大功率LED封装技能及其开展
一、前语
大功率led封装因为结构和工艺杂乱，并直接影响到led的运用功能和寿数，一直是近年来的研讨热门，特别是大功率白光led封装更是研讨热门中的热门。led封装的功用首要包含：1.机械维护，以进步可靠性；2.加强散热，以下降芯片结温，进步led功能；3.光学操控，进步出光功率，优化光束散布；4.供电办理，包含沟通/直流改变，以及电源操控等。
led封装办法、资料、结构和工艺的挑选首要由芯片结构、光电/机械特性、详细运用和本钱等要素决议。通过40多年的开展，led封装先后阅历了支架式(Lamp led)、贴片式(SMD led)、功率型led(Power led)等开展阶段。跟着芯片功率的增大，特别是固态照明技能开展的需求，对led封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。为了有用地下降封装热阻，进步出光功率，有必要选用全新的技能思路来进行封装规划。
二、大功率led封装要害技能
大功率led封装首要触及光、热、电、结构与工艺等方面，如图1所示。这些要素互相既彼此独立，又彼此影响。其间，光是led封装的意图，热是要害，电、结构与工艺是手法，而功能是封装水平的详细表现。从工艺兼容性及下降生产本钱而言，led封装规划应与芯片规划一起进行，即芯片规划时就应该考虑到封装结构和工艺。不然，等芯片制作完成后，或许因为封装的需要对芯片结构进行调整，然后延长了产品研发周期和工艺本钱，有时乃至不或许。
详细而言，大功率led封装的要害技能包含：
（一）低热阻封装工艺
关于现有的led光效水平而言，因为输入电能的80％左右改变成为热量，且led芯片面积小，因而，芯片散热是led封装有必要处理的要害问题。首要包含芯片安置、封装资料挑选基板资料、热界面资料）与工艺、热沉规划等。
led封装热阻首要包含资料（散热基板和热沉结构）内部热阻和界面热阻。散热基板的效果便是吸收芯片发作的热量，并传导到热沉上，完成与外界的热交换。常用的散热基板资料包含硅、金属（如铝，铜）、陶瓷（如，AlN，SiC）和复合资料等。如Nichia公司的第三代led选用CuW做衬底，将1mm芯片倒装在CuW衬底上，下降了封装热阻，进步了发光功率和功率；Lamina Ceramics公司则研发了低温共烧陶瓷金属基板，如图2（a），并开发了相应的led封装技能。该技能首要制备出适于共晶焊的大功率led芯片和相应的陶瓷基板，然后将led芯片与基板直接焊接在一起。因为该基板上集成了共晶焊层、静电维护电路、驱动电路及操控补偿电路，不只结构简略，并且因为资料热导率高，热界面少，大大进步了散热功能，为大功率led阵列封装提出了处理方案。德国Curmilk公司研发的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或）和导电层（Cu）在高温高压下烧结而成，没有运用黏结剂，因而导热功能好、强度高、绝缘性强，如图2（b）所示。其间氮化铝（AlN）的热导率为160W/mk，热膨胀系数为（与硅的热膨胀系数适当），然后下降了封装热应力。
研讨标明，封装界面临热阻影响也很大，假如不能正确处理界面，就难以获得杰出的散热效果。例如，室温下触摸杰出的界面在高温下或许存在界面空隙，基板的翘曲也或许会影响键合和部分的散热。改进led封装的要害在于削减界面和界面触摸热阻，增强散热。因而，芯片和散热基板间的热界面资料（TIM）挑选十分重要。led封装常用的TIM为导电胶和导热胶，因为热导率较低，一般为0.5-2.5W/mK，致使界面热阻很高。而选用低温或共晶焊料、焊膏或许内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面资料，可大大下降界面热阻。
（二）高取光率封装结构与工艺
在led运用过程中，辐射复合发作的光子在向外发射时发作的丢失，首要包含三个方面：芯片内部结构缺点以及资料的吸收；光子在出射界面因为折射率差引起的反射丢失；以及因为入射角大于全反射临界角而引起的全反射丢失。因而，许多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片外表涂覆一层折射率相对较高的通明胶层(灌封胶)，因为该胶层处于芯片和空气之间，然后有用削减了光子在界面的丢失，进步了取光功率。此外，灌封胶的效果还包含对芯片进行机械维护，应力开释，并作为一种光导结构。因而，要求其透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为进步led封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。现在常用的灌封胶包含环氧树脂和硅胶。硅胶因为具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力小，吸湿性低一级特色，显着优于环氧树脂，在大功率led封装中得到广泛运用，但本钱较高。研讨标明，进步硅胶折射率可有用削减折射率物理屏障带来的光子丢失，进步外量子功率，但硅胶功能受环境温度影响较大。跟着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率下降，然后影响led光效和光强散布。
荧光粉的效果在于光色复合，构成白光。其特性首要包含粒度、形状、发光功率、转化功率、稳定性（热和化学）等，其间，发光功率和转化功率是要害。研讨标明，跟着温度上升，荧光粉量子功率下降,出光削减，辐射波长也会发作改变，然后引起白光led色温、色度的改变，较高的温度还会加快荧光粉的老化。原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉分配而成，散热功能较差，当遭到紫光或紫外光的辐射时，易发作温度猝灭和老化，使发光功率下降。此外，高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。因为常用荧光粉尺度在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶折射率一般在1.5左右。因为两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒尺度远大于光散射极限（30nm），因而在荧光粉颗粒外表存在光散射，下降了出光功率。通过在硅胶中掺入纳米荧光粉，可使折射率进步到1.8以上，下降光散射，进步led出光功率（10％-20％），并能有用改进光色质量。
传统的荧光粉涂敷方法是将荧光粉与灌封胶混合，然后点涂在芯片上。因为无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行准确操控，导致出射光颜色不一致，呈现偏蓝光或许偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层（Conformal coaTIng）技能可完成荧光粉的均匀涂覆，保证了光色的均匀性，如图3（b）。但研讨标明，当荧光粉直接涂覆在芯片外表时，因为光散射的存在，出光功率较低。有鉴于此，美国RenssELaer 研讨所提出了一种光子散射萃取工艺（Scattered Photon ExtracTIon method，SPE)，通过在芯片外表安置一个聚集透镜，并将含荧光粉的玻璃片置于距芯片必定方位，不只进步了器材可靠性，并且大大进步了光效（60％），如图3(c)。
整体而言，为进步led的出光功率和可靠性，封装胶层有逐步被高折射率通明玻璃或微晶玻璃等替代的趋势，通过将荧光粉内掺或外涂于玻璃外表，不只进步了荧光粉的均匀度，并且进步了封装功率。此外，削减led出光方向的光学界面数，也是进步出光功率的有用办法。
（三）阵列封装与系统集成技能
通过40多年的开展，led封装技能和结构先后阅历了四个阶段，如图4所示。
