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相比之下,大功率單體LED的功率遠(yuǎn)大于若干個小功率LED的功率總和,供電線路相對簡單,散熱結(jié)構(gòu)完善,物理特性穩(wěn)定。所以說,大功率LED器件的封裝方法和封裝材料并不能簡單地套用傳統(tǒng)的小功率LED器件的封裝方法與封裝材料。大的耗散功率、大的發(fā)熱量以及高的出光效率,給LED封裝工藝、封裝設(shè)備和封裝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,就必須制備合適的大功率LED芯片。國際上通常的制造大功率LED芯片的方法有如下幾種:
①加大尺寸法。通過增大單體LED的有效發(fā)光面積和尺寸,促使流經(jīng)TCL層的電流均勻分布,以達(dá)到預(yù)期的光通量。但是,簡單地增大發(fā)光面積無法解決散熱問題和出光問題,并不能達(dá)到預(yù)期的光通量和實際應(yīng)用效果。
②硅底板倒裝法。首先制備出適合共晶焊接的大尺寸LED芯片,同時制備出相應(yīng)尺寸的硅底板,并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層(超聲金絲球焊點),再利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片與硅底板焊接在一起。這樣的結(jié)構(gòu)較為合理,既考慮了出光問題又考慮到了散熱問題,這是目前主流的大功率LED的生產(chǎn)方式。
美國LumiLEDs公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒裝芯片(FCLED)結(jié)構(gòu),其制造流程是:首先在外延片頂部的P型GaN上淀積厚度大于500A的NiAu層,用于歐姆接觸和背反射;再采用掩模選擇刻蝕掉P型層和多量子阱有源層,露出N型層;經(jīng)淀積、刻蝕形成N型歐姆接觸層,芯片尺寸為1mm×1mm,P型歐姆接觸為正方形,N型歐姆接觸以梳狀插入其中,這樣可縮短電流擴展距離,把擴展電阻降至??;然后將金屬化凸點的AlGaInN芯片倒裝焊接在具有防靜電保護(hù)二極管(ESD)的硅載體上。
③陶瓷底板倒裝法。先利用LED晶片通用設(shè)備制備出具有適合共晶焊接電極結(jié)構(gòu)的大出光面積的LED芯片和相應(yīng)的陶瓷底板,并在陶瓷底板上制作出共晶焊接導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層,然后利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片與陶瓷底板焊接在一起。這樣的結(jié)構(gòu)既考慮了出光問題也考慮到了散熱問題,并且采用的陶瓷底板為高導(dǎo)熱陶瓷板,散熱效果非常理想,價格又相對較低,所以為目前較為適宜的底板材料,并可為將來的集成電路一體化封裝預(yù)留空間。
④藍(lán)寶石襯底過渡法。按照傳統(tǒng)的InGaN芯片制造方法在藍(lán)寶石襯底上生長出PN結(jié)后,將藍(lán)寶石襯底切除,再連接上傳統(tǒng)的四元材料,制造出上下電極結(jié)構(gòu)的大尺寸藍(lán)光LED芯片。
⑤AlGaInN碳化硅(SiC)背面出光法。美國Cree公司是全球唯一采用SiC襯底制造AlGaInN超高亮度LED的廠家,幾年來其生產(chǎn)的AlGaInN/SiCa芯片結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn),亮度不斷提高。由于P型和N型電極分別位于芯片的底部和頂部,采用單引線鍵合,兼容性較好,使用方便,因而成為AlGaInNLED發(fā)展的另一主流產(chǎn)品。
2、功率型封裝
功率LED早始于HP公司于20世紀(jì)90年代初推出“食人魚”封裝結(jié)構(gòu)的LED,該公司于1994年推出的改進(jìn)型的“SnapLED”有兩種工作電流,分別為70mA和150mA,輸入功率可達(dá)0.3W。功率LED的輸入功率比原支架式封裝的LED的輸入功率提高了幾倍,熱阻降為原來的幾分之一。瓦級功率LED是未來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對瓦級功率LED的封裝技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)。
