一、引言
從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看：安裝使用簡(jiǎn)單、體積相對(duì)較小的大功率LED器件在大部分的照明應(yīng)用中必將取代傳統(tǒng)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(dá)到照明的需要，必須集中許多個(gè)LED的光能才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。帶來(lái)的缺點(diǎn)是線路異常復(fù)雜，散熱不暢，為了平衡各個(gè)LED之間的電流電壓關(guān)系必需設(shè)計(jì)復(fù)雜的供電電路。相比之下，大功率LED單體的功率遠(yuǎn)大于單個(gè)LED等于若干個(gè)小功率LED的總和，供電線路相對(duì)簡(jiǎn)單，散熱結(jié)構(gòu)完善，物理特性穩(wěn)定。所以說(shuō)，大功率LED器件代替小功率LED器件成為主流半導(dǎo)體照明器件是必然的。但是對(duì)于大功率LED器件的封裝方法我們并不能簡(jiǎn)單的套用傳統(tǒng)的小功率LED器件的封裝方法與封裝材料。大的耗散功率，大的發(fā)熱量，高的出光效率給我們的封裝工藝封裝設(shè)備和封裝材料提出了新的更高的要求。
二、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(guó)際上通常的制造方法有如下幾種：
2.1加大尺寸法：
通過(guò)增大單顆LED的有效發(fā)光面積，和增大尺寸后促使得流經(jīng)TCL層的電流均勻分布而特殊設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)（一般為梳狀電極）之改變以求達(dá)到預(yù)期的光通量。但是，簡(jiǎn)單的增大發(fā)光面積無(wú)法解決根本的散熱問(wèn)題和出光問(wèn)題，并不能達(dá)到預(yù)期的光通量和實(shí)際應(yīng)用效果。
2.2硅底板倒裝法：
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(shí)制備出相應(yīng)尺寸的硅底板，并在上制作出供共晶焊接的金導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層（超聲金絲球焊點(diǎn)）。然后，利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片與硅底板焊接在一起。（這樣的結(jié)構(gòu)較為合理，即考慮了出光問(wèn)題又考慮到了散熱問(wèn)題，這是目前主流的High Output Power Chip LED生產(chǎn)方式。）
美國(guó)LumiLeds公司2001年研制出了AlGaInN功率型倒裝芯片（FCLED）結(jié)構(gòu)，具體做法為：第一步，在外延片頂部的P型GaN：Mg淀積厚度大于500A的NiAu層，用于歐姆接觸和背反射；第二步，采用掩模選擇刻蝕掉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，芯片尺寸為1×1mm2，P型歐姆接觸為正方形，N歐姆接觸以梳狀插入其中，這樣可縮短電流擴(kuò)展距離，把擴(kuò)展電阻降至最��；第四步，將金屬化凸點(diǎn)的AlGaInN芯片倒裝焊接在具有防靜電保護(hù)二極管（ESD）的硅載體上。
2.3陶瓷底板倒裝法：
先利用LED晶片廠通用設(shè)備制備出具有適合共晶焊接電極結(jié)構(gòu)的大出光面積的LED芯片和相應(yīng)的陶瓷底板，并在上制作出共晶焊接導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層。之后利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片與陶瓷底板焊接在一起。（這樣的結(jié)構(gòu)考慮了出光問(wèn)題也考慮到了散熱問(wèn)題，并且采用的陶瓷底板為高導(dǎo)熱陶瓷板，散熱的效果非常理想，價(jià)格又相對(duì)較低所以為目前較為適宜的底板材料，并可為將來(lái)的集成電路化一體封裝伺服電路預(yù)留下了安裝空間）
2.4藍(lán)寶石襯底過(guò)渡法：
按照傳統(tǒng)的InGaN芯片制造方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)出PN結(jié)后將藍(lán)寶石襯底切除再連接上傳統(tǒng)的四元材料，制造出上下電極結(jié)構(gòu)的大尺寸藍(lán)光LED芯片。
2.5AlGaInN/碳化硅（SiC）背面出光法：
美國(guó)Cree公司是采用SiC襯底制造AlGaInN超高亮度LED的全球唯一廠家，幾年來(lái)AlGaInN/SiCa芯片結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，亮度不斷提高。由于P型和N型電極分別僅次于芯片的底部和頂部，單引線鍵合，兼容性較好，使用方便，因而成為AlGaInN LED發(fā)展的另一主流。
