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                                            我們是一家研發、生產、銷售爲一體的鋁基覆銅箔層壓板、鋁基線路板的企業。我們將會以更專業的能力、先進的技術、高品質的質量為國內外的LED廠商和光電企業不斷創造更大價值。

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                                            大功率照明級LED之封裝

                                            日期:2012-11-09 瀏覽:1839

                                            一、引言

                                                    從實際應用的角度來看:安裝使用簡單、體積相對較小的大功率LED器件在大部分的照明應用中必將取代傳統的小功率LED器件。其好處是非常明顯的,小功率的LED組成的照明燈具為了達到照明的需要,必須集中許多個LED的光能才能達到設計要求。帶來的缺點是線路異常復雜,散熱不暢,為了平衡各個LED之間的電流電壓關系必需設計復雜的供電電路。相比之下,大功率LED單體的功率遠大于單個LED等于若干個小功率LED的總和,供電線路相對簡單,散熱結構完善,物理特性穩定。所以說,大功率LED器件代替小功率LED器件成為主流半導體照明器件是必然的。但是對于大功率LED器件的封裝方法我們并不能簡單的套用傳統的小功率LED器件的封裝方法與封裝材料。大的耗散功率,大的發熱量,高的出光效率給我們的封裝工藝封裝設備和封裝材料提出了新的更高的要求。

                                                    二、大功率LED芯片

                                                    要想得到大功率LED器件就必須制備合適的大功率LED芯片。國際上通常的制造方法有如下幾種:

                                                    2.1加大尺寸法:

                                                    通過增大單顆LED的有效發光面積,和增大尺寸后促使得流經TCL層的電流均勻分布而特殊設計的電極結構(一般為梳狀電極)之改變以求達到預期的光通量。但是,簡單的增大發光面積無法解決根本的散熱問題和出光問題,并不能達到預期的光通量和實際應用效果。

                                                    2.2硅底板倒裝法:

                                                    首先制備出具有適合共晶焊接電極的大尺寸LED芯片(Flip 

                                                    Chip LED)。同時制備出相應尺寸的硅底板,并在上制作出供共晶焊接的金導電層及引出導電層(超聲金絲球焊點)。然后,利用共晶焊接設備將大尺寸LED芯片與硅底板焊接在一起。(這樣的結構較為合理,即考慮了出光問題又考慮到了散熱問題,這是目前主流的High Output Power Chip LED生產方式。)

                                                    美國LumiLeds公司2001年研制出了AlGaInN功率型倒裝芯片(FCLED)結構,具體做法為:第一步,在外延片頂部的P型GaN:Mg淀積厚度大于500A的NiAu層,用于歐姆接觸和背反射;第二步,采用掩模選擇刻蝕掉P型層和多量子阱有源層,露出N型層;第三步,淀積、刻蝕形成N型歐姆接觸層,芯片尺寸為1×1mm2,P型歐姆接觸為正方形,N歐姆接觸以梳狀插入其中,這樣可縮短電流擴展距離,把擴展電阻降至最??;第四步,將金屬化凸點的AlGaInN芯片倒裝焊接在具有防靜電保護二極管(ESD)的硅載體上。 

                                                    2.3陶瓷底板倒裝法:

                                                    先利用LED晶片廠通用設備制備出具有適合共晶焊接電極結構的大出光面積的LED芯片和相應的陶瓷底板,并在上制作出共晶焊接導電層及引出導電層。之后利用共晶焊接設備將大尺寸LED芯片與陶瓷底板焊接在一起。(這樣的結構考慮了出光問題也考慮到了散熱問題,并且采用的陶瓷底板為高導熱陶瓷板,散熱的效果非常理想,價格又相對較低所以為目前較為適宜的底板材料,并可為將來的集成電路化一體封裝伺服電路預留下了安裝空間)

                                                    2.4藍寶石襯底過渡法:

                                                    按照傳統的InGaN芯片制造方法在藍寶石襯底上生長出PN結后將藍寶石襯底切除再連接上傳統的四元材料,制造出上下電極結構的大尺寸藍光LED芯片。

                                                    2.5AlGaInN/碳化硅(SiC)背面出光法:

                                                    美國Cree公司是采用SiC襯底制造AlGaInN超高亮度LED的全球唯一廠家,幾年來AlGaInN/SiCa芯片結構不斷改進,亮度不斷提高。由于P型和N型電極分別僅次于芯片的底部和頂部,單引線鍵合,兼容性較好,使用方便,因而成為AlGaInN  LED發展的另一主流。

                                                    三、基礎封裝結構

                                                    大功率LED封裝中主要需考慮的問題有兩個:散熱與出光。

                                                    序號 材質 導熱系數/λW(m.K)

                                                    01 碳鋼(C=0.5-1.5) 39.2-36.7

                                                    02 鎳鋼(Ni=1%-50%) 45.5-19.6

                                                    03 黃銅 (70Cu-30Zn) 109

                                                    04 鋁合金(60Cu-40Ni) 22.2

                                                    05 鋁合金(87Al-13Si) 162

                                                    06 鋁青銅(90Cu-10Al) 56

                                                    07 鎂 156

                                                    08 鉬 138

                                                    序號 材質 導熱系數/λW(m.K)

                                                    09 鉑 71.4

                                                    10 銀 427

                                                    11 錫 67

                                                    12 鋅 121

                                                    13 純銅  398

                                                    14 黃金 315

                                                    15 純鋁 236

                                                    16 純鐵 81.1

                                                    17 玻璃 0.65-0.71

                                                    從電流/溫度/光通量關系圖可得知,散熱對于功率型LED器件是至關重要的。如果不能將電流產生的熱量及時的散出,保持PN結的結溫度在允許范圍內,將無法獲得穩定的光輸出和維持正常的器件壽命。

                                                    從表一可得知,常用的散熱材料中銀的導熱率最好,但是銀導散熱板的成本較高不適宜做通用型散熱器。而銅的導熱率比較接近銀,且其成本較銀低。鋁的導熱率雖然低于銅,但勝在綜合成本最低,有利于大規模制造。

                                                    我們經過兩年的實驗對比發現較為合適的做法是:連接芯片部分采用銅基或銀基熱沉,再將該熱沉連接在鋁基散熱器上采用階梯型導熱結構,利用銅或銀的高導熱率將芯片產生的熱量高效傳遞到鋁基散熱器,再通過鋁基散熱器將熱量散出(通過風冷或熱傳導方式散出)。

                                                    這種做法的優點是:充分考慮散熱器性能價格比,將不同特點的散熱器結合在一起做到高效散熱、并且成本控制合理化。

                                                    值得注意的是:連接銅基熱沉與芯片之間的材料選擇是十分重要的,LED行業常用的芯片連接材料為銀膠。但是,我們經過研究發現,銀膠的熱阻極高為:10-25W/(m.K),如果采用銀膠作為連接材料,就等于人為的在芯片與熱沉之間加上了一道熱阻。另外銀膠固化后的內部基本結構為:環氧樹脂骨架+銀粉填充式導熱導電結構,這樣的結構熱阻極高且TG點較低,對器件的散熱與物理特性穩定極為不利。我們解決此問題的做法是:以錫片焊作為晶粒與熱沉之間的連接材料(錫的導熱系數67W/m.K)可以取得較為理想的導熱效果(熱阻約為16℃/W),錫的導熱效果與物理特性遠優于銀膠。

                                                    3.2出光

                                                    我們發現傳統的LED器件封裝方式只能利用芯片發出的約50%的光能,由于半導體與封閉環氧的折射率相差較大,致使內部的全反射臨界角很小,有源層產生的光只有小部分被取出,大部分在芯片內部經多次反射而被吸收,成為超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。如何將內部不同材料間折射、反射消耗掉的50%的光能加以利用,是設計出光系統的關鍵。

                                                    通過芯片的倒裝技術(FLIP CHIP)可以比傳統的LED芯片封裝技術得到更多的有效出光。但是,如果不在芯片的發光層之電極下方增加反射層來反射出浪費的光能則會造成約8%的光損失。所以底板材料上必須增加反射層。芯片側面的光也必須利用熱沉的鏡面加工法加以反射出,增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的藍寶石襯底部份(Sapphire)與環氧樹脂導光結合面上應加上一層硅膠材料以改善芯片出光的折射率。

