施克孝

（中廣國際建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100034）

人要穿衣，馬要配鞍，LED要封裝。

大家知道，發(fā)光二極管芯片是一塊非常小的半導(dǎo)體晶體，它的電極要在顯微鏡下才能看清楚。這樣的“小東西”是不能直接用在電路中的。要想使用，必須把它封包、裝配起來，這個過程就叫做封裝。

LED封裝技術(shù)大都是從分立器件（晶體管、集成電路芯片等）封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展和演變而來的，但又有其特殊性。一般情況下，分立器件的芯片被密封在封裝體內(nèi)，封裝的作用主要是保護(hù)芯片、引出正負(fù)極等，以完成電氣連接。而LED封裝除上述作用外，還要輸出可見光或紫外線、紅外線。這就要求封裝材料是透明的，同時(shí)還要進(jìn)行光路設(shè)計(jì)，盡量減少內(nèi)部光損失，追求盡可能多的光輸出。

LED封裝涉及到多方面的技術(shù)，對LED產(chǎn)品整體質(zhì)量也十分重要。應(yīng)該說，只有好的封裝，才能制造出好的產(chǎn)品。

LED封裝技術(shù)發(fā)展至今，經(jīng)歷了如下四個階段：

第一階段是引腳式封裝，一般適用于直徑3mm 5mm的小功率LED，電流不大于30 mA，功率不大于0.1 W。

第二階段是SMT（Surface Mount Technology，表面貼裝技術(shù)）封裝。所使用的SMT技術(shù)是一種可以直接將封裝好的器件貼或焊到PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）表面指定位置上的封裝技術(shù)，具有可靠性高、高頻特性好、易于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)。

第三階段是COB（Chip On Board，板上芯片直裝式）封裝。它是一種通過黏膠劑或焊料將LED芯片直接粘貼到PCB上的技術(shù)，主要用于大功率多芯片陣列的LED封裝。與SMT相比，COB不僅提高了封裝功率密度，而且降低了封裝熱阻。

第四階段是SIP（System In Package，系統(tǒng)式封裝），是近幾年來為適應(yīng)整機(jī)的便攜式發(fā)展和系統(tǒng)小型化的要求而產(chǎn)生的封裝技術(shù)。它不僅可以在一個封裝內(nèi)組裝多個發(fā)光芯片，還可以將各種不同類型的器件（如電源、控制電路、傳感器等）集成在一起，構(gòu)建一個更為復(fù)雜、完整的系統(tǒng)。

對于大功率LED的封裝而言，封裝要同時(shí)考慮電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。下面就談?wù)勥@方面涉及到的幾個主要問題。

1 電學(xué)設(shè)計(jì)

LED發(fā)光的關(guān)鍵部分是P-N結(jié)，P-N結(jié)的厚度只有幾微米（ 1 μm = 10-6m，即1微米是一百萬分之一米），對于大功率LED芯片，面積一般為1 mm× 1 mm，P-N結(jié)的厚度只有長寬尺寸的幾百分之一。這么薄的芯片，是不能直接把P型半導(dǎo)體材料與N型半導(dǎo)體材料“粘接”在一起的。它必須“生長”在一個相對比較厚的基板上，這個基板叫做“襯底”。襯底是純度很高的單晶體，為了保證P-N結(jié)的質(zhì)量，在襯底上還要生長一層非常薄的純度更高的單晶薄膜，這個薄膜叫做外延層。襯底晶片及外延層的生長是LED的上游產(chǎn)品，技術(shù)專利都掌握在幾家大公司手里。

在電學(xué)設(shè)計(jì)上，正負(fù)極是不可缺少的，如圖1所示，在LED芯片上面的叫上電極，在LED芯片下面的叫下電極。在保證電流分布比較均勻的情況下，盡量減少上電極的接觸面積，并設(shè)法使電極避開發(fā)光最強(qiáng)的區(qū)域，以提高出光效率；對于下電極，為提高底部的反射率，采用小圓點(diǎn)矩陣接觸的復(fù)合接觸電極，可以明顯提高反射率，從而提高出光率。

圖1 大功率LED結(jié)構(gòu)示意圖

另外，根據(jù)電流的流向不同，LED芯片可分為橫向結(jié)構(gòu)LED和垂直結(jié)構(gòu)LED。在橫向結(jié)構(gòu)中，又分為正裝結(jié)構(gòu)和倒裝結(jié)構(gòu)。

所謂橫向結(jié)構(gòu)，指的是電流從正極流向負(fù)極的時(shí)候，電流主要是橫向流動的，如圖2所示。最早的LED芯片是橫向結(jié)構(gòu)，目前還有許多小功率LED芯片采用這種結(jié)構(gòu)。

圖2 正裝結(jié)構(gòu)LED示意圖

橫向結(jié)構(gòu)中，由于電極要占一部分發(fā)光面積，為了躲開發(fā)光最強(qiáng)區(qū)域，正電極和負(fù)電極總是安排在芯片的對角上。電流從正極流向負(fù)極的時(shí)候，電流分布是不均勻的。就像道路上堵車一樣，導(dǎo)電過程也會出現(xiàn)電流“擁塞”現(xiàn)象。同時(shí)，藍(lán)寶石襯底導(dǎo)熱率較低，散熱不易解決。為了解決這些問題，出現(xiàn)了倒裝結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

