大功率白光LED封裝中的關(guān)鍵技術(shù).doc

大功率白光LED封裝中的關(guān)鍵技術(shù)苑曉珊西安電子科技大學(xué)，西安，710071摘要：發(fā)光二極管(LED)是一類可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光和熱等輻射能的發(fā)光器件。具有一系列優(yōu)異特性，被認(rèn)為是最有可能進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的一種“綠色照明光源”。目前市場上功率型LED還遠(yuǎn)達(dá)不到家庭日常照明的要求。封裝技術(shù)是決定LED進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章對LED芯片的最新研究成果以及封裝的作用做了簡單介紹，重點(diǎn)論述了封裝的關(guān)鍵技術(shù)。最后指出了未來LED封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢及面臨的挑戰(zhàn)。關(guān)鍵詞：LED；封裝；封裝關(guān)鍵技術(shù)Packaging Technical Keys of High-power White LEDXiaoshan Yuan Xian Electronics Science and Technology University,Xian,710071,ChinaAbstract：Packaging technique is the key for LED entering the general illuminationLatest research production about LED chips and packaging functions are introduced，technical keys of packaging are discussed，the future trends and challenges of LED packaging technology are presented in the endKey words：LED；packaging；technical keys of packaging引言：發(fā)光二極管（LED）是一類可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光和熱等輻射能的發(fā)光器件，既有壽命長、體積小、發(fā)光效率高、響應(yīng)時(shí)間短、光色純、結(jié)構(gòu)牢固、性能穩(wěn)定、可靠性高、節(jié)能環(huán)保等一系列優(yōu)異特性，被認(rèn)定是最有可能進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的一種“綠色照明光源”。目前市場上功率型LED的最高照明效率還遠(yuǎn)達(dá)不到家庭日常照明的要求。為了提高功率型LED發(fā)光效率，一方面發(fā)光芯片的效率有待提高；另一方面，功率型LED的封裝技術(shù)也需要進(jìn)一步提高。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料及工藝技術(shù)等多方面入手提高產(chǎn)品的封裝取光效率。大功率LED封裝由于結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，并直接影響到LED的使用性能和壽命，一直是近年來的研究熱點(diǎn)，特別是大功率白光LED封裝更是研究熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)。LED封裝的功能主要包括：1.機(jī)械保護(hù)，以提高可靠性；2.加強(qiáng)散熱，以降低芯片結(jié)溫，提高LED性能；3.光學(xué)控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布；4.供電管理，包括交流/直流轉(zhuǎn)變，以及電源控制等。LED封裝方法、材料、結(jié)構(gòu)和工藝的選擇主要由芯片結(jié)構(gòu)、光電/機(jī)械特性、具體應(yīng)用和成本等因素決定。經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED封裝先后經(jīng)歷了支架式(Lamp LED)、貼片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等發(fā)展階段。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。面對巨大的市場機(jī)會(huì)，世界各大公司加大了對芯片及其封裝技術(shù)的研發(fā)力度，以期解決兩個(gè)技術(shù)關(guān)鍵：如何提高發(fā)光效率和提高器件總的光通量。