LED目前主要的封裝技術比較
1）led單芯片封裝
led在過去的30多年里，取得飛速發(fā)展。第一批產(chǎn)品出現(xiàn)在1968年，工作電流20mA的led的光通量只有千分之幾流明，相應的發(fā)光效率為0.1 lm/W，而且只有一種光色為650 nm的紅色光。70年代初該技術進步很快，發(fā)光效率達到1 lm/W，顏色也擴大到紅色、綠色和黃色。伴隨著新材料的發(fā)明和光效的提高，單個led光源的功率和光通量也在迅速增加。原先，一般led的驅動電流僅為 20 mA。到了20世紀90年代，一種代號為“食人魚”的led光源的驅動電流增加到50-70mA，而新型大功率led的驅動電流達到300—500 mA。特別是1998年白光led的開發(fā)成功，使得led應用從單純的標識顯示功能向照明功能邁出了實質性的一步。圖2-1到圖2-4描述了led的發(fā)展歷程。
圖2-1 普通led主要用于指示燈
圖2-2 高亮度led主要用于照明燈
圖2-3 食人魚led
圖2-4 大功率led
A 功率型led封裝技術現(xiàn)狀
功率型led分為功率led和瓦(W)級功率led兩種。功率led的輸入功率小于1W(幾十毫瓦功率led除外)；W級功率led的輸入功率等于或大于1W。
最早有HP公司于20世紀90年代初推出“食人魚”封裝結構的 led，并于1994年推出改進型的“Snap led”，有兩種工作電流，分別為70mA和150mA，輸入功率可達0.3W。接著OSRAM公司推出“Power TOP led”，之后一些公司推出多種功率led的封裝結構。這些結構的功率led比原支架式封裝的led輸入功率提高幾倍，熱阻降為過去的幾分之一。
W級功率led是未來照明的核心，世界各大公司投入很大力量，對其封裝技術進行研究開發(fā)。單芯片W級功率led最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEON led，該封裝結構的特點是采用熱電分離的形式，將倒裝芯片用硅載體直接焊在熱沉上，并采用反射杯、光學透鏡和柔性透明膠等新結構和新材料，現(xiàn)可提供單芯片1W、3W和5W的大功率led，Lumileds公司擁有多項功率型白光二極管封裝方面的專利技術。OSRAM于2003年推出單芯片的Golden Dragon”系列l(wèi)ed，其特點是熱沉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1W。日亞的1W led工作電流為350 mA，白光、藍光、藍綠光和綠光的光通量分別為23、7、28和20流明，預計其壽命為5萬小時。
B 功率型led封裝技術概述
半導體led若要作為照明光源，常規(guī)產(chǎn)品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比，距離甚遠。因此，led要在照明領域發(fā)展，關鍵是要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級。由于led芯片輸入功率的不斷提高，功率型led封裝技術主要應滿足以下兩點要求：①封裝結構要有高的取光效率；②熱阻要盡可能低，這樣才能保證功率led的光電性能和可靠性。
功率型led所用的外延材料采用MOCVD的外延生長技術和多量子阱結構，雖然其內(nèi)量子效率還需進一步提高，但獲得高發(fā)光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低?，F(xiàn)有的功率型led的設計采用了倒裝焊新結構來提高芯片的取光效率，改善芯片的熱特性，并通過增大芯片面積，加大工作電流來提高器件的光電轉換效率，從而獲得較高的發(fā)光通量，除了芯片外，器件的封裝技術也舉足輕重。
功率型led封裝關鍵技術：
a.散熱技術
傳統(tǒng)的指示燈型led封裝結構，一般是用導電或非導電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上，由金絲完成器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹脂封裝而成，其熱阻高達150～250℃/W，新的功率型芯片若采用傳統(tǒng)式的led封裝形式，將會因為散熱不良而導致芯片結溫迅速上升和環(huán)氧碳化變黃，從而造成器件的加速光衰直至失效，甚至因為迅速的熱膨脹所產(chǎn)生的應力造成開路而失效。
