照明用LED封裝技術關鍵

　 半導體發(fā)光二極管(light - emitting diode) 簡稱LED ,從二十世紀60 年代研制出來并逐步走向市場化,其封裝技術也在不斷改進和發(fā)展。由最早用玻璃管封裝發(fā)展至支架式環(huán)氧封裝和表面貼裝式封裝,使得小功率LED 獲得廣泛的應用。從二十世紀90 年代開始,由于LED 外延、芯片技術上的突破,四元系Al2GaInP 和GaN 基的LED 相繼問世,實現(xiàn)了LED 全色化,發(fā)光亮度大大提高,并可組合各種顏色和白光〔1〕。器件輸入功率上有很大提高。目前單芯片1W大功率LED 已產(chǎn)業(yè)化并推向市場,這使得超高亮度LED的應用面不斷擴大,由特種照明的市場領域,逐步向普通照明市場邁進。由于LED 芯片輸入功率的不斷提高,對其封裝技術提出了更高的要求.LED 要在照明領域發(fā)展,關鍵要將其發(fā)光效率、光通量提高到現(xiàn)有照明光源的水平。大功率LED所用的外延材料采用MOCVD 的外延生長技術和多量子阱結構,雖然其外量子效率還需進一步提高,但獲得高光通量的最大障礙是芯片的取光效率低?，F(xiàn)有的大功率LED 的設計采用了倒裝焊新結構來提高芯片的取光效率,改善芯片的熱特性,并通過增大芯片面積,加大工作電流來提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率,從而獲得較高的光通量。除了芯片外,器件的封裝技術也舉足輕重。關鍵的封裝技術工藝有:

1 　散熱技術
傳統(tǒng)的指示燈型LED 封裝結構,一般是用導電或非導電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上,由金絲完成器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹脂封裝而成,其熱阻高達250～300 ℃/ W,新的大功率芯片若采用傳統(tǒng)式的LED 封裝形式,將會因為散熱不良而導致芯片結溫迅速上升和環(huán)氧碳化變黃,從而造成器件的加速光衰直至失效,甚至因為迅速的熱膨脹所產(chǎn)生的應力造成開路而失效。因此,對于大工作電流的大功率LED 芯片,低熱阻、散熱良好及低應力的新的封裝結構是技術關鍵。采用低電阻率、高導熱性能的材料粘結芯片;在芯片下部加銅或鋁質(zhì)熱沉,并采用半包封結構,加速散熱;甚至設計二次散熱裝置,來降低器件的熱阻。在器件的內(nèi)部,填充透明度高的柔性硅橡膠,在硅橡膠承受的溫度范圍內(nèi)(一般為- 40～200 ℃) ,膠體不會因溫度驟然變化而導致器件開路,也不會出現(xiàn)變黃現(xiàn)象。零件材料也應充分考慮其導熱、散熱特性,以獲得良好的整體熱特性。

2 　大功率LED 白光技術
常見的實現(xiàn)白光的工藝方法有如下三種〔2〕:藍色芯片上涂上YAG熒光粉,芯片的藍色光激發(fā)熒光粉發(fā)出典型值為500～560 nm 的黃綠光,黃綠光與藍色光合成白光。該方法制備相對簡單,效率高,具有實用性。缺點是布膠量一致性較差、熒光粉易沉淀導致出光面均勻性差、色調(diào)一致性不好;色溫偏高;顯色性不夠理想。RGB 三基色多個芯片或多個器件發(fā)光混色成白光;或者用藍+ 黃綠色雙芯片補色產(chǎn)生白光。只要散熱得法,該方法產(chǎn)生的白光較前一種方法穩(wěn)定,但驅(qū)動較復雜,另外還要考慮不同顏色芯片的不同光衰速度。在紫外光芯片上涂RGB 熒光粉,利用紫光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生三基色光混色形成白光。但目前的紫外光芯片和RGB 熒光粉效率較低,環(huán)氧樹脂在紫外光照射下易分解老化。積累了一定的經(jīng)驗和體會,我們認為照明用W級功率LED 產(chǎn)品要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還必須解決如下技術問題:①粉涂布量控制:LED 芯片+ 熒光粉工藝采用的涂膠方法通常是將熒光粉與膠混合后用分配器將其涂到芯片上。在操作過程中,由于載體膠的粘度是動態(tài)參數(shù)、熒光粉比重大于載體膠而產(chǎn)生沉淀以及分配器精度等因素的影響,此工藝熒光粉的涂布量均勻性的控制有難度,導致了白光顏色的不均勻。②芯片光電參數(shù)配合:半導體工藝的特點,決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學參數(shù)(如波長、光強) 和電學(如正向電壓) 參數(shù)差異。RGB 三基色芯片更是這樣,對于白光色度參數(shù)影響很大。這是產(chǎn)業(yè)化必須要解決的關鍵技術之一。③根據(jù)應用要求產(chǎn)生的光色度參數(shù)控制:不同用途的產(chǎn)品,對白光LED 的色坐標、色溫、顯色性、光功率(或光強) 和光的空間分布等要求就不同。上述參數(shù)的控制涉及產(chǎn)品結構、工藝方法、材料等多方面因素的配合。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中,對上述因素進行控制,得到符合應用要求、一致性好的產(chǎn)品十分重要。

