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LED封装与散热研究 1000150312，黄荣雷 2013年11月2日 摘要：本研究旨在为高亮度照明LED的散热和封装提供一些理论与设备基础，以节约能源、保护环境、降低成本、提高灯具使用寿命推动高亮度白光 LED 的发展应用。 关键词：高亮度发光二极管，固体照明封装，散热 LED packaging and thermal studies Abstract: This study aimed to high intensity lighting LED heat and packaging to provide some basic theories and equipment to conserve energy, protect the environment, reduce costs, increase lamp life to promote the development of high-brightness white LED applications. Key words: high-brightness light-emitting diodes, solid-state lighting package, heat 1.引言 “绿色照明”是九十年代初国际上对节约电能、保护环境的照明系统的形象性说法。 绿色照明的科学定义为：绿色照明是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安 全和性能稳定的照明电器产品（电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材，以及调光器 件和控光器件），改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、 舒适、安全、有益的环境并充分体现现代文明的照明。 本文的主要内容是针对白光LED在照明领域的应用市场，研发HB-LED 芯片的散热和封装技术。在第一章绪论中主要介绍了目前LED的发展状况，照明的优点及可行性；在第二章中，主要介绍LED发光原理、HB-LED和芯片的制作工艺流程；第三章介绍了 LED 散热制冷的各种方式及其原理；第四章介绍了 microjet 水冷方式，并对 microjet 水冷进行了热 模拟，最后是总结。 2.HB-LED 封装基础 2.1 HB-LED 发光原理以及结构 图1为LED发光机理图，发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能，能量大小为hγ（h为普朗克常数,γ为频率）而发出光子，该能量差相当于半导体材料的带隙能量Eg ( 单位：电子伏Ev) ,其与发光波长λ(单位：μm) 的关系为λ= 1.24/Eg，因此通过选择不同的带隙宽度的材料，其发光谱可以从红外、可见光、以及紫外波段。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。 图 1 LED 器件的结构和发光原理图 图2 不同电极结构的电流扩展分布 为了减少横向LED芯片中电流不均匀分布，有效电流路径长度必须很短并且同等，该长度决定于p电极和n电极的空间距离。图2 (b)芯片电极通过优化后电流密度在整个 芯片分布的均匀性要比图2 (a)好。因此对于大芯片LED，单独一个电极设计是不利 于电流扩散，而采用梳状条形交叉电极、梳状条形与点状结合的电极以及米字形的电极 结构设计，可以使得芯片内电流分布比较均匀。目前主流的HB-LED的电极结构主要有下列几种形式，如图2所示。 图 3 大功率HB-LED芯片电极结构 图3为大芯片欧姆接触顶部做成梳状电极的特点：两端各有两个电极用的圆形接 触盘，通电后条形电极之间的区域将会有光发出，从而实现由点光源到面光源的过渡， 提高芯片总的光输出通量。 图4为梳状条形与多点接触的电极主要是结合在硅片上倒装(flipchip)技术，能更有效提高HB-LED的取光效率。 图4 顶面发光大功率 LED电极 2.2 HB-LED 封装工艺 模组的设计主要步骤有： (1) 设计覆铜板上电气连接以及芯片放置的位置和距离，选择高散热性能的覆铜板， 如图 5(a)所示。选择材料以及大小尺寸，优化模组中芯片之间的最小间隔 d；由于集成多个芯片，如果过于密集，模组工作时，各个芯片的热场会相互重叠，那么影响芯片温升的条件不仅自身热学性能有关，还跟周围其他芯片的热场有关。 图5 (a)覆铜板上设计 2×2 芯片阵列的电路 (b) 完成金线键