LED的封装——LED知识（九）

施克孝

（中广国际建筑设计研究院，北京 100034）

人要穿衣，马要配鞍，LED要封装。

大家知道，发光二极管芯片是一块非常小的半导体晶体，它的电极要在显微镜下才能看清楚。这样的“小东西”是不能直接用在电路中的。要想使用，必须把它封包、装配起来，这个过程就叫做封装。

LED封装技术大都是从分立器件（晶体管、集成电路芯片等）封装技术基础上发展和演变而来的，但又有其特殊性。一般情况下，分立器件的芯片被密封在封装体内，封装的作用主要是保护芯片、引出正负极等，以完成电气连接。而LED封装除上述作用外，还要输出可见光或紫外线、红外线。这就要求封装材料是透明的，同时还要进行光路设计，尽量减少内部光损失，追求尽可能多的光输出。

LED封装涉及到多方面的技术，对LED产品整体质量也十分重要。应该说，只有好的封装，才能制造出好的产品。

LED封装技术发展至今，经历了如下四个阶段：

第一阶段是引脚式封装，一般适用于直径3mm 5mm的小功率LED，电流不大于30 mA，功率不大于0.1 W。

第二阶段是SMT（Surface Mount Technology，表面贴装技术）封装。所使用的SMT技术是一种可以直接将封装好的器件贴或焊到PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）表面指定位置上的封装技术，具有可靠性高、高频特性好、易于实现自动化等优点。

第三阶段是COB（Chip On Board，板上芯片直装式）封装。它是一种通过黏胶剂或焊料将LED芯片直接粘贴到PCB上的技术，主要用于大功率多芯片阵列的LED封装。与SMT相比，COB不仅提高了封装功率密度，而且降低了封装热阻。

第四阶段是SIP（System In Package，系统式封装），是近几年来为适应整机的便携式发展和系统小型化的要求而产生的封装技术。它不仅可以在一个封装内组装多个发光芯片，还可以将各种不同类型的器件（如电源、控制电路、传感器等）集成在一起，构建一个更为复杂、完整的系统。

对于大功率LED的封装而言，封装要同时考虑电学、热学、光学和结构设计。下面就谈谈这方面涉及到的几个主要问题。

1 电学设计

LED发光的关键部分是P-N结，P-N结的厚度只有几微米（ 1 μm = 10-6m，即1微米是一百万分之一米），对于大功率LED芯片，面积一般为1 mm× 1 mm，P-N结的厚度只有长宽尺寸的几百分之一。这么薄的芯片，是不能直接把P型半导体材料与N型半导体材料“粘接”在一起的。它必须“生长”在一个相对比较厚的基板上，这个基板叫做“衬底”。衬底是纯度很高的单晶体，为了保证P-N结的质量，在衬底上还要生长一层非常薄的纯度更高的单晶薄膜，这个薄膜叫做外延层。衬底晶片及外延层的生长是LED的上游产品，技术专利都掌握在几家大公司手里。

在电学设计上，正负极是不可缺少的，如图1所示，在LED芯片上面的叫上电极，在LED芯片下面的叫下电极。在保证电流分布比较均匀的情况下，尽量减少上电极的接触面积，并设法使电极避开发光最强的区域，以提高出光效率；对于下电极，为提高底部的反射率，采用小圆点矩阵接触的复合接触电极，可以明显提高反射率，从而提高出光率。

图1 大功率LED结构示意图

另外，根据电流的流向不同，LED芯片可分为横向结构LED和垂直结构LED。在横向结构中，又分为正装结构和倒装结构。

所谓横向结构，指的是电流从正极流向负极的时候，电流主要是横向流动的，如图2所示。最早的LED芯片是横向结构，目前还有许多小功率LED芯片采用这种结构。

图2 正装结构LED示意图

横向结构中，由于电极要占一部分发光面积，为了躲开发光最强区域，正电极和负电极总是安排在芯片的对角上。电流从正极流向负极的时候，电流分布是不均匀的。就像道路上堵车一样，导电过程也会出现电流“拥塞”现象。同时，蓝宝石衬底导热率较低，散热不易解决。为了解决这些问题，出现了倒装结构，如图3所示。

