大功率LED封装散热研究应用供参考.doc

摘 要
近年来，发光二极管（LED）以其节能、环保、全固态、长寿命等特点受到广泛关注，特别是大功率高亮度LED在固态照明应用领域里技术突破，使人们对其取代老式光源但愿与日俱增。从当前发展来看，大功率LED要真正实现产业化和普及化依然受到诸多因素制约，其中，封装过程中散热不良和可靠性不高是当前大功率LED应用中普遍存在问题。
本文设计了一种大功率高亮度LED封装技术。该技术可改进大功率LED散热性能，提高封装可靠性。本文重要进行了如下工作：
①分析了LED芯片制备和封装工艺过程中影响LED可靠性因素，针对其中金丝键合、芯片粘结以及静电放电过程，提出了可行优化设计方案。
②分析了结温与LED光电参数之间关系。采用热阻模型，通过对等效热阻网络计算，得出LED封装过程中采用低导热系数材料，可使LED产生热量更有效散发。
③提出了一种针对大功率高亮度LED封装技术。选用蓝宝石基底背面出光LED芯片，采用倒装焊接工艺，制作九个金球键合凸点来增大金球和基板接触面积，在金球凸点和大功率LED电极之间采用铟作为焊料和热沉，以此达到减小热阻和减少热膨胀失配率目。采用高透光硅胶混黄色荧光粉，分别在正面和侧面都填充于聚光透镜内，提高出光效率。最后通过对采用该封装技术1W级功率型LED实验测试，验证了该技术能有效提高大功率LED封装散热性能与可靠性。

核心词：大功率LED，封装，可靠性，结温，热阻，散热性能

Abstract
Light emitting diode (LED) has caused more and more attention because of its superior characteristics such as energy-saving，environmental protection，solid-state and long-time using. When the high power and high brightness LED was used wildly in the filed of Solid State Lighting，people believed that it can replace the traditional lighting source in the near future. But now，there are still many factors which restricting the development of LED，one of the most important reasons，which generally exist，is the poor process of heat-release and the low reliability of LED packaging.
In this paper，we design a kind of technology about heat-release package of high-power LED. Through our experimental analysis，the performance of reliability and thermal management of high-power LED is improved at the final testing. The main contains were divided into three parts:
① Through introducing the chip manufacturing and packaging process，we analyzed the wire boning、chip adhering and ESD process. Then，we give some better designing on each step.
② Analyzed the relationship between junction temperature and optical-electric parameter of LED. After analyzed the thermal resistance model，we concluded that using the material which has low thermal conductive can do well in heat-release process of LED packaging.
③ Design a kind of packaging technology about high-power and brightness LED. Choosing sapphire-based LED flip-chip，making nine convex metal points bonding which extend the area between metal-ball and PCB，using the In as solder and heat sink material to decrease the thermal resistance and matching ratio of thermal expansion. Using silicon glue and yellow phosphor，and filling the mixture on the positive and lateral side in optical lens to enhance the lighting efficiency. At last，we tested the final model. The results demonstrated that the packaging technology we designed is done well in the heat-release performance and package reliability of high power LED.

Key words：high power LED，packaging，reliability，junction temperature，thermal resistance，heat-release performance

