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     人物訪談
應用在大功率照明的LED封裝技術
發布時間:2010/4/16

      從實際應用的角度來看,安裝使用簡單、體積相對較小的大功率LED器件在大部分的照明應用中必將取代傳統的小功率LED器件。由小功率LED組成的照明燈具為了滿足照明的需要,必須集中許多個LED的光能才能達到設計要求,但帶來的缺點是線路異常復雜、散熱不暢,為了平衡各個LED之間的電流、電壓關系,必須設計復雜的供電電路。相比之下,大功率單體LED的功率遠大于若干個小功率LED的功率總和,供電線路相對簡單,散熱結構完善,物理特性穩定。所以說,大功率LED器件的封裝方法和封裝材料并不能簡單地套用傳統的小功率LED器件的封裝方法與封裝材料。大的耗散功率、大的發熱量以及高的出光效率,給LED封裝工藝、封裝設備和封裝材料提出了新的更高的要求。
      1、大功率LED芯片 
      要想得到大功率LED器件,就必須制備合適的大功率LED芯片。國際上通常的制造大功率LED芯片的方法有如下幾種:
      ① 加大尺寸法。通過增大單體LED的有效發光面積和尺寸,促使流經TCL層的電流均勻分布,以達到預期的光通量。但是,簡單地增大發光面積無法解決散熱問題和出光問題,并不能達到預期的光通量和實際應用效果。
      ② 硅底板倒裝法。首先制備出適合共晶焊接的大尺寸LED芯片,同時制備出相應尺寸的硅底板,并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金導電層及引出導電層(超聲金絲球焊點),再利用共晶焊接設備將大尺寸LED芯片與硅底板焊接在一起。這樣的結構較為合理,既考慮了出光問題又考慮到了散熱問題,這是目前主流的大功率LED的生產方式。
      美國Lumileds公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒裝芯片(FCLED)結構,其制造流程是:首先在外延片頂部的P型GaN上淀積厚度大于500A的NiAu層,用于歐姆接觸和背反射;再采用掩模選擇刻蝕掉P型層和多量子阱有源層,露出N型層;經淀積、刻蝕形成N型歐姆接觸層,芯片尺寸為1mm1mm,P型歐姆接觸為正方形,N型歐姆接觸以梳狀插入其中,這樣可縮短電流擴展距離,把擴展電阻降至最小;然后將金屬化凸點的AlGaInN芯片倒裝焊接在具有防靜電保護二極管(ESD)的硅載體上。
      ③ 陶瓷底板倒裝法。先利用LED晶片通用設備制備出具有適合共晶焊接電極結構的大出光面積的LED芯片和相應的陶瓷底板,并在陶瓷底板上制作出共晶焊接導電層及引出導電層,然后利用共晶焊接設備將大尺寸LED芯片與陶瓷底板焊接在一起。這樣的結構既考慮了出光問題也考慮到了散熱問題,并且采用的陶瓷底板為高導熱陶瓷板,散熱效果非常理想,價格又相對較低,所以為目前較為適宜的底板材料,并可為將來的集成電路一體化封裝預留空間。
      ④ 藍寶石襯底過渡法。按照傳統的InGaN芯片制造方法在藍寶石襯底上生長出PN結后,將藍寶石襯底切除,再連接上傳統的四元材料,制造出上下電極結構的大尺寸藍光LED芯片。
      ⑤ AlGaInN碳化硅(SiC)背面出光法。美國Cree公司是全球唯一采用SiC襯底制造AlGaInN超高亮度LED的廠家,幾年來其生產的AlGaInN/SiCa芯片結構不斷改進,亮度不斷提高。由于P型和N型電極分別位于芯片的底部和頂部,采用單引線鍵合,兼容性較好,使用方便,因而成為AlGaInN LED發展的另一主流產品。
       2、功率型封裝 
      功率LED最早始于HP公司于20世紀90年代初推出食人魚封裝結構的LED,該公司于1994年推出的改進型的Snap LED有兩種工作電流,分別為70mA和150mA,輸入功率可達0.3W。功率LED的輸入功率比原支架式封裝的LED的輸入功率提高了幾倍,熱阻降為原來的幾分之一。瓦級功率LED是未來照明器件的核心部分,所以世界各大公司都投入了很大力量對瓦級功率LED的封裝技術進行研究開發。