LED芯片及封裝向大功率方向發(fā)展,在大電流下產(chǎn)生比φ5mmLED大10~20倍的光通量,必須采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題,因此,管殼及封裝是其關(guān)鍵技術(shù),目前能承受數(shù)瓦功率的LED封裝已出現(xiàn)。5W系列白色、綠色、藍(lán)綠色、藍(lán)色的功率型LED從2003年年初開始推向市場,白光LED的光輸出達(dá)187lm,光效為44.3lm/W。目前正開發(fā)出可承受10W功率的LED,采用大面積管芯,尺寸為2.5mm×2.5mm,可在5A電流下工作,光輸出達(dá)200lm。
Luxeon系列功率LED是將AlGaInN功率型倒裝管芯倒裝焊接在具有焊料凸點的硅載體上,然后把完成倒裝焊接的硅載體裝入熱襯與管殼中,鍵合引線進(jìn)行封裝。這種封裝的取光效率、散熱性能以及加大工作電流密度的設(shè)計都是佳的。
在應(yīng)用中,可將已封裝產(chǎn)品組裝在一個帶有鋁夾層的金屬芯PCB板上,形成功率密度型LED,PCB板作為器件電極連接的布線使用,鋁芯夾層則可作為熱襯使用,以獲得較高的光通量和光電轉(zhuǎn)換效率。此外,封裝好的SMD-LED體積很小,可靈活地組合起來,構(gòu)成模塊型、導(dǎo)光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。
超高亮度LED作為信號燈和其他輔助照明光源應(yīng)用時,一般是將多個Φ5mm封裝的各種單色和白光LED組裝在一個燈盤或標(biāo)準(zhǔn)燈座上,使用壽命可達(dá)到10萬小時。2000年已有研究指出,Φ5mm白光LED工作6000h后,其光強已降至原來的一半。事實上,采用Φ5mm白光LED陣列的發(fā)光裝置,其壽命可能只有5000h。不同顏色的LED的光衰減速度不同,其中紅色慢,藍(lán)、綠色居中,白色快。由于Φ5mm封裝的LED原來僅用于指示燈,其封裝熱阻高達(dá)300℃/W,不能充分地散熱,致使LED芯片的溫度升高,造成器件光衰減加快。此外,環(huán)氧樹脂變黃也將使光輸出降低。大功率LED在大電流下產(chǎn)生比Φ5mm白光LED大10~20倍的光通量,因此必須通過有效的散熱設(shè)計和采用不劣化的封裝材料來解決光衰問題,管殼及封裝已成為研制大功率LED的關(guān)鍵技術(shù)之一。全新的LED功率型封裝設(shè)計理念主要歸為兩類,一類為單芯片功率型封裝,另一類為多芯片功率型封裝。
(1)功率型LED的單芯片封裝
1998年美國LumiLEDs公司研制出了Luxeon系列大功率LED單芯片封裝結(jié)構(gòu),這種功率型單芯片LED封裝結(jié)構(gòu)與常規(guī)的Φ5mmLED封裝結(jié)構(gòu)全然不同,它是將正面出光的LED芯片直接焊接在熱襯上,或?qū)⒈趁娉龉獾腖ED芯片先倒裝在具有焊料凸點的硅載體上,然后再將其焊接在熱襯上,使大面積芯片在大電流下工作的熱特性得到改善。這種封裝對于取光效率、散熱性能和電流密度的設(shè)計都是佳的,其主要特點有:
①熱阻低。
傳統(tǒng)環(huán)氧封裝具有很高的高熱阻,而這種新型封裝結(jié)構(gòu)的熱阻一般僅為14℃/W,可減小至常規(guī)LED的1/20。
?、诳煽啃愿?。內(nèi)部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體,在40~120℃時,不會因溫度驟變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使金絲和框架引線斷開。用這種硅橡膠作為光耦合的密封材料,不會出現(xiàn)普通光學(xué)環(huán)氧樹脂那樣的變黃現(xiàn)象,金屬引線框架也不會因氧化而臟污。