目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 固态照明概念 1
1.2 LED发展历程 2
1.3 LED市场现状与前景 3
1.4 论文构造 4
第二章 功率型LED封装概述 6
2.1 LED构造和发光原理 6
2.2 LED参数特性 7
2.2.1 电学特性 7
2.2.2 光学特性 9
2.3 白光LED简介 10
2.3.1 白光LED发光原理 10
2.3.2 荧光粉 11
2.4 芯片制备与构造 13
2.4.1 芯片制备过程 13
2.4.2 芯片构造 13
2.5 功率型LED封装 14
2.5.1 LED封装工艺 15
2.5.2 封装中可靠性问题 16
2.5.3 提高可靠性办法 19
2.6 小结 19
第三章 散热分析与设计 20
3.1 热量传递方式 20
3.1.1 热辐射 20
3.1.2 对流 20
3.1.3 热传导 21
3.2 LED热阻 21
3.2.1 热阻定义 21
3.2.2 热阻分析 21
3.3 LED结温 24
3.3.1 结温定义 24
3.3.2 结温分析 24
3.4 散热器构造和原理 25
3.4.1 风冷 26
3.4.2 水冷 26
3.4.3 热管制冷 27
3.4.4 热电制冷 28
3.5 小结 30
第四章 实验与成果 31
4.1 材料选取 31
4.1.1芯片选取 31
4.1.2 粘结材料选取 32
4.1.3 灌封胶和荧光粉选取 33
4.1.4 基板材料选取 33
4.2 装焊工艺 34
4.3 热沉设计及热匹配计算 35
4.4 静电保护电路 37
4.5 制冷构造 38
4.6 实验模型及热阻计算 40
4.7 测试成果 41
4.8 小结 44
第五章 结论 45
5.1 结论 45
5.2 进一步工作打算 45
致 谢 47
参照文献 48

第一章 绪论
1.1 固态照明概念
发光二极管英文名称是Light-Emitting Diode，简称LED，自从1970年以来已被广泛地运用。图1.1展示了四种LED实物，按照光输出大小，从左至右依次为：70mW、200mW、1-4W和5W。LED可根据其能量输出大小来分类，其中光输出为1W或者更多（不不大于1W）LED被称之为大功率（High Power LED）或是高亮度LED（High Bright LED，HB-LED）。
大功率LED在照明方面被归类为固态照明[1]（Solid State Lighting，SSL）。但是，它和老式照明例如白炽灯，荧光灯和卤素灯，有着很大不同。咱们寻常生活中使用白炽灯和家用灯泡有诸多缺陷：使用时，高达90%能量是热能，灯丝寿命很短（仅有1000个小时），且灯泡容易损坏。荧光灯虽然是当前使用效率较高光源之一，但它包括物质对环境有害。许多国家已经制定法律来禁止或减少荧光灯管使用。而发光二极管（LED）以其体积小、全固态、节能、环保等长处已经受到越来越多关注，成为21世纪最具发展前景光源之一。

图1.1 不同光输出LED实物
灯发光效率（流明效率）被定义为消耗单位电功率所得到光通量。图1.2比较了各种照明技术发光效率。如今商用大功率LED发光效率已经达到30-60 lm/W，实验中测试数据能达到100lm/W。随着材料和封装技术发展，在将来10-里，LED发光效率被盼望提高2.5倍，达到200lm/W。

