LED芯片的技术和应用设计知识

较于白炽灯、紧凑型荧光灯等传统光源，发光二极管(LED)具有发光效率高、寿命长、指向性高等诸多优势，日益受到业界青睐而被用于通用照明(General Lighting)市场。LED照明应用要加速普及，短期内仍有来自成本、技术、标准等层面的问题必须克服，技术方面，包括色温、显色性和效率提升等问题，仍有待进一步改善。而LED在通用照明市场的应用涉及多方面的要求，须从系统的角度去考虑，如LED光源、电源转换、驱动控制、散热和光学等。

薄膜芯片技术崭露锋芒

目前，LED芯片技术的发展关键在于基底材料和晶圆生长技术。基底材料除了传统的蓝宝石材料、硅(Si)、碳化硅(SiC)以外，氧化锌(ZnO)和氮化镓(GaN)等也是当前研究的焦点。无论是重点照明和整体照明的大功率芯片，还是用于装饰照明和一些简单辅助照明的小功率芯片，技术提升的关键均围绕如何研发出更高效率、更稳定的芯片。因此，提高LED芯片的效率成为提升LED照明整体技术指标的关键。在短短数年内，借助芯片结构、表面粗化、多量子阱结构设计等一系列技术的改进，LED在发光效率出现重大突破，LED芯片结构的发展如图1所示。相信随着该技术的不断成熟，LED量子效率将会得到进一步的提高，LED芯片的发光效率也会随之攀升。

图1　LED芯片结构的发展历程

薄膜芯片技术(Thinfilm)是生产超亮LED芯片的关键技术，可以减少侧向的出光损失，通过底部反射面可以使得超过97%的光从正面输出(图2)，不仅大大提高LED发光效率，也简易透镜的设计。

图2　普通LED和薄技技术LED的正面出光率比较

高功率LED封装技术可区分为单颗芯片、多芯片整合及芯片板上封装三大类，以下将进行说明。

发光效率、散热、可靠性为单颗芯片封装优势

单颗芯片封装是封装技术中应用最多的，其主要的技术瓶颈在于芯片的良率、色温的控制及荧光粉的涂敷技术，而欧司朗光电半导体的Golden DRAGON Plus LED，采用硅胶封装，其封装外型及内部简要结构如图3所示。该LED具有170度的光束角，能理想地配合二次光学透镜或反光杯，其硅胶透镜有着耐高温及低衰减的特性。独特的封装设计进一步提升LED的散热性能，使产品的热阻控制在每瓦6.5℃左右，有助于降低热阻。另外，荧光粉的特定配制使LED的色温覆盖冷白、中性白和暖白范围。单芯片封装的优势在于光效高、易于散热、易配光及可靠性。

图3　欧司朗光电半导体Golden DRAGON Plus LED的封装外型及内部结构

多芯片整合封装于小体积内可达高光通量

多芯片整合组件是目前大功率LED组件最常见的另一种封装形式，可区分为小功率和大功率芯片整合组件两类，前者以六颗低功率芯片整合的1瓦大功率LED组件最典型，此类组件的优势在于成本较低，是目前不少大功率组件的主要制作途径。大功率芯片结合以OSTAR SMT系列为代表，其封装外型如图4所示，通过优化设计，可使最终产品的热阻控制在每瓦3.1℃，同时可以驱动高达15瓦的高功率。该封装的优势在于在很小的空间内达到很高的光通量。

图4　欧司朗光电半导体OSTAR SMT LED的封装外型

COB有效改进散热缺陷

COB技术沿用传统半导体技术，即直接将LED芯片固定在印刷电路板(PCB)上。利用该技术，目前已有厚度仅达0.3毫米以下的LED。由于LED芯片直接与PCB板接触，增加导热面积，散热问题得以改善。此封装形式多以小功率芯片为主。