1、 本文由 Richard_chan86 贡献pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。2006 年 3 月 灯与照明 30 卷第 1 期 第光源研究照明级大功率 LED 技术沈培宏( 华东电子集团有限公司 ,南京 210028)摘 : 该文介绍照明级大功率 LED 的设计和工艺技术 , 其关键是芯片和封装 , 最新的二维光子结晶 要 结构极大地提高了发光效率 ,为照明级大功率的 LED 的新技术之一 。 关键词 : 封装技术 ; 二维光子结晶结构0 前言2004 2005 年的各大照明与显示器大展中可以代替小功率 LED 器件成为主流半导体照明
2、器件是必 然的 。但是对于大功率 LED 器件的封装方法并不能 简单地套用传统的小功率 LED 器件的封装方法和封 装材料 。大的耗散功率 ,大的发热量 ,高的出光效率 给我们的封装工艺 、 封装设备和封装材料提出了新 的更高的要求 。发现以 LED 为应用光源的电子产品已扩充到 LCD TV 背光模块 、 车头灯 、 投影机和辅助造景光源等的应用 。在发光效率 、 产品寿命及应用模式增加下 ,高 亮度和高效率的功率型 LED 的需求量呈现大幅度增 长。 从 LED1970 2003 年三十多年的发展 历 程 可 知 ,LED 的光通量大约每 1620 月就要增加 2. 2 倍 。 可以预期在
3、五年内照明级大功率 LED 器件的光效率 达到 100 lm/ W 将是有可能的事情 。照明级大功率LED 器件光效的提高 , 有赖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 器件就必须制备合适的大 功率 LED 芯片 。国际上通常的制造方法有如下几 种。1. 1 倒装式芯片装出光散热技术的提高的同步进行才能做到 。 众所周知 ,LED 芯片的外量子效率取决于外延 材料的内量子效率和芯片的取光效率 。目前大功率 型 LED 所采用的外延材料为 MOCVD 外延生长技术 和多量子阱结构 , 虽然现在其内量子效率并未达到 最高 ,还有进一步提高的空间 , 但是我们发现 ,
4、获得LED 器件高光通量的最大障碍依然是芯片的取光方高功率 LED 封装设计主要应朝以下两点发展 : 一是高取光效率的封装结构 ,二是较低的芯片 ( 外壳 热阻值 ( R junction to case ) ) 。除了提升芯片本身的 量子效率外 ,单体的封装材料与结构技术也应有突 破性的进展 ,方能确保高功率 LED 的光电性能和可 靠性 。 目前极需突破的封装技术工艺 , 是传热与散热 技术 。传统的 5 mm 圆筒型 LED 封装结构其热阻高 达 250 W300 W ,高功率芯片若采用传统的封 / / 装形式 ,将会因为散热不良而导致芯片表面温度迅 速上升与周围环氧树脂碳化变色 , 从
5、而造成单体的 加速光衰减直至失效 , 甚至因为承受温度骤然变化 迅速的热膨胀应力造成开路 (Open Loop ) 而失效 。因 此对于大工作电流的高功率型 LED 芯片 ,低热阻 、 散 热良好及低机械应力的新式封装结构是高功率型LED 封装体的技术关键 。现阶段的具体解决方案是式和高出光效率的封装结构的设计 。 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 。其好处是非常明显 的 ,小功率的 LED 组成的照明灯具为了达到照明的 需要 ,必须集中许多个 LED 的光能才能达到设计要 求 。带来的缺点
6、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 LED 单体的功率远大于 若干个小功率 LED 的总和 ,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 42 采用低接口热阻 、 高导热性能的材料进行芯片粘合 (Die Attach) ,粘合在芯片下部 ( 发光的反方向 ) 连接 高导热的金属散热块 ( Heat Slug) ,直接将芯片所发出2006 年 3 月 灯与照明 30 卷第 1 期 第的高热量传导到封装体最外部 。芯片加散热块的组 合由支架 (Leadframe) 与塑料
