大功率LED封裝技術及其發展
一、前言
大功率led封裝由于結構和工藝復雜，并直接影響到led的使用性能和壽命，一直是近年來的研究熱點，特別是大功率白光led封裝更是研究熱點中的熱點。led封裝的功能主要包括：1.機械保護，以提高可靠性；2.加強散熱，以降低芯片結溫，提高led性能；3.光學控制，提高出光效率，優化光束分布；4.供電管理，包括交流/直流轉變，以及電源控制等。
led封裝方法、材料、結構和工藝的選擇主要由芯片結構、光電/機械特性、具體應用和成本等因素決定。經過40多年的發展，led封裝先后經歷了支架式(Lamp led)、貼片式(SMD led)、功率型led(Power led)等發展階段。隨著芯片功率的增大，特別是固態照明技術發展的需求，對led封裝的光學、熱學、電學和機械結構等提出了新的、更高的要求。為了有效地降低封裝熱阻，提高出光效率，必須采用全新的技術思路來進行封裝設計。
二、大功率led封裝關鍵技術
大功率led封裝主要涉及光、熱、電、結構與工藝等方面，如圖1所示。這些因素彼此既相互獨立，又相互影響。其中，光是led封裝的目的，熱是關鍵，電、結構與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現。從工藝兼容性及降低生產成本而言，led封裝設計應與芯片設計同時進行，即芯片設計時就應該考慮到封裝結構和工藝。否則，等芯片制造完成后，可能由于封裝的需要對芯片結構進行調整，從而延長了產品研發周期和工藝成本，有時甚至不可能。
具體而言，大功率led封裝的關鍵技術包括：
（一）低熱阻封裝工藝
對于現有的led光效水平而言，由于輸入電能的80％左右轉變成為熱量，且led芯片面積小，因此，芯片散熱是led封裝必須解決的關鍵問題。主要包括芯片布置、封裝材料選擇基板材料、熱界面材料）與工藝、熱沉設計等。
led封裝熱阻主要包括材料（散熱基板和熱沉結構）內部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片產生的熱量，并傳導到熱沉上，實現與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括硅、金屬（如鋁，銅）、陶瓷（如，AlN，SiC）和復合材料等。如Nichia公司的第三代led采用CuW做襯底，將1mm芯片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發光功率和效率；Lamina Ceramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2（a），并開發了相應的led封裝技術。該技術首先制備出適于共晶焊的大功率led芯片和相應的陶瓷基板，然后將led芯片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護電路、驅動電路及控制補償電路，不僅結構簡單，而且由于材料熱導率高，熱界面少，大大提高了散熱性能，為大功率led陣列封裝提出了解決方案。德國Curmilk公司研制的高導熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或）和導電層（Cu）在高溫高壓下燒結而成，沒有使用黏結劑，因此導熱性能好、強度高、絕緣性強，如圖2（b）所示。其中氮化鋁（AlN）的熱導率為160W/mk，熱膨脹系數為（與硅的熱膨脹系數相當），從而降低了封裝熱應力。
研究表明，封裝界面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理界面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下接觸良好的界面在高溫下可能存在界面間隙，基板的翹曲也可能會影響鍵合和局部的散熱。改善led封裝的關鍵在于減少界面和界面接觸熱阻，增強散熱。因此，芯片和散熱基板間的熱界面材料（TIM）選擇十分重要。led封裝常用的TIM為導電膠和導熱膠，由于熱導率較低，一般為0.5-2.5W/mK，致使界面熱阻很高。而采用低溫或共晶焊料、焊膏或者內摻納米顆粒的導電膠作為熱界面材料，可大大降低界面熱阻。
（二）高取光率封裝結構與工藝
在led使用過程中，輻射復合產生的光子在向外發射時產生的損失，主要包括三個方面：芯片內部結構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損失；以及由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無法從芯片中出射到外部。通過在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于芯片和空氣之間，從而有效減少了光子在界面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對芯片進行機械保護，應力釋放，并作為一種光導結構。因此，要求其透光率高，折射率高，熱穩定性好，流動性好，易于噴涂。為提高led封裝的可靠性，還要求灌封膠具有低吸濕性、低應力、耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環氧樹脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩定性好，應力小，吸濕性低等特點，明顯優于環氧樹脂，在大功率led封裝中得到廣泛應用，但成本較高。研究表明，提高硅膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失，提高外量子效率，但硅膠性能受環境溫度影響較大。隨著溫度升高，硅膠內部的熱應力加大，導致硅膠的折射率降低，從而影響led光效和光強分布。
熒光粉的作用在于光色復合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發光效率、轉換效率、穩定性（熱和化學）等，其中，發光效率和轉換效率是關鍵。研究表明，隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低,出光減少，輻射波長也會發生變化，從而引起白光led色溫、色度的變化，較高的溫度還會加速熒光粉的老化。原因在于熒光粉涂層是由環氧或硅膠與熒光粉調配而成，散熱性能較差，當受到紫光或紫外光的輻射時，易發生溫度猝滅和老化，使發光效率降低。此外，高溫下灌封膠和熒光粉的熱穩定性也存在問題。由于常用熒光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅膠折射率一般在1.5左右。由于兩者間折射率的不匹配，以及熒光粉顆粒尺寸遠大于光散射極限（30nm），因而在熒光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過在硅膠中摻入納米熒光粉，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％），并能有效改善光色質量。
傳統的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與灌封膠混合，然后點涂在芯片上。由于無法對熒光粉的涂敷厚度和形狀進行精確控制，導致出射光色彩不一致，出現偏藍光或者偏黃光。而Lumileds公司開發的保形涂層（Conformal coating）技術可實現熒光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性，如圖3（b）。但研究表明，當熒光粉直接涂覆在芯片表面時，由于光散射的存在，出光效率較低。有鑒于此，美國RenssELaer 研究所提出了一種光子散射萃取工藝（Scattered Photon Extraction method，SPE)，通過在芯片表面布置一個聚焦透鏡，并將含熒光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60％），如圖3(c)。
總體而言，為提高led的出光效率和可靠性，封裝膠層有逐漸被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨勢，通過將熒光粉內摻或外涂于玻璃表面，不僅提高了熒光粉的均勻度，而且提高了封裝效率。此外，減少led出光方向的光學界面數，也是提高出光效率的有效措施。
（三）陣列封裝與系統集成技術
經過40多年的發展，led封裝技術和結構先后經歷了四個階段，如圖4所示。