高亮度高純度白光LED封裝技術(shù)研究

l 引言

白光LED是以藍(lán)色led為基礎(chǔ)光源，將藍(lán)色LED發(fā)出的一部分藍(lán)光用來激發(fā)熒光粉，使熒光粉發(fā)出黃綠光或紅光和綠光，另一部分藍(lán)色光透射出來，與熒光粉發(fā)出的黃綠光或紅光和綠光組成白光。藍(lán)色LED發(fā)出的藍(lán)色光(發(fā)光峰值波長(zhǎng)在 430nm或470nm)可與黃綠色熒光粉發(fā)出的黃綠光組成白光，也可與發(fā)出的發(fā)光峰值在650nm的紅光和發(fā)光峰值在540nm的綠光組成白光。為了獲得高的轉(zhuǎn)換效率，熒光粉的激發(fā)光譜的峰值應(yīng)在470nm附近，與藍(lán)色LED的發(fā)光峰值相近。

為了提高半導(dǎo)體高功率白光LED器件發(fā)光效率和散熱效果，可采用倒裝InGaN(藍(lán))芯片結(jié)構(gòu)，以及在芯片周圍涂敷熒光粉。為了提高光的均勻性，需要將熒光粉均勻地涂敷在芯片的周圍。對(duì)于這樣的產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)已證明，電流和溫度的增加會(huì)使LED的光譜發(fā)生藍(lán)移和紅移，但對(duì)熒光光譜影響并不大。壽命試驗(yàn)結(jié)果也較好，φ5的白光LED在工作1．2×104h后，光輸出才會(huì)下降至80％，而這種功率LED最高效率可達(dá)到44．3lm·W-1，最高光通量為l 87lm，產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品120Im，Ra為75～80。目前，國(guó)內(nèi)外制作白光LED的方法是先將LED芯片放置在封裝的基片上，用金絲進(jìn)行鍵合，然后在芯片周圍涂敷YAG熒光粉，再用環(huán)氧樹脂包封。樹脂既起保護(hù)芯片的作用又起到聚光鏡的作用。從LED芯片發(fā)射出的藍(lán)色光射到周同的熒光粉層內(nèi)經(jīng)多次散亂的反射、吸收，最后向外部發(fā)出。LED(藍(lán))的光譜線的峰值在465nm處，半值寬為30nm，是非常尖銳的藍(lán)色光譜。LED發(fā)出的部分藍(lán)色光激發(fā)黃色的YAG熒光粉層，使其發(fā)出黃色光(峰值為555nm)，一部分藍(lán)色光直接或反射后向外發(fā)出，最終達(dá)到外部的光為藍(lán)黃二色光。根據(jù)補(bǔ)色關(guān)系，兩色光相混后即可得到白光。

美國(guó)LumiLeds公司在2001年研制出了A1GaInN功率型倒裝片結(jié)構(gòu) LED(FCLED)，具體做法是：第一步，在P型外延層上沉積厚度大于50nm的NiAu層，用于歐姆接觸和背反射；第二步，采用掩模選擇刻蝕P型層，露出多量子阱N型有源區(qū)；第三步，沉積、刻蝕形成N型歐姆接觸區(qū)。芯片尺寸為1mmxlmm，P型歐姆接觸區(qū)為正方形，N型歐姆接觸區(qū)為梳狀形，這樣可以減小電阻。第四步，將帶有金屬化凸點(diǎn)的A1GaInN芯片倒裝焊接在具有防靜電保護(hù)二極管(ESD)的硅載體上。美國(guó)Cree公司是采用SiC襯底制造 A1GaInN超亮度LED的全球唯一廠家，近年來A1GalnN／SiC芯片結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，亮度不斷提高。在這種結(jié)構(gòu)中，P型和N型電極分別在芯片的頂部和底部，采用單線鍵合，加工方便，因而成為A1GalnN LED發(fā)展的另一主流。

目前，在LED行業(yè)，LED 芯片通常是用銀漿安裝在銅基或銀基熱沉上，再將熱沉安裝在鋁基散熱器上。芯片產(chǎn)生的熱通過高導(dǎo)熱率的銅或銀熱沉傳遞到鋁基散熱器上，再由鋁基散熱器將熱散出(通過風(fēng)冷或熱傳導(dǎo)方式散出)。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是：充分考慮散熱器的性價(jià)比，將不同的散熱材料結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)高效散熱，并且成本控制合理。但是，值得注意的是：連接芯片和熱沉的材料是十分重要的。當(dāng)采用銀漿作為芯片安裝材料時(shí)，由于銀漿的導(dǎo)熱系數(shù)為10 W·m-1K-1～25W-m-1K-1，較低，就等于在芯片和熱沉之間加了一道熱阻。另外，銀漿固化后的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)為：環(huán)氧樹脂骨架+銀粉。這樣的結(jié)構(gòu)熱阻高且Tg低，對(duì)器件的散熱與物理特性穩(wěn)定極為不利。我們解決此問題的做法是：用錫片作為芯片與熱沉之間的連接材料(錫的導(dǎo)熱系數(shù)為67 w·m-1K-1)。因?yàn)殄a的導(dǎo)熱效果與物理特性遠(yuǎn)優(yōu)于銀漿，從而可獲得較為理想的散熱效果(錫的熱阻約為1 6 ℃·W-1)。

