大功率LED封裝研究#

1、大功率 LED 的封裝的研究陶軍磊周龍?jiān)?30074華中科技大學(xué)連接與電子封裝中心，湖北武漢引言20 世紀(jì) 60 年代，以硅材料為基礎(chǔ)發(fā)展起來的半導(dǎo)體技術(shù)引發(fā)了微電子產(chǎn)業(yè)革命，帶 來了信息與通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，引領(lǐng)人類邁入了信息時(shí)代。從 20 世紀(jì) 90 年代末， III-V 族化合物半導(dǎo)體材料在藍(lán)光芯片領(lǐng)域的突破正孕育著一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命照明產(chǎn)業(yè)革命。 這場(chǎng)革命的標(biāo)志是以大功率發(fā)光二極管 (Light-Emitting Diode， LED為光源的半導(dǎo)體照明技 術(shù)(Solid stateLighting ， SSL。這是自 1772年人類發(fā)明煤氣照明、 1876 年發(fā)明白熾燈、 1938 年發(fā)

2、明熒光燈之后，人類照明史上百年來的一大飛躍。照明技術(shù)從此邁入高科技時(shí)代，并 以更加靈活多變的方式改變?nèi)祟惿畹恼彰髻|(zhì)量。LED 的半導(dǎo)體電致發(fā)光特性使得其還具有發(fā)光效率高、顯色性好、安全可靠、色彩豐富和 易于維護(hù)的特點(diǎn) 6 。在當(dāng)今環(huán)境污染日益嚴(yán)重，氣候變暖和能源日益緊張的背景下，基于 大功率 LED 發(fā)展起來的半導(dǎo)體照明技術(shù)己經(jīng)被公認(rèn)為是 21 世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng) 域之一。1 LED 的工作原理、結(jié)溫及其產(chǎn)生原理發(fā)光二極管 (LightEmittingDiode ， LED是一種利用半導(dǎo)體制造技術(shù)加工的電致發(fā)光器件， 利用電子 -空穴的帶間躍遷輻射復(fù)合來發(fā)光。其機(jī)理是通過向LED 的

3、 p-n 結(jié)施加正向偏壓，降低勢(shì)壘，使少數(shù)非平衡載流子擴(kuò)散進(jìn)入 p-n 結(jié)區(qū)內(nèi)，增加區(qū)內(nèi)電子一空穴的復(fù)合幾率， 從而輻射發(fā)光。如圖 1.1 所示，為同質(zhì)結(jié) LED輻射復(fù)合的原理圖。圖1 p-n 同質(zhì)結(jié) LED的帶能結(jié)構(gòu)圖在理想情況下，電子一空穴對(duì)輻射復(fù)合的效率可以達(dá)到100%，這意味著 LED的能量損 失將會(huì)很小。傳統(tǒng)的照明方式中，白熾燈、鹵鎢燈、高壓和低壓鈉燈都是基于高溫?zé)彷椛?發(fā)光，燈絲或電極溫度在 2000K-5000K 之間。熒光燈采用的是氣體放電和激發(fā)三基色熒光粉的方式發(fā)光。高壓和低壓鈉燈也會(huì)在燈管壁上涂覆熒光粉改善燈的顯色性。熱輻射發(fā)光普遍存在的問題是能耗過高，而發(fā)光效率往往并不高

4、。熒光燈中氣體放電發(fā)出的光譜是紫 外光，而利用紫外光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生可見光將不可避免的存在較大的能量斯托克斯 (Stokes 損失。這導(dǎo)致這些傳統(tǒng)的照明方式在能量的利用效率上要低于LED。另一方面，在理論情況下，只要能提供持續(xù)的電流和電壓， LED 就可以維持無限長(zhǎng)的壽命，而傳統(tǒng)的照明光源 尤其是白熾燈的使用壽命只有 1000 小時(shí)左右。對(duì)于熒光燈和高壓 / 低壓鈉燈，在這些燈具 使用完畢后，其燈管內(nèi)填充的汞蒸氣無論是散發(fā)到空氣中或者滲入地下水中，都會(huì)對(duì)人類 的身體產(chǎn)生不良影響。與此相比， LED 不僅具有長(zhǎng)壽命，而且即使損壞，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造 成污染。通過表 1.1 的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，多芯片合成白

