照明用LED封裝技術(shù)關(guān)鍵

　 半導(dǎo)體發(fā)光二極管(light - emitting diode) 簡稱LED ,從二十世紀(jì)60 年代研制出來并逐步走向市場化,其封裝技術(shù)也在不斷改進(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LED 獲得廣泛的應(yīng)用。從二十世紀(jì)90 年代開始,由于LED 外延、芯片技術(shù)上的突破,四元系A(chǔ)l2GaInP 和GaN 基的LED 相繼問世,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〔1〕。器件輸入功率上有很大提高。目前單芯片1W大功率LED 已產(chǎn)業(yè)化并推向市場,這使得超高亮度LED的應(yīng)用面不斷擴(kuò)大,由特種照明的市場領(lǐng)域,逐步向普通照明市場邁進(jìn)。由于LED 芯片輸入功率的不斷提高,對(duì)其封裝技術(shù)提出了更高的要求.LED 要在照明領(lǐng)域發(fā)展,關(guān)鍵要將其發(fā)光效率、光通量提高到現(xiàn)有照明光源的水平。大功率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),雖然其外量子效率還需進(jìn)一步提高,但獲得高光通量的最大障礙是芯片的取光效率低?，F(xiàn)有的大功率LED 的設(shè)計(jì)采用了倒裝焊新結(jié)構(gòu)來提高芯片的取光效率,改善芯片的熱特性,并通過增大芯片面積,加大工作電流來提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率,從而獲得較高的光通量。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)氧樹脂封裝而成,其熱阻高達(dá)250～300 ℃/ W,新的大功率芯片若采用傳統(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)力造成開路而失效。因此,對(duì)于大工作電流的大功率LED 芯片,低熱阻、散熱良好及低應(yīng)力的新的封裝結(jié)構(gòu)是技術(shù)關(guān)鍵。采用低電阻率、高導(dǎo)熱性能的材料粘結(jié)芯片;在芯片下部加銅或鋁質(zhì)熱沉,并采用半包封結(jié)構(gòu),加速散熱;甚至設(shè)計(jì)二次散熱裝置,來降低器件的熱阻。在器件的內(nèi)部,填充透明度高的柔性硅橡膠,在硅橡膠承受的溫度范圍內(nèi)(一般為- 40～200 ℃) ,膠體不會(huì)因溫度驟然變化而導(dǎo)致器件開路,也不會(huì)出現(xiàn)變黃現(xiàn)象。零件材料也應(yīng)充分考慮其導(dǎo)熱、散熱特性,以獲得良好的整體熱特性。

2 　大功率LED 白光技術(shù)
常見的實(shí)現(xiàn)白光的工藝方法有如下三種〔2〕:藍(lán)色芯片上涂上YAG熒光粉,芯片的藍(lán)色光激發(fā)熒光粉發(fā)出典型值為500～560 nm 的黃綠光,黃綠光與藍(lán)色光合成白光。該方法制備相對(duì)簡單,效率高,具有實(shí)用性。缺點(diǎn)是布膠量一致性較差、熒光粉易沉淀導(dǎo)致出光面均勻性差、色調(diào)一致性不好;色溫偏高;顯色性不夠理想。RGB 三基色多個(gè)芯片或多個(gè)器件發(fā)光混色成白光;或者用藍(lán)+ 黃綠色雙芯片補(bǔ)色產(chǎn)生白光。只要散熱得法,該方法產(chǎn)生的白光較前一種方法穩(wěn)定,但驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜,另外還要考慮不同顏色芯片的不同光衰速度。在紫外光芯片上涂RGB 熒光粉,利用紫光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生三基色光混色形成白光。但目前的紫外光芯片和RGB 熒光粉效率較低,環(huán)氧樹脂在紫外光照射下易分解老化。積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì),我們認(rèn)為照明用W級(jí)功率LED 產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還必須解決如下技術(shù)問題:①粉涂布量控制:LED 芯片+ 熒光粉工藝采用的涂膠方法通常是將熒光粉與膠混合后用分配器將其涂到芯片上。在操作過程中,由于載體膠的粘度是動(dòng)態(tài)參數(shù)、熒光粉比重大于載體膠而產(chǎn)生沉淀以及分配器精度等因素的影響,此工藝熒光粉的涂布量均勻性的控制有難度,導(dǎo)致了白光顏色的不均勻。②芯片光電參數(shù)配合:半導(dǎo)體工藝的特點(diǎn),決定同種材料同一晶圓芯片之間都可能存在光學(xué)參數(shù)(如波長、光強(qiáng)) 和電學(xué)(如正向電壓) 參數(shù)差異。RGB 三基色芯片更是這樣,對(duì)于白光色度參數(shù)影響很大。這是產(chǎn)業(yè)化必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。③根據(jù)應(yīng)用要求產(chǎn)生的光色度參數(shù)控制:不同用途的產(chǎn)品,對(duì)白光LED 的色坐標(biāo)、色溫、顯色性、光功率(或光強(qiáng)) 和光的空間分布等要求就不同。上述參數(shù)的控制涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝方法、材料等多方面因素的配合。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中,對(duì)上述因素進(jìn)行控制,得到符合應(yīng)用要求、一致性好的產(chǎn)品十分重要。

