大功率型LED封装技能

2018-09-21 11:56 作者:公司公告 来源:环亚ag88手机版

  大功率型LED封装技能

  一、导言

半导体发光二极管简称LED,从上世纪六十年代研宣布来并逐渐走向商场化,其封装技能也是不断改进和展开。LED 由最早用玻璃管封装展开至支架式环氧封装和外表贴装式封装,使得小功率LED 取得广泛的运用。从上世纪九十年代开端,因为LED 外延、芯片技能上的打破,四元系AlGaInP 和GaN 基的LED相继问世,完结了LED 全色化,发光亮度大大进步,并可组合各种色彩和白光。器材输入功率上有很大进步。现在单芯片1W 大功率LED 已工业化并推向商场,台湾国联也已研宣布10W 的单芯片大功率LED。这使得超高亮度LED 的运用面不断扩大,首要进入特种照明的商场范畴,并向一般照明商场跨进。因为LED 芯片输入功率的不断进步,对这些功率型LED 的封装技能提出了更高的要求。功率型LED 封装技能首要应满意以下二点要求:一是封装结构要有高的取光功率,其二是热阻要尽可能低,这样才干保证功率LED 的光电功能和牢靠性。所以本文将要点对功率型LED 的封装技能作介绍和论说。

  二、功率型LED 封装技能现状

因为功率型LED 的运用面十分广,不同运用场合下对功率LED 的要求不一样。依据功率巨细,现在的功率型LED 分为一般功率LED 和W 级功率LED 二种。输入功率小于1W 的LED(几十mW 功率LED在外)为一般功率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 常见的有二种结构办法,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 封装技能:

(1)一般功率LED

依据报道,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。它们典型的作业电流,别离为70mA 和150mA,输入功率别离为0.1W 和0.3W。

Osram 公司推出Power TOP LED是选用金属结构的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。其间一种PLCC-4 结构封装办法,其功率约200~300mW,这些结构的热阻一般为75~125℃/W。总归,这些结构的功率LED 比原支架式封装的LED 输入功率进步几倍,热阻下降几倍。

(2)W 级功率LED

W 级功率LED 是未来照明的中心部分,所以世界各大公司投入很大力气,对W 级功率封装技能进行研讨开发,并均已将所得的新结构、新技能等请求各种专利。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,依据报道,该封装结构的特色是选用热电别离的办法,将倒装芯片用硅载体直接焊接在热沉上,并选用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新资料,进步了器材的取光功率并改进了散热特性。可在较大的电流密度下安稳牢靠的作业,并具有比一般LED 低得多的热阻,一般为14~17℃/W,现有1W、3W 和5W的产品。该公司近期还报道[1]推出Luxeon III LED 产品,因为对封装和芯片进行改进,可在更高的驱动电流下作业,在700mA 电流作业50000 小时后仍能坚持70%的流明,在1A 电流作业20000 小时能坚持50%的流明。

Osram 公司于2003 年推出单芯片的Golden Dragon系列LED[2],其结构特色是热沉与金属线路板直接触摸,具有很好的散热功能,而输入功率可达1W。我国台湾UEC 公司(国联)选用金属键合(Metal Bonding)技能封装的MB 系列大功率LED[3]其特色是用Si 替代GaAs 衬底,散热好,并以金属黏结层作光反射层,进步光输出。现有LED 单芯片面积别离为:0.3×0.3mm2、1×1mm2 和2.5×2.5mm2 的芯片,其输入功率别离有0.3W 、1W 和10W,其间2.5×2.5mm2芯片光通量可达200lm,0.3W 和1W 产品正推向商场。多芯片组合封装的大功率LED,其结构和封装办法较多,这儿介绍几种典型的结构封装办法:

①美国UOE 公司于2001 年推出多芯片组合封装的Norlux 系列LED[4],其结构是选用六角形铝板作为衬底,如图5 所示,铝层导热好,中心发光区部分可安装40 只芯片,封装可为单色或多色组合,也可依据实践需求安置芯片数和金线焊接办法,该封装的大功率LED 其光通量功率为20lm/W,发光通量为100lm。
②Lanina Ceramics 公司于2003 年推出选用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷(LTCC-M)技能封装的大功率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。因为LTCC-M 技能是将LED 芯片直接衔接到密封阵列装备的封装盒上,因而作业温度可达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,选用散热功能优秀的衬底,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,供给展览的白光LED 模块发光功率达33lm/W。有关多芯片组合的大功率LED,许多公司依据实践商场需求,不断开发许多新结构封装的新产品,其开发研制的速度是十分快。

