大功率LED的封装技术及进展

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   从实际应用的淬硬层 来看,安装使用简单、体积相对较小的大功率LED器件在大每项的照明应用中必将取代传统的小功率LED器件。由小功率LED组成的照明灯具为了满足照明的需要,需要集中或多或少个LED的光能并能达到设计要求,但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,需要设计复杂的供电电路。

   相比之下,大功率单体LED的功率远大于若干个小功率LED的功率总和,供电线路相对简单,散热底部形态完善,物理底部形态稳定。而是说,大功率LED器件的封装最好的法律法律依据和封装材料难能可贵能简单地套用传统的小功率LED器件的封装最好的法律法律依据与封装材料。大的耗散功率、大的发热量以及高的出光速率单位,给LED封装工艺、封装设备和封装材料提出了新的更高的要求。

1、大功率LED芯片

要想得到大功率LED器件,就需要制备大约 的大功率LED芯片。国际上通常的制造大功率LED芯片的最好的法律法律依据有如下几种:

①加大尺寸法。通过增大单体LED的有效发光面积和尺寸,促使流经TCL层的电流均匀分布,以达到预期的光通量。如何让,简单地增大发光面积无法处理散热大问题和出光大问题,难能可贵能达到预期的光通量和实际应用效果。

②硅底板倒装法。首先制备出适合共晶焊接的大尺寸LED芯片,一起制备出相应尺寸的硅底板,并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金导电层及引出导电层(超声金丝球焊点),再利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊接在一起。以前的底部形态较为合理,既考虑了出光大问题又考虑到了散热大问题,这是目前主流的大功率LED的生产最好的法律法律依据。

美国LumiLEDs公司于1001年研制出了AlGaInN功率型倒装芯片(FCLED)底部形态,其制造流程是:首先在外延片顶部的P型GaN上淀积淬硬层 大于100A的NiAu层,用于欧姆接触和背反射;再采用掩模选者刻蚀掉P型层和几滴 子阱有源层,露出N型层;经淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层,芯片尺寸为1mm×1mm,P型欧姆接触为正方形,N型欧姆接触以梳状插入其中,以前可缩短电流扩展距离,把扩展电阻降至最小;如何让将金属化凸点的AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅载体上。

③陶瓷底板倒装法。先利用LED晶片通用设备制备出具有适合共晶焊接电极底部形态的大出光面积的LED芯片和相应的陶瓷底板,并在陶瓷底板上制作出共晶焊接导电层及引出导电层,如何让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。以前的底部形态既考虑了出光大问题也考虑到了散热大问题,如何让采用的陶瓷底板为高导热陶瓷板,散热效果非常理想,价格又相对较低,而是为目前较为适宜的底板材料,并可为将来的集成电路一体化封装预留空间。

④蓝宝石衬底过渡法。按照传统的InGaN芯片制造最好的法律法律依据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,制发名权上下电极底部形态的大尺寸蓝光LED芯片。

⑤AlGaInN碳化硅(SiC)背面出光法。美国Cree公司是全球唯一采用SiC衬底制造AlGaInN超高亮度LED的厂家,几年来其生产的AlGaInN/SiCa芯片底部形态不断改进,亮度不断提高。机会P型和N型电极分别指在芯片的底部和顶部,采用单引线键合,兼容性较好,使用方便,因而成为AlGaInNLED发展的另一主流产品。

2、功率型封装

功率LED最早刚结束HP公司于20世纪90年代初推出“食人鱼”封装底部形态的LED,该公司于1994年推出的改进型的“SnapLED”有这些工作电流,分别为70mA和100mA,输入功率可达0.3W。功率LED的输入功率比原支架式封装的LED的输入功率提高了几倍,热阻降为以前的几分之一。瓦级功率LED是未来照明器件的核心每项,而是世界各大公司都投入了很大力量对瓦级功率LED的封装技术进行研究开发。

LED芯片及封装向大功率方向发展,在大电流下产生比φ5mmLED大10~20倍的光通量,需要采用有效的散热与不劣化的封装材料处理光衰大问题,如何让,管壳及封装是其关键技术,目前能承受数瓦功率的LED封装已一个劲冒出。5W系列白色、绿色、浅绿色、浅绿色的功率型LED从1003年年初刚结束推向市场,白光LED的光输出达187lm,光效为44.3lm/W。目前正开发出可承受10W功率的LED,采用大面积管芯,尺寸为2.5mm×2.5mm,可在5A电流下工作,光输出达100lm。

