功率型LED封裝技術探討

摘 要：LED作為第四代光源，其獨特的結構與發光原理對于日常生活照明與資源高效利用具有重要意義。近年來LED芯片功率呈現出逐漸增高的發展趨勢，這就對于LED燈管的發熱量控制與出光率提出了更高的要求，也為當今LED的封裝技術帶來了更為嚴峻的挑戰。本文將在對功率型LED的整體結構進行闡述的基礎上，進一步對其關鍵封裝技術進行探討。

關鍵詞：功率型LED；結構，封裝技術；技術探討

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.120

0 引言

當前，由于LED所具有的使用壽命長、能源利用率高、整體結構穩固以及發光速度更快等優點，它已經逐漸成為當今社會的主流照明方式。對于LED發光技術的研究與推廣運用，對于能源節約與環境保護具有重要意義。所以對于功率型LED發展技術研究已經成為當前業界重要的研究課題。

1 功率型LED的主要結構以及封裝方式

1.1 功率型LED的主要結構形態

LED （Light Emitting Diode），即發光二極管，其本質是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED一般主要由氮元素、磷以及砷元素的化合物構成，其核心結構目前主要有三種形式，即正裝結構、倒裝結構與垂直結構。

正裝結構會對LED芯片的工作效率造成一定影響，但也能夠通過藍寶石襯底將發光過程中產生的熱量發散出去。正裝結構的缺點在于其導熱路徑較長，而且導熱材料的導熱性能相對較差，這將對于LED芯片的工作效率產生消極影響，并且其中的附件將降低光源亮度。

倒裝結構是由Lu mi Eds Lighting 公司所發明，此種結構的主要原理是在較大尺寸的LED核心芯片以及對應尺寸的硅底板之上進行導電層的刻鍍工作，最后再利用專業的焊接設備將其進行完整連接。倒裝結構相對于正裝結構，其發光過程中的熱源發散效率更高，對于芯片工作效率的影響相對較小，但是其對于焊接技術與襯底材料的材料工藝要求更高。

垂直結構的主要結構形態就是將兩個相異電極分別布置在外延片的兩側，這種結構的最大特點就是它能夠使得電流能夠保持較高效率基礎上徑直通過LED燈管的外延層，最大限度減低了發光過程中的電流阻塞。目前，在垂直結構的基礎上，進行較大功率的發電技術已經成為LED行業發展的主流方向[1]。

1.2 功率型LED的封裝方式

目前業內對于功率型LED的封裝方式主要包括兩種，即人工封裝方式與自動封裝方式。人工封裝方式是指利用人力勞動完成LED的整個組裝過程，這種封裝方式主要適用于新型LED燈管的樣品制作以及小規模的生產制作。而自動封裝方式是指利用專業的機械設備或完整的自動化生產線，完成LED的全部組裝工作。這種方式效率較高，適用于技術成熟，能夠大規模生產運用的LED產品的封裝。

2 功率型LED封裝過程中的關鍵技術

2.1 散熱技術

由于LED發光的主要原理是利用電子在不同能帶之間進行躍遷進而散發出光，且這種光源較為獨特，其中不含紅外成分，所以其發光過程中產生的熱量并不能依靠輻射散發出去。這種熱量在外界電場的影響下，會將發光過程中多余的能量轉化為熱能進行釋放。但是結合目前LED的發光效率看來，一般也只能達到20%左右，這就意味著其余將近80%的能量將直接轉化為熱能，這對于提高LED發光效率，促進能源節約無疑是非常不利的。并且在LED的發光過程中，如果不能將芯片產生的熱量及時有效的散發出去，將會直接導致LED中熒光粉取光效率降低，縮短相關元器件的使用壽命[2]。

在當今主流的封裝結構中，散熱方式一般是在外層使用環氧樹脂進行覆蓋，襯底以藍寶石作為導熱材料，但是環氧樹脂與藍寶石本身的導熱性能并不突出，這就使得LED封裝結構目前的導熱性能整體低下，這對于LED發光過程的穩定性造成了較大影響。為滿足LED散熱的需要，業界對于新型的散熱基礎材料進行的深入研究，其中主要研究成果包括低溫共燒陶瓷金屬基板、高導熱性覆銅陶瓷板、金屬基復合材料以及復合材料等這些材料在通過Colombo軟件做熱分析的過程中，其散熱性能較之當前材料都有較大進步。

2.2 取光技術

當電能通過LED燈管時，除去發光之外多余的能量將產生大量的光子，但是這些光子并不能全部進入到空氣之中，這主要是因為折射定律的作用以及環氧樹脂等材料透光性能的低下，這對于LED的發光效率將會產生直接影響。

