功率型LED封裝技術(shù)面對挑戰(zhàn)

一、引言

半導(dǎo)體發(fā)光二極管簡稱LED，從上世紀六十年代研制出來并逐步走向市場化，其封裝技術(shù)也是不斷改進和發(fā)展。LED 由最早用玻璃管封裝發(fā)展至支架式環(huán)氧封裝和表面貼裝式封裝，使得小功率LED 獲得廣泛的應(yīng)用。從上世紀九十年代開始，由于LED 外延、芯片技術(shù)上的突破，四元系A(chǔ)lGaInP 和GaN 基的LED相繼問世，實現(xiàn)了LED 全色化，發(fā)光亮度大大提高，并可組合各種顏色和白光。器件輸入功率上有很大提高。目前單芯片1W 大功率LED 已產(chǎn)業(yè)化并推向市場，臺灣國聯(lián)也已研制出10W 的單芯片大功率LED。這使得超高亮度LED 的應(yīng)用面不斷擴大，首先進入特種照明的市場領(lǐng)域，并向普通照明市場邁進。由于LED 芯片輸入功率的不斷提高，對這些功率型LED 的封裝技術(shù)提出了更高的要求。功率型LED 封裝技術(shù)主要應(yīng)滿足以下二點要求：一是封裝結(jié)構(gòu)要有高的取光效率，其二是熱阻要盡可能低，這樣才能保證功率LED 的光電性能和可靠性。所以本文將重點對功率型LED 的封裝技術(shù)作介紹和論述。

二、功率型LED 封裝技術(shù)現(xiàn)狀

由于功率型LED 的應(yīng)用面非常廣，不同應(yīng)用場合下對功率LED 的要求不一樣。根據(jù)功率大小，目前的功率型LED 分為普通功率LED 和W 級功率LED 二種。輸入功率小于1W 的LED（幾十mW 功率LED除外）為普通功率LED；輸入功率等于或大于1W 的LED 為W 級功率LED。而W 級功率LED 常見的有二種結(jié)構(gòu)形式，一種是單芯片W 級功率LED，另一種是多芯片組合的W 級功率LED。

1．國外功率型LED 封裝技術(shù)：
（1）普通功率LED
根據(jù)報導(dǎo)，最早是由HP 公司于1993 年推出“食人魚”封裝結(jié)構(gòu)的LED，稱“Super flux LED”，并于1994年推出改進型的“Snap LED”，其外形如圖1 所示。它們典型的工作電流，分別為70mA 和150mA，輸入功率分別為0.1W 和0.3W。
Osram 公司推出“Power TOP LED”是采用金屬框架的PLCC 封裝結(jié)構(gòu)，其外形圖如圖2 所示。之后其他一些公司推出多種功率LED 的封裝結(jié)構(gòu)。其中一種PLCC-4 結(jié)構(gòu)封裝形式，其功率約200~300mW，這些結(jié)構(gòu)
的熱阻一般為75~125℃/W。總之，這些結(jié)構(gòu)的功率LED 比原支架式封裝的LED 輸入功率提高幾倍，熱阻
下降幾倍。
（2）W 級功率LED
W 級功率LED 是未來照明的核心部分，所以世界各大公司投入很大力量，對W 級功率封裝技術(shù)進行研究開發(fā)，并均已將所得的新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)等申請各種專利。單芯片W 級功率LED 最早是由Lumileds 公司于1998 年推出的Luxeon LED，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示，根據(jù)報導(dǎo)，該封裝結(jié)構(gòu)的特點是采用熱電分離的形式，將倒裝芯片用硅載體直接焊接在熱沉上，并采用反射杯、光學(xué)透鏡和柔性透明膠等新結(jié)構(gòu)和新材料，提高了器件的取光效率并改善了散熱特性?？稍谳^大的電流密度下穩(wěn)定可靠的工作，并具有比普通LED 低得多的熱阻，一般為14~17℃/W，現(xiàn)有1W、3W 和5W的產(chǎn)品。該公司近期還報導(dǎo)［1］推出Luxeon III LED 產(chǎn)品，由于對封裝和芯片進行改善，可在更高的驅(qū)動電流下工作，在700mA 電流工作50000 小時后仍能保持70%的流明，在1A 電流工作20000 小時能保持50%的流明。
Osram 公司于2003 年推出單芯片的“Golden Dragon”系列LED［2］，如圖4 所示，其結(jié)構(gòu)特點是熱沉與金屬線路板直接接觸，具有很好的散熱性能，而輸入功率可達1W。我國臺灣UEC 公司（國聯(lián)）采用金屬鍵合（Metal Bonding）技術(shù)封裝的MB 系列大功率LED［3］其特點是用Si 代替GaAs 襯底，散熱好，并以金屬黏結(jié)層作光反射層，提高光輸出?，F(xiàn)有LED 單芯片面積分別為：0.3×0.3mm2、1×1mm2 和2.5×2.5mm2 的芯片，其輸入功率分別有0.3W 、1W 和10W，其中2.5×2.5mm2芯片光通量可達200lm，0.3W 和1W 產(chǎn)品正推向市場。多芯片組合封裝的大功率LED，其結(jié)構(gòu)和封裝形式較多，這里介紹幾種典型的結(jié)構(gòu)封裝形式：
①美國UOE 公司于2001 年推出多芯片組合封裝的Norlux 系列LED［4］，其結(jié)構(gòu)是采用六角形鋁板作為襯底，如圖5 所示，鋁層導(dǎo)熱好，中央發(fā)光區(qū)部分可裝配40 只芯片，封裝可為單色或多色組合，也可根據(jù)實際需求布置芯片數(shù)和金線焊接方式，該封裝的大功率LED 其光通量效率為20lm/W，發(fā)光通量為100lm。
②Lanina Ceramics 公司于2003 年推出采用公司獨有的金屬基板上低溫燒結(jié)陶瓷（LTCC-M）技術(shù)封裝的大功率LED 陣列［5］，有二種產(chǎn)品：一種為7 元LED 陣列，光通量為840lm，功率為21W。另一種是134 元LED 陣列，光通量為360lm，功率134W。由于LTCC-M 技術(shù)是將LED 芯片直接連接到密封陣列配置的封裝盒上，因此工作溫度可達250℃。
③松下公司于2003 年推出由64 只芯片組合封裝的大功率白光LED［6］，光通量可達120lm，采用散熱性能優(yōu)良的襯底，把這些芯片封裝在2cm2 的面積中，其驅(qū)動電流可達8W，這種封裝中每1W 輸入功率其溫升僅為1.2℃。
④日亞公司于2003 年推出號稱是全世界最亮的白光LED，其光通量可達600lm，輸出光束為1000lm時，耗電量為30W，最大輸入功率為50W，提供展覽的白光LED 模塊發(fā)光效率達33lm/W。有關(guān)多芯片組合的大功率LED，許多公司根據(jù)實際市場需求，不斷開發(fā)很多新結(jié)構(gòu)封裝的新產(chǎn)品，其開發(fā)研制的速度是非常快。

