大功率白光LED封装设计与研究进展
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Abstract : Innovative designs , material s and st ruct ures of packaging have led to dramatic imp rovement s of t he performances in L ED technology. The rapid p rogresses in packaging design and research of high2power white light emit ting diodes ( L EDs ) have been overviewed. The packaging design of L ED has been summarized in t he view of op tics , t hermology , elect rics , mechanics and reliabilit y , and t he packaging material and p rocesses have been int roduced in detail . It is p ropo sed t hat packaging and chip of L ED sho uld be co2designed , and t he effect of optical , t hermal , elect rical and mechanical sho uld be co nsidered at t he same time. Alt ho ugh it is important to choo se packaging material s ( such as t hermal sp reading subst rate , p ho sp hor s and silico ne) , t he interface t hermal resistance and t hermal st ress resulting f ro m packaging p rocesses have greater effect o n t he lumino us efficiency and reliabilit y of packaged L ED.
常用荧光粉尺寸在 1μm 以上 ,折射率大于或等 于 1. 85 ,而硅胶的折射率一般在 1. 5 左右 。由于两 者间折射率的不匹配 ,以及荧光粉颗粒尺寸远大于 光散射极限 (30 nm) ,因而在荧光粉颗粒表面存在 光散射 ,降低了出光效率 。通过在硅胶中掺入纳米 荧光粉 ,可使折射率提高到 1. 8 以上 ,降低光散射 ,
C H EN Ming2xiang1 ,2 , L U O Xiao2bing2 , MA Ze2tao1 , L IU Sheng1 ,2
( 1. Institute of Microsystems , Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074 , CHN; 2. Division of MOEMS , Wuhan National Lab. for Optoelectronics , Wuhan 430074 , CHN)
《半导体光电》2006 年 12 月第 27 卷第 6 期
动态综述
陈明祥 等 : 大功率白光 L ED 封装设计与研究进展
大功率白光 L ED 封装设计与研究进展
陈明祥1 , 2 , 罗小兵2 , 马泽涛1 , 刘 胜1 , 2
( 1. 华中科技大学 微系统研究中心 , 湖北 武汉 430074 ; 2. 武汉光电国家实验室微光机电系统部 , 湖北 武汉 430074)
收稿日期 :2006 - 08 - 26.
基金项目 : 湖 北 省 2005 年 科 技 攻 关 计 划 招 标 项 目
(2006AA103A04) .
光ห้องสมุดไป่ตู้片和电路间的电气和机械接触 ,并保护发光芯 片不受机械 、热 、潮湿及其他外部影响 。此外 ,L ED 的光学特性也必须通过封装来实现 。
L ED 封装方法 、材料和工艺的选择主要由芯片 结构 、电气/ 机械特性 、具体应用和成本等因素决定 。 经过 40 多年的发展 ,L ED 封装先后经历了支架式 (Lead L ED) 、贴片式 ( SMD L ED) 和功 率型 L ED ( Power L ED) 等发展阶段 。随着芯片功率的增大 , 特别是白光照明发展的需求 ,对 L ED 封装的光学 、 热学 、电学和机械结构等提出了新的要求 ,传统的小
