LED照明基礎(chǔ)知識最詳解續(xù)

第五章LED封裝基本學(xué)問

1,LED封裝的概念

LED封裝技術(shù)大都是在分立器件封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展及演化而來的，但卻有很大的特殊

性。一般狀況下，分立器件的管芯被密封在封裝體內(nèi)，封裝的作用主要是疼惜管芯和完成

電氣互連。而LED封裝則是完成輸出電信號，疼惜管芯正常工作，輸出：可見光的功能，既

有電參數(shù)，又有光參數(shù)的設(shè)計(jì)及技術(shù)要求，無法簡潔地將分立器件的封裝用于LED。

LED的核心發(fā)光部分是由p型和n型半導(dǎo)體構(gòu)成的PN結(jié)管芯，當(dāng)注入PN結(jié)的少數(shù)載流子及

多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)，就會(huì)發(fā)出可見光，紫外光或近紅外光。但PN結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向

的，即向各個(gè)方向放射有相同的幾率，因此，并不是管芯產(chǎn)生的全部光都可以釋放出來，

這主要取決于半導(dǎo)體材料質(zhì)量，管芯結(jié)構(gòu)及幾何形態(tài)，封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)及包封材料，應(yīng)用

要求提高LED的內(nèi)，外部量子效率。

LED封裝的功能主要包括：1.機(jī)械疼惜，以提高牢靠性;2.加強(qiáng)散熱，以降低芯片結(jié)溫

，提高LED性能;3.光學(xué)限制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布;4.供電管理，包括溝通/直流

轉(zhuǎn)變，以及電源限制。

常規(guī)①5mm型LED封裝是將邊長0.25mm的正方形管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線架上，管芯的正

極通過球形接觸點(diǎn)及金絲，鍵合為內(nèi)引線及一條管腳相連，負(fù)極通過反射杯和引線架的另

一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。

反射杯的作用是收集管芯側(cè)面，界面發(fā)出的光，向期望的方向角內(nèi)放射。

頂部包封的環(huán)氧樹脂做成確定形態(tài)，有這樣幾種作用：

A.疼惜管芯等不受外界侵蝕；接受不同的形態(tài)和材料性質(zhì)（摻或不摻散色劑），起透鏡

或漫射透鏡功能，限制光的發(fā)散角；

B.管芯折射率及空氣折射率相關(guān)太大，致使管芯內(nèi)部的全反射臨界角很小，其有源層

產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸取，易發(fā)生全反射導(dǎo)

致過多光損失，選用相應(yīng)折射率的環(huán)氧樹脂作過渡，提高管芯的光出射效率。

用作構(gòu)成管殼的環(huán)氧樹脂須具有耐濕性，絕緣性，機(jī)械強(qiáng)度，對管芯發(fā)出光的折射率

和透射率高。選擇不同折射率的封裝材料，封裝幾何形態(tài)對光子逸出效率的影響是不同的

,發(fā)光強(qiáng)度的角分布也及管芯結(jié)構(gòu)，光輸出方式，封裝透鏡所用材質(zhì)和形態(tài)有關(guān)。若接

受尖形樹脂透鏡，可使光集中到LED的軸線方向，相應(yīng)的視角較?。患偃珥敳康臉渲哥R為

圓形或平面型，其相應(yīng)視角將增大。

一般狀況下，LED的發(fā)光波長隨溫度變更為0.2-0.3nm/"C,光譜寬度隨之增加，影

響顏色明麗度。另外，當(dāng)正向電流流經(jīng)PN結(jié)，發(fā)熱性損耗使結(jié)區(qū)產(chǎn)生溫升，在室溫旁邊，

溫度每上升1℃,LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地削減1%左右，封裝散熱時(shí)保持色純度及發(fā)光強(qiáng)度

特殊重要，以往多接受削減其驅(qū)動(dòng)電流的方法，降低結(jié)溫，多數(shù)LED的驅(qū)動(dòng)電流限制在20mA

左右。但是，LED的光輸出會(huì)隨電流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驅(qū)動(dòng)電流可以

達(dá)到70mA,100mA甚至1A級，須要改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，全新的LED封裝設(shè)計(jì)理念和低熱阻封裝結(jié)

構(gòu)及技術(shù)，改善熱特性。例如，接受大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)，選用導(dǎo)熱性能好的銀膠，增大

金屬支架的表面積，焊料凸點(diǎn)的硅載體干脆裝在熱沉上等方法。此外，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，PCB

線路板等的熱設(shè)計(jì)，導(dǎo)熱性能也特殊重要。

進(jìn)入21世紀(jì)后，LED的高效化，超高亮度化，全色化不斷發(fā)展創(chuàng)新，LED芯片和封裝

不再沿龔傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念及制造生產(chǎn)模式，在增加芯片的光輸出方面，研發(fā)不僅僅限于變

更材料內(nèi)雜質(zhì)數(shù)量，晶格缺陷和位錯(cuò)來提高內(nèi)部效率，同時(shí)，如何改善管芯及封裝內(nèi)部結(jié)

構(gòu)，增加LED內(nèi)部產(chǎn)生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)

光學(xué)性能，加速表面貼裝化SMD進(jìn)程更是產(chǎn)業(yè)界研發(fā)的主流方向。

2,LED封裝的分類

接受不同封裝結(jié)構(gòu)形式及尺寸，不同發(fā)光顏色的管芯及其雙色，或三色組合方式，可

生產(chǎn)出多種系列，品種，規(guī)格的產(chǎn)品。

LED產(chǎn)品封裝結(jié)構(gòu)的類型，也有依據(jù)發(fā)光顏色，芯片材料，發(fā)光亮度，尺寸大小等

狀況特征來分類的。單個(gè)管芯一般構(gòu)成點(diǎn)光源，多個(gè)管芯組裝一般可構(gòu)成面光源和線光源

,作信息，狀態(tài)指示及顯示用，發(fā)光顯示器也是用多個(gè)管芯，通過管芯的適當(dāng)連接（包括

串聯(lián)和并聯(lián)）及合適的光學(xué)結(jié)構(gòu)組合而成的，構(gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段和發(fā)光點(diǎn)。

依據(jù)不同的應(yīng)用場合，不同的外形尺寸，散熱方案和發(fā)光效果,LED封裝形式多種多

樣。目前，LED按封裝形式分類主要有Lamp-LED,TOP-LED,Side-LED,SMD-LED,

High-Power-LED,FlipChip-LED等。

1)Lamp-LED(垂直LED)

LED腳式封裝接受引線架作各種封裝外型的弓|腳，是最先研發(fā)勝利投放市場的封裝結(jié)構(gòu)

,品種數(shù)量繁多，技術(shù)成熟度較高

,封裝內(nèi)結(jié)構(gòu)及反射層仍在不斷改

璟氧榭脂ISResin

進(jìn)。標(biāo)準(zhǔn)LED被大多數(shù)客戶認(rèn)為是

目前顯示行業(yè)中最便利，最經(jīng)濟(jì)晶片Chip

的解決方案，典型的傳統(tǒng)LED安置

在能承受0.1W輸入功率的包封內(nèi)金^Auwire

，其90%的熱量是由負(fù)極的引腳架(Ag/insulationPaste)

金腐醇(PINW)

