提高取光效率降熱阻功率型LED封裝技術(shù)

超高亮度LED的應(yīng)用面不斷擴(kuò)大，首先進(jìn)入特種照明的市場領(lǐng)域，并向普通照明市場邁進(jìn)。由于LED芯片輸入功率的不斷提高，對這些功率型LED的封裝技術(shù)提出了更高的要求。功率型LED封裝技術(shù)主要應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)要求：一是封裝結(jié)構(gòu)要有高的取光效率，其二是熱阻要盡可能低，這樣才能保證功率LED的光電性能和可靠性。

半導(dǎo)體LED若要作為照明光源，常規(guī)產(chǎn)品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比，距離甚遠(yuǎn)。因此，LED要在照明領(lǐng)域發(fā)展，關(guān)鍵是要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生長技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)，雖然其內(nèi)量子效率還需進(jìn)一步提高，但獲得高發(fā)光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低。現(xiàn)有的功率型LED的設(shè)計(jì)采用了倒裝焊新結(jié)構(gòu)來提高芯片的取光效率，改善芯片的熱特性，并通過增大芯片面積，加大工作電流來提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率，從而獲得較高的發(fā)光通量。除了芯片外，器件的封裝技術(shù)也舉足輕重。關(guān)鍵的封裝技術(shù)工藝有：

散熱技術(shù)

傳統(tǒng)的指示燈型LED封裝結(jié)構(gòu)，一般是用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上，由金絲完成器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹脂封裝而成，其熱阻高達(dá)250℃/W~300℃/W,新的功率型芯片若采用傳統(tǒng)式的LED封裝形式，將會(huì)因?yàn)樯岵涣级鴮?dǎo)致芯片結(jié)溫迅速上升和環(huán)氧碳化變黃，從而造成器件的加速光衰直至失效，甚至因?yàn)檠杆俚臒崤蛎浰a(chǎn)生的應(yīng)力造成開路而失效。

因此，對于大工作電流的功率型LED芯片，低熱阻、散熱良好及低應(yīng)力的新的封裝結(jié)構(gòu)是功率型LED器件的技術(shù)關(guān)鍵?？刹捎玫妥杪省⒏邔?dǎo)熱性能的材料粘結(jié)芯片;在芯片下部加銅或鋁質(zhì)熱沉，并采用半包封結(jié)構(gòu)，加速散熱;甚至設(shè)計(jì)二次散熱裝置，來降低器件的熱阻。在器件的內(nèi)部，填充透明度高的柔性硅橡膠，在硅橡膠承受的溫度范圍內(nèi)(一般為-40℃~200℃)，膠體不會(huì)因溫度驟然變化而導(dǎo)致器件開路，也不會(huì)出現(xiàn)變黃現(xiàn)象。零件材料也應(yīng)充分考慮其導(dǎo)熱、散熱特性，以獲得良好的整體熱特性。

二次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)

為提高器件的取光效率，設(shè)計(jì)外加的反射杯與多重光學(xué)透鏡。

功率型LED白光技術(shù)

常見的實(shí)現(xiàn)白光的工藝方法有如下三種：

(1)藍(lán)色芯片上涂上YAG熒光粉，芯片的藍(lán)色光激發(fā)熒光粉發(fā)出540nm~560nm的黃綠光，黃綠光與藍(lán)色光合成白光。該方法制備相對簡單，效率高，具有實(shí)用性。缺點(diǎn)是布膠量一致性較差、熒光粉易沉淀導(dǎo)致出光面均勻性差、色調(diào)一致性不好;色溫偏高;顯色性不夠理想。

(2)RGB三基色多個(gè)芯片或多個(gè)器件發(fā)光混色成白光，或者用藍(lán)+黃綠色雙芯片補(bǔ)色產(chǎn)生白光。只要散熱得法，該方法產(chǎn)生的白光較前一種方法穩(wěn)定，但驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜，另外還要考慮不同顏色芯片的不同光衰速度。