在目前LED封裝技術中，對于發光芯片采用倒裝焊接技術能夠一定程度上提高LED的發光效率。這主要是因為對藍寶石進行倒裝焊接后使其成為發光媒介，這將大大減少電子對于各個方位進行光源散發的影響。但是這種技術要求在芯片主要的發光電極之下增加高反光率的反射層對光源進行反射，否則還是將會造成光源的浪費。所以在進行功率型LED封裝過程中，對于底板的安裝必須對于反射層進行科學設置，對于發光芯片的各個側面也應該設置發光面以有效提高LED的整體發光效率。在進行反光面的設計過程中，可以采用CAD建模的方式進行各種方案的發光效果評估，再進行全面對比，采用最為高效的方案進行反光面的設置。

在正裝結構LED的封裝過程中，應該在其藍寶石襯底以及環氧樹脂導熱層的結合處使用硅膠材料進行覆蓋，這能夠大大改善正裝結構LED的發光效率。此外，在功率型LED的封裝過程中，對于其頂部透鏡的設計對于LED的整體取光效果也會產生直接影響。在當前LED的組裝過程主要有凸透鏡、凹透鏡、球型鏡以及菲涅爾透鏡等幾種主要透鏡形式，但是這些透鏡的封裝方式對于LED的整體采光效能的提高各有所限制。所以在近年來LED取光技術的研究運用過程中，已經逐漸開始采用微透鏡陣列的形式代替傳統透鏡形式的使用。這種新型的透鏡不僅排列精度更高、制作成本更低，而且能夠有效提高LED的整體取光效率[3]。

2.3 熒光粉涂裝技術

在LED的封裝過程中，對于熒光粉的涂裝技術要求較高。這主要是因為熒光粉在LED的光源散發過程中能夠對光色進行調和，使得LED的光源更加均勻柔和。如果熒光粉的涂裝技術達不到要求，使得熒光粉的涂裝LED燈管上出現粉體厚度不均勻的現象，則會導致LED在光源散發的過程中出現局部偏色的現象，影響LED光源的美觀效果與整體運作性能。

以往的在LED封裝過程中，對于熒光粉的涂裝方式一般是先將熒光粉與專用膠體按照一定比例進行調和，然后直接將這兩者的混合物涂裝在LED 芯片的表層位置。但是使用這種涂裝工藝進行熒光粉的涂裝容易形成熒光粉涂層的不規則彎曲，對LED的光源散發造成不利影響，使其出現在發光過程中發散出不規則的黃光或者藍光。

目前，美國相關企業已經研發出保形熒光粉涂裝技術，這種新型

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的涂裝技術能夠使得熒光的涂裝更為均勻，能夠保證LED光源散發符合設計需求。保形熒光粉涂裝技術主要是通過增強膠體的感光性，通過膠體的對于LED光源的感應完成熒光粉的均勻涂裝，并且通過其中芯片的控制，能夠在涂裝過程中對其涂裝形狀進行精確控制。這種涂裝方式能夠實現對于LED光源色度與均勻性的更好控制，但是其技術要求較高，國內對于此種技術更是知之甚少。所以國內當前一般是采用粉漿法進行熒光粉的涂裝，具體方式也是將熒光粉與感光膠相調和，再利用其感光性在LED表面形成一層均勻的熒光粉層。這種方式技術難度較低，但也同樣能夠克服當前LED熒光粉涂裝技術產生的弊端，實現對于光源均勻度、色度的有效控制。

3 CAD模塊在電子封裝中的應用

在電子封裝領域，CAD技術得到了良好的應用，作為一種計算機輔助設計技術，CAD模塊極大的提高了封裝的效率和智能化。功率型LED的封裝具有一定的難度，而CAD模塊的設計初期就具有同步系統層面設計，能夠實現同步仿真設計，并實現封裝驗證、仿真和版圖設計的一體化。當前智能CAD已經能夠適應新一代封裝產品的設計需求，運用超變量幾何技術，從而實現三維產品的設計。

4 結語

LED照明技術具有巨大的應用潛力，其對于照明方式的進步與資源利用效率的提高都存在積極意義。在當前功率型LED當中主要有正裝結構、倒裝結構以及垂直解結構三種結構形式。在功率型LED封裝過程的關鍵技術中，應該對于LED的散熱技術與取光技術著重進行研究。這些關鍵技術的突破對于提高LED發光效率，延長元器件的使用壽命具有重要意義。

參考文獻：

[1]陳明祥，羅小兵.大功率白光LED封裝設計研究[J].半導體光電，

2016，27（06）：53-58.

[2]董波，楊利營.有機電致發光器件的封裝技術[J].液晶與顯示， 2014，22（02）：176-183.

[3]劉一兵，黃新民，劉國華.基于功率型LED散熱技術的研究[J].照明工程學報，2013，19（01）：69-72.

作者簡介：張繼海（1983-），男，廣西桂林人，本科，初級，研究方向：LED封裝。