Luxeon系列功率LED是将AlGaInN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上,如何让把完成倒装焊接的硅载体装在 去热衬与管壳中,键合引线进行封装。这些封装的取光速率单位、散热性能以及加大工作电流密度的设计都不 最佳的。

在应用中,可将已封装产品组装在 有5个 涵盖铝夹层的金属芯PCB板上,形成功率密度型LED,PCB板作为器件电极连接的布线使用,铝芯夹层则可作为热衬使用,以获得较高的光通量和光电转换速率单位。此外,封装好的SMD-LED体积很小,可灵活地组合起来,构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。

超高亮度LED作为信号灯和或多或少辅助照明光源应用时,一般是将多个Φ5mm封装的各种单色和白光LED组装在 有5个 灯盘或标准灯座上,使用寿命可达到40万 小时。100年已有研究指出,Φ5mm白光LED工作10000h后,其光强已降至以前的一半。事实上,采用Φ5mm白光LED阵列的发光装置,其寿命机会如此1000h。不同颜色的LED的光衰加速运动率单位不同,其中红色最慢,蓝、绿色居中,白色最快。机会Φ5mm封装的LED以前仅用于指示灯,其封装热阻高达100℃/W,如此充分地散热,致使LED芯片的温度升高,造成器件光衰减加快。此外,环氧树脂变黄也将使光输出降低。大功率LED在大电流下产生比Φ5mm白光LED大10~20倍的光通量,如何让需要通过有效的散热设计和采用不劣化的封装材料来处理光衰大问题,管壳及封装已成为研制大功率LED的关键技术之一。全新的LED功率型封装设计理念主要归为两类,一类为单芯片功率型封装,另一类为多芯片功率型封装。

(1)功率型LED的单芯片封装

1998年美国LumiLEDs公司研制出了Luxeon系列大功率LED单芯片封装底部形态,这些功率型单芯片LED封装底部形态与常规的Φ5mmLED封装底部形态全然不同,它是将正面出光的LED芯片直接焊接在热衬上,或将背面出光的LED芯片先倒装在 具有焊料凸点的硅载体上,如何让再将其焊接在热衬上,使大面积芯片在大电流下工作的热底部形态得到改善。这些封装对于取光速率单位、散热性能和电流密度的设计都不 最佳的,其主要特点有:

①热阻低。

传统环氧封装具有很高的高热阻,而这些新型封装底部形态的热阻一般仅为14℃/W,可减小至常规LED的1/20。

②可靠性高。内部内部结构填充稳定的柔性胶凝体,在40~120℃时,无需因温度骤变产生的内应力使金丝和框架引线断开。用这些硅橡胶作为光耦合的密封带材料,无需一个劲冒出普通光学环氧树脂那样的变黄大问题,金属引线框架而是会因氧化而脏污。

③反射杯和透镜的最佳设计使辐射可控,光学速率单位最高。在应用中可将它们组装在 有5个 涵盖铝夹层的电路板(铝芯PCB板)上,电路板作为器件电极连接的布线用,铝芯夹层则可作为功率型LED的热衬。以前不仅可获得较高的光通量,如何让还具有较高的光电转换速率单位。

单芯片瓦级功率LED最早是由LumiLEDs公司于1998年推出的LuxeonLED,该封装底部形态的特点是采用热电分离的形式,将倒装片用硅载体直接焊接在热衬上,并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新底部形态和新材料,现可提供单芯片1W、3W和5W的大功率LED产品。OSRAM公司于1003年推出单芯片的GoldenDragon系列LED,其底部形态特点是热衬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。

