LED 光源特點(diǎn)及其封裝熱特性
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摘要：LED 被譽(yù)為21世紀(jì)新光源，有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代光源。本文論述了LED 光源的特點(diǎn)及其幾種封裝形式的熱特性。
關(guān)鍵詞：LED 熱設(shè)計(jì) 封裝

LED 光源及其特點(diǎn)
LED（Light Emitting Diode）即發(fā)光二極管，當(dāng)在半導(dǎo)體PN 結(jié)的兩端加上電壓時(shí)，電子開始移動(dòng)和空穴（帶正電的離子）結(jié)合，此時(shí)多余的能量將以光的形式釋放出來，產(chǎn)生輻射光，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。
LED 的應(yīng)用可分為兩大類：一是LED 單管應(yīng)用，包括背光源LED，紅外線LED 等；另外就是LED 顯示屏。目前，中國(guó)在LED 基礎(chǔ)材料制造方面與國(guó)際還存在著一定的差距，但就LED 顯示屏而言，中國(guó)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)水平基本與國(guó)際同步。LED 顯示屏是由發(fā)光二極管排列組成的顯示器件。它采用低電壓掃描驅(qū)動(dòng)，具有耗電少、使用壽命長(zhǎng)、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。
近幾年，LED 的發(fā)光效率增長(zhǎng)100倍，成本下降10倍，廣泛用于大面積圖文顯示全彩屏，狀態(tài)指示、標(biāo)志照明、信號(hào)顯示、液晶顯示器的背光源，汽車組合尾燈及車內(nèi)照明等方面，其發(fā)展前景吸引全球照明大廠家都先后加入LED 光源及市場(chǎng)開發(fā)中。極具發(fā)展與應(yīng)用前景的是白光LED，用作固體照明器件的經(jīng)濟(jì)性顯著，且有利于環(huán)保，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈，世界年增長(zhǎng)率在20％以上，美、日、歐及中國(guó)臺(tái)灣省均推出了半導(dǎo)體照明計(jì)劃。功率型LED 優(yōu)異的散熱特性與光學(xué)特性更能適應(yīng)普通照明領(lǐng)域，被學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為是LED 進(jìn)入照明市場(chǎng)的必由之路。為替代熒光燈，白光LED 必須具有150～200 1m/W 的光效，且每lm 的價(jià)格應(yīng)明顯低于0.015$/lm(現(xiàn)價(jià)約 0.25$/lm，紅光LED 為0.065$/lm)，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)仍有很多技術(shù)問題需要研究，但克服解決這些問題并不是十分遙遠(yuǎn)的事。按固體發(fā)光物理學(xué)原理，LED 的發(fā)光效率能近似100％，因此，LED 被譽(yù)為21世紀(jì)新光源，有望成為繼白熾燈、
熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代光源。
目前，比較成熟的商品化功率型LED 輸入功率一般為1W，芯片面積1mm×1mm，其熱流密度達(dá)到了100W cm2 。隨著芯片技術(shù)的日益成熟，單個(gè)LED 芯片的輸入功
率可以進(jìn)一步提高到5W 甚至更高（10W），因此防止LED 的熱量累積變得越來越重要。如果不能有效地耗散這些熱量，隨之而來的熱效應(yīng)將會(huì)變得非常明顯。結(jié)溫升高，直接減少芯片出射的光子，發(fā)光效率降低，在室溫附近，溫度每升高1℃，LED 的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地減少1％左右；溫度升高會(huì)使得芯片的發(fā)射光譜發(fā)生紅移，色溫質(zhì)量下降，尤其是對(duì)基于藍(lán)光LED 激發(fā)黃色熒光粉的白光LED 器件更為嚴(yán)重，一般情況下，LED 的發(fā)光波長(zhǎng)隨溫度變化為0.2～0.3nm/℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度；熒光粉的轉(zhuǎn)換效率也會(huì)隨著溫度升高而降低。因此由于溫度升高而產(chǎn)生的各種熱效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響到LED 器件的使用壽命和可靠性，以往多采用減少其驅(qū)動(dòng)電流的辦法，降低結(jié)溫，多數(shù)LED 的驅(qū)動(dòng)電流限制在20mA 左右。但是，LED 的光輸出會(huì)隨電流的增大而增加，目前，很多功率型LED 的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到70mA、100mA 甚至1A 級(jí)。為改善其熱特性，需要全新的LED 封裝設(shè)計(jì)理念和低熱阻封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)。例如，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)，選用導(dǎo)熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點(diǎn)的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，PCB 線路板等的熱設(shè)計(jì)、導(dǎo)熱性能也十分重要。
圖.1 LED 封裝的發(fā)展
由于LED 內(nèi)部熱源溫度（結(jié)溫<120℃）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燈絲或氣體電弧，所以其輻射傳熱量很少。從表1 可以看出以導(dǎo)熱方式傳輸?shù)臒崃空糒ED 發(fā)熱量90％，所以對(duì)于LED 的熱設(shè)計(jì)可以通過建立其傳熱的等效電路，通過分析等效電路圖，計(jì)算LED 內(nèi)關(guān)注點(diǎn)的溫升以及這些部位在達(dá)到熱穩(wěn)定時(shí)的溫度。