對于大工作電流的功率型led芯片，低熱阻、散熱良好及低應力的新的封裝結構是功率型led器件的技術關鍵?？刹捎玫妥杪?、高導熱性能的材料粘結芯片；在芯片下部加銅或鋁質熱沉，并采用半包封結構，加速散熱；甚至設計二次散熱裝置，來降低器件的熱阻；在器件的內(nèi)部，填充透明度高的柔性硅膠，膠體不會因溫度驟然變化而導致器件開路，也不會出現(xiàn)變黃現(xiàn)象；零件材料也應充分考慮其導熱、散熱特性，以獲得良好的整體熱特性。
普通led和大功率led封裝結構分別見圖2-5，圖2-6。熱阻參考值見表2-1。
2-5 普通led封裝結構圖
圖2-6 大功率led封裝結構圖
表2-1普通led與大功率led的熱阻參考值對比
led功率? ?熱阻參考 (℃/W)
普通led? ?? ?150～250
1W led? ?? ? ＜ 50
3W led? ?? ? ＜ 30
5W led? ?? ? ＜ 18
10W led? ?? ? ＜ 9
b 二次光學設計技術
為提高器件的取光效率，設計外加的反射杯與多重光學透鏡。
c.功率型led白光技術
常見的實現(xiàn)白光的工藝方法有如下三種：
① 藍色芯片上涂上YAG熒光粉，藍光激發(fā)熒光粉發(fā)出的黃綠光與藍光合成白光。該方法相對簡單，效率高，具有實用性。缺點是布膠量一致性較差、熒光粉易沉淀導致出光面均勻性差、色調(diào)一致性不好；色溫偏高，顯色性不理想。
② RGB三基色多個芯片或多個器件發(fā)光混色成白光，或者用藍+黃色雙芯片補色產(chǎn)生白光。只要散熱得法，該方法產(chǎn)生的白光較前一種方法穩(wěn)定，但驅動較
③ 在紫外光芯片上涂RGB熒光粉，利用紫光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生三基色光混色形成白光。由于目前的紫外光芯片和RGB熒光粉效率較低，仍未達到實用階段。
表2-2 三條主要的白光led制備路線比較
紫外led + RGB熒光粉? ?藍光led + 黃色熒光粉 二元互補色led? ?RGB多芯片組合? ?白光led芯片
顯色性 最好 一般 一般 一般 好
色穩(wěn)定性 最好 好 一般 一般 好
流明保持率 未有數(shù)據(jù) 一般 好 好 好
熒光材料 在研 較成熟??-??-??-??-
效率 最好 好 一般 一般 好
應用 白光照明 背光源 特殊照明 顯示
? ? ? ?
背光源
照明用W級功率led產(chǎn)品要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還必須解決如下技術問題：
①熒光粉涂敷量和均勻性控制：led芯片+熒光粉工藝采用的涂膠方法，通常是將熒光粉與膠混合后用分配器將其涂到芯片上。在操作過程中，由于載體膠的粘度是動態(tài)參數(shù)、熒光粉比重大于載體膠而產(chǎn)生沉淀以及分配器精度等因素的影響，此工藝熒光粉的涂布量均勻性的控制有難度，導致了白光顏色不均勻。
② 芯片光電參數(shù)配合：半導體工藝的特點，決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學參數(shù)(如波長、光強)和電學(如正向電壓)參數(shù)差異。RGB三基色芯片更是這樣，對于白光色度參數(shù)影響很大，這是產(chǎn)業(yè)化必須要解決的關鍵技術之一。
③ 根據(jù)應用要求產(chǎn)生的光色度參數(shù)控制：不同用途的產(chǎn)品對白光led的色坐標、色溫、顯色性、光功率(或光強)和光的空間分布等要求不同，上述參數(shù)的控制涉及產(chǎn)品結構、工藝方法、材料等多方面因素的配合。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，對上述因素進行控制，得到符合應用要求、一致性好的產(chǎn)品十分重要。
d.檢測技術與標準
隨著W級功率芯片制造技術和白光led工藝技術的發(fā)展，led產(chǎn)品正逐步進入照明市場，顯示或指示用的傳統(tǒng)led產(chǎn)品參數(shù)檢測標準及測試方法已不能滿足照明應用的需要。國內(nèi)外的半導體設備儀器生產(chǎn)企業(yè)也紛紛推出各自的測試儀器，不同的儀器使用的測試原理、條件、標準存在一定的差異，增加了測試應用、產(chǎn)品性能比較工作的難度和問題復雜化。led要往照明業(yè)拓展，建立led照明產(chǎn)品標準是產(chǎn)業(yè)規(guī)范化的重要手段。
