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主要封装技术概况

 时间:2007-12-28 
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1)LED单芯片封装

  LED在过去的30多年里,取得飞速发展。第一批产品出现在1968年,工作电流20mA的LED的光通量只有千分之几流明,相应的发光效率为0.1 lm/W,而且只有一种光色为650 nm的红色光。70年代初该技术进步很快,发光效率达到1 lm/W,颜色也扩大到红色、绿色和黄色。伴随着新材料的发明和光效的提高,单个LED光源的功率和光通量也在迅速增加。原先,一般LED的驱动电流仅为20 mA。到了20世纪90年代,一种代号为“食人鱼”的LED光源的驱动电流增加到50-70mA,而新型大功率LED的驱动电流达到300—500 mA。特别是1998年白光LED的开发成功,使得LED应用从单纯的标识显示功能向照明功能迈出了实质性的一步。图2-1到图2-4描述了LED的发展历程。

图2-1 普通LED

图2-2 高亮度LED

图2-3 食人鱼LED

图2-4 大功率LED

A 功率型LED封装技术现状

  功率型LED分为功率LED和瓦(W)级功率LED两种。功率LED的输入功率小于1W(几十毫瓦功率LED除外);W级功率LED的输入功率等于或大于1W。

  最早有HP公司于20世纪90年代初推出“食人鱼”封装结构的LED,并于1994年推出改进型的“Snap LED”,有两种工作电流,分别为70mA和150mA,输入功率可达0.3W。接着OSRAM公司推出“Power TOP LED”,之后一些公司推出多种功率LED的封装结构。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,热阻降为过去的几分之一。

  W级功率LED是未来照明的核心,世界各大公司投入很大力量,对其封装技术进行研究开发。单芯片W级功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LUXEON LED,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,现可提供单芯片1W、3W和5W的大功率LED,Lumileds公司拥有多项功率型白光二极管封装方面的专利技术。OSRAM于2003年推出单芯片的Golden Dragon”系列LED,其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。日亚的1W LED工作电流为350 mA,白光、蓝光、蓝绿光和绿光的光通量分别为23、7、28和20流明,预计其寿命为5万小时。

B 功率型LED封装技术概述

  半导体LED若要作为照明光源,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,关键是要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。由于LED芯片输入功率的不断提高,功率型LED封装技术主要应满足以下两点要求:①封装结构要有高的取光效率;②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。

  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,虽然其内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。

功率型LED封装关键技术:

a.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150~250℃/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。

  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。可采用低阻率、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胶,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。

普通LED和大功率LED封装结构分别见图2-5,图2-6。热阻参考值见表2-1。

图2-5 普通LED封装结构图

图2-6 大功率LED封装结构图

表2-1普通LED与大功率LED的热阻参考值对比

LED功率

热阻参考 (℃/W)

普通LED

150~250

1W LED

< 50

3W LED

< 30

5W LED

< 18

10W LED

< 9

b 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。

c.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,蓝光激发荧光粉发出的黄绿光与蓝光合成白光。该方法相对简单,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

  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。由于目前的紫外光芯片和RGB荧光粉效率较低,仍未达到实用阶段。

表2-2 三条主要的白光LED制备路线比较

紫外LED + RGB荧光粉

蓝光LED + 黄色荧光粉

二元互补色LED

RGB多芯片组合

白光LED

芯片

显色性

最好

一般

一般

一般

色稳定性

最好

一般

一般

流明保持率

未有数据

一般

荧光材料

在研

较成熟

-

-

-

效率

最好

一般

一般

应用

白光照明

背光源

特殊照明

显示

背光源

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荧光粉涂敷量和均匀性控制: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。

d.检测技术与标准

  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。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。

e.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,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是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,进行适当的热老化、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。

f.静电防护技术

  由于GaN是宽禁带材料,电阻率较高,该类芯片在生产过程中因静电产生的感生电荷不易消失,累积到相当的程度,可以产生很高的静电电压。当超过材料的承受能力时,会发生击穿现象并放电。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有源层仅几十纳米,对静电的承受能力很小,极易被静电击穿,使器件失效。GaN基LED和传统的LED相比,抗静电能力差是其鲜明的缺点,静电导致的失效问题已成为影响产品合格率和使用推广的一个非常棘手的问题。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对生产使用场所从人体、台、地、空间及产品传输、堆放等方面实施防范。②芯片上设计静电保护线路。③LED上装配静电保护器件。

