在白光LED的设计中，研究分为两个主要方面：一个方面是荧光粉工艺，首先要荧光粉的选择要合适，包括激发波长、颗粒度的大小、激发效率等，需全面考核，兼顾各个性能.其次，荧光粉的涂敷要均匀，最好是相对发光芯片各个发光面的胶层厚度均匀，以免因厚度不均造成局部光线无法射出，同时也可改善光斑的质量.另一个方面是原材料的选择，材料的选择是建立在散热的基础上的. 3.1 白光LED对封装设备的性能要求
3.1.1 固晶机
必须选择高精度的固晶机，最好是拥有先进的预先图象识别系统，因为LED 的晶粒放入封装位置的精确与否影响整件封装器件的发光效能，若晶粒在反射杯内的位置有所偏差，光线未能完全发射出来，影响成品的光亮度. 3.1.2 点胶机
和固晶机一样，精度要求高，这样才能有效的控制胶量，胶量如果是太多，芯片贴上去后就容易让多余的胶挤压出，阻挡和吸收的芯片周围的发光，而且对反射杯壁发射出的光吸收，影响了光亮度；如果胶量太少，特别是进入焊线的工序时，使得芯片从杯底脱落，就会引起死灯、漏电等等而造成次品.
3.1.3 焊线机
在用之前，要调好1焊和2焊的功率，温度，压力；以及超声波的温度，功率.让这些参数能够让金线承受5g的拉力.这样才不会让以后的烘烤工序因为物质的膨胀系数不同而导致金线断裂或者脱焊.
3.1.4 灌胶机
灌胶机的针头必须都是保持在同一水平的位置，而且漏胶的通道不能有渣滓，而且密封的很好，针头也必须隔段时间进行清理.由于封装后所形成的是由环氧树脂形成的一层光学“透镜”，倘若这层透镜中混有杂质就会使得出光效率不好，而且光斑中也会有黑点.
3.1.5 烤箱
烤箱必须是循环风，而且烤箱的隔层的托盘必须是保持水平的，在做白光LED的时候，点好的荧光粉必须要在烤箱内烤干，但是如果不是循环风和隔层的托盘，烤出的荧光粉分布不均匀，造成光斑的不均匀，还有可能造成荧光粉的溢出.
3.2 封装步骤介绍
3.2.1 预前准备:
(1)芯片检验
用显微镜检查材料表面是否有机械损伤及麻点、 芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求以及电极图案是否完整.
(2)扩片
由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小(约0.1mm)，不利于后工序的操我们采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，使LED芯片与芯片的间距拉伸到约0.6mm.也可以采用手工扩张.
(3)清洗
采用超声波清洗LED支架，并烘干.
3.2.2 操作步骤
(1)点胶.将胶体点在支架杯体里，必须要点在杯体的正中间，而且胶量要适当, 胶量根据芯片的面积的大小来规定，其标准为芯片面积的2/3.胶体在这里是起个粘合剂的作用，也就是将芯片固定在支架内.因为蓝的高亮度芯片是双电极的，我们就用绝缘胶来固定.
锂电池注液机(2)贴片.将扩张后的芯片安置在刺晶台上，在显微镜下用刺晶笔将管芯一
个一个安装在LED支架相应的焊盘上.芯片一定要很妥当的置于杯正中间，若芯片有偏置就会导致光斑的不均匀，从而影响LED的平均光强.
(3)烘烤.将半成品放入烤箱内，烤箱温度为150℃，烘烤1小时.
轮胎再生胶
(4)焊线.用金丝焊机将电极连接到LED管芯上，以作电流注入的引线.在压第一点前先烧个球，再将金丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断金丝.工艺上主要需要监控的是压焊金丝拱丝形状，焊点形状，拉力.对压焊工艺的深入研究会涉及到更多方面的问题，如金丝材料、超声功率、压焊压力、劈刀选用、劈刀运动轨迹等等.
(5)点荧光粉.将荧光粉抽掉真空后，然后用注射器均匀的点在杯内.
(6)烘烤.放入120度的烤箱，烘烤15—20分钟.
(7)抽真空.将封装用的胶(AB胶)抽真空.
(8)灌胶.灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态树脂，然后插入压焊好的LED支架，放入烘箱让树脂固化后，将LED从模腔中脱出即成型.
(9)烘烤.前固化是指密封树脂的固化，一般固化条件在135℃,1小时.后固化是为了让树脂充分固化，同时对LED进行热老化.后固化对于提高树脂与支架的粘接强度非常重要.一般条件为120℃,4小时.
(10)脱模.
