毕业论文LED照明灯的设计制作.pdf

摘要摘要基于节能的需要以及人们对照明质量要求的不断提高，半导体照明光源以其 高效节能、长寿命、色彩丰富和环保等特点受到了人们的广泛关注。大功率发光 二极管作为半导体照明的代表，其性能近来提高很快，发光效率已超过501m/W,有望取代白炽灯、荧光灯和高压放电等传统光源，成为人类照明史上的第四代照 明光源。目前大功率LED应用于通用照明上还存在着一些问题需解决，比如过 高的封装热阻和合适的测试方法等。本文研究了大功率LED光源的组装测试方 法，对制作中出现的问题进行了分析和讨论，并提出了改善大功率LE与D散热 性能的建议。文章首先论述了 LED封装与组装技术的发展，对多芯片封装技术在LED照 明光源上的应用作了探讨。并实际制作了一个由3个由大功率LED串联的照明 灯，并与传统的白炽灯和荧光灯进行了比较。实验测试结果表明，组装的LED光源的发光量、发光效率均已经超过白炽 灯，但其性能还不够稳定。单纯采用小功率高亮度LED或大功率LED制备的光 源存在着光通量低、成本过高和散热不理想、能耗高等方面的问题，而高亮度 LED与大功率LED混合组装的光源则在发光效率、成本以及散热等方面有相对 的优势，可应用于室内辅助照明等场合。关键词：半导体照明，大功率发光二极管，组装，测试方法，热管理AbstractAbstractWith the demand of power saving and the requirement for higher illumination quality semiconductor lighting sources have been attractive for its excellent characteristics:high efficiency low power consumption,long source life,color richness and environment friendless etc.As the representative of semiconductor illumination,the performance of high power Light Emitting Diodes(LED)improves quickly resent years and its luminance efficiency has surpassed 501m/W.Thus high power LED will become the fourth generation lighting source replacing incandescent,fluorescent and high intensity discharge(HID)lamp.Otherwise some key issues should be solved before high power LEDs widely application in general illumination market,such as package heat management and suitable measurement method.This thesis focuses on high power LED lighting sources and researches their assembly and measurement process.Consequently;we analyze and discuss the problems found in this process.Finally the suggestion is proposed to improve thermal dissipation for high power LED.The development of LED package and assembly technology is discussed,especially on the application of multichip package technique for LED lighting sources.And the actual production of a 3 by high-power LED lights series.And with the traditional incandescent and fluorescent lamps are compared.Test results show that LED