大功率LED照明產(chǎn)品及散熱技術(shù)

1、大功率大功率LED技術(shù)、照明產(chǎn)品及技術(shù)、照明產(chǎn)品及其散熱技術(shù)其散熱技術(shù) 主要內(nèi)容主要內(nèi)容功率型芯片技術(shù)原功率型芯片技術(shù)原理大功率技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大功率技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功率型散熱技術(shù)功率型散熱技術(shù)結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ) LED的應(yīng)用面不斷擴(kuò)大，首先進(jìn)入特種照明照明的市場(chǎng)領(lǐng)域，并向普通照明市場(chǎng)邁進(jìn)。由于LED芯片芯片輸入功率的不斷提高，對(duì)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； 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。功率型芯片技術(shù)原理功率型芯片技術(shù)原理 大功率LED廣義上說(shuō)就是單顆LED光源功率大于0.35W(含

2、0.35W)的，擁有大額定工作電流的發(fā)光二極管。普通LED功率一般為0.05W、工作電流為20mA，而大功率LED可以達(dá)到1W、2W、甚至數(shù)十瓦，工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等。由于目前大功率LED在光通量、轉(zhuǎn)換效率和成本等方面的制約，因此決定了大功率白光LED短期內(nèi)的應(yīng)用主要是一些特殊領(lǐng)域的照明，中長(zhǎng)期目標(biāo)才是通用照明。何為大功率芯片何為大功率芯片?(1)加大尺寸法: 通過(guò)增大單體LED的有效發(fā)光面積和尺寸，促使流經(jīng)TCL層的電流均勻分布，以達(dá)到預(yù)期的光通量。但是，簡(jiǎn)單地增大發(fā)光面積無(wú)法解決散熱問(wèn)題和出光問(wèn)題，并不能達(dá)到預(yù)期的光通量和實(shí)際應(yīng)用效果。(2)硅底板倒裝法: 首先制備出適合共

3、晶焊接的大尺寸LED芯片，同時(shí)制備出相應(yīng)尺寸的硅底板，并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層（超聲金絲球焊點(diǎn)），再利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片與硅底板焊接在一起。這樣的結(jié)構(gòu)較為合理，既考慮了出光問(wèn)題又考慮到了散熱問(wèn)題，這是目前主流的大功率LED的生產(chǎn)方式。LED大功率的實(shí)現(xiàn)方法大功率的實(shí)現(xiàn)方法美國(guó)Lumileds公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒裝芯片（FCLED）結(jié)構(gòu)，其制造流程是： 首先在外延片頂部的P型GaN上淀積厚度大于500A的NiAu層，用于歐姆接觸和背反射； 再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； 經(jīng)淀積、刻蝕形成N型歐姆接觸層，

4、芯片尺寸為1mm1mm,P型歐姆接觸為正方形，N型歐姆接觸以梳狀插入其中，這樣可縮短電流擴(kuò)展距離，把擴(kuò)展電阻降至最小； 然后將金屬化凸點(diǎn)的AlGaInN芯片倒裝焊接在具有防靜電保護(hù)二極管（ESD）的硅載體上。(3) 陶瓷底板倒裝法: 先利用LED晶片通用設(shè)備制備出具有適合共晶焊接電極結(jié)構(gòu)的大出光面積的LED芯片和相應(yīng)的陶瓷底板，并在陶瓷底板上制作出共晶焊接導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層，然后利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片與陶瓷底板焊接在一起。這樣的結(jié)構(gòu)既考慮了出光問(wèn)題也考慮到了散熱問(wèn)題，并且采用的陶瓷底板為高導(dǎo)熱陶瓷板，散熱效果非常理想，價(jià)格又相對(duì)較低，所以為目前較為適宜的底板材料，并可為將來(lái)的集成電

5、路一體化封裝預(yù)留空間。(4)藍(lán)寶石襯底過(guò)渡法。按照傳統(tǒng)的InGaN芯片制造方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)出PN結(jié)后，將藍(lán)寶石襯底切除，再連接上傳統(tǒng)的四元材料，制造出上下電極結(jié)構(gòu)的大尺寸藍(lán)光LED芯片。(5) AlGaInN碳化硅（SiC）背面出光法。美國(guó)Cree公司是全球唯一采用SiC襯底制造AlGaInN超高亮度LED的廠家，幾年來(lái)其生產(chǎn)的AlGaInN/SiCa芯片結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，亮度不斷提高。由于P型和N型電極分別位于芯片的底部和頂部，采用單引線鍵合，兼容性較好，使用方便，因而成為AlGaInNLED發(fā)展的另一主流產(chǎn)品。 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