(11)质检.用肉眼直接的检测，测出死灯.
(12)裁切.由于LED在生产中是连在一起的(不是单个),LED采用切筋切断LED支架的连筋.分为前切和后切.
(13)分光.测试LED的光电参数、检验外形尺寸，同时根据客户要求对LED 产品进行分选.
(14)包装.将成品进行计数包装.超高亮LED需要防静电包装.
反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光.
在白光LED的设计中，最重要的步骤就是点荧光粉，点荧光粉是白光形成的关键.芯片的波长是460—465nm的，选取的荧光粉同样也在这个波段，点荧光粉是分为两个很重要的操作的，一个是调荧光粉，一个是涂抹荧光粉.普通用的荧光粉是粉状的，因此不能将粉状的物质覆盖在芯片上，必须是液态的，但是也不可能把荧光粉变成液态的，因为荧光粉的组分是重金属和稀有金属.只有将荧光粉溶解在一种溶剂中，然后再将这种荧光粉液体烤干，这样才能使其覆盖在蓝的芯片上.
3.3 荧光粉溶液以及涂抹方式的设计桥梁应力检测
选择的溶剂必须是不能破坏荧光粉自身的组织的，因此这个溶剂需要是不能和荧光粉发生化学反应的一种物质，根据相似相溶的原理知道，荧光粉是不能溶解在有机溶剂里的，那么就只能是混合了，如果只是单纯的将这种混合溶液覆盖在芯片的表面再去进行外密封是行不通的，因为外密封是用的环氧树脂这种液态物质，也就是说必须要将其在封装前烤干，于是传统采用外密封的环氧树脂来做这种溶剂.
有了溶剂再来配置溶液.在这里选用的材料有，相对应波段的黄荧光粉和环氧树脂.根据白光的发光原理可以知道，如果荧光粉加入的量太多就会造成发出的白光光偏黄，倘若荧光粉的量加入的太少就会使得发出的白光光偏蓝，因此应该根据荧光粉的发光效率来合理配制荧光粉.但是用荧光粉+环氧树脂封装出的成品光斑是一片蓝，一片白，一片黄.这种光斑形成的原因是因为荧光粉被蓝的光激发的不均匀，也就是说荧光粉的细小颗粒没有被蓝的光完全激发.
要解决完全激发的问题，就引入了扩散剂这样的一种物质，扩散剂可以增强蓝光激发荧光粉的效率，从而增强了荧光粉的发光效率.通过实验，发现扩散剂的确对光斑又了改善，使得发出的光斑不再是一块一块的，但是新的问
题又出现了，光斑虽然整体呈现一种颜但是外圈却有一层黄出现.
钽酸锂晶体
要改善黄圈必须要知道原因，将LED成品解剖，可以看到荧光粉的沉淀情况，如图3-1.通过理论分析
知道：这种现象是由黄光功率偏大所引起的.首先要改变荧光粉溶液的配比，到合适的配比才能够改善黄圈；接着就是荧光粉沉淀的问题，从图中可以看到荧光粉覆盖在芯片和支架杯之间的空隙中的厚度要比芯片表面的厚度厚很多.
图3-1 荧光粉溶液烤干后的剖面图
这是因为在烘烤的过程中，环氧树脂会挥发一部分，而环氧树脂是双组分的，一部分是树脂，而另一个部分是固化剂属于酸酐类，固化剂的作用是减小分子之间的距离，使其固化.它与树脂的反应是个放热反应，而环氧树脂的的热传导性很差，黏度又很大，所以产生的热量不容易消散，这样很容易使得荧光粉沉淀.而且芯片的尺寸和支架杯底的尺寸有差异.这样很容易导致芯片四周的荧光粉比重大.荧光粉溶液的浓度分布不均匀会造成白光LED的温分布不均，使得白光LED的亮度和光斑都不能达到预期效果.那如何改善荧光粉的因沉淀而引起的分布不均匀，这是新一步研究的问题.理论上可以从2个方面去改善:
(1)通过生产的工艺.也就是在生产过程中，在时间很短的间隔里均匀搅拌，而且点荧光粉的速度加快，与下个环节的衔接时间也变紧，点好荧光粉的半成品很快进入烘烤的步骤中.排线焊接
(2)加入一种新的物质，使得荧光粉容易在高温下也能保持很好的均匀混合状态.