(3)在紫外光芯片上涂RGB熒光粉，利用紫光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生三基色光混色形成白光。由于目前的紫外光芯片和RGB熒光粉效率較低，仍未達(dá)到實(shí)用階段。

我們認(rèn)為，照明用W級功率LED產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還必須解決如下技術(shù)問題：

1、粉涂布量控制：LED芯片+熒光粉工藝采用的涂膠方法，通常是將熒光粉與膠混合后用分配器將其涂到芯片上。在操作過程中，由于載體膠的粘度是動(dòng)態(tài)參數(shù)、熒光粉比重大于載體膠而產(chǎn)生沉淀以及分配器精度等因素的影響，此工藝熒光粉的涂布量均勻性的控制有難度，導(dǎo)致了白光顏色的不均勻。

2、片光電參數(shù)配合：半導(dǎo)體工藝的特點(diǎn)，決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學(xué)參數(shù)(如波長、光強(qiáng))和電學(xué)(如正向電壓)參數(shù)差異。RGB三基色芯片更是這樣，對于白光色度參數(shù)影響很大。這是產(chǎn)業(yè)化必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3、根據(jù)應(yīng)用要求產(chǎn)生的光色度參數(shù)控制：不同用途的產(chǎn)品，對白光LED的色坐標(biāo)、色溫、顯色性、光功率(或光強(qiáng))和光的空間分布等要求不同。上述參數(shù)的控制涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝方法、材料等多方面因素的配合。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，對上述因素進(jìn)行控制，得到符合應(yīng)用要求、一致性好的產(chǎn)品十分重要。

檢測技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)

隨著W級功率芯片制造技術(shù)和白光LED工藝技術(shù)的發(fā)展，LED產(chǎn)品正逐步進(jìn)入(特種)照明市場，顯示或指示用的傳統(tǒng)LED產(chǎn)品參數(shù)檢測標(biāo)準(zhǔn)及測試方法已不能滿足照明應(yīng)用的需要。國內(nèi)外的半導(dǎo)體設(shè)備儀器生產(chǎn)企業(yè)也紛紛推出各自的測試儀器，不同的儀器使用的測試原理、條件、標(biāo)準(zhǔn)存在一定的差異，增加了測試應(yīng)用、產(chǎn)品性能比較工作的難度和問題復(fù)雜化。

我國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)光電子器件分會(huì)行業(yè)協(xié)會(huì)根據(jù)LED產(chǎn)品發(fā)展的需要，于2003年發(fā)布了“發(fā)光二極管測試方法(試行)”,該測試方法增加了對LED色度參數(shù)的規(guī)定。但LED要往照明業(yè)拓展，建立LED照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)業(yè)規(guī)范化的重要手段。

篩選技術(shù)與可靠性保證

由于燈具外觀的限制，照明用LED的裝配空間密封且受到局限，密封且有限的空間不利于LED散熱，這意味著照明LED的使用環(huán)境要劣于傳統(tǒng)顯示、指示用LED產(chǎn)品。另外，照明LED是處于大電流驅(qū)動(dòng)下工作，這就對其提出更高的可靠性要求。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，針對不同的產(chǎn)品用途，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崂匣?、溫度循環(huán)沖擊、負(fù)載老化工藝篩選試驗(yàn)，剔除早期失效品，保證產(chǎn)品的可靠性很有必要。

電防護(hù)技術(shù)

由于GaN是寬禁帶材料，電阻率較高，該類芯片在生產(chǎn)過程中因靜電產(chǎn)生的感生電荷不易消失，累積到相當(dāng)?shù)某潭?，可以產(chǎn)生很高的靜電電壓。當(dāng)超過材料的承受能力時(shí)，會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象并放電。藍(lán)寶石襯底的藍(lán)色芯片其正負(fù)電極均位于芯片上面，間距很小;對于InGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)，InGaN活化薄層僅幾十納米，對靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。

因此，在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，靜電的防范是否得當(dāng)，直接影響到產(chǎn)品的成品率、可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。靜電的防范技術(shù)有如下幾種：

