LED 光源特點及其封裝熱特性
整理 / icesnow (富士康科技集團 CMMSG 事業群 Server RD)
摘要：LED 被譽為21世紀新光源，有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源。本文論述了LED 光源的特點及其幾種封裝形式的熱特性。
關鍵詞：LED 熱設計 封裝
LED 光源及其特點
LED（Light Emitting Diode）即發光二極管，當在半導體PN 結的兩端加上電壓時，電子開始移動和空穴（帶正電的離子）結合，此時多余的能量將以光的形式釋放出來，產生輻射光，從而把電能直接轉換為光能。
LED 的應用可分為兩大類：一是LED 單管應用，包括背光源LED，紅外線LED 等；另外就是LED 顯示屏。目前，中國在LED 基礎材料制造方面與國際還存在著一定的差距，但就LED 顯示屏而言，中國的設計和生產技術水平基本與國際同步。LED 顯示屏是由發光二極管排列組成的顯示器件。它采用低電壓掃描驅動，具有耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠等特點。
近幾年，LED 的發光效率增長100倍，成本下降10倍，廣泛用于大面積圖文顯示全彩屏，狀態指示、標志照明、信號顯示、液晶顯示器的背光源，汽車組合尾燈及車內照明等方面，其發展前景吸引全球照明大廠家都先后加入LED 光源及市場開發中。極具發展與應用前景的是白光LED，用作固體照明器件的經濟性顯著，且有利于環保，正逐步取代傳統的白熾燈，世界年增長率在20％以上，美、日、歐及中國臺灣省均推出了半導體照明計劃。功率型LED 優異的散熱特性與光學特性更能適應普通照明領域，被學術界和產業界認為是LED 進入照明市場的必由之路。為替代熒光燈，白光LED 必須具有150～200 1m/W 的光效，且每lm 的價格應明顯低于0.015$/lm(現價約 0.25$/lm，紅光LED 為0.065$/lm)，要實現這一目標仍有很多技術問題需要研究，但克服解決這些問題并不是十分遙遠的事。按固體發光物理學原理，LED 的發光效率能近似100％，因此，LED 被譽為21世紀新光源，有望成為繼白熾燈、
熒光燈、高強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，其熱流密度達到了100W cm2 。隨著芯片技術的日益成熟，單個LED 芯片的輸入功
率可以進一步提高到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，隨之而來的熱效應將會變得非常明顯。結溫升高，直接減少芯片出射的光子，發光效率降低，在室溫附近，溫度每升高1℃，LED 的發光強度會相應地減少1％左右；溫度升高會使得芯片的發射光譜發生紅移，色溫質量下降，尤其是對基于藍光LED 激發黃色熒光粉的白光LED 器件更為嚴重，一般情況下，LED 的發光波長隨溫度變化為0.2～0.3nm/℃，光譜寬度隨之增加，影響顏色鮮艷度；熒光粉的轉換效率也會隨著溫度升高而降低。因此由于溫度升高而產生的各種熱效應會嚴重影響到LED 器件的使用壽命和可靠性，以往多采用減少其驅動電流的辦法，降低結溫，多數LED 的驅動電流限制在20mA 左右。但是，LED 的光輸出會隨電流的增大而增加，目前，很多功率型LED 的驅動電流可以達到70mA、100mA 甚至1A 級。為改善其熱特性，需要全新的LED 封裝設計理念和低熱阻封裝結構及技術。例如，采用大面積芯片倒裝結構，選用導熱性能好的銀膠，增大金屬支架的表面積，焊料凸點的硅載體直接裝在熱沉上等方法。此外，在應用設計中，PCB 線路板等的熱設計、導熱性能也十分重要。
圖.1 LED 封裝的發展
由于LED 內部熱源溫度（結溫<120℃）遠遠低于燈絲或氣體電弧，所以其輻射傳熱量很少。從表1 可以看出以導熱方式傳輸的熱量占LED 發熱量90％，所以對于LED 的熱設計可以通過建立其傳熱的等效電路，通過分析等效電路圖，計算LED 內關注點的溫升以及這些部位在達到熱穩定時的溫度。
引腳式封裝LED
LED 引腳式封裝（技術最為成熟的LED 封裝形式）的基本結構如圖2 所示。將LED 管芯粘結或燒結在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點與金絲鍵合為內引線熱設計 http://m.aji87.cn,熱仿真 http://www.refangzhen.com
與一條管腳相連，負極通過反射杯和引線架的另一管腳相連，其頂部用環氧樹脂包封。反射杯的作用是收集管芯側面、界面發出的光，向期望的方向角內發射。
表1 各光源效率、成本及傳熱方式對比
圖2 功率LED 的封裝結構
LED 芯片結的耗散功率為D P ，通過芯片熱沉、封裝樹脂和金線引線框架電極的
熱傳導以及與外界環境的對流作用，散發到外界環境中，其中芯片熱沉的傳導散熱起著決定性作用。所以對LED 模型進行簡化，忽略引腳架到線路板以及通過封裝樹脂的熱流，只考慮芯片經熱沉到線路板的導熱通路，則LED 的等效熱阻網絡可以簡化為圖3 所示。熱設計 http://m.aji87.cn
圖3 LED 等效熱阻網絡（有外部散熱器）
通過等效電路法，對于不同熱傳導結構，計算關注點的溫度，可以提前判斷熱傳導結構的優劣，并根據各部分熱阻的大小判斷結構的改進方向，對于指導和改進封裝結構設計具有實際的意義。
