功率型LED封装技术精.docx

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功率型LED封装技术精

研究生课程小论文

课程名称:

新型电子器件封装

论文题目:

功率型LED封装技术论文评语:

成绩:

任课教师:

评阅日期:

目录

摘要.......................................................................................................................1Abstract.................................................................................................................11绪论...................................................................................................................21.1LED芯片结构........................................................................................21.1.1水平结构.......................................................................................21.1.2垂直结构.......................................................................................31.1.3倒装结构.......................................................................................31.2LED的封装材料....................................................................................31.2.1基板材料.......................................................................................31.2.2粘接材料.......................................................................................4

1.2.3封装胶...........................................................................................4

2LED封装方式和工艺.......................................................................................52.1LED封装方式........................................................................................52.1.1引脚式封装...................................................................................52.1.2表面贴装式（SMT.......................................................................52.1.3板上芯片直装式（COB...............................................................52.1.4系统封装式（SiP.........................................................................6

2.2LED封装工艺........................................................................................6

3LED封装的关键技术.......................................................................................73.1提高芯片的发光效率.............................................................................73.2出光通道的设计与材料选择.................................................................83.2.1光的萃取.......................................................................................83.2.2光的导出.......................................................................................93.3荧光粉的使用.........................................................................................93.4散热设计...............................................................................................103.5小结.....................................................................................................10结论...................................................................................................................11参考文献.............................................................................................................12

功率型LED封装技术

摘要:

随着LED在各方面应用的不断发展,对LED封装要求也随之提高。

通过阅读这方面的相关文献,从芯片结构、封装材料、封装方式、封装工艺以及封装关键技术等方面对LED封装技术作了介绍。

阐述了引脚式封装、表面贴装式（SMT、板上芯片直装式（COB和系统封装式（SIP封装结构和封装所需的基板材料、粘接材料及封装胶。

同时对封装要考虑的四个关键技术:

1芯片的发光效率;2出光通道的设计与材料选择;3荧光粉的使用;4散热设计进行了讨论。

最后对功率型LED封装技术的发展进行了展望。

关键字:

LED封装、封装方式、LED工艺、封装材料、关键技术

Abstract:

WiththedevelopmentofLEDapplicationinallaspects,therequirementofLEDpackagingincreases.ThePackagingtechnologiesofLEDisintroducedinthepaper,includingLEDchipconfiguration,packagingmaterials,packagestructure,packagingprocessandkeytechnologyoftheLEDpackaging.ThelampLED,surfacemountedtechnology（SMT,chiponboard（COBandsysteminpackage（SiPpackagestructure,andsustratematerials,adhesivematerialsandpackagingadhesiveusedinpowerwhiteLEDareintroduced.Atthesametime,combiningwiththeliteraturetodiscussfourkeytechniques:

1chiplight-emittingefficiency;2designofopticalchannelandmaterialselection;3theuseofthephosphorpowder;4thermaldesign.Finally,thefutureofLEDpackagingtechnologyislookedto.

Keywords:

LEDencapsulation、packagestructure、LEDprocess、packagingmaterials、keytechnology

1绪论

LED具有节能、结构牢固、寿命长、发光响应速度快等特点[1],已成为一种发展潜力巨大的新型照明光源。

功率型LED的研发和产业化是未来LED产业发展的重要方向之一。

目前,已实现商业化应用的白光LED光效可达到120lm/W。

1.1LED芯片结构

芯片作为LED器件的大脑,其光学特性决定了最终整个封装模型的性能,为提高发光效率并解决散热等问题,LED芯片结构的发展可主要概括为水平结构、倒装结构、垂直结构等几个阶段,包含各种尺寸,大功率和小功率芯片在尺寸方面差别较大[2]。

1.1.1水平结构

LED

（cflip-chipstructure

Fig.1.1ThreekindsoftypicalstructureofLEDchip[3].