light source assembly of light-emitting volume,light-emitting efficiency than incandescent,but its performance was not enough stability.Comparing with the homogeneous combination of low power high brightness LEDs(HB-LEDs)or high power LEDs,the hybrid combination of HB-LEDs/high power LEDs has higher luminous efficiency,lower cost and better heat dissipation ability,thus it can be applied in fields for home decorate lighting and outdoor illuminance.Key words:Semiconductor illumination,High power Light Emitting Diodes(LED),Assembly,Measurement method,Heat management目录目录1引言.1L1半导体照明光源的提出.11.2 LED的特性.11.3 LED照明现状及发展趋势.4L4相关光度学参数简介.71.5 本课题的研究内容.72 LED的封装与组装.82.1 LED封装方法的分类.82.2 功率型LED封装存在的问题.92.3 封装发展趋势.92.4 新颖的LED阵列封装技术流体自组装.103 LED光源的光电参数.133.1 LED发白光的原理.133.2 LED特征参数简介.133.3 LED照明光源光度参数的计算.144 LED照明光源的制备.174.1 LED吊顶灯与射灯的设计.174.2 LED光源驱动电路.184.3 串联调整型稳流电源工作原理.234.4 便携式LED采用的驱动设备.264.5 照明光源的组装.284.6 实验测试与结果分析.295 LED的散热问题及解决方案.325.1 热对LED的影响.325.2 LED光源的热传导和疏散.325.3 实际制作的LED散热器及测试.326结论.34参考文献.35致谢.36外文资料原文.37译文.39川1弓I言1引言1.1 半导体照明光源的提出随着全球能源价格的飞涨和供应不稳定，世界各国纷纷寻求各种节能方法，以减轻对能源的过度依赖。这其中，占电能终端消费量近20%的照明用电很有 发掘潜力。据检索,2004年中国累计发电21870亿度，照明用电约占其中的15%；美国2003年照明用电6000亿度，占发电总量的约20%。由于人们生活对电的 严重依赖以及对电力需求量的逐年攀升，电力供应不足或中断会对人们生活造成 巨大的影响，近年来中国不断恶化的拉闸限电趋势以及2000年美国和加拿大的 大停电等都说明了这一点。现在，随着半导体发光技术的进步，人们将照明节电 的希望寄托在一种新型的照明光源 固态照明光源(Solid State Lighting,SSL)o SSL主要包括无机发光二极管(Light Emitting Diodes,LED)和有机发光二 极管(Organic Light Emitting Diodes,LED)。目前 LED 的亮度较 OLED 高，其 发光效率和发光量提高很快，特别是可用作照明的大功率发光二极管(High-P ower Light Emitting Diodes),其发光效率已经超过白炽灯，并向荧光 灯的水平迈进，单颗芯片的输入功率已可达5W,甚至10W的水准，而其发光 量已超过100流明。作为充满希望的新一代照明光源，LED具有很多特点：它不依靠灯丝发热 来发光，能量转化效率非常高，理论上可以达到白炽灯10%的能耗，相比荧光灯,LED也可以达到50%的节能效果；LED为固体封装，结构牢固，使用寿命长达 10万小时以上，是荧光灯的10倍，且废弃物不含汞，不会造成二次污染。根据 美国光电工业发展协会(OIDA)的研究，LED照明光源潜在的优点包括：到2025年，估计全球范围内由于使用SSL而将节约50%的照明电能，没有 任何一种其它的电能消耗行业具有如此大的节能潜力。由于大多数电能来自燃烧 矿物燃料，因此节约的电能就相当于每年少向大气中排放几亿吨的碳化物(CO,CO2等)等污染源。不仅减轻对环境的压力，还能节约对电站的投资和巨大的 照明支出费用。