③反射杯和透鏡的佳設(shè)計使輻射可控,光學(xué)效率高。在應(yīng)用中可將它們組裝在一個帶有鋁夾層的電路板(鋁芯PCB板)上,電路板作為器件電極連接的布線用,鋁芯夾層則可作為功率型LED的熱襯。這樣不僅可獲得較高的光通量,而且還具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。
單芯片瓦級功率LED早是由LumiLEDs公司于1998年推出的LuxeonLED,該封裝結(jié)構(gòu)的特點是采用熱電分離的形式,將倒裝片用硅載體直接焊接在熱襯上,并采用反射杯、光學(xué)透鏡和柔性透明膠等新結(jié)構(gòu)和新材料,現(xiàn)可提供單芯片1W、3W和5W的大功率LED產(chǎn)品。OSRAM公司于2003年推出單芯片的GoldenDragon系列LED,其結(jié)構(gòu)特點是熱襯與金屬線路板直接接觸,具有很好的散熱性能,而輸入功率可達(dá)1W。
(2)功率型LED的多芯片組合封裝
六角形鋁襯底的直徑為3.175cm(1.25英寸),發(fā)光區(qū)位于其中央部位,直徑約為0.9525cm(0.375英寸),可容納40個LED芯片。用鋁板作為熱襯,并使芯片的鍵合引線通過在襯底上做成的兩個接觸點與正極和負(fù)極連接。根據(jù)所需輸出光功率的大小來確定襯底上排列管芯的數(shù)目,組合封裝的超高亮度芯片包括AlGaInN和AlGaInP,它們的發(fā)射光可為單色、彩色(RGB)、白色(由RGB三基色合成或由藍(lán)色和黃色二元合成)。后采用高折射率的材料按照光學(xué)設(shè)計形狀進(jìn)行封裝,不僅取光效率高,而且還能夠使芯片和鍵合的引線得到保護(hù)。由40個AlGaInP(AS)芯片組合封裝的LED的流明效率為20lm/W。采用RGB三基色合成白光的組合封裝模塊,當(dāng)混色比為0:43(R)0:48(G):0.009(B)時,光通量的典型值為100lm,CCT標(biāo)準(zhǔn)色溫為4420K,色坐標(biāo)x為0.3612,y為0.3529。由此可見,這種采用常規(guī)芯片進(jìn)行高密度組合封裝的功率型LED可以達(dá)到較高的亮度水平,具有熱阻低、可在大電流下工作和光輸出功率高等特點。
多芯片組合封裝的大功率LED,其結(jié)構(gòu)和封裝形式較多。美國UOE公司于2001年推出多芯片組合封裝的Norlux系列LED,其結(jié)構(gòu)是采用六角形鋁板作為襯底。LaninaCeramics公司于2003年推出了采用公司獨有的金屬基板上低溫?zé)Y(jié)陶瓷(LTCC-M)技術(shù)封裝的大功率LED陣列。松下公司于2003年推出由64只芯片組合封裝的大功率白光LED。日亞公司于2003年推出超高亮度白光LED,其光通量可達(dá)600lm,輸出光束為1000lm時,耗電量為30W,大輸入功率為50W,白光LED模塊的發(fā)光效率達(dá)33lm/W。我國中國臺灣UEC(國聯(lián))公司采用金屬鍵合(MetalBonding)技術(shù)封裝的MB系列大功率LED的特點是,用Si代替GaAs襯底,散熱效果好,并以金屬粘結(jié)層作為光反射層,提高了光輸出。
功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發(fā)光效率、發(fā)光波長、使用壽命等,因此,功率型LED芯片的封裝設(shè)計、制造技術(shù)顯得尤為重要。
大功率LED封裝中主要需考慮的問題有:
①散熱。散熱對于功率型LED器件來說是至關(guān)重要的。如果不能將電流產(chǎn)生的熱量及時地散出,保持PN結(jié)的結(jié)溫在允許范圍內(nèi),將無法獲得穩(wěn)定的光輸出和維持正常的器件壽命。
在常用的散熱材料中銀的導(dǎo)熱率高,但是銀的成本較高,不適宜作通用型散熱器。銅的導(dǎo)熱率比較接近銀,且其成本較銀低。鋁的導(dǎo)熱率雖然低于銅,但其綜合成本低,有利于大規(guī)模制造。
經(jīng)過實驗對比發(fā)現(xiàn)較為合適的做法是:連接芯片部分采用銅基或銀基熱襯,再將該熱襯連接在鋁基散熱器上,采用階梯型導(dǎo)熱結(jié)構(gòu),利用銅或銀的高導(dǎo)熱率將芯片產(chǎn)生的熱量高效地傳遞給鋁基散熱器,再通過鋁基散熱器將熱量散出(通過風(fēng)冷或熱傳導(dǎo)方式散出)。這種做法的優(yōu)點是:充分考慮散熱器的性價比,將不同特點的散熱器結(jié)合在一起,做到高效散熱并使成本控制合理化。
