大功率LED單芯片封裝和多芯片封裝簡(jiǎn)介

美國(guó)LumiLEDs公司研制出了Luxeon系列大功率LED單芯片封裝結(jié)構(gòu)，這種功率型單芯片LED封裝結(jié)構(gòu)與常規(guī)的Φ5mm LED封裝結(jié)構(gòu)全然不同，它是將正面出光的LED芯片直接焊接在熱襯上，或?qū)⒈趁娉龉獾腖ED芯片先倒裝在具有焊料凸點(diǎn)的硅載體上，然后再將其焊接在熱襯上，使大面積芯片在大電流下工作的熱特性得到改善。這種封裝對(duì)于取光效率、散熱性能和電流密度的設(shè)計(jì)都是最佳的，其主要特點(diǎn)有：

① 熱阻低。傳統(tǒng)環(huán)氧封裝具有很高的高熱阻，而這種新型封裝結(jié)構(gòu)的熱阻一般僅為14℃/W，可減小至常規(guī)LED的1/20。大功率LED 0.5W 大功率LED 3W 大功率LED 5W 大功率LED 10W 大功率LED 50W

② 可靠性高。內(nèi)部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體，在40~120℃時(shí)，不會(huì)因溫度驟變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使金絲和框架引線斷開(kāi)。用這種硅橡膠作為光耦合的密封材料，不會(huì)出現(xiàn)普通光學(xué)環(huán)氧樹(shù)脂那樣的變黃現(xiàn)象，金屬引線框架也不會(huì)因氧化而臟污。

③ 反射杯和透鏡的最佳設(shè)計(jì)使輻射可控，光學(xué)效率最高。在應(yīng)用中可將它們組裝在一個(gè)帶有鋁夾層的電路板(鋁芯PCB板)上，電路板作為器件電極連接的布線用，鋁芯夾層則可作為功率型LED的熱襯。這樣不僅可獲得較高的光通量，而且還具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。

單芯片瓦級(jí)功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的Luxeon LED，該封裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用熱電分離的形式，將倒裝片用硅載體直接焊接在熱襯上，并采用反射杯、光學(xué)透鏡和柔性透明膠等新結(jié)構(gòu)和新材料，現(xiàn)可提供單芯片1W、3W和5W的大功率LED產(chǎn)品。OSRAM公司于2003年推出單芯片的Golden Dragon系列LED，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是熱襯與金屬線路板直接接觸，具有很好的散熱性能，而輸入功率可達(dá)1W。

功率型LED的多芯片組合封裝

六角形鋁襯底的直徑為3.175cm(1.25英寸)，發(fā)光區(qū)位于其中央部位，直徑約為0.9525cm(0.375英寸)，可容納40個(gè)LED芯片。用鋁板作為熱襯，并使芯片的鍵合引線通過(guò)在襯底上做成的兩個(gè)接觸點(diǎn)與正極和負(fù)極連接。根據(jù)所需輸出光功率的大小來(lái)確定襯底上排列管芯的數(shù)目，組合封裝的超高亮度芯片包括AlGaInN和AlGaInP，它們的發(fā)射光可為單色、彩色(RGB)、白色(由RGB三基色合成或由藍(lán)色和$二元合成)。最后采用高折射率的材料按照光學(xué)設(shè)計(jì)形狀進(jìn)行封裝，不僅取光效率高，而且還能夠使芯片和鍵合的引線得到保護(hù)。由40個(gè)AlGaInP(AS)芯片組合封裝的LED的流明效率為20lm/W。采用RGB三基色合成白光的組合封裝模塊，當(dāng)混色比為0：43(R)0：48(G)：0.009(B)時(shí)，光通量的典型值為100lm，CCT標(biāo)準(zhǔn)色溫為4420K，色坐標(biāo)x為0.3612，y為0.3529。由此可見(jiàn)，這種采用常規(guī)芯片進(jìn)行高密度組合封裝的功率型LED可以達(dá)到較高的亮度水平，具有熱阻低、可在大電流下工作和光輸出功率高等特點(diǎn)。LED節(jié)能燈 LED燈具 LED路燈 CREE LED CREE代理商

多芯片組合封裝的大功率LED，其結(jié)構(gòu)和封裝形式較多。美國(guó)UOE公司于2001年推出多芯片組合封裝的Norlux系列LED，其結(jié)構(gòu)是采用六角形鋁板作為襯底。Lanina Ceramics公司于2003年推出了采用公司獨(dú)有的金屬基板上低溫?zé)Y(jié)陶瓷(LTCC-M)技術(shù)封裝的大功率LED陣列。松下公司于2003年推出由64只芯片組合封裝的大功率白光LED。日亞公司于2003年推出超高亮度白光LED，其光通量可達(dá)600lm，輸出光束為1000lm時(shí)，耗電量為30W，最大輸入功率為50W，白光LED模塊的發(fā)光效率達(dá)33lm/W。我國(guó)臺(tái)灣UEC(國(guó)聯(lián))公司采用金屬鍵合(Metal Bonding)技術(shù)封裝的MB系列大功率LED的特點(diǎn)是，用Si代替GaAs襯底，散熱效果好，并以金屬粘結(jié)層作為光反射層，提高了光輸出。

