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首頁 > 提高取光效率降熱阻功率型LED封裝技術
發布時間：2021-10-20 文章出自：http://www.sdbc.cc/
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的封裝技術提出了更高的要求。功率型LED封裝技術主要應滿足以下兩點要求：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要在照明領域發展，關鍵是要將其發光效率、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的外延生長技術和多量子阱結構，雖然其內量子效率還需進一步提高，但獲得高發光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低。現有的功率型LED的設計采用了倒裝焊新結構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換效率，從而獲得較高的發光通量。除了芯片外，器件的封裝技術也舉足輕重。關鍵的封裝技術工藝有：
散熱技術
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式的LED封裝形式，將會因為散熱不良而導致芯片結溫迅速上升和環氧碳化變黃，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構是功率型LED器件的技術關鍵。可采用低阻率、高導熱性能的材料粘結芯片;在芯片下部加銅或鋁質熱沉，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℃)，膠體不會因溫度驟然變化而導致器件開路，也不會出現變黃現象。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。
二次光學設計技術
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
常見的實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，芯片的藍色光激發熒光粉發出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光混色成白光，或者用藍+黃綠色雙芯片補色產生白光。只要散熱得法，該方法產生的白光較前一種方法穩定，但驅動較復雜，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，利用紫光激發熒光粉產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產品要實現產業化還必須解決如下技術問題：
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參數、熒光粉比重大于載體膠而產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，決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學參數(如波長、光強)和電學(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。這是產業化必須要解決的關鍵技術之一。
3、根據應用要求產生的光色度參數控制：不同用途的產品，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品結構、工藝方法、材料等多方面因素的配合。在產業化生產中，對上述因素進行控制，得到符合應用要求、一致性好的產品十分重要。
檢測技術與標準
隨著W級功率芯片制造技術和白光LED工藝技術的發展，LED產品正逐步進入(特種)照明市場，顯示或指示用的傳統LED產品參數檢測標準及測試方法已不能滿足照明應用的需要。國內外的半導體設備儀器生產企業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協會光電子器件分會行業協會根據LED產品發展的需要，于2003年發布了“發光二極管測試方法(試行)”,該測試方法增加了對LED色度參數的規定。但LED要往照明業拓展，建立LED照明產品標準是產業規范化的重要手段。
篩選技術與可靠性保證
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的使用環境要劣于傳統顯示、指示用LED產品。另外，照明LED是處于大電流驅動下工作，這就對其提出更高的可靠性要求。在產業化生產中，針對不同的產品用途，進行適當的熱老化、溫度循環沖擊、負載老化工藝篩選試驗，剔除早期失效品，保證產品的可靠性很有必要。
電防護技術
由于GaN是寬禁帶材料，電阻率較高，該類芯片在生產過程中因靜電產生的感生電荷不易消失，累積到相當的程度，可以產生很高的靜電電壓。當超過材料的承受能力時，會發生擊穿現象并放電。藍寶石襯底的藍色芯片其正負電極均位于芯片上面，間距很小;對于InGaN/AlGaN/GaN雙異質結，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，在產業化生產中，靜電的防范是否得當，直接影響到產品的成品率、可靠性和經濟效益。靜電的防范技術有如下幾種：
1、對生產、使用場所從人體、臺、地、空間及產品傳輸、堆放等方面實施防范，手段有防靜電服裝、手套、手環、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
(1)功率LED
最早有HP公司于20世紀90年代初推出“食人魚”封裝結構的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的封裝技術進行研究開發。
單芯片W級功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEONLED,該封裝結構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“GoldenDragon”系列LED,其結構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。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陶瓷(LTCC-M)技術封裝的大功率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最亮的白光LED,其光通量可達600lm,輸出光束為1000lm時，耗電量為30W,最大輸入功率為50W,提供展覽的白光LED模塊發光效率達33lm/W.
