LED的封裝——LED知識（九）

施克孝

（中廣國際建筑設計研究院，北京 100034）

人要穿衣，馬要配鞍，LED要封裝。

大家知道，發光二極管芯片是一塊非常小的半導體晶體，它的電極要在顯微鏡下才能看清楚。這樣的“小東西”是不能直接用在電路中的。要想使用，必須把它封包、裝配起來，這個過程就叫做封裝。

LED封裝技術大都是從分立器件（晶體管、集成電路芯片等）封裝技術基礎上發展和演變而來的，但又有其特殊性。一般情況下，分立器件的芯片被密封在封裝體內，封裝的作用主要是保護芯片、引出正負極等，以完成電氣連接。而LED封裝除上述作用外，還要輸出可見光或紫外線、紅外線。這就要求封裝材料是透明的，同時還要進行光路設計，盡量減少內部光損失，追求盡可能多的光輸出。

LED封裝涉及到多方面的技術，對LED產品整體質量也十分重要。應該說，只有好的封裝，才能制造出好的產品。

LED封裝技術發展至今，經歷了如下四個階段：

第一階段是引腳式封裝，一般適用于直徑3mm 5mm的小功率LED，電流不大于30 mA，功率不大于0.1 W。

第二階段是SMT（Surface Mount Technology，表面貼裝技術）封裝。所使用的SMT技術是一種可以直接將封裝好的器件貼或焊到PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）表面指定位置上的封裝技術，具有可靠性高、高頻特性好、易于實現自動化等優點。

第三階段是COB（Chip On Board，板上芯片直裝式）封裝。它是一種通過黏膠劑或焊料將LED芯片直接粘貼到PCB上的技術，主要用于大功率多芯片陣列的LED封裝。與SMT相比，COB不僅提高了封裝功率密度，而且降低了封裝熱阻。

第四階段是SIP（System In Package，系統式封裝），是近幾年來為適應整機的便攜式發展和系統小型化的要求而產生的封裝技術。它不僅可以在一個封裝內組裝多個發光芯片，還可以將各種不同類型的器件（如電源、控制電路、傳感器等）集成在一起，構建一個更為復雜、完整的系統。

對于大功率LED的封裝而言，封裝要同時考慮電學、熱學、光學和結構設計。下面就談談這方面涉及到的幾個主要問題。

1 電學設計

LED發光的關鍵部分是P-N結，P-N結的厚度只有幾微米（ 1 μm = 10-6m，即1微米是一百萬分之一米），對于大功率LED芯片，面積一般為1 mm× 1 mm，P-N結的厚度只有長寬尺寸的幾百分之一。這么薄的芯片，是不能直接把P型半導體材料與N型半導體材料“粘接”在一起的。它必須“生長”在一個相對比較厚的基板上，這個基板叫做“襯底”。襯底是純度很高的單晶體，為了保證P-N結的質量，在襯底上還要生長一層非常薄的純度更高的單晶薄膜，這個薄膜叫做外延層。襯底晶片及外延層的生長是LED的上游產品，技術專利都掌握在幾家大公司手里。

在電學設計上，正負極是不可缺少的，如圖1所示，在LED芯片上面的叫上電極，在LED芯片下面的叫下電極。在保證電流分布比較均勻的情況下，盡量減少上電極的接觸面積，并設法使電極避開發光最強的區域，以提高出光效率；對于下電極，為提高底部的反射率，采用小圓點矩陣接觸的復合接觸電極，可以明顯提高反射率，從而提高出光率。

圖1 大功率LED結構示意圖

另外，根據電流的流向不同，LED芯片可分為橫向結構LED和垂直結構LED。在橫向結構中，又分為正裝結構和倒裝結構。

所謂橫向結構，指的是電流從正極流向負極的時候，電流主要是橫向流動的，如圖2所示。最早的LED芯片是橫向結構，目前還有許多小功率LED芯片采用這種結構。

圖2 正裝結構LED示意圖

橫向結構中，由于電極要占一部分發光面積，為了躲開發光最強區域，正電極和負電極總是安排在芯片的對角上。電流從正極流向負極的時候，電流分布是不均勻的。就像道路上堵車一樣，導電過程也會出現電流“擁塞”現象。同時，藍寶石襯底導熱率較低，散熱不易解決。為了解決這些問題，出現了倒裝結構，如圖3所示。