SSL代表了一种新型的照明光源，它将改变人们对人工照明光源 的看法，并创造一个年产值近500亿美元的产业。灯光设计师能将结构精巧、式 样新颖的LEDs以同阵列的形式，以任何图案和外形组装在门上、墙上、天花板 上，甚至嵌入在家具中，形成无器具感的明亮均匀照明。因此，作为一种新型绿 色照明光源，LED,特别是有望进入通用照明领域的大功率白光LED引起了人 们广泛的关注和深入的研究，它很有可能在不久的将来取代荧光灯等传统光源，成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯和高压放电灯(High Intensity Discharge,HID)之后的第四代人工照明光源。1.2 LED的特性1.2.1 LED发光原理发光二极管是由HI IV族化合物，如GaAs、AlGalnN、GaAsP等半导体材 料在衬底(蓝宝石，硅或SiC等)上外延生长而成，通常采用双异质结和量子阱 结构，其核心是P N结。PN结是携带电子的n型半导体和携带空穴的p型半 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文导体间的过渡层。当p层加上正向电压而n层加上负向电压，电子就从n层流入 p层，空穴从p层迁入n层。在p层中电子较少而存在大量的空穴，反之在n层 中，空穴较少而存在大量的电子。这些电子与空穴的区别是其能量与动量的不同，能量之差称之为半导体材料禁带宽度Eg,导带中的电子与价带中的空穴相互复 合时，要释放出多余的能量。放出能量的方式有两大类：射光子，成为辐射复合；不发射光子，成为非辐射复合，最后转换为热能或激发别的载流子。在热平衡 状态下存在着热激发与载流子间复合的平衡。由于不管是p区还是n区中少数载 流子（少子）密度都很小，这种复合是很弱的。即使有辐射复合，由于材料的本 征吸收，从外部是观察不到光发射的。必须在半导体内激发载流子，形成不平衡 载流子，即需正向电流注入，它们的复合才会导致显著的光发射，实现电能向光 能的直接转换，如图1-1所示。图1-1 LED发光原理图为了获得高的发光效率，需要保证以下几点：无辐射复合的寿命要长于辐射 复合的寿命，为此需要提高少子的密度；要使晶体中的缺陷密度尽可能少而使注 入的截流子密度高，一般是把带隙宽度小的发光层夹到禁带宽度大的层内，制成 异质结结构，如图1-2所示。Ni/Au电极图12 InGaN篮绿光LED的结构理论和实践证明,光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度有关,-2-1引言即2=1240/石g（nm）,式中Eg的单位为电子伏特（eV）,若能产生可见光（波长在380nm紫光780nm红光）,半导体材料的Eg应在3.261.63eV之间。目前已开发出发射红外、红、黄、绿及蓝光的发光二管，其中蓝光二极管是近来 人们研究的重点，它具有输入功率大、发光亮度高、易于转换得到白光等优点，是大功率发光二极管的主要代表。1.2.2 LED的优点LED是一种新型的光源，目前广泛用于指示性照明和特种照明市场上，随 着性能的不断提高，正向通用照明光源的方向发展。与传统人工照明光源相比，LED照明光源具有很多优点，其发展潜力非常巨大：A发光效率高：基于特别的材料构成，在电子转移的过程中，LED释放的能 量主要集中在可见光范围内，不像鸨丝灯发出的电磁能很多集中在红外线区，令 人感觉到非常热。也就是说，理论上LED几乎能把所有的电能都转化为光能，而白炽灯的可见光效率仅为10-20%。现在商品化的LED的发光效率已超过35 流明每瓦，这几乎是铝丝灯泡的两倍。B光线质量高：由于光谱中几乎没有紫外线和红外线，故没有辐射，产生的 热量很小，LED属于典型的绿色照明光源。C光色纯：与白炽灯全频段光谱不同，典型的LED光谱狭窄，发出的光线很 纯。D LED光源颜色丰富：既有白色的LED,也有发各种单色光的LED,而且颜 色饱和度高，在需要色光的场合，不再需要用滤色片来进行滤光，有利于节约电 能。E能耗小：单体LED的功率一般在0.05-3W,通过集群方式可以量体裁衣地 满足不同的需要，浪费很少。F寿命长：目前光通量衰减到70%的标称寿命为10万小时，远远高于白炽灯 的1500小时和荧光灯的1万小时。G可靠耐用：没有铝丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废的可能性很小，维护费用极为低廉。H应用灵活：体积小，可平面封装，易开发成轻薄短小产品，目前封装后LED 的厚度可小于1mm,易于做成点、线、面等各种形式的具体应用产品。