散發(fā)至PCB板，再散發(fā)到空氣中，如何降低工作時(shí)PN結(jié)的溫升是封裝及應(yīng)用必需考慮的。

包封材料多接受高溫固化環(huán)氧樹脂，其旋旋光性能優(yōu)良，工藝適應(yīng)性好，產(chǎn)品牢靠性

高，可做成有色透亮或無色透亮和有色散射或無色散射的透鏡封裝，不同的透鏡形態(tài)構(gòu)成

多種外形及尺寸。LED發(fā)光顯示器可由數(shù)碼管或米字管，符號管，矩陳管組成各種多位產(chǎn)

品，由實(shí)際需求設(shè)計(jì)成各種形態(tài)及結(jié)構(gòu)。

以數(shù)碼管為例，有反射罩式，單片集成式，單條七段式等三種封裝結(jié)構(gòu)，連接方式

有共陽極和共陰極兩種，一位就是通常說的數(shù)碼管，兩位以上的一般稱作顯示器。反射罩

式具有字型大，用料省，組裝靈敏的混合封裝特點(diǎn)，一般用白色塑料制作成帶反射腔的七

段形外殼，將單個(gè)LED管芯粘結(jié)在及反射罩的七個(gè)反射腔相互對位的PCB板上，每個(gè)反射腔

底部的中心位置是管芯形成的發(fā)光區(qū)，用壓焊方法鍵合引線，在反射罩內(nèi)滴人環(huán)氧樹脂，

及粘好管芯的PCB板對位粘合，然后固化即成。反射罩式又分為空封和實(shí)封兩種，前者接受

散射劑及染料的環(huán)氧樹脂，多用于單位，雙位器件；后者上蓋濾色片及勻光膜，并在管芯

及底板上涂透亮絕緣膠，提高出光效率，一般用于四位以上的數(shù)字顯示。單片集成式是在

發(fā)光材料芯片上制作大量七段數(shù)碼顯示器圖形管芯，然后劃片分割成單片圖形管芯，粘結(jié),

壓焊，封裝帶透鏡（俗稱魚眼透鏡）的外殼。單條七段式將已制作好的大面積LED芯片，劃

割成內(nèi)含一只或多只管芯的發(fā)光條，如此同樣的七條粘結(jié)在數(shù)碼字形的可伐架上，經(jīng)壓焊,

環(huán)氧樹脂封裝構(gòu)成。單片式，單條式的特點(diǎn)是微小型化，可接受雙列直插式封裝，大多是

專用產(chǎn)品。LED光柱顯示器在106ram長度的線路板上，安置101只管芯（最多可達(dá)201只管芯）

,屬于高密度封裝，利用光學(xué)的折射原理，使點(diǎn)光源通過透亮罩殼的13T5條光柵成像，完

成每只管芯由點(diǎn)到線的顯示，封裝技術(shù)較為困難。

La叩-LED早期出現(xiàn)的是直插LED,它的封裝接受灌封的形式.灌封的過程是先在LED成型

模腔內(nèi)注入液態(tài)環(huán)氧樹脂,然后插入壓焊好的LED支架,放入烘箱中讓環(huán)氧樹脂固化后,將

LED從模腔中脫離出即成型.由于制造工藝相對簡潔，成本低,有著較高的市場占有率.

Lamp-LED一般用于大屏，指示燈等領(lǐng)域

2）SMD-LED（表面貼裝LED）

在2023年，表面貼裝封裝的LED（SMDLED）漸漸被市場所接受，并獲得確定的市場份額

,從引腳式封裝轉(zhuǎn)向SMD符合整個(gè)電子行業(yè)發(fā)展大趨勢，很多生產(chǎn)廠商推出此類產(chǎn)品。

早期的SMDLED大多接受帶透亮塑料體的SOT-23改進(jìn)型，外形尺寸3.04X1.11mm,卷

盤式容器編帶包裝。在S0T-23基礎(chǔ)上，研發(fā)出帶透鏡的高亮度SMD的SLM-125系列，SLM-245

系列LED,前者為單色發(fā)光，后者為雙色或三色發(fā)光。

貼片-LED是貼于線路板表面的,適合SMT加工,可回流焊,很好地解決了亮度，視角,

平整度，牢靠性，一樣性等問題,接受

了更輕的PCB板和反射層材料,改進(jìn)后去掉

了直插LED較重的碳鋼材料引腳，使顯示反

射層須要填充的環(huán)氧樹脂更少，目的是縮

小尺寸，降低重量.這樣,表面貼裝LED可輕

易地將產(chǎn)品重量減輕一半,最終使應(yīng)用更

加完備.

3）Side-LED（側(cè)發(fā)光LED）

目前,LED封裝的另一個(gè)重點(diǎn)便側(cè)面發(fā)光封裝.假如想運(yùn)用LED當(dāng)LCD（液晶顯示器）的背

光光源,則LED的側(cè)面發(fā)光需及表面發(fā)光相同,才能使LCD背光發(fā)光勻整.雖然運(yùn)用導(dǎo)線架的

設(shè)計(jì),也可以達(dá)到側(cè)面發(fā)光的目的,但是散熱效果不好.不過,Lumileds公司獨(dú)創(chuàng)反射鏡的設(shè)

計(jì),將表面發(fā)光的LED,利用反射鏡原理來發(fā)成側(cè)光，勝利的將高功率LED應(yīng)用在大尺寸LCD背

光模組上.

Side-LED也屬于SMD-LED的一種，一般用作背光源

4）TOP-LED（頂部發(fā)光LED）

頂部發(fā)光LED是比較常見的貼片式發(fā)光二極管.主要應(yīng)用于多功能超薄手機(jī)和PDA中的

背光和狀態(tài)指示燈.

TOP-LED屬于SMD-LED的一種，一般用作大屏

5）High-Power-LED（高功率LED）

LED芯片及封裝向大功率方向發(fā)展，在大電流下產(chǎn)生比中5mmLED大10-20倍的光通量，

必需接受有效的散熱及不劣化的封裝材料解決光衰問題，因此，管殼及封裝也是其關(guān)鍵技

術(shù)，能承受數(shù)h功率的LED封裝已出現(xiàn)。5W系列白，綠，藍(lán)綠，藍(lán)的功率型LED從2023年

初起先供貨，白光LED光輸出達(dá)1871m,光效44.31m/"綠光衰問題，開發(fā)出可承受10W功率

的LED,大面積管；匕尺寸為2.5X2.5mm,可在5A電流下工作，光輸出達(dá)2023m,作為固

體照明光源有很大發(fā)展空間。

Luxeon系列功率LED是將AlGalnN功率型倒裝管芯倒裝焊接在具有焊料凸點(diǎn)的硅載體上

,然后把完成倒裝焊接的硅載體裝入熱沉及管殼中，鍵合引線進(jìn)行封裝。這種封裝對于取

光效率，散熱性能，加大工作電流密度的設(shè)計(jì)都是最佳的。其主要特點(diǎn)：熱阻低，一般僅

為MC/W,只有常規(guī)LED的1/10；可*性高，封裝內(nèi)部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體，在-40-120

℃范圍，不會(huì)因溫度驟變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使金絲及引線框架斷開，并防止環(huán)氧樹脂透鏡變

