湯 坤，卓寧澤，施豐華，邢海東，劉光熙，王海波

(1.南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009；2.南京工業(yè)大學(xué)電光源材料研究所，江蘇 南京 210015)

1 引言

近幾年，在全球節(jié)能減排的倡導(dǎo)和各國政府相關(guān)政策支持下，LED照明得到快速的發(fā)展[1]。與傳統(tǒng)光源相比具有壽命長、體積小、節(jié)能、高效、響應(yīng)速度快、抗震、無污染等優(yōu)點，被認(rèn)為是可以進入普通照明領(lǐng)域的“綠色照明光源”，LED大規(guī)模應(yīng)用于普通照明是一個必然的趨勢[2～4]。

作為LED產(chǎn)業(yè)鏈中承上啟下的LED封裝，在整個產(chǎn)業(yè)鏈中起著關(guān)鍵的作用[5]。對于封裝而言，其關(guān)鍵技術(shù)歸根結(jié)底在于如何在有限的成本范圍內(nèi)盡可能多的提取芯片發(fā)出的光，同時降低封裝熱阻，提高可靠性[6]。在封裝過程中，封裝材料和封裝方式是主要影響因素。隨著LED高光效化、功率化、高可靠性和低成本的不斷發(fā)展，對封裝的要求也越來越高，一方面，LED封裝在兼顧發(fā)光角度、光色均勻性等方面時必須滿足具有足夠高的取光效率和光通量；另一方面，封裝必須滿足芯片的散熱要求。因此，芯片、熒光粉、基板、熱界面材料和封裝材料以及相應(yīng)的封裝方式亟待發(fā)展創(chuàng)新，以提高LED的散熱能力和出光效率。

2 封裝材料

在封裝過程中，封裝材料性能的好壞是決定LED長期可靠性的關(guān)鍵。高性能封裝材料的合理選擇和使用，能夠有效地提高LED的散熱效果，大大延長LED的使用壽命。封裝材料主要包括芯片、熒光粉、基板、熱界面材料。

2.1 芯片結(jié)構(gòu)

隨著LED器件性能的不斷發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷拓寬，尤其是單顆大功率LED的開發(fā)，芯片結(jié)構(gòu)也在不斷地改進。目前LED芯片的封裝結(jié)構(gòu)主要有4種，即：正裝結(jié)構(gòu)[7]、倒裝結(jié)構(gòu)[8]、垂直結(jié)構(gòu)[9]和三維垂直結(jié)構(gòu)[10]，見圖1。

圖1 LED芯片結(jié)構(gòu)Fig.1 The structures of chip

目前普通的LED芯片采用藍寶石襯底的正裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡單，制作工藝比較成熟。但由于藍寶石導(dǎo)熱性能較差，芯片產(chǎn)生的熱量很難傳遞到熱沉上，在功率化LED應(yīng)用中受到了限制。

倒裝芯片封裝是目前的發(fā)展方向之一，與正裝結(jié)構(gòu)相比，熱量不必經(jīng)過芯片的藍寶石襯底，而是直接傳到熱導(dǎo)率更高的硅或陶瓷襯底，進而通過金屬底座散發(fā)到外界環(huán)境中。

垂直結(jié)構(gòu)的藍光芯片是在正裝的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，這種芯片是將傳統(tǒng)藍寶石襯底的芯片倒過來鍵合在導(dǎo)熱能力較好的硅襯底或金屬等襯底上，再將藍寶石襯底激光剝離。這種結(jié)構(gòu)的芯片解決了散熱瓶頸問題，但工藝復(fù)雜，特別是襯底轉(zhuǎn)換這個過程實現(xiàn)難度大，生產(chǎn)合格率也較低。

與垂直結(jié)構(gòu)LED芯片相比，三維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的主要優(yōu)勢在于無需打金線，使得其封裝的厚度更薄、散熱效果更好，并且更容易引入較大的驅(qū)動電流。

2.2 熒光粉

隨著人們對LED光品質(zhì)的要求越來越高，不同顏色、不同體系的LED用熒光粉逐步被開發(fā)出來，高光效、高顯色指數(shù)、長壽命熒光粉開發(fā)及其涂覆技術(shù)的研究成為關(guān)鍵。目前主流的白光實現(xiàn)形式是藍光LED芯片結(jié)合黃色YAG熒光粉，但為了得到更好的照明效果，氮化物/氮氧化物紅色熒光粉、硅酸鹽橙色和綠色熒光粉也得到了廣泛的應(yīng)用，見圖2。

