功率型LED封装技术面对挑战

一、引言

半导体发光二极管简称LED，从上世纪六十年代研制出来并逐步走向市场化，其封装技术也是不断改进和发展。LED 由最早用玻璃管封装发展至支架式环氧封装和表面贴装式封装，使得小功率LED 获得广泛的应用。从上世纪九十年代开始，由于LED 外延、芯片技术上的突破，四元系AlGaInP 和GaN 基的LED相继问世，实现了LED 全色化，发光亮度大大提高，并可组合各种颜色和白光。器件输入功率上有很大提高。目前单芯片1W 大功率LED 已产业化并推向市场，台湾国联也已研制出10W 的单芯片大功率LED。这使得超高亮度LED 的应用面不断扩大，首先进入特种照明的市场领域，并向普通照明市场迈进。由于LED 芯片输入功率的不断提高，对这些功率型LED 的封装技术提出了更高的要求。功率型LED 封装技术主要应满足以下二点要求：一是封装结构要有高的取光效率，其二是热阻要尽可能低，这样才能保证功率LED 的光电性能和可靠性。所以本文将重点对功率型LED 的封装技术作介绍和论述。

二、功率型LED 封装技术现状

由于功率型LED 的应用面非常广，不同应用场合下对功率LED 的要求不一样。根据功率大小，目前的功率型LED 分为普通功率LED 和W 级功率LED 二种。输入功率小于1W 的LED（几十mW 功率LED除外）为普通功率LED；输入功率等于或大于1W 的LED 为W 级功率LED。而W 级功率LED 常见的有二种结构形式，一种是单芯片W 级功率LED，另一种是多芯片组合的W 级功率LED。

1．国外功率型LED 封装技术：
（1）普通功率LED
根据报导，最早是由HP 公司于1993 年推出“食人鱼”封装结构的LED，称“Super flux LED”，并于1994年推出改进型的“Snap LED”，其外形如图1 所示。它们典型的工作电流，分别为70mA 和150mA，输入功率分别为0.1W 和0.3W。
Osram 公司推出“Power TOP LED”是采用金属框架的PLCC 封装结构，其外形图如图2 所示。之后其他一些公司推出多种功率LED 的封装结构。其中一种PLCC-4 结构封装形式，其功率约200~300mW，这些结构
的热阻一般为75~125℃/W。总之，这些结构的功率LED 比原支架式封装的LED 输入功率提高几倍，热阻
下降几倍。
（2）W 级功率LED
W 级功率LED 是未来照明的核心部分，所以世界各大公司投入很大力量，对W 级功率封装技术进行研究开发，并均已将所得的新结构、新技术等申请各种专利。单芯片W 级功率LED 最早是由Lumileds 公司于1998 年推出的Luxeon LED，其结构如图3 所示，根据报导，该封装结构的特点是采用热电分离的形式，将倒装芯片用硅载体直接焊接在热沉上，并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料，提高了器件的取光效率并改善了散热特性。可在较大的电流密度下稳定可靠的工作，并具有比普通LED 低得多的热阻，一般为14~17℃/W，现有1W、3W 和5W的产品。该公司近期还报导［1］推出Luxeon III LED 产品，由于对封装和芯片进行改善，可在更高的驱动电流下工作，在700mA 电流工作50000 小时后仍能保持70%的流明，在1A 电流工作20000 小时能保持50%的流明。
Osram 公司于2003 年推出单芯片的“Golden Dragon”系列LED［2］，如图4 所示，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，而输入功率可达1W。我国台湾UEC 公司（国联）采用金属键合（Metal Bonding）技术封装的MB 系列大功率LED［3］其特点是用Si 代替GaAs 衬底，散热好，并以金属黏结层作光反射层，提高光输出。现有LED 单芯片面积分别为：0.3×0.3mm2、1×1mm2 和2.5×2.5mm2 的芯片，其输入功率分别有0.3W 、1W 和10W，其中2.5×2.5mm2芯片光通量可达200lm，0.3W 和1W 产品正推向市场。多芯片组合封装的大功率LED，其结构和封装形式较多，这里介绍几种典型的结构封装形式：
①美国UOE 公司于2001 年推出多芯片组合封装的Norlux 系列LED［4］，其结构是采用六角形铝板作为衬底，如图5 所示，铝层导热好，中央发光区部分可装配40 只芯片，封装可为单色或多色组合，也可根据实际需求布置芯片数和金线焊接方式，该封装的大功率LED 其光通量效率为20lm/W，发光通量为100lm。
②Lanina Ceramics 公司于2003 年推出采用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷（LTCC-M）技术封装的大功率LED 阵列［5］，有二种产品：一种为7 元LED 阵列，光通量为840lm，功率为21W。另一种是134 元LED 阵列，光通量为360lm，功率134W。由于LTCC-M 技术是将LED 芯片直接连接到密封阵列配置的封装盒上，因此工作温度可达250℃。
③松下公司于2003 年推出由64 只芯片组合封装的大功率白光LED［6］，光通量可达120lm，采用散热性能优良的衬底，把这些芯片封装在2cm2 的面积中，其驱动电流可达8W，这种封装中每1W 输入功率其温升仅为1.2℃。
④日亚公司于2003 年推出号称是全世界最亮的白光LED，其光通量可达600lm，输出光束为1000lm时，耗电量为30W，最大输入功率为50W，提供展览的白光LED 模块发光效率达33lm/W。有关多芯片组合的大功率LED，许多公司根据实际市场需求，不断开发很多新结构封装的新产品，其开发研制的速度是非常快。