2)多芯片集成封装

  为避免大尺寸芯片导致发光效率的下降等问题,可采用小尺寸芯片集成的方法来增加单管最大可发光通量。由于小芯片技术相对成熟,各种高热导绝缘夹层的铝基板散热好,对提高光效和增加器件稳定性都有好处并便于芯片集成和散热,效果不错,结构和封装形式较多。但正装小芯片固有的缺点如电极引线遮光等问题,在多片集成时会加重而影响发光效率,在基板上设计“无引线”的芯片集成可避免引线问题,是提高小芯片集成光效的途径之一。

  美国UOE公司曾研制的NorLux系列。这个系列采用六角形铝板作为衬底,衬底直径为1.25英寸,发光区位于其中央部位,直径约为0.375英寸,可容纳40个发光二极管芯片,芯片的键合引线是通过在衬底上做成的两个接触点与正极和负极连接,芯片结构可根据所需输出光功率的大小来确定衬底上排列管芯的数目。Lamina Ceramics公司于2003年推出了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。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。河北立德公司目前已具有单色、多基色、白色等各种颜色,各种工作电压,各种功率的多芯片集成LED功率光源产品,最大集成功率已分别达到12W(彩色)和6W(白色)。

图2-7 多芯片集成封装产品

3)荧光粉

  在白光LED的制备中,荧光粉是一个非常关键的材料,它的性能直接影响白光LED的亮度、色坐标、色温及显色性等。利用LED芯片配合特定荧光粉产生白光的方法工艺简单,成本较低。目前商品化白光LED产品及未来的发展趋势仍以单芯片型为主流,而开发具有良好发光特性的荧光粉是得到高亮度、高发光效率、高显色性白光LED的关键所在。

  通常,选择LED用荧光粉的标准是:①荧光粉能被与之匹配的LED芯片有效激发;②并具有高的量子效率;③化学性质稳定。

  目前采用荧光粉产生白光共有三种方式:蓝光LED配合黄色荧光粉;蓝光LED配合红色、绿色荧光粉;UV-LED配合红、绿、蓝三色荧光粉。目前商品化的白光LED多属蓝光LED配合黄色荧光粉的单芯片型,蓝光LED配合红色、绿色荧光粉的白光产生方式只是在OSRAR、Lumileds等公司的专利上报道过,但仍未有商品化产品出现,而UV-LED配合三色荧光粉的方式目前也尚处于开发中。不同荧光粉产生白光LED的优缺点比较见表2-3。

表2-3 采用荧光粉产生白光LED各种方式的优缺点比较

白光产生类型

白光产生方式

优点

缺点

单芯片型

蓝光LED配合黄色荧光粉

单一芯片即可发白光,成本低,制作简单

效率低,显色性有待提高,低色温难以实现,光色随电流变化,容易有月晕现象

蓝光LED配合红色、绿色荧光粉

光谱为三波长分布,显色性较高,光色及色温可调

光色随电流变化,有月晕现象但不明显

UV-LED配合红、绿、蓝三色荧光粉

高显色性,光色及色温可调,使用高转换效率荧光粉提高发光效率,光色均匀不随电流变化

粉体混合较为困难,高效率的荧光粉有待研制

A. 稀土黄色荧光粉

  在利用LED产生白光的单芯片型方法中,采用蓝光LED芯片配合发黄光的荧光粉的技术相对成熟,目前商品化的白光LED多数采用这种组合方式;其中采用的黄色荧光粉为铈激活的钇铝石榴石(以下简称“YAG:Ce”)。它能在蓝光LED芯片的激发下发出宽带的黄光,与芯片发出的蓝光混合而形成白光。同时可以根据不同芯片和应用的需要,通过调整Y3+、Gd3+或Al3+、Ga3+的摩尔配比,得到所需波长的黄色荧光粉。

B. 稀土红色荧光粉

  尽管采用蓝光配合发黄色光的荧光粉在产生白光方面已经取得巨大成功,但该方法仍存在两个缺点:显色性需进一步提高,尤其是利用单一黄色荧光粉难以制备出相关色温较低(3500 K以下)的白光LED,这两方面的缺点可通过添加红色荧光粉来得以改善;同时,在其它产生白光的方法中,红色荧光粉也起着举足轻重的作用,比如它可以与蓝光LED及绿色荧光粉配合产生白光,还能与绿、蓝色荧光粉及紫光或紫外LED配合产生白光。一直以来,红色荧光粉效率较低,成为LED用荧光粉乃至白光LED发展的瓶颈。

C.稀土绿色荧光粉

  LED用绿色荧光粉为二价铕激活的氯硅酸镁钙(简称CMSC),它具有较强的发射峰,并且它的激发光谱非常宽,适于紫外、紫光或蓝光LED激发。

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