图1.2 各种照明技术发光效率
依照最新数据，中华人民共和国是世界第二大电能使用国。在消耗电能2187亿千瓦时，其中12%是照明用电。假设到，25%老式照明被固态光源LED取代，那么每年将预测节约100亿千瓦时电能。这比起三峡大坝每年发出电能还要多。三峡大坝每年输出电能为85亿千瓦时。它耗资20亿美元耗费建造完毕。因此，从有关数据看出，LED在节能方面是极具优势。
除了节能之外，固体照明LED较之老式照明有更长使用时间。LED可持续使用100000小时，然而白炽灯，卤素灯和荧光灯使用寿命分别仅为1000，3000，10000小时。此外，LED材料成分里不含汞，它比老式光源更加环保。
1.2 LED发展历程[2]
1950年，英国学者通过阴极射线发光实验，使用半导体砷化镓（GaAs）制成第一种当代发光二极管LED，并于1960年面世。1960年后期，研究人员通过在砷化镓（GaAs）衬底上加上磷砷化镓（GaAsP）从而得到第一种可见红光LED。若将衬底换成磷化镓（GaP），LED效能增长，发出更亮红光。在1970年中期，磷化镓（GaP）被用来作为发光体，它自身可发出淡淡绿光。若在LED中运用双重磷化镓（GaP）芯片（一种红色，一种绿色）组合，成果就能得到黄光。在1980年初期，人们通过使用化合物GaAlAsP，生产出第一代高亮度LED，最开始产出是红光LED，然后是黄光，最后是绿光。在1990年初期，通过使用InGaAlP来使得高亮度LED产生橙红，橙色，黄色和绿色光源[3]。
1990年初，工程师通过使用碳化硅（SiC），制备成第一种有重大意义蓝光LED，它是最早半导体光源，尽管按照今天原则，它光输出是比较暗淡。到了1990年中期，高亮度蓝光氮化镓（GaN）LED问世，它通过和InGaN结合，使发光二极管产出高密度绿光和蓝光。自从用黄光勉励出可见红光和绿光后，研究人员又尝试着用蓝光和黄光混合得到可见白光，初期称之为“月球白”。这种办法被Nichia公司发展运用，并从1996年开始用于生产白光LED[3]。
1.3 LED市场现状与前景
LED已经成为光电部件中占市场份额最大产品。世界范畴内LED产值是3.7亿美元，比增长37%。世界范畴内对于LED使用集中在：移动装置（58%）、信号装置（13%）、机动车（13%）和照明。在中华人民共和国则非常不同，最大市场某些是建筑照明（24%），LED显示屏（20%），交通信号灯（12%）以及信号（10%）。到，全球LED市场以每年19%速率增长。节能环保特性使得固态照明技术加速取代荧光灯等照明技术，LED市场在世界范畴内迅速发展[4]。
大多数LED灯制造厂商都在日本和泛太平洋地区，重要分布在四个区域：日本，美国，欧洲和亚太地区。大某些亚太供应商来自台湾，某些来自韩国。中华人民共和国大陆地区成为台湾供应商重要制造基地[5]。日本制造厂商重要有Stanley，Matsushita，Nichia，Sanyo和Kodenshi等公司，它们总共占了LED世界市场份额50%。第二大供应区域是亚太区域，其中知名公司涉及：Lite-On，Everlight，Ledtech等，它们占世界份额23%。南美是第三大LED部件供应区域，其中涉及CREE，Hewlett-Packard，Fairchild Optoelectronics和Uniroyal Optoelectronics等知名公司。
LED有诸多长处：它使用寿命长，在正常环境下使用寿命可以达到35，000-50，000小时，这比起荧光灯和白炽灯来说要长得多；LED光束自身不包括红外或紫外光，这对于某些特定场合是十分必要，例如在对博物馆展品照明中，LED光束能有效保护被照对象，使得被照物品不容易因曝光而损坏；从环保角度说，LED灯具部件不含汞等污染物质，因此便于回收再运用。
此外，LED还具备耐冲击震荡、体积小、色域丰富等特点，市场前景辽阔。图1.3列举了几种LED照明实物。
当前，市面上各种LED产品应用中，较为主流几种分别为[4][6][7]：
1)显示屏：各种广告牌、金融和交通批示牌
2)照明：装饰照明、商业照明、景观照明
3)交通信号灯：涉及交通批示灯、信号灯、标记灯，重要用超高亮度红绿黄色
4)汽车用灯：汽车内部仪表盘、音响批示灯、开关背光源、阅读灯和外部刹车灯、尾灯、侧灯以及车头灯
5)背光源：移动电话、液晶LCD显示屏上用背光源
6)其他应用：工艺品市场和特殊工作照明，军事运用

图1.3 几种LED照明运用实物图
在现阶段，虽然大功率高亮度LED已经在背光源、显示屏、特种照明、信号灯等领域得到较好推广，但相对于普通照明和汽车前照灯领域而言，它运用还处在起步阶段。
其中制约其发展瓶颈之一是大功率LED自身散热不畅和出光率不高。由于散热直接影响到LED可靠性，进而影响到LED寿命和应用，而出光率低则直接制约了LED发展，因此对LED封装散热问题研究就显得格外重要。
1.4 论文构造
本文共分五章，各章内容安排如下：
第一章，诸论。描述了LED发展历程、市场现状与前景。简介了LED较之老式固体光源在照明应用领域优势，同步简介了制约功率型LED取代老式光源技术瓶颈之一是如何提高封装过程中散热性能，以此引出课题。
第二章，功率型LED封装概述。简介了LED构造、发光原理和有关参数特性；重要针对白光功率型LED芯片构造和制备工艺，分析影响功率型LED封装可靠性若干因素，并逐个给出优化设计方案。
第三章，散热分析与设计。简介LED热量传递方式，分析热敏参数对LED热性能影响，提出解决有关散热问题设计办法。此外，还简介了几种惯用散热器构造和原理。
第四章，实验与成果。在前面章节分析关于功率型LED封装散热问题基本上，提出了一种针对大功率LED封装技术。在材料选取、装焊工艺、热沉设计、静电保护电路、制冷构造等方面进行了优化设计。最后通过实物测试数据，验证了采用该封装技术大功率LED能较好解决封装中可靠性和散热问题。
第五章，结论。本章总结全文，并展望下一步研究工作。

