LED封装的研究现状及发展趋势

LED封装的研究现状及发展趋势

黄水华冼洁强毛炳雪

木林森股份有限公司广东中山528415

摘要：随着LED高效率、大功率、高可靠性和低成本的不断发展，LED封装技术面临着巨大的挑战，变得越来越重要。近年来LED芯片功率呈现出逐渐增高的发展趋势，这就对于LED灯管的发热量控制与出光率提出了更高的要求，也为当今LED的封装技术带来了更为严峻的挑战。

关键词：LED；结构；封装技术

随着社会经济的快速发展以及现代化进程的不断加快，人们的生活水平获得了很大的提高。LED作为第四代新光源——固态冷光源，因具有结构紧凑、重量轻、体积小、响应速度快以及发光高等优点而现已被广泛应用于照明领域。当前，由于LED所具有的使用寿命长、能源利用率高、整体结构稳固以及发光速度更快等优点，它已经逐渐成为当今社会的主流照明方式，同时LED产业未来发展的重要方向是研发并推广功率型LED。因此对功率型LED封装技术进行探讨已成为当前研究的重要意义。

一、LED芯片结构及封装工艺

发光二极管（LightEmittingDiode，LED）主要由氮、磷以及砷等化合物构成，是一种半导体组件。LED被称之为绿色光源或第四代照明光源，因具有结构紧凑、重量轻、体积小、响应速度快以及发光高等优点。目前LED已广泛应用于普通照明、装饰、城市夜景以及背光源等领域，且已向大功率、高光效的方向发展。怎样封装才能使大功率LED达到高光效、长寿命，这是封装行业的人士所追求的目标，大功率LED有大的耗散功率、大的发热量、以及较高的出光效率和长寿命，所以在封装结构设计、选用材料及选用设备等方面必须考虑。为了解决这一问题，功率型LED芯片结构的主要包括正装结构、倒装结构以及垂直结构等。其中，正装结构不仅制约了功率型LED芯片的工作效率，而且导致LED芯片的热阻也较大；倒装结构与正装结构相比，它虽然降低了内部的热沉热阻，但是其传热性能还需要获得进一步的提高；垂直结构是现阶段较为先进的芯片结构，它不仅解决了电流阻塞的问题，而且能大大提高光通量。目前功率型LED封装技术分为手工封装和自动化封装两种：手工封装是指通过人工来完成每道封装工序，主要适用于试制样品和小批量生产。自动化封装是指利用相关设备来完成每道封装工序，主要适用于需求量较大的情况。同时，提高功率型LED封装工艺已成为亟需解决的重要问题。

二、LED封装过程中的关键技术

1、散热技术。由于LED发光的主要原理是利用电子在不同能带之间进行跃迁进而散发出光，且这种光源较为独特，其中不含红外成分，所以其发光过程中产生的热量并不能依靠辐射散发出去。这种热量在外界电场的影响下，会将发光过程中多余的能量转化为热能进行释放。但是结合目前LED的发光效率来看，一般也只能达到20%左右，这就意味着其余将近80%的能量将直接转化为热能，这对于提高LED发光效率，促进能源节约无疑是非常不利的。并且在LED的发光过程中，如果不能将芯片产生的热量及时有效的散发出去，将会直接导致LED中荧光粉取光效率降低，缩短相关元器件的使用寿命。在当今主流的封装结构中，散热方式一般是在外层使用环氧树脂进行覆盖，衬底以蓝宝石作为导热材料，但是环氧树脂与蓝宝石本身的导热性能并不突出，这就使得LED封装结构目前的导热性能整体低下，这对于LED发光过程的稳定性造成了较大影响。为满足LED散热的需要，业界对于新型的散热基础材料进行的深入研究，其中主要研究成果包括低温共烧陶瓷金属基板、高导热性覆铜陶瓷板、金属基复合材料以及复合材料等这些材料在通过Colombo软件做热分析的过程中，其散热性能较之当前材料都有较大进步。