圖2 LED用熒光粉Fig.2 LED phosphor

多色熒光粉的摻入對提高光源顯色指數(shù)起到重要作用，拓寬了LED光源的應(yīng)用領(lǐng)域，可以在一些對色彩還原度要求高的場合替代傳統(tǒng)的鹵素?zé)艋蚪瘥u燈。同時，人們也在不斷開發(fā)新型的LED用熒光粉。

紅色和綠色熒光粉的加入，顯著提高光源的顯色指數(shù)。ZL201210264610.3[11]公開了一種藍光激發(fā)的連續(xù)光譜熒光粉的制備方法，該熒光粉采用氧化鋅、氧化鑭、碳酸鈣等原料，調(diào)節(jié)激活離子Ce3+、Eu3+的含量，可以得到在藍光激發(fā)下發(fā)出470～700nm的連續(xù)光譜。同一基質(zhì)的熒光粉在封裝過程中會體現(xiàn)出更多的優(yōu)勢。

半導(dǎo)體納米晶熒光粉也是近年研究比較熱門的一個方向，因其有望改變目前LED對稀土材料的依賴，突破國外專利壁壘。同時，半導(dǎo)體納米晶熒光粉具有尺寸小、波長可調(diào)、發(fā)光光譜寬、自吸收小等特點，在白光LED應(yīng)用中具有潛在的市場。

2.3 散熱基板

隨著LED技術(shù)的發(fā)展，功率越來越高，LED芯片的熱流密度更大，對封裝基板材料熱阻和膨脹系數(shù)的要求也越來越高。散熱基板發(fā)展迅速，品種也比較多，目前主要由金屬芯印刷電路板、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料，見表1。

金屬芯印刷電路板(MCPCB)是將原有的印刷電路板(PCB)附貼在另外一種熱傳導(dǎo)效果更好的金屬(鋁、銅)上，以此來強化散熱效果，而這片金屬位于印刷電路板內(nèi)。這種技術(shù)能有效解決大功率器件在結(jié)構(gòu)緊湊的趨勢下所帶來的散熱問題。MCPCB熱導(dǎo)率可達到1～2.2 W/(m·K)。

由于MCPCB的介電層沒有太好的熱傳導(dǎo)率(其熱導(dǎo)率為0.3W/(m·K))，使其成為散熱器的散熱瓶頸。金屬基散熱板具有高的熱導(dǎo)率，能為器件提供良好的散熱能力。將高分子絕緣層及銅箔電路與環(huán)氧樹脂黏接方式直接與鋁、銅板接合，然后再將LED配置在絕緣基板上，此絕緣基板的熱導(dǎo)率就比較高，達1.12 W/(m·K)。

陶瓷材料封裝基板穩(wěn)定性好，可能是最有前景的研究方向。與金屬材料封裝基板相比，其省去絕緣層的復(fù)雜制作工藝。多層陶瓷金屬封裝(MLCMP)技術(shù)在熱處理方面與傳統(tǒng)封裝方法相比有大幅度的改善。新型的AlN陶瓷材料，具有導(dǎo)熱系數(shù)高、介電常數(shù)和介電損耗低的特點，被認(rèn)為是新一代半導(dǎo)體封裝的理想材料。陶瓷覆銅板(DBC)[12]也是一種導(dǎo)熱性能優(yōu)良的陶瓷基板，所制成的超薄復(fù)合基板具有優(yōu)良電絕緣性能，高導(dǎo)熱特性，其熱導(dǎo)率可達24～28W/(m·K)。

對于LED封裝應(yīng)用而言，散熱基板除具備基本的高導(dǎo)熱和布置電路功能外，還要求具有一定的絕緣、耐熱、相匹配的膨脹系數(shù)。透明陶瓷材料技術(shù)，不僅具備高散熱效率、耐熱電、膨脹系數(shù)匹配等性能外，同時還有望在封裝器件的光學(xué)性能上有所突破，實現(xiàn)全空間發(fā)光LED封裝。

2.4 熱界面材料

目前對于散熱的研究人們更多的注重芯片、基板、散熱器的材料和結(jié)構(gòu)，卻往往忽略了熱界面材料的影響。熱界面材料是用于兩種材料間的填充物，在熱量傳遞過程中起到橋梁的作用。LED燈具是一個多層結(jié)構(gòu)的組合體，若要快速導(dǎo)出芯片產(chǎn)生的熱量，盡量減小材料之間的熱阻，提高導(dǎo)熱率，熱界面材料的導(dǎo)熱性能在其中至關(guān)重要。目前用于LED封裝的熱界面材料有四種方式：導(dǎo)熱膠粘劑、導(dǎo)電銀膠、錫膏和錫金合金共晶焊接。

