高亮LED要突破的技術(shù)瓶頸

　　2011年，高亮LED一直存在很多技術(shù)瓶頸!高亮度LED(High-brightness Light Emitting Diodes;HB LED)的出現(xiàn)，在照明產(chǎn)業(yè)中掀起了一股狂潮。相較于傳統(tǒng)的白熱燈泡，HB LED因具備了更省電、使用壽命更長(zhǎng)及反應(yīng)時(shí)間更快等主要優(yōu)點(diǎn)，因此很快的搶占了LCD背光板、交通號(hào)志、汽車(chē)照明和招牌等多個(gè)市場(chǎng)。

　　HB LED的主導(dǎo)性生產(chǎn)技術(shù)是InGaN，但此技術(shù)仍有一些瓶頸需要克服，目前掌握前瞻技術(shù)的業(yè)者紛紛針對(duì)這些瓶頸提出新的解決方案，希望能進(jìn)一步拓展HB LED的市場(chǎng)。這些瓶頸中以靜電釋放(electrostatic discharge;ESD)敏感性和熱膨脹系數(shù)(thermal coefficient of expansion ;TCE)為兩大議題，其困難如下所述：

　　熱處理(Thermal Management)

　　相較于LED 晶粒(die)的高效能特性，目前多數(shù)的封裝方式很明顯地?zé)o法滿足今時(shí)與未來(lái)的應(yīng)用需求。對(duì)于HB LED的封裝廠商來(lái)說(shuō)，一個(gè)主要的挑戰(zhàn)來(lái)自于熱處理議題。這是因?yàn)樵诟邿嵯?，晶格?huì)產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)上的改變(如回饋回路變成正向的)，這將降低發(fā) 光度，甚至令LED無(wú)法使用，也會(huì)對(duì)交錯(cuò)連結(jié)的封入聚合體(encapsulating polymers)造成影響。

　　僅管一些測(cè)試顯示，在晶粒(die)的型式下， 即使電流高到130mA仍能正常工作;但采用一般的封裝后，LED只能在20mA的條件下發(fā)光。這是因?yàn)楫?dāng)芯片是以高電流來(lái)驅(qū)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的高熱會(huì)造成銅 導(dǎo)線框(lead-frame)從原先封裝好的位置遷移。因此在芯片與導(dǎo)線框間存在著TCE的不協(xié)調(diào)性，這種不協(xié)調(diào)性是對(duì)LED可靠性的一大威脅。

　　靜電釋放(ESD)

　　對(duì)電子設(shè)備的靜電損害 (Electrostatic damage;ESD)可能發(fā)生在從制造到使用過(guò)程中的任何時(shí)候。如果不能妥善地控制處理ESD的問(wèn)題，很可能會(huì)造成系統(tǒng)環(huán)境的失控，進(jìn)而對(duì)電子設(shè)備造成 損害。InGaN 晶粒一般被視為是"Class 1"的設(shè)備，達(dá)到30kV的靜電干擾電荷其實(shí)很容易發(fā)生。在對(duì)照試驗(yàn)中，10V的放電就能破壞Class 1 對(duì)ESD極敏感的設(shè)備。研究顯示ESD對(duì)電子產(chǎn)品及相關(guān)設(shè)備的損害每年估計(jì)高達(dá)50億美元，至于因ESD受損的LED則可能有變暗、報(bào)銷(xiāo)、短路，及低Vf (forward voltage)或 Vr(reverse voltage)等現(xiàn)象。

　　以Submount技術(shù)突破瓶頸

　　為了突破這些InGaN LED瓶頸，CAMD公司提出一項(xiàng)特殊的解決方式。采用與醫(yī)學(xué)用生命支持設(shè)備相同的技術(shù)，CAMD發(fā)展出一種硅載體(Silicon Carrier)或次黏著基臺(tái)(Submount)，以做為InGaN芯片與導(dǎo)線框之間的內(nèi)部固著介質(zhì);當(dāng)透過(guò)齊納二極管(Zener Diodes)來(lái)提供ESD保護(hù)的同時(shí)，這種Submount設(shè)計(jì)也能降低TCE不協(xié)調(diào)性的沖擊。

　　這樣做還有一些明顯的好處：以Submount粘著焊球，可以使LED晶粒緊密地與Submount接合在一起，再經(jīng)由打線連接到導(dǎo)線框。這種方式能降低因直接打線到LED晶粒所產(chǎn)生的遮光影響。

　　在圖一所示的Submount兩邊都有綠色的矩 形區(qū)域，這是打線的區(qū)域。此外，因?yàn)镾ubmount是一個(gè)光滑的硅表面，其上是鋁金屬層，因此能將一般損失掉的光度有效的反射出去。圖一中的覆蓋了大部 分Submount的藍(lán)色區(qū)域，即是高反射性的鋁金屬層，它的作用猶如LED的一面反射鏡。

　　在LED的背面一般以金覆蓋，以提供最佳化的熱傳導(dǎo)，以及芯片與導(dǎo)線框、銅散熱器的高度接合度。

　　結(jié)論

　　HB LED已開(kāi)始取代消費(fèi)性及工業(yè)應(yīng)用的傳統(tǒng)照明解決方案，但要讓LED發(fā)揮最大照度，仍得克服一些瓶頸，例如在高熱下，封裝晶格會(huì)振動(dòng)甚至遷移，以及因 ESD的損害而讓LED有變暗、報(bào)銷(xiāo)及短路等現(xiàn)象。本文所提到的Submount封裝技術(shù)，可以有效的解決LED發(fā)光、散熱及導(dǎo)電等問(wèn)題，并能提供ESD 保護(hù)，是一個(gè)值得推廣的解決方案。