大功率发光二极管技术

一、引言

随着这几年来瓦级大功率发光二极管在路灯等照明领域的应用逐步深入和其半身的生产技术的不断突破，发光效率的提升，对大功率发光二极管封装提出了更高的要求，特别是如何提高封装的散热能力、提高发光效率和实现大功率发光二极管封装产业化以降低每流明的成本上，对各家封装厂商都是提出了一个又一个的挑战。

二、目前主流封装结构及缺点

目前国内及台湾地区主流的批量封装结构为在蓝光芯片表面用点胶机涂布荧光粉和硅胶，蓝光芯片发出的光激发荧光粉产生黄光，并且黄光与蓝色光通过透镜原理互补结合成人眼能见的虚拟白光。这种封装形式的优点在于生产成本较低，生产工艺相对简单方便，易于批量化生产。但是其缺点也是非常好明显的，第一由于点胶机器的点胶量一致性较差，从而使荧光粉的含量区别也比较大；第二荧光粉易沉淀导致大功率反光二极管的出光面均匀性差；第三荧光粉是分布在芯片的四周，但是其在四周的接触面积不一样，加上芯片发出的光也是以法向光线为主，所以造成其色调一致性不好，会产生黄蓝圈现象；第四色温不稳定，色温变化幅度较大；第五显色性不够理想，这是因为其光谱中缺少红光成份。第五在长期可靠性点亮的时候，由于芯片发光的同时发出的热量把在芯片表面的树脂黄化，从而造成亮度衰减大。

三、封装结构选择

为考虑产业化要求，我们研究组选择二次电热分离复合式结构，大功率发光二极管支架封装通过自动生产线生产，等封装完成后再通过回流焊跟散热基板复合，中间通过导热柱把芯片发出的热量热沉到散热基板上，任何通过散热基板散发掉。这样的封装形式区别于国内一般厂家直接把发光二极管芯片固定焊接在散热基板上后通过封胶形成的COB形式。此方法有以下优点：

1、适合产业化要求

因为COB铝散热基板公差较大如果直接把发光二极管安装在散热基板上在自动化设备下会产生发光二极管位置偏差较大，而且一般不同的散热要求其散热基板面积大小、厚度大小也不一致，规格型号的不一样也不适合在自动化设备下大规模产生，因为其自动化设备需要统一的标准样式来批量生产。而我公司采用现有的大功率支架封装，颗与颗之间一致性好，适合产品批量化生产，这样的支架形式就可以解决了以上COB封装中存在的问题。并且可以把不同的聚光棱镜集成封装在发光胶体内，不会产生COB封装的棱镜是外部加入而出现光能损失和随着时间的推移出现棱镜脱离等不良现象。

2、复合方便，结构多样，可行成行业统一标准

当大功率发光二极管支架封装完后可以跟不同的散热基板复合结构多样，并且采用焊锡把支架和散热基板较好的焊接在一起，增强大功率发光二级管的导热、散热能力，减少了因为热而产生的反光二极管发光效率的降低。不同大功率发光二极管支架但是一样的散热基板，一样可以行成统一封装的样式，也就是统一了客户使用标准和使用方式。

而当客户如果已经设计了散热支架，并不需要发光二极管附有散热基板的时候，我们就可以不带有散热基板，并且这样产品出货也可以采用支架包装形式，解决客户使用需要人工的一颗一颗焊接问题，降低了其在客户端使用的成本，降低了照明模组的成本，降低了单位流明成本。

四、大功率发光二极管封装所用材料选择

1、大功率发光二极管所用封装胶体

大功率发光二极管封装区别于传统发光二极管所用A，B胶或其它环氧树脂，一般会选用软性硅胶。因为环氧树脂固化后内应力较大且比较脆，当大功率发光二极管晶片发光时所产生的热能会使胶体、支架、金丝、芯片、银浆膨胀，而不同的热膨胀系数加上环氧应力大、耐高温差（T低）导致拉断导线、胶体与支架外壳开裂、银浆与芯片出现开裂，出现各种发光二极管失效现象。所以大功率封装所用胶体需选择固化后还软弱且内应力比较小、与PPA的粘合性好的硅胶，硬度跟果冻相似。

2、另外硅胶的光学特性上，比如透光率，耐紫外光，热胀冷缩，弹性曲率等特性上都优于环氧树脂，粘度也比较适合，与荧光粉混合后也不会使荧光粉很快的沉淀。但是唯一的缺点就是价格相对较高。

