大功率白光LED封装技术[1]

　　1 引言

　　随着照明技术的发展，大功率白光LED 将是未来照明的核心。白光LED 作为新型光源，与传统光源相比具有寿命长、体积小、节能、高效、响应速度快、抗震、无污染等优点，被认为是可以进入普通照明领域的“绿色照明光源”，尤其是大功率白光LED 的诞生被业界称为“照明领域的第四次革命”，LED 大规模应用于普通照明是一个必然的趋势[1 ～ 3]。

　　LED 的产业链总体分为上、中、下游，分别是LED 外延片、LED 封装、LED 产品应用。其中关于LED 封装，特别是大功率LED 封装不能再按照传统的设计理念与生产模式( 传统的大功率LED 封装技术存在着一些不足，如散热问题、光取出方式等等) [4 ～ 6]。大功率LED 封装不仅结构和工艺复杂，而且对封装材料有一定的要求，因此，当前需要对传统的封装工艺进行研究。现在我们所面临的挑战:寻找导热性能优良的封装材料; 优化封装结构; 改进封装工艺。

　　随着照明技术的发展，为了满足普通照明的要求，大功率芯片随之诞生，这就对LED 封装的热学、电学、机械提出了更高要求，传统的小功率LED 封装结构和工艺难以满足要求。

　　2 大功率LED 封装的关键技术

　　相对于普通白光LED，大功率LED 芯片具有较大的热流率会产生大量的热量。研究发现，LED 器件的光通量与芯片的取光方式和出光效率的封装设计有关，因此LED 封装方式将会向以下的几个方向发展。

　　2. 1 低热阻封装工艺

　　传统的照明对散热问题要求不高，白炽灯、荧光灯可以通过辐射的方式进行散热。白光LED 以热传导为主进行散热，LED 是由固体半导体芯片作为发光材料，采用电致发光，所以其热量仅有极少部分通过辐射散发出[7]。对现有的LED 器件而言，输入电能的80%左右转变成热能，所以芯片散热管理对LED 封装意义重大。芯片散热管理主要包括芯片的位置、封装材料( 散热基板、热界面材料) 、封装结构( 如热学界面) 还有热沉设计等。

　　LED 封装两大主要热阻内部热阻和界面热阻，热阻的封装材料散热基板。芯片所产生的热量被散热基板所吸收，并传到热沉上，通过热沉实现与外界进行热交换。常见的LED 散热基板的类型有:( 1) 高散热金属基板: 拥有高热导性、高耐热性、电磁屏蔽等优点。不过，金属基板其缺点是金属热膨胀系数很大。( 2) 陶瓷基板散热性更好，且耐高温，耐潮湿等优点，但是由于价格是普通基板的数倍，所以至今还没能成为散热型基板的理想材料。( 3) 高热传导可绕基板与传统的可绕基板相同，唯独在绝缘层方面，采用软质环氧树脂充填高热传导性无机物，具有柔软可绕，高可靠性的优点[8]。以上基板的热导率如表1 所示:

　　2. 2 倒装芯片封装技术

　　传统的LED 采用正装结构，上面通常涂敷一层环氧树脂，下面采用蓝宝石为衬底。在传统的正装LED 芯片封装方式中，由于P 型GaN 掺杂非常困难，现在大多数采用的方法是在P 型GaN 上制备金属透明电极( 见图1) ，使电流稳定扩散，达到均匀发光的目的。这种正装结构的PN 结是通过蓝宝石衬底来进行散热，由于环氧树脂导热能力很差，蓝宝石又是热的不良导体，热阻大，导致热量传导不出去，从而影响各个器件的正常工作。

　　为了克服传统正装LED 芯片的缺陷，采用了先进的倒装芯片( flip chip) 技术，是在芯片的P 极和N 极下方用金线焊线机制作两个金丝球焊点( 如图2) ，作为电极的引出机构，用金线来连接芯片外侧和Si 底板。这就克服正装芯片出光效率和电流问题的弊端。从芯片PN 极上的热量通过金丝球焊点传到Si 热沉，Si 是散热的良导体，其散热效果远好于靠蓝宝石来散热。利用倒装芯片封装技术不但提高了LED 的寿命，而且使LED 整体散热性能有了一次飞跃。

　　2. 3 热学封装技术

　　能否成功地解决散热问题对大功率白光LED 的发光效率和可靠性有很大的影响。对于单颗LED 来说，热量全部来自于芯片，而芯片的尺寸很小热量不能及时的散发出去，会加速芯片和荧光粉的老化，还可导致倒装焊的焊锡融化，使芯片失效。当温度超过一定值，器件的的失效率呈指数规律变化，数据显示: 元器件温度每上升2℃，可靠性降低10%。为了保证器件的寿命，一般要求PN 极的温度在110℃以下，因此芯片散热是LED 封装必须解决的问题[11]。解决热的问题有两种办法: 一是提高芯片内量子效率，即提高芯片的发光效率，从根本上减少热量的产生; 二是LED 结构的改进，使内部的热量加快散发，有效地降低芯片的温度[12]。

　　封装界面对热阻的影响也是很大的，若不正确处理界面，难于获得良好的散热效果。改善LED 封装的关键界面间的空隙，增强散热。所以选择芯片和散热基板的材料十分重要，LED 常用的封装材料为导热胶，导热率很低，使界面热阻很高。采用低温的锡膏作为热界面材料，界面热阻大大地降低了。为了取得更好的散热效果，引入了新的固晶工艺，即共晶焊接技术，以Si 片焊接作为热沉与晶粒之间的连接材料( 结构如图3) 其散热效果与物理特性远好于以往使用的Ag 胶( Ag 胶的热阻高，采用Ag 胶就等于人为地在芯片和热沉之间加上一层热阻) ，取得了良好的导热效果。