高亮度高純度白光LED封裝技術(shù)研究-LED
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，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。
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