于是在荧光粉溶液中引入了表面活性剂，其作用是一部分可以吸附有机物，一部分可以吸附无机物的表面活性剂，而且，通过实验得到了如下的相对数据：在温度和湿度以及荧光粉溶液都相同的前提下，将其中一瓶加入表面活性剂，将2瓶溶液都搅拌相同的时间，使其能混合均匀.发现10分钟后加入表面活性剂的溶液比不加活性剂的溶液中荧光粉的沉淀率降低将近20%. 经过反复的实验，得到的荧光粉、表面活性剂、扩散剂和环氧树脂的最优质量配比为10:5:3:100.
对于支架式白光LED的外封装有成型模具，顶部密封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散剂)，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角.因此由环氧树脂形成的“透镜”不可以调节.为了达到更好的光效，必须设计由涂抹的荧光粉而形成的“透镜”，荧光粉可以在支架的杯面上形成三种透镜形式:1.凹透镜2.平面透镜3.凸透镜.根据两层透镜的光辐射图样，选取的是凸透镜，凸透镜的角度与外封装胶形成的透镜角度是相同的.这样能使芯片发出的光线垂直出射，并且能提高光线的出射率.
但是这样荧光粉涂抹方式还是不够完美，芯片周围4个面的光强分布也是不同的，虽然对荧光粉溶液的组分和配比做了一些调整，但是荧光粉的沉淀只能得到很好的改善而不能完全解决的，这样的涂抹方式影响白光LED的温和品坐标.如果能将荧光粉完全单薄的覆盖在芯片上，就能解决这个问题.但是对于支架式白光LED的封装工艺上是很难办到的.而且要适合工厂的生产和销售，这种涂抹技术是不合适的.但是这种设想对于大功率这种封装方式是可以做到.
由于半导体和胶体的折射率相差比较大，致使内部的全发射临界角很小，光大部分在芯片内部经过多次反射而被吸收，成为支架式白光LED芯片取光效率很底的原因.在大功率白光LED中，芯片的发光效率要求高，因此使用面积比小型芯片(1mm2左右)大10倍的大型LED芯片.虽然大型LED芯片可以
获得大光束，不过加大芯片面积会有弊害：芯片内发光层的电流分布不均；发光部位受到局限芯片内部产生的光线放射到外部过程会严重衰减等等.因此采用倒装芯片方法(如图3-2的两种芯片的结构图)，倒装芯片是把GaN LED晶粒倒装焊在散热板上，并在P电极上方制作反射率较高的反射层，籍以将原先从元件上方发出的光线从元件其他的发光角度导出，而由蓝宝石基板端缘取光.这样就降低了在电极侧面的光损耗，可有接近于正装方式2倍左右的光输出.因为没有了金线焊垫的阻碍，对提高亮度有一定的帮助.因为电流流通的距离缩短，电阻降低，所以热的产生也相对降低，同时这样的接合亦能有效地将热传至下一层的散热基板再传到器件外面.
图3-2 两种功率型芯片的结构示意图
模板支撑体系对比两种芯片的优缺点，基于大于功率LED需要好的散热环境和发出高光效来考虑，在大功率白光LED的封装中，采用的是倒装芯片代替传统的正装大功率芯片.大功率白光LED的荧光粉涂抹技术则是只用将荧光粉均匀涂抹在表面就可以，而不用涂抹在芯片四周，根据前面介绍的倒装芯片的结构而得出涂抹工艺如图3-3所示:
图3-3 大功率LED的荧光粉涂抹方式图
这种方式是将荧光粉混合溶液直接涂抹在芯片上，因此所用到的溶液胶体不再是环氧树脂，因为环氧树脂的流动性较强，如果用传统的环氧树脂来混合荧光粉，荧光粉溶液就会从芯片表面溢出，所以必须选择可以自动成型的UV胶，将UV胶与普通荧光粉按照一定的重量比进行均匀混合调配，将调配好的原料加入点胶机对大功率发光二极管芯片进行点胶涂布，使涂层厚度控制在0.5~0.6mm，将涂布完成的芯片用紫外灯照射进行固化，完成固化工艺过程.改良后的荧光粉涂抹方式对白光LED特性的提高会在4.6节中作出分析.
3.4 封胶胶体的设计
根据折射定律，光线从光密介质入射到光疏介质时，当入射角达到一定值，即大于等于临界角时，会发生全发射.以GaN蓝芯片来说,GaN材料的折射率是2.3，当光线从晶体内部射向空气时，根据折射定律，临界角θ0=argsin (n1/n2)，其中n2等于1，即空气的折射率,n1是GaN的折射率，由此计算得到临界角θ0约为25.8度.在这种情况下，能射出的光只有入射角小于25.8度这个空间立体角内的光，因此其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失.为了提高LED产品封装的取光效率，必须提高n2的值，即提高封装材料的折射率，以提高产品的临界角，从而提高产品的封装发光效率.同时，封装材料对光线的吸收要小.