7、件组合而成的载体 ( Car2( Encapsulation) 的结构体 。兼容性较好 ,使用方便 ,因而成为 Al GaInN LED 发展 的另一主流 。rier) 依不同的加工方式组成一个可供后续胶材密封 1. 2 硅底板倒装法2 基础封装结构2. 1 散热首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸 LED 芯片 ( Flip Chip LED) ,同时制备出相应尺寸的硅大功率 LED 封装中主要需考虑的问题有两个 : 散热与出光 。从电流 、 温度 、 光通量关系图可得知 , 散热对于功率型 LED 器件是至关重要的 。如果不能 将电流产生的热量及时的散出 ,保持 PN 结的结温度 在允许
8、范围内 , 将无法获得稳定的光输出和维持正 常的器件寿命 。 常用的散热材料中银的导热率最好 , 但是银导 散热板的成本较高不适宜做通用型散热器 。而铜的 导热率比较接近银 , 且其成本比银低 。铝的导热率 虽然低于铜 ,但是在综合成本最低 ,有利于大规模制 造。 较为合适的做法是 : 连接芯片部分采用铜基或 银基热沉 ,再将该热沉连接在铝基散热器上形成阶 梯型导热结构 , 利用铜或银的高导热率将芯片产生 的热量高效传递到铝基散热器 , 再通过铝基散热器 将热量散出 ( 通过风冷或热传导方式散出) 。 这种做法的优点是 : 充分考虑散热器性能价格 比 ,将不同特点的散热器结合在一起做到高效散热
9、 、 并且成本控制合理化 。 值得注意的是 : 连接铜基热沉与芯片之间的材 料选择是十分重要的 ,LED 行业常用的芯片连接材 料为银胶 。但是银胶的热阻极高为 : 10 25W/ ( m.K) ,如果采用银胶作为连接材料 ,就等于人为的在芯底板 ,并在上制作出供共晶焊接的金导电层及引出 导电层 ( 超声金丝球焊点) ,然后 ,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 ,即考虑了出光问题又考虑到了散热问题 , 这是目前主流的 High Output Power Chip LED 生产 方式) 。美国 LumiLeds 公司 2001 年研制出了 Al
10、 GaInN 功 率型倒装芯片 ( FCLED) 结构 , 具体做法为 : 第一步 , 的 NiAu 层 ,用于欧姆接触和背反射 ; 第二步 ,采用掩在外延片顶部的 P 型 GaN :Mg 淀积厚度大于 500A 模选择刻蚀掉 P 型层和多量子阱有源层 , 露出 N 型 层 ; 第三步 ,淀积 、 刻蚀形成 N 型欧姆接触层 ,芯片尺2寸为 1 1mm ,P 型欧姆接触为正方形 ,N 欧姆接触 电阻降至最小 ; 第四步 ,将金属化凸点的 Al GaInN 芯 片倒装焊接在具有防静电保护二极管 ( ESD) 的硅载 体上 。1. 3 陶瓷底板倒装法以梳状插入其中 ,这样可缩短电流扩展距离 ,把扩
11、展先利用 LED 晶片厂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 ,并在上制作出共晶焊接导电层及引出导电层 ,之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 ,散热的效果非常理想 , 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 成电路化一体封装伺服电路预留下了安装空间) 。1. 4 蓝宝石衬底过渡法片与热沉之间加上了一道热阻 。另外银胶固化后的 内部基本结构为 : 环氧树脂骨架 + 银粉填充式导热 导电结构 , 这样的
12、结构热阻极高且 TG 点较低 , 对器 件的散热与物理特性稳定极为不利 。解决此问题的 做法是 : 以锡片焊作为晶粒与热沉之间的连接材料 (锡的导热系数 67 W/ ( m. K) ) 可以取得较为理想的 导热效果 ( 热阻约为 16 W) , 锡的导热效果与物 / 理特性远优于银胶 。2. 2 出光按照传统的 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LED 芯片 。的四元材料 , 制造出上下电极结构的大尺寸蓝光1. 5 GaInN/ 碳化硅 ( SiC) 背面出光法 Al我们发现传统的 LED 器件封装方式只能利用芯 片发出的约 50 %的光能
