LED芯片及封装技术研究.doc

1、LED 芯片及封装技术研究摘要：本文介绍了大功率 LED 封装结构和散热封装材料技术的发展历程，重点对几种陶瓷封装基板进行了研究，研究了陶瓷基板基板工作时温度、光效和电流的关系，并与铝基覆铜板作为封装基板时进行了比较。LED 已经在照明及平板显示背光市场有着广泛的应用，LED 的产业链比较。本文仅是关于 LED 芯片及封装技术的简介。 关键词：LED；封装；散热材料 引言 1962 年，美国通用电气司研制出第一批发光二极管，但它们发光效率很低，直到 1991 年，美国 HP 公司和日本东芝公司成功研制出新型 LED芯片，大功率白光 LED 的出现，使得 LED 光源逐渐代替传统光源，它具有长寿

2、命、体积小、重量轻、全固态等特性，不同光色的固体光源组成的照明系统可通过矩阵、网络等实现照明亮度和光色的细微控制，现已广泛用在电子电器、自动化仪表、交通运输工具中的指示灯、告示牌、警戒灯等以及空间宇航器的合作标志器、空间宇航过程中的照明系统、军事上高速摄像机和照相机中测量系统等。 1、LED 封装结构 随着 LED 芯片技术的发展，LED 产品的封装方式也从单芯片封装方式发展到多芯片封装方式。它的封装结构也从引脚式封装结构到表面贴装式封装结构再到功率型封装结构。表面贴装封装工艺因减小了产品所占空间面积、降低重量、允许通过的工作电流大，尤其适合自动化贴装生产，成为目前比较先进的一种工艺，从引脚式

3、封装转向 SMD 封装符合整个电子行业发展大趋势。 LED 的热特性直接影响到 LED 的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，器件通过传导、对流、辐射三种方式进行散热，其中功率型LED 主要是通过传导方式将光源工作产生的热量从芯片结到外延层、外延层到封装基板、封装基板到外部冷却装置这三个环节散发出去，因此，功率型 LED 的封装基板是这个散热通道的重要组成部分，除了承载芯片，更是将光产生的热传导给冷却装置的载体，它的散热材料的选择和封装结构设计显得尤为重要，散热效率成为最大的追求。 2、封装散热基板材料 2.1 传统封装散热基板材料 早期的 LED 由于功率比较小，封装基板通常使用玻璃环

4、氧树脂基板，使用这种封装基板会造成光泄漏且局部范围内发热量大，会造成器件的加速光衰直至失效，甚至由于与芯片的热膨胀系数不匹配，迅速的热膨胀产生的应力使基板翘曲、开裂造成产品开路失效，使得产品使用寿命不长。随着 LED 产品的发展，功率越来越大，对高功率 LED 期待的特性除了省电、高辉度更是长使用寿命、高色彩再现性这就要求封装基板不仅散热性能要非常好，导热率高，而且热膨胀系数和芯片材料以及外部冷却装置散热片相匹配，保障使用过程中产品的可靠性，所以传统的玻璃环氧树脂封装基板材料已经不能满足功率型 LED 产品的要求。 2.2 新型封装散热基板材料 随着 LED 技术的发展，功率越来越高，LED

5、芯片的面积也越来越大、虽然光效已有很大的提高，但热特性依然是影响 LED 寿命的关键因素，因此封装散热基板的材料的热膨胀系数越来越高，相应的封装热阻就越来越低，各种新型的封装散热基板的发展越来越多。 2.2.1 金属芯印刷电路板 金属芯印刷电路办是将一种热传导效果更好的金属片贴在原有的印刷电路板内部，使用这种材科作为封装时，将封装基板正面绝缘层上渡上一层铜箔作为芯片粘接或者焊接的电极，对于中小功率的 LED 芯片封装来说，能有效解决功率芯片所带来的散热问题。 2.2.2 金属系封装散热板 由于传统的玻璃环氧树脂基板局限性太大，以及金属芯印刷电路板的介电层热导率比较低，成为金属基板与外冷却散热块

