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2009-05-25 17:33 |
高亮度高纯度白光LED封装技术研究
摘要：通过对高功率 InGaN（蓝）LED倒装芯片结构＋YAG荧光粉构成白光LED的分析，可以得出这种结构能提高发光效率和散热效果的结论。通过对白光LED的构成和电流/温度/光通量的分析，可知在蓝宝石衬底和环氧树脂的界面间涂敷一层硅橡胶能改善光的折射率。改进光学器件的封装技术，可以大幅度提高大功率LED 的出光率（光通量）。 r5MxjuOB1
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关键词：高功率白光 LED 倒装结构 发光效率 :y+B;qw
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l 引言 K1?Z5X(b
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白光 LED是以蓝色LED为基础光源，将蓝色LED发出的一部分蓝光用来激发荧光粉，使荧光粉发出黄绿光或红光和绿光，另一部分蓝色光透射出来，与荧光粉发出的黄绿光或红光和绿光组成白光。蓝色LED发出的蓝色光(发光峰值波长在430nm或470nm)可与黄绿色荧光粉发出的黄绿光组成白光，也可与发出的发光峰值在650nm的红光和发光峰值在540nm的绿光组成白光。为了获得高的转换效率，荧光粉的激发光谱的峰值应在470nm附近，与蓝色LED的发光峰值相近。 pN\)(:"8v
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为了提高半导体高功率白光 LED器件发光效率和散热效果，可采用倒装InGaN(蓝)芯片结构，以及在芯片周围涂敷荧光粉。为了提高光的均匀性，需要将荧光粉均匀地涂敷在芯片的周围。对于这样的产品，实验已证明，电流和温度的增加会使LED的光谱发生蓝移和红移，但对荧光光谱影响并不大。寿命试验结果也较好，φ5的白光LED在工作1.2×10 4 h后，光输出才会下降至80％，而这种功率LED最高效率可达到44.3lm·W -1 ，最高光通量为l 87lm，产业化产品120Im，Ra为75～80。目前，国内外制作白光LED的方法是先将LED芯片放置在封装的基片上，用金丝进行键合，然后在芯片周围涂敷YAG荧光粉，再用环氧树脂包封。树脂既起保护芯片的作用又起到聚光镜的作用。从LED芯片发射出的蓝色光射到周同的荧光粉层内经多次散乱的反射、吸收，最后向外部发出。LED(蓝)的光谱线的峰值在465nm处，半值宽为30nm，是非常尖锐的蓝色光谱。LED发出的部分蓝色光激发黄色的YAG荧光粉层，使其发出黄色光(峰值为555nm)，一部分蓝色光直接或反射后向外发出，最终达到外部的光为蓝黄二色光。根据补色关系，两色光相混后即可得到白光。 K\RWC4
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美国 LumiLeds公司在2001年研制出了A1GaInN功率型倒装片结构LED(FCLED)，具体做法是：第一步，在P型外延层上沉积厚度大于50nm的NiAu层，用于欧姆接触和背反射；第二步，采用掩模选择刻蚀P型层，露出多量子阱N型有源区；第三步，沉积、刻蚀形成N型欧姆接触区。芯片尺寸为1mmxlmm，P型欧姆接触区为正方形，N型欧姆接触区为梳状形，这样可以减小电阻。第四步，将带有金属化凸点的A1GaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅载体上。美国Cree公司是采用SiC衬底制造A1GaInN超亮度LED的全球唯一厂家，近年来A1GalnN／SiC芯片结构不断改进，亮度不断提高。在这种结构中，P型和N型电极分别在芯片的顶部和底部，采用单线键合，加工方便，因而成为A1GalnN LED发展的另一主流。 t8+?U^j
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目前，在 LED行业，LED 芯片通常是用银浆安装在铜基或银基热沉上，再将热沉安装在铝基散热器上。芯片产生的热通过高导热率的铜或银热沉传递到铝基散热器上，再由铝基散热器将热散出(通过风冷或热传导方式散出)。这种做法的优点是：充分考虑散热器的性价比，将不同的散热材料结合在一起实现高效散热，并且成本控制合理。但是，值得注意的是：连接芯片和热沉的材料是十分重要的。当采用银浆作为芯片安装材料时，由于银浆的导热系数为10 W·m -1 K -1 ～25W-m -1 K -1 ，较低，就等于在芯片和热沉之间加了一道热阻。另外，银浆固化后的内部基本结构为：环氧树脂骨架+银粉。这样的结构热阻高且T g 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：用锡片作为芯片与热沉之间的连接材料(锡的导热系数为67 w·m -1 K -1 )。因为锡的导热效果与物理特性远优于银浆，从而可获得较为理想的散热效果(锡的热阻约为1 6 ℃ · W -1 )。 |-~b $nUe
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2 ESD静电保护 /xl4ohL$a
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我们实测发现，以 SiC为衬底的InGaN抗ESD能力(人体模式)可达1 100V以上。而一般以蓝宝石A1203为衬底的InGaN抗ESD仅能达到400V～500V(不同厂牌产品之综合结果)。如此低的抗．ESD能力会给LED灯封装厂商和下游电子应用厂商带来极大的不便。从同业相关资料得知，每年电子组件制造商因静电防护问题造成的损失十分惊人，在装配与消费者使用过程中都有一定的损失产生。我们知道，以SiC为衬底的InGaN比以蓝宝石A10203为衬底的InGaN在抗静电方面有一定的优势，但也不能本解决抗静电问题。我们发现，如果在大功率LED器件的芯片周围加入抗ESD二极管，就可以将抗静电能力提高到8500V以上，这样就可以解决不同层面电子制造商的静电损失问题。 nd.57@*M
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3 白光LED封装技术 PT3>E5`N u
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3．1 白光LED主要技术性能指标 R'rTE
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白光 LED的主要技术性能指标如表l所示。 PeO] lq
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表 1 主要技术性能指标 `_|aeoK_
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工作电流 I F /mA q _cC7p6t
光能量 /lm x>} B#
发光效率 /m·W -1 d)N^PJ/
色温 /K AT"!{Y "H
显色指数 j7K5SS_]
输出光能 (流明/W) =v.{JV #
寿命 /×10 4 h kW#S]fsfU
