照明級大功率 LED 技術
沈培宏
( 華東電子集團有限公司 ,南京 210028)
摘 要 : 該文介紹照明級大功率 LED 的設計和工藝技術 , 其關鍵是芯片和封裝 , 最新的二維光子結晶 要 結構極大地提高了發光效率 ,為照明級大功率的 LED 的新技術之一 。
關鍵詞 : 封裝技術 二維光子結晶結構
0 前言
2004 — 2005 年的各大照明與顯示器大展中可以 代替小功率 LED 器件成為主流半導體照明器件是必 然的 。但是對于大功率 LED 器件的封裝方法并不能 簡單地套用傳統的小功率 LED 器件的封裝方法和封 裝材料 。大的耗散功率 ,大的發熱量 ,高的出光效率 給我們的封裝工藝 、 封裝設備和封裝材料提出了新 的更高的要求 。
發現以 LED 為應用光源的電子產品已擴充到 LCD TV 背光模塊 、 車頭燈 、 投影機和輔助造景光源等的應用 。在發光效率 、 產品壽命及應用模式增加下 ,高 亮度和高效率的功率型 LED 的需求量呈現大幅度增 長。 從 LED1970 — 2003 年三十多年的發展 歷 程 可 知 ,LED 的光通量大約每 16～20 月就要增加 2. 2 倍 。 可以預期在五年內照明級大功率 LED 器件的光效率 達到 100 lm/ W 將是有可能的事情 。照明級大功率 LED 器件光效的提高 , 有賴于芯片光效的提高和封
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 。國際上通常的制造方法有如下幾 種。
1. 1 倒裝式芯片
裝出光散熱技術的提高的同步進行才能做到 。 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 外延生長技術 和多量子阱結構 , 雖然現在其內量子效率并未達到 最高 ,還有進一步提高的空間 , 但是我們發現 , 獲得
LED 器件高光通量的最大障礙依然是芯片的取光方
高功率 LED 封裝設計主要應朝以下兩點發展 : 一是高取光效率的封裝結構 ,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構技術也應有突 破性的進展 ,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工藝 , 是傳熱與散熱 技術 。傳統的 5 mm 圓筒型 LED 封裝結構其熱阻高 達 250 ℃ W～300 ℃ W ,高功率芯片若采用傳統的封 / / 裝形式 ,將會因為散熱不良而導致芯片表面溫度迅 速上升與周圍環氧樹脂碳化變色 , 從而造成單體的 加速光衰減直至失效 , 甚至因為承受溫度驟然變化 迅速的熱膨脹應力造成開路 (Open Loop ) 而失效 。因 此對于大工作電流的高功率型 LED 芯片 ,低熱阻 、 散 熱良好及低機械應力的新式封裝結構是高功率型
LED 封裝體的技術關鍵 。現階段的具體解決方案是 式和高出光效率的封裝結構的設計 。 從實際應用的角度來看 : 安裝使用簡單 、 體積相 對較小的大功率 LED 器件在大部分的照明應用中必 將取代傳統的小功率 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到照明的 需要 ,必須集中許多個 LED 的光能才能達到設計要 求 。帶來的缺點是線路異常復雜 ,散熱不暢 ,為了平 衡各個 LED 之間的電流電壓關系必須設計復雜的供 電電路 。相比之下 , 大功率 LED 單體的功率遠大于 若干個小功率 LED 的總和 ,供電線路相對簡單 ,散熱 結構完善 ,物理特性穩定 。所以說 ,大功率 LED 器件 ·42 ·
采用低接口熱阻 、 高導熱性能的材料進行芯片粘合 (Die Attach) ,粘合在芯片下部 ( 發光的反方向 ) 連接 高導熱的金屬散熱塊 ( Heat Slug) ,直接將芯片所發出
2006 年 3 月 燈與照明 30 卷第 1 期 第 的高熱量傳導到封裝體最外部 。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
( Encapsulation) 的結構體 。
兼容性較好 ,使用方便 ,因而成為 Al GaInN LED 發展 的另一主流 。
rier) 依不同的加工方式組成一個可供后續膠材密封 1. 2 硅底板倒裝法 2 基礎封裝結構 2. 1 散熱
