大功率照明级LED的封装技术、材料详解

    2、功率型封装

    功率LED最早始于HP公司于20世纪90年代初推出“食人鱼”封装结构的LED，该公司于1994年推出的改进型的“SnapLED”有两种工作电流，分别为70mA和150mA，输入功率可达0.3W。功率LED的输入功率比原支架式封装的LED的输入功率提高了几倍，热阻降为原来的几分之一。瓦级功率LED是未来照明器件的核心部分，所以世界各大公司都投入了很大力量对瓦级功率LED的封装技术进行研究开发。

    LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比φ5mmLED大10~20倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题，因此，管壳及封装是其关键技术，目前能承受数瓦功率的LED封装已出现。5W系列白色、绿色、蓝绿色、蓝色的功率型LED从2003年年初开始推向市场，白光LED的光输出达187lm，光效为44.3lm/W。目前正开发出可承受10W功率的LED，采用大面积管芯，尺寸为2.5mm×2.5mm，可在5A电流下工作，光输出达200lm。

    Luxeon系列功率LED是将AlGaInN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上，然后把完成倒装焊接的硅载体装入热衬与管壳中，键合引线进行封装。这种封装的取光效率、散热性能以及加大工作电流密度的设计都是最佳的。

    在应用中，可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上，形成功率密度型LED，PCB板作为器件电极连接的布线使用，铝芯夹层则可作为热衬使用，以获得较高的光通量和光电转换效率。此外，封装好的SMD-LED体积很小，可灵活地组合起来，构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。

    超高亮度LED作为信号灯和其他辅助照明光源应用时，一般是将多个Φ5mm封装的各种单色和白光LED组装在一个灯盘或标准灯座上，使用寿命可达到10万小时。2000年已有研究指出，Φ5mm白光LED工作6000h后，其光强已降至原来的一半。事实上，采用Φ5mm白光LED阵列的发光装置，其寿命可能只有5000h。不同颜色的LED的光衰减速度不同，其中红色最慢，蓝、绿色居中，白色最快。由于Φ5mm封装的LED原来仅用于指示灯，其封装热阻高达300℃/W，不能充分地散热，致使LED芯片的温度升高，造成器件光衰减加快。此外，环氧树脂变黄也将使光输出降低。大功率LED在大电流下产生比Φ5mm白光LED大10~20倍的光通量，因此必须通过有效的散热设计和采用不劣化的封装材料来解决光衰问题，管壳及封装已成为研制大功率LED的关键技术之一。全新的LED功率型封装设计理念主要归为两类，一类为单芯片功率型封装，另一类为多芯片功率型封装。

    （1）功率型LED的单芯片封装

    1998年美国Lumileds公司研制出了Luxeon系列大功率LED单芯片封装结构，这种功率型单芯片LED封装结构与常规的Φ5mmLED封装结构全然不同，它是将正面出光的LED芯片直接焊接在热衬上，或将背面出光的LED芯片先倒装在具有焊料凸点的硅载体上，然后再将其焊接在热衬上，使大面积芯片在大电流下工作的热特性得到改善。这种封装对于取光效率、散热性能和电流密度的设计都是最佳的，其主要特点有：