摘 要 ：LED被稱 為第 四代照 明光 源或者綠 色光 源 ，廣泛地 應 用于手機 閃光 燈 、大 中尺 寸顯 示
器光 源模 塊 以及 特殊 用途 照 明 系統 ，并 將被 擴展 至 一般 照 明 系統 設備 。 由于 LED結 溫 的 高低 直
接 影響到 LED的 出光效率 、器件 壽命 、發 光 波 長 和 可靠性 等 ，因此 如 何提 高散 熱 能 力是 大 功 率
LED實現產 業化亟 待解 決的 關鍵 技 術之 一 。介 紹 并分 析 了 國 內外 大 功 率 LE D散 熱 封裝 技 術 的研
究現 狀 ，總結 了其發展 趨 勢并提 出減 少 內部熱 沉 的熱 阻可能是今 后 的發展 方 向。
關鍵 詞 ：大功 率 LED；散 熱 ；封 裝
1 引言
隨著氮化 鎵基 第三代 半導 體 的興起 ，藍色和 白
色發光 二極 管的研 究成 功 ，半 導體 照明帶來 了人類
照明史上 的又 一 次 飛躍 。與 白熾 燈 和熒 光 燈相 比 ，
LED以其體積小、全固態、長壽命 、環保 、省 電等
一 系列優 點 ，成 為新 一代 環保型 照 明光 源的 主要發
展方向之一，也是 21世紀最具發展前景的高技術
領域之一。各 國政府高度重視 ，紛 紛出臺國家計
劃 ，投 入 巨資加 以發展 _1J。
20世 紀 末 ，LumiledsLighting公 司封 裝 出第 一
個瓦 級大 功 率 LE D，使 LED的 功率 從 幾 十毫 瓦 躍
超過 1000mw，單個 LED器件 的光通量也 從不 到一
個 lm飛躍 達 到 十幾 個 lm。 目前 ，高 亮度 白光 LED
742 半 導 體技 術 第 32卷 第 9期
在實 驗 室 中 已經 達 到 100lm／W 的 水 平 ，50lm／W
的大 功 率 白 光 LED 也 進 入 商 業 化 。 對 于 w 級
(≥1W)高 功 率 LED而 言 ， 目前 的 電光 轉 換 效 率
約 為 15％ ，剩余 的 85％轉 化 為熱 能 ，而 芯 片 尺 寸
僅為 1mmx1mm～2．5mmx2．5mm，也 就 是說 芯
片的功率密度很大 ，如何提 高大功率 LED的散 熱
能力 ，是 LED器 件 封 裝 和 器 件 應 用 設 計 要 解 決 的
核 心 問題 _2J。
2 熱效應對大功率 LED的影響
發光二 極 管是 一 種 注 入 電致 發 光 器 件 ，由 Ⅲ．
V族化 合物 制成 。在 外加 電場作用 下 ，電子 與空 穴
的輻射 復 合 而 發 生 的 電 致 作 用 將 能 量 的 10％ ～
15％轉 化為 光能 ，而無 輻射 復合產 生 的晶格 振 蕩將其余 85％ ～90％ 的 能 量 轉 化 為 熱 能 。與 傳 統 的 照
明器件不同，白光 LED的發光光譜 中不包含紅外
部分 ，所以其熱量不能依靠輻射釋放 。
對于單 個 LED而 言 ，如 果 熱 量 集 中 在 尺 寸 很
小 的芯片 內而不 能有效 散 出 ，則 會 導致芯 片溫 度升
高 ，引起 熱應力 的非 均勻分 布 、芯 片發光效 率 和熒
光粉 激 射 效 率 下 降 。研 究 表 明 ，當溫 度超 過 一 定
值 ，器件 的失效 率將呈 指數 規律上 升 ，元件 溫度 每
