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LED芯片及封装技术研究

摘要：本文介绍了大功率led封装结构和散热封装材料技术的发

展历程，重点对几种陶瓷封装基板进行了研究，研究了陶瓷基板基

板工作时温度、光效和电流的关系，并与铝基覆铜板作为封装基板

时进行了比较。led已经在照明及平板显示背光市场有着广泛的应

用，led的产业链比较。本文仅是关于led芯片及封装技术的简介。

关键词：led；封装；散热材料

引言

1962年，美国通用电气司研制出第一批发光二极管，但它们发光

效率很低，直到1991年，美国hp公司和日本东芝公司成功研制出

新型led芯片，大功率白光led的出现，使得led光源逐渐代替传

统光源，它具有长寿命、体积小、重量轻、全固态等特性，不同光

色的固体光源组成的照明系统可通过矩阵、网络等实现照明亮度和

光色的细微控制，现已广泛用在电子电器、自动化仪表、交通运输

工具中的指示灯、告示牌、警戒灯等以及空间宇航器的合作标志器、

空间宇航过程中的照明系统、军事上高速摄像机和照相机中测量系

统等。

1、led封装结构

随着led芯片技术的发展，led产品的封装方式也从单芯片封装

方式发展到多芯片封装方式。它的封装结构也从引脚式封装结构到

表面贴装式封装结构再到功率型封装结构。表面贴装封装工艺因减

小了产品所占空间面积、降低重量、允许通过的工作电流大，尤其

适合自动化贴装生产，成为目前比较先进的一种工艺，从引脚式封

装转向smd封装符合整个电子行业发展大趋势。

led的热特性直接影响到led的工作温度、发光效率、发光波长、

使用寿命等，器件通过传导、对流、辐射三种方式进行散热，其中

功率型led主要是通过传导方式将光源工作产生的热量从芯片结到

外延层、外延层到封装基板、封装基板到外部冷却装置这三个环节

散发出去，因此，功率型led的封装基板是这个散热通道的重要组

成部分，除了承载芯片，更是将光产生的热传导给冷却装置的载体，

它的散热材料的选择和封装结构设计显得尤为重要，散热效率成为

最大的追求。

2、封装散热基板材料

2.1传统封装散热基板材料

早期的led由于功率比较小，封装基板通常使用玻璃环氧树脂基

板，使用这种封装基板会造成光泄漏且局部范围内发热量大，会造

成器件的加速光衰直至失效，甚至由于与芯片的热膨胀系数不匹

配，迅速的热膨胀产生的应力使基板翘曲、开裂造成产品开路失效，

使得产品使用寿命不长。随着led产品的发展，功率越来越大，对

高功率led期待的特性除了省电、高辉度更是长使用寿命、高色彩

再现性这就要求封装基板不仅散热性能要非常好，导热率高，而且

热膨胀系数和芯片材料以及外部冷却装置散热片相匹配，保障使用

过程中产品的可靠性，所以传统的玻璃环氧树脂封装基板材料已经

不能满足功率型led产品的要求。

2.2新型封装散热基板材料

随着led技术的发展，功率越来越高，led芯片的面积也越来越

大、虽然光效已有很大的提高，但热特性依然是影响led寿命的关

键因素，因此封装散热基板的材料的热膨胀系数越来越高，相应的

封装热阻就越来越低，各种新型的封装散热基板的发展越来越多。

2.2.1金属芯印刷电路板

金属芯印刷电路办是将一种热传导效果更好的金属片贴在原有

的印刷电路板内部，使用这种材科作为封装时，将封装基板正面绝

缘层上渡上一层铜箔作为芯片粘接或者焊接的电极，对于中小功率

的led芯片封装来说，能有效解决功率芯片所带来的散热问题。

2.2.2金属系封装散热板

由于传统的玻璃环氧树脂基板局限性太大，以及金属芯印刷电路

板的介电层热导率比较低，成为金属基板与外冷却散热块之间的散

热瓶颈，因此一种金属系封装散热板被开发出来，金属系封装散热

板分为硬质金属系封装散热板和可挠曲金属系封装散热板。硬质挠

曲包括金属基绝缘板、金属材料、金属基复台材料等。金属基绝缘

板，是将高分子绝缘层以及铜箔电路以环氧树脂直接粘接在铝板或

者铜板上。然后将led芯片粘接或者焊接在铜箔电路上的焊盘上。

将led底部的散热块与金属核心直接接触，加速散热。金属材料主

要是指各种热导率比较高的金属，最常用的封装散热金属有铝、铜、

铬、钛等。

2.2.3陶瓷封装散热基板

陶瓷基板是一种更优良的封装散热基舨，具有良好的电绝缘性能

和介电性能。由于这种材料的热导率高，与大功率led芯片材料相

匹配，可以