LED 光源特点及其封装热特性
整理 / icesnow (富士康科技集团 CMMSG 事业群 Server RD)
摘要：LED 被誉为21世纪新光源，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。本文论述了LED 光源的特点及其几种封装形式的热特性。
关键词：LED 热设计 封装
LED 光源及其特点
LED（Light Emitting Diode）即发光二极管，当在半导体PN 结的两端加上电压时，电子开始移动和空穴（带正电的离子）结合，此时多余的能量将以光的形式释放出来，产生辐射光，从而把电能直接转换为光能。
LED 的应用可分为两大类：一是LED 单管应用，包括背光源LED，红外线LED 等；另外就是LED 显示屏。目前，中国在LED 基础材料制造方面与国际还存在着一定的差距，但就LED 显示屏而言，中国的设计和生产技术水平基本与国际同步。LED 显示屏是由发光二极管排列组成的显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远等特点。
近几年，LED 的发光效率增长100倍，成本下降10倍，广泛用于大面积图文显示全彩屏，状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光源，汽车组合尾灯及车内照明等方面，其发展前景吸引全球照明大厂家都先后加入LED 光源及市场开发中。极具发展与应用前景的是白光LED，用作固体照明器件的经济性显著，且有利于环保，正逐步取代传统的白炽灯，世界年增长率在20％以上，美、日、欧及中国台湾省均推出了半导体照明计划。功率型LED 优异的散热特性与光学特性更能适应普通照明领域，被学术界和产业界认为是LED 进入照明市场的必由之路。为替代荧光灯，白光LED 必须具有150～200 1m/W 的光效，且每lm 的价格应明显低于0.015$/lm(现价约 0.25$/lm，红光LED 为0.065$/lm)，要实现这一目标仍有很多技术问题需要研究，但克服解决这些问题并不是十分遥远的事。按固体发光物理学原理，LED 的发光效率能近似100％，因此，LED 被誉为21世纪新光源，有望成为继白炽灯、
荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。
目前，比较成熟的商品化功率型LED 输入功率一般为1W，芯片面积1mm×1mm，其热流密度达到了100W cm2 。随着芯片技术的日益成熟，单个LED 芯片的输入功
率可以进一步提高到5W 甚至更高（10W），因此防止LED 的热量累积变得越来越重要。如果不能有效地耗散这些热量，随之而来的热效应将会变得非常明显。结温升高，直接减少芯片出射的光子，发光效率降低，在室温附近，温度每升高1℃，LED 的发光强度会相应地减少1％左右；温度升高会使得芯片的发射光谱发生红移，色温质量下降，尤其是对基于蓝光LED 激发黄色荧光粉的白光LED 器件更为严重，一般情况下，LED 的发光波长随温度变化为0.2～0.3nm/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度；荧光粉的转换效率也会随着温度升高而降低。因此由于温度升高而产生的各种热效应会严重影响到LED 器件的使用寿命和可靠性，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数LED 的驱动电流限制在20mA 左右。但是，LED 的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型LED 的驱动电流可以达到70mA、100mA 甚至1A 级。为改善其热特性，需要全新的LED 封装设计理念和低热阻封装结构及技术。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外，在应用设计中，PCB 线路板等的热设计、导热性能也十分重要。
图.1 LED 封装的发展
由于LED 内部热源温度（结温<120℃）远远低于灯丝或气体电弧，所以其辐射传热量很少。从表1 可以看出以导热方式传输的热量占LED 发热量90％，所以对于LED 的热设计可以通过建立其传热的等效电路，通过分析等效电路图，计算LED 内关注点的温升以及这些部位在达到热稳定时的温度。
引脚式封装LED
LED 引脚式封装（技术最为成熟的LED 封装形式）的基本结构如图2 所示。将LED 管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝键合为内引线热设计 https://www.resheji.com,热仿真 http://www.refangzhen.com
与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。
表1 各光源效率、成本及传热方式对比
图2 功率LED 的封装结构
LED 芯片结的耗散功率为D P ，通过芯片热沉、封装树脂和金线引线框架电极的
热传导以及与外界环境的对流作用，散发到外界环境中，其中芯片热沉的传导散热起着决定性作用。所以对LED 模型进行简化，忽略引脚架到线路板以及通过封装树脂的热流，只考虑芯片经热沉到线路板的导热通路，则LED 的等效热阻网络可以简化为图3 所示。热设计 https://www.resheji.com
图3 LED 等效热阻网络（有外部散热器）
通过等效电路法，对于不同热传导结构，计算关注点的温度，可以提前判断热传导结构的优劣，并根据各部分热阻的大小判断结构的改进方向，对于指导和改进封装结构设计具有实际的意义。
LED 引脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚，是最先研发成功投放市场的封装结构，品种数量繁多，技术成熟度较高，封装内结构与反射层仍在不断改进。
标准LED 被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案。
表面贴装LED
表面贴装技术（surface mount technology SMT）是用自动组装设备将片式化、微型化的无引线、短引线表面贴装元器件（surface mount component SMC/surface mount device SMD）直接贴、焊到印刷电路板（print circuit board PCB）等布线基板表面特定位置的一种电子组装技术，是将分散的元器件集成为部件、组件的重要技术环节。