為此對LED封裝的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等提出了新的、更高的要求。為了有效地降低封裝熱阻，提高出光效率，必須采用全新的技術(shù)思路來進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)。而加速大功率LED產(chǎn)品用于普通照明進(jìn)程更是產(chǎn)業(yè)界發(fā)展的主流方向。1 LED芯片1.1 LED芯片基礎(chǔ)知識發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，簡稱LED）是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件。這種電子元件早在1962年出現(xiàn)，早期只能發(fā)出低光度的紅光，之后發(fā)展出其他單色光的版本，時(shí)至今日能發(fā)出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線，光度也提高到相當(dāng)?shù)墓舛?。而用途也由初時(shí)作為指示燈、顯示板等；隨著白光發(fā)光二極管的出現(xiàn)而續(xù)漸發(fā)展至被用作照明。LED只能往一個(gè)方向?qū)ǎㄍ姡?，叫作正向偏置（正向偏壓），?dāng)電流流過時(shí)，電子與空穴在其內(nèi)復(fù)合而發(fā)出單色光，這叫電致發(fā)光效應(yīng)，而光線的波長、顏色跟其所采用的半導(dǎo)體材料種類與摻入的元素雜質(zhì)有關(guān)。具有效率高、壽命長、不易破損、開關(guān)速度高、高可靠性等傳統(tǒng)光源不及的優(yōu)點(diǎn)。白光LED的發(fā)光效率，在近幾年來已經(jīng)有明顯的提升，同時(shí)，在每千流明的購入價(jià)格上，也因?yàn)橥度胧袌龅膹S商相互競爭的影響，而明顯下降。雖然越來越多人使用LED照明作辦公室、家具、裝飾、招牌甚至路燈用途，但在技術(shù)上，LED在光電轉(zhuǎn)換效率(有效照度對用電量的比值)上仍然低于新型的熒光燈。1.2 大功率LED芯片大功率高亮度半導(dǎo)體照明芯片的開發(fā)是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)化工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，從芯片的演變歷程中發(fā)現(xiàn)，各大LED生產(chǎn)商在制造芯片技術(shù)上不斷改進(jìn)，如利用不同的電極設(shè)計(jì)控制電流密度、采用氧化銦錫(ITO)透明電極改變LED芯片的電流能分布均勻性等，使LED芯片在結(jié)構(gòu)上盡可能多產(chǎn)生光子；六邊形突起的藍(lán)寶石襯底可散射更多有源層發(fā)射光，有效提高LED取光效率；利用亞光表面增加光線的透出等等。LED芯片制造商不斷研發(fā)出新品，進(jìn)一步提高了芯片的發(fā)光效率。臺(tái)灣大功率LED封裝制造商艾迪森(Edison Opto)公司的Edixeon大功率KLC8系列整合了艾迪森最先進(jìn)的封裝技術(shù)。在lA驅(qū)動(dòng)電流下光通量為250lm。350mA下光效為100lm。且壽命超過5萬小時(shí)。Cree公司推出了基于EZBright 1000芯片的1601m白光大功率LED。日本LED芯片制造商日亞(Nichia)采用MOCVD法制備出的芯片光通量達(dá)106lm(350mA)，與30w白熾燈的總光通量相當(dāng)。首爾半導(dǎo)體單芯片白光LED在350mA下典型光效為100lm。LED芯片供應(yīng)商普瑞斯光電推出BSV系列側(cè)面出光LED芯片，封裝后的白光LED的典型光強(qiáng)值為l500mcd，其領(lǐng)先的性能和成本效率為背光照明側(cè)面出光法帶來了新氣象。2 LED芯片的封裝LED封裝是采用金線將LED發(fā)光芯片電極引出，同時(shí)采用多種材料將發(fā)光芯片和金線保護(hù)起來，同時(shí)完成輸出電信號，保護(hù)管芯正常工作，輸出可見光功能的過程。2.1 LED芯片封裝成發(fā)光二極管的形式LED芯片的封裝形式很多，針對不同使用要求和不同的光電特性要求，有各種不同的封裝形式，歸納起來有如下幾種常見的形式：（1）軟封裝芯片直接粘結(jié)在特定的PCB印制板上，通過焊接線連接成特定的字符或陳列形式，并將LED芯片和焊線用透明樹脂保護(hù)，組裝在特定的外殼中。這種欽封裝常用于數(shù)碼顯示、字符顯示或點(diǎn)陳顯示的產(chǎn)品中。（2）引腳式封裝常見的有將LED芯片固定在2000系列引線框架上，焊好電極引線后，用環(huán)氧樹脂包封成一定的透明形狀，成為單個(gè)LED器件。這種引腳或封裝按外型尺寸的不同可以分成3、5直徑的封裝。這類封裝的特點(diǎn)是控制芯片到出光面的距離，可以獲得各種不同的出光角度：15、30、45、60、90、120等，也可以獲得側(cè)發(fā)光的要求，比較易于自動(dòng)化生產(chǎn)。