一、LED封装现状和发展趋势

LED封装处于LED产业的中游，介于LED外延芯片和LED照明应用2个产业环节之间，具有关键的桥梁纽带作用。随着LED半导体照明终端应用产品的拓展和普及，以及消费者在LED半导体照明光源舒适、健康、可靠等方面的更高需求，白光LED封装的封装形态、光色特性、可靠性面临着新的发展需求。LED封装企业在不断探索新的LED封装技术、封装结构、封装材料（金属基板材料、硅胶材料、激发荧光粉材料）等，以满足下游半导体照明应用需求。新型白光LED封装技术的整体趋势是在更小的发光面积里产生更多的光通量，因此，高取光效率、低热阻、高可靠性的封装技术是LED封装产业发展的必由之路。

目前，大功率、高亮度的白光LED封装器件已经成为了照明领域的发展热点，产品功率主要为0.5～1W，产品结构主要为贴片式结构，封装技术有多颗小功率芯片正装集成封装、单颗1W大功率LED芯片正装及单颗1W Filp chip LED芯片无引线倒装等技术并存，各有优缺点。多颗小功率芯片正装集成封装发光效率较高，但对芯片的一致性要求较高，且多根芯片电极连接线影响产品的可靠性；单颗1W大功率LED芯片正装LED封装器件发光效率相对较低，且对支架的散热性能要求较高，增加支架成本；单颗1W Filp chip LED芯片无引线封装LED器件发光效率介于上述2者之间，但芯片的成本有所偏高。

2017年，我国功率型白光LED产业化光效达180lm/W，离其理论值250lm/W尚有一定的差距，因此进一步提高其发光效率成为功率型白光LED器件的一个关键技术问题；另外，提高散热能力也成为了功率型白光LED器件发展的另一个关键技术问题。

一般来说，提高LED的发光效率有2种途径，分别是提高其内量子效率和光提取效率。其中内量子效率提升主要依托LED外延芯片制造，光提取效率提升主要依托LED封装企业。在终端提升产品性能、降低成本和优化供应链的压力下，LED封装企业被倒逼进行技术创新，CSP芯片级封装、倒装LED封装、去电源化模组封装等新的封装技术不断出现，以适应市场需要。

根据LED半导体照明光源高光效、高可靠、低成本及健康照明的要求及LED封装技术发展趋势，研究基于多芯片内连接的高压LED芯片封装技术，以提高白光LED封装器件的发光效率、可靠性及批生产合格率，降低白光LED器件封装产业化生产工艺繁杂度及控制难度。

二、多芯片内连接高压直流LED 封装方法

1. 产品方案设计

现阶段LED日光灯、LED面板灯等室内照明灯具及液晶电视、电脑显示器用LED背光源等商业上使用最多的LED为正装SMD中小功率白光LED，功率为0.2W、0.5W、1.0W，均采用蓝光LED芯片激发黄色荧光粉合成白光，其蓝光LED芯片使用数量、正向电压、正向电流等情况如表1所示。

产品结构尺寸按照照明应用产品线路板要求和装配空间，有2835(长：3.5mm×宽：2.8mm×高：0.7mm)、3 014(长：3.0mm ×宽：1.4mm ×高：0 . 8 mm )、3 5 2 8 ( 长: 3.5 mm 宽:2.8m m ×高:1.0mm )、5060(长：5.4mm×宽：5.0mm×高：1.6mm)、4014(长：4.0mm×宽：1.45mm×高：0.8mm)、5 730(长：5.7mm×宽：3.0mm×高：0.8mm)等结构，如图1所示。

表1所述1.0W SMD白光LED的芯片装配及电路连接如图2所示，工艺繁杂、工效及成本对比如表2所示。为兼容表2所述３类白光LED优点，提高LED封装工效和出光效率，降低下游应用成本及可靠性，设计了一款小电流（100mA）、高电压(9.0 ～9.6V )SMD白光LED封装器件。单颗功率约为1W，采用单颗蓝光LED芯片激发黄色荧光粉合成白光，其装配支架为贴片式TOP2835结构，发光芯片为单颗晶片级3芯片集成内连接高压LED蓝光芯片，晶片级3芯片集成内连接高压LED芯片是指在LED芯片制造环节，通过刻蚀深沟槽的方式将外延片分割为3个独立的芯粒。在3个独立芯粒之间蒸镀电极连接桥，将3个芯粒以串联的方式连接起来而构成的单颗发光二极管芯片，由于单个芯粒的电压在100mA电流驱动下约为3V，3个芯粒串联后的单颗发光二极管芯片的电压约为9V。产品结构示意图如图3所示。