e.篩選技術與可靠性保證
由于燈具外觀的限制，照明用led的裝配空間密封且受到局限，不利于 led散熱，這意味著照明led的使用環(huán)境要劣于傳統(tǒng)顯示、指示用led產(chǎn)品。另外，照明led是處于大電流驅動下工作，這就對其提出更高的可靠性要求。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，針對不同的產(chǎn)品用途，進行適當?shù)臒崂匣?、溫度循環(huán)沖擊、負載老化工藝篩選試驗，剔除早期失效品，保證產(chǎn)品的可靠性很有必要。
f.靜電防護技術
由于GaN是寬禁帶材料，電阻率較高，該類芯片在生產(chǎn)過程中因靜電產(chǎn)生的感生電荷不易消失，累積到相當?shù)某潭?，可以產(chǎn)生很高的靜電電壓。當超過材料的承受能力時，會發(fā)生擊穿現(xiàn)象并放電。藍寶石襯底的藍色芯片其正負電極均位于芯片上面，間距很?。粚τ贗nGaN/AlGaN/GaN雙異質結，InGaN有源層僅幾十納米，對靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。 GaN基led和傳統(tǒng)的led相比，抗靜電能力差是其鮮明的缺點，靜電導致的失效問題已成為影響產(chǎn)品合格率和使用推廣的一個非常棘手的問題。因此，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，靜電的防范是否得當，直接影響到產(chǎn)品的成品率、可靠性和經(jīng)濟效益。
靜電的防范技術有如下幾種：①對生產(chǎn)使用場所從人體、臺、地、空間及產(chǎn)品傳輸、堆放等方面實施防范。②芯片上設計靜電保護線路。③led上裝配靜電保護器件。
2）多芯片集成封裝
為避免大尺寸芯片導致發(fā)光效率的下降等問題，可采用小尺寸芯片集成的方法來增加單
led在過去的30多年里，取得飛速發(fā)展。第一批產(chǎn)品出現(xiàn)在1968年，工作電流20mA的led的光通量只有千分之幾流明，相應的發(fā)光效率為0.1 lm/W，而且只有一種光色為650 nm的紅色光。70年代初該技術進步很快，發(fā)光效率達到1 lm/W，顏色也擴大到紅色、綠色和黃色。伴隨著新材料的發(fā)明和光效的提高，單個led光源的功率和光通量也在迅速增加。原先，一般led的驅動電流僅為 20 mA。到了20世紀90年代，一種代號為“食人魚”的led光源的驅動電流增加到50-70mA，而新型大功率led的驅動電流達到300—500 mA。特別是1998年白光led的開發(fā)成功，使得led應用從單純的標識顯示功能向照明功能邁出了實質性的一步。圖2-1到圖2-4描述了led的發(fā)展歷程。
圖2-1 普通led主要用于指示燈
圖2-2 高亮度led主要用于照明燈
圖2-3 食人魚led
圖2-4 大功率led
A 功率型led封裝技術現(xiàn)狀
功率型led分為功率led和瓦(W)級功率led兩種。功率led的輸入功率小于1W(幾十毫瓦功率led除外)；W級功率led的輸入功率等于或大于1W。
最早有HP公司于20世紀90年代初推出“食人魚”封裝結構的 led，并于1994年推出改進型的“Snap led”，有兩種工作電流，分別為70mA和150mA，輸入功率可達0.3W。接著OSRAM公司推出“Power TOP led”，之后一些公司推出多種功率led的封裝結構。這些結構的功率led比原支架式封裝的led輸入功率提高幾倍，熱阻降為過去的幾分之一。
W級功率led是未來照明的核心，世界各大公司投入很大力量，對其封裝技術進行研究開發(fā)。單芯片W級功率led最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEON led，該封裝結構的特點是采用熱電分離的形式，將倒裝芯片用硅載體直接焊在熱沉上，并采用反射杯、光學透鏡和柔性透明膠等新結構和新材料，現(xiàn)可提供單芯片1W、3W和5W的大功率led，Lumileds公司擁有多項功率型白光二極管封裝方面的專利技術。OSRAM于2003年推出單芯片的Golden Dragon”系列l(wèi)ed，其特點是熱沉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1W。日亞的1W led工作電流為350 mA，白光、藍光、藍綠光和綠光的光通量分別為23、7、28和20流明，預計其壽命為5萬小時。