上升 2 qC，可 靠 性 下 降 10％E3J。為 了保 證 器 件 的
壽命 ，一般要 求 pn結 結 溫在 110℃以 下 。隨 著 pn
結的溫 升 ，白光 LED器 件 的發 光 波 長將 發 生 紅 移 。
統計 資 料表 明 ，在 100qC的溫度 下 ，波長 可 以紅 移
4～9IllTI，從 而導致 YAG熒 光 粉 吸 收率 下 降 ，總 的
發 光強 度會減 少 ， 白光色 度變 差 。在室 溫附 近 ，溫
度 每升 高 1℃，LED的發 光 強度 會 相 應地 減 少 1％
左右 。當多個 LED密集 排列 組 成 白光 照 明 系統 時 ，
熱量 的耗 散 問題 更嚴 重 。因此解 決散 熱 問題 已成為
功 率型 LED應 用 的先決條 件 4j
3 封裝結構與材料
針對高 功 率 LED的 封 裝 散 熱 難 題 ，國 內外 器
件 的設 計者 和制 造者分 別在 結構 和材料 等 方 面對 器
件 的熱 系統 進 行 優 化設 計 。例如 ，在 封 裝 結 構 上 ，
采用大 面積 芯片倒 裝結 構 、金 屬 線路板 結構 、導熱
槽結構 、微 流陣列 結構 等 ；在材 料 的選 取方 面 ，選
擇合適 的基板 材料 和粘 帖材料 ，用 硅樹 脂代 替環 氧
樹脂 。為 了解 決 高 功 率 LED的 封 裝 散 熱 難 題 ，國
際上開 發 了多種結構 。
3．1 封裝 結構
目前主要 有 以下 三種 類型 。
①硅基倒裝芯片 (FCLED)結構 。傳統的 LED
采用 正裝結 構 ，上 面通 常涂敷一 層環 氧樹 脂 ，下 面
采用 藍寶石 作 為襯底 。 由于環氧 樹脂 的導 熱能 力很
差 ，藍寶石 又是熱 的不 良導 體 ，熱量 只能 靠芯 片下
面的引 腳 散 出。 因此 前 后 兩 方 面 都 造 成 散 熱 的 難
題 ，影 響 了器件 的性能 和可靠 性 。
2001年 ，LumiLeds公 司研 制 出 了 AIGalnN功 率
型倒裝 芯 片結構 ，如 圖 1所示 ，LED芯 片通 過 凸點
倒 裝連 接到硅 基上 。這樣 熱 量不必 經 由芯 片 的藍 寶
石襯底 ，而是直接傳到熱 導率更高 的硅 或陶瓷襯
底，再傳到金屬底座，由于其有源發熱區更接近于
散熱 體 ，可降低 內部熱 沉熱 阻 3j。這 種結 構 的熱阻 理論計算最低可達到 1．34K／w，實際做到 6～8K／w，
出光率 也 提 高 了 60％左 右 。但 是 ，熱 阻 與 熱 沉 的
厚 度成 正 比的 ，受 硅 片 機械 強 度 與 導 熱 性 能所 限 ，
很難通 過減 薄硅 片來 進 一 步 降低 內部 熱 沉 的熱 阻 ，
制約 了其傳 熱性 能 的進 一 步提 高 。
②基 于金 屬線 路板 結構 。金 屬線路 板 結構利用
鋁等 金屬 具有 極佳 的熱 傳導性 質 ，將 芯片封裝 到覆
有幾 毫 米厚 的銅 電極 的 PCB板 上 ，或 者 將 芯 片封
裝 在金 屬 夾 芯 的 PCB板 上 ，然 后 再 封 裝 到散 熱 片
上來解 決 散 熱 問 題 。美 國 UOE公 司 的 Norlux系 列
LED，將 已封裝 的產 品組 裝 在帶 有 鋁 夾層 的金屬 芯
PCB板上 ，其 中 PCB板 作 LED器 件 電極 連 接 布 線
