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   大功率高亮度白光LED封装技术的研究    热  ★★★ 【字体：小 大 】  
大功率高亮度白光LED封装技术的研究
收集整理：佚名    来源：本站整理  时间：2012-06-29 22:00:32   点击数：[]    

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第一章 绪 论

1.1 研究目的
   运用专业知识综合分析LED的一些基本理论知识，从而了解LED封装过程中遇到的难题，并用适当的技术解决LED发光的散热问题，光的均匀性问题以及电学设计问题。对一些基本封装结构进行分析比较得出优缺点。

1.2 研究背景
日本于20世纪90年代中期推出了一种白光LED，其具有低驱动电压、高发光效率、小体积、低能耗、长寿命等优点。与普通光源相比，大功率LED具有寿命长、反映时间快等优点。在城市景观、LCD背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告牌等方面有着广泛应用。随着其价格的不断降低，发光亮度的不断提高，大规模地用于普通照明是一个必然趋势。
然而用于照明的白光LED随其管芯尺寸的加大，消耗功率的增加，在封装工艺及驱动电路的可靠性上都会产生一些独特的问题。
LED芯片的有源区面积小，工作电流大，造成LED芯片的工作温度高。温度上升导致LED输出光功率减小，加速芯片蜕化，器件寿命缩短。随温度的上升LED的波长还将发生“红移”，如果要考虑到实际应用中对色漂移的不良影响，热设计也要对最高结温进行限制。
1.3 研究方法
收集整理各种相关的文献资料，并利用所学知识对其中数据进行理论分析。对大功率LED的散热问题作重点研究，从而更好对其封装技术进行研究。对数据进行比较得出各种结构的优点及不足。
1.4 论文内容概述
    本文系统的讲述了大功率白光LED的基础封装结构，LED封装是完成输出电信号，保护芯管工作，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求。对大功率白光LED封装的技术瓶颈进行分析，研究拟解决的主要问题：散热问题，取光效率问题和色均匀性问题等。

第二章 LED结构及发光原理
 
2.1半导体的种类
    导体可分为本征半导体.P型半导体.N型半导体。
本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗（11个9的纯度）晶体称本征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。
P型半导体：P型半导体是在4价的本征半导体中混入了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的铟合成的晶体。由于3价原子进入4价原子中，因此这晶体结构中就产生了少一电子的部分。由于少一电子，所以带正电。
N型半导体：若把5价的原子，譬如砷混入4价的本征半导体，将产生多余1个电子的状态结晶，显负电性。
2.2 LED结构及发光原理
LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。如图1为LED发光图。
 

图1 LED工作图
2.3 白光的实现
目前LED实现白光的方法主要有三种：
1、蓝色LED芯片激发黄色荧光粉，由LED蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成白光，为改善显色性能还可以在其中加少量红色荧光粉或同时加适量绿色、红色荧光粉。其优点为：效率高、制备简单、温度稳定性较好、显色性较好。缺点为：一致性差、色温随角度变化。
蓝色芯片+黄色荧光粉实现白色发光（如图2）
 
                            图2

2、通过LED红绿蓝的三基色多芯片组和发光合成白光。
优点：效率高、色温可控、显色性能较好。
缺点：三基色光衰不同导致色温不稳定、控制电路较复杂，成本较高。
3、紫外光LED芯片激发荧光粉发出三基色合成白光。
优点：显色性好、制备简单。
缺点：LED芯片效率较低，又紫外光泄露问题，荧光粉温度稳定性能有待解决。

第三章  大功率LED封装热学设计
3.1大功率LED实现的主要困难-散热
     传统的照明器件不存在散热的问题，白炽灯、荧光灯在使用过程中灯丝达到非常高的温度，发出的光包含红外线，可以通过辐射的方式散发热量。如白炽灯泡85%~90%的热量通过辐射释放出去。但是LED发光机理不同，是靠电子在能带间跃迁产生光，其光谱中不包含红外部分，所以其能量不能靠辐射散出，所以说LED是冷光源。但是，目前LED的发光率仅能达到10%~20%，还有80%~90%的能量转化成了热量。为了保证器件的寿命，一般要求结温在110摄氏度以下，所以散热对LED意义重大。对于单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉的激射效率下降。研究表明：当温度超过一定值时，器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度每上升2摄氏度，可靠性下降10%。为了保证器件的寿命，一般要求器件的PN结结温在110摄氏度以下。随着PN结结温的上升，白光LED器件的发光波长将发生红移。统计资料表明：在100摄氏度时，波长可以红移4~9nm，从而导致荧光粉吸收率下降，总的发光强度会变少，白光色度变差。在室温附近，温度每升高1摄氏度，LED发光强度会相应减少1%左右。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。因此解决散热问题已经成为功率型LED应用的先决条件。LED一般靠环氧树脂封装，环氧树脂的导热能力非常差，热量只能靠芯片下面的引脚散出。传统的管芯功率小，需要散热也小，因而散热问题并不严重，
目前制作的大功率白光LED的芯片尺寸大多在1mm*1mm以上，单个器件的耗散功率在1W以上，如果简单的把封装尺寸也按比例放大，芯片的热量不能散出去，会加速芯片和荧光粉的老化，还可能导致倒装焊的焊锡融化，使芯片失效。而且，当温度上升时，LED色度变差。这是因为随着温度上升，蓝光的发光峰值想长波长方向移动，而荧光粉对460nm的光最敏感，随着蓝光波长的红移，荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减少，白光色度较差。
3.2 LED封装热学设计
由于输入电能的80%～90%转变成为

