摘 要 :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
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
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 16～20 月就要增加 2. 2 倍。
可以预期在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
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 ,获得 LED 器件高光通量的最大障碍依然是芯片的取光方
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 器件代替小功率LED 器件成为主流半导体照明器件是必
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。
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
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 ℃/ W～300 ℃/ 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
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) 与塑料件组合而成的载体(Car2 rier) 依不同的加工方式组成一个可供后续胶材密封 (Encapsulation) 的结构体。
1. 2 硅底板倒装法
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
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 AlGaInN 功 率型倒装芯片 (FCLED) 结构 ,具体做法为 :第一步 , 在外延片顶部的 P 型 GaN :Mg 淀积厚度大于 500A 的 NiAu 层 ,用于欧姆接触和背反射 ;第二步 ,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 ;第三步 ,淀积、刻蚀形成 N 型欧姆接触层 ,芯片尺
寸为 1 ×1mm2 ,P 型欧姆接触为正方形 ,N 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 ;第四步 ,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。
1. 3 陶瓷底板倒装法
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
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。
1. 5 AlGaInN/ 碳化硅(SiC) 背面出光法
美国 Cree 公司是采用 SiC 衬底制造 AlGaInN 超 高亮度 LED 的全球唯一厂家 ,几年来 AlGaInN/
SiCa 芯片结构不断改进 ,亮度不断提高。由于 P 型和 N 型电极分别仅次于芯片的底部和顶部 ,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。
2 基础封装结构
2. 1 散热
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、 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
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
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 ,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。
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 ,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 4～5 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。
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 nm～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
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。
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) 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 , 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。