  2.国内功率型LED 封装技能

国内LED 一般产品的后工序封装才干应该是很强的,封装产品的种类较完全,据开端估量,全国LED 封装厂超越200 家,封装才干超越200 亿只/年,封装的配套才干也是很强的,可是许多封装厂为私营企业,现在来看规划偏小。

国内功率型LED 的封装,早在上世纪九十年代就开端,一些有实力的后封装企业,其时就开端开发并批量出产,如食人鱼功率型LED。国内的大学、研讨所很少对大功率LED 封装技能展开研讨,信息工业部第13 研讨所对功率型LED 封装技能展开研讨作业,并取得很好的研讨成果,详细开宣布功率LED 产品。

国内有实力的LED 封装企业(外商投资在外),如佛山国星、厦门华联等几个企业,很早就展开功率型LED的研制作业,并取得较好的作用。如食人鱼和PLCC 封装结构的产品,均可批量出产,并已研宣布单芯片1W 级的大功率LED 封装的样品。并且还进行多芯片或多器材组合的大功率LED 研制开发,并可供给部分样品供试用。对大功率LED 封装技能的研讨开发,现在国家没有正式支撑投入,国内研讨单位很少介入,封装企业投入研制的力度(人力和财力)还很不行,构成国内对封装技能的开发力气薄弱的局势,其封装的技能水平与国外比较还有恰当的间隔。

  三、功率型LED 工业化要害的封装技能

半导体LED 要作为照明光源,惯例产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源比较,间隔甚远。因而,LED 要在照明范畴展开,要害要将其发光功率、光通量进步至现有照明光源的等级。功率型LED 所用的外延资料选用MOCVD 的外延成长技能和多量子阱结构尽管其外量子功率还需进一步进步,但取得高发光通量的最大妨碍仍是芯片的取光功率低。现有的功率型LED 的规划选用了倒装焊新结构来进步芯片的取光功率,改进芯片的热特性,并经过增大芯片面积,加大作业电流来进步器材的光电变换功率,然后取得较高的发光通量。除了芯片外,器材的封装技能也无足轻重。要害的封装技能工艺有:

  1、散热技能

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度的反射杯中或载片台上,由金丝完结器材的表里衔接后用环氧树脂封装而成,其热阻高达250~300℃/W,新的功率型芯片若选用传统式的LED 封装办法,将会因为散热不良而导致芯片结温敏捷上升和环氧碳化变黄,然后构成器材的加速光衰直至失效,乃至因为敏捷的热膨胀所发生的应力构成开路而失效。因而,关于大作业电流的功率型LED芯片,低热阻、散热杰出及低应力的新的封装结构是功率型LED 器材的技能要害。选用低电阻率、高导热功能的资料粘结芯片;在芯片下部加铜或铝质热沉,并选用半包封结构,加速散热;乃至规划二次散热装置,来下降器材的热阻。在器材的内部,填充透明度高的柔性硅橡胶,在硅橡胶接受的温度范围内(一般为-40℃~200℃),胶体不会因温度突然改变而导致器材开路,也不会呈现变黄现象。零件资料也应充分考虑其导热、散热特性,以取得杰出的整体热特性。

  2、二次光学规划技能

为进步器材的取光功率,规划外加的反射杯与多重光学透镜。

  3、功率型LED 白光技能

常见的完结白光的工艺办法有如下三种:

1)蓝色芯片上涂上YAG 荧光粉,芯片的蓝色光激起荧光粉宣布典型值为500nm~560nm 的黄绿光,黄绿光与蓝色光组成白光。该办法制备相对简略,功率高,具有实用性。缺陷是布胶量一致性较差、荧光粉易沉积导致出光面均匀性差、色彩一致性欠好;色温偏高;显色性不行抱负。

2)RGB 三基色多个芯片或多个器材发光混色成白光;或许用蓝+黄绿色双芯片补色发生白光。只需散热得法,该办法发生的白光较前一种办法安稳,但驱动较杂乱,别的还要考虑不同色彩芯片的不同光衰速度。

3)在紫外光芯片上涂RGB 荧光粉,运用紫光激起荧光粉发生三基色光混色构成白光。但现在的紫外光芯片和RGB 荧光粉功率较低,环氧树脂在紫外光照射下易分化老化。我司现在已选用办法1)和2)进行白光LED 产品的批量出产,并已进行了W 级功率LED 的样品试制。积累了必定的经历和领会,咱们以为照明用W 级功率LED 产品要完结工业化还必须处理如下技能问题:

①粉涂布量操控:LED 芯片+荧光粉工艺选用的涂胶办法通常是将荧光粉与胶混合后用分配器将其涂到芯片上。照明职业门槛走低 LED大佬扯开智。在操作过程中,因为载体胶的粘度是动态参数、荧光粉比重大于载体胶而发生沉积以及分配器
精度等要素的影响,此工艺荧光粉的涂布量均匀性的操控有难度,导致了白光色彩的不均匀。
②芯片光电参数合作:半导体工艺的特色,决议同种资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,关于白光色度参数影响很大。这是工业化必需求处理的要害技能之一。
③依据运用要求发生的光色度参数操控:不同用处的产品,对白光LED 的色坐标、色温、显色性、光功率(或光强)和光的空间散布等要求就不同。上述参数的操控触及产品结构、工艺办法、资料等多方面要素的合作。在工业化出产中,对上述要素进行操控,得到契合运用要求、一致性好的产品十分重要。

  4、测验技能与规范

跟着W 级功率芯片制作技能和白光LED 工艺技能的展开,LED 产品正逐渐进入(特种)照明商场,显现或指示用的传统LED 产品参数检测规范及测验办法已不能满意照明运用的需求。国表里的半导体设备仪器出产企业也纷繁推出各自的测验仪器,不同的仪器运用的测验原理、条件、规范存在必定的差异,增加了测验运用、产品功能比较作业的难度和问题杂乱化。

我国光学光电子行业协会光电子器材分会行业协会依据LED 产品展开的需求,于2003 年发布了发光二极管测验办法(试行),该测验办法增加了LED 色度参数的规则。但LED 要往照明业拓宽,树立LED照明产品规范是工业规范化的重要手法。

5、挑选技能与牢靠性保证

因为灯具外观的约束,照明用LED 的安装空间密封且遭到限制,密封且有限的空间不利于LED 散热,这意味着照明LED 的运用环境要劣于传统显现、指示用LED 产品。别的,照明LED 处于大电流驱动下作业,这就对其提出更高的牢靠性要求。在工业化出产中,针对不同的产品用处,拟定恰当的热老化、温度循环冲击、负载老化工艺挑选实验,除掉前期失效品,保证产品的牢靠性很有必要。

6、静电防护技能

蓝宝石衬底的蓝色芯片其正负电极均坐落芯片上面,距离很小;关于InGaN/AlGaN/GaN 双异质结,InGaN 活化簿层仅几十nm,对静电的接受才干很小,极易被静电击穿,使器材失效。因而,在工业化出产中,静电的防备是否妥当,直接影响到产品的成品率、牢靠性和经济效益。静电的防备技能有如下几种:

①出产、运用场所从人体、台、地、空间及产品传输、堆积等施行防备,手法有防静电服装、手套、手环、鞋、垫、盒、离子电扇、检测仪器等。
②芯片上规划静电维护线路。
③LED 上安装维护器材。
厦门华联电子有限公司长时间从事半导体LED 及其它光电子器材的研制、出产。现在在功率LED 方面,
已具有食人鱼、PLCC 功率型LED 产品的量产才干。现在已有三基色芯片的PLCC 功率型LED 用于室外装修运用产品出口欧美商场。在多芯片混色白光技能运用方面,已有彩色显现模块出口。W 级功率型LED现已研宣布R、Y、G、B、W 色,两种外形样品。IF=350mA 下的光效别离约为14lm/W、11lm/W、12lm/W、4lm/W 和11.5lm/W,现在可供给样品试用。

  四、结束语

我国LED 封装产品首要是一般小功率LED,一起还具有必定的功率型LED 封装技能和水品。但因为多种原因,我国大功率LED 封装技能水平整体来说与世界水平还有恰当的间隔。为了加速展开LED 封装技能水平,咱们主张:

1.国家要要点支撑LED 前工序外延、芯片有实力的要点研讨单位(大学)和企业,会集优势,要点打破前工序的要害技能难点,赶快开发并出产有自主产权的1W、3W、5W 和10W 等大功率LED 芯片,只要这样,才干保证我国大功率LED 的顺利展开。

2.国家要要点拔擢几家有实力的大功率LED 封装企业,研制有自主产权的LED 封装产品,并要到达规划化的出产程度,参加世界商场竞争。

3.要注重荧光粉、封装环氧等根底资料的研讨开发及工业化作业。

4.依据商场要求,开发习惯商场的各种功率型LED 产品,首要瞄准特种照明运用的商场,并逐渐向一般照明灯源商场跨进。

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)

  

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