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
《半导体光电》2006 年 12 月第 27 卷第 6 期
提高 L ED 出光效率 (10 %～20 %) ,并能有效改善光 色质量[5 ] 。
Dec. 2006
功率 L ED 封装结构和工艺难以满足要求 。为有效 降低封装热阻 ,提高发光效率 ,必须采用全新的设计 思路 。基于我们前期的研究工作和理解 ,本文对大 功率白光 L ED 封装设计与研究进行了介绍 。
2 封装设计
大功率 L ED 封装设计主要涉及光 、热 、电和机 械 (结构) 等方面 ,如图 1 所示 。这些因素彼此相互 独立 ,又相互影响 。其中 ,光是 L ED 封装的目的 ,热 是关键 ,电和机械是手段 ,而性能是具体体现 。从工 艺兼容性及降低生产成本而言 ,L ED 封装设计应与 芯片设计同时进行 ,即芯片设计时就应该考虑到封 装结构和工艺 。否则 ,等芯片制造完成后 ,可能由于 封装的需要对芯片结构进行调整 ,从而延长了产品 研发周期和工艺成本 ,有时甚至不可能 。如采用低 温焊料封装 L ED 倒装芯片过程中 ,需要在硅衬底下 表面镀一层金属膜 (如金) ,该工艺一般在划片前的 圆片上进行 ,否则等到芯片切割后 ,根本无法进行金 属的沉积 。
传统的荧光粉涂覆方式是将荧光粉与灌封胶混 合 ,然后点涂在芯片上 ,如图 2 (a) 。由于无法对荧 光粉的涂覆厚度和形状进行精确控制 ,导致出射光 色彩不一致 ,出现偏蓝光或者偏黄光 。而基于喷涂 工艺的保形涂层技术可实现荧光粉的均匀涂覆 ,保 障了光色的均匀性[6] , 如图 2 ( b) 所示 。但研究表 明 ,当荧光粉直接涂覆在芯片表面时 ,由于光散射的 存在 , 出光效率较低 。有鉴于此 , 美国 Rensselaer 研究所提出了一种光子散射萃取工艺 ( SP E) ,通过 在芯片表面布置一个聚焦透镜 ,并将含荧光粉的玻 璃片置于距芯片一定位置 ,不仅提高了器件可靠性 , 而且大 大 提 高 了 光 效 ( 60 %) 。基 于 SP E 技 术 的 L ED 封装结构如图 2 (c) 所示[7] 。
在 L ED 使用过程中 ,辐射复合产生的光子在向 外发射时产生的损失 ,主要包括三个方面 :芯片内部 结构缺陷以及材料的吸收 ;光子在出射界面由于折 射率差引起的反射损失 ;以及由于入射角大于全反 射临界角而引起的全反射损失 。因此 ,很多光线无 法从芯片中出射到外部 。通过在芯片表面涂覆一层 折射率相对较高的透明胶层 (灌封胶) ,由于该胶层 处于芯片和空气之间 ,从而能有效减少光子在界面
Key words : solid state lighting ; high2power L ED ; white L ED ; packaging
1 引言
发光二极管 (L ED) 制造流程一般分为前道工序 (芯片制作) 和后道工序 (封装) 。其中 ,L ED 封装 , 特别是大功率白光 L ED 封装由于结构和工艺复杂 , 并直接影响到 L ED 的使用性能和寿命 ,一直是近年 来的研究热点[1 ,2] 。L ED 封装的主要目的是确保发
关键词 : 固态照明 ; 大功率 L ED ; 白光 L ED ; 封装 中图分类号 : TN305. 94 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 5868 (2006) 06 - 0653 - 06
Advances in Packaging Design and Research on High2po wer White L ED
L ED 封装荧光粉的作用在于光色复合 ,形成白 光 。其特性主要包括粒度 、形状 、发光效率 、转换效 率 、稳定性 (热和化学) 等 ,其中 ,发光效率和转换效 率是关键 。荧光粉的选择必须满足两个条件 :一是 互补性 ,即荧光粉材料本身的发射光谱 ,必须能与芯 片的发射光谱混合成白光 。荧光粉发光特性直接影 响 L ED 的色温和显色指数 ,通过调节荧光粉含量和 涂层厚度 ,色温可在 5 000～20 000 K 变化 ,而荧光 粉浓度增加会降低发光效率 ,且随着荧光粉涂层厚 度加大 ,蓝色发光峰下降 ,黄光增加 ,色温降低 ;另一 个是匹配性 。由于荧光粉的转换效率与波长有关 , 因此 ,荧光粉的激发波长必须与所用芯片的发射波 长相匹配 ,这样才能获得较高的光转换效率 (一般要 求荧光粉转换效率大于 95 % ,10 万小时后光转换效 率衰减小于 15 %) 。此外 ,有研究表明 ,温度对荧光 粉的性能影响很大 。随着温度上升 ,荧光粉量子效 率降低 ,出光减少 ,辐射波长也会发生变化 ,从而引 起白光 L ED 色温 、色度的变化 ,较高的温度还会加 速荧光粉的老化 。其原因在于荧光粉涂层是由环氧 或硅胶与荧光粉调配而成 ,散热性能较差 ,当受到紫 光或紫外光的辐射时 ,易老化 ,使发光效率降低 。