倒裝結構提高了發光效率，散熱效果也改進了。但倒裝技術仍然是橫向結構，仍然有電流“擁塞”現象。后來，又出現了“垂直結構”的產品。在垂直結構的LED芯片中，它的P極被一導電層覆蓋（金屬層），導電層上的每一點均等電位，電流基本上垂直流動。因電流垂直流過P-N結，因此叫垂直結構。現在又進而制成了三維垂直結構LED芯片，如圖4所示。它的P電極通過P金屬填充塞（穿過圖中的支持襯底）與P金屬層接觸，N電極通過N金屬填充塞（穿過圖中的支持襯底）與N金屬層相連。電流通路是：電源正極→P電極→P金屬填充塞→P金屬層→P型外延層（圖中未示出）→P-N結（發光層）→N型外延層（圖中未示出）→N電極連線→N電極延伸部分→N金屬層→N金屬填充塞→N電極→外部電源負極。這種三維垂直結構LED芯片，無需再加裝正負極的金線。垂直結構雖成本略高，但它沒有電流“擁塞”現象，而且可以做到電流密度更大、封裝尺寸更小、熱阻更低、良品率更高，是大功率LED比較理想的封裝形式。

圖3 倒裝結構LED示意圖

2 熱學設計

在P-N結中，電子與空穴復合的時候，并不是所有電子軌道的降低都變成了光子。能夠變成光子的復合稱為輻射復合，而不發光的復合稱為非輻射復合。非輻射復合會造成半導體晶格的振動而產生熱量；一般把能夠產生光子的電子—空穴對復合數與電子—空穴對復合總數之比稱為內量子效率；P-N結已經產生的光子通過LED的封裝材料射出時，由于各種材料吸收、反射等還要損失一部分能量，光子又減少了一部分。通常把從LED器件射出的光子數與P-N結的電子—空穴對總數之比稱為外量子效率（外量子效率是LED的總發光效率）。電子—空穴對非輻射復合和光子出射過程損失的能量都會變成熱量。另外，電子在半導體中遷移時會遇到阻力（電阻），這也會產生熱量。當然，在設計LED的時候，盡量提高內量子效率及外量子效率，是LED芯片結構設計及選擇發光材料的任務之一。

對于大功率LED器件的封裝，不能簡單地套用小功率LED器件的封裝方法和封裝材料。耗散功率大、發熱量大、出光率高給LED封裝工藝、封裝設備和封裝材料都提出了新的要求。由于大功率LED封裝結構和工藝復雜，并直接影響到LED的性能和使用壽命，因此一直是近年來的研究熱點。特別是大功率白光LED的封裝，更是熱點中的熱點。其中，降低各個環節的熱阻，加強散熱是極其重要的環節。對于大功率LED芯片而言，隨著芯片的大型化、大電流化、高功率化，帶金屬底座的封裝已經取代了傳統的全環氧樹脂封裝。

在目前大功率LED光源70%電能變成熱量的情況下，盡量減小各個環節的熱阻是保證高出光率、長使用壽命的關鍵。

圖4 三維垂直結構LED示意圖

圖5 光的折射、反射、全反射

3 光路設計（光學和結構設計）

要將LED芯片封裝成LED光電器件，必須進行光學設計。這種設計在業內叫做一次光學設計。一次光學設計決定發光器件的發光角度、光能量大小、光強分布及色溫范圍等。這部分設計由LED芯片封裝的生產廠家完成。而對于一臺燈具，整個光路系統還要進行光學設計，這個設計叫做二次光學設計。這部分設計由燈具的生產廠家完成。只有一次光學設計、二次光學設計都做好，才能保證燈具的高出光率。在談及大功率LED器件封裝的時候，其光路設計一般是指一次光學設計。一次光學設計涉及的問題很多，例如，上面談到的橫向結構和垂直結構，既涉及到結構、電學、散熱，也涉及到光學的問題。

