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全面的LED 封装工艺/技术总结

1．LED的光衰：
大多数白色LED是由蓝色LED照射黄色荧光粉而得到的。引起LED光衰的主要原因有两个，一个是蓝光LED本身的光衰，蓝光LED的光衰远比红光、黄光、绿光LED要快。还有一个是荧光粉的光衰，荧光粉在高温下的衰减十分严重。各种品牌的LED它的光衰是不同的。通常LED的厂家能够给出一套标准的光衰曲线来。例如美国Cree公司的光衰曲线就如图1所示。

图1. Cree公司的LED的光衰曲线
从图中可以看出，LED的光衰是和它的结温有关，所谓结温就是半导体PN结的温度，结温越高越早出现光衰，也就是寿命越短。从图上可以看出，假如结温为105度，亮度降至70%的寿命只有一万多小时，95度就有2万小时，而结温降低到75度，寿命就有5万小时，65度时更可以延长至9万小时。所以延长寿命的关键就是要降低结温。不过这些数据只适合于Cree的LED。并不适合于其他公司的LED。例如Lumiled公司的LuxeonK2的光衰曲线就如图2所示。

图2. Lumiled 公司的LuxeonK2的光衰曲线
当结温从115℃提高到135℃，就会使寿命从50,000小时降低到20,000小时。

2．如何才能延长LED的寿命
由图中可以得出结论，要延长其寿命的关键是要降低其结温。而降低结温的关键就是要有好的散热器。能够及时地把LED产生的热散发出去。
在这里我们不准备讨论如何设计散热器的问题，而是要讨论哪一个散热器的散热效果相对比较好的问题。实际上，这是一个结温的测量问题，假如我们能够测量任何一种散热器所能达到的结温，那么不但可以比较各种散热器的散热效果，而且还能知道采用这种散热器以后所能实现的LED寿命。
3．如何测量结温
结温看上去是一个温度测量问题，可是要测量的结温在LED的内部，总不能拿一个温度计或热电偶放进PN结来测量它的温度。当然它的外壳温度还是可以用热电偶测量的，然后根据给出的热阻Rjc（结到外壳），可以推算出它的结温。，但是在安装好散热器以后，问题就又变得复杂起来了。因为通常LED是焊接到铝基板，而铝基板又安装到散热器上，假如只能测量散热器外壳的温度，那么要推算结温就必须知道很多热阻的值。包括Rjc（结到外壳），Rcm（外壳到铝基板，其实其中还应当包括薄膜印制版的热阻），Rms（铝基板到散热器），Rsa（散热器到空气），其中只要有一个数据不准确就会影响测试的准确度。图3给出了LED到散热器各个热阻的示意图。其中合并了很多热阻，使得其精确度更加受到限制。也就是说，要从测得的散热器表面温度来推测结温的精确度就更差。

图3. LED到散热器各个热阻的示意图
幸好有一个间接测量温度的方法，那就是测量电压。那么结温和哪个电压有关呢？这个关系又是怎么样的呢？
我们首先要从LED的伏安特性讲起。
4．LED伏安特性的温度系数
我们知道LED是一个半导体二极管，它和所有二极管一样具有一个伏安特性，也和所有的半导体二极管一样，这个伏安特性有一个温度特性。其特点就是当温度上升的时候，伏安特性左移。图4中画出了LED的伏安特性的温度特性。

图4. LED伏安特性的温度特性
假定对LED以Io恒流供电，在结温为T1时，电压为V1，而当结温升高为T2时，整个伏安特性左移，电流Io不变，电压变为V2。这两个电压差被温度去除，就可以得到其温度系数，以mV/oC表示。对于普通硅二极管，这个温度系数大约为-2mV/oC。但是LED大多数不是用硅材料制成的，所以它的温度系数也要另外去测定。幸好各家LED厂家的数据表中大多给出了它的温度系数。例如对于Cree公司的XLamp7090XR-E大功率LED，其温度系数为-4mV/oC。要比普通硅二极管大2倍。而美国Philips-Lumileds公司的Luxeon Rebel的伏安特性温度系数为-2—4mV/oC。至于美国普瑞的阵列LED（BXRA）就给出了更为详细的数据。