倒装结构提高了发光效率，散热效果也改进了。但倒装技术仍然是横向结构，仍然有电流“拥塞”现象。后来，又出现了“垂直结构”的产品。在垂直结构的LED芯片中，它的P极被一导电层覆盖（金属层），导电层上的每一点均等电位，电流基本上垂直流动。因电流垂直流过P-N结，因此叫垂直结构。现在又进而制成了三维垂直结构LED芯片，如图4所示。它的P电极通过P金属填充塞（穿过图中的支持衬底）与P金属层接触，N电极通过N金属填充塞（穿过图中的支持衬底）与N金属层相连。电流通路是：电源正极→P电极→P金属填充塞→P金属层→P型外延层（图中未示出）→P-N结（发光层）→N型外延层（图中未示出）→N电极连线→N电极延伸部分→N金属层→N金属填充塞→N电极→外部电源负极。这种三维垂直结构LED芯片，无需再加装正负极的金线。垂直结构虽成本略高，但它没有电流“拥塞”现象，而且可以做到电流密度更大、封装尺寸更小、热阻更低、良品率更高，是大功率LED比较理想的封装形式。

图3 倒装结构LED示意图

2 热学设计

在P-N结中，电子与空穴复合的时候，并不是所有电子轨道的降低都变成了光子。能够变成光子的复合称为辐射复合，而不发光的复合称为非辐射复合。非辐射复合会造成半导体晶格的振动而产生热量；一般把能够产生光子的电子—空穴对复合数与电子—空穴对复合总数之比称为内量子效率；P-N结已经产生的光子通过LED的封装材料射出时，由于各种材料吸收、反射等还要损失一部分能量，光子又减少了一部分。通常把从LED器件射出的光子数与P-N结的电子—空穴对总数之比称为外量子效率（外量子效率是LED的总发光效率）。电子—空穴对非辐射复合和光子出射过程损失的能量都会变成热量。另外，电子在半导体中迁移时会遇到阻力（电阻），这也会产生热量。当然，在设计LED的时候，尽量提高内量子效率及外量子效率，是LED芯片结构设计及选择发光材料的任务之一。

对于大功率LED器件的封装，不能简单地套用小功率LED器件的封装方法和封装材料。耗散功率大、发热量大、出光率高给LED封装工艺、封装设备和封装材料都提出了新的要求。由于大功率LED封装结构和工艺复杂，并直接影响到LED的性能和使用寿命，因此一直是近年来的研究热点。特别是大功率白光LED的封装，更是热点中的热点。其中，降低各个环节的热阻，加强散热是极其重要的环节。对于大功率LED芯片而言，随着芯片的大型化、大电流化、高功率化，带金属底座的封装已经取代了传统的全环氧树脂封装。

在目前大功率LED光源70%电能变成热量的情况下，尽量减小各个环节的热阻是保证高出光率、长使用寿命的关键。

图4 三维垂直结构LED示意图

图5 光的折射、反射、全反射

3 光路设计（光学和结构设计）

要将LED芯片封装成LED光电器件，必须进行光学设计。这种设计在业内叫做一次光学设计。一次光学设计决定发光器件的发光角度、光能量大小、光强分布及色温范围等。这部分设计由LED芯片封装的生产厂家完成。而对于一台灯具，整个光路系统还要进行光学设计，这个设计叫做二次光学设计。这部分设计由灯具的生产厂家完成。只有一次光学设计、二次光学设计都做好，才能保证灯具的高出光率。在谈及大功率LED器件封装的时候，其光路设计一般是指一次光学设计。一次光学设计涉及的问题很多，例如，上面谈到的横向结构和垂直结构，既涉及到结构、电学、散热，也涉及到光学的问题。