热量,只有大约10%～20%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。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L ED 的使用寿命;或在同样的温度限制范围内,增加输入功率或芯片密度,从而增加LED灯的亮度。结温是衡量LED封装散热性能的一个重要技术指标,由于散热不良导致的pn结温度升高,将严重影响到发光波长、光强、光效和使用寿命。L ED 封装散热设计的重点在于芯片布置、材料选择(键合材料、基板材料) 与工艺、热沉设计等。
   对于小功率LED(如普通的<5mm LED ,其功率仅为0.065W),发热问题并不严重,即使热阻较高(一般高于100℃/W) ,采用普通的封装结构即可。而半导体照明用的高亮度白光LED ,一般采用大功率LED芯片,其输入功率为1W或更高,芯片面积约为1mm×1mm ,因此热流密度高达100W/cm2以上。此外,对于大功率LED封装,为提高光通量,一般采用阵列模块方式。由于发光芯片的高密度集成,散热基板上的温度很高,必须采用热导率较高的基板材料和合适的封装工艺,以降低封装热阻。
    研究表明,封装界面对热阻影响也很大,如果不能正确处理界面,就难于获得良好的散热效果。例如,室温下接触良好的界面在高温下可能存在界面间隙,基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善LED 封装的关键在于减少界面和界面接触热阻,增强散热。因此,芯片和散热基板间的热界面材料(TIM)选择十分重要。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶,由于热导率较低,一般为0.5～2.5W/ (m•K) ,致使界面热阻很高。而采用低温焊片、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料,可大大降低界面热阻。
    除选用高热导率散热基板和热界面材料外,如何将LED器件产生的热量有效耗散到环境中也是一个关键。常用的热沉结构分为被动和主动散热。被动散热一般选用具有高肋化系数的翅片,通过翅片和空气间的自然对流将热量耗散到环境中。该方案结构简单,可靠性高,但由于自然对流换热系数较低,只适合于芯片功率较低(小于10W),集成度不高的情况。对于大功率LED封装,则必须采用主动散热,如翅片加风扇、热管、液体强迫对流、微通道致冷、相变致冷等,根据不同的应用需要选用不同的方案。
3.3大功率LED的封装结构及优缺点
为了解决大功率LED的封装散热难题，国际上开发多种结构主要有以下三种类型：
（1）硅基倒装芯片结构
传统的LED采用正装结构，上面通常涂覆一层环氧树脂，下面采用蓝宝石作为衬底。由于环氧树脂的导热能力很差，蓝宝石又是热的不良导体，热量只能靠芯片下面的引脚散出。因此前后两方面都造成散热的难题，影响器件的性能和可靠性。
Lumileds公司研制的功率型倒装芯片结构，如图3示，LED芯片通过凸点倒装连接在硅基上。这样热量不必经由芯片的蓝宝石衬底，而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属底座，由于其有源发热区更接近于散热体，可降低内部热沉热阻。这种结构的设计理论计算最低可达到1.34K/W，实际做到6~8K/W，出光率也提高了60%左右。热阻与热沉的厚度成正比的，受硅片机械强度与导热性能所限，很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻，制约了其传性能的进一步提高。
 
图3芯片的正装结构和倒装结构对比

（2）基于金属线路板结构
金属线路板结构利用铝等金属具有极佳的热传导性质，将芯片封装到覆盖有几毫米厚的铜电极的PCB板上，或者将芯片封装在金属夹芯的PCB板上，然后再封装到散热片上来解决散热问题。美国的UOE公司的系列LED，将已经封装的产品组装在带有铝夹层的金属芯PCB上，其中PCB板作为LED器件电极连接布线之用，铝芯夹层作为热沉散热，如图4示。虽然采用该结构可以获得良好的散热特性，并大大提高LED的输入功率，但夹层中的PCB板是热的不良导体，阻碍了热量的传导。根据研究，该结构系统的热阻约在60~70K/W之间。
 
