大功率LED封裝工藝技術

吳運銓

（福建農林大學 機電工程學院，福建 福州 350002）

LED的工藝設計包括芯片的設計以及芯片的封裝。目前，大功率LED的封裝技術及其散熱技術是當今社會研究的熱點。由于大功率LED封裝工藝流程講起來比較簡單，但是實際的工藝中是非常復雜的。而且LED封裝技術直接影響了LED的使用壽命。所以在大功率LED封裝過程中，要考慮到諸多因素，例如，光、熱、電、機械等諸多因素。光學方面要考慮到大功率LED光衰問題、熱學方面要考慮到大功率LED的散熱問題、電學方面要考慮到大功率LED的驅動電源的設計、機械方面要考慮到封裝過程中LED的封裝形式等。

1 大功率LED封裝的要求及關鍵技術

（大功率）LED具有壽命長、低污染、低功耗、節能和抗沖擊等優點。跟傳統的照明器具相比較，（大功率）LED不僅單色性好、光學效率高、光效強，而且可以滿足不同的需要高顯色指數。盡管如此，大功率LED的封裝工藝卻有嚴格的要求。具體體現在：①低成本；②系統效率最大化；③易于替換和維護；④多個LED可實現模塊化；⑤散熱系數高等簡單的要求。

根據大功率LED封裝技術要考慮的種種因素，在封裝關鍵技術方面也提出了幾點。主要包括：

（1）在大功率LED散熱方面：考慮到低熱阻封裝。LED芯片是一種固態的半導體器件，是LED光源的核心部分。由于大功率LED芯片大小不一，并且在驅動方式上采用的是恒流驅動的方式。可以直接把電能轉化為光能所以LED芯片在點亮過程需要吸收輸入的大部分電能，在此過程當中會產生很大的熱量。所以，針對大功率LED芯片散熱技術是LED封裝工藝的重要技術，也是在大功率LED封裝過程中必須解決的關鍵問題。

（2）LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極。所以高取光率封裝結構也是大功率LED封裝過程中一項重要的關鍵技術。在LED芯片發光過程中，在發射過程中，由于界面處折射率的不同會引起光子反射的損失和可能造成的全反射損失等，所以可以在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠。這層透明膠必須具有其透光率高、折射率高、流動性好、易于噴涂、熱穩定性好等特點。目前常用的透明膠層有環氧樹脂和硅膠這兩種材料。

2 LED的封裝形式

隨著科學技術的發展，LED的封裝形式有很多種，有引腳式封裝、表面組裝貼片式封裝、板上芯片直接式封裝、系統封裝式封裝。

小功率LED的封裝一般采用的是引腳式LED封裝形式。引腳式LED封裝也比較常見。普通的發光二極管基本都是采用引腳式封裝。引腳式LED封裝熱量是由負極的引腳架散發至PCB板上，散熱問題也比較好的解決。但是也存在著一定的缺點，那就是熱阻較大，LED的使用壽命短。

表面組裝貼片式封裝（SMT）是一種新型的LED封裝方式，是將已經封裝好的LED器件焊接到一個固定位置的封裝技術。SMT封裝技術的優點是可靠性強、易于自動化實現、高頻特性好。SMT LED封裝形式是當今電子行業中最流行的一種貼片式封裝工藝。

板上芯片直裝式（COB）LED封裝技術是一種直接貼裝技術，是將芯片直接粘貼在印刷電路板上，然后進行引線的縫合，最后使用有機膠將芯片和引線包裝保護的工藝。COB工藝主要應用于大功率LED陣列。具有較高的集成度。

系統封裝式（SIP）LED封裝技術是近年發展起來的技術。它主要是符合了系統便攜式以及系統小型化的要求。跟其他LED封裝相比，SIP封裝的集成度最高，成本相對較低。可以在一個封裝內組裝多個LED芯片。

在實際應用過程中，根據實驗的要求，筆者采用的便是SMT封裝的形式。由于在大功率LED封裝過程中，要考慮到大功率LED散熱的因素，本人采用的是采用鋁基板散熱方式的傳統方式。我們通過實際的應用發現，SMT封裝技術對于符合實際的散熱要求。具體的實物鋁基板散熱實物圖如圖1所示。

圖1 基于鋁基板散熱SMT封裝實物圖

3 大功率LED工藝流程

LED的封裝是一門多學科的工藝技術。涉及到如光學、熱學、電學、機械學、材料、半導體等研究內容。所以大功率LED的封裝技術是一門比較復雜的綜合性學科。良好的LED封裝需要把各個學科的因素考慮進去。下面就LED封裝工藝流程作一個簡單的介紹。其流程如圖2所示。

LED的發光體是晶片，不同的晶片價格不一，形態大小也不一。晶片形態大小都不相同，這對LED封裝帶來了一定的困難。在對支架的選擇方面也提出了考驗。

支架與外形塑料模具的選擇決定了LED封裝成品的外形尺寸。支架承載著LED芯片，所以在支架的選擇方面要根據實際的LED晶片邊長的大小。

固晶膠的選擇主要是考慮其粘結力，其顆粒大大小。同樣所涂覆的固晶膠的薄厚程度決定了封裝的LED的熱阻。

筆者所選用的固晶膠為銀膠。銀膠跟絕緣膠相比來說，其熱阻低。熱阻的大小，決定了LED的出光效率。同樣，銀膠還具有另外一種特色，那就是導熱性能好。

焊線過程可以采用機械焊線和人工焊線，由于此次實驗生產的LED封裝量少，所以采用的是人工焊線。早高倍顯微鏡下，將芯片的正負極使用金線焊接到支架的兩個引腳角上。焊接過程要耐心小心。

整個LED封裝工藝流程都是按照如圖2所示的流程制作的。

圖2 大功率LED封裝工藝流程

4 結語

LED的封裝工藝過程中必須考慮到很多種因素，每個環節都要都要細心琢磨。熱阻影響著LED的出光效率。散熱條件和色度穩定性對LED的性能影響。我們在LED封裝過程當中要選擇合適的材料。改進現有的器件結構，尋求更好的LED散熱的方式，減少LED的熱阻等。在封裝過程中，材料（散熱基板、熒光粉、灌封膠）的選擇非常重要，但是熱學界面，光學界面也同樣重要。對于LED燈具而言，不僅要考慮好上述因素，還要將LED的驅動電源，模塊的集成選擇，應用領域都有集合在一起考慮。所以，對于大功率LED封裝工藝這方面的研究，任重而道遠。

[1]楊國棟．沈培宏.二十一世紀的光明—白光LED發展簡析[J].國際光電產業資訊．2002，（1）．

[2]周志敏，紀愛華.LED照明與工程設計[M].北京：人民郵電出版社，2010．