的需要对芯片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能。 ? 图1 大功率白光LED封装技术 具体而言，大功率LED封装的关键技术包括： (一)低热阻封装工艺 对于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的80%左右转变成为热量，且LED芯片面积小，因此，芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、封装材料选择(基板材料、热界面材料)与工艺、热沉设计等。 LED封装热阻主要包括材料(散热基板和热沉结构)内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括硅、金属(如铝，铜)、陶瓷(如Al2O3，AlN，SiC)和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底，将1mm芯片倒装在CuW衬底上，降低了封装热阻，提高了发光功率和效率;Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，如图2(a)，并开发了相应的LED封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED芯片和相应的陶瓷基板，然后将LED芯片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热界面少，大大提高了散热性能，为大功率LED阵列封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板(AlN或Al2O3)和导电层(Cu)在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强，如图2(b)所示。其中氮化铝(AlN)的热导率为160W/mk，热膨胀系数为4.0×10-6/℃(与硅的热膨胀系数3.2×10-6/℃相当)，从而降低了封装热应力。 图2(a)低温共烧陶瓷金属基板 ? 图2(b)覆铜陶瓷基板截面示意图 研究表明，封装界面对热阻影响也很大，如果不能正确处理界面，就难以获得良好的散热效果。例如，室温下接触良好的界面在高温下可能存在界面间隙，基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善LED封装的关键在于减少界面和界面接触热阻，增强散热。因此，芯片和散热基板间的热界面材料(TIM)选择十分重要。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶，由于热导率较低，一般为0.5-2.5W/mK，致使界面热阻很高。而采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料，可大大降低界面热阻。 (二)高取光率封装结构与工艺 在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：芯片内部结构缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失;以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶)，由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效减少了光子在界面的损失，提高了取光效率。此