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大功率型LED封装技术

尚辉电器 2019-01-15 16:19:19

一、引言

         半导体发光二极管简称LED,从上世纪六十年代研制出来并逐步走向市场化,其封装技术也是不断改进和发展。LED 由最早用玻璃管封装发展至支架式环氧封装和表面贴装式封装,使得小功率LED 获得广泛的应用。从上世纪九十年代开始,由于LED 外延、芯片技术上的突破,四元系AlGaInP 和GaN 基的LED相继问世,实现了LED 全色化,发光亮度大大提高,并可组合各种颜色和白光。器件输入功率上有很大提高。目前单芯片1W 大功率LED 已产业化并推向市场,台湾国联也已研制出10W 的单芯片大功率LED。这使得超高亮度LED 的应用面不断扩大,首先进入特种照明的市场领域,并向普通照明市场迈进。由于LED 芯片输入功率的不断提高,对这些功率型LED 的封装技术提出了更高的要求。功率型LED 封装技术主要应满足以下二点要求:一是封装结构要有高的取光效率,其二是热阻要尽可能低,这样才能保证功率LED 的光电性能和可靠性。所以本文将重点对功率型LED 的封装技术作介绍和论述。

二、功率型LED 封装技术现状

         由于功率型LED 的应用面非常广,不同应用场合下对功率LED 的要求不一样。根据功率大小,目前的功率型LED 分为普通功率LED 和W 级功率LED 二种。输入功率小于1W 的LED(几十mW 功率LED除外)为普通功率LED;输入功率等于或大于1W 的LED 为W 级功率LED。而W 级功率LED 常见的有二种结构形式,一种是单芯片W 级功率LED,另一种是多芯片组合的W 级功率LED。

1.国外功率型LED 封装技术:

(1)普通功率LED

          根据报导,最早是由HP 公司于1993 年推出“食人鱼”封装结构的LED,称“Super flux LED”,并于1994年推出改进型的“Snap LED”,其外形如图1 所示。它们典型的工作电流,分别为70mA 和150mA,输入功率分别为0.1W 和0.3W。

         Osram 公司推出“Power TOP LED”是采用金属框架的PLCC 封装结构,其外形图如图2 所示。之后其他一些公司推出多种功率LED 的封装结构。其中一种PLCC-4 结构封装形式,其功率约200~300mW,这些结构的热阻一般为75~125℃/W。总之,这些结构的功率LED 比原支架式封装的LED 输入功率提高几倍,热阻下降几倍。

(2)W 级功率LED

        W 级功率LED 是未来照明的核心部分,所以世界各大公司投入很大力量,对W 级功率封装技术进行研究开发,并均已将所得的新结构、新技术等申请各种专利。单芯片W 级功率LED 最早是由Lumileds 公司于1998 年推出的Luxeon LED,其结构如图3 所示,根据报导,该封装结构的特点是采用热电分离的形式,将倒装芯片用硅载体直接焊接在热沉上,并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料,提高了器件的取光效率并改善了散热特性。可在较大的电流密度下稳定可靠的工作,并具有比普通LED 低得多的热阻,一般为14~17℃/W,现有1W、3W 和5W的产品。该公司近期还报导[1]推出Luxeon III LED 产品,由于对封装和芯片进行改善,可在更高的驱动电流下工作,在700mA 电流工作50000 小时后仍能保持70%的流明,在1A 电流工作20000 小时能保持50%的流明。

         Osram 公司于2003 年推出单芯片的“Golden Dragon”系列LED[2],其结构特点是热沉与金属线路板直接接触,具有很好的散热性能,而输入功率可达1W。我国台湾UEC 公司(国联)采用金属键合(Metal Bonding)技术封装的MB 系列大功率LED[3]其特点是用Si 代替GaAs 衬底,散热好,并以金属黏结层作光反射层,提高光输出。现有LED 单芯片面积分别为:0.3×0.3mm2、1×1mm2 和2.5×2.5mm2 的芯片,其输入功率分别有0.3W 、1W 和10W,其中2.5×2.5mm2芯片光通量可达200lm,0.3W 和1W 产品正推向市场。多芯片组合封装的大功率LED,其结构和封装形式较多,这里介绍几种典型的结构封装形式:

①美国UOE 公司于2001 年推出多芯片组合封装的Norlux 系列LED[4],其结构是采用六角形铝板作为衬底,如图5 所示,铝层导热好,中央发光区部分可装配40 只芯片,封装可为单色或多色组合,也可根据实际需求布置芯片数和金线焊接方式,该封装的大功率LED 其光通量效率为20lm/W,发光通量为100lm。
②Lanina Ceramics 公司于2003 年推出采用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷(LTCC-M)技术封装的大功率LED 阵列[5],有二种产品:一种为7 元LED 阵列,光通量为840lm,功率为21W。另一种是134 元LED 阵列,光通量为360lm,功率134W。由于LTCC-M 技术是将LED 芯片直接连接到密封阵列配置的封装盒上,因此工作温度可达250℃。
③松下公司于2003 年推出由64 只芯片组合封装的大功率白光LED[6],光通量可达120lm,采用散热性能优良的衬底,把这些芯片封装在2cm2 的面积中,其驱动电流可达8W,这种封装中每1W 输入功率其温升仅为1.2℃。
④日亚公司于2003 年推出号称是全世界最亮的白光LED,其光通量可达600lm,输出光束为1000lm时,耗电量为30W,最大输入功率为50W,提供展览的白光LED 模块发光效率达33lm/W。有关多芯片组合的大功率LED,许多公司根据实际市场需求,不断开发很多新结构封装的新产品,其开发研制的速度是非常快。

2.国内功率型LED 封装技术

         国内LED 普通产品的后工序封装能力应该是很强的,封装产品的品种较齐全,据初步估计,全国LED 封装厂超过200 家,封装能力超过200 亿只/年,封装的配套能力也是很强的,但是很多封装厂为私营企业,目前来看规模偏小。

        国内功率型LED 的封装,早在上世纪九十年代就开始,一些有实力的后封装企业,当时就开始开发并批量生产,如“食人鱼”功率型LED。国内的大学、研究所很少对大功率LED 封装技术开展研究,信息产业部第13 研究所对功率型LED 封装技术开展研究工作,并取得很好的研究成果,具体开发出功率LED 产品。

        国内有实力的LED 封装企业(外商投资除外),如佛山国星、厦门华联等几个企业,很早就开展功率型LED的研发工作,并取得较好的效果。如“食人鱼”和PLCC 封装结构的产品,均可批量生产,并已研制出单芯片1W 级的大功率LED 封装的样品。而且还进行多芯片或多器件组合的大功率LED 研制开发,并可提供部分样品供试用。对大功率LED 封装技术的研究开发,目前国家尚未正式支持投入,国内研究单位很少介入,封装企业投入研发的力度(人力和财力)还很不够,形成国内对封装技术的开发力量薄弱的局面,其封装的技术水平与国外相比还有相当的差距。

三、功率型LED 产业化关键的封装技术

        半导体LED 要作为照明光源,常规产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比,距离甚远。因此,LED 要在照明领域发展,关键要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。功率型LED 所用的外延材料采用MOCVD 的外延生长技术和多量子阱结构虽然其外量子效率还需进一步提高,但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率低。现有的功率型LED 的设计采用了倒装焊新结构来提高芯片的取光效率,改善芯片的热特性,并通过增大芯片面积,加大工作电流来提高器件的光电转换效率,从而获得较高的发光通量。除了芯片外,器件的封装技术也举足轻重。关键的封装技术工艺有:

1、散热技术

         传统的指示灯型LED 封装结构,一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上,由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成,其热阻高达250~300℃/W,新的功率型芯片若采用传统式的LED 封装形式,将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄,从而造成器件的加速光衰直至失效,甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。因此,对于大工作电流的功率型LED芯片,低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是功率型LED 器件的技术关键。采用低电阻率、高导热性能的材料粘结芯片;在芯片下部加铜或铝质热沉,并采用半包封结构,加速散热;甚至设计二次散热装置,来降低器件的热阻。在器件的内部,填充透明度高的柔性硅橡胶,在硅橡胶承受的温度范围内(一般为-40℃~200℃),胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路,也不会出现变黄现象。零件材料也应充分考虑其导热、散热特性,以获得良好的整体热特性。

2、二次光学设计技术

       为提高器件的取光效率,设计外加的反射杯与多重光学透镜。

3、功率型LED 白光技术

常见的实现白光的工艺方法有如下三种:

1)蓝色芯片上涂上YAG 荧光粉,芯片的蓝色光激发荧光粉发出典型值为500nm~560nm 的黄绿光,黄绿光与蓝色光合成白光。该方法制备相对简单,效率高,具有实用性。缺点是布胶量一致性较差、荧光粉易沉淀导致出光面均匀性差、色调一致性不好;色温偏高;显色性不够理想。

2)RGB 三基色多个芯片或多个器件发光混色成白光;或者用蓝+黄绿色双芯片补色产生白光。只要散热得法,该方法产生的白光较前一种方法稳定,但驱动较复杂,另外还要考虑不同颜色芯片的不同光衰速度。

3)在紫外光芯片上涂RGB 荧光粉,利用紫光激发荧光粉产生三基色光混色形成白光。但目前的紫外光芯片和RGB 荧光粉效率较低,环氧树脂在紫外光照射下易分解老化。我司目前已采用方法1)和2)进行白光LED 产品的批量生产,并已进行了W 级功率LED 的样品试制。积累了一定的经验和体会,我们认为照明用W 级功率LED 产品要实现产业化还必须解决如下技术问题:

①粉涂布量控制:LED 芯片+荧光粉工艺采用的涂胶方法通常是将荧光粉与胶混合后用分配器将其涂到芯片上。在操作过程中,由于载体胶的粘度是动态参数、荧光粉比重大于载体胶而产生沉淀以及分配器
精度等因素的影响,此工艺荧光粉的涂布量均匀性的控制有难度,导致了白光颜色的不均匀。
②芯片光电参数配合:半导体工艺的特点,决定同种材料同一晶圆芯片之间都可能存在光学参数(如波长、光强)和电学(如正向电压)参数差异。RGB 三基色芯片更是这样,对于白光色度参数影响很大。这是产业化必须要解决的关键技术之一。
③根据应用要求产生的光色度参数控制:不同用途的产品,对白光LED 的色坐标、色温、显色性、光功率(或光强)和光的空间分布等要求就不同。上述参数的控制涉及产品结构、工艺方法、材料等多方面因素的配合。在产业化生产中,对上述因素进行控制,得到符合应用要求、一致性好的产品十分重要。

4、测试技术与标准

        随着W 级功率芯片制造技术和白光LED 工艺技术的发展,LED 产品正逐步进入(特种)照明市场,显示或指示用的传统LED 产品参数检测标准及测试方法已不能满足照明应用的需要。国内外的半导体设备仪器生产企业也纷纷推出各自的测试仪器,不同的仪器使用的测试原理、条件、标准存在一定的差异,增加了测试应用、产品性能比较工作的难度和问题复杂化。

        我国光学光电子行业协会光电子器件分会行业协会根据LED 产品发展的需要,于2003 年发布了“发光二极管测试方法(试行)”,该测试方法增加了LED 色度参数的规定。但LED 要往照明业拓展,建立LED照明产品标准是产业规范化的重要手段。

5、筛选技术与可靠性保证

        由于灯具外观的限制,照明用LED 的装配空间密封且受到局限,密封且有限的空间不利于LED 散热,这意味着照明LED 的使用环境要劣于传统显示、指示用LED 产品。另外,照明LED 处于大电流驱动下工作,这就对其提出更高的可靠性要求。在产业化生产中,针对不同的产品用途,制定适当的热老化、温度循环冲击、负载老化工艺筛选试验,剔除早期失效品,保证产品的可靠性很有必要。

6、静电防护技术

        蓝宝石衬底的蓝色芯片其正负电极均位于芯片上面,间距很小;对于InGaN/AlGaN/GaN 双异质结,InGaN 活化簿层仅几十nm,对静电的承受能力很小,极易被静电击穿,使器件失效。因此,在产业化生产中,静电的防范是否得当,直接影响到产品的成品率、可靠性和经济效益。静电的防范技术有如下几种:

①生产、使用场所从人体、台、地、空间及产品传输、堆放等实施防范,手段有防静电服装、手套、手环、鞋、垫、盒、离子风扇、检测仪器等。
②芯片上设计静电保护线路。
③LED 上装配保护器件。
厦门华联电子有限公司长期从事半导体LED 及其它光电子器件的研制、生产。目前在功率LED 方面,
已具备食人鱼、PLCC 功率型LED 产品的量产能力。目前已有三基色芯片的PLCC 功率型LED 用于室外装饰应用产品出口欧美市场。在多芯片混色白光技术应用方面,已有彩色显示模块出口。W 级功率型LED已经研制出R、Y、G、B、W 色,两种外形样品。IF=350mA 下的光效分别约为14lm/W、11lm/W、12lm/W、4lm/W 和11.5lm/W,目前可提供样品试用。

四、结束语

        我国LED 封装产品主要是普通小功率LED,同时还具有一定的功率型LED 封装技术和水品。但由于多种原因,我国大功率LED 封装技术水平总体来说与国际水平还有相当的差距。为了加快发展LED 封装技术水平,我们建议:

1.国家要重点支持LED 前工序外延、芯片有实力的重点研究单位(大学)和企业,集中优势,重点突破前工序的关键技术难点,尽快开发并生产有自主产权的1W、3W、5W 和10W 等大功率LED 芯片,只有这样,才能确保我国大功率LED 的顺利发展。

2.国家要重点扶植几家有实力的大功率LED 封装企业,研发有自主产权的LED 封装产品,并要达到规模化的生产程度,参与国际市场竞争。

3.要重视荧光粉、封装环氧等基础材料的研究开发及产业化工作。

4.根据市场要求,开发适应市场的各种功率型LED 产品,首先瞄准特种照明应用的市场,并逐步向普通照明灯源市场迈进。

参考文献:
[1]Compound Semiconductor 2003.9(10)
[2]Elektronik 2003.3
[3]Compound Semiconductor 2002.8(8)
[4]Compound Semiconductor 2001.5
[5]Compound Semiconductor 2003.9(7)
[6]Compound Semiconductor 2003.9(4)