6、比，距離甚遠(yuǎn)。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(jí)。 功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生長(zhǎng)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(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(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：大功率技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大功率技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3W模組,9顆芯片(芯片尺寸:18mil),3并3串, 電流300mA,電壓9.6-10.5V

7、5W模組,4顆芯片 (芯片尺寸:40mil),2并2串,電流700mA,電壓6.2-7.0V10W 10W 模組模組,9 ,9 顆芯片顆芯片 ( (芯片尺寸芯片尺寸:40mil),3:40mil),3并并3 3串串, ,電流電流1050mA,1050mA,電壓電壓9.0-10.5V9.0-10.5V幾種整合模式幾種整合模式10W 模組,36顆芯片(芯片尺寸:18mil),6并6串,電流500mA,電壓18-21V25W 模組,25顆芯片 (芯片尺寸:40mil),5并5串,電流1750mA,電壓15-17.5V30W模組,81顆芯片(芯片尺寸:18mil),9并9串,電流1000mA,電壓27

8、-31.5V1W 氮化鎵藍(lán)光LED倒裝芯片1. 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用領(lǐng)域2. 倒裝芯片說(shuō)明倒裝芯片說(shuō)明(1) 倒裝芯片尺寸與材料倒裝芯片尺寸與材料3. 特性測(cè)試特性測(cè)試 注注1注注 3備注備注:1. 以上數(shù)據(jù)為使用Power Dome支架、無(wú)灌膠條件下裸晶測(cè)試結(jié)果，不同封裝方式得到的測(cè)試結(jié)果可能不盡相同，僅供參考；LED最大結(jié)溫允許值也與封裝方式相關(guān)；若封裝生產(chǎn)使用回流焊，必須保證不能在300 以上溫度條件使用超過(guò)3秒；2. 抗靜電釋放測(cè)試根據(jù)人體模型，使用RAET方式模擬靜電釋放，所有產(chǎn)品通過(guò)測(cè)試，符合JESD22-A114-B標(biāo)準(zhǔn)Class 3A等級(jí)。3. 測(cè)試LED使用的反向

9、電壓不能超過(guò)6V，否則有可能損壞產(chǎn)品，而且正常使用情況下，供電電源不能反接LED。4. 由于硅基體易碎，因此強(qiáng)烈建議封裝打線時(shí)，盡量遠(yuǎn)離基體邊緣，以免損壞基體。 大功率芯片封裝結(jié)構(gòu)大功率芯片封裝結(jié)構(gòu)提高LED性能的一種方法乃將電流由彎流改成順流。由于藍(lán)寶石基材不導(dǎo)電，LED正負(fù)兩個(gè)電極乃設(shè)在同面。當(dāng)電流通過(guò)GaN晶格時(shí)電流必須由垂直順流改成水平橫流，這樣電流就會(huì)集中在內(nèi)彎處，導(dǎo)致不能有效使用P-N接口的電子層和電洞層，因而減少了發(fā)光效率。更有甚者，電流集中之處會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)使晶格缺陷范圍延伸，LED的亮度就會(huì)隨缺陷擴(kuò)大而遞減。為了延長(zhǎng)LED的壽命，輸入的電流必須降低（如350mA），單位面積的發(fā)光

10、亮度，就受到了限制。LED設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)有如下列諸圖所示(如圖1)LED電流轉(zhuǎn)彎的問(wèn)題不能靠封裝的設(shè)計(jì)(如復(fù)晶或Flip Chip)改善，把電流截彎取直才是正道，這樣必須把電極置于LED磊晶的兩側(cè)。電流平順就可以明顯提升LED的亮度。除此之外，相同亮度的順流LED使用的芯片面積較小，因此晶圓上切出的晶粒數(shù)目較多，也就是單顆LED的制造成本可能降低。尤其進(jìn)者，電流轉(zhuǎn)彎時(shí)若擴(kuò)大芯片的面積會(huì)使LED發(fā)光更不均勻。但是順流LED其發(fā)射的光子數(shù)目則會(huì)由發(fā)光面積的加大而提高。所以一顆以大電流(如1A)驅(qū)動(dòng)大面積的順流LED，其亮度會(huì)大于具有相同面積的多顆橫流LED。(如圖2)p可采用低阻率、高導(dǎo)熱性能的材