13、 , 由于半导体与封闭环氧树 脂的折射率相差较大 , 致使内部的全反射临界角很 小 ,有源层产生的光只有小部分被取出 ,大部分在芯 片内部经多次反射而被吸收 , 成为超高亮度 LED 芯 片取光效率很低的根本原因 。如何将内部不同材料 间折射 、 反射消耗掉的 50 %的光能加以利用 ,是设计 43 美国 Cree 公司是采用 SiC 衬底制造 Al GaInN 超高亮度 LED 的全球唯一厂家 , 几年来 Al GaInN/ SiCa 型电极分别仅次于芯片的底部和顶部 ,单引线键合 ,芯片结构不断改进 , 亮度不断提高 。由于 P 型和 N2006 年 3 月 灯与照明 30 卷第 1 期
14、第出光系统的关键 。 通过芯片的倒装技术 ( FLIP CHIP) 可以比传统 的 LED 芯片封装技术得到更多的有效出光 。但是 , 如果不在芯片的发光层之电极下方增加反射层来反 射出浪费的光能则会造成约 8 %的光损失 。所以底 板材料上必须增加反射层 , 芯片侧面的光也必须利 用热沉的镜面加工法加以反射出 , 增加器件的出光 率 。而且在倒装芯片的蓝宝石衬底部份 ( Sapphire ) 与环氧树脂导光结合面上应加上一层硅胶材料以改 善芯片出光的折射率 。经过上述光学封装技术的改 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 器件的顶部透镜之光学
15、设计也是十 分重要的 ,我们通常的做法是 : 在进行光学透镜设计 时应充分考虑最终照明器具的光学设计要求 , 尽量 配合应用照明器具的光学要求进行设计 。 常用的透镜形状有 : 凸透镜 、 凹锥透镜 、 球镜 、 菲 涅尔透镜 、 组合式透镜等 。透镜与大功率 LED 器件 的装配方法理想的情况应采取气密性封装 , 如果受 透镜形状所限也可采取半气密性封装 。透镜材料应 选择高透光的玻璃或亚克力等合成材料 , 也可以采 用传统的环氧树脂模组式封装 , 加上二次散热设计 也基本可以达到提高出光率的效果 。 此次通过在 LED 的发光部分使用了 InGaAsP 材 料 ,结晶栅格间隙为 390 n
16、m 480 nm 时光导效率得 到了提高 ,与没有光子结晶结构时相比 ,达到了 4 倍 5 倍 。而 390 nm 480 nm 的周期就接近 于 In2 GaAsP 的发光中心波长 1 550 nm 除以 InGaAsP 的折图 1 具有二维光子结晶结构的发光元件电子显微镜照片射率 3. 3 所得的值 。 光导效率能够得 到 提 高 的 波 长 , 所 以 分 布 于 390 nm 480 nm 之间 , 与垂直于发光面形成的孔径 有关系 。孔径越大 , 光导效率能够得到提高的波长 宽度就越大 ; 反之 ,孔径越小 ,波长宽度就越窄 。3 二维光子结晶结构在发光元件结构中使用二维光子结晶结构
17、 , 提 高了发光二极管 (LED) 的发光效率 。与没有光子结 晶结构相比 , 将发光元件内部发出的光线照射到 LED 发光面法线方向的效率 ( 光导效率) 达到了 45 倍 。过去 ,由 LED 内部发出的光线大多沿发光面方 向照射 ,因为没有出口 ,就会发热 。 所谓光子结晶 , 就是指使光通过的物质像结晶 一样周期性地产生折射率的变化 。这种结晶具有波 长与其栅格间隙相接近的光线无法进入结晶内部的 性质 。具体来讲就是指 , 通过形成与发光元件中心 波长除以构成光子结晶的介质折射率所得到的值相 接近的周期结构 ,阻止光的进入 。 沿元件发光面以二维方式形成这种周期结构 , 使其沿发光面
18、具备一种周期结构 。具体来说 , 就是 有规则地形成蜂窝状的孔 ( 图 1) ,由此光线就无法沿 发光面方向前进 , 绝大部分就会沿发光面的法线方 向传导出来 ,结果光导效率就会提高 ,理论上来讲可 达到 100 % 。而不采用提高光导效率的方法时 ,红色LED 的光导效率仅为 20 %左右 。4 结束语当前 ,大芯片相关的工艺 、 封装技术已经渐渐成 为高亮度 LED 的主流 。 近来又有许多公司生产 LED 的多芯片模块 , 利 用多芯片模块 MCM ( Multi Chip Module ) 整合驱动与 感测组件 ,再加上此种结构具有与外加光学组件整 合的弹性 ,企图达到投影 ( 机 )
19、 光源 、 医疗 、 显微镜与 闪光灯等应用产品光源的需求 。 瓦级 ( 1 W) 高功率 LED 封装单体产品的热阻 则必须低于 20 W 才足以应付较为严苛的系统工 /作环境需求 , 如背光模块 、 投影机光源等 。此外 , 目 前在考虑发光效率的前提下 , 白光单体的色温以 Luxeon 的 3 300 K 暖色系白光为最低 ,为了达到照明 低色温所需的效率 , 蓝光或是 UV 芯片所搭配之荧 光粉技术有待更进一步的突破 。 为了提高单体 LED 总输出发光通量而加大的驱 动 电流会导致内部的热量密度 ( 能量/ 面积) 的上升 , ( 下转第 56 页)44 2006 年 3 月 灯与