（3）微型封裝即貼片封裝將LED芯片粘結(jié)在微小型的引線框架上，焊好電極引線后，經(jīng)注塑成型，出光面一般用環(huán)氧樹脂包封。（4）雙列直插式封裝用類似IC封裝的銅質(zhì)引線框架固定芯片，并焊接電極引線后用透明環(huán)氧包封，常見的有各種不同底腔的“食人魚”式封裝和超級食人魚式封裝，這種封裝芯片熱散失較好，熱阻低，LED的輸入功率可達(dá)0.1W0.5W大于引腳式器件，但成本較高。（5）功率型封裝功率LED的封裝形式也很多，它的特點(diǎn)是粘結(jié)芯片的底腔較大，且具有鏡面反射能力，導(dǎo)熱系數(shù)要高，并且有足夠低的熱阻，以使芯片中的熱量被快速地引到器件外，使芯片與環(huán)境溫度保持較低的溫差。LED封裝相比集成電路封裝有較大不同。LED的封裝不僅要求能夠保護(hù)燈芯，而且還要能夠透光。所以LED的封裝對封裝材料有特殊的要求。當(dāng)前，LED芯片和封裝不再沿襲傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念與制造生產(chǎn)模式，在增加芯片的光輸出方面，研發(fā)不僅僅限于改變材料內(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)，增強(qiáng)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。 圖2-1當(dāng)今主流的功率型SMD-LED的封裝流程圖2.2 LED封裝的工藝流程 芯片檢驗(yàn)擴(kuò)片點(diǎn)膠備膠手工刺片自動(dòng)裝架燒結(jié)壓焊點(diǎn)膠封裝灌膠封裝模壓封裝固化與后固化切筋和劃片測試包裝2.3 LED封裝的作用LED封裝結(jié)構(gòu)和工藝均較復(fù)雜，并直接影響到LED的使用性能和壽命，近年來一直是研究的熱點(diǎn)，特別是大功率白光LED封裝。LED封裝的主要目的是為了確保發(fā)光芯片和電路間的電氣和機(jī)械接觸，并保護(hù)發(fā)光芯片不受機(jī)械、熱、潮濕及其他外部因素的影響，同時(shí)，LED的光學(xué)應(yīng)用特性也必須通過封裝來實(shí)現(xiàn)。封裝工藝過程可能對MEMS器件的性能造成極大的影響，這種影響因素很多，也很復(fù)雜。機(jī)械的影響有應(yīng)力、振動(dòng)和沖擊；化學(xué)的影響有氣體、濕度和腐蝕；物理的影響有溫度、壓力和加速度。在設(shè)計(jì)MEMS器件時(shí)必須對這些因素進(jìn)行認(rèn)真的分析和研究，以便將這些因素的影響減到最小。目前，很多功率型LED的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到lmA甚至1A級，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，新的LED封裝設(shè)計(jì)理念是要采用低熱阻封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)。例如，采用增大芯片面積，采用倒裝芯片結(jié)構(gòu)、選用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的基板材料、芯片凸點(diǎn)的硅載體直接裝在熱沉上、采用強(qiáng)制冷卻的方法將產(chǎn)生的熱量盡快地導(dǎo)出等。2.4 功率型封裝LED封裝形式、材料和工藝的選擇主要由LED芯片的結(jié)構(gòu)、電氣，機(jī)械特性、應(yīng)用和成本等因素決定。經(jīng)過40多年的發(fā)展，LED封裝先后經(jīng)歷了引腳式(Lead LED)、貼片式(SMD LED)、功率型LED(Power LED)等發(fā)展階段。引腳式封裝一般只適用于功率較小的指示用LED中，隨著單顆LED芯片功率的增大，特別是白光照明發(fā)展的需求，對LED封裝的光學(xué)性能、熱性能、電性能和機(jī)械結(jié)構(gòu)等提出了新的要求，傳統(tǒng)的小功率LED封裝結(jié)構(gòu)和工藝難以滿足要求，必須采用新的封裝材料、結(jié)構(gòu)和工藝。5W系列功率型LED從2003年初開始供貨，10w功率的uD芯片已開發(fā)出，管芯尺寸為2.5mm2.5mm，可在5A電流下工作，光輸出達(dá)200lm。功率型封裝的特點(diǎn)是粘結(jié)芯片的底腔較大且具有鏡面反射能力，導(dǎo)熱系數(shù)高，熱阻小，芯片中的熱量能被快速地傳到器件外。Lumileds公司大功率LED封裝采用低熱阻、高可靠性、被稱為Luxeon的封裝結(jié)構(gòu)。該封裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用散熱加電分離，將AlGalnN功率型LED芯片倒裝在具有凸點(diǎn)的硅載體上，然后再把硅載體裝入帶熱沉的管座中。