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1、大功率白光LED封装设计与研究进展陈明祥摘 要：由于封装设计、材料和结构的不断创新使LED性能不断提高。本文从光学、热学、电学、机械、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，并对封装材料和工艺进行了具体介绍。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，但封装工艺（界面热阻、封装应力）对LED光效和可靠性影响也很大。关键词：固态照明；大功率LED；白光LED；封装Innovative advances in packaging design and research of
2、high-power white LEDAbstracts: Innovative designs, materials and structures of packaging have led to dramatic improvements of the performance in LED technology, round breaking performance records are being reported constantly. An overview of the rapid progresses in packaging design and research of h
3、igh-power white light emitting diodes (LEDs) is presented. This article summaries the packaging designing of LED in optics, thermal, electrics, mechanics and reliability, and introduces the packaging material ands processes in details. It is proposed that packaging and chip of LED should be co-desig
4、ned, and the effect of optical, thermal, electrical and mechanical should be considered at the same time. Although it is important to choose the packaging materials (such as thermal spreading substrate, phosphors and silicone), the interface thermal resistance and thermal stress resulted in packagin
5、g processes have great affect on the optical efficiency and reliability of packaged LED.Keywords: Solid State Lighting, high-power LED, White LED, Packaging1 前言LED制造流程一般分为前道工序(芯片制作)和后道工序(封装)。其中，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1-2。LED封装的主要目的是确保发光芯片和电路间的电气和机械接触，并保护发光芯片不受机械、热、
6、潮湿及其它的外部影响。此外，LED的光学特性也必须通过封装来实现。LED封装方法、材料和工艺的选择主要由芯片结构、电气/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(Lead 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，特别是白光照明发展的需求，对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的要求，传统的小功率LED封装结构和工艺难以满足要求。为有效降低封装热阻，提高出光效率，必须采用全新的设计思路。基于我们前期的研究工作和理解，本文对大功率白光LED封装设计与研究进行了介绍。2 封装设计大功率
7、LED封装设计主要涉及光、热、电和机械（结构）等方面，如图1所示。这些因素彼此相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电和机械是手段，而性能是具体体现。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。如采用低温焊料封装LED倒装芯片过程中，需要在硅衬底下表面镀一层金属膜（如金），该工艺一般在划片前的圆片上进行，否则等到芯片切割后，根本无法进行金属的沉积。LED产品设计机 械电 学光 学热 学封装工艺与结构
8、性能（含可靠性, 加工性, 成本） 图1 大功率白光LED封装设计框图2.1 光学设计LED封装的光学设计包括内光学和外光学设计。内光学设计是指灌封胶和荧光粉设计，用以提高光通量、光效和光色。由于光通量与光效有关，而光效则取决于内量子效率以及荧光粉转换效率等，因此，内光学设计的关键在于灌封胶和荧光粉的选择与应用。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
9、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。此外，LED灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求其透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为提高LED封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐候环保等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。其中，硅胶由于具有透光率高（可见光范围内透光率大于99），折射率高（1.4-1.5）,热稳定性好（能耐受200高温），应力低（杨氏模量低），吸湿性低（小于0.2%）等特点，明显优于环氧树脂，在大功率LED封装中得到广泛应用3。研究表明，提高硅胶折射率可
