摘 要 :該文介紹照明級(jí)大功率 LED 的設(shè)計(jì)和工藝技術(shù) ,其關(guān)鍵是芯片和封裝 ,最新的二維光子結(jié)晶
結(jié)構(gòu)極大地提高了發(fā)光效率 ,為照明級(jí)大功率的 LED 的新技術(shù)之一。
關(guān)鍵詞 :封裝技術(shù) ;二維光子結(jié)晶結(jié)構(gòu)
0 前言
2004 —2005 年的各大照明與顯示器大展中可以
發(fā)現(xiàn)以 LED 為應(yīng)用光源的電子產(chǎn)品已擴(kuò)充到 LCD -
TV 背光模塊、車(chē)頭燈、投影機(jī)和輔助造景光源等的
應(yīng)用。在發(fā)光效率、產(chǎn)品壽命及應(yīng)用模式增加下 ,高
亮度和高效率的功率型LED 的需求量呈現(xiàn)大幅度增
長(zhǎng)。
從 LED1970 —2003 年三十多年的發(fā)展歷程可
知 ,LED 的光通量大約每 16～20 月就要增加 2. 2 倍。
可以預(yù)期在五年內(nèi)照明級(jí)大功率LED 器件的光效率
達(dá)到 100 lm/ W 將是有可能的事情。照明級(jí)大功率
LED 器件光效的提高 ,有賴(lài)于芯片光效的提高和封
裝出光散熱技術(shù)的提高的同步進(jìn)行才能做到。
眾所周知 ,LED 芯片的外量子效率取決于外延
材料的內(nèi)量子效率和芯片的取光效率。目前大功率
型LED 所采用的外延材料為 MOCVD 外延生長(zhǎng)技術(shù)
和多量子阱結(jié)構(gòu) ,雖然現(xiàn)在其內(nèi)量子效率并未達(dá)到
最高 ,還有進(jìn)一步提高的空間 ,但是我們發(fā)現(xiàn) ,獲得
LED 器件高光通量的最大障礙依然是芯片的取光方
式和高出光效率的封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看 :安裝使用簡(jiǎn)單、體積相
對(duì)較小的大功率LED 器件在大部分的照明應(yīng)用中必
將取代傳統(tǒng)的小功率LED 器件。其好處是非常明顯
的 ,小功率的 LED 組成的照明燈具為了達(dá)到照明的
需要 ,必須集中許多個(gè) LED 的光能才能達(dá)到設(shè)計(jì)要
求。帶來(lái)的缺點(diǎn)是線路異常復(fù)雜 ,散熱不暢 ,為了平
衡各個(gè)LED 之間的電流電壓關(guān)系必須設(shè)計(jì)復(fù)雜的供
電電路。相比之下 ,大功率 LED 單體的功率遠(yuǎn)大于
若干個(gè)小功率LED 的總和 ,供電線路相對(duì)簡(jiǎn)單 ,散熱
結(jié)構(gòu)完善 ,物理特性穩(wěn)定。所以說(shuō) ,大功率LED 器件代替小功率LED 器件成為主流半導(dǎo)體照明器件是必
然的。但是對(duì)于大功率LED 器件的封裝方法并不能
簡(jiǎn)單地套用傳統(tǒng)的小功率LED 器件的封裝方法和封
裝材料。大的耗散功率 ,大的發(fā)熱量 ,高的出光效率
給我們的封裝工藝、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(guó)際上通常的制造方法有如下幾
種。
1. 1 倒裝式芯片
高功率 LED 封裝設(shè)計(jì)主要應(yīng)朝以下兩點(diǎn)發(fā)展 :
一是高取光效率的封裝結(jié)構(gòu) ,二是較低的芯片 (外殼
熱阻值(R junction to case) ) 。除了提升芯片本身的
量子效率外 ,單體的封裝材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)也應(yīng)有突
破性的進(jìn)展 ,方能確保高功率 LED 的光電性能和可
靠性。
目前極需突破的封裝技術(shù)工藝 ,是傳熱與散熱
技術(shù)。傳統(tǒng)的 5 mm 圓筒型 LED 封裝結(jié)構(gòu)其熱阻高
達(dá) 250 ℃/ W～300 ℃/ W ,高功率芯片若采用傳統(tǒng)的封
裝形式 ,將會(huì)因?yàn)樯岵涣级鴮?dǎo)致芯片表面溫度迅
速上升與周?chē)h(huán)氧樹(shù)脂碳化變色 ,從而造成單體的
加速光衰減直至失效 ,甚至因?yàn)槌惺軠囟润E然變化