黃，引線框架也不會(huì)因氧化而玷污；反射杯和透鏡的最佳設(shè)計(jì)使輻射圖樣可控和光學(xué)效率

最高。另外，其輸出光功率，外量子效率等性能優(yōu)異，將LED固體光源發(fā)展到一個(gè)新水平。

為了獲得高功率，高亮度的LED光源，廠商們在LED芯片及封裝設(shè)計(jì)方面對大功率方向

發(fā)展.目前，能承受數(shù)W功率的LED封裝已出現(xiàn).比如Norlux系列功率LED的封裝結(jié)構(gòu)為六角形

鋁板作底座（使其不導(dǎo)電）的多芯片組合，底座直徑31.75mm,發(fā)光區(qū)位于其中心部位，直

徑約（0.375X25.4）mm,可容納40只LED管芯，鋁板同時(shí)作為熱襯。管芯的鍵合引線通過底

座上制作的兩個(gè)接觸點(diǎn)及正，負(fù)極連接，依據(jù)所需輸出光功率的大小來確定底座上排列管

芯的數(shù)目，可組合封裝的超高亮度的AlGalnN和AlGalnP管芯，其放射光分別為單色，彩色

或合成的白色，最終用高折射率的材料按光學(xué)設(shè)計(jì)形態(tài)進(jìn)行包封。這種封裝接受常規(guī)管芯

高密度組合封裝，取光效率高，熱阻低，較好地疼惜管芯及鍵合引線，在大電流下有較高

的光輸出功率，也是一種有發(fā)展前景的LED固體光源。

在應(yīng)用中，可將已封裝產(chǎn)品組裝在一個(gè)帶有鋁夾層的金屬芯PCB板上,形勝利率密度LED

,PCB板作為器件電極連接的布線之用，鋁芯夾層則可作熱襯運(yùn)用，獲得較高的發(fā)光通量和

光電轉(zhuǎn)換效率。此外，封裝好的SMI）LED體積很小，可靈敏地組合起來，構(gòu)成模塊型，導(dǎo)

光板型，聚光型，反射型等多姿多彩的照明光源。

可見,功率型LED的熱特性干脆影響到LED的工作溫度，發(fā)光效率，發(fā)光波長，運(yùn)用

壽命等，因此，對功率型LED芯片的封裝設(shè)計(jì)，制造技術(shù)更顯得尤為重要。

High-Power-LED,大功率LED,用于照明。

6)FlipChip-LED(覆晶LED)

LED覆晶封裝結(jié)構(gòu)是在PCB基本上制有復(fù)數(shù)個(gè)穿孔,該基板的一側(cè)的每個(gè)穿孔處都設(shè)有

兩個(gè)不同區(qū)域且互為開路的導(dǎo)電材質(zhì)，并且該導(dǎo)電材質(zhì)是平鋪于基板的表面上,有復(fù)數(shù)個(gè)未

經(jīng)封裝的LED芯片放置于具有導(dǎo)電材質(zhì)的一側(cè)的每個(gè)穿孔處，單一LED芯片的正極及負(fù)極接

點(diǎn)是利用錫球分別及基板表面上的導(dǎo)電材質(zhì)連結(jié)，且于復(fù)數(shù)個(gè)LED芯片面對穿孔的一側(cè)的表

面皆點(diǎn)著有透亮材質(zhì)的封膠,該封膠是呈一半球體的形態(tài)位于各個(gè)穿孔處.屬于倒裝焊結(jié)構(gòu)

發(fā)光二極管.

按固體發(fā)光物理學(xué)原理,LED的發(fā)光效能近似100%,因此,LED被譽(yù)為21世紀(jì)新光源,有望

成為繼白熾燈，熒光燈，高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代光源.展望將來,廠商必將把大

功率，高亮度LED放在突動(dòng)身展位置.LED產(chǎn)業(yè)鏈中的襯底，外延，芯片，封裝，應(yīng)用

需共同發(fā)展，多方互動(dòng)培植,而封裝是產(chǎn)業(yè)鏈中承上啟下部分,須要大家極大地關(guān)注及重視.

3,LED封裝工藝流程

1)LED的封裝的任務(wù)

是將外引線連接到LED

LED-Lanw作業(yè)流程圖

芯片的電極上，同時(shí)疼惜好原物料為制程主制程主制程作業(yè)工具

/支架/

LED芯片，并且起到提高光俑色支中相I

/銀般慢-7

取出效率的作用。關(guān)鍵工序回J函以.里避段I

有裝架，壓焊，封裝。硒機(jī)，擴(kuò)曷禮

?例-品卜

/a57rf健.閱品潛

2)LED封裝形式

宿2U＞〕

LED封裝形式可以說是

/軌7岸微機(jī)

五花八門，主要依據(jù)不同的I

應(yīng)用場合接受相應(yīng)的外形

/筋7

尺寸，散熱對策和出光效果

QC?

。LED按封裝形式分類有

煥姆150VIH)

歸收

Lamp-LED,TOP-LED,/黃產(chǎn)希/I-tsor.90

石1卜imEOl「沾咬機(jī)

Side-LED,SMD-LED,嚶條.嶼1TF不

I例箝(12Q。20mln)

High-Power-LED等。|氣蹌

/樹耳7I料承/.I度H片

7STf稱、怕H空機(jī)I

3)LED封裝工藝流程U登抖I拈典空i

?*?叵氤120CSOmin)

封裝工藝流程圖參見?直?自模機(jī)］

右圖。[:謂而徽130c6H)

4)封裝工藝說明7I

整理點(diǎn)用催*i沌試忙|

(1)芯片檢驗(yàn)o

鏡檢：材料表面是否有Ljk

機(jī)械損傷及麻點(diǎn)麻坑(lock?嶺八“L分光機(jī).刎口機(jī)

汴中E

hill)；芯片尺寸及電極大物，”」

過鄧：

特叫心捏：〔：

(X》：汽:?

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工只設(shè)缶：□

JA/u

小是否符合工藝要求；電極圖案是否完整

（2）擴(kuò)片（擴(kuò)晶）

由于LED芯片在劃片后照舊排列緊密間距很小（約0.1mm）,不利于后工序的操作。我

們接受擴(kuò)片機(jī)對黏結(jié)芯片的膜進(jìn)行擴(kuò)張，是LED芯片的間距拉伸到約0.6mm。也可以接受手

工擴(kuò)張，但很簡潔造成芯片掉落奢侈等不良問題。

（3）點(diǎn)膠

在LED支架的相應(yīng)位置點(diǎn)上銀膠或絕緣膠。（對于GaAs,SiC導(dǎo)電襯底，具有背面電極

的紅光，黃光，黃綠芯片，接受銀膠。對于藍(lán)寶石絕緣襯底的藍(lán)光，綠光LED芯片，接

受絕緣膠來固定芯片。）工藝難點(diǎn)在于點(diǎn)膠量的限制，在膠體高度，點(diǎn)膠位置均有具體的

工藝要求。

假如LED芯片是L型電極的,也就是說這種芯片是上，下各有一個(gè)電極,則要求芯片粘

合的膠既要能導(dǎo)電,又要能把LED芯片上的熱量通過膠傳導(dǎo)到支架或熱沉上。所以,必需用導(dǎo)

熱性能好，導(dǎo)電性能也好的固晶膠。現(xiàn)在市場上很多種可供選擇的膠。

假如LED芯片是V型電極的,也就是說在上面有兩個(gè)電極,下面沒有電極,因此下面就不

允許導(dǎo)電。但是照舊須要導(dǎo)熱性能,所以必需運(yùn)用絕緣導(dǎo)熱性能較好的膠。

由于銀膠和絕緣膠在貯存和運(yùn)用均有嚴(yán)格的要求，銀膠的醒料，攪拌，運(yùn)用時(shí)間都

是工藝上必需留意的事項(xiàng)。

（4）備膠

和點(diǎn)膠相反，備膠是用備膠機(jī)先把銀膠涂在LED背面電極上，然后把背部帶銀膠的LED

安裝在LED支架上?備膠的效率遠(yuǎn)高于點(diǎn)膠，但不是全部產(chǎn)品均適用備膠工藝。

（5）手工刺片

將擴(kuò)張后LED芯片（備膠或未備膠）安置在刺片臺(tái)的夾具上，LED支架放在夾具底下，

在顯微鏡下用針將LED芯片一個(gè)一個(gè)刺到相應(yīng)的位置上。手工刺片和自動(dòng)裝架相比有一個(gè)好

處，便于隨時(shí)更換不同的芯片，適用于須要安裝多種芯片的產(chǎn)品.