第二章 功率型LED封装概述
2.1 LED构造和发光原理
发光二极管核心某些是一种电致发光（electroluminescence）半导体材料，它被至于支架上，四周被环氧树脂胶密封。发光二极管基本构造图，如图2.1所示。

图2.1 LED基本构造
 发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成，这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生P、N架构。
发光二极管核心某些是P型半导体和N型半导体所构成晶片，因而它具备普通P-N结正向导通、反向截止、击穿等特性。电流可以容易地从P极（阳极）流向N极（负极），而相反方向则不能。
在如图2.2所示电路中，电池正极连接P区，电池负极连接N区，实心点表达电子，空心点表达空穴，Eg为禁带宽度[8]。当两端加上正向电压时，由于P-N结势垒减少，两种不同载流子：空穴和电子在不同电极电压作用下从电极流向P区和N区。电子从N区注入P区，而空穴从P区注入N区，当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低能阶，同步以光子模式释放出能量，于是就会发出可见光，紫外光或近红外光。
但是，P-N结发出光子是非定向，即向各个方向发射有相似几率，因而，并不是管芯产生所有光都可以释放出来，这重要取决于半导体材料质量、管芯构造及几何形状、封装内部构造与包封材料[9]。应用中规定提高LED内、外部量子效率，它所发出光波长（决定颜色），是由构成P、N架构半导体物料禁带能量决定。

图2.2 LED发光示意图
2.2 LED参数特性
发光二极管是一种注入式电致发光器件，由P型半导体和N型半导体组合而成，因此它具备PN结型器件某些参数特性：
2.2.1 电学特性[10]
1.电流与电压特性
发光二极管伏安特性曲线如图2.3所示。它与普通二极管伏安特性曲线大体相似。电压不大于启动点电压值时无电流，电压一旦超过启动点，就显示出欧姆导通特性。此时正向电流与电压关系为：
（2.1）
其中，k是波尔兹曼常数，m为复合因子。在宽禁带半导体中，当电流不大于0.1毫安时，通过结内深能级进行复合空间复合电流起支配作用，这时，m=2；电流增大后，扩散电流占优势时，m=1。
此外，在LED使用时，咱们引入容许功耗。它是容许加于LED两端正向直流电压V与流过它电流I之积最大值，记为：
（2.2）
超过此值，LED发热、损坏。