对白光LED进行封胶，传统选取的是双组分的环氧树脂，但封装用光学级的树脂容易受热变黄.除此之外，不仅因为热现象会对环氧树脂产生影响，甚至短波长也会对环氧树脂造成一些问题，这是因为白光LED发光光谱中，也包含了短波长的光线，而环氧树脂却相当容易被白光LED中的短波长光线破坏，低功率的白光LED就已经会造成环氧树脂的破坏，更何况高功率的白光LED所含的短波长的光线更多，那么恶化自然也加速.因此，在这里采用的是硅胶封装.硅胶除了对短波长有较佳的抗热性、较不易老化外，它还能够分散蓝和近紫外光.所以，与环氧树脂相比，硅树脂可以抑制材料因为短波长光线所带来的劣化现象，此外硅胶的光透率、折射率都很理想.这种封胶材料是一种稳定的柔性胶凝体，在-40度—120度的范围，不会应为温度的聚变而产生内应力，使金线与引线框架断开，并防止外封装的环氧树脂形成
的“透镜”变黄.密封胶体的改进对白光LED特性参数的提高，会在本文的4.8节中做具体的对比.
3.5 散热的设计
对于由PN结组成的发光二极管，当正向电流从PN结流过时,PN结有发热损耗，这些热量经由粘结胶、灌封材料、热沉等，辐射到空气中，在这个过程中每一部分材料都有阻止热流的热阻抗，也就是热阻，热阻是由器件的尺寸、结构及材料所决定的固定值.设发光二极管的热阻为Rth(℃/W)，热耗散功率为PD(W)，此时由于电流的热损耗而引起的PN结温度上升为:
△T=Rth×PD (3-1)
PN结结温为:
Tj=TA+ Rth×PD (3-2)
其中TA为环境温度.由于结温的上升会使PN结发光复合的几率下降，发光二极管的亮度就会下降.同时，由于热损耗引起的温升增高，发光二极管亮度将不再继续随着电流成比例提高，即显示出热饱和现象.另外，随着结温的上升，发光的峰值波长也将向长波方向漂移，约0.2-0.3nm/℃，这对于通过由蓝光芯片涂覆YAG荧光粉混合得到的白光LED来说，蓝光波长的漂移，会引起与荧光粉激发波长的失配，从而降低白光LED的整体发光效率，并导致白光温的改变.
对于功率发光二极管来说，驱动电流一般都为几百毫安以上,PN结的电流密度非常大，所以PN结的温升非常明显.对于封装和应用来说，如何降低产品的热阻，使PN结产生的热量能尽快的散发出去，不仅可提高产品的饱和电流，提高产品的发光效率，同时也提高了产品的可靠性和寿命.为了降低产品的热阻，首先封装材料的选择显得尤为重要，包括支架、基板和填充材料等，各材料的热阻要低，即要求导热性能良好.其次结构设计要合理，各材料间的导热性能连续匹配，材料之间的导热连接良好，避免在导热通道中产生散热瓶颈，确保热量从内到外层层散发.
LED对温度很敏感，理论上，结温要保持在125度以下以避免性能下降甚至失败.事实上，即使结温在125度以下，寿命和输出光通也会随着温度的升高而下降.如何保持LED工作温度较低以获得更高的可靠性和光学指标就取决于封装材料的热传导性能；结温和光也有关系，而结温的升高或者降低都会造成光的漂移，不同波长的光对温度的敏感性不同，蓝光的是最不敏感的，光的漂移使得温难以稳定，影响白光LED的光学性能.因此要改变温带来的影响，必须将PN结所产生的热量尽快的散发出去.
散热主要从3个方面着手.第一，从芯片到基板的连接材料的选取.第二，基板材料的选取.第三，基板外部冷却装置的选取和基板与外部冷却设备连接材料的选取.
首先从芯片和基板的连接上来看，普通用来连接芯片和基板采用的是银胶.但是银胶的热阻很高，而且银胶固化后的内部结构是：环氧树脂骨架和银粉填充式导热导电结构，这样的结构热阻极高，对器件的散热与物理特性稳定极为不利，因此选择的粘接的物质是锡膏.
接着就是基板的选择，表3-1是常见的基板和支架的材料导热系数
表3-1 常见基板材料导热系数
材质
铂 银 锡 锌 纯铜 黄金 纯铝 铝合金
(60Cu-40Ni) 铝合金
(87Al-13Si)
导热系数(W/MK) 71.4 427 67 121 398 315 236 22.2 162
豫公网安备41160202000603
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