迅速的熱膨脹應(yīng)力造成開(kāi)路(Open Loop) 而失效。因
此對(duì)于大工作電流的高功率型LED 芯片 ,低熱阻、散
熱良好及低機(jī)械應(yīng)力的新式封裝結(jié)構(gòu)是高功率型
LED 封裝體的技術(shù)關(guān)鍵。現(xiàn)階段的具體解決方案是
采用低接口熱阻、高導(dǎo)熱性能的材料進(jìn)行芯片粘合
(Die Attach) ,粘合在芯片下部 (發(fā)光的反方向) 連接
高導(dǎo)熱的金屬散熱塊(Heat Slug) ,直接將芯片所發(fā)出的高熱量傳導(dǎo)到封裝體最外部。芯片加散熱塊的組
合由支架(Leadframe) 與塑料件組合而成的載體(Car2
rier) 依不同的加工方式組成一個(gè)可供后續(xù)膠材密封
(Encapsulation) 的結(jié)構(gòu)體。
1. 2 硅底板倒裝法
首先制備出具有適合共晶焊接電極的大尺寸
LED 芯片(Flip Chip LED) ,同時(shí)制備出相應(yīng)尺寸的硅
底板 ,并在上制作出供共晶焊接的金導(dǎo)電層及引出
導(dǎo)電層(超聲金絲球焊點(diǎn)) ,然后 ,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 ,即考慮了出光問(wèn)題又考慮到了散熱問(wèn)
題 ,這是目前主流的 High Output Power Chip LED 生產(chǎn)
方式) 。
美國(guó)LumiLeds 公司 2001 年研制出了 AlGaInN 功
率型倒裝芯片 (FCLED) 結(jié)構(gòu) ,具體做法為 :第一步 ,
在外延片頂部的 P 型 GaN :Mg 淀積厚度大于 500A
的 NiAu 層 ,用于歐姆接觸和背反射 ;第二步 ,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 ;第三步 ,淀積、刻蝕形成 N 型歐姆接觸層 ,芯片尺
寸為 1 ×1mm2
,P 型歐姆接觸為正方形 ,N 歐姆接觸
以梳狀插入其中 ,這樣可縮短電流擴(kuò)展距離 ,把擴(kuò)展
電阻降至最小 ;第四步 ,將金屬化凸點(diǎn)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。
1. 3 陶瓷底板倒裝法
先利用LED 晶片廠通用設(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 ,并在上制作出共晶焊接導(dǎo)電層及引出導(dǎo)
電層 ,之后利用共晶焊接設(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)考慮了出光問(wèn)題
也考慮到了散熱問(wèn)題 ,并且采用的陶瓷底板為高導(dǎo)
熱陶瓷板 ,散熱的效果非常理想 ,價(jià)格又相對(duì)較低 ,
所以為目前較為適宜的底板材料 ,并可為將來(lái)的集
成電路化一體封裝伺服電路預(yù)留下了安裝空間) 。
1. 4 藍(lán)寶石襯底過(guò)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(zhǎng)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。
1. 5 AlGaInN/ 碳化硅(SiC) 背面出光法
美國(guó) Cree 公司是采用 SiC 襯底制造 AlGaInN 超
高亮度 LED 的全球唯一廠家 ,幾年來(lái) 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
型電極分別僅次于芯片的底部和頂部 ,單引線鍵合 ,兼容性較好 ,使用方便 ,因而成為 AlGaInN LED 發(fā)展
的另一主流。
2 基礎(chǔ)封裝結(jié)構(gòu)
2. 1 散熱
大功率 LED 封裝中主要需考慮的問(wèn)題有兩個(gè) :
散熱與出光。從電流、溫度、光通量關(guān)系圖可得知 ,
散熱對(duì)于功率型LED 器件是至關(guān)重要的。如果不能
將電流產(chǎn)生的熱量及時(shí)的散出 ,保持 PN 結(jié)的結(jié)溫度
在允許范圍內(nèi) ,將無(wú)法獲得穩(wěn)定的光輸出和維持正
常的器件壽命。
常用的散熱材料中銀的導(dǎo)熱率最好 ,但是銀導(dǎo)