极均位于芯片顶部,由于顶部是芯片的出光面,所以水平电极的存在会阻碍光的出射,出光效果较低。

1.1.2垂直结构

垂直结构即顶部与底部各为一电极,顶部只有一个电极（负极,出光效果也要较水平电极好,而且芯片中的垂直电极使内部电子在垂直方向运动,大大提高电子空穴对的复合速率及有源层的利用率。

当前,在保证一定的发光效率的情况下,向单个垂直结构的芯片内注入较大的电流以提高光通量已经逐渐成为LED芯片发展的方向[4]。

2007年,Lumileds公司上市了三维垂直结构的蓝光LED芯片封装（Rebel。

1.1.3倒装结构

倒装芯片结构如1.1（c所示。

倒装芯片即将水平电极结构芯片倒转,将其电极面作为反射面（电极图形往往涂满整个面提高反射效果,衬底作为出光面,此时没有电极等因素阻碍光的输出,出光效果较水平结构好。

另一方面,此时由于电极的覆盖使得电流的扩散较均匀,提高了有源层的利用率。

与正装结构的LED相比,倒装焊芯片结构使产生热量由焊接层传导至硅衬底,再经硅衬底和粘结材料传导至金属底座[5]。

由于其有源发热区更接近于散热体,可降低内部热沉热阻。

但是目前的衬底材料、工艺以及焊接材料、技术等因素,制约了其传热性能的进一步提高。

1.2LED的封装材料

通过选取适当的封装材料可以有效地提高发光效率,降低系统的热阻,以利于散热。

主要的封装材料包括基板材料、粘结材料及封装胶等。

1.2.1基板材料

在LED器件中,封装基板是承载芯片的重要组成部分,因此,作为基板材料,其必须有高稳定性和高热导率,其热膨胀系数要与芯片相匹配;材料要有足够的强度和刚度,对芯片起到支撑和保护的作用;材料的成本要尽可能低,以满足大规模商业化应用的要求[6]。

目前常用的LED封装基板可分为:

金属芯印制电路板（MCPCB、金属基复合材料基板和陶瓷基板。

（1金属芯印制电路板:

MCPCB应用的基本原理是将早期的PCB板粘接到热导率更高的金属上,利用金属的高导热性能将LED芯片所产生的热量导出。

典型MCPCB的金属材料为铝、铜、钼、钨或合。

（2金属基复合材料基板:

金属基复合材料基板主要是在金属基体中加入

功能相,在保持金属材料高导热的基础上,调节金属的热膨胀系数与LED芯片匹配,克服了单一金属的缺点,提高封装的可靠性。

因此,近年来得到快速发展。

目前具有代表性的有Al基和Cu基复合基板[7]。

（3陶瓷基板:

与金属相比,陶瓷材料有很多优点:

耐蚀性好、机械强度高、热导率高,其块体的加工工艺简单,化学稳定性好,绝缘性能高,与芯片热膨胀系数一致,封装稳定性好、可靠性高[8]。

作为LED封装基板,陶瓷表面需要金属化,根据金属化工艺的区别,陶瓷基板[9]可分为直接敷铜（directbondcopper,DBC陶瓷基板、厚膜陶瓷基板、薄膜陶瓷基板以及低温多层共烧基板（lowtemperatureco-firedceramic,LTCC或高温多层共烧基板（hightemperatureco-firedceramic,HTCC。

这些材料各具优势,但出于经济的考虑,金属基复合基板选用了铝板和铜板这些最佳的热沉材料,它们将是未来功率型LED封装发展的主力军。

1.2.2粘接材料

粘接材料的导热系数较小,也会对器件的散热性能产生较大影响,通常有导热胶、银胶、绝缘胶和合金焊料等。

其中导热胶、导电银浆适合于小功率LED封装,合金焊料具有较高的热导率和粘接强度,适合于大功率LED封装。

银胶跟绝缘胶相比来说,其热阻低。

热阻的大小,决定了LED的出光效率。

同样,银胶还具有另外一种特色,那就是导热性能好。

一般LED的连接材料为银胶,但因于Ag导热系数在10~25W/（m·K,其热阻较高,若边接材料直接采用Ag,就相当于在热沉与芯片之间加上了一层热阻。

在这种情况下,引入共晶焊接技术这种新的固晶工艺,连接热沉与晶粒之间的材料使用Sn片焊接,其中Sn的导热系数为67W/（m·K,其物理特性与散热效果比Ag胶具有更多的优势,并且导热效果比较理想。