2．国内功率型LED 封装技术
国内LED 普通产品的后工序封装能力应该是很强的，封装产品的品种较齐全，据初步估计，全国LED 封装厂超过200 家，封装能力超过200 亿只/年，封装的配套能力也是很强的，但是很多封装厂为私营企业，
目前来看规模偏小。
国内功率型LED 的封装，早在上世纪九十年代就开始，一些有实力的后封装企业，当时就开始开发并批量生产，如“食人鱼”功率型LED。国内的大学、研究所很少对大功率LED 封装技术开展研究，信息产业部第13 研究所对功率型LED 封装技术开展研究工作，并取得很好的研究成果，具体开发出功率LED 产品。
国内有实力的LED 封装企业（外商投资除外），如佛山国星、厦门华联等几个企业，很早就开展功率型LED的研发工作，并取得较好的效果。如“食人鱼”和PLCC 封装结构的产品，均可批量生产，并已研制出单芯片1W 级的大功率LED 封装的样品。而且还进行多芯片或多器件组合的大功率LED 研制开发，并可提供
部分样品供试用。对大功率LED 封装技术的研究开发，目前国家尚未正式支持投入，国内研究单位很少介入，封装企业投入研发的力度（人力和财力）还很不够，形成国内对封装技术的开发力量薄弱的局面，其封装的技术水平与国外相比还有相当的差距。

三、功率型LED 产业化关键的封装技术
半导体LED 要作为照明光源，常规产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比，距离甚远。因此，LED 要在照明领域发展，关键要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。功率型LED 所用的外延材料采用MOCVD 的外延生长技术和多量子阱结构虽然其外量子效率还需进一步提高，但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率低。现有的功率型LED 的设计采用了倒装焊新结构来提高芯片的取光效率，改善芯片的热特性，并通过增大芯片面积，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。除了芯片外，器件的封装技术也举足轻重。关键的封装技术工艺有：
1、散热技术
传统的指示灯型LED 封装结构，一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上，由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成，其热阻高达250~300℃/W，新的功率型芯片若采用传统式的LED 封装形式，将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄，从而造成器件的加速光衰直至失效，甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。因此，对于大工作电流的功率型LED
芯片，低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是功率型LED 器件的技术关键。采用低电阻率、高导热性能的材料粘结芯片；在芯片下部加铜或铝质热沉，并采用半包封结构，加速散热；甚至设计二次散热装置，来降低器件的热阻。在器件的内部，填充透明度高的柔性硅橡胶，在硅橡胶承受的温度范围内（一般为-40℃~200℃）,胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路,也不会出现变黄现象。零件材料也应充分考虑其导热、散热特性，以获得良好的整体热特性。
2、二次光学设计技术
为提高器件的取光效率，设计外加的反