(2)功率型LED的多芯片组合封装

六角形铝衬底的直径为3.175cm(1.25英寸),发光区指在其中央部位,直径约为0.9525cm(0.375英寸),可容纳40个LED芯片。用铝板作为热衬,并使芯片的键合引线通过在衬底上做成的有5个 接触点与正极和负极连接。根据所需输出光功率的大小来选者衬底上排列管芯的数目,组合封装的超高亮度芯片包括AlGaInN和AlGaInP,它们的发射光可为单色、彩色(RGB)、白色(由RGB三基色合成或由浅绿色和黄色二元合成)。最后采用高折射率的材料按照光学设计底部形态进行封装,不仅取光速率单位高,如何让还并能使芯片和键合的引线得到保护。由40个AlGaInP(AS)芯片组合封装的LED的流明速率单位为20lm/W。采用RGB三基色合成白光的组合封装模块,当混色比为0:43(R)0:48(G):0.009(B)时,光通量的典型值为100lm,CCT标准色温为4420K,色坐标x为0.3612,y为0.3529。由此可见,这些采用常规芯片进行高密度组合封装的功率型LED可不可不可以 达到较高的亮度水平,具有热阻低、可在大电流下工作和光输出功率高等特点。

多芯片组合封装的大功率LED,其底部形态和封装形式较多。美国UOE公司于1001年推出多芯片组合封装的Norlux系列LED,其底部形态是采用六角形铝板作为衬底。LaninaCeramics公司于1003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1003年推出由64只芯片组合封装的大功率白光LED。日亚公司于1003年推出超高亮度白光LED,其光通量可达1000lm,输出光束为100lm时,耗电量为100W,最大输入功率为100W,白光LED模块的发光速率单位达33lm/W。我国台湾UEC(国联)公司采用金属键合(MetalBonding)技术封装的MB系列大功率LED的特点是,用Si代替GaAs衬底,散热效果好,并以金属粘结层作为光反射层,提高了光输出。

功率型LED的热底部形态直接影响到LED的工作温度、发光速率单位、发光波长、使用寿命等,如何让,功率型LED芯片的封装设计、制造技术显得尤为重要。

大功率LED封装中主要需考虑的大问题有:

①散热。散热对于功率型LED器件来说是至关重要的。机会如此将电流产生的热量及时地散出,保持PN结的结温在允许范围内,将无法获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命。

在常用的散热材料中银的导热率最高,如何让银的成本较高,不适宜作通用型散热器。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,但其综合成本最低,促使大规模制造。

经过实验对比发现较为大约 的做法是:连接芯片每项采用铜基或银基热衬,再将该热衬连接在铝基散热器上,采用阶梯型导热底部形态,利用铜或银的高导热率将芯片产生的热量高效地传递给铝基散热器,再通过铝基散热器将热量散出(通过风冷或热传导最好的法律法律依据散出)。这些做法的优点是:充分考虑散热器的性价比,将不同特点的散热器结合在一起,做到高效散热并使成本控制合理化。

应注意的是:连接铜基热衬与芯片的材料的选者是十分重要的,LED行业常用的芯片连接材料为银胶。如何让,经过研究发现,银胶的热阻为10~25W/(m·K),机会采用银胶作为连接材料,就等于人为地在芯片与热衬之间加上一道热阻。另外,银胶固化后的内部内部结构基本底部形态为环氧树脂骨架+银粉填充式导热导电底部形态,这些底部形态的热阻极高且TG点较低,对器件的散热与物理底部形态的稳定极为不利。处理此大问题的做法是:以锡片焊作为晶粒与热衬之间的连接材料[锡的导热系数为67W/(m·K)],可不可不可以 获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底部形态远优于银胶。

②出光。传统的LED器件封装最好的法律法律依据如此利用芯片发出的约100%的光能,机会半导体与封闭环氧树脂的折射率相差较大,致使内部内部结构的全反射临界角很小,有源层产生的光如此小每项被取出,大每项光在芯片内部内部结构经多次反射而被吸收,这是超高亮度LED芯片取光速率单位很低的根本由于 。如何将内部内部结构不同材料间折射、反射消耗的100%光能加以利用,是设计出光系数的关键。

通过芯片的倒装技术(FlipChip)可不可不可以 比传统的LED芯片封装技术得到更多的有效出光。如何让,机会说没了芯片的发光层与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,而是在底板材料上需要增加反射层。芯片侧面的光也需要利用热衬的镜面加工法加以反射出,增加器件的出光率。如何让在倒装芯片的蓝宝石衬底每项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,可不可不可以 大幅度提高大功率LED器件的出光率(光通量)。大功率LED器件顶部透镜的光学设计也是十分重要的,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。