      LED芯片及封裝向大功率方向發展,在大電流下產生比φ5mm LED大10~20倍的光通量,必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題,因此,管殼及封裝是其關鍵技術,目前能承受數瓦功率的LED封裝已出現。5W系列白色、綠色、藍綠色、藍色的功率型LED從2003年年初開始推向市場,白光LED的光輸出達187lm,光效為44.3lm/W。目前正開發出可承受10W功率的LED,采用大面積管芯,尺寸為2.5mm2.5mm,可在5A電流下工作,光輸出達200lm。
      Luxeon系列功率LED是將AlGaInN功率型倒裝管芯倒裝焊接在具有焊料凸點的硅載體上,然后把完成倒裝焊接的硅載體裝入熱襯與管殼中,鍵合引線進行封裝。這種封裝的取光效率、散熱性能以及加大工作電流密度的設計都是最佳的。
      在應用中,可將已封裝產品組裝在一個帶有鋁夾層的金屬芯PCB板上,形成功率密度型LED,PCB板作為器件電極連接的布線使用,鋁芯夾層則可作為熱襯使用,以獲得較高的光通量和光電轉換效率。此外,封裝好的SMD-LED體積很小,可靈活地組合起來,構成模塊型、導光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。
      超高亮度LED作為信號燈和其他輔助照明光源應用時,一般是將多個Φ5mm封裝的各種單色和白光LED組裝在一個燈盤或標準燈座上,使用壽命可達到10萬小時。2000年已有研究指出,Φ5mm白光LED工作6000h后,其光強已降至原來的一半。事實上,采用Φ5mm白光LED陣列的發光裝置,其壽命可能只有5000h。不同顏色的LED的光衰減速度不同,其中紅色最慢,藍、綠色居中,白色最快。由于Φ5mm封裝的LED原來僅用于指示燈,其封裝熱阻高達300℃/W,不能充分地散熱,致使LED芯片的溫度升高,造成器件光衰減加快。此外,環氧樹脂變黃也將使光輸出降低。大功率LED在大電流下產生比Φ5mm白光LED大10~20倍的光通量,因此必須通過有效的散熱設計和采用不劣化的封裝材料來解決光衰問題,管殼及封裝已成為研制大功率LED的關鍵技術之一。全新的LED功率型封裝設計理念主要歸為兩類,一類為單芯片功率型封裝,另一類為多芯片功率型封裝。
     (1)功率型LED的單芯片封裝
      1998年美國Lumileds公司研制出了Luxeon系列大功率LED單芯片封裝結構,這種功率型單芯片LED封裝結構與常規的Φ5mm LED封裝結構全然不同,它是將正面出光的LED芯片直接焊接在熱襯上,或將背面出光的LED芯片先倒裝在具有焊料凸點的硅載體上,然后再將其焊接在熱襯上,使大面積芯片在大電流下工作的熱特性得到改善。這種封裝對于取光效率、散熱性能和電流密度的設計都是最佳的,其主要特點有:
      ① 熱阻低。傳統環氧封裝具有很高的高熱阻,而這種新型封裝結構的熱阻一般僅為14℃/W,可減小至常規LED的1/20。
      ② 可靠性高。內部填充穩定的柔性膠凝體,在40~120℃時,不會因溫度驟變產生的內應力使金絲和框架引線斷開。用這種硅橡膠作為光耦合的密封材料,不會出現普通光學環氧樹脂那樣的變黃現象,金屬引線框架也不會因氧化而臟污。
      ③ 反射杯和透鏡的最佳設計使輻射可控,光學效率最高。在應用中可將它們組裝在一個帶有鋁夾層的電路板(鋁芯PCB板)上,電路板作為器件電極連接的布線用,鋁芯夾層則可作為功率型LED的熱襯。這樣不僅可獲得較高的光通量,而且還具有較高的光電轉換效率。
      單芯片瓦級功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的Luxeon LED,該封裝結構的特點是采用熱電分離的形式,將倒裝片用硅載體直接焊接在熱襯上,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產品。OSRAM公司于2003年推出單芯片的Golden Dragon系列LED,其結構特點是熱襯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。
      (2)功率型LED的多芯片組合封裝
