分析提高取光效率降熱阻功率型LED封裝技術(shù)

超高亮度LED的應用面不斷擴大，首先進(jìn)入特種照明的市場(chǎng)領(lǐng)域，并向普通照明市場(chǎng)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)主要應滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)要求：一是封裝結構要有高的取光效率，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(lǐng)域發(fā)展，關(guān)鍵是要將其發(fā)光效率、光通量提高至現有照明光源的等級。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生長(cháng)技術(shù)和多量子阱結構，雖然其內量子效率還需進(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?，F有的功率型LED的設計采用了倒裝焊新結構來(lái)提高芯片的取光效率，改善芯片的熱特性，并通過(guò)增大芯片面積，加大工作電流來(lái)提高器件的光電轉換效率，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)

傳統的指示燈型LED封裝結構，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外連接后用環(huán)氧樹(shù)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式的LED封裝形式，將會(huì )因為散熱不良而導致芯片結溫迅速上升和環(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(kāi)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構是功率型LED器件的技術(shù)關(guān)鍵?？刹捎玫妥杪?、高導熱性能的材料粘結芯片；在芯片下部加銅或鋁質(zhì)熱沉，并采用半包封結構，加速散熱；甚至設計二次散熱裝置，來(lái)降低器件的熱阻。在器件的內部，填充透明度高的柔性硅橡膠，在硅橡膠承受的溫度范圍內(一般為-40℃～200℃)，膠體不會(huì )因溫度驟然變化而導致器件開(kāi)路，也不會(huì )出現變黃現象。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(xué)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(xué)透鏡。

功率型LED白光技術(shù)

常見(jiàn)的實(shí)現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(jiǎn)單，效率高，具有實(shí)用性。缺點(diǎn)是布膠量一致性較差、熒光粉易沉淀導致出光面均勻性差、色調一致性不好；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+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定，但驅動(dòng)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(shí)用階段。

超高亮度LED的應用面不斷擴大，首先進(jìn)入特種照明的市場(chǎng)領(lǐng)域，并向普通照明市場(chǎng)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)主要應滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)要求：一是封裝結構要有高的取光效率，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(lǐng)域發(fā)展，關(guān)鍵是要將其發(fā)光效率、光通量提高至現有照明光源的等級。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生長(cháng)技術(shù)和多量子阱結構，雖然其內量子效率還需進(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?，F有的功率型LED的設計采用了倒裝焊新結構來(lái)提高芯片的取光效率，改善芯片的熱特性，并通過(guò)增大芯片面積，加大工作電流來(lái)提高器件的光電轉換效率，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)

傳統的指示燈型LED封裝結構，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外連接后用環(huán)氧樹(shù)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式的LED封裝形式，將會(huì )因為散熱不良而導致芯片結溫迅速上升和環(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(kāi)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構是功率型LED器件的技術(shù)關(guān)鍵?？刹捎玫妥杪?、高導熱性能的材料粘結芯片；在芯片下部加銅或鋁質(zhì)熱沉，并采用半包封結構，加速散熱；甚至設計二次散熱裝置，來(lái)降低器件的熱阻。在器件的內部，填充透明度高的柔性硅橡膠，在硅橡膠承受的溫度范圍內(一般為-40℃～200℃)，膠體不會(huì )因溫度驟然變化而導致器件開(kāi)路，也不會(huì )出現變黃現象。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(xué)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(xué)透鏡。

功率型LED白光技術(shù)

常見(jiàn)的實(shí)現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(jiǎn)單，效率高，具有實(shí)用性。缺點(diǎn)是布膠量一致性較差、熒光粉易沉淀導致出光面均勻性差、色調一致性不好；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+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定，但驅動(dòng)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(shí)用階段。

我們認為，照明用W級功率LED產(chǎn)品要實(shí)現產(chǎn)業(yè)化還必須解決如下技術(shù)問(wèn)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(guò)程中，由于載體膠的粘度是動(dòng)態(tài)參數、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.片光電參數配合：半導體工藝的特點(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(如波長(cháng)、光強)和電學(xué)(如正向電壓)參數差異。RGB三基色芯片更是這樣，對于白光色度參數影響很大。這是產(chǎn)業(yè)化必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.根據應用要求產(chǎn)生的光色度參數控制：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。上述參數的控制涉及產(chǎn)品結構、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(zhù)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(chǎng)，顯示或指示用的傳統LED產(chǎn)品參數檢測標準及測試方法已不能滿(mǎn)足照明應用的需要。國內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(wèn)題復雜化。

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色度參數的規定。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)規范化的重要手段。

篩選技術(shù)與可靠性保證

由于燈具外觀(guān)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(zhù)照明LED的使用環(huán)境要劣于傳統顯示、指示用LED產(chǎn)品。另外，照明LED是處于大電流驅動(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)行適當的熱老化、溫度循環(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(lèi)芯片在生產(chǎn)過(guò)程中因靜電產(chǎn)生的感生電荷不易消失，累積到相當的程度，可以產(chǎn)生很高的靜電電壓。當超過(guò)材料的承受能力時(shí)，會(huì )發(fā)生擊穿現象并放電。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??；對于InGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結，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(chǎng)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.芯片上設計靜電保護線(xiàn)路。

3.LED上裝配保護器件。

相關(guān)鏈接

功率型LED封裝技術(shù)現狀

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90年代初推出“食人魚(yú)”封裝結構的LED，并于1994年推出改進(jìn)型的“Snap LED”，有兩種工作電流，分別為70mA和150mA，輸入功率可達0.3W。接著(zhù)OSRAM公司推出“Power TOP LED”。之后一些公司推出多種功率LED的封裝結構。這些結構的功率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(lái)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(kāi)發(fā)。

單芯片W級功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEON LED，該封裝結構的特點(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構和新材料，現可提供單芯片1W、3W和5W的大功率LED。OSRAM公司于2003年推出單芯片的“Golden Dragon”系列LED，其結構特點(diǎn)是熱沉與金屬線(xiàn)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，其結構和封裝形式較多。美國UOE公司于2001年推出多芯片組合封裝的Norlux系列LED，其結構是采用六角形鋁板作為襯底。Lanina Ceramics公司于2003年推出了采用公司獨有的金屬基板上低溫燒結陶瓷(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(chēng)是全世界最亮的白光LED，其光通量可達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33lm/W。

有關(guān)多芯片組合的大功率LED，許多公司根據實(shí)際市場(chǎng)需求，不斷開(kāi)發(fā)出很多新結構封裝的新產(chǎn)品，其開(kāi)發(fā)研制的速度非?？?。

國內功率型LED封裝技術(shù)

國內LED封裝產(chǎn)品的品種較齊全，據初步估計，全國LED封裝廠(chǎng)超過(guò)200家，封裝能力超過(guò)200億只/年，封裝的配套能力也很強。但是很多封裝廠(chǎng)為私營(yíng)企業(yè)，規模偏小。但我國臺灣UEC公司(國聯(lián))采用金屬鍵合(Metal Bonding)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(kāi)發(fā)，目前國家尚未正式支持投入，國內研究單位很少介入，封裝企業(yè)投入研發(fā)的力度(人力和財力)還很不夠，形成國內對封裝技術(shù)的開(kāi)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的差距。