新聞中心

EEPW首頁(yè) > 光電顯示 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 大功率型LED封裝技術(shù)

大功率型LED封裝技術(shù)

作者: 時(shí)間:2011-12-08 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

一、引言

半導(dǎo)體發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱,從上世紀(jì)六十年代研制出來(lái)并逐步走向市場(chǎng)化,其也是不斷改進(jìn)和發(fā)展。 由最早用玻璃管封裝發(fā)展至支架式環(huán)氧封裝和表面貼裝式封裝,使得小功率 獲得廣泛的應(yīng)用。從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始,由于LED 外延、芯片技術(shù)上的突破,四元系A(chǔ)lGaInP 和GaN 基的LED相繼問(wèn)世,實(shí)現(xiàn)了LED 全色化,發(fā)光亮度大大提高,并可組合各種顏色和白光。器件輸入功率上有很大提高。目前單芯片1W LED 已產(chǎn)業(yè)化并推向市場(chǎng),臺(tái)灣國(guó)聯(lián)也已研制出10W 的單芯片LED。這使得超高亮度LED 的應(yīng)用面不斷擴(kuò)大,首先進(jìn)入特種照明的市場(chǎng)領(lǐng)域,并向普通照明市場(chǎng)邁進(jìn)。由于LED 芯片輸入功率的不斷提高,對(duì)這些功率型LED 的提出了更高的要求。功率型LED 主要應(yīng)滿足以下二點(diǎn)要求:一是封裝結(jié)構(gòu)要有高的取光效率,其二是熱阻要盡可能低,這樣才能保證功率LED 的光電性能和可靠性。所以本文將重點(diǎn)對(duì)功率型LED 的封裝技術(shù)作介紹和論述。

二、功率型LED 封裝技術(shù)現(xiàn)狀

由于功率型LED 的應(yīng)用面非常廣,不同應(yīng)用場(chǎng)合下對(duì)功率LED 的要求不一樣。根據(jù)功率大小,目前的功率型LED 分為普通功率LED 和W 級(jí)功率LED 二種。輸入功率小于1W 的LED(幾十mW 功率LED除外)為普通功率LED;輸入功率等于或大于1W 的LED 為W 級(jí)功率LED。而W 級(jí)功率LED 常見(jiàn)的有二種結(jié)構(gòu)形式,一種是單芯片W 級(jí)功率LED,另一種是多芯片組合的W 級(jí)功率LED。

1.國(guó)外功率型LED 封裝技術(shù):

(1)普通功率LED

根據(jù)報(bào)導(dǎo),最早是由HP 公司于1993 年推出“食人魚(yú)”封裝結(jié)構(gòu)的LED,稱“Super flux LED”,并于1994年推出改進(jìn)型的“Snap LED”,其外形如圖1 所示。它們典型的工作電流,分別為70mA 和150mA,輸入功率分別為0.1W 和0.3W。

Osram 公司推出“Power TOP LED”是采用金屬框架的PLCC 封裝結(jié)構(gòu),其外形圖如圖2 所示。之后其他一些公司推出多種功率LED 的封裝結(jié)構(gòu)。其中一種PLCC-4 結(jié)構(gòu)封裝形式,其功率約200~300mW,這些結(jié)構(gòu)的熱阻一般為75~125℃/W。總之,這些結(jié)構(gòu)的功率LED 比原支架式封裝的LED 輸入功率提高幾倍,熱阻下降幾倍。

(2)W 級(jí)功率LED

W 級(jí)功率LED 是未來(lái)照明的核心部分,所以世界各大公司投入很大力量,對(duì)W 級(jí)功率封裝技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā),并均已將所得的新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)等申請(qǐng)各種專利。單芯片W 級(jí)功率LED 最早是由Lumileds 公司于1998 年推出的Luxeon LED,其結(jié)構(gòu)如圖3 所示,根據(jù)報(bào)導(dǎo),該封裝結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用熱電分離的形式,將倒裝芯片用硅載體直接焊接在熱沉上,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,提高了器件的取光效率并改善了散熱特性??稍谳^大的電流密度下穩(wěn)定可靠的工作,并具有比普通LED 低得多的熱阻,一般為14~17℃/W,現(xiàn)有1W、3W 和5W的產(chǎn)品。該公司近期還報(bào)導(dǎo)[1]推出Luxeon III LED 產(chǎn)品,由于對(duì)封裝和芯片進(jìn)行改善,可在更高的驅(qū)動(dòng)電流下工作,在700mA 電流工作50000 小時(shí)后仍能保持70%的流明,在1A 電流工作20000 小時(shí)能保持50%的流明。

Osram 公司于2003 年推出單芯片的“Golden Dragon”系列LED[2],其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是熱沉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。我國(guó)臺(tái)灣UEC 公司(國(guó)聯(lián))采用金屬鍵合(Metal Bonding)技術(shù)封裝的MB 系列LED[3]其特點(diǎn)是用Si 代替GaAs 襯底,散熱好,并以金屬黏結(jié)層作光反射層,提高光輸出?,F(xiàn)有LED 單芯片面積分別為:0.3×0.3mm2、1×1mm2 和2.5×2.5mm2 的芯片,其輸入功率分別有0.3W 、1W 和10W,其中2.5×2.5mm2芯片光通量可達(dá)200lm,0.3W 和1W 產(chǎn)品正推向市場(chǎng)。多芯片組合封裝的大功率LED,其結(jié)構(gòu)和封裝形式較多,這里介紹幾種典型的結(jié)構(gòu)封裝形式:

