大功率LED封裝技術解析：

　　半導體發光二極管簡稱LED，從上世紀六十年代研制出來并逐步走向市場化，其封裝技術也是不斷改進和發展。LED 由最早用玻璃管封裝發展至支架式環氧封裝和表面貼裝式封裝，使得小功率LED 獲得廣泛的應用。從上世紀九十年代開始，由于LED 外延、芯片技術上的突破，四元系AlGaInP 和GaN 基的LED相繼問世，實現了LED 全色化，發光亮度大大提高，并可組合各種顏色和白光。器件輸入功率上有很大提高。目前單芯片1W 大功率LED 已產業化并推向市場，***國聯也已研制出10W 的單芯片大功率LED。這使得超高亮度LED 的應用面不斷擴大，首先進入特種照明的市場領域，并向普通照明市場邁進。由于LED 芯片輸入功率的不斷提高，對這些功率型LED 的封裝技術提出了更高的要求。功率型LED 封裝技術主要應滿足以下二點要求：一是封裝結構要有高的取光效率，其二是熱阻要盡可能低，這樣才能保證功率LED 的光電性能和可靠性。所以本文將重點對功率型LED 的封裝技術作介紹和論述。

　　功率型LED 封裝技術現狀

　　由于功率型LED 的應用面非常廣，不同應用場合下對功率LED 的要求不一樣。根據功率大小，目前的功率型LED 分為普通功率LED 和W 級功率LED 二種。輸入功率小于1W 的LED（幾十mW 功率LED除外）為普通功率LED；輸入功率等于或大于1W 的LED 為W 級功率LED。而W 級功率LED 常見的有二種結構形式，一種是單芯片W 級功率LED，另一種是多芯片組合的W 級功率LED。

　　1．國外功率型LED 封裝技術：

　　（1）普通功率LED

　　根據報導，最早是由HP 公司于1993 年推出“食人魚”封裝結構的LED，稱“Super flux LED”，并于1994年推出改進型的“Snap LED”，其外形如圖1 所示。它們典型的工作電流，分別為70mA 和150mA，輸入功率分別為0.1W 和0.3W。

　　Osram 公司推出“Power TOP LED”是采用金屬框架的PLCC 封裝結構，其外形圖如圖2 所示。之后其他一些公司推出多種功率LED 的封裝結構。其中一種PLCC-4 結構封裝形式，其功率約200~300mW，這些結構的熱阻一般為75~125℃/W。總之，這些結構的功率LED 比原支架式封裝的LED 輸入功率提高幾倍，熱阻下降幾倍。

　　（2）W 級功率LED

　　W 級功率LED 是未來照明的核心部分，所以世界各大公司投入很大力量，對W 級功率封裝技術進行研究開發，并均已將所得的新結構、新技術等申請各種專利。單芯片W 級功率LED 最早是由Lumileds 公司于1998 年推出的Luxeon LED，其結構如圖3 所示，根據報導，該封裝結構的特點是采用熱電分離的形式，將倒裝芯片用硅載體直接焊接在熱沉上，并采用反射杯、光學透鏡和柔性透明膠等新結構和新材料，提高了器件的取光效率并改善了散熱特性。可在較大的電流密度下穩定可靠的工作，并具有比普通LED 低得多的熱阻，一般為14~17℃/W，現有1W、3W 和5W的產品。該公司近期還報導［1］推出Luxeon III LED 產品，由于對封裝和芯片進行改善，可在更高的驅動電流下工作，在700mA 電流工作50000 小時后仍能保持70%的流明，在1A 電流工作20000 小時能保持50%的流明。

　　Osram 公司于2003 年推出單芯片的“Golden Dragon”系列LED［2］，如圖4 所示，其結構特點是熱沉與金屬線路板直接接觸，具有很好的散熱性能，而輸入功率可達1W。我國***UEC 公司（國聯）采用金屬鍵合（Metal Bonding）技術封裝的MB 系列大功率LED［3］其特點是用Si 代替GaAs 襯底，散熱好，并以金屬黏結層作光反射層，提高光輸出。現有LED 單芯片面積分別為：0.3×0.3mm2、1×1mm2 和2.5×2.5mm2 的芯片，其輸入功率分別有0.3W 、1W 和10W，其中2.5×2.5mm2芯片光通量可達200lm，0.3W 和1W 產品正推向市場。多芯片組合封裝的大功率LED，其結構和封裝形式較多，這里介紹幾種典型的結構封裝形式：

