大功率LED照明产品及散热技术

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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:
几种整合模式
3W模组,9颗芯片(芯片尺寸:18mil),3并3串, 电流300mA,电压9.6-10.5V 5W模组,4颗芯片 (芯片尺寸:40mil),2并2串,电流700mA,电压6.2-7.0V
30W模组,81颗芯片(芯片尺寸:18mil),9并9串,电流1000mA,电压27-31.5V
1W 氮化镓蓝光LED倒装芯片
1. 产品优势与应用领域
产品特点 专利倒装技术 专利模组技术 超高出光效率 高效散热设计 超高可靠性能 便于客户封装
应用领域 普通照明领域 道路照明领域 车用照明领域 景观照明领域 高级闪光灯领域 特殊照明领域
1400 mA 2000 mA
125 ℃ -40℃ to +85℃ -40℃ to +100℃
> 4000 V Class3A
反向电压
VR
注3 备注: 1. 以上数据为使用Power Dome支架、无灌胶条件下裸晶测试结果,不同封装方式得到的测 试结果可能不尽相同,仅供参考;LED最大结温允许值也与封装方式相关;若封装生产使用回 流焊,必须保证不能在300 ℃以上温度条件使用超过3秒; 2. 抗静电释放测试根据人体模型,使用RAET方式模拟静电释放,所有产品通过测试,符合 JESD22-A114-B标准Class 3A等级。 3. 测试LED使用的反向电压不能超过6V,否则有可能损坏产品,而且正常使用情况下,供电 电源不能反接LED。 4. 由于硅基体易碎,因此强烈建议封装打线时,尽量远离基体边缘,以免损坏基体。
LED大功率的实现方法
(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。但是,简单地增大 发光面积无法解决散热问题和出光问题,并不能达到预期的光 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,同时制备出 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。这样的结构较为合理, 既考虑了出光问题又考虑到了散热问题,这是目前主流的大功 率LED的生产方式。
大功率芯片封装结构
提高LED性能的一种方法乃将电流由弯流改 成顺流。由于蓝宝石基材不导电,LED正负 两个电极乃设在同面。当电流通过GaN晶格 时电流必须由垂直顺流改成水平横流,这样 电流就会集中在内弯处,导致不能有效使用 P-N接口的电子层和电洞层,因而减少了发光 效率。更有甚者,电流集中之处会产生热点 使晶格缺陷范围延伸,LED的亮度就会随缺 陷扩大而递减。为了延长LED的寿命,输入 的电流必须降低(如350mA),单位面积的 发光亮度,就受到了限制。LED设计的主要 设计有如下列诸图所示(如图1)
大功率LED技术、照明产品及 其散热技术
主要内容 功率型LED芯片技术原理 大功率LED技术结构设计
功率型LED散热技术 结束语
功率型LED芯片技术原理
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:
大功率LED技术结构设计
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。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。
2. 倒装芯片说明 (1) 倒装芯片尺寸与材料
外观图
材料说明 芯片衬底 蓝宝石
外延材料 氮化镓
基体材料

电极材料

凸点材料

尺寸说明
芯片尺寸
1325μm ×1325μm
基板尺寸
1995μm ×1775μm
电极尺寸 99 μm ×304μm
芯片厚度 基板厚度 总厚度
115±5μm 250±5μm 390±10μm
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。
美国Lumileds公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒装 芯片(FCLED)结构,其制造流程是:
首先在外延片顶部的P型GaN上淀积厚度大于500A的 NiAu层,用于欧姆接触和背反射;
再采用掩模选择刻蚀掉P型层和多量子阱有源层,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,这样可缩短电流扩展距离,把扩展电阻降至最小;
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 InGaN/AlGaN/GaN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。
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。
10W 模组,9 颗芯片 (芯片尺寸:40mil),3并3串,电流1050mA,电压9.0-10.5V
10W 模组,36颗芯片(芯片尺寸:18mil),6并6串,电流500mA,电压18-21V 25W 模组,25颗芯片 (芯片尺寸:40mil),5并5串,电流1750mA,电压15-17.5V
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。
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。
LED电流转弯的问题不能靠封装的设计 (如复晶或Flip Chip)改善,把电流截 弯取直才是正道,这样必须把电极置于 LED磊晶的两侧。电流平顺就可以明显 提升LED的亮度。除此之外,相同亮度 的顺流LED使用的芯片面积较小,因此 晶圆上切出的晶粒数目较多,也就是单 颗LED的制造成本可能降低。尤其进者, 电流转弯时若扩大芯片的面积会使LED 发光更不均匀。但是顺流LED其发射的 光子数目则会由发光面积的加大而提高。 所以一颗以大电流(如1A)驱动大面积的 顺流LED,其亮度会大于具有相同面积 的多颗横流LED。(如图2)
(4)蓝宝石衬底过渡法。按照传统的InGaN芯片制造方法在蓝 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,制造出上下电极结构的大尺寸蓝光LED芯片。
(5) AlGaInN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芯片结构不断改进,亮度不断提 高。由于P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部,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。
功率型LED白光技术
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。
芯片光电参数配合:
几种静电防范技术
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; 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。
焊 接 要 素 :热 量 (HEAT) 超 音 波 能 量 (ULTRASONIC)
压 力 (PRESSURE)
金丝
二焊点
引线架 ( LEAD)
瓷 嘴
热量
晶 片 (CHIP)
压力
(FORCE)
超音波振荡
(US)
引线脚 ( LEAD)
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。
然后将金属化凸点的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
极结构的大出光面积的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,然后利 用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与陶瓷底板焊接在一起。 这样的结构既考虑了出光问题也考虑到了散热问题,并且 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,所以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。
项目
符号
APT-B5501AB-V WHz)
LED结温 工作温度范围 存储温度范围 抗静电释放能力 (HBM模式) 注2 抗静电释放等级 (根据JESD22-A114-B) 注2
IF IFP Tj Topr Tstg ESDHBM ESDLevel
一是封装结构要有高的取光效率; 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。
何为大功率芯片?
大功率LED广义上说就是单颗LED光源功率大于 0.35W(含0.35W)的,拥有大额定工作电流的发光二极 管。普通LED功率一般为0.05W、工作电流为20mA, 而大功率LED可以达到1W、2W、甚至数十瓦,工作电 流可以是几十毫安到几百毫安不等。由于目前大功率 LED在光通量、转换效率和成本等方面的制约,因此决 定了大功率白光LED短期内的应用主要是一些特殊领域 的照明,中长期目标才是通用照明。
(2) 光电参数说明 (测试环境温度TA=25℃)
项目 正向电压 (VF) 主波长 (WLD) 辐射功率 (LOP)
符号 VF λd IV
3. 特性测试 注1
测试电流 If = 350 mA
最小值 2.8 450 250
最大值 3.4 465 370
单位 V nm
mW
(3) 最大额定值 (测试环境温度TA = 25℃) 注1
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