常用的透镜底部形态有:凸透镜、凹锥透镜、球镜、菲涅尔透镜以及组合式透镜等。透镜与大功率LED器件的理想装配最好的法律法律依据是采取气密性封装,机会受透镜底部形态所限,也可采取半气密性封装。透镜材料应选者高透光率的玻璃或亚克力等合成材料,并可不可不可以 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不可不可以 达到提高出光率的效果。

3、功率型LED的进展

功率型LED的研制起刚结束20世纪100年代中期的GaAs红外光源,机会其可靠性高、体积小、重量轻,可在低电压下工作,如何让被首先用于军用夜视仪,以取代原有的白炽灯,20世纪100年代InGaAsP/InP双异质结红外光源被用于或多或少专用的测试仪器,以取代原有的体积大、寿命短的氙灯。

这些红外光源的直流工作电流可达1A,脉冲工作电流可达24A。红外光源虽属早期的功率型LED,但它一个劲发展至今,产品不断更新换代,应用更加广泛,并成为当今可光功率型LED发展可继承的技术基础。

1991年,红、橙、黄色AlGaInP功率型LED的实用化,使LED的应用从室内走向室外,成功地用于各种交通信号灯,汽车的尾灯、方向灯以及户外信息显示屏。蓝、绿色AlGaInN超高亮度LED的相继研制成功,实现了LED的超高亮度全色化,然而用于照明则是超高亮度LED拓展的又一全新领域,用LED二氧化碳 灯取代白炽灯和荧光灯等传统玻壳照明光源已成为LED发展目标。如何让,功率型LED的研发和产业化将成为今后发展的另一重要方向,其技术关键是不断提高发光速率单位和每一器件(组件)的光通量。

功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生长技术和几滴 子阱底部形态,虽然其内量子速率单位还需进一步提高,但获得高光通量的最大障碍仍是芯片的取光速率单位很低。目前机会沿用了传统的指示灯型LED封装底部形态,工作电流一般被限定为20mA。按照这些常规理念设计和制作的功率型LED根本无法达到高速率单位和高光通量的要求。为了提高可见光功率型LED的发光速率单位和光通量,需要采用新的设计理念,一方面通过设计新型芯片底部形态来提高取光速率单位,买车人面通过增大芯片面积、加大工作电流、采用低热阻的封装底部形态来提高器件的光电转换速率单位。如何让,设计和制作新型芯片和封装底部形态,不断提高器件的取光速率单位和光电转换速率单位,一个劲是功率型LED发展中至关重要的课题。

功率型LED大大扩展了LED在各种信号显示和照明光源领域中的应用,主要有汽车内外灯和各种交通信号灯,包括城市交通、铁路、公路、机场、海港灯塔、安全警示灯等。功率型白光LED作为专用照明光源已刚结束用于汽车和飞机内的阅读灯,在便携式照明光源(如钥匙灯、手电筒)、背光源及矿工灯等应用方面也得到无需 的应用。白光除了由三基色合成外,还可通过将这些特制的磷光体涂敷在GaN浅绿色或紫外波长的功率型LED芯片上而形成。功率型LED在建筑物装饰光源、舞台灯光、商场橱窗照明、广告灯箱照明、庭院草坪照明、城市夜景等方面与其类似产品相比显示出了它独有的特点。使用功率型RGB三基色LED,可制成底部形态紧凑、发光速率单位比传统白炽灯光源高的数字式调色调光光源,配合计算机控制技术,可得到极其充沛多彩的发光效果。功率型LED所具有的低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高等优点,使其在军事上还可作为野战、潜水、航天、航空所需的特种二氧化碳 光源。

功率型LED底部形态的进步,取光和热衬的优化设计使其发光速率单位和光通量不断提高,由多个5mmLED组装的灯盘和灯头将被由功率型LED组装的灯芯所取代。从1970年至100年的最近100年以来,光通量每18~2有5个 月要增加2倍。自1998年Norlux系列功率型LED问世后,光通量的增加趋势则变快。

随着功率型LED性能的改进,LED照明光源引起了照明领域的更大的关注。普通照明市场的需求是巨大的,功率型LED白光技术将更能适应普通照明的应用。而是LED产业能持续这些开发方向,则LED二氧化碳 照明在未来5~10年机会取得重大的市场突破。

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