图2.3 LEDI-V 特性曲线
2.发光亮度与电流关系
发光二极管发光亮度B是单位面积发光强度量度。在辐射发光发生在P区状况下，发光亮度B与电子扩散电流之间有如下关系：
（2.3）
式中，是载流子辐射复合寿命和非辐射复合寿命函数。以GaP发光二极管为例，它发光亮度随着电流密度近似成正比增长而不易饱和，它适合在脉冲下使用，由于脉冲状态工作不易发热，在平均电流与直流相等状况下可以得到更高亮度。
3.寿命
发光二极管寿命定义为亮度减少到原有亮度一半时所经历时间。二极管寿命普通都很长，在电流密度不大于时，普通可达小时，最长可达小时。随着工作时间加长，亮度下降现象称为老化。老化快慢与工作电流密度关于。随着电流密度加大，老化变快，寿命变短。
4.响应时间
在迅速显示时，标志器件对信息反映速度物理量叫响应时间，即器件启亮（上升）与熄灭（衰减）时间延迟。实验证明，二极管上升时间随电流增长而近似呈现指数衰减。且响应时间普通很短。
2.2.2 光学特性
1.发光效率（流明效率）
咱们普通所说发光效率涉及量子效率以及提取效率和流明效率。由于人眼对光敏感限度与光波长关于，因而，功率效率很高发光器件所发出光，人眼看起来就不见得亮。为了便于用人眼来衡量一种发光器件功能，引入参量流明效率，它表达消耗单位电功率所得到光通量()[10]：
[lm/W] （2.4）
量子效率是指注入载流子复合而产生光量子效率。由于内吸取和内反射等因素，使得产生光量子不能所有射出。因而，量子效率又分为内量子效率和外量子效率。普通来说，发光效率指是外量子效率。提取效率是指芯片输出光子数与芯片有源区发出光子数之比。内、外量子效率和提取效率之间关系可以由下式表达[11]：
(2.5)
其中表达有源层中电流密度。
2.发光强度
发光强度表征LED在光源某方向上发光强弱，用法向光强来衡量，即位于法向方向光强是最大，其与水平面交角为90°。易知，发光强度是一种同半角宽度和光强角分布存在一定关系特性参数，它重要取决于封装工艺如何，并有着很强实际意义。国际照明委员会引入了平均光强概念[12]：照射在离大功率LED一定距离处光探测器上光通量与由探测器构成立体角比值，而立体角又为探测面积和测量距离平方比值，如下式所示：
(2.6)
2.3 白光LED简介
2.3.1 白光LED发光原理
在当前，对于普通普通照明而言，人们需要白色光源[13]。初期研发成功白光LED是将氮化镓（GaN）芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起而成。GaN芯片发出蓝光，而含铈（Ce3+）YAG荧光粉在受到蓝光激发后，会发出黄色光，某些蓝光被荧光粉吸取，而另一某些蓝光则与激发出黄光混合，从而形成白光。当前，咱们重要用该办法来获得白光大功率LED，该办法操作简朴实用性强，成本低，但是色调一致性差，并且色温偏高，显色性有待提高。图2.4是该办法示意图。
日后研究人员用RGB（red、green、blue）三基色各种芯片或各种器件发光混色成白光，或者用蓝、黄双芯片补色产生白光。只要有恰当散热条件，该办法相对稳定。
此外，在紫外光芯片（UV-LED）上涂覆上RGB三色荧光粉，运用紫光激发荧光粉产生三基色光混色，也可以得到白光。该办法提高了发光效率，且光色均匀，不会随着电流变化而变化，但由于当前紫外光芯片和RGB荧光粉粉体混合较为困难，合成效率低，因此该办法只是理论上也许，并没有实际运用价值[14]。

图 2.4 蓝光芯片激发黄色荧光粉示意图

表2.1阐明了各种形成白光LED办法和原理[13]：
表 2.1 白光LED办法和种类
芯片数
激发源
发光材料
发光原理
1
蓝色LED
InGaN/YAG
InGaN 蓝光与 YAG 黄光混合成白光
蓝色LED
InGaN/ 荧光粉
受InGaN 蓝光激发红绿蓝三基色荧光粉发白光
蓝色LED
ZnSe
由薄膜层发出蓝光和在基板上激发出黄光混色成白光
紫色LED
InGaN/ 荧光粉
受InGaN 紫外激发红绿蓝三基色荧光粉发白光
2
蓝色 LED、黄绿 LED
InGaN
GaP
将具备补色关系两种芯片封装在一起，构成白色 LED
3
蓝色 LED、绿色 LED
红色 LED
InGaN
AlInGaP
将发三原色三种芯片封装在一起，构成白色 LED
各种
各种光色 LED
InGaN、GaP、AlInGaP
将发三原色三种芯片封装在一起，构成白色 LED
2.3.2 荧光粉
在白光LED制备中，荧光粉是一种非常核心材料，它性能直接影响白光LED亮度、色坐标、色温及显色性等。运用LED芯片配合特定荧光粉产生白光办法工艺简朴，成本较低。图2.5是蓝光LED芯片发出蓝光光谱与黄光光谱互相重叠后产生白光示意图。
当前商品化白光LED产品及将来发展趋势仍以单芯片型为主流，而开发具备良好发光特性荧光粉是得到高亮度、高发光效率、高显色性白光LED核心所在[14]。普通，选取LED用荧光粉原则是：1.荧光粉能被与之匹配LED芯片有效激发；2.并具备高量子效率；3.化学性质稳定。
对于白光LED所用荧光粉而言，不但荧光粉质量需要得到保障，其涂抹技术也需要得到发展。在所有改良荧光粉技术中，Lumileds公司研发保形涂层（conformal coating）技术可实现荧光粉均匀涂覆，但出光效率不高。

