大功率LED封装工艺技术

大功率LED 封装工艺技术

【摘要】LED 是一种绿色照明光源，其核心是PN 结，原理是多数载流子与少数注入PN 结的载流子进行复合，从而产生光子。LED 封装是LED 的关键技术，主要负责管芯保护、可见光及电信号输出等工作。LED 管芯结构、材料质量、几何形状、成本、封装内部结构等直接影响着大功率LED 的稳定性、均匀性和发光效率。本文对LED 的封装形式、大功率LED 封装关键技术等问题作了详细的分析和系统的阐述。

【关键词】大功率LED ；封装工艺；技术研究

LED 工艺主要包括芯片设计、芯片封装。就目前来看，广大研究者一直致力于大功率LED 封装技术及其散热技术的研究，以求取得更好的研究成果。大功率LED 封装的工艺流程虽较为简单，但实际工艺操作却比较复杂，某个工艺流程不注意便会对LED 的使用寿命造成直接的影响。因而在进行大功率LED 封装时，应对诸多的影响因素（如电、光、热、机械等）进行充分考虑，以便满足设计要求。如电学方面应对大功率LED 的驱动电源设计等情况进行充分考虑；光学方面应对大功率LED 的光衰问题进行充分考虑；热学方面应对大功率LED 的散热问题进行充分考虑；机械方面应对LED

封装的形式等进行充分考虑。

1 LED 的封装形式

随着社会的发展和科技的进步，LED 的封装形式也在不断趋于完善，封装形式繁多，如引脚式LED 封装、系统封装式LED 封装、表面组装贴片式LED 封装、板上芯片直接式LED 封装等，具体作以下介绍：

1.1 引脚式LED 封装形式

引脚式LED 封装形式一般应用在小功率LED 封装当中，通常情况下见到的普通发光二极管大多采用引脚式LED 封装形式，应用比较普遍。引脚式LED 封装形式的散热问题比较好解决，主要是其热量由负极引脚架直接散发到PCB 板上，但该种封装形式在实际的使用当中仍存在一定的缺点和不足一一热阻较大，因而缩短了LED的使用寿命。

1.2 系统封装式LED 封装形式

系统封装式LED 封装形式的发展和应用时间相对较短，该种封装形式满足了系统小型化和系统便携式的诸多要求。系统封装式LED 封装形式较其他封装形式来说，成本较低，且具有较高的集成度，兼容性好，能够实现一个封装内多个LED 芯片的组装工作。

1.3 表面组装贴片式LED 封装

表面组装贴片式LED 封装亦是比较新型的一种LED 封装形式，该种封装技术的原理是在PCB 表面制定位置上贴、焊封装好的LED 器件。该种封装形式技术优势是具有较好的高频特性、较强的可

靠性、易于实现自动化等。表面组装贴片式LED 封装形式是目前应用最为广泛的一种贴片式封装技术。

1.4 板上芯片直装式LED 封装形式

板上芯片直装式LED 封装主要在大功率LED 阵列中应用，属于直接贴装，主要是通过在PCB 板上直接粘贴芯片，使用引线键合，并使用有机胶包装引线和芯片，以作为保护的一种封装技术，集成度较高。

在应用时，应根据实际需要，对封装形式进行合理选择，尤其注意大功率LED 的散热问题，以充分满足封装需要。

2 大功率LED 封装关键技术

2.1 光学设计技术

LED 用途的不同，对其显色性、色坐标、光强、色温以及光分

布空间等有着不同的要求。因而在实际应用过程中，为使器件取光效率获得显著提升，实现配光曲线、出光角度的优化设计，就需要合理对透镜、芯片反光杯进行光学设计。大功率LED 的LED 芯片通常在反射杯的基板、支架、热沉上安装，而反射杯一般选用镀Ag 或

Al 的镀高反射层，以提升反射效果。研究发现，倘若不能很好的处理模具精度，亦会对大功率LED 的出光效率产生重要影响，极易使得光线被吸收，因而无法满足设计的发光要求，从而造成大功率LED 封装后的发光效率较低。

2.2 封装结构设计、散热技术

在实际封装过程中，改善散热性能是封装结构设计的重点，其主

要包括封装材料的合理选择、芯片结构形式的合理设计、导热线路与导电线路相分离的结构设计等，如倒装芯片结构的选用、垂直结构芯片或减薄衬底芯片的选用、高导热性能银胶或共晶焊接的选用、增大金属支架表面积，合理选用工艺技术（如COB 技术）进行芯片封装等。散热技术是大功率LED 封装的关键技术，LED 的光电转换效率（约为20%-30% ）较小，而大部分输入的电能（约为70%-80% ）

转变成了热量，因而强化芯片的散热是封装技术的关键。一般情况下，小功率LED 的封装通常采用绝缘胶或银胶在反射杯里黏贴芯片的方式，而内外连接是通过金丝或铝丝焊接来实现的，封装热阻在150-250 C /W之间，驱动电流为20mA 左右，最后封装使用的材料是环氧树脂。而大功率LED 的常用的驱动电流为350mA、

700mA ，甚至达到1A ，通常采用的LED 封装工艺是直插式，但该种方式散热性能较差，极易造成芯片结温上升，加之蓝光的强烈照射，环氧树脂极易出现黄化，使器件的寿命缩短，甚至损坏。散热性能差而产生的热膨胀内应力会形成开路，影响灯具的正常使用。

2.3 合理选择灌封胶

灌封胶在LED 封装中的作用主要有：一是保护金线和芯片；

二是利用自身的光导作用，导出更多的光。在进行大功率LED 封装时，LED 芯片的光发射损失主要包括以下几部分：一是光学吸收；二是菲涅尔损失（光子在LED 芯片出射界面存在一定折射率差，从而产生反射损失）；三是全内反射损失。因而

灌封胶（硅胶、环氧树脂等）的涂抹能够减少界面上光子的损

失，使出光率获得有效提升。硅胶的优势是热稳定性能优良、

透光率高、应力小、吸湿性低、折射率大，其在诸多方面要明显由于环氧树脂，但使用成本较高。环氧树脂的优势是流动性好、黏度低、固化速度适中，固化后表面平整、无气泡、硬度

高，具有较好的防水、防潮、防尘性能，使用成本较低，目前是首选的LED 封装灌封胶。大功率LED 通常选用柔性较高的硅胶进行内部填充，该种胶体具有较强的耐高温性能，不易出现黄化和器件开路问题，亦可提高出光率，降低菲涅尔损失。

2.4 合理控制荧光粉涂敷量及均匀度荧光粉的选择以及工艺与大功率LED 的发光质量和效率有着直接的联系。选择荧光粉时应考虑以下几点：激发效率、颗粒大小与均匀度、芯片波长与激发波长的匹配等。荧光粉实际涂敷时应根据蓝光芯片的发光分布等进行适当调整，减少蓝黄圈现象的出现，提高发光质量。确保LED 光色空间均匀分布的关键技术是涂胶工艺和胶体、荧光粉的混合配方。具体工艺为：按照一定比例将胶体和荧光粉混合，涂

敷在芯片上。再者，荧光粉涂敷时，考虑黏度的动态系数产生的影响，对涂敷量进行合理控制，减少光色空间分布不均匀情况的出现，提高发光的均匀度，进而提升发光质量，更好的满足封装工艺要求。

3 结语

大功率LED 的封装工艺涉及众多学科和领域，如电学、光学、