實際上，LED芯片的各個設計環節都圍繞著高出光率進行，除上面談到的電學、熱學設計方面，人們還想了各種辦法提高出光率。目前，LED的內量子效率可以做得很高，但外量子效率都比較低，是影響LED發光效率的瓶頸。

對于一個LED，其外量子效率可表示為：

式中 ηex—— 外量子效率

ηin—— 內量子效率

Cex—— 逃逸率

要提高LED的發光效率，就要提高內量子效率和逃逸率。一般來說，高質量的LED內量子效率可以達到90%以上，其外量子效率卻非常有限。也就是說，要通過提高內量子效率來大幅度提高LED的出光率已沒有多大余地。因此可以說，今后LED的關鍵技術之一就是通過提高外量子效率（即提高逃逸率Cex值）來提高LED的出光率。

下面簡單介紹幾種提高外量子效率的技術。

（1）利用LED芯片表面粗化的方法增加光輸出

光通過兩種介質的界面時，會發生折射、反射、全反射等。光從折射率高的介質進入折射率低的介質（如光從玻璃進入空氣），如圖5所示，當入射角為某一角度時（圖中的光線B），折射角為90°，這時折射光線會沿著玻璃表面傳播而消耗掉。這個角度叫做臨界角（例如玻璃的折射率為1.5時，臨界角為41.8°）。光線的入射角小于臨界角時，光線發生折射進入空氣（如圖中的光線A）；當光線的入射角大于臨界角時，光線發生全反射（如圖中的光線C）回到玻璃，經多次全反射在LED內部轉化為熱量而消耗掉。

圖6 粗糙表面的光線

圖7 倒金字塔形芯片

圖8 分布布拉格反射層

LED發光表面如果是一層平行的透明膜，與圖5的情形一樣，入射角為臨界角及大于臨界角的光線都會消耗掉，只有入射角小于臨界角的一小部分光線射出。

如果將LED的透明表面做成粗糙表面，就會增加光輸出，如圖6所示。在圖6中，光線A直接射出；光線B，如果是平行表面，會發生全反射，對于粗糙表面，它會發生折射而射出；光線C，經過2次反射、一次折射也會變成光輸出。由此可見，LED的表面粗化會增加光輸出。

（2）采用倒金字塔形設計

如圖7所示，LED芯片做成倒金字塔形。

改變芯片的幾何形狀，可以減少光在芯片內部的傳播路程，增加光輸出。LED的這種倒金字塔幾何形狀可以使發光層發出的部分光線從側壁的內表面反射到上表面，以小于臨界角的角度射出（圖中的光線A），同時使那些傳播到上表面大于臨界角的光線從側面射出（圖中的光線B）。這兩種光線都增加了光輸出。這種方法由Krames等人提出。由于SiC較藍寶石容易加工，Cree公司成功制作了SiC襯底的藍光LED，其出光率達到50%，外量子效率達到32%。

（3）分布布拉格反射層（DBR）結構

DBR結構早在20世紀80年代由R.D.Burnham等人提出，如圖8所示。

它是兩種折射率不同的材料周期交替生長的層狀結構，厚度一般為波長的1/4。有了這個反射層，就可以將底部的光反射到頂部射出。由于它有成本優勢，目前已用于商業生產。

此外，還有透明電極技術、光子晶體技術等。提高外量子效率從而增加光輸出的方法有很多，但可以得出這樣的結論：在光路設計中，無非要跟各種材料對光的吸收、透射、反射、折射打交道。在設計和選擇材料時，應盡量減少吸收、多增加透射，并通過反射、折射增加光輸出，以達到設計需要的光強分布。

事實上，電學、熱學、光學和結構設計四個方面是互相關聯的，有時還有矛盾，但考慮的原則應以光學參數為主的最佳折中，所有的結構設計都要符合這一原則。

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