　　①美國UOE 公司于2001 年推出多芯片組合封裝的Norlux 系列LED［4］，其結構是采用六角形鋁板作為襯底，如圖5 所示，鋁層導熱好，中央發光區部分可裝配40 只芯片，封裝可為單色或多色組合，也可根據實際需求布置芯片數和金線焊接方式，該封裝的大功率LED 其光通量效率為20lm/W，發光通量為100lm。

　　②Lanina Ceramics 公司于2003 年推出采用公司獨有的金屬基板上低溫燒結陶瓷（LTCC-M）技術封裝的大功率LED 陣列［5］，有二種產品：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250℃。

　　③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［6］，光通量可達120lm，采用散熱性能優良的襯底，把這些芯片封裝在2cm2 的面積中，其驅動電流可達8W，這種封裝中每1W 輸入功率其溫升僅為1.2℃。

　　④日亞公司于2003 年推出號稱是全世界最亮的白光LED，其光通量可達600lm，輸出光束為1000lm時，耗電量為30W，最大輸入功率為50W，提供展覽的白光LED 模塊發光效率達33lm/W。有關多芯片組合的大功率LED，許多公司根據實際市場需求，不斷開發很多新結構封裝的新產品，其開發研制的速度是非常快。

　　2．國內功率型LED 封裝技術

　　國內LED 普通產品的后工序封裝能力應該是很強的，封裝產品的品種較齊全，據初步估計，全國LED 封裝廠超過200 家，封裝能力超過200 億只/年，封裝的配套能力也是很強的，但是很多封裝廠為私營企業，目前來看規模偏小。

　　國內功率型LED 的封裝，早在上世紀九十年代就開始，一些有實力的后封裝企業，當時就開始開發并批量生產，如“食人魚”功率型LED。國內的大學、研究所很少對大功率LED 封裝技術開展研究，信息產業部第13 研究所對功率型LED 封裝技術開展研究工作，并取得很好的研究成果，具體開發出功率LED 產品。

　　國內有實力的LED 封裝企業（外商投資除外），如佛山國星、廈門華聯等幾個企業，很早就開展功率型LED的研發工作，并取得較好的效果。如“食人魚”和PLCC 封裝結構的產品，均可批量生產，并已研制出單芯片1W 級的大功率LED 封裝的樣品。而且還進行多芯片或多器件組合的大功率LED 研制開發，并可提供部分樣品供試用。對大功率LED 封裝技術的研究開發，目前國家尚未正式支持投入，國內研究單位很少介入，封裝企業投入研發的力度（人力和財力）還很不夠，形成國內對封裝技術的開發力量薄弱的局面，其封裝的技術水平與國外相比還有相當的差距。

　　功率型LED 產業化關鍵的封裝技術

　　半導體LED 要作為照明光源，常規產品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比，距離甚遠。因此，LED 要在照明領域發展，關鍵要將其發光效率、光通量提高至現有照明光源的等級。功率型LED 所用的外延材料采用MOCVD 的外延生長技術和多量子阱結構雖然其外量子效率還需進一步提高，但獲得高發光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低。現有的功率型LED 的設計采用了倒裝焊新結構來提高芯片的取光效率，改善芯片的熱特性，并通過增大芯片面積，加大工作電流來提高器件的光電轉換效率，從而獲得較高的發光通量。除了芯片外，器件的封裝技術也舉足輕重。關鍵的封裝技術工藝有：

