大功率照明級(jí)LED之封裝

1、大功率照明級(jí) LED 之封裝發(fā)布日期： 2005-05-10 文章來(lái)源：照明工程師社區(qū) 瀏覽次數(shù)： 9394一、引言從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看：安裝使用簡(jiǎn)單、體積相對(duì)較小的大功率LED器件在大部分的照明應(yīng)用中必將取代傳統(tǒng)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(dá)到照明的需要，必須集中許多個(gè)LED的光能才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。帶來(lái)的缺點(diǎn)是線路異常復(fù)雜，散熱不暢，為了平衡各個(gè) LED之間的電流電壓關(guān)系必需設(shè)計(jì)復(fù)雜的供電電路。相比之下，大功率LED單體的功率遠(yuǎn)大于單個(gè) LED等于若干個(gè)小功率 LED的總和，供電線路相對(duì)簡(jiǎn)單，散熱結(jié)構(gòu)完善，物理特 性穩(wěn)定。所以說(shuō)，大功率 LE

2、D器件代替小功率 LED器件成為主流半導(dǎo)體照明器件是必然的。但是對(duì)于 大功率 LED器件的封裝方法我們并不能簡(jiǎn)單的套用傳統(tǒng)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(fā)熱量，高的出光效率給我們的封裝工藝封裝設(shè)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(guó)際上通常的制造方法 有如下幾種：加大尺寸法：通過(guò)增大單顆 LED的有效發(fā)光面積， 和增大尺寸后促使得流經(jīng) TCL層的電流均勻分布 而特殊設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)（一般為梳狀電極）之改變以求達(dá)到預(yù)期的光通量。但是，簡(jiǎn)單的增大發(fā)光面 積無(wú)法解決根本的散熱問(wèn)題和出光問(wèn)題

3、，并不能達(dá)到預(yù)期的光通量和實(shí)際應(yīng)用效果。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(shí)制備出相應(yīng)尺寸的硅底板，并在上制作出供共晶焊接的金導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層（超聲金絲球焊點(diǎn)）。然后， 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，即考慮了出光問(wèn) 題又考慮到了散熱問(wèn)題，這是目前主流的High Output Power Chip LED 生產(chǎn)方式。）美國(guó) LumiLeds 公司 2001 年研制出了 AlGaInN 功率型倒裝芯片（ FCLED）結(jié)構(gòu)，具體 做法為：第一步，在外延片頂部的 P型 GaN：Mg淀積厚度

4、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 11mm，2 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(kuò)展距離，把擴(kuò)展電阻降至最??；第四步，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。陶瓷底板倒裝法：先利用 LED晶片廠通用設(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，并在上制作出共晶焊接導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層。之后利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸 LED芯片與陶瓷底板焊

5、接在一起。 （這樣的結(jié)構(gòu)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，散熱的效果非常理想，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)的集成電路化一體封裝伺服電路預(yù)留下了安裝空間）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。2.5AlGaInN/ 碳化硅（ SiC ）背面出光法：美國(guó) 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(lái) AlGaInN/SiCa 芯片結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)， 亮度不斷提

6、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(fā)展的另一主流。三、基礎(chǔ)封裝結(jié)構(gòu)大功率 LED封裝中主要需考慮的問(wèn)題有兩個(gè)：散熱與出光。序號(hào) 材質(zhì) 導(dǎo)熱系數(shù) W/ （ m.K）01 碳鋼（ C 0.5-1.5 ） 39.2-36.702 鎳鋼（ Ni=1%-50%） 45.5-19.603 黃銅 （70Cu-30Zn） 10904 鋁合金 （60Cu-40Ni） 22.205 鋁合金 （87Al-13Si） 16206 鋁青銅 （90Cu-10Al） 5607 鎂 15608 鉬 138序號(hào) 材質(zhì) 導(dǎo)熱系數(shù) / W（

7、m.K）09 鉑 71.4銀 427錫 67鋅 121純銅 398黃金 315純鋁 236純鐵 81.1玻璃 0.65-0.71從電流 / 溫度/ 光通量關(guān)系圖可得知，散熱對(duì)于功率型 LED器件是至關(guān)重要的。如果不 能將電流產(chǎn)生的熱量及時(shí)的散出，保持PN結(jié)的結(jié)溫度在允許范圍內(nèi)，將無(wú)法獲得穩(wěn)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(dǎo)熱率最好，但是銀導(dǎo)散熱板的成本較高不適 宜做通用型散熱器。而銅的導(dǎo)熱率比較接近銀，且其成本較銀低。鋁的導(dǎo)熱率雖然低于銅，但勝在綜 合成本最低，有利于大規(guī)模制造。我們經(jīng)過(guò)兩年的實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)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

8、該熱沉連接在鋁基散熱器上采用階梯型導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，利用銅或銀的高導(dǎo)熱率將芯片產(chǎn)生的熱量 高效傳遞到鋁基散熱器，再通過(guò)鋁基散熱器將熱量散出（通過(guò)風(fēng)冷或熱傳導(dǎo)方式散出）。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是：充分考慮散熱器性能價(jià)格比，將不同特點(diǎn)的散熱器結(jié)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(yè)常用的芯片連接材料為銀膠。但是，我們經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，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(nèi)部基本結(jié)構(gòu)為：環(huán)氧樹(shù)脂骨架 +銀粉填充式導(dǎo)熱導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)熱阻極高且TG