11、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； 設(shè)計(jì)二次散熱裝置，來(lái)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(kāi)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。對(duì)于大工作電流的功率型對(duì)于大工作電流的功率型LED芯片，低熱阻、散熱良好及芯片，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。器件的技術(shù)關(guān)鍵。焊 接 要 素 :熱 量 (H E AT) 超 音 波 能 量 (U L T R A S

12、ONIC) 壓 力 (P R E S SURE)晶 片 ( C H IP) 壓 力（F OR CE）二 焊 點(diǎn)熱 量金 絲 超 音 波 振 蕩 （U S） 引 線 腳 （ L E AD） 引 線 架 （ L E AD）瓷嘴二次光學(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。 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(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。功率型LED白光技術(shù) 芯片光電參數(shù)配合

13、： 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(zhǎng)、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(duì)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。 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(duì)白光白光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(duì)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(cè)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn) 隨著W級(jí)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

14、傳統(tǒng)LED產(chǎn)品參數(shù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試方法已不能滿足照明應(yīng)用的需要。國(guó)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(cè)試儀器，不同的儀器使用的測(cè)試原理、條件、標(biāo)準(zhǔn)存在一定的差異，增加了測(cè)試應(yīng)用、產(chǎn)品性能比較工作的難度和問(wèn)題復(fù)雜化。 我國(guó)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)光二極管發(fā)光二極管測(cè)試方法（試行）”,該測(cè)試方法增加了對(duì)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 由于燈具燈具外觀的限制，照明用LED的裝配空間密封受到局限，密封且有限的空間不利于LED散熱，這意味著照明LE

15、D的使用環(huán)境要劣于傳統(tǒng)顯示、指示用LED產(chǎn)品。 照明LED是處于大電流驅(qū)動(dòng)下工作，這就對(duì)其提出更高的可靠性要求。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，針對(duì)不同的產(chǎn)品用途，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崂匣囟妊h(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(guò)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(guò)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?。粚?duì)于InGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)，InGaN活化薄層僅幾十納米，對(duì)靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使

16、器件失效。 對(duì)生產(chǎn)、使用場(chǎng)所從人體、臺(tái)、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(cè)儀器等。 芯片上設(shè)計(jì)靜電保護(hù)線路。 LED上裝配保護(hù)器件。 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。幾種靜電防范技術(shù) 半導(dǎo)體若要作為照明光源，與常規(guī)產(chǎn)品白熾燈和熒光燈等通用性光源的光通量相比，差距較大。因此，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(jí)。 照明用級(jí)功率型要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)從以下技術(shù)層面進(jìn)行整體創(chuàng)新突破，從而全面提高功率型產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量。目前國(guó)內(nèi)從事功率型研發(fā)生產(chǎn)的廠家多關(guān)注于個(gè)

17、別技術(shù)點(diǎn)，尤其是封裝技術(shù)。p 現(xiàn)在需要倡導(dǎo)的的創(chuàng)新理念是一定要整體創(chuàng)新 、全面突破，因?yàn)楣β市托酒a(chǎn)業(yè)化的 四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)是相互制約同時(shí)又能相互促 進(jìn)的，只有全面提升才能拓寬產(chǎn)業(yè)化道路。功率型芯片的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)的四個(gè)重要環(huán)節(jié)：（1）通過(guò)加大工作電流提高芯片的整體功率；（2）采用新型的封裝結(jié)構(gòu)提高光電功率轉(zhuǎn)換效率；（3）設(shè)計(jì)新的芯片結(jié)構(gòu)以提高取光效率；（4）采用導(dǎo) 熱和光學(xué)性能優(yōu)良的材料，在大電流下降低芯片結(jié)溫。四個(gè)環(huán)節(jié)相輔相成，共同推動(dòng)功率型的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，構(gòu)成半導(dǎo)體照明的核心力量。大功率產(chǎn)業(yè)簡(jiǎn)史國(guó)際先行者本世紀(jì)初，公司推出了倒梯形結(jié)構(gòu)的功率型大面積芯片，工作電流可進(jìn)一步增大本世紀(jì)初，公司