LED 引腳式封裝采用引線架作各種封裝外型的引腳，是最先研發成功投放市場的封裝結構，品種數量繁多，技術成熟度較高，封裝內結構與反射層仍在不斷改進。
標準LED 被大多數客戶認為是目前顯示行業中最方便、最經濟的解決方案。
表面貼裝LED
表面貼裝技術（surface mount technology SMT）是用自動組裝設備將片式化、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，是將分散的元器件集成為部件、組件的重要技術環節。
2002 年，表面貼裝LED(SMD LED) 逐漸被市場接受，并獲得一定的市場份額，從引腳式封裝轉向SMD 符合整個電子行業發展大趨勢，近些年，SMD LED 成為一個發展熱點，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，可輕易地將產品重量減輕一半，最終使應用更趨完美，尤其適合戶內，半戶外全彩顯示屏應用。對于表面封裝LED，焊盤是其散熱的重要渠道，廠商提供的SMD LED 的數據都是以4.0×4.0mm 的焊盤為基礎的，采用回流焊可設計成焊盤與引腳相等。目前，LED 表面貼裝的形式有PLCC－2、熱設計 http://m.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、可靠性高等優點。
功率型封裝LEDLED 芯片及封裝向大功率方向發展，在大電流下產生比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鍵技術，能承受數 W 功率的LED 封裝已出現。5W 系列白、綠、藍綠、藍的功率型LED 從2003 年初開始供貨，白光LED 光輸出達187 1m，光效44.3 1m／W ,開發出了可承受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200 1m，作為固體照明光源有很大發展空間。
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，鍵合引線進行封裝。這種封裝對于取光效率，散熱性能，加大工作電流密度的設計都是最佳的。其主要特點：熱阻低，一般僅為14℃/W，只有常規LED 的
1/10；可靠性高，封裝內部填充穩定的柔性膠凝體，在-40～120℃ 范圍，不會因溫度驟變產生的內應力，使金絲與引線框架斷開，并防止環氧樹脂透鏡變黃，引線框架也不會因氧化而玷污；反射杯和透鏡的最佳設計使輻射圖樣可控和光學效率最高。
另外，其輸出光功率，外量子效率等性能優異，將LED 固體光源發展到一個新水平。
美國UOE 公司于2001年推出的Norlux 系列功率LED 的封裝結構為六角形鋁板作底座(使其不導電)的多芯片組合，底座直徑31.75mm，發光區位于其中心部位，直徑約(0.375×25.4)mm，可容納40 只LED 管芯，鋁板同時作為熱沉。管芯的鍵合引線通過底座上制作的兩個接觸點與正、負極連接，根據所需輸出光功率的大小來確定底座上排列管芯的數目，可組合封裝的超高亮度的AlGaInN 和AlGaInP 管芯，其發射光分別為單色，彩色或合成的白色，最后用高折射率的材料按光學設計形狀進行包封。這種封裝采用常規管芯高密度組合封裝，取光效率高，熱阻低，較好地保護管芯與鍵合引線，在大電流下有較高的光輸出功率，也是一種有發展前景的LED 固體光源。
Lanina 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，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℃。熱設計 http://m.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℃。
在應用中，可將已封裝產品組裝在一個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，獲得較高的發光通量和光電轉換效率。此外，封裝好的SMD LED 體積很小，可靈活地組合起來，構成模塊型、導光板型、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、發光效率、發光波長、使用壽命等，因此，對功率型LED 芯片的封裝設計、制造技術更顯得尤為重要。
結束語
進入21 世紀后，LED 的高效化、超高亮度化、全色化不斷發展創新，紅、橙LED 光效已達到100 lm/W，綠LED 為50 1m/W，單只LED 的光通量也達到數十lm。
LED 芯片和封裝不再沿龔傳統的設計理念與制造生產模式，在增加芯片的光輸出方面，研發不僅僅限于改變材料內雜質數量，晶格缺陷和位錯來提高內部效率，同時，如何改善管芯及封裝內部結構，增強LED 內部產生光子出射的幾率，提高光效，解決散熱，取光和熱沉優化設計，改進光學性能，加速表面貼裝化SMD 進程更是產業界研發的主流方向。
【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 半導體光電 V0I.27 No.1Feb.2006
【3】劉必成 LED 燈具的熱傳導計算模型
【4】LED封裝結構及技術
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