2．國內(nèi)功率型LED 封裝技術(shù)
國內(nèi)LED 普通產(chǎn)品的后工序封裝能力應(yīng)該是很強的，封裝產(chǎn)品的品種較齊全，據(jù)初步估計，全國LED 封裝廠超過200 家，封裝能力超過200 億只/年，封裝的配套能力也是很強的，但是很多封裝廠為私營企業(yè)，
目前來看規(guī)模偏小。
國內(nèi)功率型LED 的封裝，早在上世紀九十年代就開始，一些有實力的后封裝企業(yè)，當時就開始開發(fā)并批量生產(chǎn)，如“食人魚”功率型LED。國內(nèi)的大學(xué)、研究所很少對大功率LED 封裝技術(shù)開展研究，信息產(chǎn)業(yè)部第13 研究所對功率型LED 封裝技術(shù)開展研究工作，并取得很好的研究成果，具體開發(fā)出功率LED 產(chǎn)品。
國內(nèi)有實力的LED 封裝企業(yè)（外商投資除外），如佛山國星、廈門華聯(lián)等幾個企業(yè)，很早就開展功率型LED的研發(fā)工作，并取得較好的效果。如“食人魚”和PLCC 封裝結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，均可批量生產(chǎn)，并已研制出單芯片1W 級的大功率LED 封裝的樣品。而且還進行多芯片或多器件組合的大功率LED 研制開發(fā)，并可提供
部分樣品供試用。對大功率LED 封裝技術(shù)的研究開發(fā)，目前國家尚未正式支持投入，國內(nèi)研究單位很少介入，封裝企業(yè)投入研發(fā)的力度（人力和財力）還很不夠，形成國內(nèi)對封裝技術(shù)的開發(fā)力量薄弱的局面，其封裝的技術(shù)水平與國外相比還有相當?shù)牟罹唷?P>
三、功率型LED 產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵的封裝技術(shù)
半導(dǎo)體LED 要作為照明光源，常規(guī)產(chǎn)品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比，距離甚遠。因此，LED 要在照明領(lǐng)域發(fā)展，關(guān)鍵要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級。功率型LED 所用的外延材料采用MOCVD 的外延生長技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)雖然其外量子效率還需進一步提高，但獲得高發(fā)光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低?，F(xiàn)有的功率型LED 的設(shè)計采用了倒裝焊新結(jié)構(gòu)來提高芯片的取光效率，改善芯片的熱特性，并通過增大芯片面積，加大工作電流來提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率，從而獲得較高的發(fā)光通量。除了芯片外，器件的封裝技術(shù)也舉足輕重。關(guān)鍵的封裝技術(shù)工藝有：
1、散熱技術(shù)
傳統(tǒng)的指示燈型LED 封裝結(jié)構(gòu)，一般是用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上，由金絲完成器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹脂封裝而成，其熱阻高達250~300℃/W，新的功率型芯片若采用傳統(tǒng)式的LED 封裝形式，將會因為散熱不良而導(dǎo)致芯片結(jié)溫迅速上升和環(huán)氧碳化變黃，從而造成器件的加速光衰直至失效，甚至因為迅速的熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力造成開路而失效。因此，對于大工作電流的功率型LED
芯片，低熱阻、散熱良好及低應(yīng)力的新的封裝結(jié)構(gòu)是功率型LED 器件的技術(shù)關(guān)鍵。采用低電阻率、高導(dǎo)熱性能的材料粘結(jié)芯片；在芯片下部加銅或鋁質(zhì)熱沉，并采用半包封結(jié)構(gòu)，加速散熱；甚至設(shè)計二次散熱裝置，來降低器件的熱阻。在器件的內(nèi)部，填充透明度高的柔性硅橡膠，在硅橡膠承受的溫度范圍內(nèi)（一般為-40℃~200℃）,膠體不會因溫度驟然變化而導(dǎo)致器件開路,也不會出現(xiàn)變黃現(xiàn)象。零件材料也應(yīng)充分考慮其導(dǎo)熱、散熱特性，以獲得良好的整體熱特性。
2、二次光學(xué)設(shè)計技術(shù)
為提高器件的取光效率，設(shè)計外加的反