10、减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高外量子效率，但硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而影响LED光效和光强分布4。LED封装荧光粉的作用在于光色复合，形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性（热和化学）等，其中，发光效率和转换效率是关键。荧光粉的选择必须满足两个条件：一是互补性，即荧光粉材料本身的发射光谱，必须能与芯片的发射光谱混合成白光。荧光粉发光特性直接影响LED的色温和显色指数，通过调节荧光粉含量和涂层厚度，色温可在500020000K变化，而荧光粉浓度增加会降低发光效率，且随着荧光粉涂层厚度加大，蓝色发光峰下
11、降，黄光增加，色温降低；另一个是匹配性。由于荧光粉的转换效率与波长有关，因此，荧光粉的激发波长必须与所用芯片的发射波长相匹配，这样才能获得较高的光转换效率。（一般要求荧光粉转换效率大于95，10万小时后光转换效率衰减小于15）。此外，有研究表明，温度对荧光粉的性能影响很大。随着温度上升,荧光粉量子效率降低,出光减少,辐射波长也会发生变化，从而引起白光LED色温、色度的变化，较高的温度还会加速荧光粉的老化。其原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫光或紫外光的辐射时，易老化，使发光效率降低。常用荧光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶的折射率一般在
12、1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限（30nm），因而在荧光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通过在硅胶中掺入纳米荧光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射，提高LED出光效率（10-20），并能有效改善光色质量5。传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合，然后点涂在芯片上，如图2(a)。由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。而基于喷涂工艺的保形涂层（Conformal coating）技术可实现荧光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性6，如图2(b)所示。但研究表明，当荧光粉直接涂覆在芯片表面时，由
13、于光散射的存在，出光效率较低。有鉴于此，美国Rensselaer 研究所提出了一种光子散射萃取工艺（Scattered Photon Extraction method，SPE)，通过在芯片表面布置一个聚焦透镜，并将含荧光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60）。基于SPE技术的LED封装结构如图2(c) 所示7。反光杯透明胶层反光杯散射光掺荧光粉胶层掺荧光粉玻璃片反光杯发光芯片掺荧光粉胶层贴片胶 (a) 传统封装结构 （b）采用保形涂层的封装结构 (c) 基于SPE的封装结构图2 大功率白光LED封装结构LED封装外光学设计是指对出射光束进行会聚、整形，
14、以形成光强均匀分布的光场。主要包括反射聚光杯设计（一次光学）和整形透镜设计（二次光学），对阵列模块而言，还包括芯片阵列的分布等。由于LED光源是朗伯分布的，出射光束发散角大，光强分布不均匀，如果不对光束进行会聚，难以满足照明所需的高亮度要求。实际上，许多LED应用中都需要对芯片发出的朗伯分布光进行会聚，使之变为高斯光分布，并具有特定的发散角。分析表明，具有复合抛物线形状的反光杯的会聚效果最好，可以形成均匀的远场光分布8。光束整形一般采用透镜方案，考虑到封装后的集成要求，用于光束整形的透镜必须微型化。微透镜阵列在光路中可以发挥二维并行的会聚、整形、准直等作用，具有排列精度高，制作方便可靠，易于与
15、其它平面器件耦合等优点，为实现大功率LED的光束整形提供了很好的解决方案。研究表明，采用衍射微透镜阵列取代普通透镜或菲涅尔微透镜，可大大改善光束质量，提高出射光强度，如图3所示9-10。 (b) 图3 衍射微透镜阵列及其对LED的光束整形效果为提高大功率LED的光通量，可通过以下方法来实现：(1) 提高内量子效率，减少热功率密度，由于技术所限，实现起来有一定难度；(2) 增加LED器件的工作电流，从而提高LED器件的电功率，但散热存在困难；(3) 采用大尺寸芯片或多芯片阵列。其中，采用大功率芯片会降低光效，而多芯片阵列集成虽然受限于价格、空间、电气连接、散热等问题，仍不失为一种行之有效的方法。
16、对于LED多芯片阵列封装模块，发光均匀性主要取决于封装密度、芯片间距以及芯片与目标面的距离。对于44阵列模块，获得均匀光分布的最大芯片间距dmax为11：dmax其中，Z为芯片与目标面的距离，m为芯片常数，与芯片出光半角q1/2关，一般取为7080。图4显示了芯片间距对光强均匀性的影响。d=dmaxd=1.1dmax图4 不同芯片间距对光强均匀性的影响2.2 热学设计由于输入电能的8090转变成为热量（只有大约1020转化为光能），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12。好的散热系统，可以在同等输入功率下得到较低的工作温度，延长LED的使用寿命；或在同样的温度限制范围内，增加输入功率