图2. Lumiled 公司的LuxeonK2的光衰曲线
但是，他们给出的数据，其范围也未免过于宽大，以至于失去了利用的价值。
不管怎样，只要知道LED的温度系数就很容易可以从测量LED的前向电压中推算出LED的结温了。
5．如何具体测算LED的结温。
现在就以Cree公司的XLamp7090XR-E为例。来说明如何具体测算LED的结温。要求已经把LED安装到散热器里，并且是采用恒流驱动器作为电源。同时要把连接到LED去的两根线引出来。在通电以前就把电压表连接到输出端（LED的正极和负极），然后接通电源，趁LED还没有热起来之前，马上读出电压表的读数，也就是相当于V1的值，然后等至少1小时，等它已经达到热平衡，再测一次，LED两端的电压，相当于V2。把这两个值相减，得出其差值。再被4mV去除一下，就可以得出结温了。实际上，LED多半为很多个串联再并联，这也不要紧，这时的电压差值是由很多串联的LED所共同贡献，所以要把这个电压差值除以所串联的LED数目再去除以4mV，就可以得到其结温。例如，LED是10串2并，第一次测得的电压为33V，第二次热平衡后测得的电压为30V，电压差为3V。这个数字先要除以所串联的LED个数（10个），得到0.3V，再除以4mV，可以得到75度。假定开机前的环境温度是20度，那么这时候的结温就应当是95度。
采用这种方法得出的结温，肯定要比用热电偶测量散热器的温度再来推算其结温要准确很多。
6．如何来预测这个灯具的寿命。
从结温来推测寿命好像应该很简单，只要查一下图1的曲线，就可以知道对应于95度结温时的寿命就可以得到LED的寿命为2万小时了。但是，这种方法用于室内的LED灯具还有一定的可信度，如果应用到室外的LED灯具，尤其是大功率LED路灯，那里还有很多不确定因素。最大的问题是LED路灯的散热器的散热效率的随时间而降低。这是由于尘土、鸟屎的积累而使得其散热效率降低。也还因为室外有很强烈的紫外线，也会使LED的寿命降低。紫外线主要是对封装的环氧树脂的老化起很大作用，假如采用硅胶，可以有所改善。紫外线对荧光粉的老化也有一些坏作用，但不是很严重。
不过，这种方法用来相对比较两种散热器的散热效果是比较有效的。很明显，伏安特性左移越小的散热器，其散热效果就越好。另外，对于预测室内LED灯具的寿命也还是有一定的准确度的。

LED的可靠性及色差控制
1.      识别原材料对产品质量的影响：
LED材料均需要多种原材料，经数个工艺生产制造完成，可见元材料是组成产品的重要因素，其质量好坏直接关系到最终产品的可靠性。从第一个生产工艺到产品出货，需要用到支架（载体）、固晶胶（银胶或绝缘胶）、镜片、荧光粉、胶水（硅胶或硅树脂）、载带。任何一个原物料出现品质异常，均可导致产品质量的异常问题，但影响的程度不同，有的对产品的可靠性影响小，有的影响则大，经对各物料的分析可得：
原物料质量要求可能引起的问题点
支架表面干净、电镀良好、结构精良、支架与塑料材质（PPA）结合精密、材质纯净镀层剥落引脚不吃锡、晶片脱落、塑料断裂、色差。
固晶胶银胶：粘稠度合适，导电良好、剪切力强、CTE小、导热良好、可用时间长、吸水率低
绝缘胶：粘稠度合适、剪切力强、CTE小、导热良好、不发黄、可用时间长、吸水率低晶片脱落、压降升高、时亮时不亮、亮度衰减大
晶片切割整齐、焊点一致、亮度均匀、波长一致、光衰小易静电击穿、电性易损坏、亮度衰减大、色差
荧光粉颗粒一致、纯度高、吸水性小、发光效率高、受热光衰小色差大、激发效率低、受热光衰
胶水粘稠度合适、与PPA结合力强、硬化后应力小、韧性高、不变色、吸水率低、易于荧光粉混合、常温下使用反应慢亮度低、易龟裂、IV衰减大
载带尺寸合适、无变形、不易断、防静电易断裂、取料不易、抛料

  由以上的分析可知：支架、固晶胶、镜片、胶水等原物料对产品的可靠度有重要的影响，荧光粉、晶片、胶水对色差的影响较大，由于支架结构不合理也有可能产生色差问题。
    关键物料的分析，
固晶胶的保存：存储在0℃以下，一般存储在-20℃左右，由于银胶中的主要成分是银粉颗粒、环氧树脂、溶剂等，
放置一段时间后，银粉会沉淀、导致分层现象。
A：如果就在此状态下的银胶直接固晶作业，将直接导致固晶胶量不均匀，烘烤后剪切力大小相差悬殊，粘合力大小不一，直接影响散热。
B：如果是垂直结构的晶片，还会引起阻抗升高或回流焊后VF增大甚至银胶与支架剥离，

