LED目前主要的封裝技術(shù)比較

1）led單芯片封裝

led在過去的30多年里，取得飛速發(fā)展。第一批產(chǎn)品出現(xiàn)在1968年，工作電流20mA的led的光通量只有千分之幾流明，相應(yīng)的發(fā)光效率為0.1 lm/W，而且只有一種光色為650 nm的紅色光。70年代初該技術(shù)進(jìn)步很快，發(fā)光效率達(dá)到1 lm/W，顏色也擴(kuò)大到紅色、綠色和黃色。伴隨著新材料的發(fā)明和光效的提高，單個led光源的功率和光通量也在迅速增加。原先，一般led的驅(qū)動電流僅為 20 mA。到了20世紀(jì)90年代，一種代號為“食人魚”的led光源的驅(qū)動電流增加到50-70mA，而新型大功率led的驅(qū)動電流達(dá)到300—500 mA。特別是1998年白光led的開發(fā)成功，使得led應(yīng)用從單純的標(biāo)識顯示功能向照明功能邁出了實質(zhì)性的一步。圖2-1到圖2-4描述了led的發(fā)展歷程。

圖2-1 普通led主要用于指示燈


圖2-2 高亮度led主要用于照明燈


圖2-3 食人魚led


圖2-4 大功率led

A 功率型led封裝技術(shù)現(xiàn)狀

功率型led分為功率led和瓦(W)級功率led兩種。功率led的輸入功率小于1W(幾十毫瓦功率led除外)；W級功率led的輸入功率等于或大于1W。
最早有HP公司于20世紀(jì)90年代初推出“食人魚”封裝結(jié)構(gòu)的 led，并于1994年推出改進(jìn)型的“Snap led”，有兩種工作電流，分別為70mA和150mA，輸入功率可達(dá)0.3W。接著OSRAM公司推出“PowerTOP led”，之后一些公司推出多種功率led的封裝結(jié)構(gòu)。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，熱阻降為過去的幾分之一。

W級功率led是未來照明的核心，世界各大公司投入很大力量，對其封裝技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)。單芯片W級功率led最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEON led，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，現(xiàn)可提供單芯片1W、3W和5W的大功率led，Lumileds公司擁有多項功率型白光二極管封裝方面的專利技術(shù)。OSRAM于2003年推出單芯片的Golden Dragon”系列l(wèi)ed，其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(dá)1W。日亞的1W led工作電流為350 mA，白光、藍(lán)光、藍(lán)綠光和綠光的光通量分別為23、7、28和20流明，預(yù)計其壽命為5萬小時。

B 功率型led封裝技術(shù)概述

半導(dǎo)體led若要作為照明光源，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(yuǎn)。因此，led要在照明領(lǐng)域發(fā)展，關(guān)鍵是要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級。由于led芯片輸入功率的不斷提高，功率型led封裝技術(shù)主要應(yīng)滿足以下兩點要求：①封裝結(jié)構(gòu)要有高的取光效率；②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。

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)，雖然其內(nèi)量子效率還需進(jìn)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。

功率型led封裝關(guān)鍵技術(shù)：

a.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(dá)150～250℃/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。

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。可采用低阻率、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膠，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。

普通led和大功率led封裝結(jié)構(gòu)分別見圖2-5，圖2-6。熱阻參考值見表2-1。

2-5 普通led封裝結(jié)構(gòu)圖

圖2-6 大功率led封裝結(jié)構(gòu)圖

表2-1普通led與大功率led的熱阻參考值對比

led功率 熱阻參考 (℃/W)

普通led 150～250

1W led ＜ 50

3W led ＜ 30

5W led ＜ 18

10W led ＜ 9

b 二次光學(xué)設(shè)計技術(shù)

為提高器件的取光效率，設(shè)計外加的反射杯與多重光學(xué)透鏡。

c.功率型led白光技術(shù)

常見的實現(xiàn)白光的工藝方法有如下三種：

① 藍(lán)色芯片上涂上YAG熒光粉，藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出的黃綠光與藍(lán)光合成白光。該方法相對簡單，效率高，具有實用性。缺點是布膠量一致性較差、熒光粉易沉淀導(dǎo)致出光面均勻性差、色調(diào)一致性不好；色溫偏高，顯色性不理想。

② RGB三基色多個芯片或多個器件發(fā)光混色成白光，或者用藍(lán)+黃色雙芯片補(bǔ)色產(chǎn)生白光。只要散熱得法，該方法產(chǎn)生的白光較前一種方法穩(wěn)定，但驅(qū)動較

③ 在紫外光芯片上涂RGB熒光粉，利用紫光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生三基色光混色形成白光。由于目前的紫外光芯片和RGB熒光粉效率較低，仍未達(dá)到實用階段。