5、光的技術(shù)雖然在流明效率、顯色性和顏色 控制上具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，但是因?yàn)椴煌酒g的驅(qū)動(dòng)電壓不同，如紅光 LED 的驅(qū)動(dòng)電 壓一般為 2 一 2.5V，藍(lán)綠光 LED的驅(qū)動(dòng)電壓一般為 3 一 3.5V，從而導(dǎo)致總體成本較高，產(chǎn) 品可靠性也較差。反觀單芯片激發(fā)熒光粉技術(shù)，因?yàn)橹圃旃に嚭?jiǎn)單易行，成本低廉，己經(jīng) 成為目前商用白光 LED 的主流技術(shù)。隨著熒光粉材料激發(fā)效率的不斷進(jìn)步，單芯片激發(fā)熒 光粉合成的白光在顯色性和顏色控制上正在不斷的改善，有望滿足更加復(fù)雜的照明需求。LED 的封裝結(jié)構(gòu)在整個(gè) LED 產(chǎn)業(yè)鏈中，封裝具有最大的利潤(rùn)。與集成電路器件封裝類似，封裝材料是 LED 封裝的關(guān)鍵，因?yàn)槠骷?/p>

6、封裝和組裝的產(chǎn)量、器件的可靠性和壽命都是由封裝和組裝材 料的質(zhì)量以及它們的制造工藝決定的。2.1 小功率 LED結(jié)構(gòu)小功率的 LED 封裝可以分為兩類 :通孔型和表面安裝型。通孔型組件與徑向封裝相似， 組件從 PCB 電路板的一側(cè)安裝，在另外一側(cè)進(jìn)行焊接。簡(jiǎn)單的通孔型（徑向LED 封裝的示意圖如圖 2 所示。通孔型 LED 最初是為小電流室內(nèi)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，其熱阻最大為280K 乃萬，輸入電功率限制在幾百 mw 以內(nèi)。 LED 芯片的側(cè)向尺寸為 200 一 300 林 m。芯片通 過環(huán)氧基粘接劑粘結(jié)在引線框架上，通過引線框架與外界實(shí)現(xiàn)電氣連接。引線框架具有反 射杯的形狀，以及作為 LED的散熱片

7、。另一個(gè)分離的引腳通過金線與LED 芯片上表面的焊盤鍵合連接，作為第二電極。芯片和引線框架由環(huán)氧樹脂封裝形成圓頂形透鏡，以獲得一 定的輻射特性。使用環(huán)氧樹脂封裝，通過芯片一環(huán)氧界面和圓頂形環(huán)氧透鏡，通?？梢詫?光取出效率增大一倍。2.2 大功率 LED封裝結(jié)構(gòu)大功率 LED 是專為 IW 或更大功率設(shè)計(jì)的。功率 體必須要有能力將芯片產(chǎn)生的熱量迅速散去。大功率的LED結(jié)溫比小功率 LED的高。 ED 封裝LED 封裝通常包括強(qiáng)型散熱基板、3 所示。金屬散熱底座，一般安裝在主動(dòng)或被動(dòng)的散熱器上，如圖圖 2 通孔型 LED 封裝圖 3 1500mA 的封裝結(jié)構(gòu)大功率 LED 封裝技術(shù)概述1998 年

8、，美國(guó) Lumileds 公司推出面向大功率 LED 的 Luxeon 支架式封裝，如圖 4 所示。 Luxecon 支架式封裝采用表面貼裝技術(shù)，利用大尺寸的銅金屬熱沉 (Heat Slug作為底部材料 強(qiáng)化了封裝對(duì) LED芯片的散熱能力，并利用熱電分離的原理提高了LED 封裝的可靠性。在Luxeon 式封裝中，芯片一般通過合金焊料固晶鍵合在金屬熱沉上，芯片的陽(yáng)極和陰極通過 金線鍵合到獨(dú)立的引線框架上。利用聚碳酸醋(Polycarbonate ， PC制成的透鏡蓋在框架頂部在透鏡和框架之間用柔軟的硅膠材料進(jìn)行填充。對(duì)于白光LED，熒光粉一般是直接涂覆在芯片表面。圖 4 Luxeon 式大功率

