功率型LED封装技术探讨

摘 要：LED作为第四代光源，其独特的结构与发光原理对于日常生活照明与资源高效利用具有重要意义。近年来LED芯片功率呈现出逐渐增高的发展趋势，这就对于LED灯管的发热量控制与出光率提出了更高的要求，也為当今LED的封装技术带来了更为严峻的挑战。本文将在对功率型LED的整体结构进行阐述的基础上，进一步对其关键封装技术进行探讨。

关键词：功率型LED；结构，封装技术；技术探讨

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

0 引言

当前，由于LED所具有的使用寿命长、能源利用率高、整体结构稳固以及发光速度更快等优点，它已经逐渐成为当今社会的主流照明方式。对于LED发光技术的研究与推广运用，对于能源节约与环境保护具有重要意义。所以对于功率型LED发展技术研究已经成为当前业界重要的研究课题。

1 功率型LED的主要结构以及封装方式

1.1 功率型LED的主要结构形态

LED （Light Emitting Diode），即发光二极管，其本质是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED一般主要由氮元素、磷以及砷元素的化合物构成，其核心结构目前主要有三种形式，即正装结构、倒装结构与垂直结构。

正装结构会对LED芯片的工作效率造成一定影响，但也能够通过蓝宝石衬底将发光过程中产生的热量发散出去。正装结构的缺点在于其导热路径较长，而且导热材料的导热性能相对较差，这将对于LED芯片的工作效率产生消极影响，并且其中的附件将降低光源亮度。

倒装结构是由Lu mi Eds Lighting 公司所发明，此种结构的主要原理是在较大尺寸的LED核心芯片以及对应尺寸的硅底板之上进行导电层的刻镀工作，最后再利用专业的焊接设备将其进行完整连接。倒装结构相对于正装结构，其发光过程中的热源发散效率更高，对于芯片工作效率的影响相对较小，但是其对于焊接技术与衬底材料的材料工艺要求更高。

垂直结构的主要结构形态就是将两个相异电极分别布置在外延片的两侧，这种结构的最大特点就是它能够使得电流能够保持较高效率基础上径直通过LED灯管的外延层，最大限度减低了发光过程中的电流阻塞。目前，在垂直结构的基础上，进行较大功率的发电技术已经成为LED行业发展的主流方向[1]。

1.2 功率型LED的封装方式

目前业内对于功率型LED的封装方式主要包括两种，即人工封装方式与自动封装方式。人工封装方式是指利用人力劳动完成LED的整个组装过程，这种封装方式主要适用于新型LED灯管的样品制作以及小规模的生产制作。而自动封装方式是指利用专业的机械设备或完整的自动化生产线，完成LED的全部组装工作。这种方式效率较高，适用于技术成熟，能够大规模生产运用的LED产品的封装。

2 功率型LED封装过程中的关键技术

2.1 散热技术

由于LED发光的主要原理是利用电子在不同能带之间进行跃迁进而散发出光，且这种光源较为独特，其中不含红外成分，所以其发光过程中产生的热量并不能依靠辐射散发出去。这种热量在外界电场的影响下，会将发光过程中多余的能量转化为热能进行释放。但是结合目前LED的发光效率看来，一般也只能达到20%左右，这就意味着其余将近80%的能量将直接转化为热能，这对于提高LED发光效率，促进能源节约无疑是非常不利的。并且在LED的发光过程中，如果不能将芯片产生的热量及时有效的散发出去，将会直接导致LED中荧光粉取光效率降低，缩短相关元器件的使用寿命[2]。

在当今主流的封装结构中，散热方式一般是在外层使用环氧树脂进行覆盖，衬底以蓝宝石作为导热材料，但是环氧树脂与蓝宝石本身的导热性能并不突出，这就使得LED封装结构目前的导热性能整体低下，这对于LED发光过程的稳定性造成了较大影响。为满足LED散热的需要，业界对于新型的散热基础材料进行的深入研究，其中主要研究成果包括低温共烧陶瓷金属基板、高导热性覆铜陶瓷板、金属基复合材料以及复合材料等这些材料在通过Colombo软件做热分析的过程中，其散热性能较之当前材料都有较大进步。

2.2 取光技术

当电能通过LED灯管时，除去发光之外多余的能量将产生大量的光子，但是这些光子并不能全部进入到空气之中，这主要是因为折射定律的作用以及环氧树脂等材料透光性能的低下，这对于LED的发光效率将会产生直接影响。