I绿色环保：废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯含有汞等有害成分。1.2.3 LED的发展与分类最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP,发红光（*P=650nm）,在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1 lm/Wo 70年代中期，引入 元素In和N,使LED产生了绿光（才夕=555nm）、黄光（*夕=590nm）和橙光 夕=610nm）,光效也提高到1 lm/W。到80年代初，出现了 GaAlAs的LED 光源，使得红色LED的光效达到进入20世纪90年代，随着氮化物 LED的发明，LED的发光效率有了质的飞跃，而组成白光的重要原色蓝光，也 在1992年由日本著名LED企业日亚化学的中村修二发明7。这样整个可见光-3-电子科技大学成都学院本科毕业设计论文波谱内的单色LED已经完整，能够满足各种单色发光的应用场所。A.发光颜色从出光颜色上可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光、白光等。B.按发光强度分按发光强度分有普通亮度的LED（发光强度100mcd）,高亮度LED（发光强 度100mcd）,发光强度在lOOOOmcd以上的称超高亮度发光二极管。C.按发光管出光面特征分按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用 微型管等。圆形灯按直径分为2mm,（p 4.4mm,（p 5mm,（p 8mm,（p 10mm及（p 20mm等。人们通常把（p 3mm的LED记作T-l,把（p 5mm的记作T-1（3/4）O D.按发光强度角来分从发光强度角分布图来分有三种：高指向型，标准型和散射型。高指向型一 般为尖头形环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂,半强度角为50-200 或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用;标准型的半强度角为200-450,通常作指示灯用；而散射型的半强度角为450-900或更大，散射剂的量较大。1.3 LED照明现状及发展趋势LED的研制起始于上世纪六十年代，随着技术的进步，其出光颜色的种类、芯片尺寸、发光效率、输入功率和封装结构等都有了很大的飞跃。最初，LED 的发光量很小，主要采用支架式封装，应用于电子电气、自动化系统、家用电气 和交通运输工具等上面作指示性照明。进入90年代，随着LED制造材料的革新、工艺的改进和生产规模的提高，AlGalnP等超高亮度LED逐渐进入市场并占据 重要地位。1998年，蓝色和白光LED研制成功，LED照明进入了实施阶段。此 后国内外科研机构对高亮度LED器件中存在的散热、光衰和显色指数的控制等 重大问题进行了深入的研究，获得了很大的进步，其发光效率迅速提高，高亮度 LED显示出在照明领域的巨大潜力。1.3.1 大功率LED的研发计划如上所述，LED照明光源具有非常多的优点，特别是自1998年白光LED发 明后，人们认识到了大功率白光LED在普通照明领域的巨大发展潜力，纷纷加 大研究投入，从而掀起了了一场新的产业革命照明革命，其标志是半导体灯 逐步替代白炽灯和荧光灯。科学界预测，到2007年，光电子产业的产值将达到 电子产业产值水平；2010年至2015年，光电子产业可能会取代传统电子产业，成为21世纪最大的产业，并成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志。因此各国纷纷制定了相应的扶持发展半导体照明的计划：日本于1998年在世界 率先开展“21世纪照明”计划，旨在通过使用长寿命、更薄更轻的GaN高效蓝 光和紫外LED,使得照明的能量效率提高到传统荧光灯的两倍，减少CO2的产 生，并在2006年完成用LED替代50%的传统照明光源的目标9。整个计划的 财政预算为60亿日元。从1998-2002年，耗资50亿日元的第一期目标已经完成。现在，日本正在实施第二期计划，计划到2010年将LED的发光效率提高到120 lm/W。美国能源部于2001年7月提出了“新一代照明光源计划决定从2000-4-1弓I言2010年投入5亿美元，用于LED照明光源的开发与应用研究。为了指导LED 照明产业的发展，美国光电工业发展协会（OIDA）制定了相应的技术路线图，计划到2020年,将LED的发光效率提高到2001m/W,而照明成本降低到3美元,如下表。