6、之间的散热瓶颈，因此一种金属系封装散热板被开发出来，金属系封装散热板分为硬质金属系封装散热板和可挠曲金属系封装散热板。硬质挠曲包括金属基绝缘板、金属材料、金属基复台材料等。金属基绝缘板，是将高分子绝缘层以及铜箔电路以环氧树脂直接粘接在铝板或者铜板上。然后将 LED 芯片粘接或者焊接在铜箔电路上的焊盘上。将 LED 底部的散热块与金属核心直接接触，加速散热。金属材料主要是指各种热导率比较高的金属，最常用的封装散热金属有铝、铜、铬、钛等。 2.2 .3 陶瓷封装散热基板 陶瓷基板是一种更优良的封装散热基舨，具有良好的电绝缘性能和介电性能。由于这种材料的热导率高，与大功率 LED 芯片材料相匹配，可

7、以做大功率 LED 村底材料，被认为是新一代半导体基片材料和封装材料的理想选择。直接陶瓷覆铜板也是一种优良的封装散热基板，它的热膨胀系数和 LED 芯片材料的热膨胀系数比较接近，且具有良好的电绝缘性能，正逐渐成为功率型 LED 和其他功率型产品的封装基板。 3、LED 封装流程 检验材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑，芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求，电极图案是否完整。采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，使 LED 芯片的间距拉伸到约 0.6mm。 在 LED 支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。备胶是用备胶机先把银胶涂在 LED 背面电极上，然后把背部带银胶

8、的 LED 安装在 LED 支架上。备胶的效率远高于点胶，但不是所有产品均适用备胶工艺。 铝丝压焊的过程是先在 LED 芯片电极上压上第一点，再将铝丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断铝丝。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球，其余过程类似。压焊是 LED 封装技术中的关键环节，工艺上主要需要监控的是压焊金丝拱丝形状，焊点形状，拉力。固化是指封装环氧的固化，一般环氧固化条件在 135，1 小时。模压封装一般在150，4 分钟。由于 LED 在生产中是连在一起的，Lamp 封装 LED 采用切筋切断 LED 支架的连筋。SMD-LED 则是在一片 PCB 板上，需要划片机来完成分离工作。 2.3

9、 LED 封装关键技术 LED 封装过程中的关键问题主要涉及热、力、光、电四个部分。 热学部分主要涉及 1、器件的导热；2、模块的散热；3、荧光粉热效应；4、硅胶/环氧树脂的热问题。 力学部分主要涉及 1、银胶/共晶焊接；2、金丝焊接；3、封装胶应力；4、模块封装中的力学问题。 光学部分主要涉及 1、芯片出光；2、荧光粉混光；3、一次光学；4、二次光学。 电学部分主要涉及 1、芯片的电学；2、器件的电学；3、驱动电路；4、控制系统。 热问题主要包括热的产生、热的传导和热的发散等热物理过程以及热对 LED 性能产生的影响。LED 封装中与热最直接相关的两个因素 1.固晶材料 2.封装基板。 现阶

10、段较成熟且普通接受度较高的即为以氮化铝作为散热基板；然而目前受限于氮化铝基板不适用传统厚膜制程。因此，氮化铝基板线路需以薄膜制程备制，制作成本较高。 3 4、结论 随着大功率 LED 技术的发展.传统的封装基板材料由于导热率很低已经不适合发展的需要，若要解决大功率 LED 发光效率低，发热量高，成本高的问题，必须要发展新的封装散热材料，如金属系封装散热材料和陶瓷陶瓷类封装散热材料。陶瓷作为大功率 LED 的散热基板正在为人们所关注和开发。要深入研究 LED 封装的相关问题，里面所涉及的研究内容是相当丰富的，由于作者的水平限制，会有许多考虑不到的地方，希望以后的研究者结合实际多做些这方面的工作。 参考文献： 1 李茂华.大功率 LED 驱动控制研究D.西南交通大学，2009. 2 路绍全.LED 照明半导体的又一次革命.灯与照明.2002，26（4）：13-20 3 鲍超.发光二极管测试技术和标准.物理，2003，32（5）：319-324. 4 方佩敏.白色 LED 驱动器的发展概况J.今日电子.2005 年第 9期：54-59. 5 周太明.光源原理与设计.上海.复旦大学出版社：1993.