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大功率照明级LED之封装

日期:2012-11-09 浏览:2494

一、引言

        从实际应用的角度来看:安装使用简单、体积相对较小的大功率LED器件在大部分的照明应用中必将取代传统的小功率LED器件。其好处是非常明显的,小功率的LED组成的照明灯具为了达到照明的需要,必须集中许多个LED的光能才能达到设计要求。带来的缺点是线路异常复杂,散热不畅,为了平衡各个LED之间的电流电压关系必需设计复杂的供电电路。相比之下,大功率LED单体的功率远大于单个LED等于若干个小功率LED的总和,供电线路相对简单,散热结构完善,物理特性稳定。所以说,大功率LED器件代替小功率LED器件成为主流半导体照明器件是必然的。但是对于大功率LED器件的封装方法我们并不能简单的套用传统的小功率LED器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率,大的发热量,高的出光效率给我们的封装工艺封装设备和封装材料提出了新的更高的要求。

        二、大功率LED芯片

        要想得到大功率LED器件就必须制备合适的大功率LED芯片。国际上通常的制造方法有如下几种:

        2.1加大尺寸法:

        通过增大单颗LED的有效发光面积,和增大尺寸后促使得流经TCL层的电流均匀分布而特殊设计的电极结构(一般为梳状电极)之改变以求达到预期的光通量。但是,简单的增大发光面积无法解决根本的散热问题和出光问题,并不能达到预期的光通量和实际应用效果。

        2.2硅底板倒装法:

        首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸LED芯片(Flip 

        Chip LED)。同时制备出相应尺寸的硅底板,并在上制作出供共晶焊接的金导电层及引出导电层(超声金丝球焊点)。然后,利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊接在一起。(这样的结构较为合理,即考虑了出光问题又考虑到了散热问题,这是目前主流的High Output Power Chip LED生产方式。)

        美国LumiLeds公司2001年研制出了AlGaInN功率型倒装芯片(FCLED)结构,具体做法为:第一步,在外延片顶部的P型GaN:Mg淀积厚度大于500A的NiAu层,用于欧姆接触和背反射;第二步,采用掩模选择刻蚀掉P型层和多量子阱有源层,露出N型层;第三步,淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层,芯片尺寸为1×1mm2,P型欧姆接触为正方形,N欧姆接触以梳状插入其中,这样可缩短电流扩展距离,把扩展电阻降至最小;第四步,将金属化凸点的AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅载体上。 

        2.3陶瓷底板倒装法:

        先利用LED晶片厂通用设备制备出具有适合共晶焊接电极结构的大出光面积的LED芯片和相应的陶瓷底板,并在上制作出共晶焊接导电层及引出导电层。之后利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与陶瓷底板焊接在一起。(这样的结构考虑了出光问题也考虑到了散热问题,并且采用的陶瓷底板为高导热陶瓷板,散热的效果非常理想,价格又相对较低所以为目前较为适宜的底板材料,并可为将来的集成电路化一体封装伺服电路预留下了安装空间)

        2.4蓝宝石衬底过渡法:

        按照传统的InGaN芯片制造方法在蓝宝石衬底上生长出PN结后将蓝宝石衬底切除再连接上传统的四元材料,制造出上下电极结构的大尺寸蓝光LED芯片。

        2.5AlGaInN/碳化硅(SiC)背面出光法:

        美国Cree公司是采用SiC衬底制造AlGaInN超高亮度LED的全球唯一厂家,几年来AlGaInN/SiCa芯片结构不断改进,亮度不断提高。由于P型和N型电极分别仅次于芯片的底部和顶部,单引线键合,兼容性较好,使用方便,因而成为AlGaInN  LED发展的另一主流。

        三、基础封装结构

        大功率LED封装中主要需考虑的问题有两个:散热与出光。

        序号 材质 导热系数/λW(m.K)

        01 碳钢(C=0.5-1.5) 39.2-36.7

        02 镍钢(Ni=1%-50%) 45.5-19.6

        03 黄铜 (70Cu-30Zn) 109

        04 铝合金(60Cu-40Ni) 22.2

        05 铝合金(87Al-13Si) 162

        06 铝青铜(90Cu-10Al) 56

        07 镁 156

        08 钼 138

        序号 材质 导热系数/λW(m.K)

        09 铂 71.4

        10 银 427

        11 锡 67

        12 锌 121

        13 纯铜  398

        14 黄金 315

        15 纯铝 236

        16 纯铁 81.1

        17 玻璃 0.65-0.71

        从电流/温度/光通量关系图可得知,散热对于功率型LED器件是至关重要的。如果不能将电流产生的热量及时的散出,保持PN结的结温度在允许范围内,将无法获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命。

        从表一可得知,常用的散热材料中银的导热率最好,但是银导散热板的成本较高不适宜做通用型散热器。而铜的导热率比较接近银,且其成本较银低。铝的导热率虽然低于铜,但胜在综合成本最低,有利于大规模制造。

        我们经过两年的实验对比发现较为合适的做法是:连接芯片部分采用铜基或银基热沉,再将该热沉连接在铝基散热器上采用阶梯型导热结构,利用铜或银的高导热率将芯片产生的热量高效传递到铝基散热器,再通过铝基散热器将热量散出(通过风冷或热传导方式散出)。