應(yīng)注意的是:連接銅基熱襯與芯片的材料的選擇是十分重要的,LED行業(yè)常用的芯片連接材料為銀膠。但是,經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),銀膠的熱阻為10~25W/(m·K),如果采用銀膠作為連接材料,就等于人為地在芯片與熱襯之間加上一道熱阻。另外,銀膠固化后的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)為環(huán)氧樹脂骨架+銀粉填充式導(dǎo)熱導(dǎo)電結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的熱阻極高且TG點較低,對器件的散熱與物理特性的穩(wěn)定極為不利。解決此問題的做法是:以錫片焊作為晶粒與熱襯之間的連接材料[錫的導(dǎo)熱系數(shù)為67W/(m·K)],可以獲得較為理想的導(dǎo)熱效果(熱阻約為16℃/W)。錫的導(dǎo)熱效果與物理特性遠(yuǎn)優(yōu)于銀膠。
?、诔龉狻鹘y(tǒng)的LED器件封裝方式只能利用芯片發(fā)出的約50%的光能,由于半導(dǎo)體與封閉環(huán)氧樹脂的折射率相差較大,致使內(nèi)部的全反射臨界角很小,有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出,大部分光在芯片內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收,這是超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。如何將內(nèi)部不同材料間折射、反射消耗的50%光能加以利用,是設(shè)計出光系數(shù)的關(guān)鍵。
通過芯片的倒裝技術(shù)(FlipChip)可以比傳統(tǒng)的LED芯片封裝技術(shù)得到更多的有效出光。但是,如果說不在芯片的發(fā)光層與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,所以在底板材料上必須增加反射層。芯片側(cè)面的光也必須利用熱襯的鏡面加工法加以反射出,增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的藍(lán)寶石襯底部分與環(huán)氧樹脂導(dǎo)光結(jié)合面上應(yīng)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(xué)封裝技術(shù)的改善,可以大幅度提高大功率LED器件的出光率(光通量)。大功率LED器件頂部透鏡的光學(xué)設(shè)計也是十分重要的,通常的做法是:在進(jìn)行光學(xué)透鏡設(shè)計時應(yīng)充分考慮終照明器具的光學(xué)設(shè)計要求,盡量配合應(yīng)用照明器具的光學(xué)要求進(jìn)行設(shè)計。
常用的透鏡形狀有:凸透鏡、凹錐透鏡、球鏡、菲涅爾透鏡以及組合式透鏡等。透鏡與大功率LED器件的理想裝配方法是采取氣密性封裝,如果受透鏡形狀所限,也可采取半氣密性封裝。透鏡材料應(yīng)選擇高透光率的玻璃或亞克力等合成材料,也可以采用傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂模組式封裝,加上二次散熱設(shè)計也基本可以達(dá)到提高出光率的效果。
3、功率型LED的進(jìn)展
功率型LED的研制起始于20世紀(jì)60年代中期的GaAs紅外光源,由于其可靠性高、體積小、重量輕,可在低電壓下工作,因此被首先用于軍用夜視儀,以取代原有的白熾燈,20世紀(jì)80年代InGaAsP/InP雙異質(zhì)結(jié)紅外光源被用于一些專用的測試儀器,以取代原有的體積大、壽命短的氙燈。
這種紅外光源的直流工作電流可達(dá)1A,脈沖工作電流可達(dá)24A。紅外光源雖屬早期的功率型LED,但它一直發(fā)展至今,產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代,應(yīng)用更加廣泛,并成為當(dāng)今可光功率型LED發(fā)展可繼承的技術(shù)基礎(chǔ)。