散熱板的成本較高不適宜做通用型散熱器。而銅的
導(dǎo)熱率比較接近銀 ,且其成本比銀低。鋁的導(dǎo)熱率
雖然低于銅 ,但是在綜合成本最低 ,有利于大規(guī)模制
造。
較為合適的做法是 :連接芯片部分采用銅基或
銀基熱沉 ,再將該熱沉連接在鋁基散熱器上形成階
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
的熱量高效傳遞到鋁基散熱器 ,再通過(guò)鋁基散熱器
將熱量散出(通過(guò)風(fēng)冷或熱傳導(dǎo)方式散出) 。
這種做法的優(yōu)點(diǎn)是 :充分考慮散熱器性能價(jià)格
比 ,將不同特點(diǎn)的散熱器結(jié)合在一起做到高效散熱、
并且成本控制合理化。
值得注意的是 :連接銅基熱沉與芯片之間的材
料選擇是十分重要的 ,LED 行業(yè)常用的芯片連接材
料為銀膠。但是銀膠的熱阻極高為 :10～25W/ (m.
K) ,如果采用銀膠作為連接材料 ,就等于人為的在芯
片與熱沉之間加上了一道熱阻。另外銀膠固化后的
內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)為 :環(huán)氧樹(shù)脂骨架 + 銀粉填充式導(dǎo)熱
導(dǎo)電結(jié)構(gòu) ,這樣的結(jié)構(gòu)熱阻極高且 TG點(diǎn)較低 ,對(duì)器
件的散熱與物理特性穩(wěn)定極為不利。解決此問(wèn)題的
做法是 :以錫片焊作為晶粒與熱沉之間的連接材料
(錫的導(dǎo)熱系數(shù) 67 W/ (m. K) ) 可以取得較為理想的
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。
2. 2 出光
我們發(fā)現(xiàn)傳統(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(shù)
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 ,大部分在芯
片內(nèi)部經(jīng)多次反射而被吸收 ,成為超高亮度 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、反射消耗掉的 50 %的光能加以利用 ,是設(shè)計(jì)出光系統(tǒng)的關(guān)鍵。
通過(guò)芯片的倒裝技術(shù) (FLIP CHIP) 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 ,
如果不在芯片的發(fā)光層之電極下方增加反射層來(lái)反
射出浪費(fèi)的光能則會(huì)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(cè)面的光也必須利
用熱沉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)寶石襯底部份 (Sapphire)
與環(huán)氧樹(shù)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(guò)上述光學(xué)封裝技術(shù)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(xué)設(shè)計(jì)也是十
分重要的 ,我們通常的做法是 :在進(jìn)行光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)
時(shí)應(yīng)充分考慮最終照明器具的光學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)。
常用的透鏡形狀有 :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
的裝配方法理想的情況應(yīng)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(shù)脂模組式封裝 ,加上二次散熱設(shè)計(jì)
也基本可以達(dá)到提高出光率的效果。
3 二維光子結(jié)晶結(jié)構(gòu)
在發(fā)光元件結(jié)構(gòu)中使用二維光子結(jié)晶結(jié)構(gòu) ,提