摘 要 : 封装设计 、材料和结构的不断创新使发光二极管 (L ED) 性能不断提高 。从光学 、热 学 、电学 、机械 、可靠性等方面 ,详细评述了大功率白光 L ED 封装的设计和研究进展 ,并对封装材料 和工艺进行了具体介绍 。提出 L ED 的封装设计应与芯片设计同时进行 ,并且需要对光 、热 、电 、结 构等性能统一考虑 。在封装过程中 ,虽然材料 (散热基板 、荧光粉 、灌封胶) 选择很重要 ,但封装工艺 (界面热阻 、封装应力) 对 L ED 光效和可靠性影响也很大 。
图 1 大功率白光 L ED 封装设计框图
2. 1 光学设计 L ED 封装的光学设计包括内光学和外光学设
计 。内光学设计是指灌封胶和荧光粉设计 ,用以提 高光通量 、光效和光色 。由于光通量与光效有关 ,而 光效则取决于内量子效率以及荧光粉转换效率等 , 因此 ,内光学设计的关键在于灌封胶和荧光粉的选 择与应用 。
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的损失 ,提高了取光效率 。此外 ,L ED 灌封胶的作 用还包括对芯片进行机械保护 ,应力释放 ,并作为一 种光导结构 。因此 ,要求其透光率高 ,折射率高 ,热 稳定性好 ,流动性好 ,易于喷涂 。为提高 L ED 封装 的可靠性 ,还要求灌封胶具有低吸湿性 、低应力 、耐 温环保等特性 。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和 硅胶 。其中 ,硅胶由于具有透光率高 (可见光范围内 透光率大于 99 %) ,折射率高 (1. 4～1. 5) ,热稳定性 好 (能耐受 200 ℃高温) ,应力低 (杨氏模量低) ,吸湿 性低 (小于 0. 2 %) 等特点 ,明显优于环氧树脂 ,在大 功率 L ED 封装中得到广泛应用[3] 。研究表明 ,提高 硅胶折射率可减少折射率物理屏障带来的光子损 失 ,提高外量子效率 ,但硅胶性能受环境温度影响较 大 。随着温度升高 ,硅胶内部的热应力加大 ,导致硅 胶的折 射 率 降 低 , 从 而 影 响 L ED 光 效 和 光 强 分 布[4] 。
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SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 27 No. 6
常用荧光粉尺寸在 1μm 以上 ,折射率大于或等 于 1. 85 ,而硅胶的折射率一般在 1. 5 左右 。由于两 者间折射率的不匹配 ,以及荧光粉颗粒尺寸远大于 光散射极限 (30 nm) ,因而在荧光粉颗粒表面存在 光散射 ,降低了出光效率 。通过在硅胶中掺入纳米 荧光粉 ,可使折射率提高到 1. 8 以上 ,降低光散射 ,
C H EN Ming2xiang1 ,2 , L U O Xiao2bing2 , MA Ze2tao1 , L IU Sheng1 ,2
( 1. Institute of Microsystems , Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074 , CHN; 2. Division of MOEMS , Wuhan National Lab. for Optoelectronics , Wuhan 430074 , CHN)
《半导体光电》2006 年 12 月第 27 卷第 6 期
动态综述
陈明祥 等 : 大功率白光 L ED 封装设计与研究进展
大功率白光 L ED 封装设计与研究进展
陈明祥1 , 2 , 罗小兵2 , 马泽涛1 , 刘 胜1 , 2
( 1. 华中科技大学 微系统研究中心 , 湖北 武汉 430074 ; 2. 武汉光电国家实验室微光机电系统部 , 湖北 武汉 430074)
收稿日期 :2006 - 08 - 26.
基金项目 : 湖 北 省 2005 年 科 技 攻 关 计 划 招 标 项 目
(2006AA103A04) .