9、點(diǎn)較低，對(duì)器件的散熱與物理特性穩(wěn)定極為不利。 我們解決此問(wèn)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(dǎo)熱系 數(shù) 67W/m.K）可以取得較為理想的導(dǎo)熱效果 （熱阻約為 16 /W）, 錫的導(dǎo)熱效果與物理特性遠(yuǎn)優(yōu)于銀膠。3.2 出光我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的 LED器件封裝方式只能利用芯片發(fā)出的約50%的光能，由于半導(dǎo)體與封閉環(huán)氧的折射率相差較大，致使內(nèi)部的全反射臨界角很小，有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大 部分在芯片內(nèi)部經(jīng)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(nèi)部不同材料間折射、反射消耗掉的 50%的光能加以利用，是設(shè)計(jì)出光系統(tǒng)的關(guān)鍵。通過(guò)芯片的倒裝技術(shù)（ F

10、LIP CHIP ）可以比傳統(tǒng)的 LED芯片封裝技術(shù)得到更多的有效 出光。但是，如果不在芯片的發(fā)光層之電極下方增加反射層來(lái)反射出浪費(fèi)的光能則會(huì)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(cè)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(lán)寶石襯底部份（ Sapphire ）與環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)光結(jié)合面上應(yīng)加上一層 硅膠材料以改善芯片出光的折射率。經(jīng)過(guò)上述光學(xué)封裝技術(shù)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(xué)設(shè)計(jì)也是十分重要的，我們通常的做法是：在進(jìn)行 光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮最終照明器具的光學(xué)設(shè)計(jì)要求，

11、盡量配合應(yīng)用照明器具的光學(xué)要求進(jìn)行設(shè) 計(jì)。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(yīng)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(yīng)選擇 高透光的玻璃或亞克力等合成材料。也可以采用傳統(tǒng)的環(huán)氧樹(shù)脂模組式封裝，加上二次散熱設(shè)計(jì)也基 本可以達(dá)到提高出光率的效果。四、電氣保護(hù) 我們實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)以 SiC 為底襯的 InGaN抗 ESD人體模式（ HBM）能達(dá) 1100V 以上。而一 般似藍(lán)寶石 Al2O3為底襯的 InGaN抗 ESD僅能達(dá) 400500V左右（不同廠牌產(chǎn)品之綜合結(jié)果），如此低 的抗 ESD能力給 L

12、ED LAMP封裝廠商和下游電子應(yīng)用廠商帶來(lái)了極大的不便。從同業(yè)相關(guān)資料得知，每 年電子組件制造商因 ESD靜電防護(hù)問(wèn)題損失十分驚人，裝配與消費(fèi)者使用過(guò)程都有一定的損失產(chǎn)生。 我們知道，高 ESD抗的 SiC 碳化硅比藍(lán)寶石 Al2O3為底襯材料有一定的抗靜電優(yōu)勢(shì)，但也無(wú)法根本解 決 ESD問(wèn)題。非正式統(tǒng)計(jì)從不同層面的電子制造商有以下表之損失估計(jì)報(bào)告ESD 對(duì)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 E

13、st. 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,1990ESD 之不同層次的來(lái)源ESD來(lái)源 10-25%RH 65-90%RH 行走在地毯上 Walking across carpet 35 ， 000V 1， 5

14、00V 行走在膠地板 Walking across vinyl tile 12， 000V 250V工人在工作臺(tái) Worker at bench 6 ，000V 100V 撿起膠袋 Poly bag picked up form bench 20，000V 1 ，200V發(fā)泡膠之椅了 Chair with urethane foam 18，000V 1 ， 500V我們發(fā)現(xiàn)，如果在大功率 LED器件封裝結(jié)構(gòu)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(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用效果很好。五、發(fā)展趨勢(shì)及結(jié)束語(yǔ) 我們知道， LED

15、芯片的外量子效率取決于外延材料的內(nèi)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(zhǎng)技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)，雖然現(xiàn)在其內(nèi)量子效率并未達(dá)到最高，還有進(jìn)一步提高的空間。但是我們發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。從 LED1970 年到 2003 年這三十多年的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)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(yù)期的五年時(shí)間內(nèi)照明級(jí)大功率LED器件的光效率達(dá)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(dá)到此光效才來(lái)進(jìn)行封裝技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。我們認(rèn)為，照明級(jí)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(shù)的提高 的同步進(jìn)行才能做到。同時(shí)， LED制造設(shè)備廠商也應(yīng)同步進(jìn)行此類設(shè)備的開(kāi)發(fā)。愿 LED 能夠早日成為照明科技的主流產(chǎn)品，為國(guó)計(jì)民生貢獻(xiàn)力量。以下無(wú)正文僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途 , , .F