9、LED封裝形式圖 5 幾種常見的 LED 封裝支架和透鏡類型圖 6 幾種常見的 LED 封裝形式及產(chǎn)品般而言，大功率 LED 封裝技術(shù)涉及光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、材料、工藝和設(shè)備等 諸多領(lǐng)域，如圖 1.12 所示64。大功率 LED 封裝的基本目的是以封裝設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，開發(fā)和LED 而言，高LED 封應(yīng)用先進(jìn)的封裝材料，改進(jìn)封裝制造工藝，結(jié)合先進(jìn)的封裝設(shè)備，解決封裝中存在的光熱 電力等綜合問題，從而實(shí)現(xiàn)封裝性能的不斷提升。因?yàn)榇蠊β?LED 是一種發(fā)光照明器件， 光學(xué)性能是評(píng)價(jià) LED 封裝品質(zhì)高低的最直接的指標(biāo)。對(duì)于目前的大功率白光流明效率、高顯色性、色溫可控、光強(qiáng)分布一定、空間顏色分布均勻等

10、，是大功率圖 7 大功率 LED 封裝技術(shù)領(lǐng)域裝技術(shù)研究的主要目標(biāo)，也是體現(xiàn)LED能取代傳統(tǒng)照明方式的優(yōu)勢(shì)所在。LED 封裝關(guān)鍵技術(shù)功率型 LED 所用的外延材料采用 MOCVD 的外延生長(zhǎng)技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)，雖然其內(nèi) 量子效率還需進(jìn)一步提高，但獲得高發(fā)光通量的最大障礙仍是芯片的取光效率低?，F(xiàn)有的 功率型 LED 的設(shè)計(jì)采用了垂直或者倒裝焊新結(jié)構(gòu)來提高芯片的取光效率，改養(yǎng)芯片的熱特 性，并通過增大芯片面積，加大工作電流來提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率，從而獲得較高的發(fā) 光通量。除了芯片外，器件的封裝技術(shù)也舉足輕重。關(guān)鍵技術(shù)工藝有 :(1散熱技術(shù)。傳統(tǒng)的指示燈型 LED 封裝結(jié)構(gòu)，一般是用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠

11、將芯片裝在小 尺寸的反射杯中或載片臺(tái)上，由金絲完成器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹脂封裝而成，其熱阻 高達(dá) 250柳一 300柳，新的功率型芯片若采用傳統(tǒng)式的LED 封裝形式，將會(huì)因?yàn)樯岵涣级鴮?dǎo)致芯片結(jié)溫迅速上升和環(huán)氧碳化變黃，從而造成器件的加速光衰直至失效，甚至 因?yàn)檠杆俚臒崤蛎浰a(chǎn)生的應(yīng)力造成開路而失效。因此，對(duì)于大工作電流的功率型 LED 芯片，低熱阻、散熱良好及低應(yīng)力的新的封裝結(jié) 構(gòu)是功率型 LED 器件的技術(shù)關(guān)鍵?？刹捎玫妥杪?、高導(dǎo)熱性能的材料粘結(jié)芯片。在芯片下 部加銅或鋁質(zhì)熱沉，并采用半包封結(jié)構(gòu)，加速散熱。甚至設(shè)計(jì)二次散熱裝置，來降低器件 的熱阻。在器件的內(nèi)部，填充透明度高的柔性硅橡膠，

