大功率LED封装技术详解

大功率LED封装技术

关键词：

从实际应用的角度来看,安装使用简单、体积相对较小的大功率LED器件在大部分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,必须集中许多个LED的光能才能达到设计要求,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,必须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,散热结构完善,物理特性稳定。所以说,大功率LED器件的封装方法和封装材料并不能简单地套用传统的小功率LED器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率、大的发热量以及高的出光效率,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,就必须制备合适的大功率LED芯片。国际上通常的制造大功率LED芯片的方法有如下几种：

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。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。

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1mm1mm,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;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。

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。

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AlGaInN LED发展的另一主流产品。

2、功率型封装

功率LED最早始于HP公司于20世纪90年代初推出食人鱼封装结构的LED,该公司于1994年推出的改进型的Snap LED有两种工作电流,分别为70mA和150mA,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,热阻降为原来的几分之一。瓦级功率LED是未来照明器件的核心部分,所以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φ5mm LED大10~20倍的光通量,必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题,因此,管壳及封装是其关键技术,目前能承受数瓦功率的LED封装已出现。5W系列白色、绿色、蓝绿色、蓝色的功率型LED从2003年年初开始推向市场,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2.5mm2.5mm,可在5A电流下工作,光输出达200lm。

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,然后把完成倒装焊接的硅载体装入热衬与管壳中,键合引线进行封装。这种封装的取光效率、散热性能以及加大工作电流密度的设计都是最佳的。

在应用中,可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯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效率。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作为信号灯和其他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组装在一个灯盘或标准灯座上,使用寿命可达到10万小时。2000年已有研究指出,Φ5mm白光LED工作6000h后,其光强已降至原来的一半。事实上,采用Φ5mm白光LED 阵列的发光装置,其寿命可能只有5000h。不同颜色的LED的光衰减速度不同,其中红色最慢,蓝、绿色居中,白色最快。由于Φ5mm封装的LED原来仅用于指示灯,其封装热阻高达300℃/W,不能充分地散热,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,因此必须通过有效的散热设计和采用不劣化的封装材料来解决光衰问题,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单芯片封装结构,这种功率型单芯片LED封装结构与常规的Φ5mm LED封装结构全然不同,它是将正面出光的LED芯片直