原物料
质量要求
可能引起的问题点
支架
表面干净、电镀良好、结构精良、支架与塑料材质（PPA）结合精密、材质纯净
镀层剥落引脚不吃锡、晶片脱落、塑料断裂、色差。
固晶胶
银胶：粘稠度合适，导电良好、剪切力强、CTE小、导热良好、可用时间长、吸水率低
绝缘胶：粘稠度合适、剪切力强、CTE小、导热良好、不发黄、可用时间长、吸水率低
晶片脱落、压降升高、时亮时不亮、亮度衰减大
晶片
切割整齐、焊点一致、亮度均匀、波长一致、光衰小
易静电击穿、电性易损坏、亮度衰减大、色差
荧光粉
颗粒一致、纯度高、吸水性小、发光效率高、受热光衰小
色差大、激发效率低、受热光衰
胶水
粘稠度合适、与PPA结合力强、硬化后应力小、韧性高、不变色、吸水率低、易于荧光粉混合、常温下使用反应慢
亮度低、易龟裂、IV衰减大
载带
尺寸合适、无变形、不易断、防静电
易断裂、取料不易、抛料
环氧树脂的烘烤：必经反应收缩及冷却收缩，这两种收缩均会导致内应力的增大，而支架或基板的CTE相差较大，因材料间位移，很有可能导致银胶与支架或基板脱层，从而直接影响产品的信赖性，所以需要想办法降低冷却收缩时造成的应力。固晶胶量及厚度，对产品的散热由直接的影响，所以对亮度衰减的影响较大，也直接关联到产品的信赖性问题.
LED封装形态的发展趋势
从1962年第一只LED问世至今的四十多年的时间里，LED的封装形态发生了多次的演变。从60年代的玻壳封装，到70年代的环氧树脂封装，到90年代中后期的四脚食人鱼封装、贴片式SMD封装、大功率封装、芯片阵列式COB封装等等，每一次都是因应用领域的拓展和封装技术的进步而变。近年来出现的照明用大功率LED，更是由于其在半导体照明应用中的重要地位，在短短的几年里封装形态已发生了多次的变化。
照明用大功率LED的主要封装形态有以下几种：
　　　☆　带独立热沉的金属塑料支架+PC/硅胶光学透镜+柔性光学硅胶灌封；
　　　☆　带独立热沉的金属塑料支架+软硅胶一体化模造光学透镜；
　　　☆　带独立热沉的陶瓷支架+光学玻璃透镜+柔性光学硅胶灌封；
　　　☆　带独立热沉的陶瓷基板+软硅胶一体化模造光学透镜；
　　　☆　COB封装；
　　　☆　其它个性化式封装。
LED色温讲解"
一般超市的灯光照度为700～900Lux，而百货一般是800～1500Lux，不过也要根据不同的商品和特殊陈
列要求而有所变化。　　色温　　色温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的
温度称为该光源的色温。
  因为在部分光源所发出的光通称为白光，故光源的色表温度或相关色温度即用以指称其光色相对白的程
度，以量化光源的光色表现。根据Max Planck的理论，将一具完全吸收与放射能力的标准黑体加热，温度
逐渐升高光度亦随之改变；CIE色座标上的黑体曲线显示黑体由红棗橙红棗黄棗黄白棗白棗蓝白的过程。
黑体加温到出现与光源相同或接近光色时的温度，定义为该光源的相关色温度，称色温，以绝对温度K
（Kelvin，或称开氏温度）为单位（K=℃+273.15）。因此，黑体加热至呈现红色时温度约为527℃即800K
，其他温度影响光色变化。

　　光色愈偏蓝，色温愈高；偏红则色温愈低。一天当中光的光色亦随时间变化；日出后40分钟光色较黄
，色温3000K；下午阳光雪白，上升至4800-5800K；阴天正午时分则约6500K；日落前光色偏红，色温又降
至2200K。

　　因相关色温度事实上是以黑体辐射接近光源光色时，对该光源光色表现的评价值，并非一种精确的颜
色对比，故具相同色温值的二光源，可能在光色外观上仍有些许差异。仅凭色温无法了解光源对物体的显
色能力，或在该光源下特体颜色的再现如何。

　　光源色温不同，光色也不同，色温在3300K以下有稳重的气氛，温暖的感觉；色温在3000-5000K为中
间色温，有爽快的感觉；色温在5000K以上有冷的感觉，不同光源的不同光色组成最佳环境，如表：　　
色温与高度    　　高色温光源照射下，如亮度不高则给人们有一种阴冷的气氛；低色温光源照射下，亮
度过高会给人们有一种闷热感觉。 　　光色的对比