B 功率型led封裝技術概述
半導體led若要作為照明光源，常規(guī)產(chǎn)品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比，距離甚遠。因此，led要在照明領域發(fā)展，關鍵是要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級。由于led芯片輸入功率的不斷提高，功率型led封裝技術主要應滿足以下兩點要求：①封裝結構要有高的取光效率；②熱阻要盡可能低，這樣才能保證功率led的光電性能和可靠性。
功率型led所用的外延材料采用MOCVD的外延生長技術和多量子阱結構，雖然其內(nèi)量子效率還需進一步提高，但獲得高發(fā)光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低?，F(xiàn)有的功率型led的設計采用了倒裝焊新結構來提高芯片的取光效率，改善芯片的熱特性，并通過增大芯片面積，加大工作電流來提高器件的光電轉換效率，從而獲得較高的發(fā)光通量，除了芯片外，器件的封裝技術也舉足輕重。
功率型led封裝關鍵技術：
a.散熱技術
傳統(tǒng)的指示燈型led封裝結構，一般是用導電或非導電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上，由金絲完成器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹脂封裝而成，其熱阻高達150～250℃/W，新的功率型芯片若采用傳統(tǒng)式的led封裝形式，將會因為散熱不良而導致芯片結溫迅速上升和環(huán)氧碳化變黃，從而造成器件的加速光衰直至失效，甚至因為迅速的熱膨脹所產(chǎn)生的應力造成開路而失效。
對于大工作電流的功率型led芯片，低熱阻、散熱良好及低應力的新的封裝結構是功率型led器件的技術關鍵?？刹捎玫妥杪?、高導熱性能的材料粘結芯片；在芯片下部加銅或鋁質熱沉，并采用半包封結構，加速散熱；甚至設計二次散熱裝置，來降低器件的熱阻；在器件的內(nèi)部，填充透明度高的柔性硅膠，膠體不會因溫度驟然變化而導致器件開路，也不會出現(xiàn)變黃現(xiàn)象；零件材料也應充分考慮其導熱、散熱特性，以獲得良好的整體熱特性。
普通led和大功率led封裝結構分別見圖2-5，圖2-6。熱阻參考值見表2-1。
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2-5 普通led封裝結構圖
圖2-6 大功率led封裝結構圖
表2-1普通led與大功率led的熱阻參考值對比
led功率? ?熱阻參考 (℃/W)
普通led? ?? ?150～250
1W led? ?? ? ＜ 50
3W led? ?? ? ＜ 30
5W led? ?? ? ＜ 18
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b 二次光學設計技術
為提高器件的取光效率，設計外加的反射杯與多重光學透鏡。
c.功率型led白光技術
常見的實現(xiàn)白光的工藝方法有如下三種：
① 藍色芯片上涂上YAG熒光粉，藍光激發(fā)熒光粉發(fā)出的黃綠光與藍光合成白光。該方法相對簡單，效率高，具有實用性。缺點是布膠量一致性較差、熒光粉易沉淀導致出光面均勻性差、色調(diào)一致性不好；色溫偏高，顯色性不理想。
② RGB三基色多個芯片或多個器件發(fā)光混色成白光，或者用藍+黃色雙芯片補色產(chǎn)生白光。只要散熱得法，該方法產(chǎn)生的白光較前一種方法穩(wěn)定，但驅動較
③ 在紫外光芯片上涂RGB熒光粉，利用紫光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生三基色光混色形成白光。由于目前的紫外光芯片和RGB熒光粉效率較低，仍未達到實用階段。
表2-2 三條主要的白光led制備路線比較
紫外led + RGB熒光粉? ?藍光led + 黃色熒光粉 二元互補色led? ?RGB多芯片組合? ?白光led芯片
顯色性 最好 一般 一般 一般 好
