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廣東勤美照明科技有限公司

GUANGDONG QINMEI LIGHTING TECHNOLOGY CO., LTD.

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提高取光效率降熱阻功率型LED封裝技術(shù)

2017-08-31

超高亮度LED的應用面不斷擴大,首先進入特種照明的市場領域,并向普通照明市場邁進。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)主要應滿足以下兩點要求: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。因此,LED要在照明領域發(fā)展,關鍵是要將其發(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)量子效率還需進一步提高,但獲得高發(fā)光通量的Z大障礙仍是芯片的取光效率低?,F(xiàn)有的功率型LED的設計采用了倒裝焊新結(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),一般是用導電或非導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,將會因為散熱不良而導致芯片結(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,甚至因為迅速的熱膨脹所產(chǎn)生的應力造成開路而失效。

  因此,對于大工作電流的功率型LED芯片,低熱阻、散熱良好及低應力的新的封裝結(jié)構(gòu)是功率型LED器件的技術(shù)關鍵??刹捎玫妥杪省⒏邔嵝阅艿牟牧险辰Y(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;甚至設計二次散熱裝置,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℃),膠體不會因溫度驟然變化而導致器件開路,也不會出現(xiàn)變黃現(xiàn)象。零件材料也應充分考慮其導熱、散熱特性,以獲得良好的整體熱特性。

  二次光學設計技術(shù)

  為提高器件的取光效率,設計外加的反射杯與多重光學透鏡。

  功率型LED白光技術(shù)

  常見的實現(xiàn)白光的工藝方法有如下三種:

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

  (2)RGB三基色多個芯片或多個器件發(fā)光混色成白光,或者用藍+黃綠色雙芯片補色產(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)動較復雜,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,仍未達到實用階段。

  我們認為,照明用W級功率LED產(chǎn)品要實現(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,導致了白光顏色的不均勻。

  2、片光電參數(shù)配合:半導體工藝的特點,決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學參數(shù)(如波長、光強)和電學(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)化必須要解決的關鍵技術(shù)之一。

  3、根據(jù)應用要求產(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、色溫、顯色性、光功率(或光強)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,對上述因素進行控制,得到符合應用要求、一致性好的產(chǎn)品十分重要。

  檢測技術(shù)與標準

  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)檢測標準及測試方法已不能滿足照明應用的需要。國內(nèi)外的半導體設備儀器生產(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、標準存在一定的差異,增加了測試應用、產(chǎn)品性能比較工作的難度和問題復雜化。

  我國光學光電子行業(yè)協(xié)會光電子器件分會行業(yè)協(xié)會根據(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)品標準是產(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,進行適當?shù)臒崂匣囟妊h(huán)沖擊、負載老化工藝篩選試驗,剔除早期失效品,保證產(chǎn)品的可靠性很有必要。

  電防護技術(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?shù)某潭?,可以產(chǎn)生很高的靜電電壓。當超過材料的承受能力時,會發(fā)生擊穿現(xiàn)象并放電。藍寶石襯底的藍色芯片其正負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,直接影響到產(chǎn)品的成品率、可靠性和經(jīng)濟效益。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、堆放等方面實施防范,手段有防靜電服裝、手套、手環(huán)、鞋、墊、盒、離子風扇、檢測儀器等。

  2、芯片上設計靜電保護線路。

  3、LED上裝配保護器件。

  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

  Z早有HP公司于20世紀90年代初推出“食人魚”封裝結(jié)構(gòu)的LED,并于1994年推出改進型的“SnapLED”,有兩種工作電流,分別為70mA和150mA,輸入功率可達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)進行研究開發(fā)。

  單芯片W級功率LEDZ早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEONLED,該封裝結(jié)構(gòu)的特點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有的金屬基板上低溫燒結(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Z亮的白光LED,其光通量可達600lm,輸出光束為1000lm時,耗電量為30W,Z大輸入功率為50W,提供展覽的白光LED模塊發(fā)光效率達33lm/W.

  有關多芯片組合的大功率LED,許多公司根據(jù)實際市場需求,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,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。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?shù)牟罹唷?/p>


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