一. 引言 p]+W1 v}V!
全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出,节能和环保是中国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题。 每年照明电能消耗约占全部电能消耗的12%~15%,作为能源消耗的大户,必须尽快寻找可以替代传统光源的新一代节能环保光源。LED以其较之于传统照明光源所没有的优势,诸如较低的功率需求、较好的驱动特性、较快的响应速度、较高的抗震能力、较长的使用寿命、绿色环保以及不断快速提高的发光效率等,成为目前世界上最有可能替代传统光源的新一代光源。虽然半导体照明事业才刚刚起步,照明用LED还有很多问题要解决,但是,随着化合物半导体技术的迅猛突破和封装技术的不断提高,LED在照明领域的应用开始形成并逐步扩大,半导体LED固态光源替代传统照明光源已是大势所趋。 \0 WMb
半导体照明产业链由衬底制备、外延生长、芯片制造、LED封装和照明应用等环节组成。LED封装处在产业链的中下游,担负着承前启后、上下沟通的重任,既要将上游提供的芯片之性能发挥到极致,又要配合下游照明应用的需要封装出最合适的产品,还要充当产业链中信息沟通和反馈的角色。封装技术对LED性能的好坏、可靠性的高低,起着至关重要的作用。LED要作为光源进入照明领域,必须比传统光源有更高的发光效率、更好的光学特性、更长的使用寿命和更低的光通量成本,传统LED的封装技术是很难达到这些要求的。照明用LED的封装有别于传统LED,必须采用更高更新的封装技术和可靠性控制手段,才能制造出符合照明应用要求的LED光源,使其顺利进入照明领域。 &7DE$ S
本文通过分析各种照明用LED封装技术的优劣和影响LED可靠性的因素,指出提高LED可靠性的途径,并探究可行的半导体照明LED封装的技术解决方案。 ,(`@ZFp$
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二. LED封装概述 7FDraEr#f
2.1 LED封装的一般工艺流程 1C$^S]v%a
LED是当一定电流通过时能发出一定颜色光的一种小型半导体器件。LED的核心是芯片,LED的基本光电特性主要取决于芯片;同时,封装对LED的最终性能也起着至关重要的作用。LED封装就是将芯片与电极引线、管座和透镜等组件通过一定的工艺技术结合在一起,使之成为可直接使用的发光器件的过程。LED封装的一般工艺流程如下: Y5MHd>m
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荧光粉烘烤 Tz*5;y%4
透镜安装/ c>UITM=!I
灌胶成型 W&!Yprr
胶体烘烤 Ew;<iY[
半切 ,Fr{i1Ky
初测 QHs]~Ja
二切 R9CAw>s
测试分档 fRa1m?%s
检验包装 Nl@Hx
荧光粉涂布 a|7V{pp=M
焊线 <m(nZ'Zqz2
固晶烘烤 56bB~=c
固晶 |\_O8=B%
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图 1.LED封装一般工艺流程(以白光LED为例) [#Yyw8V#<
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基于照明领域对光源的要求,照明用LED的封装技术必须有新的变革和发展,其封装工艺流程有别于传统概念的LED。 I'@ }Yjm|
2.2 LED封装的发展过程 )@Zel.XD
随着芯片性能、发光颜色、外形尺寸和安装方式的不断更新进步,以及应用需求的不断增加,LED的封装技术也在不断推陈出新。图2显示的是LED封装形式的演变和技术进步的过程。 )nJ>kbO~8
最早封装的LED hsE!3[[
直插式LED *TXq/
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食人鱼LED W"Rii]GK"
功率形LED .Nf*Yqs0
通用照明LED 2)8lJXM$L
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图2. LED封装形式的进程 isd[l-wAmf
2.3 LED的封装形式 $o @?D^
常规小功率LED的封装形式主要有:直插式DIP LED、表面贴装式SMD LED、食人鱼Piranha LED和PCB集成化封装。功率型LED是未来半导体照明的核心, LED的功率化封装是本文研究的主要内容。 Rp<Xu6r
目前功率型LED主要有以下封装形式: uo{QF5z]
三. 功率型LED封装的关键技术 OKU P
3.1 照明领域对半导体LED光源的要求 w}1)am&pD
传统LED的光通量与白炽灯和荧光灯等通用光源相比,距离甚远。LED要进入照明领域,首要任务是将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。由于LED芯片输入功率的不断提高,对功率型LED的封装技术提出了更高的要求。针对照明领域对光源的要求,照明用功率型LED的封装面临着以下挑战: 'RA[_Z
① 更高的发光效率; ^4fkZh
② 更高的单灯光通量; 2~@=ua[|=5
③ 更好的光学特性(光指向性、色温、显色性等); Z~nl{P#
④ 更大的输入功率; ;4_n:XUgo;
⑤ 更高的可靠性(更低的失效率、更长的寿命等); DuE>KX{<!R
⑥ 更低的光通量成本。 08`
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这些挑战的要求在美国半导体照明发展蓝图中已充分体现(详见表1)。我们可以通过改善LED封装的关键技术,来逐步使之实现。 lR(&Wc\j
技术指标 照明用LED2002 照明用 .U3p~M+
LED 2007 照明用 =['ijD4TW
LED 2012 照明用 cnc$^[c
LED 2020 白炽灯 荧光灯 B 3h<K}
发光效率(lm/W) 25 75 150 200 16 85 <Q0&[q;Z
寿命(khr) 20 >20 >100 >100 1 10 2<O8=I _
光通量(lm/lamp) 25 200 1,000 1,500 1,200 3,400 kp$ILZ
输入功率 (W/lamp) 1 2.7 6.7 7.5 75 40 Kq?7#,_
每千流明成本 ($/klm) 200 20 <5 <2 0.4 1.5 .Sn1YAhE
单灯成本 ($/lamp) 5 4 <5 <3 0.5 5 fr?eOigbl
显色指数 (CRI) 75 80 >80 >80 95 75 Qh[t##I/
可渗透的 <