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(yīng)用面不斷擴(kuò)大,首先進(jìn)入特種照明的市場領(lǐng)域,并向普通照明市場邁進(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(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,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(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比,距離甚遠(yuǎn)。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(xiàn)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(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?,F(xiàn)有的功率型LED的設(shè)計采用了倒裝焊新結(jié)構(gòu)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(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:
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上,由金絲完成器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹脂封裝而成,其熱阻高達(dá)250℃/W~300℃/W,新的功率型芯片若采用傳統(tǒng)式的LED封裝形式,將會因為散熱不良而導(dǎo)致芯片結(jié)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(yīng)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(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??刹捎玫妥杪?、高導(dǎo)熱性能的材料粘結(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;甚至設(shè)計二次散熱裝置,來降低器件的熱阻。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℃),膠體不會因溫度驟然變化而導(dǎo)致器件開路,也不會出現(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。
二次光學(xué)設(shè)計技術(shù)
為提高器件的取光效率,設(shè)計外加的反射杯與多重光學(xué)透鏡。
功率型LED白光技術(shù)
常見的實現(xiàn)白光的工藝方法有如下三種:
(1)藍(lán)色芯片上涂上YAG熒光粉,芯片的藍(lán)色光激發(fā)熒光粉發(fā)出540nm~560nm的黃綠光,黃綠光與藍(lán)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(diǎn)是布膠量一致性較差、熒光粉易沉淀導(dǎo)致出光面均勻性差、色調(diào)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(fā)光混色成白光,或者用藍(lán)+黃綠色雙芯片補(bǔ)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(wěn)定,但驅(qū)動較復(fù)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(dá)到實用階段。
我們認(rèn)為,照明用W級功率LED產(chǎn)品要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還必須解決如下技術(shù)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(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。
2.片光電參數(shù)配合: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、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。
3.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。
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