图4金属线路板结构

（3）微泵浦结构
     在散热器上安装一个微泵浦系统来解决LED的散热问题，在封闭系统中，水在微泵浦的作用下进入LED的底板小槽吸热，然后又回到小的水容器中，通过风扇吸热。这种微泵浦结构（如图5）所示可以将外部热阻率降为0.192K/W。这种结构的制冷性能较好，但如前两种结构一样，如果内部接口热阻很大，则其热传导将大打折扣，此外其结构也较为复杂。
 
     图5   微泵浦结构

3.4大功率LED散热原理
Lumileds的功率型LED为倒装模式，以硅载体为热沉。通过集成在硅热沉中的齐纳二极管提供静电保护的同时，这种设计也能降低热膨胀系数不匹配的冲击（硅与蓝宝石衬底有相近的膨胀系数）。此外，硅材质与焊球还起着应力吸收器的作用，以进一步舒缓热膨胀效应。以硅载体粘着焊球使LED芯片紧密的与硅载体连在一起，再由接线连接到导线框。光滑的硅表面有高反射的铝金属层。LED的焊接面一般覆金，以提供最佳的热传导，以及芯片与导线框、铜散热器的接合强度。
所用硅片很薄，这样可以发挥最大的热传导效能，让LED的高热很快地经过此传递到散热器上。在各种Luxeon产品中，一级热沉通过环氧胶贴在MCPCB上。MCPCB保证电的互连，也是与第二级热沉的连接界面。在没有第二级铝热沉的情况下，LED也能在室温下工作，但是MCPCB很容易达到70摄氏度。多级次的热沉虽然增加一点热阻，但是使散热面大大增加了，从而使对流散热和辐射散热大大增强，进而整个系统散热能力得到改善。
限制最高结温的另一个方面是硅载体与芯片间因膨胀系数差异而导致的最大允许热应力限制。在多数情况下，大功率LED芯片通过submount或heat spreader过度，安装在MCPCB上，而MCPCB紧贴在铝热沉上，两者光滑表面常用螺钉或弹簧加力固定，并用导热胶以尽量减少热阻。各大半导体公司都采用了类似的金属芯基板，其结构特点是热沉与金属线路板直接接触，具有很好的散热性能，输入功率可达1W；芯片用红外或回流焊焊接在铜合金热扩散层上，扩散层再焊接在铝芯的PCB板上。铝芯表面介电层为热增强聚合物。图5是Golden Dragon 系列LED的结构示意图。
 
   图5 Golden Dragon结构示意图

第四章 光学电学设计
4.1取光效率问题
由于芯片的折射率比较高，发出的光会经过多次的来回反射与折射，有些光被损耗掉了而不能出射到管子外。解决方法一般有三种：（1）在芯片外涂覆一层透明的柔性硅橡（2）采用倒装焊新结构以减少光程；（3）增大芯片面积，加大工作电流来提高器件的光电转换效率，从而获得较高的发光

      

通量。
4.2 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[9]。
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层(灌封胶),由于该胶层处于芯片和空气之间 ,从而能有效减少光子在界面的损失 ,提高了取光效率。此外,L ED 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、耐温环保等特性。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L ED 封装中得到广泛应用。研究表明 ,提高硅胶折射率可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L ED光效和光强。
L ED 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L ED 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 5000～20000 K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。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。
传统的荧光粉涂覆方式是将荧光粉与灌封胶混合,然后点涂在芯片上。由于无法对荧
光粉的涂覆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技术可实现荧光粉的均匀涂覆 ,保障了光色的均匀性。但研究表
明,当荧光粉直接涂覆在芯片表面时 ,由于光散射的存在 ,出光效率较低。有鉴于此,美国
研究所提出了一种光子散射萃取工艺( 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 。
L ED封装外光学设计是指对出射光束进行会聚、整形,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L ED 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。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 ,易于与其他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 。
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 L ED器件的工作电流 ,从而提高 L ED 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 ,但仍不失为一种行之有效的方法。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[10]。