20、照明 30 卷第 1 期 第 3 结论添加表面活性剂的过渡玻璃 , 可改善玻璃与钨 的浸润性 ,线性膨胀系数有所增加 , 耐温性能降低 ; 但耐温性和膨胀系数均达到氪灯制作过渡封接要 求 ; 对于粗钨棒使用两种过渡玻璃进行二次过渡封 接 ,效果更好 。钨丝表面的氧化膜有利于促进玻璃 与钨的封接 ,氧化钨在玻璃中起活性剂作用降低粘 度 ,增加浸润性 。参考文献 :1 周治洲 ,王玉芬 . 石英 - 钨封接玻璃制备工艺研究 J .中国建材科技 ,1998 (6)2 玻璃工艺学 M . 西北轻工业学院 3 陶瑛 ,柳鸣 , 王承遇 . 氧化钨和钨尾矿添加剂对瓶罐玻璃熔化的影响 J . 大连轻工业学院
21、学报 ,2002 ,21 (4)( 上接第 44 页)因此在不影响 LED 量子效率的前提下 , 现阶段必须 采用较高成本的封装材料与工艺 。然而 LED 的单价 必须下降到目前 1/ 10 1/ 100 的价位以利于切入照 明市场 ,唯有大幅提高发光效率的情况下方能降低 LED 之封装成本 ,早日达到 “冷光源” 照明的目标 。 发光一 发光效率 高 发表2 沈培宏 . 白光 LED 技术及进展 J . 光电技术 ,2005 (2) ,1 3 裴鸿 . 汽车中的 LED 光源 J . 光电技术 ,2005 (2) ,1 4 明 业界最高水准 白色 LED发 松下电工 ,实现 苦 语 发展与应
22、用论坛 ,2004. 04. 125 李小红 . 超高亮度 LED 封装技术研究 . 半导体照明产业参考文献 :1 京都大学 JST ,2 次元( 上接第 53 页)dP =mQ200 Q200 dQ200 dLl m dQ200 2 dLl = m Ll Ll Q200 Ll Ll dQ200 dLl 从而推出 dP = P Q200 Ll 2. 3 讨论关于 ( 17) 式的 3 种特殊情况2 . 3 . 1 功率不变 dP = 0 W 时 , 有 dLl =对某规格灯丝来说 , 钨丝份量改变为 dQ200 , 那么只Ll 要灯丝有效长度随之改变为 dQ , 就可以保证灯 Q200 200
23、的功率不变。从而可以找到某规格灯丝钨丝份量公 差范围内 , 灯功率不变时灯丝有效长度的变化情况。 0mg 2. 3. 2 直径不变即钨丝份量不变 dQ200 = 时, 200mmP 有 dp = - dLl 。对某规格灯丝来说 , 如试样之功率 Ll 不符合要求 , 那么就可以运用该式调整灯丝有效长度 , 使功率达到要求 。2. 3. 3 有效长度不变 dLl = 0mm 时 , 有 dP =dQ200 。对某规格灯丝来说 , 在灯丝有效长度不变情况下 , 可以看出由钨丝份量的变化即直径的变化而 引起功率改变的情况 。56 结晶构造 用3 结束语( 17)Ll dQ200 。 Q200实验证明
24、 ,按照上述的模型设计灯丝 ,在设计完 成之后进行了定量的有目的的参数调整 , 解决了调 整的盲目性 ,减小了新灯试制费用和周期 ,这有利于 市场开发竞争 。参考文献 :2000. 31 杨世光 . 高光效长寿命白炽灯的研究 J . 光源与照明 , 2 朱绍龙 ,李一明 1 国外电气照明的发展动态 J . 照明工程学报 ,1994. 43 复旦大学电光源实际室 ,电光源原理 M . 上海 : 上海人民出版社 ,1977 社 ,19934 周太明 . 光源原理与设计 M . 上海 : 上海复旦大学出版 5 M. R. Vukcevich , The Science of Incandescence , Cleveland ,P Q200OH ,NELA Press ,1993 6 C. Weast and M. J . Astle ( eds) ,Handbook of Chemistry and R. Physics 62nd Ed. ,Boca Raton ,FL ,CRC Press ,198182. 7 陈大华 . 现代光源基础 M . 上海 : 学林出版社 ,19878 左毅 . 普通照明白炽灯泡灯丝参数变量关系 J . 中国照明电器 ,2000. 1 开 1