表1-1半导体照明光源发展目标指标2002 年2007 年2012 年2020 年发光效率（lm/W）2575150200寿命（h）20,00020,000100,000100,000光通量（1m）2520010001500输入功率（W）12.76.77,5光通价格（4/klm）2002059照明成本（$）5453显色指数75808080欧盟于2000年7月启动了扶持半导体照明发展的“彩虹计划”，决定通过 欧盟的补助金来推广白光发光二极管的应用。希望通过该计划实现高效、节能、不使用有害环境的材料、模拟自然光的半导体照明。韩国则推出了“GaN半导体开发计划”，拟从2000年至2008年，由政府 投入4.72亿美元，企业投入7.36亿美元来进行该计划的开发实施。其研究项目 包括以GaN为研究材料的白光LED,蓝、绿光激光二极管及高功率电子组件三 大领域。中国大陆于2003年6月17日，由中国科技部牵头成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国家半导体照明工程协调领导小组”，提出了我国实施半导体照明工 程的总体方针，并紧急启动半导体照明产业化关键技术重大项目，要求在十五计 划底，结合制定国家中长期科技发展规划和第十一个科技五年计划，研究提出中 国半导体照明产业发展的总体战略和实施方案。从2006年的“十一五”开始，国家将把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动，这对于节约能源，保护环 境，提高照明质量具有重要的意义。除了各国政府制定的宏观发展计划，在这场照明变革中，各大相关企业也推 出了自己的研发计划。世界三大照明工业巨头通用电气（GE）、飞利浦（P hilips）和欧斯朗（OSRAM）集团都已经启动了大规模商用开发计划，纷纷与半导体公司 合作或进行并购，成立半导体照明企业：全球最大的照明光源厂商P hilips lighting 公司于1999年7月与美国HP-Agilent技术公司合作投资1.5亿美元，成立了 Lumileds公司致力于白光LED研发工作，其Luxeon系列高亮度LED已经取得 了重大进展，生产的芯片尺寸为1平方毫米、功率为lw和5w的白光LED光通 量分别达到451m和1801m；美国Cree、德国Siemens光电公司与Osram GmbH 联合,进行白光LED光源的开发研究工作；日本的Toshiba和Honda也进行LED 联合研发等。-5-电子科技大学成都学院本科毕业设计论文1.3.2 LED应用于照明的发展LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。自1998年白 光LED研制成功以后，LED照明才真正进入了实施阶段。在各国半导体照明发 展计划的大力激励下，各研究实体加倍努力，可应用于照明的高亮度LED的性 能获得了很快的提高。目前单颗高亮度白光LED芯片的发光效率已超过501U1/W,而输入功率则超过3Wo其实在LED产业领域，也有类似微电子领域的摩尔定 律。安捷伦的前任技术科学家Roland Haitz预测，LED的价格每十年将为原来的 十分之一，性能则提高二十倍，这个预测后来被业界称为Haitz定律，如图1-3 所示。这个预测给未来的LED照明产业预示了无限美好的前景，特别在目前全 球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED照明光源给人们更多的期待。图1-3 Haitz预测的LED性能与价格发展趋势LED应用于照明领域，涉及到材料器件研制、散热设计、光学结构设计、封装材料以及测试方法等众多科技领域。目前LED照明光源已经在特种照明领 域获得了广泛的应用，比如应急照明、装饰照明、景观照明等，但进入通用照明 领域才是发挥LED巨大节能潜力的目标。随着LED性能的迅速提高，价格的不 断下降，LED光源取代白炽灯和荧光灯必将很快实现。我国是照明灯具生产大国，在这场兴起的半导体照明变革中，一定要抓住机 会。科技部“国家半导体照明工程”计划2007年半导体照明逐步取代白炽灯，2012年后取代荧光灯。据推测，在汽车尾灯、交通灯、公共设施以及家庭照明 需求的带动下，2003-2007年我国高亮度发光管芯市场规模将保持年均将近25%的增长速度，到2007年我国高亮度LED管芯市场将会突破20亿元。1.4 相关光度学参数简LED照明涉及到光度学方面的知识，先做一介绍。