大功率LED封装解析以及恒流电源设计

　　大功率LED封装技术解析：

　　半导体发光二极管简称LED，从上世纪六十年代研制出来并逐步走向市场化，其封装技术也是不断改进和发展。LED 由最早用玻璃管封装发展至支架式环氧封装和表面贴装式封装，使得小功率LED 获得广泛的应用。从上世纪九十年代开始，由于LED 外延、芯片技术上的突破，四元系AlGaInP 和GaN 基的LED相继问世，实现了LED 全色化，发光亮度大大提高，并可组合各种颜色和白光。器件输入功率上有很大提高。目前单芯片1W 大功率LED 已产业化并推向市场，台湾国联也已研制出10W 的单芯片大功率LED。这使得超高亮度LED 的应用面不断扩大，首先进入特种照明的市场领域，并向普通照明市场迈进。由于LED 芯片输入功率的不断提高，对这些功率型LED 的封装技术提出了更高的要求。功率型LED 封装技术主要应满足以下二点要求：一是封装结构要有高的取光效率，其二是热阻要尽可能低，这样才能保证功率LED 的光电性能和可靠性。所以本文将重点对功率型LED 的封装技术作介绍和论述。

　　功率型LED 封装技术现状

　　由于功率型LED 的应用面非常广，不同应用场合下对功率LED 的要求不一样。根据功率大小，目前的功率型LED 分为普通功率LED 和W 级功率LED 二种。输入功率小于1W 的LED（几十mW 功率LED除外）为普通功率LED；输入功率等于或大于1W 的LED 为W 级功率LED。而W 级功率LED 常见的有二种结构形式，一种是单芯片W 级功率LED，另一种是多芯片组合的W 级功率LED。

　　1．国外功率型LED 封装技术：

　　（1）普通功率LED

　　根据报导，最早是由HP 公司于1993 年推出"食人鱼"封装结构的LED，称"Super flux LED"，并于1994年推出改进型的"Snap LED"，其外形如图1 所示。它们典型的工作电流，分别为70mA 和150mA，输入功率分别为0.1W 和0.3W。

　　Osram 公司推出"Power TOP LED"是采用金属框架的PLCC 封装结构，其外形图如图2 所示。之后其他一些公司推出多种功率LED 的封装结构。其中一种PLCC-4 结构封装形式，其功率约200~300mW，这些结构的热阻一般为75~125℃/W。总之，这些结构的功率LED 比原支架式封装的LED 输入功率提高几倍，热阻下降几倍。

　　（2）W 级功率LED

　　W 级功率LED 是未来照明的核心部分，所以世界各大公司投入很大力量，对W 级功率封装技术进行研究开发，并均已将所得的新结构、新技术等申请各种专利。单芯片W 级功率LED 最早是由Lumileds 公司于1998 年推出的Luxeon LED，其结构如图3 所示，根据报导，该封装结构的特点是采用热电分离的形式，将倒装芯片用硅载体直接焊接在热沉上，并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料，提高了器件的取光效率并改善了散热特性。可在较大的电流密度下稳定可靠的工作，并具有比普通LED 低得多的热阻，一般为14~17℃/W，现有1W、3W 和5W的产品。该公司近期还报导［1］推出Luxeon III LED 产品，由于对封装和芯片进行改善，可在更高的驱动电流下工作，在700mA 电流工作50000 小时后仍能保持70%的流明，在1A 电流工作20000 小时能保持50%的流明。

　　Osram 公司于2003 年推出单芯片的"Golden Dragon"系列LED［2］，如图4 所示，其结构特点是热沉与金属线路板直接接触，具有很好的散热性能，而输入功率可达1W。我国台湾UEC 公司（国联）采用金属键合（Metal Bonding）技术封装的MB 系列大功率LED［3］其特点是用Si 代替GaAs 衬底，散热好，并以金属黏结层作光反射层，提高光输出。现有LED 单芯片面积分别为：0.3&TImes;0.3mm2、1&TImes;1mm2 和2.5&TImes;2.5mm2 的芯片，其输入功率分别有0.3W 、1W 和10W，其中2.5&TImes;2.5mm2芯片光通量可达200lm，0.3W 和1W 产品正推向市场。多芯片组合封装的大功率LED，其结构和封装形式较多，这里介绍几种典型的结构封装形式：

　　①美国UOE 公司于2001 年推出多芯片组合封装的Norlux 系列LED［4］，其结构是采用六角形铝板作为衬底，如图5 所示，铝层导热好，中央发光区部分可装配40 只芯片，封装可为单色或多色组合，也可根据实际需求布置芯片数和金线焊接方式，该封装的大功率LED 其光通量效率为20lm/W，发光通量为100lm。

　　②Lanina Ceramics 公司于2003 年推出采用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷（LTCC-M）技术封装的大功率LED 阵列［5］，有二种产品：一种为7 元LED 阵列，光通量为840lm，功率为21W。另一种是134 元LED 阵列，光通量为360lm，功率134W。由于LTCC-M 技术是将LED 芯片直接连接到密封阵列配置的封装盒上，因此工作温度可达250℃。