提高大功率LED散热和出光封装材料的研究

　　作为环保节能的新一代绿色光源和照明技术，大功率LED近年来得到快速发展。大功率LED尚存在散热不畅和出光率不高的问题，因为散热直接影响到LED的可靠性，进而影响到其寿命及应用，基金项目：国家自然科学基金资助项目（50675130）；教育部新世纪优秀人才计划、上海市科技攻关项目（06DZ11403）；上海市重点学科资助项目（Y0102）而出光率低直接制约了LED的发展，所以对LED散热和封装光学设计的研究就显得格外重要。封装互连材料在提高大功率LED散热和出光方面作用突出，贯穿到LED芯片、器件、系统多个层次。

　　主要封装互连材料有粘结材料、荧光粉、灌封胶、散热基板等。粘结材料和基板是LED散热的关键环节，需要根据不同的应用选择合适的粘结材料和基板>2.出光率的提高关键在于灌封胶和荧光粉的选择与应用。

　　1粘结材料目前LED光电转换效率较低，70甚至更高的电能要转换成热量。分析LED器件结构和材料组成，发现由于LED封装结构和封装材料的影响，芯片侧表面和上表面的散热能力极差。因此，LED产生的热量绝大部分是通过热传导的方式传到芯片底部的热沉，再以热对流的方式耗散掉。正装芯片与倒装芯片的散热结构都有一个粘结层（如），从表1中可以明显看出，在所有传热结构中粘结剂的导热系数小，所以粘结层对芯片、器件的散热影响为严重。

　　（b）倒装芯片二极管芯片结构Fig.表1封装材料的导热率（衿材料导热银浆蓝宝石1.1导热胶环氧树脂和有机硅作为聚合物本身散热性能较差，导热胶是在基体内部加入一些高导热系数的填料，如SiC、AlN、Al2O3、SiO2等，从而提高其导热能力。导热胶的优点是价格低廉，具有绝缘性能，工艺简单，控制也没有银浆那么严格，但导热性普遍较差。

　　1.2导电银浆导电银浆是将银粉加入环氧树脂中形成的一种复合材料，粘贴的硬化温度一般低于200°C，具有良好的导热特性、粘结性能可靠等优点，但银浆对光的吸收比较大，导致光效下降。同样条件下，银浆与导热胶相比，初始光通量会相差较多。小功率LED芯片发热量少，所以通过导电银浆作为粘结层完全可以满足散热性好、寿命长及可靠性高的要求。

　　3合金焊料大功率LED芯片由于发热较多，所以对粘结剂的要求更为严格。一般粘结剂如导热胶、导电银浆都无法满足要求，只能考虑硬钎料，为常用的钎料有三种：AxrSn、AtrGe和AtrSi.LED对高温比较敏感，共晶键合温度分别为361°C的AtrGe、AtrSi不合适，而AtrSn的共晶温度只有280°C，完全适合做大功率LED芯片的粘结材料。

　　为克服传统工艺键合层产生的大量空洞，将J. S.Kim等人的Si芯片AtrSn共晶键合实验工艺在LED上实现（见）。首先将W、Ti、Cr以及表2三种粘结材料在LED应用上的性能比较Tab.2PerformancescomparisonofthreeadhesivematerialsappliedinLED导热性能导电性能成本粘结牢度寿命工艺难度导热胶差不导电低低长简单银浆一般导电中中较长简单合金焊料优良导电高高长久复杂AtrSn等相关金属层镀在Al基板上，在430°C下通过回流焊使基板上的金属成为均勾的Aua）Sn20合金组织，然后再在320°C条件下通过共晶焊将芯片键合到Al基板的AtrSn合金层上。对键合器件进行破坏实验得知，芯片先于键合层断裂，从而在大功率LED的键合上可以在满足散热（AtrSn热导率57W/mK）的基础上满足键合强度的要求。三种粘结材料在LED应用上的性能比较，见表2. 2封装的光学设计光通量与光效取决于内量子效率、荧光粉转换效率以及灌封胶的选择等，因此，正确的选择灌封胶和准确的选择涂覆荧光粉可以提高出光效率。

　　2.1灌封胶在LED使用过程中，复合产生的光子在向外发射时易损失，很多光线无法从芯片中射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层（如硅胶），由于该胶层处于芯片和空气之间，从而能有效地减少光子在界面的损失，提高了取光效率。此外，LED灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护、应力释放，并作为一种光导结构17.因此，要求灌封胶具有高透光率、高折射率、好的热稳定性和流动性、易于喷涂等。为提高LED封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐温环保等特性。

　　目前常用的灌封胶包括环氧树脂和有机硅11（>11.环氧树脂耐热性不高、透光率低，但可以通过化学改性环氧树脂，例如A.Okun.等人研制出一种特别的透光环氧树脂灌封胶。而有机硅由于具有透光率高（可见光范围内透光率大于99）、折射率高（1.4~1.5）、热稳定性好（能耐受200°C高温）、应力低（杨氏模量低）、吸湿性低（小于0.2）等特点，明显优于环氧树脂，在大功率LED封装中将得到广泛应用。道康宁、信越等大公司已开发出大功率LED专用有机硅灌封胶。

　　2.2荧光粉LED封装荧光粉的作用在于光色复合，形成白光。荧光粉主要是YAG钇铝石榴石荧光粉，其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性（热和化学）等，其中，发光效率和转换效率是关键。荧光粉的选择必须满足两个条件11（717：一是互补性，即荧光粉材料本身的发射光谱，必须能与芯片的发射光谱混合成白光；另一个是匹配性。由于荧光粉的转换效率与波长有关，因此，荧光粉的激发波长必须与所用芯片的发射波长相匹配，这样才能获得较高的光转换效率（要求转换效率大于105h后光转换效率衰减小于15）。

