超高亮度led的应用面不断扩大,首先进入特种照明的市场领域,并向普通照明市场迈进。由于led芯片输入功率的不断提高,对这些功率型led的封装技术提出了更高的要求。功率型led封装技术主要应满足以下两点要求:一是封装结构要有高的取光效率,其二是热阻要尽可能低,这样才能保证功率led的光电性能和可靠性。众所周知,发光二极管的出现值得很多人的关注,激起了整个市场的波澜。
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。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。关键的封装技术工艺有:
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250℃w~300℃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。
因此,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橡胶,在硅橡胶承受的温度范围内(一般为-40℃~200℃),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。
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。
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,芯片的蓝色光激发荧光粉发出540nm~560nm的黄绿光,黄绿光与蓝色光合成白光。该方法制备相对简单,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;显色性不够理想。
(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+黄绿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,但驱动较复杂,另外还要考虑不同颜色芯片的不同光衰速度。
(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。
我们认为,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、粉涂布量控制: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,导致了白光颜色的不均匀。
2、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。
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(特种)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。
我国光学光电子行业协会光电子器件分会行业协会根据led产品发展的需要,于2003年发布了发光二极管测试方法(试行),该测试方法增加了对led色度参数的规定。但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。
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,密封且有限的空间不利于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。
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inganalgangan双异质结,ingan活化薄层仅几十纳米,对静电的承受能力很小,极易被静电击穿,使器件失效。
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,手段有防静电服装、手套、手环、鞋、垫、盒、离子风扇、检测仪器等。
2、芯片上设计静电保护线路。
3、led上装配保护器件。
功率型led封装技术现状
功率型led分为功率led和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.
国外功率型led封装技术
(1)功率led
最早有hp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snapled,有两种工作电流,分别为70ma和150ma,输入功率可达0.3w.接着osram推出powertopled.之后一些推出多种功率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,热阻降为几分之一。
(2)w级功率led
w级功率led是未来照明的核心部分,所以世界各大投入很大力量,对w级功率led的封装技术进行研究开发。
单芯片w级功率led最早是由lumileds于1998年推出的luxeonled,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接在热沉上,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.osram于2003年推出单芯片的goldendragon系列led,其结构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.
多芯片组合封装的大功率led,其结构和封装形式较多。美国uoe于2001年推出多芯片组合封装的norlux系列led,其结构是采用六角形铝板作为衬底。laninaceramics于2003年推出了采用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。松下于2003年推出由64只芯片组合封装的大功率白光led.日亚于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,提供展览的白光led模块发光效率达33lmw.
有关多芯片组合的大功率led,许多根据实际市场需求,不断开发出很多新结构封装的新产品,其开发研制的速度非常快。
国内功率型led封装技术
国内led封装产品的品种较齐全,据初步估计,全国led封装厂超过200家,封装能力超过200亿只年,封装的配套能力也很强。但是很多封装厂为私营企业,规模偏小。但我国台湾uec(国联)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,散热好,并以金属黏结层作光反射层,提高光输出。
对于大功率led封装技术的研究开发,目前国家尚未正式支持投入,国内研究单位很少介入,封装企业投入研发的力度(人力和财力)还很不够,形成国内对封装技术的开发力量薄弱的局面,封装的技术水平与国外相比还有相当的差距。