大功率照明级LED的封装技术、材料详解

    大功率LED封装中主要需考虑的问题有： 

    ①散热。散热对于功率型LED器件来说是至关重要的。如果不能将电流产生的热量及时地散出，保持PN结的结温在允许范围内，将无法获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命。

    在常用的散热材料中银的导热率最高，但是银的成本较高，不适宜作通用型散热器。铜的导热率比较接近银，且其成本较银低。铝的导热率虽然低于铜，但其综合成本最低，有利于大规模制造。

    经过实验对比发现较为合适的做法是：连接芯片部分采用铜基或银基热衬，再将该热衬连接在铝基散热器上，采用阶梯型导热结构，利用铜或银的高导热率将芯片产生的热量高效地传递给铝基散热器，再通过铝基散热器将热量散出（通过风冷或热传导方式散出）。这种做法的优点是：充分考虑散热器的性价比，将不同特点的散热器结合在一起，做到高效散热并使成本控制合理化。

    应注意的是：连接铜基热衬与芯片的材料的选择是十分重要的，LED行业常用的芯片连接材料为银胶。但是，经过研究发现，银胶的热阻为10~25W/(m·K)，如果采用银胶作为连接材料，就等于人为地在芯片与热衬之间加上一道热阻。另外，银胶固化后的内部基本结构为环氧树脂骨架+银粉填充式导热导电结构，这种结构的热阻极高且TG点较低，对器件的散热与物理特性的稳定极为不利。解决此问题的做法是：以锡片焊作为晶粒与热衬之间的连接材料[锡的导热系数为67W/（m·K）]，可以获得较为理想的导热效果（热阻约为16℃/W）。锡的导热效果与物理特性远优于银胶。

    ②出光。传统的LED器件封装方式只能利用芯片发出的约50%的光能，由于半导体与封闭环氧树脂的折射率相差较大，致使内部的全反射临界角很小，有源层产生的光只有小部分被取出，大部分光在芯片内部经多次反射而被吸收，这是超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。如何将内部不同材料间折射、反射消耗的50%光能加以利用，是设计出光系数的关键。

    通过芯片的倒装技术（FlipChip）可以比传统的LED芯片封装技术得到更多的有效出光。但是，如果说不在芯片的发光层与电极下方增加反射层来反射出浪费的光能，则会造成约8%的光损失，所以在底板材料上必须增加反射层。芯片侧面的光也必须利用热衬的镜面加工法加以反射出，增加器件的出光率。而且在倒装芯片的蓝宝石衬底部分与环氧树脂导光结合面上应加上一层硅胶材料，以改善芯片出光的折射率。

    经过上述光学封装技术的改善，可以大幅度提高大功率LED器件的出光率（光通量）。大功率LED器件顶部透镜的光学设计也是十分重要的，通常的做法是：在进行光学透镜设计时应充分考虑最终照明器具的光学设计要求，尽量配合应用照明器具的光学要求进行设计。

    常用的透镜形状有：凸透镜、凹锥透镜、球镜、菲涅尔透镜以及组合式透镜等。透镜与大功率LED器件的理想装配方法是采取气密性封装，如果受透镜形状所限，也可采取半气密性封装。透镜材料应选择高透光率的玻璃或亚克力等合成材料，也可以采用传统的环氧树脂模组式封装，加上二次散热设计也基本可以达到提高出光率的效果。

    3、功率型LED的进展

    功率型LED的研制起始于20世纪60年代中期的GaAs红外光源，由于其可靠性高、体积小、重量轻，可在低电压下工作，因此被首先用于军用夜视仪，以取代原有的白炽灯，20世纪80年代InGaAsP/InP双异质结红外光源被用于一些专用的测试仪器，以取代原有的体积大、寿命短的氙灯。