3 　測試技術與標準
隨著W級功率芯片制造技術和白光LED 工藝技術的發(fā)展,LED 產(chǎn)品正逐步進入(特種) 照明市場,顯示或指示用的傳統(tǒng)LED 產(chǎn)品參數(shù)檢測標準及測試方法已不能滿足照明應用的需要。國內(nèi)外的半導體設備儀器生產(chǎn)企業(yè)也紛紛推出各自的測試儀器,不同的儀器使用的測試原理、條件、標準存在一定的差異,增加了測試應用、產(chǎn)品性能比較工作的難度和問題復雜化。我國光學光電子行業(yè)協(xié)會光電子器件分會行業(yè)協(xié)會根據(jù)LED 產(chǎn)品發(fā)展的需要,于2003 年發(fā)布了“發(fā)光二極管測試方法(試行) ”,該測試方法增加了LED 色度參數(shù)的規(guī)定。但LED 要往照明業(yè)拓展,建立LED 照明產(chǎn)品標準是產(chǎn)業(yè)規(guī)范化的重要手段。

4 　篩選技術與可靠性保證
由于燈具外觀的限制,照明用LED 的裝配空間密封且受到局限,密封且有限的空間不利于LED 散熱,這意味著照明LED 的使用環(huán)境要劣于傳統(tǒng)顯示、指示用LED 產(chǎn)品。另外,照明LED 處于大電流驅(qū)動下工作,這就對其提出更高的可靠性要求。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中,針對不同的產(chǎn)品用途,制定適當?shù)臒崂匣囟妊h(huán)沖擊、負載老化工藝篩選試驗,剔除早期失效品,保證產(chǎn)品的可靠性很有必要。

5 　靜電防護技術
藍寶石襯底的藍色芯片其正負電極均位于芯片上面,間距很小;對于InGaN/ AlGaN/ GaN 雙異質(zhì)結,InGaN 活化簿層僅幾十nm ,對靜電的承受能力很小,極易被靜電擊穿,使器件失效。因此,在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中,靜電的防范是否得當,直接影響到產(chǎn)品的成品率和經(jīng)濟效益。靜電的防范技術有如下幾種:①從人體、工作臺、地面、空間及產(chǎn)品傳輸、堆放等實施防范,手段有防靜電服裝、手套、手環(huán)、鞋、墊、盒、離子風扇、檢測儀器等。②芯片上設計靜電保護線路。③LED 上裝配保護器件。我國LED 封裝產(chǎn)品主要是普通小功率LED ,同時還具有一定的大功率LED 封裝技術和水平。但由于多種原因,我國大功率LED 封裝技術水平總體來說與國際水平還有相當?shù)牟罹唷?〕。

為了加快發(fā)展LED 封裝技術水平,我們建議:①國家要重點支持LED 前工序外延、芯片有實力的重點研究單位(大學) 和企業(yè),集中優(yōu)勢,重點突破關鍵技術難點,盡快開發(fā)并生產(chǎn)有自主產(chǎn)權的1 W、3 W、5 W和10 W等大功率LED 芯片,只有這樣,才能確保我國大功率LED 的順利發(fā)展。②國家要重點扶植有實力的大功率LED 封裝企業(yè),研發(fā)有自主產(chǎn)權的LED 封裝產(chǎn)品,并要達到規(guī)?；纳a(chǎn)程度,參與國際市場競爭。③要重視熒光粉、封裝環(huán)氧等基礎材料的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作。④根據(jù)市場要求,開發(fā)適應市場的各種大功率LED 產(chǎn)品,首先瞄準特種照明應用的市場,并逐步向普通照明燈源市場邁進。