功率型LED封装技术助力LED照明产品性能提高

【研究报告 | LED照明行业研究报告】

　　摘要：功率型LED的封装作为LED产业链的重要一环，是促进LED照明走向实用化的核心技术之一。只有通过优良的封装来减少外部因素对芯片性能的影响，才能为LED芯片的稳定工作提供保障，从而提高LED照明的效果，促进LED照明行业的良好发展。

　　传统的LED照明通量较白炽灯、荧光灯等光源存在差距，LED照明的发展，需要把发光效率、光通量等指数提升到现有照明光源的水平，这就对于LED的封装技术提出了更高的要求，功率型LED封装应运而生。

　　照明领域对LED光源的要求

　　功率型LED照明要替代传统照明，存在诸多要求。其中在发光效率、输入功率、单灯光通量、可靠性(包括失效率更低、寿命更长等)以及光学特性(包括色温、光指向性、显色性等)等方面要求更高，在光通量方面需要更低的成本。目前美国半导体照明发展蓝图(表1)对LED照明的各项指标提出了明确要求。目前在LED封装的关键技术方面进行改善来促进各项指标的实现。

　　表1 美国半导体照明发展蓝图

　　(美国半导体照明技术发展蓝图(2002—2020))

　　封装技术的改进

　　1、提高发光效率

　　封装结构的出光效率以及芯片的发光效率共同决定了LED的发光效率。目前可以通过提高芯片发光效率、提高萃光效率、提高将萃取出的光导出LED管体外的效率、降低LED的热阻以及提高荧光粉的激发效率等途径来提高LED发光效率。

　　目前芯片的发光效率随着芯片制造技术的提高而不断提高，可以按照应用的不同以及LED封装结构的特点来选择合适高效的芯片进行封装。目前可以选择的芯片包括HP公司的TS类芯片、CREE公司的WB类芯片、倒装焊类芯片、表面粗化芯片、ITO类芯片等等。

　　选择芯片后，将芯片发出的光更加高效地萃取和导出可以进一步提高LED的发光效率。光的萃取方面，若出现出光通道和芯片表面接合物质的折射率与芯片发光层的折射率相差较大的情况，会导致芯片表面的全反射临界角偏小，芯片发出的光只有部分能够被有效利用，部分光因全反射的原因而被困在芯片内部，从而导致萃光效率较低，进而影响到LED的发光效率。

　　为了有效提升萃光效率，需要考虑与芯片表面接合物质的折射率和芯片表面材料的折射率尽量匹配。若能够用高折射率的柔性硅胶材料作与芯片表面接合，则能够提升萃光效率，并且让键合引线以及芯片都得到良好的应力保护。此外，倒装芯片封装的LED的出光通道折射率匹配程度要优于正装芯片，因此出光效率更高。

　　图1 光线在不同介质界面的折射和反射

　　(五度易链行研中心)

　　光的导出方面，需要设计良好的出光通道，使光能够高效地导出到LED管体外。其中涉及到反射腔体和透镜的设计、出光通道中各种不同材料的接合界面设计和折射率的匹配以及尽可能减少出光通道中不必要的光吸收和泄漏现象。此外，还需要选择高透光率、折射率匹配良好、抗UV、防黄变、温度耐受能力高以及应力特性良好的出光通道材料。

　　荧光粉的使用方面，荧光粉的使用是否合理对LED照明影响较大。传统方法是把荧光胶全部注满反射杯，这会导致无法保障涂布的均匀性，而且会形成荧光粉的漫射分布，引起光泄漏，影响光色品质并造成LED光效降低，因而可以采用荧光粉薄膜式涂布的方法解决该问题。首先高受激转换效率的荧光粉要与芯片波长相匹配，其次要选择合适的载体胶调配荧光粉并采取良好的涂布方式均匀、有效地覆盖在芯片的表面及四周，以达到良好的效果。

　　图2 传统涂布和薄膜式涂布区别

　　(五度易链行研中心)

　　热阻的降低方面，LED自身的发热会导致芯片的结温升高，从而让芯片的发光效率出现下降。功率型LED封装可以采取优良的散热技术，降低封装结构的热阻，使LED内部的热量可以被尽快的导出和消散，从而降低芯片的结温，提高其发光效率，保障LED照明的发光效率。

　　2、改善LED的光学特性

　　改善LED的光学特性，可以从调控光强的空间分布以及改善色温与显色性两方面来进行。

　　相比传统光源，LED照明的光的指向性更强，可以通过控制指向性来提升照明的效率，达到更好地照明效果。首先要根据芯片发光的分布特点以及LED最终光强分布的要求设计出光通道。其次是要改善光色均匀性，其工艺是把载体胶和荧光粉混合后涂布到芯片上，目前生成LED白光最常用的技术路线是“蓝色芯片+黄色荧光粉”。在实际操作中，要把握荧光粉的涂布量、均匀性存在一定难度，困难会因为操作问题致使白光颜色不均匀，需要通过设计出光通道、对调配荧光胶的工艺进行改进、合理选择荧光粉粒度大小、把握载体胶粘度特性以及改良荧光胶涂布的方法与形式等途径来改善光色均匀性。

　　此外由于传统白光LED的色温调控较难，显色性不佳(Ra<80)，与照明光源的要求存在差距，因此还要改善色温与显色性。传统白光LED即使可以生成低色温(2700K-500K)的白光，也会出现光色不正、显色性差的现象。解决这一问题的关键在于荧光粉的技术，可以通过添加红色荧光粉改善白光的光色和显色性;还可以通过尽量选择短波长的蓝色芯片(λD<460nm)、选择含有可以弥补白光LED发光谱线缺陷的荧光粉以及改善荧光粉的涂布技术等方法改善白光LED在低色温区的显色性。

　　3、提高LED的单灯光通量和输入功率

　　LED照明的单灯光通量偏小使得其在应用及推广存在一定的局限;其输入功率也偏小，需要较多的外围应用电路配合。因此LED照明要得到推广，必须提高LED的单灯光通量以及输入功率。

　　最直接的途径是在输入功率一定的情况下提高LED的发光效率，从而获取更大单灯光通量，而最常用的方法是多芯片高密度集成化封装功率型LED。此外，采用大面积芯片封装LED以及加大工作电流也可以达到该目的。在以上技术路径中，散热技术十分重要。提高LED的散热能力，进而降低热阻才是根本保障。

　　除了上述因素外，价格高也是LED照明推广过程中的瓶颈。就封装技术而言，LED要降低成本，必须解决成熟可行的技术路线;简单可靠、易于产业化生产的工艺方法;通用化的产品设计;高的产品性能和可靠性;高的成品率等问题。

　　结语

　　在LED众多的封装技术中，功率型LED封装技术有着良好的应用前景。功率型LED封装技术的发展，可以进一步提高LED的发光效率、单灯光通量以及输入功率，改善LED的光学特性，对LED照明行业的发展具有重要意义。