光度学是1706年由朗伯 建立的，它是研究光的发射、传播、吸收和散射等过程中光的计量问题的学科，也即对可见光的能量计量的学科，研究各种光量，如发光强度、光通量、照度等-6-1弓I言的定义及其单位的选定，以及它们之间的关系等。了解光度学中相关的参数是光 源计量与设计的基础。视见率：又称“光谱光视效率”，表示不同波长的光对人眼的视觉灵敏度。能引起人视觉感应的可见光波长在380780nm之间，实验表明：正常视力的观察 者，对波长5.55x10-7米(555nm)的黄绿色光最敏感，而对紫外光和红外光，则无 视力感觉。取人眼对波长为5.55X10-7米的黄绿光的视见率为1,其他波长的可 见光的视见率均小于1,红外光和紫外光的视见率为零。某波长的光的视见率与 波长为5.5X10-7米的黄绿光视见率的比称为该波长的相对视见率。光通量：人眼所能感觉到的辐射能量，反映了一个光源所发出的光辐射能所 引起的人眼光亮感觉的能力。它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的 相对视见率的乘积，单位为流明(1m)：光通量(lm)=683X视见率X辐射能量(W)。L5本课题的研究内容大功率LED作为半导体照明光源的代表，其技术进展及应用受到人们注。随着发光效率的提高和输入功率的增加，高亮度LED已进入景观照明明领域，并逐渐向通用照明市场发展。本课题主要围绕高亮度LED照明光和电、光度特 性参数的测试进行研究，并对其封装热阻的计算作了探讨，为源在通用照明领域 的应用作了必要的初步探索。本课题的研究内容主要集中在以下几个方面：1)论述LED封装发展趋势；2)组装几种LED光源样品并测试、评价其性能；3)关注LED发热问题，探讨改善其散热能力的方法并实际制作出几种不同的 散热器。4)对大功率LED的聚光问题进行初步研究。-7-电子科技大学成都学院本科毕业设计论文2 LED的封装与组装LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但是 作为发光器件，LED的封装又有自己的特点：LED封装不但要完成电信号的输 入输出，保护芯片在正常的电流下工作，还得维持工作状态下芯片的温度不超过 允许的范围，这对于功率型LED的封装来说显得尤为重要；另外封装结构和材 料要有利于提高出光效率，降低生产成本，实现电性能和发光效率的最优化。2.1 LED封装方法的分类LED的封装形式很多，主要包括支架式封装、普通片式封装、双列直插式 封装、功率型封装（芯片工作电流200mA）和多芯片封装等：1.支架式封装始于二十世纪七十年代，这种封装不仅可以保护发光芯片，而 且支架上的反光碗可以起到反光、聚光作用，其子弹头型的环氧树脂可以起到透 镜的作用。这种封装形式的LED是典型的点状光源，最适合作指示灯用，而且 生产插件时极其方便，但是其封装热阻比较高。2.普通片式封装迎合了封装微型化和表面贴装技术的要求，主要型号有0402、0603、0805、1206、1210等，封装厚度一般在1mm以下，最薄的封装厚度只有 0.4mm,因此在手机、P DA等便携式电子产品中广泛作为按键和屏幕的背光照明。3.双列直插式封装采用类似IC封装的铜质阴线框架固定芯片，并在焊接电极 阴线后用透明环氧材料包封，如“食人鱼”式封装。这种封装芯片热散失较支架 式好，热阻低，LED的输入功率可达0.1-0.5W。4,功率型封装是为了适应大光通量的要求而发展起来的。因为对于普通照明，要求其光通量足够大，一般在几百流明以上。比如40W的白炽灯能发出约600 流明的光通量，而一个40W的普通荧光灯发出的光通量超过3000流明。功率型 封装采用的是大尺寸LED芯片（如边长40mil）,其工作电流一般在200mA以 上，可输出几十流明的光通量。输入功率的不断增加使得散热问题变得非常突出，因此功率型封装中LED芯片多为倒装式互连以提高散热性能。倒装型LED由于 采用的是厚而不透明的金属接触层作为电流扩展层，因而与传统的正装型LED 相比，它能够在大的工作电流下工作并保持很高的可靠性，同时，封装到硅基板 上后，由于芯片的激发区更靠近热沉，元件产生的热量能很快从导电金属层通过 焊料传递到热沉而散失掉，有利于保持较高的发光效率。5.为了进一步提高单个元件的光通量并降低封装成本，近来出现了多芯片封 装技术并获得了很大的发展。2003年，Lamina Ceramics公司推出了自己的专利 封装技术一多层低温陶瓷金属基烧结（LTCC-M）技术，生产出集成度很高的LED 阵列。