2002 年，表面贴装LED(SMD LED) 逐渐被市场接受，并获得一定的市场份额，从引脚式封装转向SMD 符合整个电子行业发展大趋势，近些年，SMD LED 成为一个发展热点，它很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题，采用更轻的PCB 板和反射层材料，在显示反射层需要填充的环氧树脂更少，并去除较重的碳钢材料引脚，通过缩小尺寸，降低重量，可轻易地将产品重量减轻一半，最终使应用更趋完美，尤其适合户内，半户外全彩显示屏应用。对于表面封装LED，焊盘是其散热的重要渠道，厂商提供的SMD LED 的数据都是以4.0×4.0mm 的焊盘为基础的，采用回流焊可设计成焊盘与引脚相等。目前，LED 表面贴装的形式有PLCC－2、热设计 https://www.resheji.com,PLCC－4（Plastic Leaded Chip Carrier 塑料有引线芯片载体）等，PLCC 封装具有外形尺寸小、可靠性高等优点。
功率型封装LEDLED 芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比Φ5mm LED 大10～20倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题，因此，管壳及封装也是其关键技术，能承受数 W 功率的LED 封装已出现。5W 系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED 从2003 年初开始供货，白光LED 光输出达187 1m，光效44.3 1m／W ,开发出了可承受10W 功率的LED 大面积管；尺寸为2.5×2.5mm，可在5A 电流下工作，光输出达200 1m，作为固体照明光源有很大发展空间。
Lumileds 公司于1998 年推出的Luxeon 系列功率LED 是将A1GalnN 功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上，然后把完成倒装焊接的硅载体装入热沉与管壳中，键合引线进行封装。这种封装对于取光效率，散热性能，加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点：热阻低，一般仅为14℃/W，只有常规LED 的
1/10；可靠性高，封装内部填充稳定的柔性胶凝体，在-40～120℃ 范围，不会因温度骤变产生的内应力，使金丝与引线框架断开，并防止环氧树脂透镜变黄，引线框架也不会因氧化而玷污；反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高。
另外，其输出光功率，外量子效率等性能优异，将LED 固体光源发展到一个新水平。
美国UOE 公司于2001年推出的Norlux 系列功率LED 的封装结构为六角形铝板作底座(使其不导电)的多芯片组合，底座直径31.75mm，发光区位于其中心部位，直径约(0.375×25.4)mm，可容纳40 只LED 管芯，铝板同时作为热沉。管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正、负极连接，根据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目，可组合封装的超高亮度的AlGaInN 和AlGaInP 管芯，其发射光分别为单色，彩色或合成的白色，最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封。这种封装采用常规管芯高密度组合封装，取光效率高，热阻低，较好地保护管芯与键合引线，在大电流下有较高的光输出功率，也是一种有发展前景的LED 固体光源。
Lanina Ceramics 公司于2003 年推出采用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷（LTCC-M）技术封装的大功率LED 阵列，有二种产品：一种为7 元LED 阵列，光通量为840lm，功率为21W。另一种是134 元LED 阵列，光通量为360lm，功率134W。由于LTCC-M 技术是将LED 芯片直接连接到密封阵列配置的封装盒上，因此工作温度可达250℃。热设计 https://www.resheji.com
松下公司于2003 年推出由64 只芯片组合封装的大功率白光LED，光通量可达120lm，采用散热性能优良的衬底，把这些芯片封装在2cm2 的面积中，其驱动电流可达8W，这种封装中每1W 输入功率其温升仅为1.2℃。
在应用中，可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB 板上，形成功率密度LED，PCB 板作为器件电极连接的布线之用，铝芯夹层则可作热沉使用，获得较高的发光通量和光电转换效率。此外，封装好的SMD LED 体积很小，可灵活地组合起来，构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。功率型LED 的热特性直接影响到LED 的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，因此，对功率型LED 芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。
结束语
进入21 世纪后，LED 的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，红、橙LED 光效已达到100 lm/W，绿LED 为50 1m/W，单只LED 的光通量也达到数十lm。
LED 芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂质数量，晶格缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强LED 内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化SMD 进程更是产业界研发的主流方向。
【1】James Petroski，GELcore LLC Thermal Challenges In LED Cooling
【2】马泽涛 朱大庆 王晓军 一种高功率LED封装的热分析 半导体光电 V0I.27 No.1Feb.2006
【3】刘必成 LED 灯具的热传导计算模型
【4】LED封装结构及技术
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