遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED封裝散熱設(shè)計(jì)有效改善封裝技術(shù)存在色溫漂移、出光不均勻和熒光粉性能衰減快等缺陷，可用于大功率LED及COB集成封裝產(chǎn)品，是大功率白光LED散熱封裝設(shè)計(jì)技術(shù)的再次創(chuàng)新。重點(diǎn)研究如何將遠(yuǎn)程熒光技術(shù)與大功率LED集成封裝技術(shù)結(jié)合制備，提升封裝整體發(fā)光效率，使LED封裝設(shè)計(jì)的自由度更大。

引言

大功率白光LED的封裝均采用支架與芯片+熒光粉封裝工藝，將熒光粉按一定比例與硅膠混合均勻，直接涂覆在焊線完成后的芯片表面并烘烤完成，由于工藝本身存在的缺陷，使LED容易出現(xiàn)色坐標(biāo)漂移、出光均勻性差和失效等問題[1]。針對(duì)目前大功率白光LED的器件封裝工藝存在的問題，提出一種創(chuàng)新的遠(yuǎn)程熒光型大功率白光LED散熱封裝技術(shù)，有效解決色坐標(biāo)漂移和熒光粉沉淀問題，是一項(xiàng)極有發(fā)展?jié)摿Φ墓に噭?chuàng)新。采用遠(yuǎn)程熒光粉型大功率白光LED散熱封裝技術(shù)讓產(chǎn)品色溫一致性更好，通過調(diào)換遠(yuǎn)程熒光預(yù)制板可滿足使用場(chǎng)所對(duì)冷暖色調(diào)的不同需求。同時(shí)，遠(yuǎn)程熒光封裝技術(shù)有著優(yōu)秀的配光設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，可有效解決眩光突出問題，很大程度上提高半導(dǎo)體照明產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自由度，拓展LED照明產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著各項(xiàng)技術(shù)不斷改進(jìn)與優(yōu)化，遠(yuǎn)程熒光粉型大功率白光LED散熱封裝技術(shù)將會(huì)更加完善，綜合性能也會(huì)更進(jìn)一步提升。

1 LED傳統(tǒng)封裝工藝

熒光轉(zhuǎn)換型白光LED封裝的發(fā)光原理是在LED芯片表面涂覆一層熒光粉，熒光粉在芯片發(fā)出的光的激發(fā)下產(chǎn)生其他顏色的光，與芯片發(fā)出的光混合而產(chǎn)生白光[2]。目前大功率白光LED封裝技術(shù)已經(jīng)形成固有工藝模式，將熒光粉均勻混合配粉膠，直接點(diǎn)在已焊好線的芯片表面上，利用成熟的生產(chǎn)工藝來完成封裝工序。封裝方式通過多年的發(fā)展與應(yīng)用優(yōu)化，其半自動(dòng)與全自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備及工藝都相對(duì)成熟，其主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾方面。

1.1封裝結(jié)構(gòu)局限

現(xiàn)有的LED在封裝工藝中，LED芯片的散熱和熒光粉層的散熱均由基板傳導(dǎo)完成，LED芯片與熒光粉層會(huì)產(chǎn)生相互加熱，并且現(xiàn)有的LED封裝中基座多為平面，平面基板的受熱面積小而導(dǎo)致散熱性能差。通常LED的光轉(zhuǎn)換效率在20%~30%左右，其余的能量被轉(zhuǎn)換為內(nèi)能導(dǎo)致芯片溫度升高，芯片溫度升高會(huì)導(dǎo)致與其直接接觸的封裝膠的使用壽命縮短甚至碳化，從而影響LED的工作壽命。