3 　測試技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)
隨著W級(jí)功率芯片制造技術(shù)和白光LED 工藝技術(shù)的發(fā)展,LED 產(chǎn)品正逐步進(jìn)入(特種) 照明市場,顯示或指示用的傳統(tǒng)LED 產(chǎn)品參數(shù)檢測標(biāo)準(zhǔn)及測試方法已不能滿足照明應(yīng)用的需要。國內(nèi)外的半導(dǎo)體設(shè)備儀器生產(chǎn)企業(yè)也紛紛推出各自的測試儀器,不同的儀器使用的測試原理、條件、標(biāo)準(zhǔn)存在一定的差異,增加了測試應(yīng)用、產(chǎn)品性能比較工作的難度和問題復(fù)雜化。我國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)光電子器件分會(huì)行業(yè)協(xié)會(huì)根據(jù)LED 產(chǎn)品發(fā)展的需要,于2003 年發(fā)布了“發(fā)光二極管測試方法(試行) ”,該測試方法增加了LED 色度參數(shù)的規(guī)定。但LED 要往照明業(yè)拓展,建立LED 照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)業(yè)規(guī)范化的重要手段。

4 　篩選技術(shù)與可靠性保證
由于燈具外觀的限制,照明用LED 的裝配空間密封且受到局限,密封且有限的空間不利于LED 散熱,這意味著照明LED 的使用環(huán)境要劣于傳統(tǒng)顯示、指示用LED 產(chǎn)品。另外,照明LED 處于大電流驅(qū)動(dòng)下工作,這就對(duì)其提出更高的可靠性要求。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中,針對(duì)不同的產(chǎn)品用途,制定適當(dāng)?shù)臒崂匣?、溫度循環(huán)沖擊、負(fù)載老化工藝篩選試驗(yàn),剔除早期失效品,保證產(chǎn)品的可靠性很有必要。

5 　靜電防護(hù)技術(shù)
藍(lán)寶石襯底的藍(lán)色芯片其正負(fù)電極均位于芯片上面,間距很小;對(duì)于InGaN/ AlGaN/ GaN 雙異質(zhì)結(jié),InGaN 活化簿層僅幾十nm ,對(duì)靜電的承受能力很小,極易被靜電擊穿,使器件失效。因此,在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中,靜電的防范是否得當(dāng),直接影響到產(chǎn)品的成品率和經(jīng)濟(jì)效益。靜電的防范技術(shù)有如下幾種:①從人體、工作臺(tái)、地面、空間及產(chǎn)品傳輸、堆放等實(shí)施防范,手段有防靜電服裝、手套、手環(huán)、鞋、墊、盒、離子風(fēng)扇、檢測儀器等。②芯片上設(shè)計(jì)靜電保護(hù)線路。③LED 上裝配保護(hù)器件。我國LED 封裝產(chǎn)品主要是普通小功率LED ,同時(shí)還具有一定的大功率LED 封裝技術(shù)和水平。但由于多種原因,我國大功率LED 封裝技術(shù)水平總體來說與國際水平還有相當(dāng)?shù)牟罹唷?〕。

為了加快發(fā)展LED 封裝技術(shù)水平,我們建議:①國家要重點(diǎn)支持LED 前工序外延、芯片有實(shí)力的重點(diǎn)研究單位(大學(xué)) 和企業(yè),集中優(yōu)勢,重點(diǎn)突破關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),盡快開發(fā)并生產(chǎn)有自主產(chǎn)權(quán)的1 W、3 W、5 W和10 W等大功率LED 芯片,只有這樣,才能確保我國大功率LED 的順利發(fā)展。②國家要重點(diǎn)扶植有實(shí)力的大功率LED 封裝企業(yè),研發(fā)有自主產(chǎn)權(quán)的LED 封裝產(chǎn)品,并要達(dá)到規(guī)?；纳a(chǎn)程度,參與國際市場競爭。③要重視熒光粉、封裝環(huán)氧等基礎(chǔ)材料的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作。④根據(jù)市場要求,開發(fā)適應(yīng)市場的各種大功率LED 產(chǎn)品,首先瞄準(zhǔn)特種照明應(yīng)用的市場,并逐步向普通照明燈源市場邁進(jìn)。