12、在硅橡膠承受的溫度范圍內(nèi)(一般為一 40一 200 ，膠體不會(huì)因溫度驟然變化而導(dǎo)致器件開路，也不會(huì)出現(xiàn)變黃現(xiàn)象。零件 材料也應(yīng)充分考慮其導(dǎo)熱、散熱特性，以獲得良好的整體熱特性。(2二次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)。為提高器件的取光效率，設(shè)計(jì)外加的反射杯與多重光學(xué)透鏡。(3檢測(cè)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)。隨著 w 級(jí)功率芯片制造技術(shù)和白光 LED工藝技術(shù)的發(fā)展， LED 產(chǎn) 品正逐步進(jìn)入 (特種照明市場(chǎng)，顯示或指示用的傳統(tǒng)LED 產(chǎn)品參數(shù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試方法已不能滿足照明應(yīng)用的需要。國(guó)內(nèi)外的半導(dǎo)體設(shè)備儀器生產(chǎn)企業(yè)也紛紛推出各自的測(cè)試儀器， 不同的儀器使用的測(cè)試原理、條件、標(biāo)準(zhǔn)存在一定的差異，增加了測(cè)試應(yīng)用、產(chǎn)品性能比 較工作的難

13、度。我國(guó)光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)光電子器件分會(huì)行業(yè)協(xié)會(huì)根據(jù)LED 產(chǎn)品發(fā)展的需要，于 2003年發(fā)布了“發(fā)光二極管測(cè)試方法 ( 試行 ”，該測(cè)試方法增加了對(duì) LED 色度參數(shù)的規(guī)定。但 LED 要往照明業(yè)拓展，建立 LED 照明產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)業(yè)規(guī)范化的重要手段。我國(guó)照明產(chǎn)業(yè)雖 然制定了近百項(xiàng)照明產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但是技術(shù)含量、能效標(biāo)準(zhǔn)、一與國(guó)際接軌等方面仍需 做大量的工作。(4篩選技術(shù)一與可靠性保證。因?yàn)闊艟咄庥^的限制，照明用LED 的裝配空間密封且受到局限，密封且有限的空間不利于 L 印散熱，這意味著照明 LED 的燈具外殼設(shè)計(jì)在光和熱 方面有更多的考慮。另外，照明 LED 是處于大電流驅(qū)動(dòng)下工作，這就

14、對(duì)其提出更高的可靠 性要求。在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，針對(duì)不同的產(chǎn)品用途，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崂匣囟妊h(huán)沖擊、負(fù) 載老化工藝篩選實(shí)驗(yàn)，剔除早期失效品，保證產(chǎn)品的可靠性很有必要。(5靜電防護(hù)技術(shù)。因?yàn)?GaN 是寬禁帶材料，電阻率較高，該類芯片在生產(chǎn)過程中因 靜電產(chǎn)生的感生電荷不易消失，累積到相當(dāng)?shù)某潭?，可以產(chǎn)生很高的靜電電壓。當(dāng)超過材料的承受能力時(shí)，會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象并放電。對(duì)工 nGaN/AIGaN/GaN 雙異質(zhì)結(jié)，工 nGaN 有 源層僅幾十納 M ，對(duì)靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。失效分析與可靠性分析失效，指致命性破壞或完全喪失功能，也包括功能降低方面?？煽啃栽u(píng)述、失效模式、 壽命測(cè)試

15、是相互關(guān)聯(lián)的?？煽啃晕锢?，就是從原理上(從原子、分子角度 來解釋元件、材料的失效現(xiàn)象，以便為為器件、材料的改良、評(píng)價(jià)、分類及使用以及系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)提 供依據(jù)?？煽啃晕锢矸治?，從微觀角度觀察應(yīng)力及各種內(nèi)外環(huán)境、時(shí)間對(duì)元件、材料的退 化和失效帶來的影響，從而把所獲的信息應(yīng)用于設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)、使用和維護(hù)的各個(gè)階 段。它將失效模式、特性值、壽命分布模型通過物理、化學(xué)觀測(cè)而掌握的外部信息，與失 效機(jī)理聯(lián)系起來考慮，并把研究結(jié)果運(yùn)用于可靠性技術(shù)上。LED 的壽命預(yù)測(cè)必須用加速壽命實(shí)驗(yàn)，加速實(shí)驗(yàn)必須保證:失效機(jī)理不變。加速過程的規(guī)律性。退化或失效模型應(yīng)具有同一性或規(guī)律性。大功率LED 失效主要有材料缺陷

