应用在大功率照明的LED封装技术.docVIP

应用在大功率照明的LED封装技术 从实际应用的角度来看,安装使用简单、体积相对较小的大功率LED器件在大部分的照明应用中必将取代传统的小功率LED器件。由小功率LED组成的照明灯具为了满足照明的需要,必须集中许多个LED的光能才能达到设计要求,但带来的缺点是线路异常复杂、散热不畅,为了平衡各个LED之间的电流、电压关系,必须设计复杂的供电电路。相比之下,大功率单体LED的功率远大于若干个小功率LED的功率总和,供电线路相对简单,散热结构完善,物理特性稳定。所以说,大功率LED器件的封装方法和封装材料并不能简单地套用传统的小功率LED器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率、大的发热量以及高的出光效率,给LED封装工艺、封装设备和封装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,就必须制备合适的大功率LED芯片。国际上通常的制造大功率LED芯片的方法有如下几种： 加大尺寸法。通过增大单体LED的有效发光面积和尺寸,促使流经TCL层的电流均匀分布,以达到预期的光通量。但是,简单地增大发光面积无法解决散热问题和出光问题,并不能达到预期的光通量和实际应用效果。 硅底板倒装法。首先制备出适合共晶焊接的大尺寸LED芯片,同时制备出相应尺寸的硅底板,并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金导电层及引出导电层(超声金丝球焊点),再利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊接在一起。这样的结构较为合理,既考虑了出光问题又考虑到了散热问题,这是目前主流的大功率LED的生产方式。美国Lumileds公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒装芯片(FCLED)结构,其制造流程是：首先在外延片顶部的P型GaN上淀积厚度大于500A的NiAu层,用于欧姆接触和背反射;再采用掩模选择刻蚀掉P型层和多量子阱有源层,露出N型层;经淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层,芯片尺寸为1mm1mm,P型欧姆接触为正方形,N型欧姆接触以梳状插入其中,这样可缩短电流扩展距离,把扩展电阻降至最小;然后将金属化凸点的AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅载体上。 陶瓷底板倒装法。先利用LED晶片通用设备制备出具有适合共晶焊接电极结构的大出光面积的LED芯片和相应的陶瓷底板,并在陶瓷底板上制作出共晶焊接导电层及引出导电层,然后利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与陶瓷底板焊接在一起。这样的结构既考虑了出光问题也考虑到了散热问题,并且采用的陶瓷底板为高导热陶瓷板,散热效果非常理想,价格又相对较低,所以为目前较为适宜的底板材料,并可为将来的集成电路一体化封装预留空间。 蓝宝石衬底过渡法。按照传统的InGaN芯片制造方法在蓝宝石衬底上生长出PN结后,将蓝宝石衬底切除,再连接上传统的四元材料,制造出上下电极结构的大尺寸蓝光LED芯片。 AlGaInN碳化硅(SiC)背面出光法。美国Cree公司是全球唯一采用SiC衬底制造AlGaInN超高亮度LED的厂家,几年来其生产的AlGaInN/SiCa芯片结构不断改进,亮度不断提高。由于P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部,采用单引线键合,兼容性较好,使用方便,因而成为AlGaInN LED发展的另一主流产品。2、功率型封装功率LED最早始于HP公司于20世纪90年代初推出食人鱼封装结构的LED,该公司于1994年推出的改进型的Snap LED有两种工作电流,分别为70mA和150mA,输入功率可达0.3W。功率LED的输入功率比原支架式封装的LED的输入功率提高了几倍,热阻降为原来的几分之一。瓦级功率LED是未来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对瓦级功率LED的封装技术进行研究开发。LED芯片及封装向大功率方向发展,在大电流下产生比φ5mm LED大10~20倍的光通量,必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题,因此,管壳及封装是其关键技术,目前能承受数瓦功率的LED封装已出现。5W系列白色、绿色、蓝绿色、蓝色的功率型LED从2003年年初开始推向市场,白光LED的光输出达187lm,光效为44.3lm/W。目前正开发出可承受10W功率的LED,采用大面积管芯,尺寸为2.5mm2.5mm,可在5A电流下工作,光输出达200lm。Luxeon系列功率LED是将AlGaInN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上,然后把完成倒装焊接的硅载体装入热衬与管壳中,键合引线进行封装。这种封装的取光效率、散热性能以及加大工作电流密度的设计都是最佳的。在应用中,可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上,形成功率密度型LED,PCB板作为器件电极连接的布线使用,铝芯夹层则可作为热衬使用,以获得较高的光通量和光电转换效率。