图 2.5 蓝光光谱与黄光光谱混合图
美国Nadarajah Narendran 在国际固态照明会议上，提出了SPE（scatter photo extraction）散射萃取工艺[15]，该工艺可以十分有效提高白光LED发光效率，其技术核心在于荧光粉不是像以往同样直接涂抹在芯片上，而是通过在芯片表面布置一种聚焦透镜，并将具有荧光粉玻璃片置于距芯片一定位置。这种设计可以有效减少荧光粉散射光背向损耗，有效提高了流明效率。这两种工艺LED构造示意图如下图所示。

图 2.6 白光LED封装构造示意图
综上所述，功率型白光LED虽然已有一定市场基本，但在此后对其技术研发过程中还必要注意如下几种问题：提高大尺寸芯片质量和外延片量子效率；优化芯片构造，使其获得更高流明效率；对荧光粉进一步研发。值得一提是，封装工艺、封装构造和散热问题，是大功率LED研发重中之重。
2.4 芯片制备与构造
2.4.1 芯片制备过程
LED制备流程分为三个环节：上游单晶片与外延晶片制作、中游晶粒制作和下游封装[16]。
1)上游工艺：
上游工艺产品为单晶片和外延晶片，它们在工艺中生成顺序为：单晶棒—单晶片—构造设计—外延晶片。外延晶片是依照不同产品在单晶片上成长多层不同厚度单晶薄膜，普通也被称为磊晶。惯用外延成长技术有：液相外延生长法(Liquid Phase Epitaxy；LPE) 、气相外延生长法(Vapor Phase Epitaxy；VPE )和有机金属化学气相沉积法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy；MOVPE，又称为MOCVD（metal-organic chemical vapor deposition)等。
其中气相外延生长法[17]（VPE）特点是以气体或电浆材料传播至基板，促使晶格表面粒子凝结或电离；液相外延生长法（LPE）是把熔融状态下液体材料直接和基板接触而沉积晶膜。这两种技术虽然都已经相称成熟，但是它们都存在着磊晶薄度和平整度不抱负问题。由于该缺陷存在，因此这两种技术普通只被用来生产老式低功率LED。
有机金属化学气相沉积法[17]（MOCVD）是将有机金属以气体形式扩散至基板，促使晶格表面粒子凝结，该办法磊晶纯度高，薄度与平整度都很抱负。MOCVD系统是当前大规模制造HB-LED主流生产设备。
2)中游过程：
中游工艺制作过程重要涉及：金属蒸镀—光罩刻蚀—PN电极制作—切割—崩裂等环节。该过程成品为晶粒。
3)下游封装：
下游封装内容涉及：晶粒粘贴—打线—树脂封装—剪脚。此阶段对于产品成品率影响最大。
2.4.2 芯片构造
LED芯片是整个LED发光核心某些，因而其有关技术也是所有LED公司、工作者研究重点。如何优化构造，改良技术成为摆在人们面前重要课题。下面简朴简介几家国外知名LED公司研发典型芯片构造。
美国HP公司先后研制了透明衬底大尺寸芯片以及透明衬底倒梯形构造大功率芯片[18]。尽管这两种芯片在性能上尚有诸多局限性，但是比起之前小尺寸芯片，它们光通量的确有了明显提高。德国欧司朗（Osram）公司[19]在研制出新一代AlGaInP LED芯片，该芯片独特之处是将芯片窗口层表面腐蚀，被腐蚀后纹理构造可以有效提高光提取率。采用这种纹理表面构造AlInGaP LED芯片封装后光电转换效率是常规两倍。
值得一提是，LumiLeds 公司在研制出AlGaInN 大功率倒装芯片（Flip-Chip LED）构造[18]，该构造是通过透明蓝宝石衬底取光，不但可以避免P型、N型欧姆接触电极吸光，以及键合引线挡光影响，并且可以不考虑NiAu欧姆接触层透光性将其厚度增至50nm以上，从而改进了注入电流扩展效果，减少了正向电压，同步还起到了背反射作用，将有源层发出光通过底部NiAu层反射，从蓝宝石衬底取出，因而，倒装芯片取光效率有了明显提高。图2.7对比了正装与倒装焊LED芯片构造。
为了提高光出射率和芯片光通量，在芯片技术研发过程中，重要有如下几方面需要注意：1.克服芯片表面全反射，提高光提取率（出射效率）；2.提高背面、侧面发光运用效率；3.增大芯片面积，提高输入功率；4.减少芯片PN结到基座热阻。