1、對生產(chǎn)、使用場所從人體、臺、地、空間及產(chǎn)品傳輸、堆放等方面實(shí)施防范，手段有防靜電服裝、手套、手環(huán)、鞋、墊、盒、離子風(fēng)扇、檢測儀器等。

2、芯片上設(shè)計(jì)靜電保護(hù)線路。

3、LED上裝配保護(hù)器件。

功率型LED封裝技術(shù)現(xiàn)狀

功率型LED分為功率LED和W級功率LED兩種。功率LED的輸入功率小于1W(幾十毫瓦功率LED除外);W級功率LED的輸入功率等于或大于1W.

國外功率型LED封裝技術(shù)

(1)功率LED

最早有HP公司于20世紀(jì)90年代初推出“食人魚”封裝結(jié)構(gòu)的LED,并于1994年推出改進(jìn)型的“SnapLED”,有兩種工作電流，分別為70mA和150mA,輸入功率可達(dá)0.3W.接著OSRAM公司推出“PowerTOPLED”.之后一些公司推出多種功率LED的封裝結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的功率LED比原支架式封裝的LED輸入功率提高幾倍，熱阻降為幾分之一。

(2)W級功率LED

W級功率LED是未來照明的核心部分，所以世界各大公司投入很大力量，對W級功率LED的封裝技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)。

單芯片W級功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEONLED,該封裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用熱電分離的形式，將倒裝芯片用硅載體直接焊接在熱沉上，并采用反射杯、光學(xué)透鏡和柔性透明膠等新結(jié)構(gòu)和新材料，現(xiàn)可提供單芯片1W、3W和5W的大功率LED.OSRAM公司于2003年推出單芯片的“GoldenDragon”系列LED,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是熱沉與金屬線路板直接接觸，具有很好的散熱性能，而輸入功率可達(dá)1W.

多芯片組合封裝的大功率LED,其結(jié)構(gòu)和封裝形式較多。美國UOE公司于2001年推出多芯片組合封裝的Norlux系列LED,其結(jié)構(gòu)是采用六角形鋁板作為襯底。LaninaCeramics公司于2003年推出了采用公司獨(dú)有的金屬基板上低溫?zé)Y(jié)陶瓷(LTCC-M)技術(shù)封裝的大功率LED陣列。松下公司于2003年推出由64只芯片組合封裝的大功率白光LED.日亞公司于2003年推出號稱是全世界最亮的白光LED,其光通量可達(dá)600lm,輸出光束為1000lm時(shí)，耗電量為30W,最大輸入功率為50W,提供展覽的白光LED模塊發(fā)光效率達(dá)33lm/W.

有關(guān)多芯片組合的大功率LED,許多公司根據(jù)實(shí)際市場需求，不斷開發(fā)出很多新結(jié)構(gòu)封裝的新產(chǎn)品，其開發(fā)研制的速度非?？?。

國內(nèi)功率型LED封裝技術(shù)

國內(nèi)LED封裝產(chǎn)品的品種較齊全，據(jù)初步估計(jì)，全國LED封裝廠超過200家，封裝能力超過200億只/年，封裝的配套能力也很強(qiáng)。但是很多封裝廠為私營企業(yè)，規(guī)模偏小。但我國臺灣UEC公司(國聯(lián))采用金屬鍵合(MetalBonding)技術(shù)封裝的MB系列大功率LED的特點(diǎn)是，用Si代替GaAs襯底，散熱好，并以金屬黏結(jié)層作光反射層，提高光輸出。

對于大功率LED封裝技術(shù)的研究開發(fā)，目前國家尚未正式支持投入，國內(nèi)研究單位很少介入，封裝企業(yè)投入研發(fā)的力度(人力和財(cái)力)還很不夠，形成國內(nèi)對封裝技術(shù)的開發(fā)力量薄弱的局面，封裝的技術(shù)水平與國外相比還有相當(dāng)?shù)牟罹?/p>