　　1、散熱技術

　　傳統的指示燈型LED 封裝結構，一般是用導電或非導電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上，由金絲完成器件的內外連接后用環氧樹脂封裝而成，其熱阻高達250~300℃/W，新的功率型芯片若采用傳統式的LED 封裝形式，將會因為散熱不良而導致芯片結溫迅速上升和環氧碳化變黃，從而造成器件的加速光衰直至失效，甚至因為迅速的熱膨脹所產生的應力造成開路而失效。因此，對于大工作電流的功率型LED芯片，低熱阻、散熱良好及低應力的新的封裝結構是功率型LED 器件的技術關鍵。采用低電阻率、高導熱性能的材料粘結芯片；在芯片下部加銅或鋁質熱沉，并采用半包封結構，加速散熱；甚至設計二次散熱裝置，來降低器件的熱阻。在器件的內部，填充透明度高的柔性硅橡膠，在硅橡膠承受的溫度范圍內（一般為-40℃~200℃），膠體不會因溫度驟然變化而導致器件開路，也不會出現變黃現象。零件材料也應充分考慮其導熱、散熱特性，以獲得良好的整體熱特性。

　　2、二次光學設計技術

　　為提高器件的取光效率，設計外加的反射杯與多重光學透鏡。

　　3、功率型LED 白光技術

　　常見的實現白光的工藝方法有如下三種：

　　1）藍色芯片上涂上YAG 熒光粉，芯片的藍色光激發熒光粉發出典型值為500nm~560nm 的黃綠光，黃綠光與藍色光合成白光。該方法制備相對簡單，效率高，具有實用性。缺點是布膠量一致性較差、熒光粉易沉淀導致出光面均勻性差、色調一致性不好；色溫偏高；顯色性不夠理想。

　　2）RGB 三基色多個芯片或多個器件發光混色成白光；或者用藍+黃綠色雙芯片補色產生白光。只要散熱得法，該方法產生的白光較前一種方法穩定，但驅動較復雜，另外還要考慮不同顏色芯片的不同光衰速度。

　　3）在紫外光芯片上涂RGB 熒光粉，利用紫光激發熒光粉產生三基色光混色形成白光。但目前的紫外光芯片和RGB 熒光粉效率較低，環氧樹脂在紫外光照射下易分解老化。我司目前已采用方法1）和2）進行白光LED 產品的批量生產，并已進行了W 級功率LED 的樣品試制。積累了一定的經驗和體會，我們認為照明用W 級功率LED 產品要實現產業化還必須解決如下技術問題：

　　①粉涂布量控制：LED 芯片+熒光粉工藝采用的涂膠方法通常是將熒光粉與膠混合后用分配器將其涂到芯片上。在操作過程中，由于載體膠的粘度是動態參數、熒光粉比重大于載體膠而產生沉淀以及分配器

　　精度等因素的影響，此工藝熒光粉的涂布量均勻性的控制有難度，導致了白光顏色的不均勻。

　　②芯片光電參數配合：半導體工藝的特點，決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學參數（如波長、光強）和電學（如正向電壓）參數差異。RGB 三基色芯片更是這樣，對于白光色度參數影響很大。這是產業化必須要解決的關鍵技術之一。

　　③根據應用要求產生的光色度參數控制：不同用途的產品，對白光LED 的色坐標、色溫、顯色性、光功率（或光強）和光的空間分布等要求就不同。上述參數的控制涉及產品結構、工藝方法、材料等多方面因素的配合。在產業化生產中，對上述因素進行控制，得到符合應用要求、一致性好的產品十分重要。

　　4、測試技術與標準

　　隨著W 級功率芯片制造技術和白光LED 工藝技術的發展，LED 產品正逐步進入（特種）照明市場，顯示或指示用的傳統LED 產品參數檢測標準及測試方法已不能滿足照明應用的需要。國內外的半導體設備儀器生產企業也紛紛推出各自的測試儀器，不同的儀器使用的測試原理、條件、標準存在一定的差異，增加了測試應用、產品性能比較工作的難度和問題復雜化。

　　我國光學光電子行業協會光電子器件分會行業協會根據LED 產品發展的需要，于2003 年發布了“發光二極管測試方法（試行）”，該測試方法增加了LED 色度參數的規定。但LED 要往照明業拓展，建立LED照明產品標準是產業規范化的重要手段。

　　5、篩選技術與可靠性保證

　　由于燈具外觀的限制，照明用LED 的裝配空間密封且受到局限，密封且有限的空間不利于LED 散熱，這意味著照明LED 的使用環境要劣于傳統顯示、指示用LED 產品。另外，照明LED 處于大電流驅動下工作，這就對其提出更高的可靠性要求。在產業化生產中，針對不同的產品用途，制定適當的熱老化、溫度循環沖擊、負載老化工藝篩選試驗，剔除早期失效品，保證產品的可靠性很有必要。