实际上，LED芯片的各个设计环节都围绕着高出光率进行，除上面谈到的电学、热学设计方面，人们还想了各种办法提高出光率。目前，LED的内量子效率可以做得很高，但外量子效率都比较低，是影响LED发光效率的瓶颈。

对于一个LED，其外量子效率可表示为：

式中 ηex—— 外量子效率

ηin—— 内量子效率

Cex—— 逃逸率

要提高LED的发光效率，就要提高内量子效率和逃逸率。一般来说，高质量的LED内量子效率可以达到90%以上，其外量子效率却非常有限。也就是说，要通过提高内量子效率来大幅度提高LED的出光率已没有多大余地。因此可以说，今后LED的关键技术之一就是通过提高外量子效率（即提高逃逸率Cex值）来提高LED的出光率。

下面简单介绍几种提高外量子效率的技术。

（1）利用LED芯片表面粗化的方法增加光输出

光通过两种介质的界面时，会发生折射、反射、全反射等。光从折射率高的介质进入折射率低的介质（如光从玻璃进入空气），如图5所示，当入射角为某一角度时（图中的光线B），折射角为90°，这时折射光线会沿着玻璃表面传播而消耗掉。这个角度叫做临界角（例如玻璃的折射率为1.5时，临界角为41.8°）。光线的入射角小于临界角时，光线发生折射进入空气（如图中的光线A）；当光线的入射角大于临界角时，光线发生全反射（如图中的光线C）回到玻璃，经多次全反射在LED内部转化为热量而消耗掉。

图6 粗糙表面的光线

图7 倒金字塔形芯片

图8 分布布拉格反射层

LED发光表面如果是一层平行的透明膜，与图5的情形一样，入射角为临界角及大于临界角的光线都会消耗掉，只有入射角小于临界角的一小部分光线射出。

如果将LED的透明表面做成粗糙表面，就会增加光输出，如图6所示。在图6中，光线A直接射出；光线B，如果是平行表面，会发生全反射，对于粗糙表面，它会发生折射而射出；光线C，经过2次反射、一次折射也会变成光输出。由此可见，LED的表面粗化会增加光输出。

（2）采用倒金字塔形设计

如图7所示，LED芯片做成倒金字塔形。

改变芯片的几何形状，可以减少光在芯片内部的传播路程，增加光输出。LED的这种倒金字塔几何形状可以使发光层发出的部分光线从侧壁的内表面反射到上表面，以小于临界角的角度射出（图中的光线A），同时使那些传播到上表面大于临界角的光线从侧面射出（图中的光线B）。这两种光线都增加了光输出。这种方法由Krames等人提出。由于SiC较蓝宝石容易加工，Cree公司成功制作了SiC衬底的蓝光LED，其出光率达到50%，外量子效率达到32%。

（3）分布布拉格反射层（DBR）结构

DBR结构早在20世纪80年代由R.D.Burnham等人提出，如图8所示。

它是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构，厚度一般为波长的1/4。有了这个反射层，就可以将底部的光反射到顶部射出。由于它有成本优势，目前已用于商业生产。

此外，还有透明电极技术、光子晶体技术等。提高外量子效率从而增加光输出的方法有很多，但可以得出这样的结论：在光路设计中，无非要跟各种材料对光的吸收、透射、反射、折射打交道。在设计和选择材料时，应尽量减少吸收、多增加透射，并通过反射、折射增加光输出，以达到设计需要的光强分布。

事实上，电学、热学、光学和结构设计四个方面是互相关联的，有时还有矛盾，但考虑的原则应以光学参数为主的最佳折中，所有的结构设计都要符合这一原则。

[1] 苏永道，吉爱华，赵超. LED封装技术. 上海：交通大学出版社，2010

[2] 周志敏，纪爱华. 大功率LED照明技术设计与应用.北京：电子工业出版社，2011

[3] 陈元灯，陈宇. LED制作技术与应用. 北京：电子工业出版社，2009

[4] 杨清德，杨兰云. LED及其应用技术问答. 北京：电子工业出版社，2011

[5] 陈大华，绿色照明LED实用技术. 北京：化学工业出版社，2009