通过倒装封装工艺，该多芯片组装器件的发光亮度在840cd/in2以上，流 明效率超过401m/W,而使用寿命长达10年，并且能在较高的温度环境下正常工 作。美国UOE公司研制的NORLUX系列大功率LED也为多芯片组合封装结构，它采用六角形铝基金属线路板作为热沉，直径为1.25英寸，发光区位于中心，可在金属线路板上排列多达40个超高亮度倒装型LED芯片，包括AlGalnN和 AlGalnP,它们的发射光可为单色、彩色（RGB）或白色（RGB三基色合成或蓝 色黄色二元色合成）。2006年2月，美国OP TEK公司推出了最新型的3D封装的 高亮度LED光源16,它的输入功率为10W,输出光通量为330流明，而视角-8-2 LED的封装与组装则达到了 120度。这些多芯片组合封装的功率型LED不仅集成度高，散热性能 良好，而且可在大电流下工作，具有很高的光输出量，是一种很有发展前途的 LED光源封装模式。2.2 功率型LED封装存在的问题作为新型照明光源，LED的发展潜力是勿庸置疑的。人们近期的目标是将 其发光效率和光通量提高到现有照明光源的水平，这期望于功率型LED和多芯 片封装技术。但目前功率型LED封装还存在一些问题有待解决，比如散热效率 低和成本过高，另外静电防护和新出现的无铅化互连等问题也需注意。散热一直 是制约功率型LED发展的首要问题。根据美国OIDA发展规划，到2012年，每 个LED单元的发光量将达1000流明，发光效率为1501m/W,因此需要的输入功 率为7瓦,这其中由于产生热量而浪费的功率将达4瓦(lklm)/(4001m/W-1501m/W),这还不考虑其它的能量损失，假如驱动电路与发光单元是集成的，那么还得算上30%以上的能量损失。虽然这个数值不大，但是由于必须在很小 的芯片面积(约为0.017cm2(lklm/(400W/cm2X1501m/W)上散失到周围环境中，因此它的热流量将达到235W/cm2,这是常规微处理芯片所产生热流量的45 倍！如此大的热通量必须及时的散失掉，因为LED的发光效率严重依赖于温度,当结点温度升高到一定水平后，会发生明显的颜色漂移以及发光效率下降等现 象。成本过高是LED光源面临的另一个挑战。目前单颗1W LED元件的价格在 15元左右，3W的价格在20元以上，标称发出的光通量分别为351m和801m。而一个出光量为3000多流明的40W荧光灯的价格却不到10元。因此还需不断 提高LED元件的光通量，同时快速降低其价格。上述的多芯片封装技术有望加 速LED照明光源进入通用照明市场。静电防护在功率型LED封装中是十分重要的。由于芯片的正负电极均位于 芯片的同一个面上，间距很小；对于InGaN/AlGaN/GaN双异质结，InGaN活化 层的厚度仅几十纳米，对静电的承受能力很小，极易被静电击穿，使器件失效。因此，在产业化生产中，需要从电路设计、工艺操作以及附加保护器件上来保护 功率型LED免遭静电的损害。芯片输入功率的提高还带来一个新的问题热 迁移。因为LED芯片的功率密度非常大，而目前LED的发光效率较低，因此大 量的电能转化为了热量。这些热量在微小的芯片上产生很大的热流密度，使得芯 片与基板间形成一个较高的温度梯度。由于原子在高低温下的迁移速度不同，从 而导致原子形成定向移动，引起器件互连失效。2.3 封装发展趋势随着大功率LED芯片性能的迅速提高，功率型LED的封装技术不断改进以 适应形势的发展，如图2-5所示：从开始的引线框架式封装到多芯片阵列组装，再到如今的3D阵列式封装，其输入功率不断提高，而封装热阻显著降低。根据 美国光电工业发展协会(OIDA)制定的目标，到2012年，LED的发光效率将提高 到1501m/W,输入功率密度达到400W/cm2,而成本则降到荧光灯的水平。为了 实现这些目标，进一步改善LED封装的热管理将是关键之一，另外芯片设计制 造与封装工艺的有机融合也非常有利于产品性价比的提升，如美国Cree公司与-9-电子科技大学成都学院本科毕业设计论文Berkeley国家实验室合作，开发出了光通量超过1000 1m,发光效率达57 lm/W 的LED灯泡，并已进入商业应用；随着表面贴装技术（SMT）在工业上的大规模 应用，采用透明型封装材料和功率型MOSFET封装平台将是LED封装发展的一 个方向，功能集成（比如驱动电路）也将进一步的推动LED封装技术的发展。以 前应用于其它学科中的技术也可能在未来LED照明光源的封装中找到舞台，如 新兴的流体自组装（Fluidic Self-Assembly,FSA）技术等。2.4 新颖的LED阵列封装技术流体自组装功率型LED封装采用的是大尺寸、高输入电流的芯片。