導(dǎo)熱膠是在基體內(nèi)部加入一些高導(dǎo)熱系數(shù)的填料如SiC、AlN、Al2O3、SiO2等，從而提高其導(dǎo)熱能力。導(dǎo)熱膠的優(yōu)點是價格低廉、具有絕緣性能、工藝簡單，但導(dǎo)熱性普遍較差，熱傳導(dǎo)系數(shù)在0.7W/(m·K)左右。

導(dǎo)電銀漿是在環(huán)氧樹脂內(nèi)添加銀粉，其硬化溫度一般低于200℃，熱傳導(dǎo)系數(shù)為20W/(m·K)左右，具有良好的導(dǎo)熱特性，同時粘貼強度也較好，但銀漿對光的吸收比較大，導(dǎo)致光效下降。小功率LED芯片發(fā)熱量少，通過導(dǎo)電銀膠作為粘結(jié)層完全可以解決散熱以及可靠性問題[13]。導(dǎo)電錫膏的熱傳導(dǎo)系數(shù)約為50W/(m·K)，一般用于金屬之間焊接，導(dǎo)電性能也很優(yōu)異。

錫金合金共晶焊接利用金屬的共晶點將兩種金屬焊在一起，適合作為大功率LED芯片的粘結(jié)材料。Kim等[14]通過比較導(dǎo)熱導(dǎo)電銀膠、Sn-Ag-Cu釬料和Au-Sn共晶釬料作為熱界面材料的散熱性能，發(fā)現(xiàn)對于SiC襯底片與Si基板的鍵合，Au/Sn共晶釬料的封裝熱阻明顯低于銀膠和Sn-Ag-Cu釬。

目前國內(nèi)熱界面材料遠遠落后于國外水平，隨著LED封裝集成度的提高和熱流密度的增大，需要更高導(dǎo)熱效率的新型熱界面材料，以提高LED封裝器件間的熱量傳遞能力，如利用石墨烯、碳納米管、納米銀線作為填料進行復(fù)合，同時利用無機官能團對基料進行修飾等制備出低熱阻新型復(fù)合熱界面材料技術(shù)。對于LED封裝應(yīng)用而言，理想的熱界面材料除了具備低熱阻外，還應(yīng)有相匹配的膨脹系數(shù)和彈性模量，以及較好的機械性能、熱變形溫度高、成本較低等要求。

3 封裝結(jié)構(gòu)

在LED芯片技術(shù)的快速發(fā)展下，LED產(chǎn)品的封裝形式也從單芯片封裝方式發(fā)展到多芯片封裝方式。它的封裝結(jié)構(gòu)也從引腳式(Lamp)封裝到貼片式(SMD)封裝，再到基板表面組裝(CoB)封裝和遠程熒光(RP)封裝技術(shù)，見圖3。

圖3 封裝結(jié)構(gòu)Fig.3 The structures of package

引腳式封裝(Lamp)采用引線架作各種封裝外型的引腳，是最先研發(fā)成功投放市場的LED封裝結(jié)構(gòu)，品種數(shù)量繁多，技術(shù)成熟度較高。表面貼裝封裝(SMD)因減小了產(chǎn)品所占空間面積、降低重量、允許通過的工作電流大，尤其適合自動化貼裝生產(chǎn)，成為比較先進的一種工藝，從Lamp封裝轉(zhuǎn)SMD封裝符合整個電子行業(yè)發(fā)展大趨勢。但是在應(yīng)用中存在散熱、發(fā)光均勻性和發(fā)光效率下降等問題。

CoB(Chip on Board)封裝結(jié)構(gòu)是在多芯片封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，CoB封裝是將裸露的芯片直接貼裝在電路板上，通過鍵合引線與電路板鍵合，然后進行芯片的鈍化和保護[15]。CoB的優(yōu)點在于：光線柔和、線路設(shè)計簡單、高成本效益、節(jié)省系統(tǒng)空間等[16]，但存在著芯片整合亮度、色溫調(diào)和與系統(tǒng)整合的技術(shù)問題。