2 ESD靜電保護(hù)

我們實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，以SiC為襯底的InGaN抗ESD能力(人體模式)可達(dá)1 100V以上。而一般以藍(lán)寶石A1203為襯底的InGaN抗ESD僅能達(dá)到400V～500V(不同廠牌產(chǎn)品之綜合結(jié)果)。如此低的抗．ESD能力會(huì)給LED燈封裝廠商和下游電子應(yīng)用廠商帶來極大的不便。從同業(yè)相關(guān)資料得知，每年電子組件制造商因靜電防護(hù)問題造成的損失十分驚人，在裝配與消費(fèi)者使用過程中都有一定的損失產(chǎn)生。我們知道，以SiC為襯底的InGaN比以藍(lán)寶石A10203為襯底的InGaN在抗靜電方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但也不能本解決抗靜電問題。我們發(fā)現(xiàn)，如果在大功率LED器件的芯片周圍加入抗ESD二極管，就可以將抗靜電能力提高到8500V以上，這樣就可以解決不同層面電子制造商的靜電損失問題。

3 白光LED封裝技術(shù)

3．1 白光LED主要技術(shù)性能指標(biāo)

白光LED的主要技術(shù)性能指標(biāo)如表l所示。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得當(dāng)Tg=25℃時(shí)，電流／溫度／光通量關(guān)系如圖l～圖3所示。

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)散出，保持PN結(jié)的溫度在允許范圍內(nèi)，就無法獲得穩(wěn)定的光輸出和維持正常的器件壽命。從表2可得知，在常用的散熱材料中銀的導(dǎo)熱率最好，但是銀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。采用芯片的倒裝技術(shù)(Flip Chip)可以得到比傳統(tǒng)的LED芯片封裝技術(shù)更多的有效出光。但是，如果不在芯片的發(fā)光層的電極下方增加反射層來反射出浪費(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以反射，增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的藍(lán)寶石襯底(Sapphire)與環(huán)氧樹脂導(dǎo)光結(jié)合面間應(yīng)加上一層硅膠材料以改善芯片出光的折射率。經(jīng)過上述光學(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，常用的透鏡形狀有j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器件的封裝最好采取氣密性封裝，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壓克力等合成材料。也可以采用傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂模壓式封裝，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。

3．2 白光LED封裝技術(shù)

R12ll系列是采用CMOS工藝生產(chǎn)的低功耗、具有電流控制功能的開關(guān)式升壓轉(zhuǎn)換器。外圍電路簡(jiǎn)單，只需一個(gè)電感、一個(gè)二極管、一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和幾個(gè)電阻電容。輸入電壓范圍是2．5V～5．5V，匹配單節(jié)鋰離子電池或普通干電池組。芯片內(nèi)部為PWM調(diào)制方式，可以產(chǎn)生高達(dá)15V的輸出電壓，足夠驅(qū)動(dòng)3個(gè)串聯(lián)LED。其使用材料的熱性能情況見表2。

3．3 封裝工藝流程

其封裝工藝流程一般為：固晶→白膠烘烤→配熒光粉→焊線→點(diǎn)熒光粉→熒光粉烘烤→封膠→沖筋→點(diǎn)白膠→二切→ 三切→電性測(cè)試→分光分色→包裝。

用芯片篩選機(jī)挑選波長(zhǎng)一致及亮度高的芯片進(jìn)行投產(chǎn)，自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)解決因人工點(diǎn)膠不均勻而造成偏色現(xiàn)象，自動(dòng)同品機(jī)解決因人工固晶角度偏移、傾斜而造成發(fā)光角度、聚光點(diǎn)偏移。自動(dòng)焊線機(jī)解決金球大小不一、拉力不穩(wěn)定、松焊現(xiàn)象。自動(dòng)分光分色機(jī)精選其VF、 IV、λd等，挑選出發(fā)光顏色一致的產(chǎn)品。

4 結(jié)語

芯片倒裝技術(shù)可以得到比傳統(tǒng)的LED芯片封裝技術(shù)更多的有效出光。但是如果不在芯片的發(fā)光層的電極下方增加反射層來反射出浪費(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以反射，增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的