LED芯片的技術和應用設計知識

較于白熾燈、緊湊型熒光燈等傳統(tǒng)光源，發(fā)光二極管(LED)具有發(fā)光效率高、壽命長、指向性高等諸多優(yōu)勢，日益受到業(yè)界青睞而被用于通用照明(General Lighting)市場。LED照明應用要加速普及，短期內(nèi)仍有來自成本、技術、標準等層面的問題必須克服，技術方面，包括色溫、顯色性和效率提升等問題，仍有待進一步改善。而LED在通用照明市場的應用涉及多方面的要求，須從系統(tǒng)的角度去考慮，如LED光源、電源轉(zhuǎn)換、驅(qū)動控制、散熱和光學等。

薄膜芯片技術嶄露鋒芒

目前，LED芯片技術的發(fā)展關鍵在于基底材料和晶圓生長技術。基底材料除了傳統(tǒng)的藍寶石材料、硅(Si)、碳化硅(SiC)以外，氧化鋅(ZnO)和氮化鎵(GaN)等也是當前研究的焦點。無論是重點照明和整體照明的大功率芯片，還是用于裝飾照明和一些簡單輔助照明的小功率芯片，技術提升的關鍵均圍繞如何研發(fā)出更高效率、更穩(wěn)定的芯片。因此，提高LED芯片的效率成為提升LED照明整體技術指標的關鍵。在短短數(shù)年內(nèi)，借助芯片結構、表面粗化、多量子阱結構設計等一系列技術的改進，LED在發(fā)光效率出現(xiàn)重大突破，LED芯片結構的發(fā)展如圖1所示。相信隨著該技術的不斷成熟，LED量子效率將會得到進一步的提高，LED芯片的發(fā)光效率也會隨之攀升。

圖1　LED芯片結構的發(fā)展歷程

薄膜芯片技術(Thinfilm)是生產(chǎn)超亮LED芯片的關鍵技術，可以減少側向的出光損失，通過底部反射面可以使得超過97%的光從正面輸出(圖2)，不僅大大提高LED發(fā)光效率，也簡易透鏡的設計。

圖2　普通LED和薄技技術LED的正面出光率比較

高功率LED封裝技術可區(qū)分為單顆芯片、多芯片整合及芯片板上封裝三大類，以下將進行說明。

發(fā)光效率、散熱、可靠性為單顆芯片封裝優(yōu)勢

單顆芯片封裝是封裝技術中應用最多的，其主要的技術瓶頸在于芯片的良率、色溫的控制及熒光粉的涂敷技術，而歐司朗光電半導體的Golden DRAGON Plus LED，采用硅膠封裝，其封裝外型及內(nèi)部簡要結構如圖3所示。該LED具有170度的光束角，能理想地配合二次光學透鏡或反光杯，其硅膠透鏡有著耐高溫及低衰減的特性。獨特的封裝設計進一步提升LED的散熱性能，使產(chǎn)品的熱阻控制在每瓦6.5℃左右，有助于降低熱阻。另外，熒光粉的特定配制使LED的色溫覆蓋冷白、中性白和暖白范圍。單芯片封裝的優(yōu)勢在于光效高、易于散熱、易配光及可靠性。

圖3　歐司朗光電半導體Golden DRAGON Plus LED的封裝外型及內(nèi)部結構

多芯片整合封裝于小體積內(nèi)可達高光通量

多芯片整合組件是目前大功率LED組件最常見的另一種封裝形式，可區(qū)分為小功率和大功率芯片整合組件兩類，前者以六顆低功率芯片整合的1瓦大功率LED組件最典型，此類組件的優(yōu)勢在于成本較低，是目前不少大功率組件的主要制作途徑。大功率芯片結合以OSTAR SMT系列為代表，其封裝外型如圖4所示，通過優(yōu)化設計，可使最終產(chǎn)品的熱阻控制在每瓦3.1℃，同時可以驅(qū)動高達15瓦的高功率。該封裝的優(yōu)勢在于在很小的空間內(nèi)達到很高的光通量。

圖4　歐司朗光電半導體OSTAR SMT LED的封裝外型

COB有效改進散熱缺陷

COB技術沿用傳統(tǒng)半導體技術，即直接將LED芯片固定在印刷電路板(PCB)上。利用該技術，目前已有厚度僅達0.3毫米以下的LED。由于LED芯片直接與PCB板接觸，增加導熱面積，散熱問題得以改善。此封裝形式多以小功率芯片為主。