      六角形鋁襯底的直徑為3.175cm(1.25英寸),發光區位于其中央部位,直徑約為0.9525cm(0.375英寸),可容納40個LED芯片。用鋁板作為熱襯,并使芯片的鍵合引線通過在襯底上做成的兩個接觸點與正極和負極連接。根據所需輸出光功率的大小來確定襯底上排列管芯的數目,組合封裝的超高亮度芯片包括AlGaInN和AlGaInP,它們的發射光可為單色、彩色(RGB)、白色(由RGB三基色合成或由藍色和黃色二元合成)。最后采用高折射率的材料按照光學設計形狀進行封裝,不僅取光效率高,而且還能夠使芯片和鍵合的引線得到保護。由40個AlGaInP(AS)芯片組合封裝的LED的流明效率為20lm/W。采用RGB三基色合成白光的組合封裝模塊,當混色比為0:43(R)0:48(G):0.009(B)時,光通量的典型值為100lm,CCT標準色溫為4420K,色坐標x為0.3612,y為0.3529。由此可見,這種采用常規芯片進行高密度組合封裝的功率型LED可以達到較高的亮度水平,具有熱阻低、可在大電流下工作和光輸出功率高等特點。
      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。Lanina Ceramics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年推出超高亮度白光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,白光LED模塊的發光效率達33lm/W。我國臺灣UEC(國聯)公司采用金屬鍵合(Metal Bonding)技術封裝的MB系列大功率LED的特點是,用Si代替GaAs襯底,散熱效果好,并以金屬粘結層作為光反射層,提高了光輸出。
      功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發光效率、發光波長、使用壽命等,因此,功率型LED芯片的封裝設計、制造技術顯得尤為重要。大功率LED封裝中主要需考慮的問題有:
      ① 散熱。散熱對于功率型LED器件來說是至關重要的。如果不能將電流產生的熱量及時地散出,保持PN結的結溫在允許范圍內,將無法獲得穩定的光輸出和維持正常的器件壽命。
      在常用的散熱材料中銀的導熱率最高,但是銀的成本較高,不適宜作通用型散熱器。銅的導熱率比較接近銀,且其成本較銀低。鋁的導熱率雖然低于銅,但其綜合成本最低,有利于大規模制造。
      經過實驗對比發現較為合適的做法是:連接芯片部分采用銅基或銀基熱襯,再將該熱襯連接在鋁基散熱器上,采用階梯型導熱結構,利用銅或銀的高導熱率將芯片產生的熱量高效地傳遞給鋁基散熱器,再通過鋁基散熱器將熱量散出(通過風冷或熱傳導方式散出)。這種做法的優點是:充分考慮散熱器的性價比,將不同特點的散熱器結合在一起,做到高效散熱并使成本控制合理化。
      應注意的是:連接銅基熱襯與芯片的材料的選擇是十分重要的,LED行業常用的芯片連接材料為銀膠。但是,經過研究發現,銀膠的熱阻為10~25W/(m
      ② 出光。傳統的LED器件封裝方式只能利用芯片發出的約50%的光能,由于半導體與封閉環氧樹脂的折射率相差較大,致使內部的全反射臨界角很小,有源層產生的光只有小部分被取出,大部分光在芯片內部經多次反射而被吸收,這是超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。如何將內部不同材料間折射、反射消耗的50%光能加以利用,是設計出光系數的關鍵。
      通過芯片的倒裝技術(Flip Chip)可以比傳統的LED芯片封裝技術得到更多的有效出光。但是,如果說不在芯片的發光層與電極下方增加反射層來反射出浪費的光能,則會造成約8%的光損失,所以在底板材料上必須增加反射層。芯片側面的光也必須利用熱襯的鏡面加工法加以反射出,增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的藍寶石襯底部分與環氧樹脂導光結合面上應加上一層硅膠材料,以改善芯片出光的折射率。
      經過上述光學封裝技術的改善,可以大幅度提高大功率LED器件的出光率(光通量)。大功率LED器件頂部透鏡的光學設計也是十分重要的,通常的做法是:在進行光學透鏡設計時應充分考慮最終照明器具的光學設計要求,盡量配合應用照明器具的光學要求進行設計。