（6）自動(dòng)裝架

自動(dòng)裝架其實(shí)是結(jié)合了沾膠（點(diǎn)膠）和安裝芯片兩大步驟，先在LED支架上點(diǎn)上銀膠（

絕緣膠），然后用真空吸嘴將LED芯片吸起移動(dòng)位置，再安置在相應(yīng)的支架位置上。

自動(dòng)裝架在工藝上主要要熟識設(shè)備操作編程，同時(shí)對設(shè)備的沾膠及安裝精度進(jìn)行調(diào)整

。在吸嘴的選用上盡量選用膠木吸嘴，防止對LED芯片表面的損傷，特殊是蘭，綠色芯片

必需用膠木的。因?yàn)殇撟鞎?huì)劃傷芯片表面的電流擴(kuò)散層。

（7）燒結(jié)

燒結(jié)的目的是使銀膠固化，燒結(jié)要求對溫度進(jìn)行監(jiān)控，防止批次性不良。

銀膠燒結(jié)的溫度一般限制在150℃,燒結(jié)時(shí)間2小時(shí)。依據(jù)實(shí)際狀況可以調(diào)整到170℃,

1小時(shí)。絕緣膠一般150'C,1小時(shí)。

銀膠燒結(jié)烘箱的必需按工藝要求隔2小時(shí)（或1小時(shí)）打開更換燒結(jié)的產(chǎn)品，中間不得

隨意打開。燒結(jié)烘箱不得再其它用途，防止污染。

（8）壓焊

壓焊的目的將電極引至ULED芯片上，完成產(chǎn)品內(nèi)外引線的連接工作。

LED的壓焊工藝有金絲球焊和鋁絲壓焊兩種。右圖是鋁絲壓焊的過程，先在LED芯片電

極上壓上第一點(diǎn)，再將鋁絲拉到相應(yīng)的支架上方，壓上其次點(diǎn)后扯斷鋁絲。金絲球焊過程

則在壓第一點(diǎn)前先燒個(gè)球，其余過程類似。

壓焊是LED封裝技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，工藝上主要須要監(jiān)控的是壓焊金絲（鋁絲）拱絲形

態(tài)，焊點(diǎn)形態(tài)，拉力。

對壓焊工藝的深化探討涉及到多方面的問題，如金（鋁）絲材料，超聲功率，壓焊

壓力，劈刀（鋼嘴）選用，劈刀（鋼嘴）運(yùn)動(dòng)軌跡等等。（下圖是同等條件下，兩種不

同的劈刀壓出的焊點(diǎn)微觀照片，兩者在微觀結(jié)構(gòu)上存在差別，從而影響著產(chǎn)品質(zhì)量。）我

們在這里不再累述.

特殊須要留意的是,加在焊線上的壓力不要太大,一般是30~40g之間,壓力太大簡潔把

電極打裂,而這種裂縫通過一般的顯微鏡都是看不見的。假如存在電極裂縫,則在通電加熱

后,這個(gè)裂縫會(huì)逐步變大,相應(yīng)的漏電流也會(huì)增大,這樣LED在運(yùn)用時(shí)會(huì)很快損壞。

（9）涂覆熒光粉

此工藝流程要依據(jù)產(chǎn)品要求確定是否須要。

首先要把熒光粉和環(huán)氧樹脂調(diào)配好，調(diào)配的濃度和數(shù)量都要依據(jù)以往的閱歷。這里要特

殊強(qiáng)調(diào)的是，膠和熒光粉確定要充分?jǐn)嚢鑴蛘?，要讓A,B膠充分混合。在點(diǎn)熒光粉（熒光粉

和膠混合,即點(diǎn)膠）的過程中，熒光粉不能沉淀,濃度要始終保持一樣。

點(diǎn)熒光粉所用的設(shè)備，裝膠的容器和針頭都要保持確定的溫度并不斷攪拌，防止膠凝

固和熒光粉沉淀。點(diǎn)膠的針頭最好運(yùn)用不粘膠的針頭，這種針頭只需輕輕一吹就會(huì)干凈。在

點(diǎn)膠過程中要保證針頭不會(huì)發(fā)生堵塞，并且出膠要?jiǎng)蛘?。這樣做才能使白光的色溫一樣性較

好。

目前生產(chǎn)白光LED的廠家,大多數(shù)是接受人工點(diǎn)熒光粉，點(diǎn)熒光粉的工人要經(jīng)過長期的

培訓(xùn),在駕馭閱歷后才能很好地完成這項(xiàng)工藝。點(diǎn)熒光粉所用的點(diǎn)膠機(jī)一般有兩種：

粘膠機(jī)：即將熒光粉和膠配好后，勻整地分布在滾筒上,滾筒不斷滾動(dòng),這樣膠就可以勻

整分布在滾筒的外壁上。把焊好金絲的藍(lán)光芯片的整個(gè)支架（20粒）靠到滾筒上，滾筒上的熒

光粉膠就會(huì)勻整地粘到20個(gè)芯片的支架“碗”內(nèi)。圖3給出了熒光粉粘膠機(jī)的示意圖。

點(diǎn)膠機(jī)：另一種是用自動(dòng)配好熒光粉的膠從針頭滴到焊好LED的支架上,其工作原理就

像灌膠機(jī)一樣。灌膠機(jī)一次可灌20粒，點(diǎn)熒光粉膠一般一次為4~5粒。這種點(diǎn)膠機(jī)滴出來的

膠量可以進(jìn)行調(diào)整限制。裝在點(diǎn)膠機(jī)容器內(nèi)的膠要保持確定的溫度,須要常常攪拌,這樣不

會(huì)產(chǎn)生沉淀。以上兩種都適用于?3mm,05nlm等引腳式封裝的LED管子。圖4給出了熒光粉

點(diǎn)膠機(jī)的示意圖。

有些制造大功率白光LED的方法,是預(yù)先把熒光粉和膠調(diào)配好,然后開出一個(gè)模子,把熒

光粉膠刷在模子上,讓它干后成為一片膠餅。再把膠餅蓋在焊好的大功率LED芯片上,并用適

量的膠把膠餅固定在芯片上。這樣做出來的LED其色溫會(huì)比較一樣。

(10)點(diǎn)膠封裝

LED的封裝主要有點(diǎn)膠，灌封，模壓三種?；旧瞎に囅拗频碾y點(diǎn)是氣泡，多缺料,

黑點(diǎn)。設(shè)計(jì)上主要是對材料的選型，選用結(jié)合良好的環(huán)氧和支架。(一般的LED無法通過氣

密性試驗(yàn))如TOP-LED和Side-LED適用點(diǎn)膠封裝。手動(dòng)點(diǎn)膠封裝對操作水平要求很高(特殊

是白光LED),主要難點(diǎn)是對點(diǎn)膠量的限制，因?yàn)榄h(huán)氧在運(yùn)用過程中會(huì)變稠。白光LED的點(diǎn)