1.2光衰及色坐標(biāo)漂移

用傳統(tǒng)封裝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大功率白光LED的工藝是把熒光粉和膠水混合均勻后直接點(diǎn)在芯片的表面上。LED在工作過程芯片持續(xù)產(chǎn)生大量的熱能，會(huì)導(dǎo)致接觸芯片的熒光粉受熱后溫度上升，高溫會(huì)影響熒光粉產(chǎn)生光衰，從而縮短LED光源壽命。熒光粉受熱不但會(huì)產(chǎn)生光衰，也會(huì)讓色坐標(biāo)出現(xiàn)偏移，讓同批次的光源色度出現(xiàn)變化不一致，降低產(chǎn)品整體的光品質(zhì)[3]。

1.3光源均勻性差

由于熒光粉與膠水比重不同，傳統(tǒng)封裝工藝的點(diǎn)膠工序會(huì)使熒光粉有所沉淀，這是非常難避免的，因此導(dǎo)致同批次封裝產(chǎn)品的光色坐標(biāo)會(huì)有較大離散性，這讓制造商難以生產(chǎn)出光品質(zhì)完全一致的產(chǎn)品，按照標(biāo)準(zhǔn)分光分色后，良品率依然是制造商的出貨瓶頸，通常會(huì)把集中的良品出售給優(yōu)質(zhì)客戶，偏離的產(chǎn)品降價(jià)銷售，無形中降低了制造商的利潤。

1.4散熱不佳導(dǎo)致可靠性降低

LED芯片熱量不能及時(shí)有效散發(fā)出去，導(dǎo)致結(jié)溫上升，引起熱應(yīng)力不均勻分布效應(yīng)，降低了LED發(fā)光效率與熒光粉激發(fā)效率。有研究表明，當(dāng)結(jié)溫超過120℃時(shí)，器件失效率呈指數(shù)上升。在室溫條件下結(jié)溫每上升1℃，LED發(fā)光強(qiáng)度則降低約1%，其安全性能則下降5%左右。所以封裝散熱技術(shù)已經(jīng)成大功率LED應(yīng)用的關(guān)鍵難點(diǎn)[4]。

2遠(yuǎn)程熒光粉封裝技術(shù)

基于遠(yuǎn)程熒光粉技術(shù)的大功率白光LED的散熱封裝設(shè)計(jì)包含增加熒光粉層和芯片間的導(dǎo)熱熱阻，減小芯片和熒光粉層相互加熱的作用；以及為熒光粉層設(shè)計(jì)出專門散熱路徑，有效散發(fā)出熒光粉層的熱量[5]。

2.1基板設(shè)計(jì)

大功率LED的基板由鋁合金基板、銅箔電路層和絕緣介質(zhì)層等部分組成。

（1）金屬基板是選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的復(fù)合材料或者金屬材料如銅、鋁或其合成體，厚度應(yīng)根據(jù)LED的功率設(shè)計(jì)在1～2 mm之間，典型以1.6 mm厚度為主要應(yīng)用規(guī)格。

（2）電路層是建立電氣連接的路徑，應(yīng)根據(jù)燈具控制裝置輸出電參數(shù)規(guī)格確定基板電路的并串方案，設(shè)計(jì)需求搭建LED電氣連接的線路層，使銅箔層與錫鋁合金層結(jié)合為LED提供電能，線路層厚度在10～15μm之間，確保LED能可靠工作。

（3）絕緣介質(zhì)層是金屬線路和基板間最重要部分，也是設(shè)計(jì)金屬線路板核心技術(shù)之一，它可以保證線路板穩(wěn)定地工作，所以應(yīng)具有較高穩(wěn)定性、高導(dǎo)熱性能及高絕緣性，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。另外還應(yīng)具備高強(qiáng)度、高平整度及高溫條件下的熱膨脹系數(shù)等特征，保證LED可靠及穩(wěn)定地工作。市面上使用在大功率LED上介質(zhì)絕緣層常用的絕緣黑油，是一種具有高導(dǎo)熱絕緣性質(zhì)的油墨，其導(dǎo)熱率約為2 W/(m·K)，絕緣介質(zhì)層厚度約為15μm。

圖1金屬鋁基板（MCPCB）結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 metal aluminum substrate(MCPCB)structure