　　在同一空间使用两种光色差很大的光源，其对比将会出现层次效果，光色对比大时，在获得亮度层次
的同时，又可获得光色的层次。　　通常，大部分卖场都在希望能为顾客提供一个相对比较“暖”的环境
，相对温馨的环境，所以，一般卖场的色温应该控制在3000～5000左右。
  一般客厅的照明需要多样化，既有基本的照明，又要有重点的照明和比较有情趣的照明，这样的照明效
果才能营造一种氛围；餐厅的照明应将人们的注意力集中到餐桌，一般用显色性好的暖色调吊线灯为宜，
以真实再现食物色泽，引起食欲；卧室灯具的光源光色宜采用中性的且令人放松的色调，辅以实际的照明
需要：如梳妆台和衣柜需更明亮的光，以及床周围的阅读照明等。厨房、卫生间应以功能性为主，灯具光
源显色性要好。
  然后，再以色温调节室内氛围。低色温的光会给人一种亲切、温馨的感觉，而高色温的白光却给人一种
清爽、轻快的感觉，新婚浪漫时刻就适合低色温的光源，来营造一种浪漫温馨的感觉。专业资料显示，人
眼所见的光线，由七种色光光谱组成，色温就是专门量度光线的颜色成分的。大多数新居主厅中选用的是
白色节能灯，只需换上低色温的光源，也就是使用含红色光谱线成分较多的暖色调的灯光（3000K左右，
低色温），就能在室内形成朦胧、轻松、温馨的气氛。在卧室换上暖色调辅助灯，会变得柔和、温暖。
  另外，还需要考虑色温与所处环境的基本色调之间的相互融合问题。暖色调（红、橙、黄）为主的空间
中，适合采用3000K左右的低色温的光源，可使空间内的温暖基调加强；冷色调（青、蓝、紫）为主的空
间内，适合使用5000K以上的高色温光源，采用局部低色温的射壁灯来实现朦胧浪漫的感觉。

LED的热阻分析:
1.1 热阻的定义及分布：
热阻的定义：在热平衡的条件下，两规定点（或区域）温度差与产生这两点温度差的热耗散功率之比。熱阻符号：Rθ或 Rth；热阻单位：K/W或℃/ W 。稳态时LED热阻的等效连接如图1所示：

 图1
1.2 LED材料的热阻构成模型分析：
由LED器件的结构示意分析可知其热阻的构成可以分为以下三个方面：
A：芯片内部主要是衬底的热阻Rth-a(暂不计LED芯片有源层到衬底的热阻）
    B：衬底与引线支架间由于存在粘结层，因此衬底到支架有一个粘结层材料引入的热阻Rth-b.
    C:安放芯片的支架到自由空间的热阻Rth-c.
   这三个热阻构成LED芯片PN结到空气之间的总热阻Rth，即：Rth= Rth-a+ Rth-b+ Rth-c。下面我们将通过实际
的热阻的计算来观察典型的LED的热阻大小：
    A：衬底到支架的热阻Rth-b；
    假定材料的芯片衬底为一个200 μm的正方形，固晶胶的厚度为100 μm，已知固晶胶的导热系数为20W/m.k，
可求得芯片衬底到支架的热阻为：   
       Rth-b=h/ρ.s=0.1mm/ 20W/m.k*0.2mm*0.2mm≈125℃/W .
    B：芯片衬底的热阻Rth-a；
      假定此材料LED衬底是Al2O3， ρ=25W/m.k，当厚度为0.2mm时，其热阻为：
       Rth-a=h/ρ.s=0.2mm/ 25W/m.k*0.2mm*0.2mm≈200℃/W .
    C：支架的热阻：      
Rth-c=h/ρ.s=0.15mm/ 109W/m.k*0.4mm*0.15mm≈2.3℃/W .
   所以LED的总热阻大概为：Rth= Rth-a+ Rth-b+ Rth-c=328 ℃/W ，即当环境温度在85 ℃时，其最多可承受的电
功率为0.18W.以上的讨论中还未计入芯片有源层本身的热阻，此层较薄，一般其厚度有几十微米，其热阻较衬底的
4-5倍，约为30 ℃/W . (如计算，即： Rth= ≈360℃/W   Pmax=0.16W )所以普通的封装的LED的总热阻在300 ℃
/W 左右，仅适合于小功率使用，若为功率型照明LED其热阻将远远高于此.

波長與純度判斷方式:

?Peak wavelength, λp: 強度最高處之波長.
?Dominant wavelength, λd: 從 (1/3, 1/3) 處拉一直線, 經過色座標, 與邊緣交界處即是.
?Purity: 與邊緣距離的比例.

LED的常用参数:
) 光通量 (Luminous flux)
在单位时间内，光源向周围空间辐射的能使人 眼产生光感的能量 单位为：
流明 (lumen, lm)
2) 发光强度(luminous intensity)
光源在某一特定方向上单位立体角内辐射的光通量。简称光强，符号I，单位
为坎德拉(cd)。

LED芯片的原理:
LED(LightEmittingDiode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成, 一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色,是由形成P-N结的材料决定的。