　　6、靜電防護技術

　　藍寶石襯底的藍色芯片其正負電極均位于芯片上面，間距很小；對于InGaN/AlGaN/GaN 雙異質結，InGaN 活化簿層僅幾十nm，對靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。因此，在產業化生產中，靜電的防范是否得當，直接影響到產品的成品率、可靠性和經濟效益。靜電的防范技術有如下幾種：

　　①生產、使用場所從人體、臺、地、空間及產品傳輸、堆放等實施防范，手段有防靜電服裝、手套、手環、鞋、墊、盒、離子風扇、檢測儀器等。

　　②芯片上設計靜電保護線路。

　　③LED 上裝配保護器件。

　　廈門華聯電子有限公司長期從事半導體LED 及其它光電子器件的研制、生產。目前在功率LED 方面，

　　已具備食人魚、PLCC 功率型LED 產品的量產能力。目前已有三基色芯片的PLCC 功率型LED 用于室外裝飾應用產品出口歐美市場。在多芯片混色白光技術應用方面，已有彩色顯示模塊出口。W 級功率型LED已經研制出R、Y、G、B、W 色，兩種外形樣品。IF=350mA 下的光效分別約為14lm/W、11lm/W、12lm/W、4lm/W 和11.5lm/W，目前可提供樣品試用。

　　結束語

　　我國LED 封裝產品主要是普通小功率LED，同時還具有一定的功率型LED封裝技術和水品。但由于多種原因，我國大功率LED 封裝技術水平總體來說與國際水平還有相當的差距。為了加快發展LED 封裝技術水平，我們建議：

　　1．國家要重點支持LED 前工序外延、芯片有實力的重點研究單位（大學）和企業，集中優勢，重點突破前工序的關鍵技術難點，盡快開發并生產有自主產權的1W、3W、5W 和10W 等大功率LED 芯片，只有這樣，才能確保我國大功率LED 的順利發展。

　　2．國家要重點扶植幾家有實力的大功率LED 封裝企業，研發有自主產權的LED 封裝產品，并要達到規模化的生產程度，參與國際市場競爭。

　　3．要重視熒光粉、封裝環氧等基礎材料的研究開發及產業化工作。

　　4．根據市場要求，開發適應市場的各種功率型LED 產品，首先瞄準特種照明應用的市場，并逐步向普通照明燈源市場邁進。

　　恒流LED電路的設計與仿真：

　　隨著LED 效率的迅速提高、成本的不斷下降，LED 市場正在由手機的背光源和汽車儀表照明，以及亮度要求不高的特殊照明和景觀照明領域向普通白光照明領域擴展。

　　LED 是一種固態冷光源，是繼白熾燈、熒光燈和高強度放電燈之后的第四代光源。它具有以下特點：

　　①發光效率高，能量消耗低。由于LED 的光譜幾乎全部集中于可見光區域，效率可達到80% ~ 90%，大功率LED 照明的耗電量僅為相同亮度白熾燈的10% ~20%.

　　②安全，環保。大功率LED 的工作電壓為3 ~4 V 的直流電，因而沒有電磁干擾。LED 產生的廢棄物可回收，無污染，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。

　　③壽命長，可靠性高，LED 的平均壽命長達50 000 h，大功率照明LED 以其特殊的電子結構保證其工作時有良好的穩定性和可靠性，甚至在水下也能長時間穩定地工作。而且它沒有傳統燈泡的鎢絲、玻璃殼等易損部件，維護費用低廉。LED 的工作溫度范圍也很寬，在-40 ℃ ~85 ℃之間均能正常工作。