光ห้องสมุดไป่ตู้片和电路间的电气和机械接触 ,并保护发光芯 片不受机械 、热 、潮湿及其他外部影响 。此外 ,L ED 的光学特性也必须通过封装来实现 。
L ED 封装方法 、材料和工艺的选择主要由芯片 结构 、电气/ 机械特性 、具体应用和成本等因素决定 。 经过 40 多年的发展 ,L ED 封装先后经历了支架式 (Lead L ED) 、贴片式 ( SMD L ED) 和功 率型 L ED ( Power L ED) 等发展阶段 。随着芯片功率的增大 , 特别是白光照明发展的需求 ,对 L ED 封装的光学 、 热学 、电学和机械结构等提出了新的要求 ,传统的小
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
《半导体光电》2006 年 12 月第 27 卷第 6 期
提高 L ED 出光效率 (10 %～20 %) ,并能有效改善光 色质量[5 ] 。
Dec. 2006
功率 L ED 封装结构和工艺难以满足要求 。为有效 降低封装热阻 ,提高发光效率 ,必须采用全新的设计 思路 。基于我们前期的研究工作和理解 ,本文对大 功率白光 L ED 封装设计与研究进行了介绍 。
2 封装设计
大功率 L ED 封装设计主要涉及光 、热 、电和机 械 (结构) 等方面 ,如图 1 所示 。这些因素彼此相互 独立 ,又相互影响 。其中 ,光是 L ED 封装的目的 ,热 是关键 ,电和机械是手段 ,而性能是具体体现 。从工 艺兼容性及降低生产成本而言 ,L ED 封装设计应与 芯片设计同时进行 ,即芯片设计时就应该考虑到封 装结构和工艺 。否则 ,等芯片制造完成后 ,可能由于 封装的需要对芯片结构进行调整 ,从而延长了产品 研发周期和工艺成本 ,有时甚至不可能 。如采用低 温焊料封装 L ED 倒装芯片过程中 ,需要在硅衬底下 表面镀一层金属膜 (如金) ,该工艺一般在划片前的 圆片上进行 ,否则等到芯片切割后 ,根本无法进行金 属的沉积 。
传统的荧光粉涂覆方式是将荧光粉与灌封胶混 合 ,然后点涂在芯片上 ,如图 2 (a) 。由于无法对荧 光粉的涂覆厚度和形状进行精确控制 ,导致出射光 色彩不一致 ,出现偏蓝光或者偏黄光 。而基于喷涂 工艺的保形涂层技术可实现荧光粉的均匀涂覆 ,保 障了光色的均匀性[6] , 如图 2 ( b) 所示 。但研究表 明 ,当荧光粉直接涂覆在芯片表面时 ,由于光散射的 存在 , 出光效率较低 。有鉴于此 , 美国 Rensselaer 研究所提出了一种光子散射萃取工艺 ( SP E) ,通过 在芯片表面布置一个聚焦透镜 ,并将含荧光粉的玻 璃片置于距芯片一定位置 ,不仅提高了器件可靠性 , 而且大 大 提 高 了 光 效 ( 60 %) 。基 于 SP E 技 术 的 L ED 封装结构如图 2 (c) 所示[7] 。
在 L ED 使用过程中 ,辐射复合产生的光子在向 外发射时产生的损失 ,主要包括三个方面 :芯片内部 结构缺陷以及材料的吸收 ;光子在出射界面由于折 射率差引起的反射损失 ;以及由于入射角大于全反 射临界角而引起的全反射损失 。因此 ,很多光线无 法从芯片中出射到外部 。通过在芯片表面涂覆一层 折射率相对较高的透明胶层 (灌封胶) ,由于该胶层 处于芯片和空气之间 ,从而能有效减少光子在界面
Key words : solid state lighting ; high2power L ED ; white L ED ; packaging
1 引言
发光二极管 (L ED) 制造流程一般分为前道工序 (芯片制作) 和后道工序 (封装) 。其中 ,L ED 封装 , 特别是大功率白光 L ED 封装由于结构和工艺复杂 , 并直接影响到 L ED 的使用性能和寿命 ,一直是近年 来的研究热点[1 ,2] 。L ED 封装的主要目的是确保发