1991年,紅、橙、黃色AlGaInP功率型LED的實用化,使LED的應(yīng)用從室內(nèi)走向室外,成功地用于各種交通信號燈,汽車的尾燈、方向燈以及戶外信息顯示屏。藍(lán)、綠色AlGaInN超高亮度LED的相繼研制成功,實現(xiàn)了LED的超高亮度全色化,然而用于照明則是超高亮度LED拓展的又一全新領(lǐng)域,用LED固體燈取代白熾燈和熒光燈等傳統(tǒng)玻殼照明光源已成為LED發(fā)展目標(biāo)。因此,功率型LED的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化將成為今后發(fā)展的另一重要方向,其技術(shù)關(guān)鍵是不斷提高發(fā)光效率和每一器件(組件)的光通量。
功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生長技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu),雖然其內(nèi)量子效率還需進(jìn)一步提高,但獲得高光通量的大障礙仍是芯片的取光效率很低。目前由于沿用了傳統(tǒng)的指示燈型LED封裝結(jié)構(gòu),工作電流一般被限定為20mA。按照這種常規(guī)理念設(shè)計和制作的功率型LED根本無法達(dá)到高效率和高光通量的要求。為了提高可見光功率型LED的發(fā)光效率和光通量,必須采用新的設(shè)計理念,一方面通過設(shè)計新型芯片結(jié)構(gòu)來提高取光效率,另一方面通過增大芯片面積、加大工作電流、采用低熱阻的封裝結(jié)構(gòu)來提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。因此,設(shè)計和制作新型芯片和封裝結(jié)構(gòu),不斷提高器件的取光效率和光電轉(zhuǎn)換效率,一直是功率型LED發(fā)展中至關(guān)重要的課題。
功率型LED大大擴展了LED在各種信號顯示和照明光源領(lǐng)域中的應(yīng)用,主要有汽車內(nèi)外燈和各種交通信號燈,包括城市交通、鐵路、公路、機場、海港燈塔、安全警示燈等。功率型白光LED作為專用照明光源已開始用于汽車和飛機內(nèi)的閱讀燈,在便攜式照明光源(如鑰匙燈、手電筒)、背光源及礦工燈等應(yīng)用方面也得到越來越多的應(yīng)用。白光除了由三基色合成外,還可通過將一種特制的磷光體涂敷在GaN藍(lán)色或紫外波長的功率型LED芯片上而形成。功率型LED在建筑物裝飾光源、舞臺燈光、商場櫥窗照明、廣告燈箱照明、庭院草坪照明、城市夜景等方面與其同類產(chǎn)品相比顯示出了它獨有的特點。使用功率型RGB三基色LED,可制成結(jié)構(gòu)緊湊、發(fā)光效率比傳統(tǒng)白熾燈光源高的數(shù)字式調(diào)色調(diào)光光源,配合計算機控制技術(shù),可得到極其豐富多彩的發(fā)光效果。功率型LED所具有的低電壓、低功耗、體積小、重量輕、壽命長、可靠性高等優(yōu)點,使其在軍事上還可作為野戰(zhàn)、潛水、航天、航空所需的特種固體光源。
功率型LED結(jié)構(gòu)的進(jìn)步,取光和熱襯的優(yōu)化設(shè)計使其發(fā)光效率和光通量不斷提高,由多個5mmLED組裝的燈盤和燈頭將被由功率型LED組裝的燈芯所取代。從1970年至2000年的近30年以來,光通量每18~24個月要增加2倍。自1998年Norlux系列功率型LED問世后,光通量的增加趨勢則更快。
隨著功率型LED性能的改進(jìn),LED照明光源引起了照明領(lǐng)域的更大的關(guān)注。普通照明市場的需求是巨大的,功率型LED白光技術(shù)將更能適應(yīng)普通照明的應(yīng)用。只要LED產(chǎn)業(yè)能持續(xù)這一開發(fā)方向,則LED固體照明在未來5~10年將會取得重大的市場突破。
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