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) ,同時制備出相應尺寸的硅
大功率 LED 封裝中主要需考慮的問題有兩個 : 散熱與出光 。從電流 、 溫度 、 光通量關系圖可得知 , 散熱對于功率型 LED 器件是至關重要的 。如果不能 將電流產生的熱量及時的散出 ,保持 PN 結的結溫度 在允許范圍內 , 將無法獲得穩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熱率最好 , 但是銀導 散熱板的成本較高不適宜做通用型散熱器 。而銅的 導熱率比較接近銀 , 且其成本比銀低 。鋁的導熱率 雖然低于銅 ,但是在綜合成本最低 ,有利于大規模制 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 梯型導熱結構 , 利用銅或銀的高導熱率將芯片產生 的熱量高效傳遞到鋁基散熱器 , 再通過鋁基散熱器 將熱量散出 ( 通過風冷或熱傳導方式散出) 。 這種做法的優點是 : 充分考慮散熱器性能價格 比 ,將不同特點的散熱器結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
底板 ,并在上制作出供共晶焊接的金導電層及引出 導電層 ( 超聲金絲球焊點) ,然后 ,利用共晶焊接設備 將大尺寸 LED 芯片與硅底板焊接在一起 ( 這樣的結 構較為合理 ,即考慮了出光問題又考慮到了散熱問
題 , 這是目前主流的 High Output Power Chip LED 生產 方式) 。
美國 LumiLeds 公司 2001 年研制出了 Al GaInN 功 率型倒裝芯片 ( FCLED) 結構 , 具體做法為 : 第一步 , 的 NiAu 層 ,用于歐姆接觸和背反射 第二步 ,采用掩
在外延片頂部的 P 型 GaN :Mg 淀積厚度大于 500A 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 2
寸為 1 × 1mm ,P 型歐姆接觸為正方形 ,N 歐姆接觸 電阻降至最小 第四步 ,將金屬化凸點的 Al GaInN 芯 片倒裝焊接在具有防靜電保護二極管 ( ESD) 的硅載 體上 。 1. 3 陶瓷底板倒裝法
以梳狀插入其中 ,這樣可縮短電流擴展距離 ,把擴展 先利用 LED 晶片廠通用設備制備出具有適合共 晶焊接電極結構的大出光面積的 LED 芯片和相應的 陶瓷底板 ,并在上制作出共晶焊接導電層及引出導
電層 ,之后利用共晶焊接設備將大尺寸 LED 芯片與 陶瓷底板焊接在一起 ( 這樣的結構考慮了出光問題 也考慮到了散熱問題 , 并且采用的陶瓷底板為高導 熱陶瓷板 ,散熱的效果非常理想 , 價格又相對較低 , 所以為目前較為適宜的底板材料 , 并可為將來的集 成電路化一體封裝伺服電路預留下了安裝空間) 。 1. 4 藍寶石襯底過渡法 片與熱沉之間加上了一道熱阻 。另外銀膠固化后的 內部基本結構為 : 環氧樹脂骨架 + 銀粉填充式導熱 導電結構 , 這樣的結構熱阻極高且 TG 點較低 , 對器 件的散熱與物理特性穩定極為不利 。解決此問題的 做法是 : 以錫片焊作為晶粒與熱沉之間的連接材料 (錫的導熱系數 67 W/ ( m. K) ) 可以取得較為理想的 導熱效果 ( 熱阻約為 16 ℃ W) , 錫的導熱效果與物 / 理特性遠優于銀膠 。 2. 2 出光
按照傳統的 InGaN 芯片制造方法在藍寶石襯底
上生長出 PN 結后 ,將藍寶石襯底切除再連接上傳統 LED 芯片 。
的四元材料 , 制造出上下電極結構的大尺寸藍光 1. 5 GaInN/ 碳化硅 ( SiC) 背面出光法 Al
我們發現傳統的 LED 器件封裝方式只能利用芯 片發出的約 50 %的光能 , 由于半導體與封閉環氧樹 脂的折射率相差較大 , 致使內部的全反射臨界角很 小 ,有源層產生的光只有小部分被取出 ,大部分在芯 片內部經多次反射而被吸收 , 成為超高亮度 LED 芯 片取光效率很低的根本原因 。如何將內部不同材料 間折射 、 反射消耗掉的 50 %的光能加以利用 ,是設計 ·43 ·
美國 Cree 公司是采用 SiC 襯底制造 Al GaInN 超
高亮度 LED 的全球唯一廠家 , 幾年來 Al GaInN/ SiCa 型電極分別僅次于芯片的底部和頂部 ,單引線鍵合 ,
