高亮度高純度白光LED封裝技術研究

l 引言

白光LED是以藍色led為基礎光源，將藍色LED發(fā)出的一部分藍光用來激發(fā)熒光粉，使熒光粉發(fā)出黃綠光或紅光和綠光，另一部分藍色光透射出來，與熒光粉發(fā)出的黃綠光或紅光和綠光組成白光。藍色LED發(fā)出的藍色光(發(fā)光峰值波長在 430nm或470nm)可與黃綠色熒光粉發(fā)出的黃綠光組成白光，也可與發(fā)出的發(fā)光峰值在650nm的紅光和發(fā)光峰值在540nm的綠光組成白光。為了獲得高的轉換效率，熒光粉的激發(fā)光譜的峰值應在470nm附近，與藍色LED的發(fā)光峰值相近。

為了提高半導體高功率白光LED器件發(fā)光效率和散熱效果，可采用倒裝InGaN(藍)芯片結構，以及在芯片周圍涂敷熒光粉。為了提高光的均勻性，需要將熒光粉均勻地涂敷在芯片的周圍。對于這樣的產(chǎn)品，實驗已證明，電流和溫度的增加會使LED的光譜發(fā)生藍移和紅移，但對熒光光譜影響并不大。壽命試驗結果也較好，φ5的白光LED在工作1．2×104h后，光輸出才會下降至80％，而這種功率LED最高效率可達到44．3lm·W-1，最高光通量為l 87lm，產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品120Im，Ra為75～80。目前，國內外制作白光LED的方法是先將LED芯片放置在封裝的基片上，用金絲進行鍵合，然后在芯片周圍涂敷YAG熒光粉，再用環(huán)氧樹脂包封。樹脂既起保護芯片的作用又起到聚光鏡的作用。從LED芯片發(fā)射出的藍色光射到周同的熒光粉層內經(jīng)多次散亂的反射、吸收，最后向外部發(fā)出。LED(藍)的光譜線的峰值在465nm處，半值寬為30nm，是非常尖銳的藍色光譜。LED發(fā)出的部分藍色光激發(fā)黃色的YAG熒光粉層，使其發(fā)出黃色光(峰值為555nm)，一部分藍色光直接或反射后向外發(fā)出，最終達到外部的光為藍黃二色光。根據(jù)補色關系，兩色光相混后即可得到白光。

美國LumiLeds公司在2001年研制出了A1GaInN功率型倒裝片結構 LED(FCLED)，具體做法是：第一步，在P型外延層上沉積厚度大于50nm的NiAu層，用于歐姆接觸和背反射；第二步，采用掩模選擇刻蝕P型層，露出多量子阱N型有源區(qū)；第三步，沉積、刻蝕形成N型歐姆接觸區(qū)。芯片尺寸為1mmxlmm，P型歐姆接觸區(qū)為正方形，N型歐姆接觸區(qū)為梳狀形，這樣可以減小電阻。第四步，將帶有金屬化凸點的A1GaInN芯片倒裝焊接在具有防靜電保護二極管(ESD)的硅載體上。美國Cree公司是采用SiC襯底制造 A1GaInN超亮度LED的全球唯一廠家，近年來A1GalnN／SiC芯片結構不斷改進，亮度不斷提高。在這種結構中，P型和N型電極分別在芯片的頂部和底部，采用單線鍵合，加工方便，因而成為A1GalnN LED發(fā)展的另一主流。

目前，在LED行業(yè)，LED 芯片通常是用銀漿安裝在銅基或銀基熱沉上，再將熱沉安裝在鋁基散熱器上。芯片產(chǎn)生的熱通過高導熱率的銅或銀熱沉傳遞到鋁基散熱器上，再由鋁基散熱器將熱散出(通過風冷或熱傳導方式散出)。這種做法的優(yōu)點是：充分考慮散熱器的性價比，將不同的散熱材料結合在一起實現(xiàn)高效散熱，并且成本控制合理。但是，值得注意的是：連接芯片和熱沉的材料是十分重要的。當采用銀漿作為芯片安裝材料時，由于銀漿的導熱系數(shù)為10 W·m-1K-1～25W-m-1K-1，較低，就等于在芯片和熱沉之間加了一道熱阻。另外，銀漿固化后的內部基本結構為：環(huán)氧樹脂骨架+銀粉。這樣的結構熱阻高且Tg低，對器件的散熱與物理特性穩(wěn)定極為不利。我們解決此問題的做法是：用錫片作為芯片與熱沉之間的連接材料(錫的導熱系數(shù)為67 w·m-1K-1)。因為錫的導熱效果與物理特性遠優(yōu)于銀漿，從而可獲得較為理想的散熱效果(錫的熱阻約為1 6 ℃·W-1)。