在目前LED封装技术中，对于发光芯片采用倒装焊接技术能够一定程度上提高LED的发光效率。这主要是因为对蓝宝石进行倒装焊接后使其成为发光媒介，这将大大减少电子对于各个方位进行光源散发的影响。但是这种技术要求在芯片主要的发光电极之下增加高反光率的反射层对光源进行反射，否则还是将会造成光源的浪费。所以在进行功率型LED封装过程中，对于底板的安装必须对于反射层进行科学设置，对于发光芯片的各个侧面也应该设置发光面以有效提高LED的整体发光效率。在进行反光面的设计过程中，可以采用CAD建模的方式进行各种方案的发光效果评估，再进行全面对比，采用最为高效的方案进行反光面的设置。

在正装结构LED的封装过程中，应该在其蓝宝石衬底以及环氧树脂导热层的结合处使用硅胶材料进行覆盖，这能够大大改善正装结构LED的发光效率。此外，在功率型LED的封装过程中，对于其顶部透镜的设计对于LED的整体取光效果也会产生直接影响。在当前LED的组装过程主要有凸透镜、凹透镜、球型镜以及菲涅尔透镜等几种主要透镜形式，但是这些透镜的封装方式对于LED的整体采光效能的提高各有所限制。所以在近年来LED取光技术的研究运用过程中，已经逐渐开始采用微透镜阵列的形式代替传统透镜形式的使用。这种新型的透镜不仅排列精度更高、制作成本更低，而且能够有效提高LED的整体取光效率[3]。

2.3 荧光粉涂装技术

在LED的封装过程中，对于荧光粉的涂装技术要求较高。这主要是因為荧光粉在LED的光源散发过程中能够对光色进行调和，使得LED的光源更加均匀柔和。如果荧光粉的涂装技术达不到要求，使得荧光粉的涂装LED灯管上出现粉体厚度不均匀的现象，则会导致LED在光源散发的过程中出现局部偏色的现象，影响LED光源的美观效果与整体运作性能。

以往的在LED封装过程中，对于荧光粉的涂装方式一般是先将荧光粉与专用胶体按照一定比例进行调和，然后直接将这两者的混合物涂装在LED 芯片的表层位置。但是使用这种涂装工艺进行荧光粉的涂装容易形成荧光粉涂层的不规则弯曲，对LED的光源散发造成不利影响，使其出现在发光过程中发散出不规则的黄光或者蓝光。

目前，美国相关企业已经研发出保形荧光粉涂装技术，这种新型

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的涂装技术能够使得荧光的涂装更为均匀，能够保证LED光源散发符合设计需求。保形荧光粉涂装技术主要是通过增强胶体的感光性，通过胶体的对于LED光源的感应完成荧光粉的均匀涂装，并且通过其中芯片的控制，能够在涂装过程中对其涂装形状进行精确控制。这种涂装方式能够实现对于LED光源色度与均匀性的更好控制，但是其技术要求较高，国内对于此种技术更是知之甚少。所以国内当前一般是采用粉浆法进行荧光粉的涂装，具体方式也是将荧光粉与感光胶相调和，再利用其感光性在LED表面形成一层均匀的荧光粉层。这种方式技术难度较低，但也同样能够克服当前LED荧光粉涂装技术产生的弊端，实现对于光源均匀度、色度的有效控制。

3 CAD模块在电子封装中的应用

在电子封装领域，CAD技术得到了良好的应用，作为一种计算机辅助设计技术，CAD模块极大的提高了封装的效率和智能化。功率型LED的封装具有一定的难度，而CAD模块的设计初期就具有同步系统层面设计，能够实现同步仿真设计，并实现封装验证、仿真和版图设计的一体化。当前智能CAD已经能够适应新一代封装产品的设计需求，运用超变量几何技术，从而实现三维产品的设计。

4 结语

LED照明技术具有巨大的应用潜力，其对于照明方式的进步与资源利用效率的提高都存在积极意义。在当前功率型LED当中主要有正装结构、倒装结构以及垂直解结构三种结构形式。在功率型LED封装过程的关键技术中，应该对于LED的散热技术与取光技术着重进行研究。这些关键技术的突破对于提高LED发光效率，延长元器件的使用寿命具有重要意义。

参考文献：

[1]陈明祥，罗小兵.大功率白光LED封装设计研究[J].半导体光电，

2016，27（06）：53-58.

[2]董波，杨利营.有机电致发光器件的封装技术[J].液晶与显示， 2014，22（02）：176-183.

[3]刘一兵，黄新民，刘国华.基于功率型LED散热技术的研究[J].照明工程学报，2013，19（01）：69-72.

作者简介：张继海（1983-），男，广西桂林人，本科，初级，研究方向：LED封装。