膠還存在熒光粉沉淀導(dǎo)致出光色差的問題。

(11)灌膠封裝

Lamp-LED的封裝接受灌封的形式。灌封的過程是先在LED成型模腔內(nèi)注入液態(tài)環(huán)氧，然

后插入壓焊好的LED支架，放入烘箱讓環(huán)氧固化后，將LED從模腔中脫出即成型。

(12)模壓封裝

將壓焊好的LED支架放入模具中，將上下兩副模具用液壓機(jī)合模并抽真空，將固態(tài)環(huán)氧

放入注膠道的入口加熱用液壓頂桿壓入模具膠道中，環(huán)氧順著膠道進(jìn)入各個(gè)LED成型槽中并

固化。

(13)固化及后固化

固化是指封裝環(huán)氧的固化，一般環(huán)氧固化條件在135C,1小時(shí)。模壓封裝一般在150

℃,4分鐘。

(14)后固化

后固化是為了讓環(huán)氧充分固化，同時(shí)對LED進(jìn)行熱老化。后固化對于提高環(huán)氧及支架(

PCB)的粘接強(qiáng)度特殊重要。一般條件為120℃,4小時(shí)。

(15)切筋和劃片

由于LED在生產(chǎn)中是連在一起的(不是單個(gè))，Lamp封裝LED接受切筋切斷LED支架的連

筋。SMD-LED則是在一片PCB板上，須要?jiǎng)澠瑱C(jī)來完成分別工作。

(16)測試

測試LED的光電參數(shù)，檢驗(yàn)外形尺寸，同時(shí)依據(jù)客戶要求對LED產(chǎn)品進(jìn)行分選。

(17)包裝

將成品進(jìn)行計(jì)數(shù)包裝。超高亮LED須要防靜電包裝

5)LampLED的工藝流程圖解

珥媒封裝切腳

6）SMDLED的工藝流程圖解

4,LED封裝器件的性能

LED器件性能指標(biāo)主要包括亮度/光通量，光衰,失效率，光效，一樣性，光學(xué)

分布等。

1,亮度或光通量

由于小芯片（15mil以下）己可在國內(nèi)芯片企業(yè)大規(guī)模量產(chǎn)（盡管有部特殊延片來自進(jìn)

口），小芯片亮度已及國外最高亮度產(chǎn)品接近，其亮度要求已能滿意95%的LED應(yīng)用需求，

而封裝器件的亮度90%程度上取決于芯片亮度。中大尺寸芯片（24mil以上）目前絕大部分依

靠進(jìn)口，每瓦流明值取決于所選購芯片的流明值，封裝環(huán)節(jié)對流明值的影響只有10虬

2,光衰

一般探討認(rèn)為，光衰及芯片關(guān)聯(lián)度不大，及封裝材料及工藝關(guān)聯(lián)度最大。影響光衰的封

裝材料主要有固晶底膠，熒光膠，外封膠等，影響光衰的封裝工藝主要有各工序的烘烤溫

度和時(shí)間及材料匹配等。目前，中國LED封裝工藝經(jīng)過多年的發(fā)展和積累，已有較好的基礎(chǔ)，

在光衰的限制上已及國外一些產(chǎn)品匹敵。

3,失效率

失效率及芯片質(zhì)量，封裝幫助材料，生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)水平和管理水平相關(guān)。LED失

效主要表現(xiàn)為死燈，光衰過大，波長或色溫漂移過大等。依據(jù)LED器件的不同用途要求，

其失效率也有不同的要求。例如指示燈用途LED可以為1000PPM（3000小時(shí)）；照明用途LED

為500PpM（3000小時(shí)）；彩色顯示屏用途LED為50PpM（3000小時(shí)）。中國封裝企業(yè)的LED失效

率整體水平有待提高?？上驳氖?，少量中國優(yōu)秀封裝企業(yè)的失效率已達(dá)到世界水平。

4,光效

LED光效90%取決于芯片的發(fā)光效率。中國LED封裝企業(yè)對封裝環(huán)節(jié)的光效提高技術(shù)也有大

量探討。假如中國在大尺寸瓦級芯片的研發(fā)生產(chǎn)上取得突破及量產(chǎn)，將會(huì)極大促進(jìn)功率型封

裝器件光效的提高。

5,一樣性

LED的一樣性包括波長一樣性，亮度一樣性，色溫一樣性，衰減一樣性等前三項(xiàng)一樣性

是可以通過投料工藝限制和分光分色機(jī)篩選達(dá)到的。前三項(xiàng)水平來說，中國LED封裝技術(shù)及

國外一樣。角度一樣性往往難以分選出來，需通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，物料機(jī)械精度限制，生產(chǎn)制

程嚴(yán)格限制來達(dá)到。例如，LED全彩顯示屏用途的紅，綠，藍(lán)三種橢圓形LED的角度一樣

性限制特殊重要,確定性地影響LED全彩顯示屏的色調(diào)品質(zhì)，成為LED器件的一項(xiàng)高端技術(shù)。

衰減一樣性也及物料限制和工藝限制有關(guān)，包括不同顏色LED的衰減一樣性和同一顏色LED

的衰減一樣性。一樣性的探討是LED封裝技術(shù)的一個(gè)重要課題。中國部分LED封裝企業(yè)在

LED一樣性方面的技術(shù)已及國際接軌。

6,光學(xué)分布

LED是一個(gè)發(fā)光器件，對于很多LED應(yīng)用用途來說，LED的光形分布是一個(gè)重要指標(biāo)，確定

了應(yīng)用產(chǎn)品二次光學(xué)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，也干脆影響了LED應(yīng)用產(chǎn)品的視覺效果。例如，LED戶外

顯示屏運(yùn)用的LED橢圓形透鏡設(shè)計(jì)能夠使顯示屏在角度變更時(shí)亮度變更平穩(wěn)并有較大視角，

符合人的視覺習(xí)慣。又如，LED路燈的光學(xué)要求，使得LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)和路燈的二次光

學(xué)設(shè)計(jì)必需匹配，達(dá)到最佳路面光斑和最佳發(fā)光效率。通過計(jì)算機(jī)光學(xué)模擬軟件來進(jìn)行設(shè)計(jì)

開發(fā)是常用的手段。中國LED封裝企業(yè)在主動(dòng)迎頭趕上，及國外技術(shù)的差距在縮小。

5,提高LED發(fā)光效率的技術(shù)

1）透亮襯底技術(shù)

InGaAlPLED通常是在GaAs襯底上外延生長InGaAlP發(fā)光區(qū)GaP窗口區(qū)制備而成。及

InGaAlP相比，GaAs材料具有小得多的禁帶寬度，因此，當(dāng)短波長的光從發(fā)光區(qū)及窗口表面

射入GaAs襯底時(shí)，將被悉數(shù)吸取，成為器件出光效率不高的主要緣由。在襯底及限制層之

間生長一個(gè)布喇格反射區(qū)，能將垂直射向襯底的光反射回發(fā)光區(qū)或窗口，部分改善了器件

的出光特性。一個(gè)更為有效的方法是先去除GaAs襯底，代之于全透亮的GaP晶體。由于芯片

內(nèi)除去了襯底吸取區(qū)，使量子效率從4%提升到了25-30%。為進(jìn)一步減小電極區(qū)的吸取，

有人將這種透亮襯底型的InGaAlP器件制作成截角倒錐體的外形，使量子效率有了更大的提

局。

2）金屬膜反射技術(shù)