　　研究表明，荧光粉的性能受温度影响较大，随着温度上升，荧光粉转化效率会降低，从而引起白光LED色温、色度的变化，较高的温度还会加速荧光粉的老化。目前，荧光粉的均匀涂覆是封装工艺中的一个难点。

　　3基板在系统散热方面，尤其是大功率LED，选择合适的基板，对其散热性和可靠性都具有重要影响，而目前基板主要有陶瓷基板、金属基板和复合基板。

　　3.1陶瓷基板陶瓷基板主要是LTCC基板和AlN基板。LTCC基板具有诸多优点：易于成型、工艺简单、成本低而且容易制成多种形状。

　　现在常用的AI2O3基板，由于热导率低，已不能满足这种要求。BeO基板虽然热导率高，但其线膨胀系数与Si相差很大，且制造时有毒，限制了自身的应用。而AlN基板由于具有理论值为320W/mK（纳米级AlN）的高热导率、线膨胀系数（46父10-6厂）与3丨接近、电性能优良、机械性能高且无毒，G.Mitic等人研究表明，AlN除了具有较高的热特性和较高的导电特性外，硬度与A1基板相近。另外，选择AlN的另外一个重要原因还在于AlN基板除了具有高导热特性外还具有高绝缘特性，所以AlN陶瓷基板的高导热率、高硬度以及绝缘性使AlN陶瓷基板在大功率LED封装应用上具有广阔的前景。

　　3.2金属基板A1或A1合金密度小、价格低、加工性好，是LED封装基板的优良材料，由于金属材料的导电性，为使其表面绝缘，往往需通过阳极氧化处理，使其表面形成薄的绝缘层。

　　60Wm厚的A1基板上封装了微米级大功率MMIC芯片，利用A1基板可以降低封装成本，而且A1基板Al基板封装截面图这种表面经阳极氧化并制作了相关电路的Al合金基板与LED芯片间存在热膨胀系数匹配问题。

　　由于Cu具有更优良的导热导电性能，所以Cu基板也被广泛地应用。M.Kneissl等人研究了将激光剥离了蓝宝石衬底后的激光二极管直接键合到Cu基板上，芯片产生的热直接通过Cu基板散射出去，提高了光输出功率。

　　人研究了一种新的氧化方法，此方法氧化的结构中较传统方法内部散布的小微粒少得多，CuO与芯片的粘结强度非常高，而且此工艺对其他金属镀层（Au、Ag）没有影响。

　　大功率LED对散热要求较高，用小功率集成的方法来制作大功率白光LED会使得尺寸较大，为此可提高单颗LED的功率。J.T.Chu等人研究了将激光剥离了蓝宝石衬底后的芯片直接键合到Cu基板上，用Cu做基板的1芯片，散热良好、发光均匀，而且驱动电流增加大1A时输出功率仍然没有衰减，比较适合照明用光源。

　　3.3复合基板单一材料很多场合下无法满足封装的需求，此时需要把几种材料结合起来以获得高热导率低膨胀的金属基复合材料，从而使得基板的性能得到加强，满足封装需求。金属基复合材料（如AlSiC）将金属材料（Al）的高导热性和增强体材料（SiC）的低热胀系数结合起来，具有热导率高（>200W/mK）、热膨胀系数（CTE）可调、比重小、强度和硬度高、制造成本低等优点。金属基复合材料主要有Cu基复合材料、Al基复合材料。

　　M.A.Occhioneio等人1261探究了AlSiC在倒装芯片、光电器件、功率器件及大功率LED散热基板上的应用，在AlSiC中加入热解石墨还可以满足对散热要求更高的工况。

　　未来的复合基板主要有五种：单片电路碳质材料、金属基复合材料、聚合物基复合材料、碳碳复合材料和金属合金127. Al基复合基板在微电子、微波电子、光电子等功率型半导体封装中得到广泛应用，并已开始应用于大功率LED封装中。三种封装用基板性能，见表3.表3三种封装用基板性能对比导热性能绝缘性能成本陶瓷基板绝缘较小高金属基板237（未计氧化局非绝缘存在匹配问题低复合基板绝缘可调高结语由于LED封装结构的特殊性，散热通道经由发光层、衬底、粘结层、基板等多个环节，而在这多个环节中，粘结材料层是热导率低的一个环节，因此提高粘结层的热导率将会使得LED的散热提高一个层次。导热胶、导电银浆由于成本低、工艺简单，适合于小功率LED封装，合金焊料具有高的热导率和粘结强度，适合于大功率LED封装。此外灌封胶和荧光粉，尤其是荧光粉的均匀涂覆，对提高大功率LED出光率以及控制出光色温的一致性有重要的作用。基板作为热与空气对流的载体，其热导率的大小对LED的散热好坏起着决定作用，陶瓷基板（LTCC与AlN基板）与复合基板是未来大功率LED封装趋势。因此通过选择优良的粘结材料与性能优越的基板将会解决大功率LED的散热瓶颈，从而大大提高LED的散热能力以及可靠性；此外优良的灌封胶和荧光粉也是封装高性能LED的必须条件，散热瓶颈的解决将会使LED终进入通用照明。

　　热超声键合由于具有低的键合温度，是未来的一个主要键合方式，K.Zhao等人研究了热超声键合的失效模式及键合参数，这将有助于热超声键合在LED封装中的进一步发展；此外，多芯片大功率模块集成、散热、出光、二次光学设计以及可靠的驱动电路设计等都是未来的研究重点。