摘 要 ：LED被称 为第 四代照 明光 源或者绿 色光 源 ，广泛地 应 用于手机 闪光 灯 、大 中尺 寸显 示
器光 源模 块 以及 特殊 用途 照 明 系统 ，并 将被 扩展 至 一般 照 明 系统 设备 。 由于 LED结 温 的 高低 直
接 影响到 LED的 出光效率 、器件 寿命 、发 光 波 长 和 可靠性 等 ，因此 如 何提 高散 热 能 力是 大 功 率
LED实现产 业化亟 待解 决的 关键 技 术之 一 。介 绍 并分 析 了 国 内外 大 功 率 LE D散 热 封装 技 术 的研
究现 状 ，总结 了其发展 趋 势并提 出减 少 内部热 沉 的热 阻可能是今 后 的发展 方 向。
关键 词 ：大功 率 LED；散 热 ；封 装
1 引言
随着氮化 镓基 第三代 半导 体 的兴起 ，蓝色和 白
色发光 二极 管的研 究成 功 ，半 导体 照明带来 了人类
照明史上 的又 一 次 飞跃 。与 白炽 灯 和荧 光 灯相 比 ，
LED以其体积小、全固态、长寿命 、环保 、省 电等
一 系列优 点 ，成 为新 一代 环保型 照 明光 源的 主要发
展方向之一，也是 21世纪最具发展前景的高技术
领域之一。各 国政府高度重视 ，纷 纷出台国家计
划 ，投 入 巨资加 以发展 _1J。
20世 纪 末 ，LumiledsLighting公 司封 装 出第 一
个瓦 级大 功 率 LE D，使 LED的 功率 从 几 十毫 瓦 跃
超过 1000mw，单个 LED器件 的光通量也 从不 到一
个 lm飞跃 达 到 十几 个 lm。 目前 ，高 亮度 白光 LED
742 半 导 体技 术 第 32卷 第 9期
在实 验 室 中 已经 达 到 100lm／W 的 水 平 ，50lm／W
的大 功 率 白 光 LED 也 进 入 商 业 化 。 对 于 w 级
(≥1W)高 功 率 LED而 言 ， 目前 的 电光 转 换 效 率
约 为 15％ ，剩余 的 85％转 化 为热 能 ，而 芯 片 尺 寸
仅为 1mmx1mm～2．5mmx2．5mm，也 就 是说 芯
片的功率密度很大 ，如何提 高大功率 LED的散 热
能力 ，是 LED器 件 封 装 和 器 件 应 用 设 计 要 解 决 的
核 心 问题 _2J。
2 热效应对大功率 LED的影响
发光二 极 管是 一 种 注 入 电致 发 光 器 件 ，由 Ⅲ．
V族化 合物 制成 。在 外加 电场作用 下 ，电子 与空 穴
的辐射 复 合 而 发 生 的 电 致 作 用 将 能 量 的 10％ ～
15％转 化为 光能 ，而无 辐射 复合产 生 的晶格 振 荡将其余 85％ ～90％ 的 能 量 转 化 为 热 能 。与 传 统 的 照
明器件不同，白光 LED的发光光谱 中不包含红外
部分 ，所以其热量不能依靠辐射释放 。
对于单 个 LED而 言 ，如 果 热 量 集 中 在 尺 寸 很
小 的芯片 内而不 能有效 散 出 ，则 会 导致芯 片温 度升
高 ，引起 热应力 的非 均匀分 布 、芯 片发光效 率 和荧
光粉 激 射 效 率 下 降 。研 究 表 明 ，当温 度超 过 一 定
值 ，器件 的失效 率将呈 指数 规律上 升 ，元件 温度 每
上升 2 qC，可 靠 性 下 降 10％E3J。为 了保 证 器 件 的
寿命 ，一般要 求 pn结 结 温在 110℃以 下 。随 着 pn
结的温 升 ，白光 LED器 件 的发 光 波 长将 发 生 红 移 。
统计 资 料表 明 ，在 100qC的温度 下 ，波长 可 以红 移
4～9IllTI，从 而导致 YAG荧 光 粉 吸 收率 下 降 ，总 的
发 光强 度会减 少 ， 白光色 度变 差 。在室 温附 近 ，温
度 每升 高 1℃，LED的发 光 强度 会 相 应地 减 少 1％
左右 。当多个 LED密集 排列 组 成 白光 照 明 系统 时 ，
热量 的耗 散 问题 更严 重 。因此解 决散 热 问题 已成为
功 率型 LED应 用 的先决条 件 4j
3 封装结构与材料
针对高 功 率 LED的 封 装 散 热 难 题 ，国 内外 器
件 的设 计者 和制 造者分 别在 结构 和材料 等 方 面对 器
件 的热 系统 进 行 优 化设 计 。例如 ，在 封 装 结 构 上 ，
采用大 面积 芯片倒 装结 构 、金 属 线路板 结构 、导热
