大功率白光LED封装设计与研究进展
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《半导体光电》 !""# 年 *! 月第 !W 卷第 # 期陈明祥等：大功率白光 -./ 封装设计与研究进展’!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!动态综述大功率白光 !"# 封装设计与研究进展陈明祥*，! ，罗小兵! ，马泽涛* ，刘’胜*，!（$% 华中科技大学微系统研究中心，湖北武汉 &’(()&；武汉光电国家实验室微光机电系统部，湖北武汉 &’(()&） *%摘’要：封装设计、’材料和结构的不断创新使发光二极管 -./）（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 -./ 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 -./ 的封装设计应与芯片设计同时进行，并且需要对光、电、热、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） -./ 光效和可靠性影响也很大。
对关键词：固态照明；大功率 -./；白光 -./；封装’中图分类号：01+"(& 2,’文献标识码：)’文章编号：*""* $ (%#% !""#） $ "#(+ $ "# （ "#+,-./012 3/ 4.05.63/6 #1236/ ./, 7121.809 :/ ;369<=:>18 ?93@1 !"#! ! 34.1 56789:6;78*，，-<= >6;?9@678! ，5) AB9C;?* ，-D< EFB78*，（$% A/2@3@B@1 :C D308:2E2@1F2，;B.G9:/6 H/3-1823@E :C I031/01 ./, J109/:K:6E，?B9./ &’(()&，L;M； *% #3-323:/ :C DN"DI，?B9./ M.@3:/.K !.O% C:8 N=@:1K10@8:/302，?B9./ &’(()&，L;M）+O2@8.0@：’D77?G;C6GB HBI687I， J;CBK6;LI ;7H ICKMNCMKBI ?O P;NQ;8678 F;GB LBH C? HK;J;C6N 6JPK?GBJB7CI ?O CFB PBKO?KJ;7NBI 67 -./ CBNF7?L?8R& 0FB K;P6H PK?8KBIIBI 67 P;NQ;8678 HBI687 ;7H KBIB;KNF ?O F68F9P?SBK SF6CB L68FC BJ6CC678 H6?HBI -./I）F;GB @BB7 ?GBKG6BSBH& 0FB P;NQ;8678 HBI687 （?O -./ F;I @BB7 IMJJ;K6TBH 67 CFB G6BS ?O ?PC6NI，CFBKJ?L?8R，BLBNCK6NI，JBNF;76NI ;7H KBL6;@6L6CR，;7H CFB P;NQ;8678 J;CBK6;L ;7H PK?NBIIBI F;GB @BB7 67CK?HMNBH 67 HBC;6L& DC 6I PK?P?IBH CF;C P;NQ;8678 ;7H NF6P ?O -./ IF?MLH @B N?9HBI687BH，;7H CFB BOOBNC ?O ?PC6N;L，CFBKJ;L，BLBNCK6N;L ;7H JBNF;76N;L IF?MLH @B N?7I6HBKBH ;C CFB I;JB C6JB& )LCF?M8F 6C 6I 6JP?KC;7C C? NF??IB P;NQ;8678 J;CBK6;LI IMNF ;I CFBKJ;L （ IPKB;H678 IM@ICK;CB，PF?IPF?KI ;7H I6L6N?7B）CFB 67CBKO;NB CFBKJ;L KBI6IC;7NB ;7H CFBKJ;L ICKBII KBIMLC678 ，OK?J P;NQ;8678 PK?NBIIBI F;GB 8KB;CBK BOOBNC ?7 CFB LMJ67?MI BOO6N6B7NR ;7H KBL6;@6L6CR ?O P;NQ;8BH -./& P1E >:8,2： I?L6H IC;CB L68FC678；F68F9P?SBK -./；SF6CB -./；P;NQ;8678 ’*’引言发光二极管 -./）（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， -./ 封装，特别是大功率白光 -./ 封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到 -./ 的使用性能和寿命，一直是近年［*，来的研究热点 !］。
-./ 封装的主要目的是确保发片不受机械、潮湿及其他外部影响。
此外，热、 -./ 的光学特性也必须通过封装来实现。
-./ 封装方法、材料和工艺的选择主要由芯片具体应用和成本等因素决定。
结构、电气 U 机械特性、经过 ," 多年的发展， -./ 封装先后经历了支架式（ -B;H -./ ）贴片式 E5/ -./ ）功率型 -./ 、（和（ V?SBK -./）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， -./ 封装的光学、对热学、电学和机械结构等提出了新的要求，传统的小功率 -./ 封装结构和工艺难以满足要求。
为有效#(+?光芯片和电路间的电气和机械接触，并保护发光芯收稿日期： !""# $ "% $ !#& ’基金项目：北省 !""( 年科技攻关计划招标项目湖（!""#))*"+)",） &%&’()*+,-).*/ *0.*&1&)./*+()%$ 234" !5 +3" 6,78" !996!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 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 !"# 封装设计与研究进行了介绍。
处于芯片和空气之间，从而能有效减少光子在界面 !"# 灌封胶的作的损失，提高了取光效率。
此外，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 !"# 封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐大功率 !"# 封装设计主要涉及光、电和机热、械结构）（等方面，如图 & 所示。
这些因素彼此相互独立，又相互影响。
其中，光是 !"# 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， !"# 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。
如采用低需要在硅衬底下温焊料封装 !"# 倒装芯片过程中，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。
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’’( ）折射率高，（&) * + &) ,）热稳定，性好能耐受 $-- . 高温）应力低杨氏模量低）（，（，吸湿性低小于 -) $( ）（等特点，明显优于环氧树脂，［/］在大功率 !"# 封装中得到广泛应用。
研究表明，$% 封装设计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 !"# 光效和光强分［*］布。
!"# 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）其中，（等，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 !"# 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 , + $- 0 变化，而荧光粉浓度增加会降低发光效率，且随着荧光粉涂层厚度加大，蓝色发光峰下降，黄光增加，色温降低；另一图 &% 大功率白光 !"# 封装设计框图个是匹配性。
由于荧光粉的转换效率与波长有关，因此，荧光粉的激发波长必须与所用芯片的发射波长相匹配，这样才能获得较高的光转换效率一般（要求荧光粉转换效率大于’,( ，万小时后光转换 &效率衰减小于 &,( ）。
此外，有研究表明，温度对荧光粉的性能影响很大。
随着温度上升，荧光粉量子效率降低，出光减少，辐射波长也会发生变化，从而引起白光 !"# 色温、色度的变化，较高的温度还会加速荧光粉的老化。
其原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫光或紫外光的辐射时，易老化，使发光效率降低。
常用荧光粉尺寸在 & !1 以上，折射率大于或等于 &) 2,，而硅胶的折射率一般在 &) , 左右。
由于两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限（/- 31）因而在荧光粉颗粒表面存，在光散射，降低了出光效率。
通过在硅胶中掺入纳!" #$ 光学设计 !"# 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。
辐射复合产生的光子在向在 !"# 使用过程中，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（，4,*?《半导体光电》 *’’- 年 !* 月第 *8 卷第 - 期陈明祥等：大功率白光 $%& 封装设计与研究进展 9!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 米荧光粉，可使折射率提高到 !" # 以上，降低光散射，提高 $%& 出光效率（!’( ) *’( ）并能有效改，［+］善光色质量。
