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  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 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 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    

 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 , 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 ℃ 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     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 ·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 

    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 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 , 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 N 

    2006 年 3 月            灯与照明         30 卷第 1 期 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 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 。     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 。     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 。