18、推出了倒梯形結(jié)構(gòu)的功率型大面積芯片，工作電流可進(jìn)一步增大至，發(fā)光通量大于。以脈沖方式工作時(shí)，則可達(dá)。至，發(fā)光通量大于。以脈沖方式工作時(shí)，則可達(dá)。 德國(guó)公司通過(guò)在器件表面制作紋理結(jié)構(gòu)，于年研制出新一代功率型德國(guó)公司通過(guò)在器件表面制作紋理結(jié)構(gòu)，于年研制出新一代功率型芯片，獲得了大于的外量子效率，其基本性能與結(jié)構(gòu)的相當(dāng)。目芯片，獲得了大于的外量子效率，其基本性能與結(jié)構(gòu)的相當(dāng)。目前，該器件的制作工藝已大為簡(jiǎn)化，可批量生產(chǎn)。前，該器件的制作工藝已大為簡(jiǎn)化，可批量生產(chǎn)。國(guó)際先進(jìn)行列對(duì)于基藍(lán)綠光器件，美國(guó)公司于成功研制了倒裝芯片結(jié)對(duì)于基藍(lán)綠光器件，美國(guó)公司于成功研制了倒裝芯片結(jié)構(gòu)的的功率型器件。當(dāng)該器件的正

19、向電流為，正向電壓為時(shí)，構(gòu)的的功率型器件。當(dāng)該器件的正向電流為，正向電壓為時(shí)，光輸出功率達(dá)光輸出功率達(dá)W。據(jù)可靠性試驗(yàn)表明，該器件性能極為穩(wěn)定。據(jù)可靠性試驗(yàn)表明，該器件性能極為穩(wěn)定。 同時(shí)，美國(guó)公司開(kāi)發(fā)了背面出光功率型的同時(shí)，美國(guó)公司開(kāi)發(fā)了背面出光功率型的/芯片芯片結(jié)構(gòu)，該器件的芯片尺寸達(dá)，采用米字型電極，其工作電流為結(jié)構(gòu)，該器件的芯片尺寸達(dá)，采用米字型電極，其工作電流為時(shí)，輸出光功率達(dá)到時(shí)，輸出光功率達(dá)到W。國(guó)內(nèi)情況我國(guó)臺(tái)灣省是世界上開(kāi)發(fā)生產(chǎn)各類器件的主要地區(qū)之一。繼國(guó)聯(lián)光電研制成大我國(guó)臺(tái)灣省是世界上開(kāi)發(fā)生產(chǎn)各類器件的主要地區(qū)之一。繼國(guó)聯(lián)光電研制成大功率功率-之后，光鼎電子也成功開(kāi)發(fā)了白光與

20、各種色光的功率型之后，光鼎電子也成功開(kāi)發(fā)了白光與各種色光的功率型器件，并投入了批量生產(chǎn)。這類器件在不附加額外熱時(shí)，可通過(guò)的工作電流，器件，并投入了批量生產(chǎn)。這類器件在不附加額外熱時(shí)，可通過(guò)的工作電流，紅、黃、藍(lán)綠光的光通量分別為與。紅、黃、藍(lán)綠光的光通量分別為與。我國(guó)大陸較晚開(kāi)展超高亮度紅、黃與藍(lán)綠光器件的研制工作，目前上海大晨光電的功率型我國(guó)大陸較晚開(kāi)展超高亮度紅、黃與藍(lán)綠光器件的研制工作，目前上海大晨光電的功率型器件開(kāi)發(fā)工作也達(dá)到了一定的水平。器件開(kāi)發(fā)工作也達(dá)到了一定的水平。n金屬有機(jī)化合物汽相淀積（）金屬有機(jī)化合物汽相淀積（） 采用金屬有機(jī)化合物汽相淀積的外延生長(zhǎng)技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)增大芯