引腳式封裝LED
LED 引腳式封裝（技術(shù)最為成熟的LED 封裝形式）的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。將LED 管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點(diǎn)與金絲鍵合為內(nèi)引線熱設(shè)計(jì) http://www.aji87.cn,熱仿真 http://www.refangzhen.com
與一條管腳相連，負(fù)極通過反射杯和引線架的另一管腳相連，其頂部用環(huán)氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側(cè)面、界面發(fā)出的光，向期望的方向角內(nèi)發(fā)射。
表1 各光源效率、成本及傳熱方式對(duì)比

圖2 功率LED 的封裝結(jié)構(gòu)
LED 芯片結(jié)的耗散功率為D P ，通過芯片熱沉、封裝樹脂和金線引線框架電極的
熱傳導(dǎo)以及與外界環(huán)境的對(duì)流作用，散發(fā)到外界環(huán)境中，其中芯片熱沉的傳導(dǎo)散熱起著決定性作用。所以對(duì)LED 模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略引腳架到線路板以及通過封裝樹脂的熱流，只考慮芯片經(jīng)熱沉到線路板的導(dǎo)熱通路，則LED 的等效熱阻網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)化為圖3 所示。熱設(shè)計(jì) http://www.aji87.cn
圖3 LED 等效熱阻網(wǎng)絡(luò)（有外部散熱器）

通過等效電路法，對(duì)于不同熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，計(jì)算關(guān)注點(diǎn)的溫度，可以提前判斷熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，并根據(jù)各部分熱阻的大小判斷結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方向，對(duì)于指導(dǎo)和改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有實(shí)際的意義。
LED 引腳式封裝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(chǎng)的封裝結(jié)構(gòu)，品種數(shù)量繁多，技術(shù)成熟度較高，封裝內(nèi)結(jié)構(gòu)與反射層仍在不斷改進(jìn)。
標(biāo)準(zhǔn)LED 被大多數(shù)客戶認(rèn)為是目前顯示行業(yè)中最方便、最經(jīng)濟(jì)的解決方案。