芯片尺寸的增大使 得比表面积下降，出光效率降低，同时大的输入电流会产生更多的集中热量，这 加剧了封装散热的负担，影响了芯片性能的正常发挥。因此，人们设想能否采用 发光效率高、散热性能好的小尺寸LED芯片（比如0.3 X 0.3mm2）进行阵列式封装，这不但能提高元件的发光效率，而且能形成高光通量的面光源，并有利于成本的 降低。但是，芯片阵列封装技术的要求很高，目前一种以流体作为工作介质的流 体自组装技术（FSA）受到了人们的关注。FSA具有并行地、大批量地、高精度 地将LED芯片组装到基板上的能力，而且操作简单灵活、散热性能良好，有望 实现多LED芯片的阵列式封装。2.4.1 FSA的基本特征FSA是指在无人工干预的情况下，微元件（比如LED芯片）在载体溶液中 依靠溶液的流动，自行完成与基板相应组装位置的对位组装方式。组装系统一般 包括四个组成部分：微元件、组装基板、载体溶液和粘结材料。其中选用的粘结 材料只与互连的微元件/基板表面形成良好的润湿，而不能润湿其它表面。FSA 源于分子生物学中的电泳技术，其工艺过程为：首先批量制造出一定外形的微元 件，同时在基板上刻蚀出相应外形的组装点，并在互连位置涂上焊料；然后将过 量的微元件分散悬浮在特定的载体溶液中，溶液的温度使焊料处于熔融状态；在 外力搅拌的作用下，微元件就在基板组装点周围移动，并随机地接近某个对应的 组装点；微元件在自身重力、液态粘结材料的毛细管力和表面张力等的作用下，经过定位、定向而非常精确地连接到组装点上；最后将没有组装的剩余微元件冲 出基板表面，清除掉基板上的溶液。随着组装系统温度的降低，粘结材料固化，从而完成机械与电互连。2.4.2 LED芯片在FSA工艺中的对位方式在FSA工艺中，LED芯片在基板相应组装点上的定向和定位是组装成功的 关键步骤之一,它直接影响LED芯片组装的质量和效率。芯片与基板组装点对 位的方式大致可分为以下三种：外形匹配、粘结剂导向和混合对位模式。外形匹配式对位是主要通过微元件与基板上凹坑的外形对应来实现微元件 的定向和定位。其工艺一般是：首先制造出特定外形的LED芯片，同时在硅、玻璃等基板上刻蚀出相应形状的凹坑；然后将过量的LED芯片分散悬浮在选定 的载体溶液中，在液体流动或震动的条件下，不同外形的元件将随机落入与之相 匹配的凹坑内，如同拼装积木一样。没有进入组装点的元件将被冲出基板表面，-10-2 LED的封装与组装经过清洗，进入下一次的组装。芯片在基板组装点上对位后，将溶液清除干净，经过引线互连完成产品的组装。外形匹配式自组装原理简单，具有在三维空间内 高密度组装、可靠性高和组装面平整等优点，发展前景很好。Hsi-JenJ等采用外 形匹配方法成功地将GaAs LED自组装到Si基板上，实现了光电子元件与硅基 板的大规模集成，如图2-1所示。由于元件的高度和凹坑的深度一致，组装后留 下一个较平整的表面。然后将载体溶液去除，在范德华力作用下，微元件的下表 而就和凹坑的底面连接在一起了。最后采用半导体工艺中的金属化和引线刻蚀等 方法完成表面的电互连。(e)载体溶液中LED与Si基板对位(f)Si底板和LED通过FSA完成连接图2-1外形匹配式FSA示意图粘结剂导向式对位是在载体溶液的振荡激发作用下，利用粘接剂产生的毛细 管力先粘接住LED芯片，然后在系统界面自由能最小化的驱动下，实现芯片在 组装点上精确地定位和定向。对于不同特性的微元件，通常需要进行多匹次并行 装配，即在单匹次中只并行装配同一类芯片。在单匹次FSA工艺中，首先在基 板和/或待装配微元件的绑定位置涂上自组装单层(se序assembled monolayer,SAM),形成相互匹配的绑定点；然后在基板绑定点上涂粘结剂，粘结剂可以 是导电焊料或不导电的粘结材料，它与SAM间有很好的润湿性，与其它的材料 表面和载体溶液则难以润湿；接着将悬浮有芯片的载体溶液倒入装有基板的装配 槽内进行对位组装;最后去除载体溶液,通过加热或紫外线照射等固化粘结材料,完成微系统的自组装。混合对位模式自组装是使用具有特定导向性外形的LED芯片，在基板或芯 片相应的焊盘上涂覆粘结剂，然后将微元件悬浮在载体溶液中，在液体流动作用 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文下实现系统的自行对位组装。它结合了外形匹配和粘结剂导向式对位这两者的优 点，具有很强的识别不同类型微元件和高可靠性地并行组装能力，因此能够更加 高效准确地完成芯片的自组装。Wei Zheng等研究了这种混合对位模式的自组装 方法，成功地将几百个微小的AlGalnP/GaAs发光二极管在4分钟内组