槽结构 、微 流阵列 结构 等 ；在材 料 的选 取方 面 ，选
择合适 的基板 材料 和粘 帖材料 ，用 硅树 脂代 替环 氧
树脂 。为 了解 决 高 功 率 LED的 封 装 散 热 难 题 ，国
际上开 发 了多种结构 。
3．1 封装 结构
目前主要 有 以下 三种 类型 。
①硅基倒装芯片 (FCLED)结构 。传统的 LED
采用 正装结 构 ，上 面通 常涂敷一 层环 氧树 脂 ，下 面
采用 蓝宝石 作 为衬底 。 由于环氧 树脂 的导 热能 力很
差 ，蓝宝石 又是热 的不 良导 体 ，热量 只能 靠芯 片下
面的引 脚 散 出。 因此 前 后 两 方 面 都 造 成 散 热 的 难
题 ，影 响 了器件 的性能 和可靠 性 。
2001年 ，LumiLeds公 司研 制 出 了 AIGalnN功 率
型倒装 芯 片结构 ，如 图 1所示 ，LED芯 片通 过 凸点
倒 装连 接到硅 基上 。这样 热 量不必 经 由芯 片 的蓝 宝
石衬底 ，而是直接传到热 导率更高 的硅 或陶瓷衬
底，再传到金属底座，由于其有源发热区更接近于
散热 体 ，可降低 内部热 沉热 阻 3j。这 种结 构 的热阻 理论计算最低可达到 1．34K／w，实际做到 6～8K／w，
出光率 也 提 高 了 60％左 右 。但 是 ，热 阻 与 热 沉 的
厚 度成 正 比的 ，受 硅 片 机械 强 度 与 导 热 性 能所 限 ，
很难通 过减 薄硅 片来 进 一 步 降低 内部 热 沉 的热 阻 ，
制约 了其传 热性 能 的进 一 步提 高 。
②基 于金 属线 路板 结构 。金 属线路 板 结构利用
铝等 金属 具有 极佳 的热 传导性 质 ，将 芯片封装 到覆
有几 毫 米厚 的铜 电极 的 PCB板 上 ，或 者 将 芯 片封
装 在金 属 夹 芯 的 PCB板 上 ，然 后 再 封 装 到散 热 片
上来解 决 散 热 问 题 。美 国 UOE公 司 的 Norlux系 列
LED，将 已封装 的产 品组 装 在带 有 铝 夹层 的金属 芯
PCB板上 ，其 中 PCB板 作 LED器 件 电极 连 接 布 线
之用 ，铝 芯夹层 作 为热沉 散热 ，如 图 2所示 。虽 然
采 用该 结构 可 以获得 良好 的散 热特性 ，并 大大提 高
LED的输 入 功 率 5J，但 夹 层 中 的 PCB板 是 热 的 不
良导体 ，阻碍 了热量 的传 导 。据 研究 ，该 结构 系统
热 阻约 在 60～70K／W 之 间 L2J。
③ 微泵 浦 结 构 。2006年 ShengLiu等 人 通 过 在
散 热器 上安 装 一 个 微 泵 浦 系 统 来 解 决 LED 的散 热
问题 ，在 封 闭 系 统 中 ，水 在 微 泵 浦 的 作 用 下 进 入
LED的底 板小 槽 吸 热 ，然 后 又 回到 小 的水 容 器 中 ，
通 过风 扇吸 热 。这种微 泵浦 结 构 (图 3)可 以将 外
部 热 阻降为 0．192K／W 6j。这种微 泵 结构 的制冷 性
较 好 ，但 如 前两种 结构 一样 ，如 果 内部 接 口热阻 很
大 ，则其热传导就会大打折扣 ，此外 ，其结构也较
复 杂 。
3．2 封装材 料
封 装结 构确定 后 ，可 以通 过选 取不 同的材料 进
一 步 的降低 系统 的热 阻 ，提 高系统 的导热性 能 。 目
前 国内外常 针对基 板材料 、粘 贴材料 和封装 材料 进
行择优 。
①基 板 材 料 。对 于 大 功 率 的 LED而 言 ，为 了
解 决芯 片材料 与散 热材料 之 间因热膨胀 失配 造成 电
极 引线 断裂 的 问题 ，可 以 选 用 陶瓷 、 Cu／Mo板 和
Cu／W 板 等合 金作 为 散热 材 料 。但 这 些合 金 生 产成
本过 高 ，不利 于大规 模 、低成本 生产 。选 用 导热性
能好 的铝板 、铜 板作 为散热 基板 材料是 当前研 究 的
重点 之一 [ 。
②芯 片粘结 材料 。选用 合适 的芯 片衬 底粘 贴材
料并 在批量 生产 工艺 中保证 粘贴厚 度尽 量小 ，对保
证器件 的热 导 特 性 是 十分 重要 的 。通 常 选 用 导 热
胶 、导 电 型银浆 、锡浆 和金 锡合金 焊料这 四种 材料
进行粘 结 。导热 胶导热 特性 较差 。导 电型银浆 既有