有關多芯片組合的大功率LED,許多公司根據實際市場需求，不斷開發出很多新結構封裝的新產品，其開發研制的速度非常快。
國內功率型LED封裝技術
國內LED封裝產品的品種較齊全，據初步估計，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，規模偏小。但我國臺灣UEC公司(國聯)采用金屬鍵合(MetalBonding)技術封裝的MB系列大功率LED的特點是，用Si代替GaAs襯底，散熱好，并以金屬黏結層作光反射層，提高光輸出。
對于大功率LED封裝技術的研究開發，目前國家尚未正式支持投入，國內研究單位很少介入，封裝企業投入研發的力度(人力和財力)還很不夠，形成國內對封裝技術的開發力量薄弱的局面，封裝的技術水平與國外相比還有相當的差距。
半導體LED若要作為照明光源，常規產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要在照明領域發展，關鍵是要將其發光效率、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的外延生長技術和多量子阱結構，雖然其內量子效率還需進一步提高，但獲得高發光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低。現有的功率型LED的設計采用了倒裝焊新結構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換效率，從而獲得較高的發光通量。除了芯片外，器件的封裝技術也舉足輕重。關鍵的封裝技術工藝有：
散熱技術
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式的LED封裝形式，將會因為散熱不良而導致芯片結溫迅速上升和環氧碳化變黃，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構是功率型LED器件的技術關鍵。可采用低阻率、高導熱性能的材料粘結芯片;在芯片下部加銅或鋁質熱沉，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℃)，膠體不會因溫度驟然變化而導致器件開路，也不會出現變黃現象。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。
二次光學設計技術
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
常見的實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，芯片的藍色光激發熒光粉發出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光混色成白光，或者用藍+黃綠色雙芯片補色產生白光。只要散熱得法，該方法產生的白光較前一種方法穩定，但驅動較復雜，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，利用紫光激發熒光粉產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產品要實現產業化還必須解決如下技術問題：
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參數、熒光粉比重大于載體膠而產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，決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學參數(如波長、光強)和電學(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。這是產業化必須要解決的關鍵技術之一。
3、根據應用要求產生的光色度參數控制：不同用途的產品，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品結構、工藝方法、材料等多方面因素的配合。在產業化生產中，對上述因素進行控制，得到符合應用要求、一致性好的產品十分重要。
檢測技術與標準
隨著W級功率芯片制造技術和白光LED工藝技術的發展，LED產品正逐步進入(特種)照明市場，顯示或指示用的傳統LED產品參數檢測標準及測試方法已不能滿足照明應用的需要。國內外的半導體設備儀器生產企業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協會光電子器件分會行業協會根據LED產品發展的需要，于2003年發布了“發光二極管測試方法(試行)”,該測試方法增加了對LED色度參數的規定。但LED要往照明業拓展，建立LED照明產品標準是產業規范化的重要手段。
篩選技術與可靠性保證
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的使用環境要劣于傳統顯示、指示用LED產品。另外，照明LED是處于大電流驅動下工作，這就對其提出更高的可靠性要求。在產業化生產中，針對不同的產品用途，進行適當的熱老化、溫度循環沖擊、負載老化工藝篩選試驗，剔除早期失效品，保證產品的可靠性很有必要。
電防護技術
由于GaN是寬禁帶材料，電阻率較高，該類芯片在生產過程中因靜電產生的感生電荷不易消失，累積到相當的程度，可以產生很高的靜電電壓。當超過材料的承受能力時，會發生擊穿現象并放電。藍寶石襯底的藍色芯片其正負電極均位于芯片上面，間距很小;對于InGaN/AlGaN/GaN雙異質結，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，在產業化生產中，靜電的防范是否得當，直接影響到產品的成品率、可靠性和經濟效益。靜電的防范技術有如下幾種：
1、對生產、使用場所從人體、臺、地、空間及產品傳輸、堆放等方面實施防范，手段有防靜電服裝、手套、手環、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
(1)功率LED
最早有HP公司于20世紀90年代初推出“食人魚”封裝結構的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的封裝技術進行研究開發。
單芯片W級功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEONLED,該封裝結構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“GoldenDragon”系列LED,其結構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。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陶瓷(LTCC-M)技術封裝的大功率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最亮的白光LED,其光通量可達600lm,輸出光束為1000lm時，耗電量為30W,最大輸入功率為50W,提供展覽的白光LED模塊發光效率達33lm/W.
有關多芯片組合的大功率LED,許多公司根據實際市場需求，不斷開發出很多新結構封裝的新產品，其開發研制的速度非常快。
國內功率型LED封裝技術
國內LED封裝產品的品種較齊全，據初步估計，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，規模偏小。但我國臺灣UEC公司(國聯)采用金屬鍵合(MetalBonding)技術封裝的MB系列大功率LED的特點是，用Si代替GaAs襯底，散熱好，并以金屬黏結層作光反射層，提高光輸出。
對于大功率LED封裝技術的研究開發，目前國家尚未正式支持投入，國內研究單位很少介入，封裝企業投入研發的力度(人力和財力)還很不夠，形成國內對封裝技術的開發力量薄弱的局面，封裝的技術水平與國外相比還有相當的差距。