21、片面積，從而加大芯片的工作電流，提高芯片的整體功率。單芯片、和的大功率向功率高至，具有更高發(fā)光效率、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的固態(tài)照明光源。n晶片鍵合（晶片鍵合（WB） 采用新型封裝結(jié)構(gòu)的主要目標(biāo)是提高光電功率轉(zhuǎn)換效率。目前采用晶片鍵合以透明的襯底（）取代吸光的襯底（）的倒梯形結(jié)構(gòu)的功率型大面積芯片，工作電流可達(dá)，光通量大于，以脈沖方式工作時(shí)，則可達(dá)。 采用（）紋理表面結(jié)構(gòu)的新一代功率型芯片，可以獲得大于的外量子效率，其基本性能與結(jié)構(gòu)的相當(dāng)，不僅可取代常 規(guī)的方形芯片，而且還可以很容易按比例放大成為功率型的大尺寸芯片，因此在降低生產(chǎn)成本和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)方面，紋理表面高效取光結(jié)構(gòu)的（）具有廣闊的發(fā)展前景。功

22、率型led產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)n芯片結(jié)構(gòu)芯片結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)新的芯片結(jié)構(gòu)目標(biāo)是提高取光效率。功率型所用的外延材料，雖然其內(nèi)量子效率還需進(jìn)一步提高，但獲得高發(fā)光通量的最大障礙乃是芯片的取光效率低，其原因是半導(dǎo)體與封裝環(huán)氧的折射率相差較大，致使內(nèi)部的全反射臨界角很小。 目前，按照常規(guī)理念設(shè)計(jì)的超高亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足固體照明所需的光通量。為提高的光通量，滿足固體照明的要求，必須采用新的設(shè)計(jì)理念，用倒裝焊新結(jié)構(gòu)來(lái)提高芯片的取光效率，從而獲得較高的光通量。n生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝（1）金屬有機(jī)化合物汽相淀積（）；（2）多量子阱結(jié)構(gòu)；（3）倒裝焊接；（4）晶片鍵合；（5）紋理表面結(jié)構(gòu)；（6）動(dòng)態(tài)自適應(yīng)粉涂布量控制。功率型l

23、ed產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)如下 國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 功率型產(chǎn)品已獲市場(chǎng)認(rèn)可，供不應(yīng)求，目前產(chǎn)銷矛盾突出。在技術(shù)路線正確，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，技術(shù)分析可行的前提下，確定合理的生產(chǎn)規(guī)模，其產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)的。 功率型項(xiàng)目是高技術(shù)、高投入、高產(chǎn)出項(xiàng)目，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上都具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)能力。目前所用功率型芯片基本依靠進(jìn)口，如果本國(guó)功率型產(chǎn)業(yè)化后產(chǎn)能大幅提高，可以大大減少進(jìn)口，節(jié)省大量外匯，并可打入國(guó)際市場(chǎng)，能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。次級(jí)貼裝示意圖LED特點(diǎn) 耗電量少，白熾燈的1/8，熒光燈的50； 發(fā)光效率高，可達(dá)到50200lm/W； 體積小，重量輕，穩(wěn)定性好，壽命達(dá)10萬(wàn)小時(shí)； 使用低壓電源，安全可靠

24、； 生產(chǎn)和使用過(guò)程中無(wú)污染，有利于環(huán)保。LED被稱為第四代照明光源或綠色光源廣東省節(jié)能減排科技行動(dòng)計(jì)劃中，將廣東省節(jié)能減排科技行動(dòng)計(jì)劃中，將LEDLED產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用作為節(jié)能減排的主要任務(wù)之一和推廣應(yīng)用作為節(jié)能減排的主要任務(wù)之一LED中，約80的能量轉(zhuǎn)化為熱能；其光譜中，不包含紅外部分，熱量不能靠輻射散出。 芯片體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，局部熱流密度大，熱量不宜釋放。結(jié)溫與相對(duì)出光率關(guān)系結(jié)溫與相對(duì)出光率關(guān)系 LED結(jié)溫結(jié)溫上升上升發(fā)光效率降低發(fā)光效率降低可靠性差，使用可靠性差，使用壽命降低壽命降低發(fā)熱量更大發(fā)熱量更大散熱問(wèn)題是當(dāng)前半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸！散熱問(wèn)題是當(dāng)前半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展的

