LED芯片的技術(shù)和應(yīng)用設(shè)計(jì)知識(shí)

較于白熾燈、緊湊型熒光燈等傳統(tǒng)光源，發(fā)光二極管(LED)具有發(fā)光效率高、壽命長(zhǎng)、指向性高等諸多優(yōu)勢(shì)，日益受到業(yè)界青睞而被用于通用照明(General Lighting)市場(chǎng)。LED照明應(yīng)用要加速普及，短期內(nèi)仍有來(lái)自成本、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)等層面的問(wèn)題必須克服，技術(shù)方面，包括色溫、顯色性和效率提升等問(wèn)題，仍有待進(jìn)一步改善。而LED在通用照明市場(chǎng)的應(yīng)用涉及多方面的要求，須從系統(tǒng)的角度去考慮，如LED光源、電源轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)控制、散熱和光學(xué)等。

薄膜芯片技術(shù)嶄露鋒芒

目前，LED芯片技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵在于基底材料和晶圓生長(zhǎng)技術(shù)?；撞牧铣藗鹘y(tǒng)的藍(lán)寶石材料、硅(Si)、碳化硅(SiC)以外，氧化鋅(ZnO)和氮化鎵(GaN)等也是當(dāng)前研究的焦點(diǎn)。無(wú)論是重點(diǎn)照明和整體照明的大功率芯片，還是用于裝飾照明和一些簡(jiǎn)單輔助照明的小功率芯片，技術(shù)提升的關(guān)鍵均圍繞如何研發(fā)出更高效率、更穩(wěn)定的芯片。因此，提高LED芯片的效率成為提升LED照明整體技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵。在短短數(shù)年內(nèi)，借助芯片結(jié)構(gòu)、表面粗化、多量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等一系列技術(shù)的改進(jìn)，LED在發(fā)光效率出現(xiàn)重大突破，LED芯片結(jié)構(gòu)的發(fā)展如圖1所示。相信隨著該技術(shù)的不斷成熟，LED量子效率將會(huì)得到進(jìn)一步的提高，LED芯片的發(fā)光效率也會(huì)隨之攀升。

圖1　LED芯片結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程

薄膜芯片技術(shù)(Thinfilm)是生產(chǎn)超亮LED芯片的關(guān)鍵技術(shù)，可以減少側(cè)向的出光損失，通過(guò)底部反射面可以使得超過(guò)97%的光從正面輸出(圖2)，不僅大大提高LED發(fā)光效率，也簡(jiǎn)易透鏡的設(shè)計(jì)。

圖2　普通LED和薄技技術(shù)LED的正面出光率比較

高功率LED封裝技術(shù)可區(qū)分為單顆芯片、多芯片整合及芯片板上封裝三大類，以下將進(jìn)行說(shuō)明。

發(fā)光效率、散熱、可靠性為單顆芯片封裝優(yōu)勢(shì)

單顆芯片封裝是封裝技術(shù)中應(yīng)用最多的，其主要的技術(shù)瓶頸在于芯片的良率、色溫的控制及熒光粉的涂敷技術(shù)，而歐司朗光電半導(dǎo)體的Golden DRAGON Plus LED，采用硅膠封裝，其封裝外型及內(nèi)部簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)如圖3所示。該LED具有170度的光束角，能理想地配合二次光學(xué)透鏡或反光杯，其硅膠透鏡有著耐高溫及低衰減的特性。獨(dú)特的封裝設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升LED的散熱性能，使產(chǎn)品的熱阻控制在每瓦6.5℃左右，有助于降低熱阻。另外，熒光粉的特定配制使LED的色溫覆蓋冷白、中性白和暖白范圍。單芯片封裝的優(yōu)勢(shì)在于光效高、易于散熱、易配光及可靠性。

圖3　歐司朗光電半導(dǎo)體Golden DRAGON Plus LED的封裝外型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

多芯片整合封裝于小體積內(nèi)可達(dá)高光通量

多芯片整合組件是目前大功率LED組件最常見(jiàn)的另一種封裝形式，可區(qū)分為小功率和大功率芯片整合組件兩類，前者以六顆低功率芯片整合的1瓦大功率LED組件最典型，此類組件的優(yōu)勢(shì)在于成本較低，是目前不少大功率組件的主要制作途徑。大功率芯片結(jié)合以O(shè)STAR SMT系列為代表，其封裝外型如圖4所示，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使最終產(chǎn)品的熱阻控制在每瓦3.1℃，同時(shí)可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)15瓦的高功率。該封裝的優(yōu)勢(shì)在于在很小的空間內(nèi)達(dá)到很高的光通量。

圖4　歐司朗光電半導(dǎo)體OSTAR SMT LED的封裝外型

COB有效改進(jìn)散熱缺陷

COB技術(shù)沿用傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)，即直接將LED芯片固定在印刷電路板(PCB)上。利用該技術(shù)，目前已有厚度僅達(dá)0.3毫米以下的LED。由于LED芯片直接與PCB板接觸，增加導(dǎo)熱面積，散熱問(wèn)題得以改善。此封裝形式多以小功率芯片為主。