遠程熒光封裝技術(shù)(RP)是將多顆藍光LED與熒光粉分開放置，LED發(fā)出的藍光在經(jīng)過反射器、散射器等混光后均勻的入射到熒光粉層上，最終發(fā)出均勻白光的一種LED光源形式。與其他封裝結(jié)構(gòu)相比，RP封裝技術(shù)性能更為特出：首先，是熒光粉體遠離LED芯片，熒光粉不易受PN結(jié)發(fā)熱的影響，特別是一些硅酸鹽類的熒光粉，易受高溫高濕的影響，在遠離熱源后可減少熒光粉熱猝滅幾率，延長光源的壽命。其次，熒光粉遠離芯片設(shè)計的結(jié)構(gòu)有利于光的取出，提高光源發(fā)光效率。再者，此結(jié)構(gòu)發(fā)出的光色空間分布均勻，顏色一致性高。近年來，紫外激發(fā)的遠程封裝技術(shù)引起人們的高度關(guān)注，相比傳統(tǒng)紫外光源，擁有獨一無二的優(yōu)勢，包括功耗低、發(fā)光響應(yīng)快、可靠性高、輻射效率高、壽命長、對環(huán)境無污染、結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點，成為世界各大公司和研究機構(gòu)新的研究熱點之一。

4 發(fā)展趨勢

近年來國內(nèi)外眾多科研機構(gòu)和企業(yè)對LED封裝技術(shù)持續(xù)開展研究，優(yōu)良的封裝材料和高效的封裝工藝陸續(xù)被提出，高可靠性的LED照明新產(chǎn)品相繼出現(xiàn)，如：LED燈絲、軟基板封裝技術(shù)等(如圖4所示)，同時具備一定的使用性能要求。

圖4 新型封裝技術(shù)Fig.4 The new packaging technology

在對新型材料的不斷研制下，超導(dǎo)電和超導(dǎo)熱材料相繼問世，為LED封裝技術(shù)的進一步發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)，如石墨烯。中國科學(xué)院半導(dǎo)體所發(fā)明了以石墨烯作為導(dǎo)熱層的倒裝結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管，利用石墨烯優(yōu)越的導(dǎo)電性能，使得部分熱量可以經(jīng)由石墨烯導(dǎo)熱層傳遞到襯底上，增加了器件的導(dǎo)熱通道，提高了散熱效果[17]。

目前LED芯片采用低壓直流驅(qū)動，這需要在電源驅(qū)動器中進行降壓整流處理，從而引起能量損耗和可靠性問題。為此，人們分別提出采用高壓的LED芯片和交流的LED芯片進行改善。2008年9月，臺灣工研院以芯片式交流電發(fā)光二極管照明技術(shù)(On Chip Alternating Current LED Lighting Technology)獲得美國R&D 100 Awards肯定。AC LED(Alternating Current LED)具有低能耗、高效率、使用方便等優(yōu)異性能，同時也顛覆了傳統(tǒng)LED的應(yīng)用。

三維封裝技術(shù)對于LED封裝而言是一種全新的概念，它對設(shè)計思路和理念、材料特性以及封裝技術(shù)本身提出更多創(chuàng)新性的要求。三維打印技術(shù)從出現(xiàn)到今天，有了長足的提高，使LED三維封裝技術(shù)成為一種可能，但目前存在許多需要克服的難題，如材料的復(fù)合制備、材料間熱應(yīng)力平衡控制、生產(chǎn)效率等。因而可以說基于三維打印技術(shù)的LED封裝技術(shù)仍是較為遙遠的設(shè)想。

從長遠來看，LED封裝技術(shù)需要加快針對三維封裝的封裝材料、封裝結(jié)構(gòu)以及多功能系統(tǒng)化集成的探究，按照集成電路的封裝概念，提高LED封裝的微型化，采用無鍵合金線的封裝方法，實現(xiàn)高光效光源模組器件的散熱能力，解決LED應(yīng)用中光、熱、電三者的矛盾，最終實現(xiàn)智能系統(tǒng)化的LED封裝技術(shù)，滿足日益復(fù)雜的LED應(yīng)用要求。

5 結(jié)語

隨著LED功率化、高效化、低成本、高可靠性的不斷發(fā)展，對封裝技術(shù)的要求將越來越苛刻，尤其是封裝材料和封裝工藝。封裝技術(shù)比較復(fù)雜，需要綜合考慮光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、結(jié)構(gòu)等方面的因素，同時低熱阻、穩(wěn)定好的封裝材料和新穎優(yōu)異的封裝結(jié)構(gòu)仍是LED封裝技術(shù)的關(guān)鍵。在新的封裝材料與新的封裝結(jié)構(gòu)完美的結(jié)合下，舒適、美觀和智能化的LED照明產(chǎn)品將不斷涌現(xiàn)。

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