色穩(wěn)定性 最好 好 一般 一般 好
流明保持率 未有數(shù)據(jù) 一般 好 好 好
熒光材料 在研 較成熟??-??-??-??-
效率 最好 好 一般 一般 好
應用 白光照明 背光源 特殊照明 顯示
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背光源
照明用W級功率led產(chǎn)品要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還必須解決如下技術問題：
①熒光粉涂敷量和均勻性控制：led芯片+熒光粉工藝采用的涂膠方法，通常是將熒光粉與膠混合后用分配器將其涂到芯片上。在操作過程中，由于載體膠的粘度是動態(tài)參數(shù)、熒光粉比重大于載體膠而產(chǎn)生沉淀以及分配器精度等因素的影響，此工藝熒光粉的涂布量均勻性的控制有難度，導致了白光顏色不均勻。
② 芯片光電參數(shù)配合：半導體工藝的特點，決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學參數(shù)(如波長、光強)和電學(如正向電壓)參數(shù)差異。RGB三基色芯片更是這樣，對于白光色度參數(shù)影響很大，這是產(chǎn)業(yè)化必須要解決的關鍵技術之一。
③ 根據(jù)應用要求產(chǎn)生的光色度參數(shù)控制：不同用途的產(chǎn)品對白光led的色坐標、色溫、顯色性、光功率(或光強)和光的空間分布等要求不同，上述參數(shù)的控制涉及產(chǎn)品結構、工藝方法、材料等多方面因素的配合。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，對上述因素進行控制，得到符合應用要求、一致性好的產(chǎn)品十分重要。
d.檢測技術與標準
隨著W級功率芯片制造技術和白光led工藝技術的發(fā)展，led產(chǎn)品正逐步進入照明市場，顯示或指示用的傳統(tǒng)led產(chǎn)品參數(shù)檢測標準及測試方法已不能滿足照明應用的需要。國內(nèi)外的半導體設備儀器生產(chǎn)企業(yè)也紛紛推出各自的測試儀器，不同的儀器使用的測試原理、條件、標準存在一定的差異，增加了測試應用、產(chǎn)品性能比較工作的難度和問題復雜化。led要往照明業(yè)拓展，建立led照明產(chǎn)品標準是產(chǎn)業(yè)規(guī)范化的重要手段。
e.篩選技術與可靠性保證
由于燈具外觀的限制，照明用led的裝配空間密封且受到局限，不利于 led散熱，這意味著照明led的使用環(huán)境要劣于傳統(tǒng)顯示、指示用led產(chǎn)品。另外，照明led是處于大電流驅動下工作，這就對其提出更高的可靠性要求。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，針對不同的產(chǎn)品用途，進行適當?shù)臒崂匣?、溫度循環(huán)沖擊、負載老化工藝篩選試驗，剔除早期失效品，保證產(chǎn)品的可靠性很有必要。
f.靜電防護技術
由于GaN是寬禁帶材料，電阻率較高，該類芯片在生產(chǎn)過程中因靜電產(chǎn)生的感生電荷不易消失，累積到相當?shù)某潭?，可以產(chǎn)生很高的靜電電壓。當超過材料的承受能力時，會發(fā)生擊穿現(xiàn)象并放電。藍寶石襯底的藍色芯片其正負電極均位于芯片上面，間距很?。粚τ贗nGaN/AlGaN/GaN雙異質結，InGaN有源層僅幾十納米，對靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。 GaN基led和傳統(tǒng)的led相比，抗靜電能力差是其鮮明的缺點，靜電導致的失效問題已成為影響產(chǎn)品合格率和使用推廣的一個非常棘手的問題。因此，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，靜電的防范是否得當，直接影響到產(chǎn)品的成品率、可靠性和經(jīng)濟效益。
靜電的防范技術有如下幾種：①對生產(chǎn)使用場所從人體、臺、地、空間及產(chǎn)品傳輸、堆放等方面實施防范。②芯片上設計靜電保護線路。③led上裝配靜電保護器件。
2）多芯片集成封裝
為避免大尺寸芯片導致發(fā)光效率的下降等問題，可采用小尺寸芯片集成的方法來增加單