表2-2 三條主要的白光led制備路線比較

紫外led + RGB熒光粉 藍(lán)光led + 黃色熒光粉 二元互補(bǔ)色led RGB多芯片組合 白光led芯片

顯色性 最好 一般 一般 一般 好

色穩(wěn)定性 最好 好 一般 一般 好

流明保持率 未有數(shù)據(jù) 一般 好 好 好

熒光材料 在研 較成熟----

效率 最好 好 一般 一般 好

應(yīng)用 白光照明 背光源 特殊照明 顯示


背光源

照明用W級功率led產(chǎn)品要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還必須解決如下技術(shù)問題：

①熒光粉涂敷量和均勻性控制：led芯片+熒光粉工藝采用的涂膠方法，通常是將熒光粉與膠混合后用分配器將其涂到芯片上。在操作過程中，由于載體膠的粘度是動態(tài)參數(shù)、熒光粉比重大于載體膠而產(chǎn)生沉淀以及分配器精度等因素的影響，此工藝熒光粉的涂布量均勻性的控制有難度，導(dǎo)致了白光顏色不均勻。

② 芯片光電參數(shù)配合：半導(dǎo)體工藝的特點，決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學(xué)參數(shù)(如波長、光強(qiáng))和電學(xué)(如正向電壓)參數(shù)差異。RGB三基色芯片更是這樣，對于白光色度參數(shù)影響很大，這是產(chǎn)業(yè)化必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

③ 根據(jù)應(yīng)用要求產(chǎn)生的光色度參數(shù)控制：不同用途的產(chǎn)品對白光led的色坐標(biāo)、色溫、顯色性、光功率(或光強(qiáng))和光的空間分布等要求不同，上述參數(shù)的控制涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝方法、材料等多方面因素的配合。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，對上述因素進(jìn)行控制，得到符合應(yīng)用要求、一致性好的產(chǎn)品十分重要。

d.檢測技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)

隨著W級功率芯片制造技術(shù)和白光led工藝技術(shù)的發(fā)展，led產(chǎn)品正逐步進(jìn)入照明市場，顯示或指示用的傳統(tǒng)led產(chǎn)品參數(shù)檢測標(biāo)準(zhǔn)及測試方法已不能滿足照明應(yīng)用的需要。國內(nèi)外的半導(dǎo)體設(shè)備儀器生產(chǎn)企業(yè)也紛紛推出各自的測試儀器，不同的儀器使用的測試原理、條件、標(biāo)準(zhǔn)存在一定的差異，增加了測試應(yīng)用、產(chǎn)品性能比較工作的難度和問題復(fù)雜化。led要往照明業(yè)拓展，建立led照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)業(yè)規(guī)范化的重要手段。

e.篩選技術(shù)與可靠性保證

由于燈具外觀的限制，照明用led的裝配空間密封且受到局限，不利于 led散熱，這意味著照明led的使用環(huán)境要劣于傳統(tǒng)顯示、指示用led產(chǎn)品。另外，照明led是處于大電流驅(qū)動下工作，這就對其提出更高的可靠性要求。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，針對不同的產(chǎn)品用途，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崂匣囟妊h(huán)沖擊、負(fù)載老化工藝篩選試驗，剔除早期失效品，保證產(chǎn)品的可靠性很有必要。

f.靜電防護(hù)技術(shù)

由于GaN是寬禁帶材料，電阻率較高，該類芯片在生產(chǎn)過程中因靜電產(chǎn)生的感生電荷不易消失，累積到相當(dāng)?shù)某潭龋梢援a(chǎn)生很高的靜電電壓。當(dāng)超過材料的承受能力時，會發(fā)生擊穿現(xiàn)象并放電。藍(lán)寶石襯底的藍(lán)色芯片其正負(fù)電極均位于芯片上面，間距很?。粚τ贗nGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)，InGaN有源層僅幾十納米，對靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。 GaN基led和傳統(tǒng)的led相比，抗靜電能力差是其鮮明的缺點，靜電導(dǎo)致的失效問題已成為影響產(chǎn)品合格率和使用推廣的一個非常棘手的問題。因此，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，靜電的防范是否得當(dāng)，直接影響到產(chǎn)品的成品率、可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。

靜電的防范技術(shù)有如下幾種：①對生產(chǎn)使用場所從人體、臺、地、空間及產(chǎn)品傳輸、堆放等方面實施防范。②芯片上設(shè)計靜電保護(hù)線路。③led上裝配靜電保護(hù)器件。

2）多芯片集成封裝

為避免大尺寸芯片導(dǎo)致發(fā)光效率的下降等問題，可采用小尺寸芯片集成的方法來增加單