图 2.7 正装与倒装LED芯片示意图
2.5 功率型LED封装
LED封装技术大都是在分立器件封装技术基本上发展与演变而来，但与它们又有很大区别。普通状况下，分立器件管芯被密封在封装体内，封装作用重要是保护发光芯片和下一层电路完毕电气互连。而LED封装则是为了保护芯片正常工作，输出可见光，这其中既包括电参数，又有光参数设计及技术规定，因此，无法简朴地将分立器件封装用于LED。通过近年发展，LED封装由最初支架式LED（Lead LED），到日后普通贴片式LED（Chip SMD LED）及功率型LED（Power LED），再到当前大功率LED（High Power LED）[18]。由图2.8咱们可以看到，LED器件封装构造演变。从图上咱们可以看到，随着LED发展，其热阻越来越小。众所周知，以热阻为例，热阻大小直接影响到LED散热性能（这在下面章节会详细简介，热阻是影响散热因素之一），而如果不能有效控制热性能话，LED发光效率就会明显下降，并最后也许导致失效。因此，在当前运用广泛大功率LED封装过程中，如何解决好封装与可靠性关系，就摆在咱们面前。

图 2.8 LED封装发展过程
2.5.1 LED封装工艺
前面咱们大体简介了芯片制备流程，为了使已制作完毕半导体芯片免受机械应力、热应力、湿气、有害气体以及放射线等外部环境影响，需要采用一种适当外形和构造封装来保护芯片。这样做，一方面保证了半导体器件最大限度发挥它电学特性而正常工作，另一方面通过封装壳体将会使应用更加以便。下面简要简介LED封装工艺环节[20]，以及各个环节作用：
芯片检查：重要是检查材料表面与否有机械损伤，以及芯片尺寸和电极大小与否符合工艺规定。
扩片：由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小（约0.1mm），不利于后期工序操作。咱们采用扩片机，对粘结芯片膜进行扩张，使得LED芯片间距拉伸到约0.6mm。
点胶：在LED支架相应位置点上银胶或绝缘胶。对于GaAs、SiC导电衬底，具备背面电极红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶。对于蓝宝石绝缘衬底蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片。
备胶：与上个环节相反，备胶是先用备胶机把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶LED安装在LED支架上。但不是所有产品都合用备胶工艺。
手工刺片：将扩张后LED芯片（备胶或未备胶）安顿在刺片台夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一种一种刺到相应位置上。
自动装架：自动装架其实是结合了沾胶（点胶）和安装芯片两大环节，先在LED支架上点上银胶（绝缘胶），然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，再安顿在相应支架位置上。
烧结：烧结目是使银胶固化，烧结规定对温度进行监控，防止批次性不良。银胶烧结烘箱必要按工艺规定隔2小时（或1小时）打开更换烧结产品，中间不得随意打开。烧结烘箱不得再用作其她用途，防止污染。
压焊：压焊目将电极引到LED芯片上，完毕产品内外引线连接工作。LED压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种。压焊是LED封装技术中核心环节，工艺上重要需要监控是压焊金丝（铝丝）拱丝形状，焊点形状，拉力。
模压封装：将压焊好LED支架放入模具中，将上下两副模具用液压机合模并抽真空，将固态环氧放入注胶道入口加热用液压顶杆压入模具胶道中，环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化。
固化与后固化：固化是指封装环氧固化；后固化：后固化是为了让环氧树脂充分固化，同步对LED进行热老化。
切筋和划片：由于LED在生产中是连在一起（不是单个），Lamp封装LED采用切筋切断LED支架连筋。SMD-LED则是在一片PCB板上，需要划片机来完毕分离工作。
测试：测试LED光电参数、检查外形尺寸，同步依照客户规定对LED产品进行分选。
包装：将成品进行计数包装。
2.5.2 封装中可靠性问题
在上面所述LED封装环节里，较为核心过程涉及：压焊中金丝键合过程，点胶中装贴芯片过程，以及模压封装过程等。这其中任何一种过程都能直接影响到LED可靠性能。下面，咱们以某公司在封装中失效LED为例，通过度析其观测成果，咱们提出优化封装中LED可靠性若干办法[21]。
1) 有缺陷压焊过程
连接电极和引线框过程被称之为金属丝键合过程，该过程直接影响设备可靠性。在该键合过程中，金属原子在金线和LED芯片垫之间扩散，它们联合起来影响热量，压力和声能，因此，适当键合条件，例如恰当键合压力，键合时间和键合温度都对键合可靠性非常重要。在实际运用过程中，许多仪器失效都是缘于有缺陷键合过程[22]。
以一种蓝光LED模型为例，在持续使用几天后进行测试，LED变暗或者熄灭。通过实验观测咱们懂得，在芯片激活区发既有一种很大面积裂缝，该裂缝在结合区内部。如图2.9所示。