鍵合引線并完成后續(xù)封裝。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，提高了器件的取光效率并改善了發(fā)熱?？稍谳^大的電流密度下穩(wěn)定可靠地工作，比普通LED熱阻低得多。2.5 封裝關(guān)鍵技術(shù)隨著大功率LED的發(fā)展，輸入功率和發(fā)光亮度均在大幅度提高功率型LED封裝時(shí)，散熱提出了更高的要求，新的芯片焊接工藝隨之發(fā)展起來。如芯片共晶焊和倒裝焊技術(shù)。這樣可提高LED封裝取光效率，改善芯片的熱特性，并通過先進(jìn)的底板材料增加傳熱特性，從而保證器件的可靠性。2.5.1 倒裝焊技術(shù)倒裝焊技術(shù)是通過芯片上的凸點(diǎn)直接將芯片焊點(diǎn)用焊料或者導(dǎo)電膠互連到基板上的一種工藝“倒裝”是相對于引線鍵合芯片面朝上而言?；竟に囘^程是先在基板和芯片上制作焊料凸點(diǎn)然后使用貼片設(shè)備進(jìn)行對準(zhǔn)、貼片和回流焊接，最后進(jìn)行填充和固化。其工藝關(guān)鍵是基板和芯片凸點(diǎn)焊料的選擇以及凸點(diǎn)設(shè)計(jì)和制作。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、使用壽命等。在LED封裝中引入了熱沉、光學(xué)透鏡、柔性透明硅膠等新型材料和結(jié)構(gòu)(如圖2-2所示)實(shí)行LED芯片散熱、加熱結(jié)構(gòu)，這樣可以大大提高器件的散熱特性和出光效率，保證器件工作時(shí)的可靠性。實(shí)現(xiàn)封裝的小型化、輕便化，可縮小封裝后器件的體積和重量。2.5.2 共晶焊技術(shù)用共晶焊技術(shù)將LED芯片焊接于散熱基板或熱沉上，然后再將LED芯片連同散熱基板或熱沉焊接于封裝器件上，這樣可以增強(qiáng)器件散熱能力。常用的散熱基板材料有硅、銅、陶瓷等，鋁基覆銅板是新開發(fā)出的散熱優(yōu)良的基板材料。共晶焊接的技術(shù)關(guān)鍵是共晶材料的選擇和焊接溫度的控制。InGaN LED如采用共晶焊接，芯片底表面可用純錫或金錫合金做接觸層，這樣芯片即可焊接于鍍有金或 圖2-2 LED倒裝焊結(jié)構(gòu)示意圖銀的基板上。當(dāng)基板加熱到合適的共晶溫度時(shí)金或銀元素滲透到純錫或金錫合金層，合金層成分比的改變，熔點(diǎn)也發(fā)生變化令共晶層固化并將LED芯片焊于熱沉或基板上。共晶溫度由芯片底表金屬材料的耐熱程度而定。Cree公司的XB功率型LED芯片系列。它融合了Cree公司高效率的InGaN材料和獨(dú)有的碳化硅襯底。采用幾何學(xué)增強(qiáng)和倒置電極結(jié)構(gòu)以保證最大化出光效率，僅需單電極連接，芯片背面連接金屬是Au80Sn20(wt)，芯片連接采用共晶焊技術(shù)，熔解溫度約為282。2.5.3 散熱技術(shù)根據(jù)Haitz定律的推論，高亮度LED的封裝熱流密度每隔1824個(gè)月就會(huì)增加l倍，這種趨勢在過去已經(jīng)持續(xù)了30年。熱流增加的原因包括芯片外延技術(shù)的進(jìn)步，新的封裝設(shè)計(jì)以及更高的驅(qū)動(dòng)電流。2006年6月日亞化學(xué)工業(yè)已經(jīng)開始提供可達(dá)100lm白光LED的樣品，一個(gè)0.9mm高亮度LED芯片的熱流密度已經(jīng)達(dá)到125。目前LED封裝的研究熱點(diǎn)集中在芯片級的熱管理，以其解決LED工作時(shí)的散熱問題。固態(tài)照明器件的發(fā)光效率和可靠性依賴于成功的熱管理。對于一個(gè)40 lm的白光LED來說，通常有15的能量轉(zhuǎn)化為可見光其余的85全部轉(zhuǎn)化為熱。因此封裝的散熱、熱應(yīng)力和成本成為影響其性能和應(yīng)用的主要問題。溫升效應(yīng)對LED器件的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。溫升使LED光轉(zhuǎn)化效率變低，正向壓降變大，光波紅移，色溫改變，壽命縮短，可靠性降低。因此。溫度是影響白光LED性能，特別是壽命和光效的最主要的因素之一，大功率LED的熱管理對其長期的可靠性起著關(guān)鍵的作用。必須尋找導(dǎo)熱性能優(yōu)良的封裝材料，在結(jié)構(gòu)和材料等方面對器件的熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。顯然，減小LED溫升效應(yīng)的主要方法有兩條途徑，一是設(shè)法提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率；另一個(gè)是設(shè)法提高器件的散熱能力，使結(jié)溫產(chǎn)生的熱通過各種途徑散發(fā)到周圍環(huán)境中去。