2 ESD靜電保護

我們實測發(fā)現(xiàn)，以SiC為襯底的InGaN抗ESD能力(人體模式)可達1 100V以上。而一般以藍寶石A1203為襯底的InGaN抗ESD僅能達到400V～500V(不同廠牌產(chǎn)品之綜合結果)。如此低的抗．ESD能力會給LED燈封裝廠商和下游電子應用廠商帶來極大的不便。從同業(yè)相關資料得知，每年電子組件制造商因靜電防護問題造成的損失十分驚人，在裝配與消費者使用過程中都有一定的損失產(chǎn)生。我們知道，以SiC為襯底的InGaN比以藍寶石A10203為襯底的InGaN在抗靜電方面有一定的優(yōu)勢，但也不能本解決抗靜電問題。我們發(fā)現(xiàn)，如果在大功率LED器件的芯片周圍加入抗ESD二極管，就可以將抗靜電能力提高到8500V以上，這樣就可以解決不同層面電子制造商的靜電損失問題。

3 白光LED封裝技術

3．1 白光LED主要技術性能指標

白光LED的主要技術性能指標如表l所示。

經(jīng)試驗測得當Tg=25℃時，電流／溫度／光通量關系如圖l～圖3所示。

從電流／溫度／光通量關系圖可得知，散熱對于功率型LED器件是至關重要的。如果不能將電流產(chǎn)生的熱量及時散出，保持PN結的溫度在允許范圍內，就無法獲得穩(wěn)定的光輸出和維持正常的器件壽命。從表2可得知，在常用的散熱材料中銀的導熱率最好，但是銀散熱板的成本較高不適宜做通用型散熱器。而銅的導熱率比較接近銀，且其成本較銀低。鋁的導熱率雖然低于銅，但勝在綜合成本最低，有利于大規(guī)模制造。采用芯片的倒裝技術(Flip Chip)可以得到比傳統(tǒng)的LED芯片封裝技術更多的有效出光。但是，如果不在芯片的發(fā)光層的電極下方增加反射層來反射出浪費的光能，則會造成約8％的光損失。所以底板材料上必須增加反射層。芯片側面的光也必須利用熱沉的鏡面加以反射，增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的藍寶石襯底(Sapphire)與環(huán)氧樹脂導光結合面間應加上一層硅膠材料以改善芯片出光的折射率。經(jīng)過上述光學封裝技術的改善，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器件的頂部透鏡之光學設計也是十分重要的，常用的透鏡形狀有j凸透鏡、凹錐透鏡、球鏡、菲涅爾透鏡、組合式透鏡等。透鏡與大功率LED器件的封裝最好采取氣密性封裝，如果受透鏡形狀所限也可采取半氣密性封裝。透鏡材料應選擇高透光的玻璃或壓克力等合成材料。也可以采用傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂模壓式封裝，加上二次散熱設計也基本可以達到提高出光率的效果。

3．2 白光LED封裝技術

R12ll系列是采用CMOS工藝生產(chǎn)的低功耗、具有電流控制功能的開關式升壓轉換器。外圍電路簡單，只需一個電感、一個二極管、一個場效應管和幾個電阻電容。輸入電壓范圍是2．5V～5．5V，匹配單節(jié)鋰離子電池或普通干電池組。芯片內部為PWM調制方式，可以產(chǎn)生高達15V的輸出電壓，足夠驅動3個串聯(lián)LED。其使用材料的熱性能情況見表2。

3．3 封裝工藝流程

其封裝工藝流程一般為：固晶→白膠烘烤→配熒光粉→焊線→點熒光粉→熒光粉烘烤→封膠→沖筋→點白膠→二切→ 三切→電性測試→分光分色→包裝。

用芯片篩選機挑選波長一致及亮度高的芯片進行投產(chǎn)，自動點膠機解決因人工點膠不均勻而造成偏色現(xiàn)象，自動同品機解決因人工固晶角度偏移、傾斜而造成發(fā)光角度、聚光點偏移。自動焊線機解決金球大小不一、拉力不穩(wěn)定、松焊現(xiàn)象。自動分光分色機精選其VF、 IV、λd等，挑選出發(fā)光顏色一致的產(chǎn)品。

4 結語

芯片倒裝技術可以得到比傳統(tǒng)的LED芯片封裝技術更多的有效出光。但是如果不在芯片的發(fā)光層的電極下方增加反射層來反射出浪費的光能，則會造成約8％的光損失。所以底板材料上必須增加反射層。芯片側面的光也必須利用熱沉的鏡面加以反射，增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的