图 2.9 结合部裂缝
大面积裂缝增大了串联电阻，这是引起单元失效最重要因素。从大面积裂缝外观来看，咱们能推断出在键合（bonding process）过程中过大压力导致了大面积裂缝浮现。再者，模型通过一种长期温度循环测试，温度变化时产生热应力使得激活区更快失效。
2) 有缺陷芯片粘结过程
芯片（晶片）粘结层普通都要使用某些粘结剂。例如聚酰亚胺，环氧树脂和银胶。它们都作为晶片粘结材料来把晶片安装固定在基座上。粘结剂是第一种在基座上被分派可控数量。为了固定晶片，它被一种或者各种喷射针从大晶片上喷出。在引线框和银环氧树脂芯片粘结材料之间有一种可见分层，引起电子跃变。
通过对某公司失效红光LED产品结合区进行观测，咱们发现它在结合区存在裂缝，如图2.10所示。

图2.10失效LED结合区开裂部位
咱们看到，晶片粘结层已经完全裂开，如图2.11所示。有缺陷连接过程导致晶片粘结层断裂。晶片粘结过程质量受到质量，使用数量，粘结层粘合剂固化时间以及晶片粘结处净度影响。如果粘合剂是过期或者暴露时间太长，晶片粘结层质量将被影响，除此之外，局限性量，较长固化时间以及被污染晶片粘结区域都将导致晶片黏合过程质量低劣。

图 2.11 粘结层完全开裂
3) ESD损坏
ESD（Electro-Static Discharge）意思是静电释放，它是由于绝缘材料内部电势差而导致，它在非常短时间内引起高电流脉冲。电位差因素普通是由摩擦引起负荷。ESD可以使半导体PN结及时失效，或者是引起不易察觉变化导致LED损坏。对于LED来说，衬底材料容易受到静电释放影响。值得一提是，蓝宝石衬底更易受到ESD损害。（详细内容将在背面实验设计某些中谈到）。
2.5.3 提高可靠性办法
LED可靠性受到各种因素限制，当前咱们只阐明上述影响功率型LED封装可靠性因素以及如何有效避免。
1) 优化键合过程
最优化条件受到金属丝类型，金属垫和设备参数等因素影响。因而，对每个产品来说，可通过变化参数来进行一连串测试从而得到最优键合条件。预计粘合剂拉力强度对于定义这些参数是有协助。由于如果拉力强度过大，那么在粘合部