之用 ，鋁 芯夾層 作 為熱沉 散熱 ，如 圖 2所示 。雖 然
采 用該 結構 可 以獲得 良好 的散 熱特性 ，并 大大提 高
LED的輸 入 功 率 5J，但 夾 層 中 的 PCB板 是 熱 的 不
良導體 ，阻礙 了熱量 的傳 導 。據 研究 ，該 結構 系統
熱 阻約 在 60～70K／W 之 間 L2J。
③ 微泵 浦 結 構 。2006年 ShengLiu等 人 通 過 在
散 熱器 上安 裝 一 個 微 泵 浦 系 統 來 解 決 LED 的散 熱
問題 ，在 封 閉 系 統 中 ，水 在 微 泵 浦 的 作 用 下 進 入
LED的底 板小 槽 吸 熱 ，然 后 又 回到 小 的水 容 器 中 ，
通 過風 扇吸 熱 。這種微 泵浦 結 構 (圖 3)可 以將 外
部 熱 阻降為 0．192K／W 6j。這種微 泵 結構 的制冷 性
較 好 ，但 如 前兩種 結構 一樣 ，如 果 內部 接 口熱阻 很
大 ，則其熱傳導就會大打折扣 ，此外 ，其結構也較
復 雜 。
3．2 封裝材 料
封 裝結 構確定 后 ，可 以通 過選 取不 同的材料 進
一 步 的降低 系統 的熱 阻 ，提 高系統 的導熱性 能 。 目
前 國內外常 針對基 板材料 、粘 貼材料 和封裝 材料 進
行擇優 。
①基 板 材 料 。對 于 大 功 率 的 LED而 言 ，為 了
解 決芯 片材料 與散 熱材料 之 間因熱膨脹 失配 造成 電
極 引線 斷裂 的 問題 ，可 以 選 用 陶瓷 、 Cu／Mo板 和
Cu／W 板 等合 金作 為 散熱 材 料 。但 這 些合 金 生 產成
本過 高 ，不利 于大規 模 、低成本 生產 。選 用 導熱性
能好 的鋁板 、銅 板作 為散熱 基板 材料是 當前研 究 的
重點 之一 [ 。
②芯 片粘結 材料 。選用 合適 的芯 片襯 底粘 貼材
料并 在批量 生產 工藝 中保證 粘貼厚 度盡 量小 ，對保
證器件 的熱 導 特 性 是 十分 重要 的 。通 常 選 用 導 熱
膠 、導 電 型銀漿 、錫漿 和金 錫合金 焊料這 四種 材料
進行粘 結 。導熱 膠導熱 特性 較差 。導 電型銀漿 既有
良好 的熱導 特性 ，又有 較好 的粘貼 強度 ，但 由于銀
漿在提 升亮度 的 同時 會 發熱 ，且 含 鉛 等 有毒 金 屬 ，
因此并 不是粘 貼 材料 的最佳選 擇 。導 電錫 漿和銀 漿
相似 ， 由 于 含 有 鉛 、六 價 鉻 等 重 金 屬 ，不 符 合
ROHS標準 。與前 三 者相 比 ，金錫 合 金 焊 料 的熱 導
特性 是 四 種 材 料 中最 優 的 ，導 電性 能 也 非 常 優
越 『2]，但需要 嚴謹 的機械 設計 才能 達到高 精度 的固
晶。
③環 氧樹 脂 。環 氧 樹脂 作 為 LED器 件 的 封裝
材料 ，具 有 優 良的 電 絕 緣 性 能 、密 著 性 和 介 電性
能 ，但 環 氧樹 脂 具 有 吸濕 性 、易 老化 、耐 熱性 差 、
高溫 和短 波光 照下 易變色 ，而且 在 固化 前有 一定 的
毒性，固化 的內應 力大，對 LED器件 壽命造成影
響f8J。 目前許 多 LED封 裝 業 者 改 用 硅 樹脂 和 陶瓷
代替環氧樹脂作為封裝材料 ，以提高 LED的壽命。