4.3电学设计
L ED 封装的电学设计是指通过电路来实现对LED的控制,包括电源驱动,色彩和亮度等性能的变化 ,以及使用过程中的电流、温度、光学特性的自动反馈 ,甚至根据时序的变化 ,实现周期性控制。控制电路作为 L ED 封装的一部分 ,可有效解决LED封装和结构的难题 ,因此越来越受到重视[11]。
大功率白光 LED 的优势要得到体现,特别是要保证它的长寿命和色彩均匀的特点,其驱动设计至关重要。根据LED的I2V 特性 ,其工作电流 If与正向电压 Vf 呈指数关系。由于每个LED的正向电压 Vf 值不同(与芯片制造工艺有关) ,且温度对Vf 影响较大 ,Vf 的稍微增加 , If 值会急剧增大 ,使L ED 功耗和温度急剧增加 ,导致 L ED 的破坏性使用。因此 ,恒压驱动方式虽然结构简单 ,但可靠性差。而恒流驱动正相反 ,即使 L ED 本身 Vf 值有所偏差 ,或者温度发生变化 ,或者电源电压发生一定的波动 ,由于恒流源的存在 ,LED 本身的工作状态仍保持不变;且由于 L ED 光输出与 If 基本成正比关系 ,一定的 If 对应的光输出是一定的 ,从而也使L ED本身的发热、亮度和色度维持在恒定的水平。


第五章 发展趋势 
    
LED 产生热量的多少取决于内量子效应。在氮化镓材料的生长过程中， 改进材料结构， 优化生长参数，获得高质量的外延片，提高器件内量子效率,从根本上减少热量的产生， 加快芯片结到外延层的热传导。
选择以铝基为主的金属芯印刷电路板（ MC-PCB） 、 陶瓷、 DBC、 复合金属基板等导热性能好的材料作衬底， 以加快热量从外延层向散热基板散发。 通过优化 MCPCB板的热设计，或将陶瓷直接绑定在金属基板上形成金属基低温烧结陶瓷（ LTCC-M） 基板， 以获得热导性能好， 热膨胀系数小的衬底。
为了使衬底上的热量更迅速地扩散到周围环境， 通常选用铝、 铜等导热性能好的金

      

属材料作为散热器， 再加装风扇和回路热管等强制制冷。 无论从成本还是外观的角度来看， LED照明都不宜采用外部冷却装置。 因此根据能量守恒定律， 利用压电陶瓷作为散热器，把热量转化成振动方式直接消耗热能将成为未来研究的重点之一。
对于大功率 LED器件而言， 其总热阻是 pn结到外界环境热路上几个热沉的热阻之和，其中包括 LED本身的内部热沉热阻、内部热沉到 PCB板之间的导热胶的热阻、 PCB板与外部热沉之间的导热胶的热阻、 外部热沉的热阻等， 传热回路中的每一个热沉都会对传热造成一定的阻碍，因此经过长期研究认为， 减少内部热沉数量， 并采用薄膜工艺将必不可少的接口电极热沉、绝缘层直接制作在金属散热器上， 能够大幅度降低总热阻， 这种技术有可能成为今后大功率 LED散热封装的主流方向。

结论

L ED封装是一个涉及到多学科(如光学、热学、机械、电学、力学、材料、半导体等)的研究课题。从某种角度而言 ,L ED 封装不仅是一门制造技术 ,而且是一门基础科学 ,良好的封装需要对热学、 光学、材料和工艺力学等物理本质的理解和应用。L ED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(如界面热阻、 封装应力)对L ED光效和可靠性影响也很大 ,大功率白光L ED 封装必须采用新材料 ,新工艺 ,新思路。


致谢
    这次毕业设计得到了很多老师、同学的帮助，感谢徐老师对我的关心和支持。每次当我遇到困难，我总是向徐老师寻求帮助，而徐老师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。感谢学校给我一个独立思考问题解决问题的机会，增强了自身实践操作能力和阅读资料的能力。感谢整个毕业设计期间对我帮助过的同学，正是有了他们的帮助，才学到了新知识，更感受到团结就是力量。


参考文献
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李炳乾. 1W级大功率白光LED 发光效率研究. 光电器件. 2005 , 26 (4) : 314～316
李华平，柴广跃，彭文达《大功率封装及其散热基板研究》.《半导体光电》. 2007 年 2 月第 28 卷第 1 期。
苏达，王德苗《大功率LED 散热封装技术研究》.照明工程学报2007年6月第18卷 第2期。
苏 达, 王德苗《大功率LED散热封装技术研究的新进展》.电力电子技术2007 年 10 月第 41 卷第 10 期。
钱可元, 胡飞, 吴慧颖, 罗毅《大功率白光LED 封装技术的研究》.2005.2
陈明祥 , 罗小兵, 马泽涛, 刘胜《大功率白光LED 封装设计与研究进展》.《半导体光电》. 2006 年 12 月第 27 卷第 6 期。
马泽涛，朱大庆，王晓军《一种高功率LED 封装的热分析》。
[9] 张成敬,王春青《一种高功率白光 LED灯具的封装热设计研究》.电子工艺技术第 28卷第5期2007年 9月。
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