①美國(guó)UOE 公司于2001 年推出多芯片組合封裝的Norlux 系列LED[4],其結(jié)構(gòu)是采用六角形鋁板作為襯底,如圖5 所示,鋁層導(dǎo)熱好,中央發(fā)光區(qū)部分可裝配40 只芯片,封裝可為單色或多色組合,也可根據(jù)實(shí)際需求布置芯片數(shù)和金線焊接方式,該封裝的大功率LED 其光通量效率為20lm/W,發(fā)光通量為100lm。
②Lanina Ceramics 公司于2003 年推出采用公司獨(dú)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[5],有二種產(chǎn)品:一種為7 元LED 陣列,光通量為840lm,功率為21W。另一種是134 元LED 陣列,光通量為360lm,功率134W。由于LTCC-M 技術(shù)是將LED 芯片直接連接到密封陣列配置的封裝盒上,因此工作溫度可達(dá)250℃。
③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[6],光通量可達(dá)120lm,采用散熱性能優(yōu)良的襯底,把這些芯片封裝在2cm2 的面積中,其驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)8W,這種封裝中每1W 輸入功率其溫升僅為1.2℃。
日亞公司于2003 年推出號(hào)稱是全世界最亮的白光LED,其光通量可達(dá)600lm,輸出光束為1000lm時(shí),耗電量為30W,最大輸入功率為50W,提供展覽的白光LED 模塊發(fā)光效率達(dá)33lm/W。有關(guān)多芯片組合的大功率LED,許多公司根據(jù)實(shí)際市場(chǎng)需求,不斷開(kāi)發(fā)很多新結(jié)構(gòu)封裝的新產(chǎn)品,其開(kāi)發(fā)研制的速度是非常快。

2.國(guó)內(nèi)功率型LED 封裝技術(shù)

國(guó)內(nèi)LED 普通產(chǎn)品的后工序封裝能力應(yīng)該是很強(qiáng)的,封裝產(chǎn)品的品種較齊全,據(jù)初步估計(jì),全國(guó)LED 封裝廠超過(guò)200 家,封裝能力超過(guò)200 億只/年,封裝的配套能力也是很強(qiáng)的,但是很多封裝廠為私營(yíng)企業(yè),目前來(lái)看規(guī)模偏小。

國(guó)內(nèi)功率型LED 的封裝,早在上世紀(jì)九十年代就開(kāi)始,一些有實(shí)力的后封裝企業(yè),當(dāng)時(shí)就開(kāi)始開(kāi)發(fā)并批量生產(chǎn),如“食人魚(yú)”功率型LED。國(guó)內(nèi)的大學(xué)、研究所很少對(duì)大功率LED 封裝技術(shù)開(kāi)展研究,信息產(chǎn)業(yè)部第13 研究所對(duì)功率型LED 封裝技術(shù)開(kāi)展研究工作,并取得很好的研究成果,具體開(kāi)發(fā)出功率LED 產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)有實(shí)力的LED 封裝企業(yè)(外商投資除外),如佛山國(guó)星、廈門(mén)華聯(lián)等幾個(gè)企業(yè),很早就開(kāi)展功率型LED的研發(fā)工作,并取得較好的效果。如“食人魚(yú)”和PLCC 封裝結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品,均可批量生產(chǎn),并已研制出單芯片1W 級(jí)的大功率LED 封裝的樣品。而且還進(jìn)行多芯片或多器件組合的大功率LED 研制開(kāi)發(fā),并可提供部分樣品供試用。對(duì)大功率LED 封裝技術(shù)的研究開(kāi)發(fā),目前國(guó)家尚未正式支持投入,國(guó)內(nèi)研究單位很少介入,封裝企業(yè)投入研發(fā)的力度(人力和財(cái)力)還很不夠,形成國(guó)內(nèi)對(duì)封裝技術(shù)的開(kāi)發(fā)力量薄弱的局面,其封裝的技術(shù)水平與國(guó)外相比還有相當(dāng)?shù)牟罹唷?/P>

三、功率型LED 產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵的封裝技術(shù)

半導(dǎo)體LED 要作為照明光源,常規(guī)產(chǎn)品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比,距離甚遠(yuǎn)。因此,LED 要在照明領(lǐng)域發(fā)展,關(guān)鍵要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級(jí)。功率型LED 所用的外延材料采用MOCVD 的外延生長(zhǎng)技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)雖然其外量子效率還需進(jìn)一步提高,但獲得高發(fā)光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低?,F(xiàn)有的功率型LED 的設(shè)計(jì)采用了倒裝焊新結(jié)構(gòu)來(lái)提高芯片的取光效率,改善芯片的熱特性,并通過(guò)增大芯片面積,加大工作電流來(lái)提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率,從而獲得較高的發(fā)光通量。除了芯片外,器件的封裝技術(shù)也舉足輕重。關(guān)鍵的封裝技術(shù)工藝有:

1、散熱技術(shù)

傳統(tǒng)的指示燈型LED 封裝結(jié)構(gòu),一般是用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺(tái)上,由金絲完成器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成,其熱阻高達(dá)250~300℃/W,新的功率型芯片若采用傳統(tǒng)式的LED 封裝形式,將會(huì)因?yàn)樯岵涣级鴮?dǎo)致芯片結(jié)溫迅速上升和環(huán)氧碳化變黃,從而造成器件的加速光衰直至失效,甚至因?yàn)檠杆俚臒崤蛎浰a(chǎn)生的應(yīng)力造成開(kāi)路而失效。因此,對(duì)于大工作電流的功率型LED芯片,低熱阻、散熱良好及低應(yīng)力的新的封裝結(jié)構(gòu)是功率型LED


上一頁(yè) 1 2 下一頁(yè)

關(guān)鍵詞: 大功率 LED 封裝技術(shù)

評(píng)論


相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