倒裝結(jié)構(gòu)提高了發(fā)光效率，散熱效果也改進(jìn)了。但倒裝技術(shù)仍然是橫向結(jié)構(gòu)，仍然有電流“擁塞”現(xiàn)象。后來，又出現(xiàn)了“垂直結(jié)構(gòu)”的產(chǎn)品。在垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片中，它的P極被一導(dǎo)電層覆蓋（金屬層），導(dǎo)電層上的每一點(diǎn)均等電位，電流基本上垂直流動。因電流垂直流過P-N結(jié)，因此叫垂直結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在又進(jìn)而制成了三維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，如圖4所示。它的P電極通過P金屬填充塞（穿過圖中的支持襯底）與P金屬層接觸，N電極通過N金屬填充塞（穿過圖中的支持襯底）與N金屬層相連。電流通路是：電源正極→P電極→P金屬填充塞→P金屬層→P型外延層（圖中未示出）→P-N結(jié)（發(fā)光層）→N型外延層（圖中未示出）→N電極連線→N電極延伸部分→N金屬層→N金屬填充塞→N電極→外部電源負(fù)極。這種三維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，無需再加裝正負(fù)極的金線。垂直結(jié)構(gòu)雖成本略高，但它沒有電流“擁塞”現(xiàn)象，而且可以做到電流密度更大、封裝尺寸更小、熱阻更低、良品率更高，是大功率LED比較理想的封裝形式。

圖3 倒裝結(jié)構(gòu)LED示意圖

2 熱學(xué)設(shè)計(jì)

在P-N結(jié)中，電子與空穴復(fù)合的時(shí)候，并不是所有電子軌道的降低都變成了光子。能夠變成光子的復(fù)合稱為輻射復(fù)合，而不發(fā)光的復(fù)合稱為非輻射復(fù)合。非輻射復(fù)合會造成半導(dǎo)體晶格的振動而產(chǎn)生熱量；一般把能夠產(chǎn)生光子的電子—空穴對復(fù)合數(shù)與電子—空穴對復(fù)合總數(shù)之比稱為內(nèi)量子效率；P-N結(jié)已經(jīng)產(chǎn)生的光子通過LED的封裝材料射出時(shí)，由于各種材料吸收、反射等還要損失一部分能量，光子又減少了一部分。通常把從LED器件射出的光子數(shù)與P-N結(jié)的電子—空穴對總數(shù)之比稱為外量子效率（外量子效率是LED的總發(fā)光效率）。電子—空穴對非輻射復(fù)合和光子出射過程損失的能量都會變成熱量。另外，電子在半導(dǎo)體中遷移時(shí)會遇到阻力（電阻），這也會產(chǎn)生熱量。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)LED的時(shí)候，盡量提高內(nèi)量子效率及外量子效率，是LED芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選擇發(fā)光材料的任務(wù)之一。

對于大功率LED器件的封裝，不能簡單地套用小功率LED器件的封裝方法和封裝材料。耗散功率大、發(fā)熱量大、出光率高給LED封裝工藝、封裝設(shè)備和封裝材料都提出了新的要求。由于大功率LED封裝結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，并直接影響到LED的性能和使用壽命，因此一直是近年來的研究熱點(diǎn)。特別是大功率白光LED的封裝，更是熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)。其中，降低各個環(huán)節(jié)的熱阻，加強(qiáng)散熱是極其重要的環(huán)節(jié)。對于大功率LED芯片而言，隨著芯片的大型化、大電流化、高功率化，帶金屬底座的封裝已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的全環(huán)氧樹脂封裝。

在目前大功率LED光源70%電能變成熱量的情況下，盡量減小各個環(huán)節(jié)的熱阻是保證高出光率、長使用壽命的關(guān)鍵。

圖4 三維垂直結(jié)構(gòu)LED示意圖

圖5 光的折射、反射、全反射

3 光路設(shè)計(jì)（光學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）

要將LED芯片封裝成LED光電器件，必須進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)在業(yè)內(nèi)叫做一次光學(xué)設(shè)計(jì)。一次光學(xué)設(shè)計(jì)決定發(fā)光器件的發(fā)光角度、光能量大小、光強(qiáng)分布及色溫范圍等。這部分設(shè)計(jì)由LED芯片封裝的生產(chǎn)廠家完成。而對于一臺燈具，整個光路系統(tǒng)還要進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，這個設(shè)計(jì)叫做二次光學(xué)設(shè)計(jì)。這部分設(shè)計(jì)由燈具的生產(chǎn)廠家完成。只有一次光學(xué)設(shè)計(jì)、二次光學(xué)設(shè)計(jì)都做好，才能保證燈具的高出光率。在談及大功率LED器件封裝的時(shí)候，其光路設(shè)計(jì)一般是指一次光學(xué)設(shè)計(jì)。一次光學(xué)設(shè)計(jì)涉及的問題很多，例如，上面談到的橫向結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)，既涉及到結(jié)構(gòu)、電學(xué)、散熱，也涉及到光學(xué)的問題。