Au-Sn共晶温度较低,只有280℃,比较适合作为功率型LED的粘接材料。

1.2.3封装胶

环氧树脂作为低功率LED的封装材料,它具有优良的电绝缘性、介电性能、机械性能、透明性好、与基材的粘接力强、配方灵活等特点[10]。

但是在功率型LED封装上,它很容易产生黄变现象,由于环氧树脂中存在可以吸收紫外线的芳香环结构,它们在吸收紫外线或受热时很容易被氧化产生羰基而形成发色基团使树脂变色,进而导致环氧树脂在近紫外波长范围内的透光率下降,影响出光效率。

为了解决以上诸多问题,众多研究者从多方面对其改性。

比如引入硫元素来

提高折射率,添加紫外光吸收剂来提高抗紫外老化能力[11],加入无机粒子来提高耐热性。

由于硅树脂材料抗热和抗紫外线能力较强,耐冷热冲击,具备高透光性、低吸湿性和绝缘性。

目前,已用有机硅树脂代替环氧树脂作为大功率LED理想的封装材料,以进一步提高LED寿命。

2LED封装方式和工艺

2.1LED封装方式

LED的封装结构经历了引脚式封装、表面贴装式（SMT、板上芯片直装式（COB以及系统封装式（SIP四个阶段[12]。

2.1.1引脚式封装

引脚式封装方式是早期应用的封装结构。

采用引线框架作为封装外型的引脚,品种繁多,并且内部结构也在不断改变。

普通的发光二极管基本都是采用引脚式封装。

主要针对0.5W以下的小功率芯片封装,最初用在仪表指示等。

引脚式LED封装热量是由负极的引脚架散发至PCB板上,散热问题也比较好的解决[13]。

但是也存在着一定的缺点,那就是热阻较大,LED的使用寿命短,达到250K/W以上,不能用于大功率LED的封装[14]。

2.1.2表面贴装式（SMT

表面组装贴片式封装（SMT是当今电子行业中最流行的一种贴片式封装工艺,是将已经封装好的LED器件焊接到PCB板上的一种封装方式。

SMT封装技术的优点是可靠性强、易于自动化实现、高频特性好[15-17]。

2.1.3板上芯片直装式（COB

板上芯片直装式（COBLED封装技术是一种直接贴装技术,如图2.1所示[18],技术传统做法是将LED芯片装配于引线框架进行封装成分立的器件,再将LED器件焊接于印刷电路板（PCB上,然后进行引线的缝合,最后使用有机胶将芯片和引线包装保护的工艺。

这种做法的缺点主要有三方面:

一是LED芯片PN结发出的热在流经引线框架后,还需经过焊接层（如锡层或导热胶层等、PCB层,才能到达散热器,而锡层或导热胶层以及普通FR4PCB或铝基板绝缘层的导热系数相对较低,导致整个模组的热阻非常高,无法及时将PN结的热散出去。

第二是还需经过组装焊接这道工序,增加了工艺难度及成本。

另外一个缺点是这种形式的光源集成度无法做得很高[19-21]。

目前,COBLED是直接将单颗或多颗LED芯片装配于基板上的集成封装产品,它可以较好的解决上述传统做法的几个缺点。

COB工艺主要应用于大功率LED阵列。

具有较高的集成度。

Fig.2.1LEDWLPprocessflowwithintegratedphosphorprintingforcolortuningandmoldlessdispensingforencapsulation[18].