透亮襯底制程首先起源于美國的HP,Lumileds等公司，金屬膜反射法主要有日本，

臺(tái)灣廠商進(jìn)行了大量的探討及發(fā)展。這種制程不但回避了透亮襯底專利，而且，更利于規(guī)

模生產(chǎn)。其效果可以說及透亮襯底法具有異曲同工之妙。該制程通常謂之MB制程，首先去

除GaAs襯底，然后在其表面及Si基底表面同時(shí)蒸鍍A1質(zhì)金屬膜，然后在確定的溫度及壓力

下熔接在一起。如此，從發(fā)光層照耀到基板的光線被A1質(zhì)金屬膜層反射至芯片表面，從而

使器件的發(fā)光效率提高2.5倍以上。

3）表面微結(jié)構(gòu)技術(shù)

表面微結(jié)構(gòu)制程是提高器件出光效率的又一個(gè)有效技術(shù)，該技術(shù)的基本要點(diǎn)是在芯片

表面刻蝕大量尺寸為光波長量級的小結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)呈截角四面體狀，如此不但擴(kuò)展了出

光面積，而且變更了光在芯片表面處的折射方向，從而使透光效率明顯提高。測量指出，

對于窗口層厚度為20µm的器件，出光效率可增長30%。當(dāng)窗口層厚度減至10µm

時(shí)，出光效率將有60%的改進(jìn)。對于585-625nm波長的LED器件，制作紋理結(jié)構(gòu)后，發(fā)光效

率可達(dá)301m/w,其值己接近透亮襯底器件的水平。

4）倒裝芯片技術(shù)

通過M0CVD技術(shù)在蘭寶石襯底上生長GaN基LED結(jié)構(gòu)層，由P/N結(jié)發(fā)光區(qū)發(fā)出的光透過上

面的P型區(qū)射出。由于P型GaN傳導(dǎo)性能不佳，為獲得良好的電流擴(kuò)展，須要通過蒸鍍技術(shù)在

P區(qū)表面形成一層Ni-Au組成的金屬電極層。P區(qū)引線通過該層金屬薄膜引出。為獲得好的電

流擴(kuò)展，Ni-Au金屬電極層就不能太薄。為此，器件的發(fā)光效率就會(huì)受到很大影響，通常要

同時(shí)兼顧電流擴(kuò)展及出光效率二個(gè)因素。但無論在什么狀況下，金屬薄膜的存在，總會(huì)使

透光性能變差。此外，引線焊點(diǎn)的存在也使器件的出光效率受到影響。接受GaNLED倒裝芯

片的結(jié)構(gòu)可以從根本上消退上面的問題。

5）芯片鍵合技術(shù)

光電子器件對所須要的材料在性能上有確定的要求，通常都須要有大的帶寬差和在材

料的折射指數(shù)上要有很大的變更。不幸的是，一般沒有自然的這種材料。用同質(zhì)外延生長

技術(shù)一般都不能形成所須要的帶寬差和折射指數(shù)差，而用通常的異質(zhì)外延技術(shù)，如在硅片

上外延GaAs和InP等，不僅成本較高，而且結(jié)合接口的位錯(cuò)密度也特殊高，很難形成高質(zhì)量

的光電子集成器件。由于低溫鍵合技術(shù)可以大大削減不同材料之間的熱失配問題，削減應(yīng)

力和位錯(cuò)，因此能形成高質(zhì)量的器件。隨著對鍵合機(jī)理的漸漸相識和鍵合制程技術(shù)的漸漸

成熟，多種不同材料的芯片之間已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)相互鍵合，從而可能形成一些特殊用途的材

料和器件。如在硅片上形成硅化物層再進(jìn)行鍵合就可以形成一種新的結(jié)構(gòu)。由于硅化物的

電導(dǎo)率很高，因此可以代替雙極型器件中的隱埋層，從而減小RC常數(shù)。

6）激光剝離技術(shù)（LLO）

激光剝離技術(shù)（LLO）是利用激光能量分解GaN/藍(lán)寶石接口處的GaN緩沖層，從而實(shí)現(xiàn)

LED外延片從藍(lán)寶石襯底分別。技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是外延片轉(zhuǎn)移到高熱導(dǎo)率的熱沉上，能夠改善大尺

寸芯片中電流擴(kuò)展。n面為出光面：發(fā)光面積增大，電極擋光小，便于制備微結(jié)構(gòu)，并且削

減刻蝕，磨片，劃片。更重要的是藍(lán)寶石襯底可以重復(fù)運(yùn)用。

第六章白光LED的基礎(chǔ)學(xué)問

1,白光LED的概念

隨著ZnSe和GaN等寬帶隙材料及其發(fā)光器件技術(shù)的發(fā)展，于20世紀(jì)90年頭中期推出

了一種白光LED。由于白光LED具有低驅(qū)動(dòng)電壓，快速開關(guān)響應(yīng)時(shí)間，無頻閃，高發(fā)光

效率，小體積，低能耗，長壽命，強(qiáng)抗震性等特點(diǎn)，有望取代傳統(tǒng)的白熾燈，熒光燈

和高壓氣體放電燈，實(shí)現(xiàn)環(huán)保和綠色照明光源，在軍民用領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前

景，因此白光LED被稱為愛迪生獨(dú)創(chuàng)白熾燈之后的又一次燈具技術(shù)革命，世界各國正不惜重

金支持這種極具社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的白光LED的發(fā)展。

一般人所指的白光是指白天所看到的太陽光，學(xué)理上分析后發(fā)覺其蘊(yùn)含自400、700nm

范圍的連續(xù)光譜，以目視的顏色而言，可分解成紅橙黃綠藍(lán)青紫等七色。依據(jù)LED的發(fā)光原

理，一般LED只能發(fā)出單色光，為了讓它發(fā)白光，工藝上必需混合兩種以上互補(bǔ)色的光而成，

1998年白光LED研發(fā)勝利，經(jīng)過10年

多的發(fā)展，常用來形成白光LED的組合UVLED+RGB篇光+黃色美光粉

方式有三種：RGBLEDs_______________螢光，J______________1Tzl有

1）藍(lán)光LED及黃色熒光粉之組合）

2）紅/綠/藍(lán)三色LED之組合

3）UVLED及多色熒光粉之組合

目前，駕馭白光LED關(guān)鍵技術(shù)的廠家包括日亞化工，Cree,Lumileds,歐思朗等。

2,白光LED發(fā)光原理

1）單芯片

（1）InGaN（藍(lán)）/YAG熒光粉

這是一種目前較為成熟的產(chǎn)品，其中1W的和5W的Lumileds已有批量產(chǎn)品。這些產(chǎn)品

接受芯片倒裝結(jié)構(gòu)，提高發(fā)光效率和散熱效果。熒光粉涂覆工藝的改進(jìn)，可將色勻整性提高

10倍。試驗(yàn)證明，電流和溫度的增加使LED光譜有些藍(lán)移和紅移，但對熒光光譜影響并不

大。壽命試驗(yàn)結(jié)果也較好，中5的白光LED在工作1.2萬小時(shí)后，光輸出下降80%,而這種

功率LED在工作1.2萬小時(shí)后，僅下降10%,估計(jì)工作5萬小時(shí)后下降30缸這種稱為Luxeon

的功率LED最高效率達(dá)到44.31m/w,最高光通量為1871m,產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品可達(dá)1201m,Ra為