                                                    經過上述光學封裝技術的改善,可以大幅度的提高大功率LED器件的出光率(光通量)。

                                                    大功率LED器件的頂部透鏡之光學設計也是十分重要的,我們通常的做法是:在進行光學透鏡設計時應充分考慮最終照明器具的光學設計要求,盡量配合應用照明器具的光學要求進行設計。

                                                    常用的透鏡形狀有:

                                                    凸透鏡、凹錐透鏡、球鏡、菲涅爾透鏡、組合式透鏡等。透鏡與大功率LED器件的裝配方法理想的情況應采取氣密性封裝,如果受透鏡形狀所限也可采取半氣密性封裝。透鏡材料應選擇高透光的玻璃或亞克力等合成材料。也可以采用傳統的環氧樹脂模組式封裝,加上二次散熱設計也基本可以達到提高出光率的效果。

                                                    四、電氣保護 

                                                    我們實測發現以SiC為底襯的InGaN抗ESD人體模式(HBM)能達1100V以上。而一般似藍寶石Al2O3為底襯的InGaN抗ESD僅能達400~500V左右(不同廠牌產品之綜合結果),如此低的抗ESD能力給LED LAMP封裝廠商和下游電子應用廠商帶來了極大的不便。從同業相關資料得知,每年電子組件制造商因ESD靜電防護問題損失十分驚人,裝配與消費者使用過程都有一定的損失產生。我們知道,高ESD抗的SiC碳化硅比藍寶石Al2O3為底襯材料有一定的抗靜電優勢,但也無法根本解決ESD問題。

                                                    非正式統計從不同層面的電子制造商有以下表之損失估計報告

                                                    ESD對各電子制造商的平均損失ESD Informal Summary of Static Losses by Level

                                                    Static Losses Reported, ESD 靜電損失

                                                    各層制造商 Min. Loss Max. Loss Est. Avg. Loss

                                                    組件商 Component Manufacturer 4% 97% 16-22%

                                                    承造商 Subcontractors 3% 70% 9-15%

                                                    次承造商Contractors 2% 35% 8-14%

                                                    用戶 User 5% 70% 27-33%

                                                    Source: Stephen Halperin,“Guidelines for Static Control Management,”Eurostat,1990

                                                    ESD之不同層次的來源

                                                    ESD來源 10-25%RH 65-90%RH

                                                    行走在地毯上Walking across carpet 35,000V 1,500V

                                                    行走在膠地板Walking across vinyl tile 12,000V 250V

                                                    工人在工作臺 Worker at bench 6,000V 100V

                                                    撿起膠袋Poly bag picked up form bench 20,000V 1,200V

                                                    發泡膠之椅了Chair with urethane foam 18,000V 1,500V

                                                    我們發現,如果在大功率LED器件封裝結構中加入芯片外圍的抗ESD二極管,可以將抗ESD的能力提高到8500V以上?;窘鉀Q了不同層面的電子制造商的ESD損失問題,實際應用效果很好。

                                                    五、發展趨勢及結束語

                                                    我們知道,LED芯片的外量子效率取決于外延材料的內量子效率與芯片的取光效率。目前大功率型LED所采用的外延材料為MOCVD外延生長技術和多量子阱結構,雖然現在其內量子效率并未達到最高,還有進一步提高的空間。但是我們發現,獲得LED器件高光通量的最大障礙依舊是芯片的取光方式與高出光效率的封裝結構的設計。

                                                    從LED1970年到2003年這三十多年的發展經驗可以得知:LED的光通量大約每16-20月就要增加2.2倍。所以講,在可以預期的五年時間內照明級大功率LED器件的光效率達到100Lm/W將是有可能的事情。但是,我們并不能坐等大功率LED芯片達到此光效才來進行封裝技術的開發與應用。我們認為,照明級大功率LED器件光效的提高有賴于芯片光效的提高和封裝取光散熱技術的提高的同步進行才能做到。同時,LED制造設備廠商也應同步進行此類設備的開發。

                                                    愿LED能夠早日成為照明科技的主流產品,為國計民生貢獻力量。

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