      常用的透鏡形狀有:凸透鏡、凹錐透鏡、球鏡、菲涅爾透鏡以及組合式透鏡等。透鏡與大功率LED器件的理想裝配方法是采取氣密性封裝,如果受透鏡形狀所限,也可采取半氣密性封裝。透鏡材料應選擇高透光率的玻璃或亞克力等合成材料,也可以采用傳統的環氧樹脂模組式封裝,加上二次散熱設計也基本可以達到提高出光率的效果。
   3、功率型LED的進展 
      功率型LED的研制起始于20世紀60年代中期的GaAs紅外光源,由于其可靠性高、體積小、重量輕,可在低電壓下工作,因此被首先用于軍用夜視儀,以取代原有的白熾燈,20世紀80年代InGaAsP/InP雙異質結紅外光源被用于一些專用的測試儀器,以取代原有的體積大、壽命短的氙燈。這種紅外光源的直流工作電流可達1A,脈沖工作電流可達24A。紅外光源雖屬早期的功率型LED,但它一直發展至今,產品不斷更新換代,應用更加廣泛,并成為當今可光功率型LED發展可繼承的技術基礎。
      1991年,紅、橙、黃色AlGaInP功率型LED的實用化,使LED的應用從室內走向室外,成功地用于各種交通信號燈,汽車的尾燈、方向燈以及戶外信息顯示屏。藍、綠色AlGaInN超高亮度LED的相繼研制成功,實現了LED的超高亮度全色化,然而用于照明則是超高亮度LED拓展的又一全新領域,用LED固體燈取代白熾燈和熒光燈等傳統玻殼照明光源已成為LED發展目標。因此,功率型LED的研發和產業化將成為今后發展的另一重要方向,其技術關鍵是不斷提高發光效率和每一器件(組件)的光通量。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,但獲得高光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率很低。目前由于沿用了傳統的指示燈型LED封裝結構,工作電流一般被限定為20mA。按照這種常規理念設計和制作的功率型LED根本無法達到高效率和高光通量的要求。為了提高可見光功率型LED的發光效率和光通量,必須采用新的設計理念,一方面通過設計新型芯片結構來提高取光效率,另一方面通過增大芯片面積、加大工作電流、采用低熱阻的封裝結構來提高器件的光電轉換效率。因此,設計和制作新型芯片和封裝結構,不斷提高器件的取光效率和光電轉換效率,一直是功率型LED發展中至關重要的課題。
      功率型LED大大擴展了LED在各種信號顯示和照明光源領域中的應用,主要有汽車內外燈和各種交通信號燈,包括城市交通、鐵路、公路、機場、海港燈塔、安全警示燈等。功率型白光LED作為專用照明光源已開始用于汽車和飛機內的閱讀燈,在便攜式照明光源(如鑰匙燈、手電筒)、背光源及礦工燈等應用方面也得到越來越多的應用。白光除了由三基色合成外,還可通過將一種特制的磷光體涂敷在GaN藍色或紫外波長的功率型LED芯片上而形成。功率型LED在建筑物裝飾光源、舞臺燈光、商場櫥窗照明、廣告燈箱照明、庭院草坪照明、城市夜景等方面與其同類產品相比顯示出了它獨有的特點。使用功率型RGB三基色LED,可制成結構緊湊、發光效率比傳統白熾燈光源高的數字式調色調光光源,配合計算機控制技術,可得到極其豐富多彩的發光效果。功率型LED所具有的低電壓、低功耗、體積小、重量輕、壽命長、可靠性高等優點,使其在軍事上還可作為野戰、潛水、航天、航空所需的特種固體光源。
      功率型LED結構的進步,取光和熱襯的優化設計使其發光效率和光通量不斷提高,由多個5mm LED組裝的燈盤和燈頭將被由功率型LED組裝的燈芯所取代。從1970年至2000年的最近30年以來,光通量每18~24個月要增加2倍。自1998年Norlux系列功率型LED問世后,光通量的增加趨勢則更快。
      隨著功率型LED性能的改進,LED照明光源引起了照明領域的更大的關注。普通照明市場的需求是巨大的,功率型LED白光技術將更能適應普通照明的應用。只要LED產業能持續這一開發方向,則LED固體照明在未來5~10年將會取得重大的市場突破。

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