关键词 : 固态照明 ; 大功率 L ED ; 白光 L ED ; 封装 中图分类号 : TN305. 94 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 5868 (2006) 06 - 0653 - 06
Advances in Packaging Design and Research on High2po wer White L ED
L ED 封装荧光粉的作用在于光色复合 ,形成白 光 。其特性主要包括粒度 、形状 、发光效率 、转换效 率 、稳定性 (热和化学) 等 ,其中 ,发光效率和转换效 率是关键 。荧光粉的选择必须满足两个条件 :一是 互补性 ,即荧光粉材料本身的发射光谱 ,必须能与芯 片的发射光谱混合成白光 。荧光粉发光特性直接影 响 L ED 的色温和显色指数 ,通过调节荧光粉含量和 涂层厚度 ,色温可在 5 000～20 000 K 变化 ,而荧光 粉浓度增加会降低发光效率 ,且随着荧光粉涂层厚 度加大 ,蓝色发光峰下降 ,黄光增加 ,色温降低 ;另一 个是匹配性 。由于荧光粉的转换效率与波长有关 , 因此 ,荧光粉的激发波长必须与所用芯片的发射波 长相匹配 ,这样才能获得较高的光转换效率 (一般要 求荧光粉转换效率大于 95 % ,10 万小时后光转换效 率衰减小于 15 %) 。此外 ,有研究表明 ,温度对荧光 粉的性能影响很大 。随着温度上升 ,荧光粉量子效 率降低 ,出光减少 ,辐射波长也会发生变化 ,从而引 起白光 L ED 色温 、色度的变化 ,较高的温度还会加 速荧光粉的老化 。其原因在于荧光粉涂层是由环氧 或硅胶与荧光粉调配而成 ,散热性能较差 ,当受到紫 光或紫外光的辐射时 ,易老化 ,使发光效率降低 。
摘 要 : 封装设计 、材料和结构的不断创新使发光二极管 (L ED) 性能不断提高 。从光学 、热 学 、电学 、机械 、可靠性等方面 ,详细评述了大功率白光 L ED 封装的设计和研究进展 ,并对封装材料 和工艺进行了具体介绍 。提出 L ED 的封装设计应与芯片设计同时进行 ,并且需要对光 、热 、电 、结 构等性能统一考虑 。在封装过程中 ,虽然材料 (散热基板 、荧光粉 、灌封胶) 选择很重要 ,但封装工艺 (界面热阻 、封装应力) 对 L ED 光效和可靠性影响也很大 。
图 1 大功率白光 L ED 封装设计框图
2. 1 光学设计 L ED 封装的光学设计包括内光学和外光学设
计 。内光学设计是指灌封胶和荧光粉设计 ,用以提 高光通量 、光效和光色 。由于光通量与光效有关 ,而 光效则取决于内量子效率以及荧光粉转换效率等 , 因此 ,内光学设计的关键在于灌封胶和荧光粉的选 择与应用 。
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的损失 ,提高了取光效率 。此外 ,L ED 灌封胶的作 用还包括对芯片进行机械保护 ,应力释放 ,并作为一 种光导结构 。因此 ,要求其透光率高 ,折射率高 ,热 稳定性好 ,流动性好 ,易于喷涂 。为提高 L ED 封装 的可靠性 ,还要求灌封胶具有低吸湿性 、低应力 、耐 温环保等特性 。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和 硅胶 。其中 ,硅胶由于具有透光率高 (可见光范围内 透光率大于 99 %) ,折射率高 (1. 4～1. 5) ,热稳定性 好 (能耐受 200 ℃高温) ,应力低 (杨氏模量低) ,吸湿 性低 (小于 0. 2 %) 等特点 ,明显优于环氧树脂 ,在大 功率 L ED 封装中得到广泛应用[3] 。研究表明 ,提高 硅胶折射率可减少折射率物理屏障带来的光子损 失 ,提高外量子效率 ,但硅胶性能受环境温度影响较 大 。随着温度升高 ,硅胶内部的热应力加大 ,导致硅 胶的折 射 率 降 低 , 从 而 影 响 L ED 光 效 和 光 强 分 布[4] 。
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