為了降低熱阻，首先封裝材料的選擇顯得尤為重要，包括熱沉、粘結(jié)膠等，各材料的熱阻要低，即要求導(dǎo)熱性能良好。其次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理，各材料間的導(dǎo)熱性能連續(xù)匹配，材料之間的導(dǎo)熱連接良好，避免在導(dǎo)熱通道中產(chǎn)生散熱瓶頸，確保熱量從內(nèi)到外層層散發(fā)。同時(shí)，要從工藝上確保熱量按照預(yù)先設(shè)計(jì)的散熱通道及時(shí)地散發(fā)出去2.5.4 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封裝必須解決的關(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）與工藝、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收芯片產(chǎn)生的熱量，并傳導(dǎo)到熱沉上，實(shí)現(xiàn)與外界的熱交換。常用的散熱基板材料包括硅、金屬（如鋁，銅）、陶瓷（如Al2O3，AlN，SiC）和復(fù)合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用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；Lamina Ceramics公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖2-3，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芯片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路及控制補(bǔ)償電路，不僅結(jié)構(gòu)簡單，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（AlN或Al2O3）和導(dǎo)電層（Cu）在高溫高壓下燒結(jié)而成，沒有使用黏結(jié)劑，因此導(dǎo)熱性能好、強(qiáng)度高、絕緣性強(qiáng)，如圖2-4所示。其中氮化鋁（AlN）的熱導(dǎo)率為160W/mk，熱膨脹系數(shù)為4.0106/（與硅的熱膨脹系數(shù)3.2106/相當(dāng)），從而降低了封裝熱應(yīng)力。研究表明，封裝界面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理界面，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)鍵在于減少界面和界面接觸熱阻，增強(qiáng)散熱。因此，芯片和散熱基板間的熱界面材料（TIM）選擇十分重要。LED封裝常用的TIM為導(dǎo)電膠和導(dǎo)熱膠，由于熱導(dǎo)率較低，一般為0.5-2.5W/mK，致使界面熱阻很高。而采用低溫或共晶焊料、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。圖2-3 低溫共燒陶瓷金屬基板圖2-4 覆銅陶瓷基板截面示意圖2.5.5 高取光率封裝結(jié)構(gòu)與工藝在LED使用過程中，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)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)缺陷以及材料的吸收；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明膠層(灌封膠)，由于該膠層處于芯片和空氣之間，從而有效減少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)械保護(hù)，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，流動(dòng)性好，易于噴涂。為提高LED封裝的可靠性，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。研究表明，提高硅膠折射率可有效減少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。隨著溫度升高，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、形狀、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。研究表明，隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低,出光減少，輻射波長也會(huì)發(fā)生變化，從而引起白光LED色溫、色度的變化，較高的溫度還會(huì)加速熒光粉的老化。