75-80o

（2）InGaN（藍(lán)）/紅熒光粉+綠熒光粉

Lumileds公司接受460nmLED配以SrGa2s4：Eu2+（綠色）和SrS：Eu2+（紅色）熒光粉，

色溫可達(dá)到3000K-6000K的較好結(jié)果，Ra達(dá)到82-87,較前述產(chǎn)品有所提高。

（3）InGaN（紫外）/（紅+綠+藍(lán)）熒光粉

Cree,日亞，豐田等公司均在大力研制紫外LED。Cree公司已生產(chǎn)出50mW,385nm

—405nm的紫外LED；豐田已生產(chǎn)此類白光LED,其Ra大于等于90,但發(fā)光效率還不夠志向；

H亞于最近制得365nm,lmm2,4.6V,500mA的高功率紫外LED,如制成白色LED,會(huì)有

較好效果。

ZnSe和0LED白光器件也有進(jìn)展，但離產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)尚遠(yuǎn)。

2）雙芯片

可由藍(lán)LED+黃LED,藍(lán)LED+黃綠LED以及藍(lán)綠LED+黃LED制成，此種器件成本比較

便宜，但由于是兩種顏色LED形成的白光，顯色性較差，只能在顯色性要求不高的場合運(yùn)用。

3）三芯片（藍(lán)色+綠色+紅色）LED

Philips公司用470nm,540nm和610nm的LED芯片制成Ra大于80的器件，色溫可達(dá)

3500K。如用470nm,525nm和635nm的LED芯片,則缺少黃色調(diào)，Ra只能達(dá)到20或30。

接受波長補(bǔ)償和光通量反饋方法可使色移動(dòng)降到可接受程度。美國TIR公司接受

LuxeonRGB器件制成用于景觀照明的系統(tǒng)產(chǎn)品，用Lumileds制成液晶電視屏幕（22英寸），

產(chǎn)品的性能都不錯(cuò)。

4）四芯片（藍(lán)色+綠色+紅色+黃色）LED

接受465nm,535nm,590nm和625nmLED芯片可制成Ra大于90的白光LED。

此外，Norlux公司用90個(gè)三色芯片（R,G,B）制成10W的白光LED,每個(gè)器件光通

量達(dá)1301m,色溫為5500K。

5）單芯片和多芯片的比較

方式實(shí)務(wù)優(yōu)劣比較

1.材料來源簡潔

RGB三色混光不易1.運(yùn)用三顆LED芯片，成本高

2.三色混光不易使光色相同，一樣性差

多芯片型1.一樣性高

2.可用于高電量產(chǎn)品（ex:汽車）

BCW藍(lán)光+琥珀色黃光可行

1.專利權(quán)在美商Gentex手中

2.由于電壓高，有過熱問題

單芯片型藍(lán)光+YAG螢光粉可行1.材料來源簡潔，一樣性高

2.可用于低電量產(chǎn)品（ex:手機(jī)）

3.低電壓，沒有過熱問題

1.專利權(quán)在Nichia手中

1.亮度較亮，一樣性佳，沒有過熱問題

UV+RGB螢光粉不易1.芯片，螢光粉的來源都不易，目前量產(chǎn)都有

問題

ZnSe難1.制作不易，且屬活潑性元素，信任度待提升

3,白光LED技術(shù)指標(biāo)

照明用白光LED不同于傳統(tǒng)的LED產(chǎn)品，在技術(shù)性能指標(biāo)上有一些特殊要求：光通量一

個(gè)①5LED的光通量僅為11m左右，而用作照明的白光功率LED盼望達(dá)到IKlm。當(dāng)然，光通

量為0.lKlm和0.OlKlm的功率LED也能達(dá)到要求較低的照明需求。由于15W白熾燈效率較

低，僅81m/w,所以一個(gè)15W白熾燈的光通量，及251m/w的白光功率LED5W器件相當(dāng)。

發(fā)光效率目前產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品已從151m/w提高到1001m/w,探討水平為1251m/w,最高水

平已達(dá)1301m/wo

色溫在2500K-10000K之間，最好是2500K-5000K之間。

顯色指數(shù)Ra最好是100。目前可以過到85

穩(wěn)定性波長和光通量均要求保持穩(wěn)定，但其穩(wěn)定性程度依照明場合的需求而定。

壽命5萬小時(shí)至10萬小時(shí)。

4,白光LED技術(shù)難點(diǎn)

1）InGaN（紫外）/（紅+綠+藍(lán)）熒光粉

有理論計(jì)算結(jié)果顯示,LED的外量子效率達(dá)到和超過50%才能成為日后通用照明的主流。

因此，如何提高LED的外部量子效率成為LED探討的一個(gè)主要方向。而材料的位錯(cuò)密度是造

成GaN基LED量子效率低的其中一個(gè)主要緣由，尤其是對于發(fā)短波長的LED。高的位錯(cuò)密度

主要是由藍(lán)寶石襯底和GaN外延層之間的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配造成的。除此之外，有

源區(qū)的質(zhì)量好壞對LED的量子效率起著至關(guān)重要的作用，主要包括阱層和勢壘層的厚度，In

組分，應(yīng)力，界面和每層材料生長的質(zhì)量凹凸。

對于近紫外LED的探討，目前主要存在的一下幾個(gè)探討難點(diǎn)：

（1）高質(zhì)量Gan外延層的生長

(2)低歐姆接觸電極的制作

(3)電流擁堵效應(yīng)的解決

(4)電流注入效率的提高

(5)出光效率的提高技術(shù)

(6)熒光材料的高效合成

(7)耐熱抗UV封裝材料的探討

(8)散熱問題的解決

5,大功率白光LED的封裝技術(shù)探討

大功率LED封裝結(jié)構(gòu)

1)大功率LED封裝關(guān)鍵技術(shù)

大功率LED封裝主要涉及光，熱，電，結(jié)構(gòu)及工藝等方面，如圖1所示。這些因素

彼此既相互獨(dú)立，又相互影響。其中，光是LED封裝的目的，熱是關(guān)鍵，電，結(jié)構(gòu)及工藝

是手段，而性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。從工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本而言，LED封裝設(shè)計(jì)

應(yīng)及芯片設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，即芯片設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)當(dāng)考慮到封裝結(jié)構(gòu)和工藝。否則，等芯片制造完

成后，可能由于封裝的須要對芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而延長了產(chǎn)品研發(fā)周期和工藝成本，有

時(shí)甚至不行能。

LED產(chǎn)品

圖1大功率白光LED封裝技術(shù)

具體而言，大功率LED封裝的關(guān)健技術(shù)包括：

(1)低熱阻封裝工藝

對于現(xiàn)有的LED光效水平而言，由于輸入電能的80%左右轉(zhuǎn)變成為熱量，且LED芯片面

積小，因此，芯片散熱是LED封裝必需解決的關(guān)鍵問題。主要包括芯片布置，封裝材料選

擇(基板材料，熱界面材料)及工藝，熱沉設(shè)計(jì)等。

LED封裝熱阻主要包括材料(散熱基板和熱沉結(jié)構(gòu))內(nèi)部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作

用就是吸取芯片產(chǎn)生的熱量，并傳導(dǎo)到熱沉上，實(shí)現(xiàn)及外界的熱交換。常用的散熱基板材料

包括硅，金屬(如鋁，銅)，陶瓷(如A12O3,AIN,SiC)和復(fù)合材料等。如Nichia公司的

第三代LED接受CuW做襯底，將1mm芯片倒裝在CuW襯底上，降低了封裝熱阻，提高了發(fā)光

功率和效率;LaminaCeramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2(a),并開發(fā)了