芯片結構不斷改進 , 亮度不斷提高 。由于 P 型和 N
2006 年 3 月 燈與照明 30 卷第 1 期 第 出光系統的關鍵 。 通過芯片的倒裝技術 ( FLIP CHIP) 可以比傳統 的 LED 芯片封裝技術得到更多的有效出光 。但是 , 如果不在芯片的發光層之電極下方增加反射層來反 射出浪費的光能則會造成約 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寶石襯底部份 ( Sapphire ) 與環氧樹脂導光結合面上應加上一層硅膠材料以改 善芯片出光的折射率 。經過上述光學封裝技術的改 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設計也是十 分重要的 ,我們通常的做法是 : 在進行光學透鏡設計 時應充分考慮最終照明器具的光學設計要求 , 盡量 配合應用照明器具的光學要求進行設計 。 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 選擇高透光的玻璃或亞克力等合成材料 , 也可以采 用傳統的環氧樹脂模組式封裝 , 加上二次散熱設計 也基本可以達到提高出光率的效果 。 此次通過在 LED 的發光部分使用了 InGaAsP 材 料 ,結晶柵格間隙為 390 nm～ 480 nm 時光導效率得 到了提高 ,與沒有光子結晶結構時相比 ,達到了 4 倍 ～ 5 倍 。而 390 nm ～ 480 nm 的周期就接近 于 In2 GaAsP 的發光中心波長 1 550 nm 除以 InGaAsP 的折 射率 3. 3 所得的值 。 光導效率能夠得 到 提 高 的 波 長 , 所 以 分 布 于 390 nm～ 480 nm 之間 , 與垂直于發光面形成的孔徑 有關系 。孔徑越大 , 光導效率能夠得到提高的波長 寬度就越大 反之 ,孔徑越小 ,波長寬度就越窄 。 3 二維光子結晶結構
在發光元件結構中使用二維光子結晶結構 , 提 高了發光二極管 (LED) 的發光效率 。與沒有光子結 晶結構相比 , 將發光元件內部發出的光線照射到 LED 發光面法線方向的效率 ( 光導效率) 達到了 4～5 倍 。過去 ,由 LED 內部發出的光線大多沿發光面方 向照射 ,因為沒有出口 ,就會發熱 。 所謂光子結晶 , 就是指使光通過的物質像結晶 一樣周期性地產生折射率的變化 。這種結晶具有波 長與其柵格間隙相接近的光線無法進入結晶內部的 性質 。具體來講就是指 , 通過形成與發光元件中心 波長除以構成光子結晶的介質折射率所得到的值相 接近的周期結構 ,阻止光的進入 。 沿元件發光面以二維方式形成這種周期結構 , 使其沿發光面具備一種周期結構 。具體來說 , 就是 有規則地形成蜂窩狀的孔 ( 圖 1) ,由此光線就無法沿 發光面方向前進 , 絕大部分就會沿發光面的法線方 向傳導出來 ,結果光導效率就會提高 ,理論上來講可 達到 100 % 。而不采用提高光導效率的方法時 ,紅色 LED 的光導效率僅為 20 %左右 。 4 結束語
當前 ,大芯片相關的工藝 、 封裝技術已經漸漸成 為高亮度 LED 的主流 。 近來又有許多公司生產 LED 的多芯片模塊 , 利 用多芯片模塊 MCM ( Multi Chip Module ) 整合驅動與 感測組件 ,再加上此種結構具有與外加光學組件整 合的彈性 ,企圖達到投影 ( 機 ) 光源 、 醫療 、 顯微鏡與 閃光燈等應用產品光源的需求 。 瓦級 ( > 1 W) 高功率 LED 封裝單體產品的熱阻 則必須低于 20 ℃ W 才足以應付較為嚴苛的系統工 / 作環境需求 , 如背光模塊 、 投影機光源等 。此外 , 目 前在考慮發光效率的前提下 , 白光單體的色溫以 Luxeon 的 3 300 K 暖色系白光為最低 ,為了達到照明 低色溫所需的效率 , 藍光或是 UV 芯片所搭配之熒 光粉技術有待更進一步的突破 。 為了提高單體 LED 總輸出發光通量而加大的驅 動 電流會導致內部的熱量密度 ( 能量/ 面積) 的上升 ,因此在不影響 LED 量子效率的前提下 , 現階段必須 采用較高成本的封裝材料與工藝 。然而 LED 的單價 必須下降到目前 1/ 10 ～ 1/ 100 的價位以利于切入照 明市場 ,唯有大幅提高發光效率的情況下方能降低 LED 之封裝成本 ,早日達到 “冷光源” 照明的目標 。