2.芯片设计与制备

1W LED芯片设计成高压直流LED芯片，正向偏置电压设计为8.7～9.9V，工作电流设计为100mA，其结构为平行结构，由3颗小芯片串联集成的1颗芯片。笔者研究团队的直流高压LED芯片结构包括：芯片底部全反射层、蓝宝石衬底、生长在蓝宝石衬底上的N-GaN层、发光层MQW、P-GaN层、电流扩展层（铟锡氧化物）、电极以及芯粒之间的沟道绝缘层（SWPV）和电极连接桥。同时，为提高芯片的出光效率，在芯片背面设计DBR全反射膜。芯片外形尺寸设计为：长1200μm±30μm；宽450μm±30μm；厚度150μm±15μm，电极直径为70μm±10μm。直流高压LED芯片的结构示意图如图4所示。

根据上述芯片的结构特点，在常规MOCVD工艺中，增加隔离槽刻蚀、电极连接桥蒸镀及全反射层蒸镀工艺，制备上述多芯片内连接高压直流LED芯片。

3.产品制备工艺流程

通常LED封装工艺在点胶完成后，室温自然沉淀一段时间后进入烤箱固化成形，此种工艺因每片支架点胶先后顺序、烤前放置时间不一致，加之荧光粉比重较大，导致每颗LED封装器件的自然荧光粉沉淀程度也不一样（沉淀差异性肉眼无法分辨），从而导致批色区良率较低。

为提升色区良率，在荧光粉点胶和封装胶固化成形2工艺之间增加荧光粉离心沉淀工艺，以提高白光LED光色一致性。多芯片内连接高压直流白光LED封装工艺流程图如图5所示。

三、多芯片内连接高压直流白光LED特性分析

为比较多芯片内连接高压直流1W白光LED封装技术与常规1W白光LED（单颗芯片1W白光LED、2颗芯片集成1W白光LED、3颗芯片集成1W白光LED）封装技术在光电参数、封装工艺繁简、批合格率、可靠性等方面的优劣势，开展了4批次1W白光LED封装生产，支架投产数量为100片（每片可投产LED器件576个）。

对投产的4批次产品从工艺繁简、生产耗时、批合格率、色区集中度、可靠性方面进行对比分析如下。

①工艺繁简：较常规产品封装，增加了一个离心沉淀工艺环节，增加了离心沉淀设备的一次性投入，但固晶、焊线工序较常规封装简单，且合格率高。

②生产耗时：由于多芯片内连接高压直流1W白光LED使用单颗1W蓝光LED芯片，且单颗产品的金线数量仅为2条，固晶和焊线工序耗时大大减少，从而节省人工成本及水电费等制造费用。

③多芯片内连接高压直流1W白光LED的光通量维持率和色度维持率在投产的4批次产品中不是最佳，但综合性能最佳。

④多芯片内连接高压直流1W白光LED是采用荧光粉离心沉淀技术生产的白光LED器件，其97.84%产品分布在两个主色区范围内，色区集中度很高，大大提高了批量生产白光LED的色品批合格率，降低了烤胶工艺控制难度。

四、结语

多芯片内连接高压直流1W白光LED采用单颗内连接高压LED芯片封装1W白光LED，并且在批量生产过程中采用了荧光粉离心沉淀技术，具有发光效率高、工艺控制简单、色品集中度高、可靠性高等优点，但是还存在光通维持率和色品漂移的问题，还须进行改善和进一步研究。上述多芯片内连接高压LED芯片功率仅为1W，可考虑延展扩大内连接高压LED芯片的正向电压、功率，以拓展其应用范围；于荧光粉配制，在确保提升显色指数的同时，不降低发光效率；可研究全光谱白光LED制备方法，提高白光LED照明的舒适性，降低蓝光危害。（DOI：10.19599/j.issn.1008-892x.2018.11.012）

作者：刘芳娇、熊新华、王琦、肖强、章玲涓

1. 江西联创光电科技股份有限公司

2 江西联融新光源协同创新有限公司