16、引起器件光輸出的衰減，熒光粉引起的白光衰變，電極引線斷裂、電極性能不穩(wěn)等導(dǎo)致的災(zāi)變性 失效。對(duì)芯片而言，因?yàn)辄c(diǎn)、線、面缺陷對(duì)載流子具有強(qiáng)烈的俘獲作用，在 LED 制備過程 中引入的缺陷將在有源層中形成無輻射復(fù)合中心，光吸收增強(qiáng)，使器件發(fā)光效率降低。而 注入載流子的無輻射復(fù)合又能使能量轉(zhuǎn)化為晶格振動(dòng)，導(dǎo)致缺陷的運(yùn)動(dòng)與增殖。熒光粉退化原因 :熱阻較大時(shí)， LED 芯片產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，使LED的結(jié)溫升高，過高的結(jié)溫將導(dǎo)致覆于 LED 芯片上的熒光粉發(fā)生降解，使熒光量子效率降低，由熒 光粉轉(zhuǎn)換得到的黃光成分減少，最終導(dǎo)致大功率 LED 光輸出的減少和顏色的飄移。故尋求 高熱導(dǎo)率材料并改進(jìn)

17、LED 封裝工藝以降低器件熱阻，同時(shí)選擇光轉(zhuǎn)換效率更高、穩(wěn)定性更 好的熒光材料，對(duì)提高大功率 LED的發(fā)光性能及工作壽命非常重要。過流和過熱條件會(huì)加快 LED 壽命終止。 LED 工作是電流型，在恒定直流驅(qū)動(dòng)下長(zhǎng)期工 作時(shí)，相當(dāng)部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，芯片結(jié)溫升高，甚至達(dá)100以上。這將導(dǎo)致許多問題發(fā)生 :溫度碎滅效應(yīng)產(chǎn)生，致使半導(dǎo)體發(fā)光材料(芯片 和熒光粉的發(fā)光亮度下降。工作中產(chǎn)生色漂移。器件相關(guān)材料劣化，如封裝樹脂變黃等。 LED器件使用壽命縮短等。LED 器件的一個(gè)重要考慮因素是可靠性評(píng)述。失效模式研究對(duì)評(píng)估 LED 光源的壽命十 分重要，這是制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。對(duì) LED 壽命相關(guān)的色

18、譜 (色溫 變化后，有一個(gè)認(rèn) 可其變化的范圍 (Link spectral shift to LED Life 。對(duì)封裝管殼而言，一些針對(duì)物理支撐作用的機(jī)械測(cè)試也必不可少。以 Luxeon LEDS 為 例，檢測(cè)條件包括極限溫度循環(huán) (Temperature Cycle、熱沖擊 (Temperature Shock、溫循實(shí) 驗(yàn) (High(Low Temperature Storage 、潮濕環(huán)境 (Moisture Resistance 、機(jī)械沖擊 (Shock Condition 、 Vibration Frequency Condition 、Natural Drop 、 Random

19、Vibration 等等。對(duì)電子設(shè)備的靜電損害 (Electrostatic damage。 ESD可能發(fā)生在從制造到使用過程中的 任何時(shí)候。 InGaN 晶粒一般被視為是“ Class I”的設(shè)備，達(dá)到 30kV 的靜電干擾電荷其實(shí)很 容易發(fā)生，而 10V 的放電就能破壞 ClassI對(duì) ESD極敏感的設(shè)備。靜電釋放（electrostatic discharge 。 ESD損害和熱膨脹 系數(shù)（thermal coefficient of expansion。 TCE是大功率 LED 封裝要考慮的主要技術(shù)問題。次粘著基臺(tái)（Submount 的進(jìn)階封裝方式，是公認(rèn)的一種比較好的解決方案。 Submout 封