　　④單色性能好，色彩豐富。光色純，光線質量高，單一顏色LED 的光譜狹窄，譜線單一，集中在可見光波段。

　　⑤體積小，重量輕，可以靈活地排列搭配使用。

　　⑥響應時間短，LED 的響應時間只有數十納秒。

　　近年來，LED 以其環保、發光高效的特點得到了廣泛的應用，尤其在照明方面應用越來越廣泛。就目前的發展來看，大家最為關心的是燈的壽命問題，而現在無論是燈使用者還是生產廠都看到，燈的壽命取決于驅動電源， 99%以上的燈故障都是由于驅動電源引起的，LED 的壽命長達50 000 h，但與之配套的驅動電源的壽命僅為10 000 h.所以LED 燈照明裝置能否應用推廣的關鍵環節之一是其驅動電源問題，筆者就提高大功率（ 100 ~ 200 W） 驅動電源的可靠性從如下兩大方面進行了探討。

　　1 防水及降溫處理

　　大功率LED 燈一般安裝在室外，風吹雨淋自然難免，做好防水工作是關鍵所在。目前大家通用的方式是灌膠，而膠導熱系數的差異直接影響電源的散熱效果，最終影響壽命。

　　（ 1） 選擇符合高耐寒要求的膠，防止在超低溫下膠體開裂等失效現象，要考慮灌注膠溫度對器件性能的影響，不能選用灌注溫度過高的膠，灌注溫度應低于150 ℃，選用- 40 ~ + 150 ℃的高品質膠。

　　（ 2） 膠體的電氣絕緣性能等級要符合要求。

　　（ 3） 灌膠導熱系數對驅動電源散熱影響情況，由于電源的殼體結構已經確定，因此驅動電源的散熱主要通過膠體傳導，將熱量傳導到殼體，而后通過對流散熱。表1 是導熱系數不同的膠體的電源器件和殼體溫度情況（ 輸入電壓~ 100 V，輸出48 V/3 A，環境溫度25 ℃） 。

　　表1 不同導熱系數的膠體對溫度的影響

　　通過比較可知良好的導熱系數可以降低電子器件的溫升，進而能夠提高器件使用壽命，增加LED 驅動電源的可靠性。

　　（ 4） 選用具有較高阻燃性能的灌膠，如果LED 燈電源在使用時發生火災，將會造成生命和財產安全問題。

　　（ 5） 膠體的固化收縮率對電源器件會產生很大影響，固化收縮率過大的膠將導致元器件連接應力的過大，導致器件變形甚至損壞。因此要選用收縮率較小的膠體，通常選用固化收縮率小于0. 1%的膠體。

　　2 驅動電源電路設計

　　目前LED 驅動電源存在驅動能力較低，保護功能較少，輸出電壓電流不穩定，可靠性差等問題，很難達到要求，根據設計經驗提出了驅動電源硬件電路的設計方案，本設計能夠很好地提高LED 驅動電源的可靠性。

　　2. 1 總體電路設計

　　LED 驅動電源的總體設計如圖1 所示。圖1 中主電路中U 為220 V 交流輸入電壓； RC，CC和DC構成RCD 電路； T 為變壓器； S 為開關管； D 為整流二極管； C為整流電容； RC為采樣電阻，具體電路如圖1 所示。

　　電路在設計時考慮到電路的可靠性，輸入端應具有隔離電路，以保護電網和用電設備的安全。輸入端設計了輸入保護電路，用來保護LED 驅動電源在電網側產生脈動瞬態干擾下能夠正常工作，并有效抑制共模和差模干擾。為了提高電路的功率因數，電路中采用了有源功率因數校正電路。為了實現恒流輸出，采用電流反饋控制，RC采樣電阻感應輸出電流大小，與參考點電壓進行比較，輸出信號通過光電耦合電路輸入到控制器，產生PWM 控制信號，控制變壓器的工作方式，已達到變壓器恒流輸出。

　　圖1 LED 驅動電源總體設計電路

　　2. 2 部分電路設計

　　（ 1） 輸入保護電路設計

　　LED 大功率燈驅動電源一般用在室外，用電環境相對比較惡劣，且外界的各種干擾容易使電源出現問題。同時，LED 燈驅動電源的故障，也容易對電網的安全造成隱患。因此，有必要在輸入端設計保護電路，用來保護用電設備和電網的安全。

　　電路中有負溫度系數熱敏電阻，用來啟動過電流保護。通過保險絲進行過電流保護。利用壓敏電阻來抑制瞬變傳導產生的干擾，吸收輸入端的浪涌和脈沖干擾。電路中設有共模與差模干擾抑制電路，用來減小LED 驅動電源對其他用電設備的干擾，同時可以抑制外界用電設備對驅動電源的干擾。