相應(yīng)的LED封裝技術(shù)。該技術(shù)首先制備出適于共晶焊的大功率LED芯片和相應(yīng)的陶瓷基板，

然后將LED芯片及基板干脆焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層，靜電疼惜電路，

驅(qū)動(dòng)電路及限制補(bǔ)償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡潔，而且由于材料熱導(dǎo)率高，熱界面少，大大提高了

散熱性能，為大功率LED陣列封裝提出了解決方案。德國Curmilk公司研制的高導(dǎo)熱性覆銅

陶瓷板，由陶瓷基板(A1N或A1203)和導(dǎo)電層(Cu)在高溫高壓下燒結(jié)而成，沒有運(yùn)用黏結(jié)劑,

因此導(dǎo)熱性能好，強(qiáng)度高，絕緣性強(qiáng)，如圖2(b)所示。其中氮化鋁(A1N)的熱導(dǎo)率為

160W/mk,熱膨脹系數(shù)為4.0X10-6/℃(及硅的熱膨脹系數(shù)3.2X10-6/℃相當(dāng)),從而降低了

封裝熱應(yīng)力。

圖2(a)低溫共燒陶瓷金屬基板

銅層

圖2(b)覆銅陶瓷基板截面示意圖

探討表明，封裝界面對熱阻影響也很大，假如不能正確處理界面，就難以獲得良好的散

熱效果。例如，室溫下接觸良好的界面在高溫下可能存在界面間隙，基板的翹曲也可能會(huì)影

響鍵合和局部的散熱。改善LED封裝的關(guān)鍵在于削減界面和界面接觸熱阻，增加散熱。因此,

芯片和散熱基板間的熱界面材料(TIM)選擇特殊重要。LED封裝常用的T1M為導(dǎo)電膠和導(dǎo)熱

膠，由于熱導(dǎo)率較低，一般為，致使界面熱阻很高。而接受低溫或共晶焊料，焊膏或者內(nèi)

摻納米顆粒的導(dǎo)電膠作為熱界面材料，可大大降低界面熱阻。

(2)高取光率封裝結(jié)構(gòu)及工藝

在LED運(yùn)用過程中，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外放射時(shí)產(chǎn)生的損失，主要包括三個(gè)方面:

芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的吸取;光子在出射界面由于折射率差引起的反射損失；以及由

于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。因此，很多光線無法從芯片中出射到外部。

通過在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透亮膠層(灌封膠)，由于該膠層處于芯片和空氣

之間，從而有效削減了光子在界面的損失，提高了取光效率。此外，灌封膠的作用還包括對

芯片進(jìn)行機(jī)械疼惜，應(yīng)力釋放，并作為一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，要求其透光率高，折射率高，

熱穩(wěn)定性好，流淌性好，易于噴涂。為提高LED封裝的牢靠性，還要求灌封膠具有低吸濕性,

低應(yīng)力，耐老化等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高,

折射率大，熱穩(wěn)定性好，應(yīng)力小，吸濕性低等特點(diǎn)，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂，在大功率LED封裝

中得到廣泛應(yīng)用，但成本較高。探討表明，提高硅膠折射率可有效削減折射率物理屏障帶來

的光子損失，提高外量子效率，但硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。隨著溫度上升，硅膠內(nèi)部

的熱應(yīng)力加大，導(dǎo)致硅膠的折射率降低，從而影響LED光效和光強(qiáng)分布。

熒光粉的作用在于光色復(fù)合，形成白光。其特性主要包括粒度，形態(tài)，發(fā)光效率，轉(zhuǎn)

換效率，穩(wěn)定性(熱和化學(xué))等，其中，發(fā)光效率和轉(zhuǎn)換效率是關(guān)鍵。探討表明，隨著溫度

上升，熒光粉量子效率降低,出光削減，輻射波長也會(huì)發(fā)生變更,從而引起白光LED色溫，色

度的變更，較高的溫度還會(huì)加速熒光粉的老化。緣由在于熒光粉涂層是由環(huán)氧或硅膠及熒光

粉調(diào)配而成，散熱性能較差，當(dāng)受到紫光或紫外光的輻射時(shí)，易發(fā)生溫度猝滅和老化，使發(fā)

光效率降低。此外，高溫下灌封膠和熒光粉的熱穩(wěn)定性也存在問題。由于常用熒光粉尺寸在

lum以上，折射率大于或等于1.85,而硅膠折射率一般在1.5左右。由于兩者間折射率的不

匹配，以及熒光粉顆粒尺寸遠(yuǎn)大于光散射極限(30nm),因而在熒光粉顆粒表面存在光散射，

降低了出光效率。通過在硅膠中摻入納米熒光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射,

提高LED出光效率(10獷20%),并能有效改善光色質(zhì)量。

傳統(tǒng)的熒光粉涂敷方式是將熒光粉及灌封膠混合，然后點(diǎn)涂在芯片上。由于無法對熒光

粉的涂敷厚度和形態(tài)進(jìn)行精確限制，導(dǎo)致出射光色調(diào)不一樣，出現(xiàn)偏藍(lán)光或者偏黃光。而

Lumileds公司開發(fā)的保形涂層(Conformalcoating)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熒光粉的勻整涂覆，保障了

光色的勻整性，如圖3(b)。但探討表明，當(dāng)熒光粉干脆涂覆在芯片表面時(shí)，由于光散射的

存在，出光效率較低。有鑒于此，美國Rensselaer探討所提出了一種光子散射萃取工藝

(ScatteredPhotonExtractionmethod,SPE),通過在芯片表面布置一個(gè)聚焦透鏡，并將

含熒光粉的玻璃片置于距芯片確定位置，不僅提高了器件牢靠性，而且大大提高了光效

(60%),如圖3(c).

(a)輟封鈣構(gòu)(b)采用保駿層的封鈉構(gòu)(c)基于SPE的封錨構(gòu)

圖3大功率白光LED封裝結(jié)構(gòu)

總體而言，為提高LED的出光效率和牢靠性，封裝膠層有漸漸被高折射率透亮玻璃或微

晶玻璃等取代的趨勢，通過將熒光粉內(nèi)摻或外涂于玻璃表面，不僅提高了熒光粉的勻整度，

而且提高了封裝效率。止匕外，削減LED出光方向的光學(xué)界面數(shù)，也是提高出光效率的有效措

施。

(a)51*我(b)SMT(d)SiP

圖4LED封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)發(fā)展

(3)陣列封裝及系統(tǒng)集成技術(shù)

經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)先后閱歷了四個(gè)階段，如圖4所示。

①引腳式(Lamp)LED封裝

引腳式封裝就是常用的￡3-5mm封裝結(jié)構(gòu)。一般用于電流較小(20-30mA),功率較低(小

于0.1W)的LED封裝。主要用于儀表顯示或指示，大規(guī)模集成時(shí)也可作為顯示屏。其缺點(diǎn)在

于封裝熱阻較大(一般高于100K/W),壽命較短。

②表面組裝(貼片)式(SMT-LED)封裝

表面組裝技術(shù)(SMT)是一種可以干脆將封裝好的器件貼，焊到PCB表面指定位置上的

一種封裝技術(shù)。具體而言，就是用特定的工具或設(shè)備將芯片引腳對準(zhǔn)預(yù)先涂覆了粘接劑和焊

膏的焊盤圖形上，然后干脆貼裝到未鉆安