實(shí)際上，LED芯片的各個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都圍繞著高出光率進(jìn)行，除上面談到的電學(xué)、熱學(xué)設(shè)計(jì)方面，人們還想了各種辦法提高出光率。目前，LED的內(nèi)量子效率可以做得很高，但外量子效率都比較低，是影響LED發(fā)光效率的瓶頸。

對于一個LED，其外量子效率可表示為：

式中 ηex—— 外量子效率

ηin—— 內(nèi)量子效率

Cex—— 逃逸率

要提高LED的發(fā)光效率，就要提高內(nèi)量子效率和逃逸率。一般來說，高質(zhì)量的LED內(nèi)量子效率可以達(dá)到90%以上，其外量子效率卻非常有限。也就是說，要通過提高內(nèi)量子效率來大幅度提高LED的出光率已沒有多大余地。因此可以說，今后LED的關(guān)鍵技術(shù)之一就是通過提高外量子效率（即提高逃逸率Cex值）來提高LED的出光率。

下面簡單介紹幾種提高外量子效率的技術(shù)。

（1）利用LED芯片表面粗化的方法增加光輸出

光通過兩種介質(zhì)的界面時(shí)，會發(fā)生折射、反射、全反射等。光從折射率高的介質(zhì)進(jìn)入折射率低的介質(zhì)（如光從玻璃進(jìn)入空氣），如圖5所示，當(dāng)入射角為某一角度時(shí)（圖中的光線B），折射角為90°，這時(shí)折射光線會沿著玻璃表面?zhèn)鞑ザ牡簟＿@個角度叫做臨界角（例如玻璃的折射率為1.5時(shí)，臨界角為41.8°）。光線的入射角小于臨界角時(shí)，光線發(fā)生折射進(jìn)入空氣（如圖中的光線A）；當(dāng)光線的入射角大于臨界角時(shí)，光線發(fā)生全反射（如圖中的光線C）回到玻璃，經(jīng)多次全反射在LED內(nèi)部轉(zhuǎn)化為熱量而消耗掉。

圖6 粗糙表面的光線

圖7 倒金字塔形芯片

圖8 分布布拉格反射層

LED發(fā)光表面如果是一層平行的透明膜，與圖5的情形一樣，入射角為臨界角及大于臨界角的光線都會消耗掉，只有入射角小于臨界角的一小部分光線射出。

如果將LED的透明表面做成粗糙表面，就會增加光輸出，如圖6所示。在圖6中，光線A直接射出；光線B，如果是平行表面，會發(fā)生全反射，對于粗糙表面，它會發(fā)生折射而射出；光線C，經(jīng)過2次反射、一次折射也會變成光輸出。由此可見，LED的表面粗化會增加光輸出。

（2）采用倒金字塔形設(shè)計(jì)

如圖7所示，LED芯片做成倒金字塔形。

改變芯片的幾何形狀，可以減少光在芯片內(nèi)部的傳播路程，增加光輸出。LED的這種倒金字塔幾何形狀可以使發(fā)光層發(fā)出的部分光線從側(cè)壁的內(nèi)表面反射到上表面，以小于臨界角的角度射出（圖中的光線A），同時(shí)使那些傳播到上表面大于臨界角的光線從側(cè)面射出（圖中的光線B）。這兩種光線都增加了光輸出。這種方法由Krames等人提出。由于SiC較藍(lán)寶石容易加工，Cree公司成功制作了SiC襯底的藍(lán)光LED，其出光率達(dá)到50%，外量子效率達(dá)到32%。

（3）分布布拉格反射層（DBR）結(jié)構(gòu)

DBR結(jié)構(gòu)早在20世紀(jì)80年代由R.D.Burnham等人提出，如圖8所示。

它是兩種折射率不同的材料周期交替生長的層狀結(jié)構(gòu)，厚度一般為波長的1/4。有了這個反射層，就可以將底部的光反射到頂部射出。由于它有成本優(yōu)勢，目前已用于商業(yè)生產(chǎn)。

此外，還有透明電極技術(shù)、光子晶體技術(shù)等。提高外量子效率從而增加光輸出的方法有很多，但可以得出這樣的結(jié)論：在光路設(shè)計(jì)中，無非要跟各種材料對光的吸收、透射、反射、折射打交道。在設(shè)計(jì)和選擇材料時(shí)，應(yīng)盡量減少吸收、多增加透射，并通過反射、折射增加光輸出，以達(dá)到設(shè)計(jì)需要的光強(qiáng)分布。

事實(shí)上，電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四個方面是互相關(guān)聯(lián)的，有時(shí)還有矛盾，但考慮的原則應(yīng)以光學(xué)參數(shù)為主的最佳折中，所有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都要符合這一原則。

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