        这种做法的优点是:充分考虑散热器性能价格比,将不同特点的散热器结合在一起做到高效散热、并且成本控制合理化。

        值得注意的是:连接铜基热沉与芯片之间的材料选择是十分重要的,LED行业常用的芯片连接材料为银胶。但是,我们经过研究发现,银胶的热阻极高为:10-25W/(m.K),如果采用银胶作为连接材料,就等于人为的在芯片与热沉之间加上了一道热阻。另外银胶固化后的内部基本结构为:环氧树脂骨架+银粉填充式导热导电结构,这样的结构热阻极高且TG点较低,对器件的散热与物理特性稳定极为不利。我们解决此问题的做法是:以锡片焊作为晶粒与热沉之间的连接材料(锡的导热系数67W/m.K)可以取得较为理想的导热效果(热阻约为16℃/W),锡的导热效果与物理特性远优于银胶。

        3.2出光

        我们发现传统的LED器件封装方式只能利用芯片发出的约50%的光能,由于半导体与封闭环氧的折射率相差较大,致使内部的全反射临界角很小,有源层产生的光只有小部分被取出,大部分在芯片内部经多次反射而被吸收,成为超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。如何将内部不同材料间折射、反射消耗掉的50%的光能加以利用,是设计出光系统的关键。

        通过芯片的倒装技术(FLIP CHIP)可以比传统的LED芯片封装技术得到更多的有效出光。但是,如果不在芯片的发光层之电极下方增加反射层来反射出浪费的光能则会造成约8%的光损失。所以底板材料上必须增加反射层。芯片侧面的光也必须利用热沉的镜面加工法加以反射出,增加器件的出光率。而且在倒装芯片的蓝宝石衬底部份(Sapphire)与环氧树脂导光结合面上应加上一层硅胶材料以改善芯片出光的折射率。

        经过上述光学封装技术的改善,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器件的顶部透镜之光学设计也是十分重要的,我们通常的做法是:在进行光学透镜设计时应充分考虑最终照明器具的光学设计要求,尽量配合应用照明器具的光学要求进行设计。

        常用的透镜形状有:

        凸透镜、凹锥透镜、球镜、菲涅尔透镜、组合式透镜等。透镜与大功率LED器件的装配方法理想的情况应采取气密性封装,如果受透镜形状所限也可采取半气密性封装。透镜材料应选择高透光的玻璃或亚克力等合成材料。也可以采用传统的环氧树脂模组式封装,加上二次散热设计也基本可以达到提高出光率的效果。

        四、电气保护 

        我们实测发现以SiC为底衬的InGaN抗ESD人体模式(HBM)能达1100V以上。而一般似蓝宝石Al2O3为底衬的InGaN抗ESD仅能达400~500V左右(不同厂牌产品之综合结果),如此低的抗ESD能力给LED LAMP封装厂商和下游电子应用厂商带来了极大的不便。从同业相关资料得知,每年电子组件制造商因ESD静电防护问题损失十分惊人,装配与消费者使用过程都有一定的损失产生。我们知道,高ESD抗的SiC碳化硅比蓝宝石Al2O3为底衬材料有一定的抗静电优势,但也无法根本解决ESD问题。

        非正式统计从不同层面的电子制造商有以下表之损失估计报告

        ESD对各电子制造商的平均损失ESD Informal Summary of Static Losses by Level

        Static Losses Reported, ESD 静电损失

        各层制造商 Min. Loss Max. Loss Est. Avg. Loss

        组件商 Component Manufacturer 4% 97% 16-22%

        承造商 Subcontractors 3% 70% 9-15%

        次承造商Contractors 2% 35% 8-14%

        用户 User 5% 70% 27-33%

        Source: Stephen Halperin,“Guidelines for Static Control Management,”Eurostat,1990

        ESD之不同层次的来源

        ESD来源 10-25%RH 65-90%RH

        行走在地毯上Walking across carpet 35,000V 1,500V

        行走在胶地板Walking across vinyl tile 12,000V 250V

        工人在工作台 Worker at bench 6,000V 100V

        捡起胶袋Poly bag picked up form bench 20,000V 1,200V

        发泡胶之椅了Chair with urethane foam 18,000V 1,500V

        我们发现,如果在大功率LED器件封装结构中加入芯片外围的抗ESD二极管,可以将抗ESD的能力提高到8500V以上。基本解决了不同层面的电子制造商的ESD损失问题,实际应用效果很好。

        五、发展趋势及结束语

        我们知道,LED芯片的外量子效率取决于外延材料的内量子效率与芯片的取光效率。目前大功率型LED所采用的外延材料为MOCVD外延生长技术和多量子阱结构,虽然现在其内量子效率并未达到最高,还有进一步提高的空间。但是我们发现,获得LED器件高光通量的最大障碍依旧是芯片的取光方式与高出光效率的封装结构的设计。

        从LED1970年到2003年这三十多年的发展经验可以得知:LED的光通量大约每16-20月就要增加2.2倍。所以讲,在可以预期的五年时间内照明级大功率LED器件的光效率达到100Lm/W将是有可能的事情。但是,我们并不能坐等大功率LED芯片达到此光效才来进行封装技术的开发与应用。我们认为,照明级大功率LED器件光效的提高有赖于芯片光效的提高和封装取光散热技术的提高的同步进行才能做到。同时,LED制造设备厂商也应同步进行此类设备的开发。

        愿LED能够早日成为照明科技的主流产品,为国计民生贡献力量。