2.2 LED熒光分層與散熱設(shè)計(jì)

現(xiàn)有封裝工藝中的熒光粉層一般是將熒光粉混入環(huán)氧樹脂或硅膠中制備成熒光膠，最終將熒光膠涂覆在封裝膠的表面，熒光膠中環(huán)氧樹脂或硅膠占比相對(duì)較高，因此提高了環(huán)氧樹脂或硅膠的老化概率和生產(chǎn)成本。遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED封裝的技術(shù)核心是熒光粉結(jié)構(gòu)層中硅膠作為粘接材料，以空心玻璃微珠（hollow glass microspheres，HGM）填充減少了硅膠的用量，僅為現(xiàn)有LED封裝硅膠用量的35~40%，有效降低了制造商的生產(chǎn)成本。另一方面，在熒光粉出光面產(chǎn)生疊加的白光，以改善白光的空間色度均勻性，避免了分散光、黃斑、藍(lán)心等品質(zhì)異常的發(fā)生，該工藝具有完美的球形表面，光線入射后能夠產(chǎn)生多角度出射光，使光更加均勻，并替代了常規(guī)工藝中添加的光擴(kuò)散劑。

（1）遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED封裝的技術(shù)核心是在熒光粉與LED芯片之間填充一定厚度的封裝膠，利用封裝膠隔離熒光粉與LED芯片，進(jìn)而增加熒光粉與芯片的距離，提高LED的出光效率。熒光粉層散熱設(shè)計(jì)，芯片與熒光粉層的熱隔離主要是通過控制兩者間填充膠的厚度來實(shí)現(xiàn)。熒光粉層與芯片間的硅膠為球面。其導(dǎo)熱熱阻可以用以下公式表示：

式中λ為材料熱傳導(dǎo)系數(shù)，r1為球面硅膠的內(nèi)徑，r2為球面硅膠的外徑。

材料熱傳導(dǎo)系數(shù)是可確定的，硅膠最小內(nèi)徑也是可確定的，因此若要增大熱阻，則須增大硅膠層外徑，也就是增加硅膠層厚度。

（2）遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED封裝在結(jié)構(gòu)上分別設(shè)置了熒光粉層散熱路徑和芯片的散熱路徑，如圖2所示，基板為芯片散熱，凸臺(tái)增加了熒光粉層與基座結(jié)構(gòu)層的散熱路徑有利于傳輸熱量，增加熱隔離凹槽就相當(dāng)于增加了熒光粉層至基座的散熱路徑。改進(jìn)之后的設(shè)計(jì)大大增厚了熒光粉層和芯片間封裝膠的厚度，并在基座上面增加熒光粉層的散熱面。芯片與熒光粉層共用散熱基座，在基座之上增加熱隔離凹槽可減少兩者的互相影響。

圖2遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED封裝結(jié)構(gòu)

Fig.2(a)optimization diagram(b)structure diagram

（3）遠(yuǎn)程熒光粉型白光LED封裝在芯片與基座連接處增加了反射腔體實(shí)現(xiàn)最佳出光效果，反射腔體最佳反射角度約是55o，反射角如果過大或者過小均會(huì)使發(fā)光強(qiáng)度有所降低，同時(shí)也會(huì)讓反射腔體增加熒光粉層至基座的散熱路徑如圖2所示，反射腔體的反光面經(jīng)過拋光及電鍍提升芯片發(fā)光的利用效率。

（4）封裝材料的選擇

表1材料表

Tab.1 Material list

（5）散熱路徑分析：芯片主要的散熱路徑是通過基座、熱界面材料的熱傳導(dǎo)作用使熱量傳導(dǎo)到散熱器而散出。熒光粉主要散熱路徑有向上經(jīng)過透鏡向環(huán)境熱傳導(dǎo)及向下經(jīng)過LED芯片到散熱器的熱傳導(dǎo)兩種途徑。封裝硅膠與硅樹脂透鏡的熱傳導(dǎo)系數(shù)非常低，通常情況下會(huì)忽略該路徑的熱傳導(dǎo)作用，可認(rèn)為熒光粉熱量最主要是通過LED芯片的散熱器散發(fā)出來，因此避免不了會(huì)產(chǎn)生芯片與熒光粉互熱。由于透鏡和硅脂對(duì)紅外熱輻射具有一定的透射作用，所以熱輻射影響可忽略不計(jì)[6]。