總 的說 來 ，低 熱阻 、散熱 良好及 低機 械應力 的
新式 封裝結 構是 封裝 體 的技術關 鍵 。結點 到周 圍環 境 的熱 傳導方式 有 三種 ：傳導 、對流 、輻射 。不 同
的結 構和 材 料 均 需 要 解 決 如 下 三 個 環 節 的散 熱 問
題 ：芯 片結 到外 延層 、外延 層到 封裝基 板 、封裝基
板到冷 卻裝 置 。這三個 環節 構成 固態照 明光 源熱傳
導 的通 道 ，其 中 任何 薄弱 環 節 失 敗 都 會 使 LED光
源毀 于 一 旦 。也 就 是 說 ，要 想 將 功率 LED 的散 熱
性 能和 可靠性 提 升到最 高 ，三個環 節都需 要采 用熱
導 系數 高 的材料 。
4 結語
目前 ，隨 著 功 率 型 LED 的亮 度 提 升 ，驅 動 電
流 的 日益 增 大 ，解 決 散 熱 問題 已 成 為 大 功 率 LED
實現 產業 化 的 先 決 條 件 。根 據 上 述 LED器 件 的 散
熱環 節 ，本文認 為 可以對 如下幾 個方 面進行 研究 來
提高 大功 率 LED的散熱性 能 。
(1)LED產生 熱 量 的 多少 取 決 于 內量 子效 應 。
在 GaN材 料 的 生 長過 程 中 ，改 進 材 料 結 構 ，優 化
生長 參數 ，獲得 高質量 的外 延片 ，提 高器件 內量 子
效率 ，從根 本上 減少熱 量 的產生 ，加快 芯 片結到 外
延層 的熱傳 導 。
(2)選 擇 如 以 Al基 為 主 的金 屬 芯 印 刷 電路 板
(MCPCB)、陶 瓷 、DBC、復 合金 屬基 板 等 導 熱性 能
好 的襯底 ，以加 快 熱量 從 外延 層 向散 熱 基板 散 發 。
通過 優化 MCPCB板 的熱 設計 或 將 陶 瓷 直 接綁 定 在
金 屬 基 板 上 形 成 金 屬 基 低 溫 燒 結 陶 瓷 (LTCC—M)
基 板 ，以獲得 熱導 性能好 、熱 膨脹 系數 小 的襯底 。
(3)為 了使襯底 上 的熱量更 迅速 地擴 散到周 圍
環境 ，目前通常選用 Al、cu等導熱性能好 的金屬
材料 作 為散熱 器 ，再 加裝 風扇 和 回路 熱 管等強 制制
冷 。無論 從成 本還 是外 觀的角 度來看 ，LED照 明都
不宜 采用 外部 冷 卻裝 置 。 因此 根 據 能 量守 恒 定 律 ，
利用 壓 電陶瓷 作 為散 熱器 ，把 熱量轉 化成 振動 方式
直接 消耗 熱能 將成 為未來 研究 的重點 之一 。
(4)對 于 大 功率 LED器 件 而 言 ，其 總 熱 阻 是
pn結到外界環境熱路上幾個熱沉 的熱阻之和，其
中包 括 LED 本 身 的 內 部 熱 沉 熱 阻 、 內 部 熱 沉 到
PCB板之 間 的導熱 膠熱 阻 、PCB板 與外 部熱沉 之 間
的導熱膠的熱阻、外部熱沉的熱阻等 ，傳熱 回路 中
的每一 個熱沉 都 會 對 傳 熱造 成 一 定 的 阻礙 。因此 ，
作者 經 過 長期 研 究 認 為 ，減 少 內部 熱 沉 界 面 的數
量 ，并采 用 薄膜工藝 將必 不可少 的接 口電極熱 沉 、絕緣層直 接制 作在 金 屬 散 熱器 上 ，通過 降低 內部 熱
沉的熱阻 來大 幅度 降低 總 熱 阻 ，這 種技 術 有 可 能 成
為今后大功率 LED散熱封裝主流方向。