　　（ 2） 功率因數校正電路

　　將交流220 V 市電經整流后供給負載使用，最常用的整流方式是由4 個二極管組成的整流橋將交流電變換為直流電，但是這種方法存在著一個無法避免的缺點： 由二極管和電容組成的非線性電路會產生大量的電流諧波和無功功率，造成電網的污染。這種諧波污染不僅會使電網電壓發生畸變，而且還會造成用電設備的故障和損壞。另外，用電設備的功率因數越高，則有功功率所占的比重越大，設備就越節能。

　　為了提高功率因數，需要做兩個方面的工作： 一方面減小輸入電流和輸入電壓之間的相位差φ，努力使兩者同相位； 另一方面，需要減小輸入電流的諧波含量，采取一定的方法使輸入電流的波形接近正弦波。

　　基于上述要求，可以采用安森美公司生產的MC33260 芯片作為有源功率因數控制芯片，此芯片只需要使用最少的外部元件便可以實現控制要求，可以極大地減小電感和功率開關的尺寸，降低系統的成本且功能還能達到要求。電路如圖2 所示。

　　圖2 功率因數校正電路

　　（3） RCD 緩沖電路設計

　　為了防止開關管被峰值電壓擊穿，通常可以采用的方法有如下兩種： 一是減小漏感，二是通過設計RCD 緩沖電路吸收很高的電壓尖峰能量。雖然在變壓器的加工過程中將線圈纏緊并緊密地包圍住氣隙，然后將線圈外圍包上銅箔可以有效地減小漏感； 但變壓器漏感無法完全消失，因此需要設計RCD 電路對電壓峰值進行吸收，電路如圖3 所示。

　　圖3 RCD 緩沖電路

　　（4） 變換電路設計

　　LED 路燈驅動電源所需的輸出功率較大，需要較高的轉換效率，且需要較好的調節性和較小的紋波，由于考慮到需要將LED 照明裝置與電網隔離，以提高安全性，所以采用單端反激式DC-DC 變換器，這種隔離式的DC-DC 變換電路的變壓器不僅具有隔離和變壓的作用，還具有電感的特性，可以起到儲存能量的作用，且變換器工作于連續工作模式。這種變換器特別適用于功率為100 W ~ 200 W 之間的電源，且輸出電壓較高，輸出電流較小的場合。這種工作模式雖然會使變壓器副邊的二極管損耗較大，但可以減小變壓器的鐵芯損耗。變壓器副邊產生的串擾可以采用串聯飽和電感的方式來進行抑制。

　　（5） PWM 控制電路設計

　　DC-DC 變換器的PWM 控制原理有兩種： 電壓控制型和電流控制型。考慮到穩定性問題，我們采用電流控制型PWM 控制器，即NCP1230 模塊（ 圖4） 。它是一種峰值電流控制模式的PWM 控制器，具有向前極供電的功能，在空載時關閉PFC 電路，能夠提高電源的效率。這款芯片還具有周期跳頻，內部斜坡電壓補償，軟啟動等一系列功能。

　　圖4 NCP1230 模塊PWM 控制電路

　　2. 3 電路的EMC 防護

　　LED 燈的驅動電源受安裝環境條件的影響，很容易受到電磁干擾，特別是雷擊干擾。為此，驅動電源在設計階段就要考慮這個問題，并且要達到一定的標準。例如，防雷要求要達到D 級，線線之間電壓承受± 6 kV，線地之間± 6 kV，在產品試驗過程中，直流輸出范圍應與正常服務條件一致： DC 輸出電壓的波動應在± 10%以內； 在試驗過程中或試驗結束后，驅動電源運行時不應有報警、錯誤報警等等。

　　3 小結

　　隨著大功率白光LED 的發展，成本也會降低，其驅動電源的設計也將隨之得到發展，大功率LED 應用在照明領域中，將很快成為現實。以上提出的影響電源可靠性的幾個關鍵方法，來源于我們日常實踐研究，經過一系列驗證試驗，各項性能符合要求