圖3散熱路徑

Fig.3 heat path

3遠(yuǎn)程熒光封裝技術(shù)特點(diǎn)

遠(yuǎn)程熒光粉型大功率白光LED散熱技術(shù)是解決白光LED封裝結(jié)構(gòu)散熱差的一種創(chuàng)新技術(shù)，利用HGM改善白光的空間色度均勻性，減少芯片溫度上升對(duì)熒光粉層加熱作用，提高大功率白光LED發(fā)光的質(zhì)量與效率。其核心技術(shù)是將熒光粉與LED芯片間填充一定厚度的封裝膠，封裝膠不單起到隔離熒光粉和芯片間的熱傳導(dǎo)作用，還能調(diào)節(jié)熒光粉和芯片距離，擴(kuò)大芯片封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由空間，在降低封裝成本的同時(shí)，還能提高芯片和熒光層的散熱效率和芯片發(fā)光的利用率。

3.1 LED封裝參數(shù)驗(yàn)證

（1）結(jié)溫試驗(yàn)：遠(yuǎn)程熒光粉型大功率白光LED利用HGM隔離及增加熒光粉與芯片的距離，以及去除熱隔離凹槽后的模型進(jìn)行分析及對(duì)比試驗(yàn)，同時(shí)用仿真軟件結(jié)合分析法觀察芯片與熒光粉層溫度變化。由圖4數(shù)據(jù)可見，隨著HGM厚度的不同，芯片與熒光粉層溫度不斷上升，芯片對(duì)熒光粉層形成加熱作用，雖然芯片溫度變化較小，但芯片的熱量導(dǎo)致熒光粉層溫度上升，并影響芯片結(jié)溫的溫度變化，由此可以判斷，熒光粉層結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)系數(shù)決定芯片結(jié)溫的溫度變化。結(jié)果表明，在相同邊界條件下，為達(dá)到最優(yōu)的芯片與熒光粉層結(jié)構(gòu)配置，對(duì)兩者間封裝膠層厚度進(jìn)行優(yōu)化是非常必要的。但實(shí)際應(yīng)用中仍需結(jié)合光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。

圖4結(jié)溫與封裝膠層厚度變化特征

Fig.4 junction temperature and thickness variation of package adhesive layer

（2）光學(xué)指標(biāo)驗(yàn)證：在進(jìn)行結(jié)溫試驗(yàn)的同時(shí)，針對(duì)大功率白光LED的光電性能也進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，并按照美國標(biāo)準(zhǔn)ANSI C78.377-2008《固態(tài)照明的色品規(guī)范》中的相應(yīng)要求進(jìn)行判斷，在用相同的芯片及封裝膠等原材料時(shí)，表2中1-3項(xiàng)采用遠(yuǎn)程熒光粉型LED封裝結(jié)構(gòu)的相關(guān)色溫（CCT）更為集中在3985 K±275 K以內(nèi)，表2中4-6項(xiàng)傳統(tǒng)封裝工藝制備LED的離散性更大，綜合表2光電參數(shù)值比對(duì)及后期可靠性試驗(yàn)說明，遠(yuǎn)程熒光粉封裝技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)得到體現(xiàn)。

表2 1W遠(yuǎn)程熒光粉封裝光源的測(cè)試數(shù)據(jù)

Tab.2 1W remote fluorescent integrated package light source test data

3.2新型封裝散熱特點(diǎn)