三、基礎(chǔ)封裝結(jié)構(gòu)
大功率LED封裝中主要需考慮的問(wèn)題有兩個(gè)：散熱與出光。
序號(hào) 材質(zhì) 導(dǎo)熱系數(shù)/λW（m.K）
01 碳鋼（C＝0.5-1.5） 39.2-36.7
02 鎳鋼（Ni=1%-50%） 45.5-19.6
03 黃銅 (70Cu-30Zn) 109
04 鋁合金(60Cu-40Ni) 22.2
05 鋁合金(87Al-13Si) 162
06 鋁青銅(90Cu-10Al) 56
07 鎂 156
08 鉬 138
序號(hào) 材質(zhì) 導(dǎo)熱系數(shù)/λW（m.K）
09 鉑 71.4
10 銀 427
11 錫 67
12 鋅 121
13 純銅 398
14 黃金 315
15 純鋁 236
16 純鐵 81.1
17 玻璃 0.65-0.71
從電流/溫度/光通量關(guān)系圖可得知，散熱對(duì)于功率型LED器件是至關(guān)重要的。如果不能將電流產(chǎn)生的熱量及時(shí)的散出，保持PN結(jié)的結(jié)溫度在允許范圍內(nèi)，將無(wú)法獲得穩(wěn)定的光輸出和維持正常的器件壽命。
從表一可得知，常用的散熱材料中銀的導(dǎo)熱率最好，但是銀導(dǎo)散熱板的成本較高不適宜做通用型散熱器。而銅的導(dǎo)熱率比較接近銀，且其成本較銀低。鋁的導(dǎo)熱率雖然低于銅，但勝在綜合成本最低，有利于大規(guī)模制造。
我們經(jīng)過(guò)兩年的實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)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采用階梯型導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，利用銅或銀的高導(dǎo)熱率將芯片產(chǎn)生的熱量高效傳遞到鋁基散熱器，再通過(guò)鋁基散熱器將熱量散出（通過(guò)風(fēng)冷或熱傳導(dǎo)方式散出）。
這種做法的優(yōu)點(diǎn)是：充分考慮散熱器性能價(jià)格比，將不同特點(diǎn)的散熱器結(jié)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(yè)常用的芯片連接材料為銀膠。但是，我們經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，銀膠的熱阻極高為：10-25W/（m.K）,如果采用銀膠作為連接材料，就等于人為的在芯片與熱沉之間加上了一道熱阻。另外銀膠固化后的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)為：環(huán)氧樹(shù)脂骨架+銀粉填充式導(dǎo)熱導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)熱阻極高且TG點(diǎn)較低，對(duì)器件的散熱與物理特性穩(wěn)定極為不利。我們解決此問(wèn)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(dǎo)熱系數(shù)67W/m.K）可以取得較為理想的導(dǎo)熱效果（熱阻約為16℃/W）,錫的導(dǎo)熱效果與物理特性遠(yuǎn)優(yōu)于銀膠。
3.2出光
我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的LED器件封裝方式只能利用芯片發(fā)出的約50%的光能，由于半導(dǎo)體與封閉環(huán)氧的折射率相差較大，致使內(nèi)部的全反射臨界角很小，有源層產(chǎn)生的光只有小部分被取出，大部分在芯片內(nèi)部經(jīng)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(nèi)部不同材料間折射、反射消耗掉的50%的光能加以利用，是設(shè)計(jì)出光系統(tǒng)的關(guān)鍵。
通過(guò)芯片的倒裝技術(shù)（FLIP CHIP）可以比傳統(tǒng)的LED芯片封裝技術(shù)得到更多的有效出光。但是，如果不在芯片的發(fā)光層之電極下方增加反射層來(lái)反射出浪費(fèi)的光能則會(huì)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(cè)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(lán)寶石襯底部份（Sapphire）與環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)光結(jié)合面上應(yīng)加上一層硅膠材料以改善芯片出光的折射率。