表面貼裝LED
表面貼裝技術(shù)（surface mount technology SMT）是用自動(dòng)組裝設(shè)備將片式化、微型化的無引線、短引線表面貼裝元器件（surface mount component SMC/surface mount device SMD）直接貼、焊到印刷電路板（print circuit board PCB）等布線基板表面特定位置的一種電子組裝技術(shù)，是將分散的元器件集成為部件、組件的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。
2002 年，表面貼裝LED(SMD LED) 逐漸被市場(chǎng)接受，并獲得一定的市場(chǎng)份額，從引腳式封裝轉(zhuǎn)向SMD 符合整個(gè)電子行業(yè)發(fā)展大趨勢(shì)，近些年，SMD LED 成為一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)，它很好地解決了亮度、視角、平整度、可靠性、一致性等問題，采用更輕的PCB 板和反射層材料，在顯示反射層需要填充的環(huán)氧樹脂更少，并去除較重的碳鋼材料引腳，通過縮小尺寸，降低重量，可輕易地將產(chǎn)品重量減輕一半，最終使應(yīng)用更趨完美，尤其適合戶內(nèi)，半戶外全彩顯示屏應(yīng)用。對(duì)于表面封裝LED，焊盤是其散熱的重要渠道，廠商提供的SMD LED 的數(shù)據(jù)都是以4.0×4.0mm 的焊盤為基礎(chǔ)的，采用回流焊可設(shè)計(jì)成焊盤與引腳相等。目前，LED 表面貼裝的形式有PLCC－2、熱設(shè)計(jì) http://www.aji87.cn,PLCC－4（Plastic Leaded Chip Carrier 塑料有引線芯片載體）等，PLCC 封裝具有外形尺寸小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
功率型封裝LEDLED 芯片及封裝向大功率方向發(fā)展，在大電流下產(chǎn)生比Φ5mm LED 大10～20倍的光通量，必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題，因此，管殼及封裝也是其關(guān)鍵技術(shù)，能承受數(shù) W 功率的LED 封裝已出現(xiàn)。5W 系列白、綠、藍(lán)綠、藍(lán)的功率型LED 從2003 年初開始供貨，白光LED 光輸出達(dá)187 1m，光效44.3 1m／W ,開發(fā)出了可承受10W 功率的LED 大面積管；尺寸為2.5×2.5mm，可在5A 電流下工作，光輸出達(dá)200 1m，作為固體照明光源有很大發(fā)展空間。
Lumileds 公司于1998 年推出的Luxeon 系列功率LED 是將A1GalnN 功率型倒裝管芯倒裝焊接在具有焊料凸點(diǎn)的硅載體上，然后把完成倒裝焊接的硅載體裝入熱沉與管殼中，鍵合引線進(jìn)行封裝。這種封裝對(duì)于取光效率，散熱性能，加大工作電流密度的設(shè)計(jì)都是最佳的。其主要特點(diǎn)：熱阻低，一般僅為14℃/W，只有常規(guī)LED 的
1/10；可靠性高，封裝內(nèi)部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體，在-40～120℃ 范圍，不會(huì)因溫度驟變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使金絲與引線框架斷開，并防止環(huán)氧樹脂透鏡變黃，引線框架也不會(huì)因氧化而玷污；反射杯和透鏡的最佳設(shè)計(jì)使輻射圖樣可控和光學(xué)效率最高。
另外，其輸出光功率，外量子效率等性能優(yōu)異，將LED 固體光源發(fā)展到一個(gè)新水平。
美國(guó)UOE 公司于2001年推出的Norlux 系列功率LED 的封裝結(jié)構(gòu)為六角形鋁板作底座(使其不導(dǎo)電)的多芯片組合，底座直徑31.75mm，發(fā)光區(qū)位于其中心部位，直徑約(0.375×25.4)mm，可容納40 只LED 管芯，鋁板同時(shí)作為熱沉。管芯的鍵合引線通過底座上制作的兩個(gè)接觸點(diǎn)與正、負(fù)極連接，根據(jù)所需輸出光功率的大小來確定底座上排列管芯的數(shù)目，可組合封裝的超高亮度的AlGaInN 和AlGaInP 管芯，其發(fā)射光分別為單色，彩色或合成的白色，最后用高折射率的材料按光學(xué)設(shè)計(jì)形狀進(jìn)行包封。這種封裝采用常規(guī)管芯高密度組合封裝，取光效率高，熱阻低，較好地保護(hù)管芯與鍵合引線，在大電流下有較高的光輸出功率，也是一種有發(fā)展前景的LED 固體光源。
Lanina Ceramics 公司于2003 年推出采用公司獨(dú)有的金屬基板上低溫?zé)Y(jié)陶瓷（LTCC-M）技術(shù)封裝的大功率LED 陣列，有二種產(chǎn)品：一種為7 元LED 陣列，光通量為840lm，功率為21W。另一種是134 元LED 陣列，光通量為360lm，功率134W。由于LTCC-M 技術(shù)是將LED 芯片直接連接到密封陣列配置的封裝盒上，因此工作溫度可達(dá)250℃。熱設(shè)計(jì) http://www.aji87.cn
松下公司于2003 年推出由64 只芯片組合封裝的大功率白光LED，光通量可達(dá)120lm，采用散熱性能優(yōu)良的襯底，把這些芯片封裝在2cm2 的面積中，其驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)8W，這種封裝中每1W 輸入功率其溫升僅為1.2℃。
在應(yīng)用中，可將已封裝產(chǎn)品組裝在一個(gè)帶有鋁夾層的金屬芯PCB 板上，形成功率密度LED，PCB 板作為器件電極連接的布線之用，鋁芯夾層則可作熱沉使用，獲得較高的發(fā)光通量和光電轉(zhuǎn)換效率。此外，封裝好的SMD LED 體積很小，可靈活地組合起來，構(gòu)成模塊型、導(dǎo)光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。功率型LED 的熱特性直接影響到LED 的工作溫度、發(fā)光效率、發(fā)光波長(zhǎng)、使用壽命等，因此，對(duì)功率型LED 芯片的封裝設(shè)計(jì)、制造技術(shù)更顯得尤為重要。
結(jié)束語
進(jìn)入21 世紀(jì)后，LED 的高效化、超高亮度化、全色化不斷發(fā)展創(chuàng)新，紅、橙LED 光效已達(dá)到100 lm/W，綠LED 為50 1m/W，單只LED 的光通量也達(dá)到數(shù)十lm。
LED 芯片和封裝不再沿龔傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念與制造生產(chǎn)模式，在增加芯片的光輸出方面，研發(fā)不僅僅限于改變材料內(nèi)雜質(zhì)數(shù)量，晶格缺陷和位錯(cuò)來提高內(nèi)部效率，同時(shí)，如何改善管芯及封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)LED 內(nèi)部產(chǎn)生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)光學(xué)性能，加速表面貼裝化SMD 進(jìn)程更是產(chǎn)業(yè)界研發(fā)的主流方向。
【1】James Petroski，GELcore LLC Thermal Challenges In LED Cooling
【2】馬澤濤 朱大慶 王曉軍 一種高功率LED封裝的熱分析 半導(dǎo)體光電 V0I.27 No.1Feb.2006
【3】劉必成 LED 燈具的熱傳導(dǎo)計(jì)算模型
【4】LED封裝結(jié)構(gòu)及技術(shù)

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