25、技術(shù)瓶頸！ 功率型散熱技術(shù) 大功率LED的散熱問(wèn)題 例如，1個(gè)10W白光LED若其光電轉(zhuǎn)換效率為20%，則有8W的電能轉(zhuǎn)換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會(huì)急速上升，當(dāng)其結(jié)溫（TJ）上升超過(guò)最大允許溫度時(shí)（一般是150），大功率LED會(huì)因過(guò)熱而損壞。因此在大功率LED燈具設(shè)計(jì)中，最主要的設(shè)計(jì)工作就是散熱設(shè)計(jì)。 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(tái)上，由金絲完成器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成，其熱阻高達(dá)250/W300/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

26、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(kāi)路而失效。 散熱研究發(fā)展?fàn)顩r解決方法：(A)改進(jìn)LED芯片、封裝的結(jié)構(gòu)和材料; 上游產(chǎn)業(yè)完成(B)系統(tǒng)集成，主要針對(duì)燈具散熱方式，提高換熱功率。 散熱路徑散熱路徑 熱是從溫度高處向溫度低處散熱。大功率LED主要的散熱散熱路徑是路徑是：管芯散熱墊印制板敷銅層印制板環(huán)境空氣。 在熱的傳導(dǎo)過(guò)程中，各種材料的導(dǎo)熱性能不同，即有不同的熱阻。若管芯傳導(dǎo)到散熱墊底面的熱阻為R RJCJC（LED的熱阻）、散熱墊傳導(dǎo)到PCB面層敷銅層的熱阻為R RCBCB、PCB傳導(dǎo)到環(huán)境空氣的熱阻為RBA,則從管芯的結(jié)溫結(jié)溫TJ傳導(dǎo)到空氣空氣TA的總

27、熱阻RJA與各熱阻關(guān)系為： R RJAJA=R=RJCJC+R+RCBCB+R+RBABA各熱阻的單位是/W。可以這樣理解：熱阻越小，其導(dǎo)熱性能越好，即散熱性能越好。如果LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起，則RCB=0，則上式可寫(xiě)成： RJA=RJC+RBA 散熱的計(jì)算公式散熱的計(jì)算公式 若結(jié)溫為T(mén)J、環(huán)境溫度為T(mén)A、LED的功耗為PD,則RJA與TJ、TA及PD的關(guān)系為： RJA=（TJTA）/PD (1) 式中PD的單位是W。PD與LED的正向壓降V及LED的正向電流IF的關(guān)系為： PD=VFIF (2) 如果已測(cè)出LED散熱墊的溫度TC，則(1)式可寫(xiě)成： RJA=(TJT

28、C)/PD+(TCTA)/PD 則 RJC=(TJTC)/PD (3) RBA=(TCTC)/PD (4)散熱計(jì)算舉例散熱計(jì)算舉例 例:已知3W白光LED，RJC=16OC/W，K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)量頭焊在散熱墊上。 PCB試驗(yàn)板：雙層銅板40*40*1.6mm LED 工作狀態(tài)：IF=500 mA，VF=3.97V K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)TC=71OC. TJ=RJC*PD+TC=RJC*IF*VF+TC=16(0.500*3.97)+71=103OC RBA=(TC-TA)/PD=(71-25)/(0.5*3.97)=23.1OC/W RJA=RJC+RBA=16+23.1=39.1OC/W

29、 如果設(shè)計(jì)的TJ=90OC,則按上條件不能滿足設(shè)計(jì)要求,需改換散熱更好的PCB板或增大散熱面積并再一次試驗(yàn)和計(jì)算,直到滿足TJTJMAX為止.另一方法是,更換LED的RJC太大產(chǎn)品如RJC=9OC/WTJ=RJC*IF*VF+TC=9(0.5*3.97)+71=87.4OC作業(yè) 已知3W白光LED，RJC=12OC/W，K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)量頭焊在散熱墊上。PCB試驗(yàn)板：雙層銅板35*35*1.2mm ,LED 工作狀態(tài)：IF=600mA，VF=3.9V,K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)TC=80OC.如果設(shè)計(jì)的TJ=95OC,則按上條件能否滿足設(shè)計(jì)要求嗎？解決辦法？ 簡(jiǎn)式鰭片法、主動(dòng)散熱法、傳統(tǒng)熱管技術(shù)簡(jiǎn)式鰭片法簡(jiǎn)式鰭片法主動(dòng)散熱法主動(dòng)散熱法傳