遠(yuǎn)程熒光粉型大功率白光LED散熱封裝結(jié)構(gòu)中，采用微米級(jí)新型輕質(zhì)材料硼硅酸鹽制成的HGM，具有抗壓強(qiáng)度高、熔點(diǎn)高、電阻率高、熱導(dǎo)系數(shù)和熱收縮系數(shù)小，以及抗龜裂和再加工等特點(diǎn)。由熒光粉與高分子化合物聚乙烯醇水溶液混制成遠(yuǎn)程的熒光HGM，其結(jié)構(gòu)讓HGM遠(yuǎn)離熱源芯片，使熒光粉能均勻地分布在HGM中，而現(xiàn)有封裝工藝中的熒光粉涂敷在芯片表面，由于長時(shí)間受熱導(dǎo)致LED出現(xiàn)光衰及色坐標(biāo)偏移等問題[7]。遠(yuǎn)程熒光粉與HGM結(jié)構(gòu)層混合，使熒光粉可以相當(dāng)均勻分布在HGM基體中，避免了因熒光粉沉淀而引起的同批次LED色度一致性差，且不再會(huì)隨著時(shí)間推移產(chǎn)生色坐標(biāo)偏移，有效保證LED光源的顏色穩(wěn)定性。

另外，遠(yuǎn)程熒光封裝技術(shù)減少了現(xiàn)有封裝工藝中點(diǎn)膠的工序，有效提高了產(chǎn)品一致性與封裝良品率，并降低產(chǎn)品成本，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益。遠(yuǎn)程熒光粉型的大功率白光LED散熱封裝技術(shù)是對(duì)現(xiàn)有封裝工藝的技術(shù)升級(jí)，突破封裝工藝難點(diǎn)，打破傳統(tǒng)燈具結(jié)構(gòu)散熱的設(shè)計(jì)限制。

3.3與各種照明燈具配搭

遠(yuǎn)程熒光粉型大功率白光LED散熱封裝技術(shù)與普通封裝產(chǎn)品一樣，可根據(jù)應(yīng)用方案需求選擇色溫與顯色指數(shù)等光電參數(shù)的規(guī)格。遠(yuǎn)程熒光結(jié)構(gòu)也可以設(shè)計(jì)成方形、長條形或圓形，以及配置一次或二次透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)，與燈具的配光設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)合，讓LED光照分布更均勻，有效避免照明眩光的問題[7]。有效利用遠(yuǎn)程熒光結(jié)構(gòu)和單顆芯片及多顆芯片集成封裝技術(shù)，可滿足各種燈具方案設(shè)計(jì)的需求。采用遠(yuǎn)程熒光結(jié)構(gòu)封裝的LED具有結(jié)溫更低的優(yōu)勢(shì)，可用在大功率的高棚燈、工礦燈、路燈和隧道燈等燈具產(chǎn)品上，有效保證可靠性。

4結(jié)語

遠(yuǎn)程熒光粉型大功率白光LED散熱封裝技術(shù)，是針對(duì)普通白光LED器件封裝工藝問題提出的一種有效優(yōu)化結(jié)構(gòu)新技術(shù)，有效簡化了封裝工藝的復(fù)雜性，HGM解決了普通白光LED封裝中色坐標(biāo)偏移和粉膠比重不一致等工藝缺陷，以及點(diǎn)膠時(shí)熒光粉沉淀等問題得到有效解決。遠(yuǎn)程熒光粉技術(shù)通過將熒光粉和芯片分離降低了熒光粉結(jié)構(gòu)層的溫度，提高了熒光粉的穩(wěn)定性，從封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝角度上優(yōu)化熒光轉(zhuǎn)換型白光LED時(shí)的散熱結(jié)構(gòu)，提高了發(fā)光效率，也改善了LED的照明品質(zhì)與光效的提升。遠(yuǎn)程熒光粉型大功率白光LED散熱設(shè)計(jì)技術(shù)在未來照明和顯示應(yīng)用中具有十分重要意義，隨著封裝技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，相信白光LED將向高性能與多功能化應(yīng)用的方向發(fā)展。