以下为硅胶跟环氧树脂性能比较

项目环氧树脂有机硅灌封材料常温电气绝缘性能优优高温电气绝缘性能（100℃以上）差优防潮性能一般情况下优异，但环氧树脂在灌封和冷热交变中易出现细小裂缝防潮性能变的很差较优固化物硬度高（很硬）软耐紫外线和大气老化性能较差优异内应力较高很低耐温性一般：-30℃～120℃一般：-60℃～200℃吸湿性较低低另外选择硅胶是为了取光性的原因。由于蓝光晶片本身的折射率平均都在2以上，所以选择折射率跟晶片折射率相接近的封装材料可以更好的从晶片内部把光线取出.硅胶的折射率高达1.55以上，比环氧树脂高很多.所以用硅胶封装比环氧树脂封装发光二极管发光会更亮，且光线被有效取出后晶片本身的温度会比光线折射在晶片内部要低.从而可以延长晶片本身寿命。

3、大功率发光二极管所用封装支架

选择跟lumin发光二极管相类似的支架结构，电热分离设计，加厚统一标准的散热基板，并根据不同的场合考虑采用合金铝、纯铝以及铜支架、合金铜支架，这样可以考虑不同应用散热和反光角度要求来选择使用。目前我们比较流行的标准为铝基覆铜板，因为其成本和发光效率相对比较稳定。

五、荧光粉涂布

用传统胶体跟荧光粉混合，因荧光粉密度较大，所以在一定的时候后会产生荧光粉沉淀，影响荧光粉的分布均匀性，从而影响了发光颜色的一致性。且涂布后荧光粉颗粒与晶片间距不一致，一定会生产黄圈或蓝圈现象，颜色一致性非常差。

为了解决涂布均匀问题，可以在支架上先按照晶片尺寸要求集成小方形透明模组，起到规范荧光粉涂覆范围的作用。然后再把晶片固定在透明模组正中间的位置。再选择粘度比较高的硅胶做为荧光粉的基胶。混合均匀后直接涂布在模组上，使荧光粉控制在模组之内而不溢出，这样的封装形式

可以达到相同面积的荧光粉胶体的面积，涂布出来的荧光粉数量一致性较好，从而提高大功率发光二极管的演色性和一致性问题，并有效解决一般厂商封装的黄圈或蓝圈现象。

六、封装可靠性要求

为确定大功率发光二极管的可靠性，我公司从防芯片受到静电反向击穿，流明的保持性，防死灯缺亮等方面入手，在大功率发光二级管封装的时候一一的给与优化解决。

防静电反向击穿方面：在大功率发光二极管内部背靠背集成二颗齐纳二极管，由于大功率发光二极管的逆向导通电压通常大于10v，因此逆向电流可以通过背靠背的齐纳二极管（不流进大功率发光二极管内部）如此可以避免受过载电流反向电压伤害。并且可以有效避免ESD突然伤害。

流明保持性方面：要充分考虑到散热性，如何把热量及时散出，是封装的一个课题。我司主要控制在回流焊时支架、基板要和锡膏充分结合；支架底部导热圈尽量增大等来提高散热。如果长期暴露在温度过高的周围中，尤其在湿度相当高时，则还可能使透镜就黄、荧光粉过热衰减。黄变后的发光二极管流明数会有一定的下降。所以在使用时要考虑周围环境影响和散热能力。

防死灯缺亮方面：由于大功率发光二极管发热量比较大，如果用普通的导线焊接在热膨胀时会拉断导线所以在大功率导线选择方面选择粗导线进行焊接。且在第二焊点月牙形原点进行加固处理。

当然在封装中的各个环节：点银浆、烘烤，点硅胶、烘烤等各个环境控制也很重要，防止因为灰尘和空气中S污染而影响芯片和胶水的结合问题，并有效控制环境的湿气，加强产品的气密性，从而保障产品不出现高温下氧化情况的产生。

七、结束语

照明级大功率发光二极管已经将成为继白炽灯，荧光灯之后的第三代照明光源，如前其在大功率路灯、隧道灯等道路照明场合和绿化照明使用上已经越来越广泛。而其发光效率也越来越提高，已经非常接近普通的荧光灯的效率。其成本的越来越低，单位流明效率的降低，使其在球泡灯等室内照明场合的应用也越来越多，产业化封装大功率发光二极管模式的出现也必将大功率发光二级管逐步走向照明的之路。