2.1.4系统封装式（SiP

系统封装式（SIPLED封装技术是近年在系统芯片的基础上发展起来的新型集成封装方式。

跟其他LED封装相比,SIP封装的集成度最高,成本相对较低。

可以在一个封装内组装多个LED芯片。

它主要是符合了系统便携式以及系统小型化的要求[22]。

其最大的优势和特点是适应整机系统封装（包括电源、控制电路、光学微结构、传感器等与器件小型化便携式发展,集成化程度高,系统更为完整,是未来大功率LED封装的方向。

2.2LED封装工艺

LED的封装是一门多学科的工艺技术。

涉及到光学、热学、电学、机械学、材料、半导体等研究内容。

所以大功率LED的封装技术是一门比较复杂的综合性学科[23]。

良好的LED封装需要把各个学科的因素考虑进去。

下面就LED封装工艺流程作一个简单的介绍。

其流程如图2.2所示[24]。

LED的发光体是晶片,不同的晶片价格不一,形态大小也不一。

晶片形态大小都不相同,这对LED封装带来了一定的困难。

在对支架的选择方面也提出了考验。

支架与外形塑料模具的选择决定了LED封装成品的外形尺寸。

支架承载着LED芯片,所以在支架的选择方面要根据实际的LED晶片边长的大小。

固晶胶的选择主要是考虑其粘结力,其颗粒大小。

同样所涂覆的固晶胶的薄厚程度决定了封装的LED的热阻[25-26]。

焊线过程可以采用机械焊线和人工焊线,在高倍显微镜下,将芯片的正负极使用金线焊接到支架的两个引脚角上。

焊接过程要耐心小心。

图2.2大功率LED封装工艺流程[24]

.

Fig.2.2packagingprocessofHighpowerLED.3LED封装的关键技术LED封装技术直接影响着LED的使用寿命。

所以在功率型LED封装过程中,要考虑到光、热、电、机械等诸多因素。

光学方面要考虑到大功率LED芯片的发光和光衰问题、热学方面要考虑到LED的散热问题、电学方面要考虑到大功率LED的驱动电源的设计、机械方面要考虑到封装过程中LED的封装形式及结构等[27-29]。

对于LED封装来说,其关键技术归根结底在于如何在有限的成本范围内尽可能高的提取芯片发出的光,同时降低封装热阻,提高封装可靠性[30]。

3.1提高芯片的发光效率

LED的发光效率是由芯片的发光效率和封装结构的出光效率共同决定的。

而芯片作为LED器件的大脑,其光学特性决定了最终整个封装模型的性能,芯片的结构有水平、倒装和垂直结构,包含各种尺寸,大功率和小功率芯片在尺寸方面差别较大。

目前发光效率高的芯片主要有HP公司的TS

类芯片、CREE公司的XB类芯片、WB（waferbonding类芯片、ITO类芯片、表面粗化芯片和倒装焊类芯片等等。

如图3.1所示[31],两种不同的LED封装设计。

其中,（a

中芯片是水平结构,且磷光和硅树脂的混合物充满整个反光杯。

（b中选取垂直结构的芯片,磷光只是涂抹在led芯片上方。

由图3.2可知,设计B的性能要好于A的。

Fig.3.1Schematicof（aDesignAand（bDesignBLEDcomponents[31].

Fig.3.2OpticalspectrumofDesignAandDesignB[31].

芯片结构的不同,采用的制造工艺和封装设计方法也不同,特定的效果有时需要特定的芯片进行封装,否则,再怎么改进封装方式,也不能达到所预期的目标,芯片是封装模型的开始。

可以根据不同的应用需求和LED封装结构特点,选择合适的高发光效率的芯片进行封装。

3.2出光通道的设计与材料选择

芯片选定之后,要提高LED的发光效率,能否将芯片发出的光高效地萃取和导出,就显得非常关键了。

3.2.1光的萃取

由于芯片发光层的折射率较高（GaNn=2.4,GaPn=3.3,如果出光通道与芯片表面接合的物质的折射率与之相差较大（如环氧树脂为n=1.5。

则会导致芯

片表面的全反射临界角较小,芯片发出的光只有一部分能通过界面逸出被有效利用,相当一部分的光因全反射而被困在芯片内部,造成萃光效率偏低,直接影响LED的发光效率[32]。

为了提高萃光效率,在选择与芯片表面接合的物质时,必须考虑其折射率要与芯片表面材料的折射率尽可能相匹配。

采用高折射率的柔性硅胶作与芯片表面接合的材料,既可以提高萃光效率,又可以使芯片和键合引线得到良好的应力保护。

3.2.2光的导出

LED封装时要设计良好的出光通道,使光能够高效地导出到LED管体外。

主要包括四个方