高了發(fā)光二極管 (LED) 的發(fā)光效率。與沒(méi)有光子結(jié)
晶結(jié)構(gòu)相比 ,將發(fā)光元件內(nèi)部發(fā)出的光線照射到
LED 發(fā)光面法線方向的效率(光導(dǎo)效率) 達(dá)到了 4～5
倍。過(guò)去 ,由 LED 內(nèi)部發(fā)出的光線大多沿發(fā)光面方
向照射 ,因?yàn)闆](méi)有出口 ,就會(huì)發(fā)熱。
所謂光子結(jié)晶 ,就是指使光通過(guò)的物質(zhì)像結(jié)晶
一樣周期性地產(chǎn)生折射率的變化。這種結(jié)晶具有波
長(zhǎng)與其柵格間隙相接近的光線無(wú)法進(jìn)入結(jié)晶內(nèi)部的
性質(zhì)。具體來(lái)講就是指 ,通過(guò)形成與發(fā)光元件中心
波長(zhǎng)除以構(gòu)成光子結(jié)晶的介質(zhì)折射率所得到的值相
接近的周期結(jié)構(gòu) ,阻止光的進(jìn)入。
沿元件發(fā)光面以二維方式形成這種周期結(jié)構(gòu) ,
使其沿發(fā)光面具備一種周期結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō) ,就是
有規(guī)則地形成蜂窩狀的孔(圖 1) ,由此光線就無(wú)法沿
發(fā)光面方向前進(jìn) ,絕大部分就會(huì)沿發(fā)光面的法線方
向傳導(dǎo)出來(lái) ,結(jié)果光導(dǎo)效率就會(huì)提高 ,理論上來(lái)講可
達(dá)到 100 %。而不采用提高光導(dǎo)效率的方法時(shí) ,紅色
LED 的光導(dǎo)效率僅為 20 %左右。
此次通過(guò)在 LED 的發(fā)光部分使用了 InGaAsP 材
料 ,結(jié)晶柵格間隙為 390 nm～480 nm 時(shí)光導(dǎo)效率得
到了提高 ,與沒(méi)有光子結(jié)晶結(jié)構(gòu)時(shí)相比 ,達(dá)到了 4 倍
～5 倍。而 390 nm～480 nm 的周期就接近于 In2
GaAsP 的發(fā)光中心波長(zhǎng) 1 550 nm 除以 InGaAsP 的折
射率 3. 3 所得的值。
光導(dǎo)效率能夠得到提高的波長(zhǎng) ,所以分布于
390 nm～480 nm 之間 ,與垂直于發(fā)光面形成的孔徑
有關(guān)系。孔徑越大 ,光導(dǎo)效率能夠得到提高的波長(zhǎng)
寬度就越大 ;反之 ,孔徑越小 ,波長(zhǎng)寬度就越窄。
4 結(jié)束語(yǔ)
當(dāng)前 ,大芯片相關(guān)的工藝、封裝技術(shù)已經(jīng)漸漸成
為高亮度 LED 的主流。
近來(lái)又有許多公司生產(chǎn) LED 的多芯片模塊 ,利
用多芯片模塊 MCM (Multi Chip Module) 整合驅(qū)動(dòng)與
感測(cè)組件 ,再加上此種結(jié)構(gòu)具有與外加光學(xué)組件整
合的彈性 ,企圖達(dá)到投影 (機(jī)) 光源、醫(yī)療、顯微鏡與
閃光燈等應(yīng)用產(chǎn)品光源的需求。
瓦級(jí)( > 1 W) 高功率 LED 封裝單體產(chǎn)品的熱阻
則必須低于 20 ℃/ W 才足以應(yīng)付較為嚴(yán)苛的系統(tǒng)工
作環(huán)境需求 ,如背光模塊、投影機(jī)光源等。此外 ,目
前在考慮發(fā)光效率的前提下 ,白光單體的色溫以
Luxeon 的 3 300 K暖色系白光為最低 ,為了達(dá)到照明
低色溫所需的效率 ,藍(lán)光或是 UV 芯片所搭配之熒
光粉技術(shù)有待更進(jìn)一步的突破。
為了提高單體LED 總輸出發(fā)光通量而加大的驅(qū)
動(dòng)電流會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部的熱量密度(能量/ 面積) 的上升 ,因此在不影響 LED 量子效率的前提下 ,現(xiàn)階段必須
采用較高成本的封裝材料與工藝。然而LED 的單價(jià)
必須下降到目前 1/ 10～1/ 100 的價(jià)位以利于切入照
明市場(chǎng) ,唯有大幅提高發(fā)光效率的情況下方能降低
LED 之封裝成本 ,早日達(dá)到“冷光源”照明的目標(biāo)。