原因在于熒光粉涂層是由環(huán)氧或硅膠與熒光粉調(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1um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（10-20），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與灌封膠混合，然后點(diǎn)涂在芯片上。由于無法對熒光粉的涂敷厚度和形狀進(jìn)行精確控制，導(dǎo)致出射光色彩不一致，出現(xiàn)偏藍(lán)光或者偏黃光。而Lumileds公司開發(fā)的保形涂層（Conformal coating）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熒光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性。但研究表明，當(dāng)熒光粉直接涂覆在芯片表面時(shí)，由于光散射的存在，出光效率較低。有鑒于此，美國Rensselaer 研究所提出了一種光子散射萃取工藝（Scattered Photon Extraction method，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一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60）。3 封裝趨勢與挑戰(zhàn)目前大功率型LED所使用的外延材料為MOCVD外延生長技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)的圓片雖然現(xiàn)在其內(nèi)量子效率并未達(dá)到最高，還有進(jìn)一步提高的空間。但是研究發(fā)現(xiàn)，獲得LED器件高光通量的最大障礙依舊是芯片的取光方式與高出光效率的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因此未來LED封裝技術(shù)將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展。3.1 無鉛化封裝迄今為止，業(yè)內(nèi)認(rèn)定的無鉛焊料在物理化學(xué)性能、工藝性能以及可靠性等諸多方面，還無法與傳統(tǒng)的鉛錫焊料相比，人們對LED封裝的無鉛化的應(yīng)用還處于探索和實(shí)驗(yàn)階段，還有相當(dāng)長的路要走，出于對環(huán)保的考慮，使用含鉛焊料的電子、電器產(chǎn)品將無法進(jìn)入市場，對于LED封裝業(yè)來說，無鉛化技術(shù)的應(yīng)用已是無法避免的。3.2 高集成化封裝要獲得大功率的LED器件并應(yīng)用于未來的照明場合，通常有兩種做法：一是直接采用大功率芯片，但受制于LED芯片技術(shù)發(fā)展，否則得到的光源亮度有限；二是采用多芯片集成封裝，將多個(gè)小功率芯片陣列集成于一個(gè)基板上，當(dāng)然這需要采用足夠低熱阻的封裝結(jié)構(gòu)。3.3標(biāo)準(zhǔn)模塊封裝MEMS封裝成本較高的一個(gè)重要原因是沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。為了克服這些缺點(diǎn)，德國Fraunhofer IZM提出了標(biāo)準(zhǔn)模塊(MOMEMS)封裝的概念。使用標(biāo)準(zhǔn)化的外部接口，適用于標(biāo)準(zhǔn)化的批量封裝生產(chǎn)，從而降低成本縮短進(jìn)入市場時(shí)間。因此，建立LED封裝技術(shù)的國家、企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以滿足標(biāo)準(zhǔn)模塊封裝要求也是未來的發(fā)展趨勢。4 致謝論文的順利完成，離不開包老師的悉心教導(dǎo)，離不開朋友們的互相幫助，在此感謝包老師和幫助過我的同學(xué)和朋友！參考文獻(xiàn)：1 Frank wallPauI SManinGerard HarbesHigh Power LED Package RequirementsJProccedings of SPIE，20035187：85-922 Jeff Y Tsao-state lighting：lamps,chips and materials for tomorrow JIEEE CircuitsDevices，2004，20(3)： 28373 關(guān)榮鋒，汪學(xué)方，等MEMS封裝技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)工藝研究J半導(dǎo)體技術(shù)，2005. l(30)：50-544 DarIiel AsteigerwaIdJcmme CBhat，Dave CollinsMu-mination With Solid State Lighting TechologyJ.IEEE Journal on Selected Topics in Qua