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2500-3500 >^dyQyK
R a ≥100 W7t
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3.2 白光LED封装技术 k^z0Lo|)'
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R12ll系列是采用CMOS工艺生产的低功耗、具有电流控制功能的开关式升压转换器。外围电路简单，只需一个电感、一个二极管、一个场效应管和几个电阻电容。输入电压范围是2．5V～5．5V，匹配单节锂离子电池或普通干电池组。芯片内部为PWM调制方式，可以产生高达15V的输出电压，足够驱动3个串联LED。其使用材料的热性能情况见表2。 1@xP(XS
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经试验测得当 T g =25 ℃ 时，电流／温度／光通量关系如图 l～图3所示。 tv0Ha A
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表 2 大功率照明级纯白LED使用材料的导热系数 g+ /0DO_F3
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序号 N#4N?BBP"
材质 ~/2g)IS
导热系数λ /W（m·k） 1pK6=-3 w3
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碳钢 KF_ ?'X0=
（ C=0.5～1.5）39.2～36.7 vYdR ht\(
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镍钢 @D)Z{=>{=5
(Ni=1%～50%)45.5～19.6 s.VA!@F5
/be=u@KV
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黄铜 @D~B{Hg
(70Cu-30Zn)109 Z&Ue|Z 4Qt
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铝合金 Di> rO038
(60Cu-40Ni)22.2 ;FU|7L$H
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铝合金 >^=gDJ\a
(87Al-13Si)162 [[WF0q
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铝青铜 D<bI2
(90Cu-10Al)56 Lu=O+{*8
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锌 7 ^$;
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纯铜 8 lT{1ro
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黄金 Da.G4,vLh
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纯铁 F< |t\KOW
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玻璃 Um` !%
0.65～0.71 %, P >%'0
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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散出，保持PN结的温度在允许范围内，就无法获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命。从表2可得知，在常用的散热材料中银的导热率最好，但是银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。采用芯片的倒装技术(Flip Chip)可以得到比传统的LED芯片封装技术更多的有效出光。但是，如果不在芯片的发光层的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以反射，增加器件的出光率。而且在倒装芯片的蓝宝石衬底(Sapphire)与环氧树脂导光结合面间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，常用的透镜形状有j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器件的封装最好采取气密性封装，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压克力等合成材料。也可以采用传统的环氧树脂模压式封装，加上二次散热设计也基本可以达到提高出光率的效果。 pUYM}&dX
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3．3 封装工艺流程 12UD19 !
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其封装工艺流程一般为：固晶 →白胶烘烤→配荧光粉→焊线→点荧光粉→荧光粉烘烤→封胶→冲筋→点白胶→二切→ 三切→电性测试→分光分色→包装。 j 5$GFi\kB
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用芯片筛选机挑选波长一致及亮度高的芯片进行投产，自动点胶机解决因人工点胶不均匀而造成偏色现象，自动同品机解决因人工固晶角度偏移、倾斜而造成发光角度、聚光点偏移。自动焊线机解决金球大小不一、拉力不稳定、松焊现象。自动分光分色机精选其 VF、IV、λd等，挑选出发光颜色一致的产品。 YHX Lv#8
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4 结语 YJeyIYCs<
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芯片倒装技术可以得到比传统的 LED芯片封装技术更多的有效出光。但是如果不在芯片的发光层的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以反射，增加器件的出光率。而且在倒装芯片的蓝宝石衬底(Sapphire)与环氧树脂导光结合面间应加上一层硅胶材料以改善芯片出光的折射率。经过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)。白光LED因其具有发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、体积小可平面封装等优点被业界看好，在未来10年内，它将成为替代传统照明器具的一大潜力商品。在白光LED成本进一步降低，照明应用领域陆续开发的情况下，白光LED一定会有可观的市场前景。
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