2、取光技术。当电能通过LED灯管时，除去发光之外多余的能量将产生大量的光子，但是这些光子并不能全部进入到空气之中，这主要是因为折射定律的作用以及环氧树脂等材料透光性能的低下，这对于LED的发光效率将会产生直接影响。在目前LED封装技术中，对于发光芯片采用倒装焊接技术能够一定程度上提高LED的发光效率。这主要是因为对蓝宝石进行倒装焊接后使其成为发光媒介，这将大大减少电子对于各个方位进行光源散发的影响。但是这种技术要求在芯片主要的发光电极之下增加高反光率的反射层对光源进行反射，否则还是将会造成光源的浪费。所以在进行功率型LED封装过程中，对于底板的安装必须对于反射层进行科学设置，对于发光芯片的各个侧面也应该设置发光面以有效提高LED的整体发光效率。在进行反光面的设计过程中，可以采用CAD建模的方式进行各种方案的发光效果评估，再进行全面对比，采用最为高效的方案进行反光面的设置。在正装结构LED的封装过程中，应该在其蓝宝石衬底以及环氧树脂导热层的结合处使用硅胶材料进行覆盖，这能够大大改善正装结构LED的发光效率。此外，在功率型LED的封装过程中，对于其顶部透镜的设计对于LED的整体取光效果也会产生直接影响。在当前LED的组装过程主要有凸透镜、凹透镜、球型镜以及菲涅尔透镜等几种主要透镜形式，但是这些透镜的封装方式对于LED的整体采光效能的提高各有所限制。所以在近年来LED取光技术的研究运用过程中，已经逐渐开始采用微透镜阵列的形式代替传统透镜形式的使用。这种新型的透镜不仅排列精度更高、制作成本更低，而且能够有效提高LED的整体取光效率。

3、荧光粉涂装技术。在LED的封装过程中，对于荧光粉的涂装技术要求较高。这主要是因为荧光粉在LED的光源散发过程中能够对光色进行调和，使得LED的光源更加均匀柔和。如果荧光粉的涂装技术达不到要求，使得荧光粉的涂装LED灯管上出现粉体厚度不均匀的现象，则会导致LED在光源散发的过程中出现局部偏色的现象，影响LED光源的美观效果与整体运作性能。以往的在LED封装过程中，对于荧光粉的涂装方式一般是先将荧光粉与专用胶体按照一定比例进行调和，然后直接将这两者的混合物涂装在LED芯片的表层位置。但是使用这种涂装工艺进行荧光粉的涂装容易形成荧光粉涂层的不规则弯曲，对LED的光源散发造成不利影响，使其出现在发光过程中发散出不规则的黄光或者蓝光。

这种涂装方式能够实现对于LED光源色度与均匀性的更好控制，但是其技术要求较高，国内对于此种技术更是知之甚少。所以国内当前一般是采用粉浆法进行荧光粉的涂装，具体方式也是将荧光粉与感光胶相调和，再利用其感光性在LED表面形成一层均匀的荧光粉层。这种方式技术难度较低，但也同样能够克服当前LED荧光粉涂装技术产生的弊端，实现对于光源均匀度、色度的有效控制。

随着LED电源的不断发展，高效率、低成本、高可靠性，对封装技术的要求将越来越严格，尤其是封装材料和封装技术。封装技术比较复杂，需要考虑光、热、电、结构等因素，同时，低耐热性、良好的封装材料稳定性和优良的新型封装结构仍然是LED封装技术的关键。在当前功率型LED当中主要有正装结构、倒装结构以及垂直解结构三种结构形式。在功率型LED封装过程的关键技术中，应该对于LED的散热技术与取光技术着重进行研究。这些关键技术的突破对于提高LED发光效率，延长元器件的使用寿命具有重要意义。

参考文献：

［1］蚁泽纯，熊旺，王力．大功率LED多芯片集成封装的热分析［J］．半导体光电，2014，32（3）24．

［2］李舜勉．功率LED芯片键合材料对器件热特性影响的分析与仿真［J］．佛山科学技术学院学报，2013，23（4）：14～17．