功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發(fā)光效率、發(fā)光波長(zhǎng)、使用壽命等，因此，功率型LED芯片的封裝設(shè)計(jì)、制造技術(shù)顯得尤為重要。大功率LED封裝中主要需考慮的問(wèn)題有：

① 散熱。散熱對(duì)于功率型LED器件來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。如果不能將電流產(chǎn)生的熱量及時(shí)地散出，保持PN結(jié)的結(jié)溫在允許范圍內(nèi)，將無(wú)法獲得穩(wěn)定的光輸出和維持正常的器件壽命。

在常用的散熱材料中銀的導(dǎo)熱率最高，但是銀的成本較高，不適宜作通用型散熱器。銅的導(dǎo)熱率比較接近銀，且其成本較銀低。鋁的導(dǎo)熱率雖然低于銅，但其綜合成本最低，有利于大規(guī)模制造。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)較為合適的做法是：連接芯片部分采用銅基或銀基熱襯，再將該熱襯連接在鋁基散熱器上，采用階梯型導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，利用銅或銀的高導(dǎo)熱率將芯片產(chǎn)生的熱量高效地傳遞給鋁基散熱器，再通過(guò)鋁基散熱器將熱量散出(通過(guò)風(fēng)冷或熱傳導(dǎo)方式散出)。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是：充分考慮散熱器的性價(jià)比，將不同特點(diǎn)的散熱器結(jié)合在一起，做到高效散熱并使成本控制合理化。LED燈具

應(yīng)注意的是：連接銅基熱襯與芯片的材料的選擇是十分重要的，LED行業(yè)常用的芯片連接材料為銀膠。但是，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，銀膠的熱阻為10~25W/(m·K)，如果采用銀膠作為連接材料，就等于人為地在芯片與熱襯之間加上一道熱阻。另外，銀膠固化后的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)為環(huán)氧樹(shù)脂骨架+銀粉填充式導(dǎo)熱導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的熱阻極高且TG點(diǎn)較低，對(duì)器件的散熱與物理特性的穩(wěn)定極為不利。解決此問(wèn)題的做法是：以錫片焊作為晶粒與熱襯之間的連接材料[錫的導(dǎo)熱系數(shù)為67W/(m·K)]，可以獲得較為理想的導(dǎo)熱效果(熱阻約為16℃/W)。錫的導(dǎo)熱效果與物理特性遠(yuǎn)優(yōu)于銀膠。

② 出光。傳統(tǒng)的LED器件封裝方式只能利用芯片發(fā)出的約50%的光能，由于半導(dǎo)體與封閉環(huán)氧樹(shù)脂的折射率相差較大，致使內(nèi)部的全反射臨界角很小，有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分光在芯片內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收，這是超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。如何將內(nèi)部不同材料間折射、反射消耗的50%光能加以利用，是設(shè)計(jì)出光系數(shù)的關(guān)鍵。LED燈具

通過(guò)芯片的倒裝技術(shù)(Flip Chip)可以比傳統(tǒng)的LED芯片封裝技術(shù)得到更多的有效出光。但是，如果說(shuō)不在芯片的發(fā)光層與電極下方增加反射層來(lái)反射出浪費(fèi)的光能，則會(huì)造成約8%的光損失，所以在底板材料上必須增加反射層。芯片側(cè)面的光也必須利用熱襯的鏡面加工法加以反射出，增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的藍(lán)寶石襯底部分與環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)光結(jié)合面上應(yīng)加上一層硅膠材料，以改善芯片出光的折射率。

經(jīng)過(guò)上述光學(xué)封裝技術(shù)的改善，可以大幅度提高大功率LED器件的出光率(光通量)。大功率LED器件頂部透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)也是十分重要的，通常的做法是：在進(jìn)行光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮最終照明器具的光學(xué)設(shè)計(jì)要求，盡量配合應(yīng)用照明器具的光學(xué)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。LED燈具

常用的透鏡形狀有：凸透鏡、凹錐透鏡、球鏡、菲涅爾透鏡以及組合式透鏡等。透鏡與大功率LED器件的理想裝配方法是采取氣密性封裝，如果受透鏡形狀所限，也可采取半氣密性封裝。透鏡材料應(yīng)選擇高透光率的玻璃或亞克力等合成材料，也可以采用傳統(tǒng)的環(huán)氧樹(shù)脂模組式封裝，加上二次散熱設(shè)計(jì)也基本可以達(dá)到提高出光率的效果。