經(jīng)過(guò)上述光學(xué)封裝技術(shù)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(xué)設(shè)計(jì)也是十分重要的，我們通常的做法是：在進(jìn)行光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮最終照明器具的光學(xué)設(shè)計(jì)要求，盡量配合應(yīng)用照明器具的光學(xué)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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(yīng)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(yīng)選擇高透光的玻璃或亞克力等合成材料。也可以采用傳統(tǒng)的環(huán)氧樹(shù)脂模組式封裝，加上二次散熱設(shè)計(jì)也基本可以達(dá)到提高出光率的效果。
四、電氣保護(hù)
我們實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)以SiC為底襯的InGaN抗ESD人體模式（HBM）能達(dá)1100V以上。而一般似藍(lán)寶石Al2O3為底襯的InGaN抗ESD僅能達(dá)400~500V左右（不同廠牌產(chǎn)品之綜合結(jié)果），如此低的抗ESD能力給LED LAMP封裝廠商和下游電子應(yīng)用廠商帶來(lái)了極大的不便。從同業(yè)相關(guān)資料得知，每年電子組件制造商因ESD靜電防護(hù)問(wèn)題損失十分驚人，裝配與消費(fèi)者使用過(guò)程都有一定的損失產(chǎn)生。我們知道，高ESD抗的SiC碳化硅比藍(lán)寶石Al2O3為底襯材料有一定的抗靜電優(yōu)勢(shì)，但也無(wú)法根本解決ESD問(wèn)題。
非正式統(tǒng)計(jì)從不同層面的電子制造商有以下表之損失估計(jì)報(bào)告
ESD對(duì)各電子制造商的平均損失ESD Informal Summary of Static Losses by Level
Static Losses Reported, ESD 靜電損失
各層制造商 Min. Loss Max. Loss Est. Avg. Loss
組件商 Component Manufacturer 4% 97% 16-22%
承造商 Subcontractors 3% 70% 9-15%
次承造商Contractors 2% 35% 8-14%
用戶 User 5% 70% 27-33%
Source: Stephen Halperin,“Guidelines for Static Control Management,”Eurostat,1990
ESD之不同層次的來(lái)源
ESD來(lái)源 10-25%RH 65-90%RH
行走在地毯上Walking across carpet 35，000V 1，500V
行走在膠地板Walking across vinyl tile 12，000V 250V
工人在工作臺(tái) Worker at bench 6，000V 100V
撿起膠袋Poly bag picked up form bench 20，000V 1，200V
發(fā)泡膠之椅了Chair with urethane foam 18，000V 1，500V
我們發(fā)現(xiàn)，如果在大功率LED器件封裝結(jié)構(gòu)中加入芯片外圍的抗ESD二極管，可以將抗ESD的能力提高到8500V以上。基本解決了不同層面的電子制造商的ESD損失問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用效果很好。
五、發(fā)展趨勢(shì)及結(jié)束語(yǔ)
我們知道，LED芯片的外量子效率取決于外延材料的內(nèi)量子效率與芯片的取光效率。目前大功率型LED所采用的外延材料為MOCVD外延生長(zhǎng)技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)，雖然現(xiàn)在其內(nèi)量子效率并未達(dá)到最高，還有進(jìn)一步提高的空間。但是我們發(fā)現(xiàn)，獲得LED器件高光通量的最大障礙依舊是芯片的取光方式與高出光效率的封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。從LED1970年到2003年這三十多年的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)可以得知：LED的光通量大約每16-20月就要增加2.2倍。所以講，在可以預(yù)期的五年時(shí)間內(nèi)照明級(jí)大功率LED器件的光效率達(dá)到100Lm/W將是有可能的事情。但是，我們并不能坐等大功率LED芯片達(dá)到此光效才來(lái)進(jìn)行封裝技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。我們認(rèn)為，照明級(jí)大功率LED器件光效的提高有賴于芯片光效的提高和封裝取光散熱技術(shù)的提高的同步進(jìn)行才能做到。同時(shí)，LED制造設(shè)備廠商也應(yīng)同步進(jìn)行此類設(shè)備的開(kāi)發(fā)。 |