良好 的热导 特性 ，又有 较好 的粘贴 强度 ，但 由于银
浆在提 升亮度 的 同时 会 发热 ，且 含 铅 等 有毒 金 属 ，
因此并 不是粘 贴 材料 的最佳选 择 。导 电锡 浆和银 浆
相似 ， 由 于 含 有 铅 、六 价 铬 等 重 金 属 ，不 符 合
ROHS标准 。与前 三 者相 比 ，金锡 合 金 焊 料 的热 导
特性 是 四 种 材 料 中最 优 的 ，导 电性 能 也 非 常 优
越 『2]，但需要 严谨 的机械 设计 才能 达到高 精度 的固
晶。
③环 氧树 脂 。环 氧 树脂 作 为 LED器 件 的 封装
材料 ，具 有 优 良的 电 绝 缘 性 能 、密 着 性 和 介 电性
能 ，但 环 氧树 脂 具 有 吸湿 性 、易 老化 、耐 热性 差 、
高温 和短 波光 照下 易变色 ，而且 在 固化 前有 一定 的
毒性，固化 的内应 力大，对 LED器件 寿命造成影
响f8J。 目前许 多 LED封 装 业 者 改 用 硅 树脂 和 陶瓷
代替环氧树脂作为封装材料 ，以提高 LED的寿命。
总 的说 来 ，低 热阻 、散热 良好及 低机 械应力 的
新式 封装结 构是 封装 体 的技术关 键 。结点 到周 围环 境 的热 传导方式 有 三种 ：传导 、对流 、辐射 。不 同
的结 构和 材 料 均 需 要 解 决 如 下 三 个 环 节 的散 热 问
题 ：芯 片结 到外 延层 、外延 层到 封装基 板 、封装基
板到冷 却装 置 。这三个 环节 构成 固态照 明光 源热传
导 的通 道 ，其 中 任何 薄弱 环 节 失 败 都 会 使 LED光
源毁 于 一 旦 。也 就 是 说 ，要 想 将 功率 LED 的散 热
性 能和 可靠性 提 升到最 高 ，三个环 节都需 要采 用热
导 系数 高 的材料 。
4 结语
目前 ，随 着 功 率 型 LED 的亮 度 提 升 ，驱 动 电
流 的 日益 增 大 ，解 决 散 热 问题 已 成 为 大 功 率 LED
实现 产业 化 的 先 决 条 件 。根 据 上 述 LED器 件 的 散
热环 节 ，本文认 为 可以对 如下几 个方 面进行 研究 来
提高 大功 率 LED的散热性 能 。
(1)LED产生 热 量 的 多少 取 决 于 内量 子效 应 。
在 GaN材 料 的 生 长过 程 中 ，改 进 材 料 结 构 ，优 化
生长 参数 ，获得 高质量 的外 延片 ，提 高器件 内量 子
效率 ，从根 本上 减少热 量 的产生 ，加快 芯 片结到 外
延层 的热传 导 。
(2)选 择 如 以 Al基 为 主 的金 属 芯 印 刷 电路 板
(MCPCB)、陶 瓷 、DBC、复 合金 属基 板 等 导 热性 能
好 的衬底 ，以加 快 热量 从 外延 层 向散 热 基板 散 发 。
通过 优化 MCPCB板 的热 设计 或 将 陶 瓷 直 接绑 定 在
金 属 基 板 上 形 成 金 属 基 低 温 烧 结 陶 瓷 (LTCC—M)
基 板 ，以获得 热导 性能好 、热 膨胀 系数 小 的衬底 。
(3)为 了使衬底 上 的热量更 迅速 地扩 散到周 围
环境 ，目前通常选用 Al、cu等导热性能好 的金属
材料 作 为散热 器 ，再 加装 风扇 和 回路 热 管等强 制制
冷 。无论 从成 本还 是外 观的角 度来看 ，LED照 明都
不宜 采用 外部 冷 却装 置 。 因此 根 据 能 量守 恒 定 律 ，
利用 压 电陶瓷 作 为散 热器 ，把 热量转 化成 振动 方式
直接 消耗 热能 将成 为未来 研究 的重点 之一 。
(4)对 于 大 功率 LED器 件 而 言 ，其 总 热 阻 是
pn结到外界环境热路上几个热沉 的热阻之和，其
中包 括 LED 本 身 的 内 部 热 沉 热 阻 、 内 部 热 沉 到
PCB板之 间 的导热 胶热 阻 、PCB板 与外 部热沉 之 间
的导热胶的热阻、外部热沉的热阻等 ，传热 回路 中
的每一 个热沉 都 会 对 传 热造 成 一 定 的 阻碍 。因此 ，
作者 经 过 长期 研 究 认 为 ，减 少 内部 热 沉 界 面 的数
量 ，并采 用 薄膜工艺 将必 不可少 的接 口电极热 沉 、绝缘层直 接制 作在 金 属 散 热器 上 ，通过 降低 内部 热
沉的热阻 来大 幅度 降低 总 热 阻 ，这 种技 术 有 可 能 成
为今后大功率 LED散热封装主流方向。