大功率白光LED的封装工艺研究

1绪论1.1概述发光二极管Lightemittingdiode，简称(LED)是在半导体p－n结的地方施加正向电流时发出可见光、红外光、紫外光的半导体发光器件。多年来人类一直在寻找和开发固体发光光源(SolidStateLighting,SSL)，随着发光材料的开发和半导体制作工艺的改进，在芯片生长过程中引入了分布式布拉格反射(DBR)的结构、光学微腔(RC)、以及量子阱结构(QW)等，使得半导体照明用的发光二极管发光效率不断提高[1]，如图1.1所示。随着对Ⅲ-V族化合物材料的深入研究、金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)生长技术的日趋成熟、超高亮发光二极管(HB-LED)和GaN半导体材料工艺的完善，工业界开发了光电转换效率非常高的发光二极管，特别是采用氮化物半导体InGaN的蓝色LED的实用化，将10cd以上的高亮度的蓝色LED与钇铝石榴石荧光粉(YAG：添加Ce的钇、铝石榴石)组合在一起[2]，开发出光效达20lm/W以上的白色LED。图1.1.1LED发光效率的发展以及与其它光源发光效率的比较1白光LED光源研制的成功，为其以后在普通照明领域的应用发展创造了条件，从表1.1.1中可以看出，LED光源与白炽钨丝灯泡及荧光灯等传统光源相比[3]，其最吸引世界目光的就是节能和环保的特性，与白炽灯相比，白光LED照明可节电80%～90%、与荧光灯相比可节省50%的电能；寿命可达8~10万小时，是白炽灯的20～30倍，是荧光灯的10倍，特别是它与太阳能电池、电磁感应电池联合使用后[4]，更是一种极具竞争力的绿色光源，有望在未来的10～20年内成为新一代理想的固态节能照明光源[5]，为人类照明史谱写新的篇章。表1.1.1白光LED与其他光源特性的比较照明方式特点白光LED具有省电节能，环保(无汞金属等污染)，寿命长(十万小时)，抗震、抗冲击能力强，反应速度快，体积小等优点荧光灯荧光灯省电，寿命5,000小时但废弃物有汞污染、易碎等问题。白炽钨丝灯泡低效率、高耗电、寿命短（1,000小时）、易碎。半导体照明是21世纪最引人瞩目的新技术领域一个焦点,涉及到材料、器件结构、光学设计、封装工艺、电源电路、灯具选用、照明效果与视觉匹配等多技术领域[6]。LED的研发和产业化将成为今后光电子、材料、能源、半导体行业等发展另一重要方向。迄今，美、日及西欧竞相投资开发白光LED绿色光源。我国自“八五”期间就十分关注LED发展，通过“863”科技攻关、高技术创新、产业化资金重点支持，已取得研发成果和诸多专利，但白光LED核心技术研发及产业化情况与发达国家相比尚有一定差距。1.2国内外技术发展随着半导体节能、环保照明工程的推动，普通照明市场对高亮度LED器件的需求是巨大的[7]。用LED固体灯取代白炽灯和荧光灯等传统照明光源已成为本世纪的未来发展目标。白光LED照明产业的发展将影响到一个国家和地区的能源战略和环保战略，因此受到各个国家、地区的重视和大力支持[8]。日本、美国、欧盟、韩国等近年来相继推出国家半导体照明计划，并投入巨资进行研发，如表2.2.1所示。2表1.2.1各地区、国家LED光源计划之比较国家/地区中国台湾美国欧盟日本专案计划中国国家半导体照明工程白光照明光源业界科专计划下一代照明计划彩虹计划21世纪照明计划时间阶段2003～20202002～20052002～20202000～1998～2020发光效率100lm/W(2010)160-200lm/W(2020)40lm/W（2005）200lm/W－120lm/WHB-LED是未来照明的核心部分，面对巨大的市场机会，世界各大公司加大了对HB-LED芯片及其封装技术的研发力度，以期解决两个技术关键：如何提高发光效率(lm/W)；如何提高每一器件(组件)总的光通量[9]-[11]。美国在“下一代照明计划”中宣称，将在2020年达到发光效率200lm/W的目标，主要投入的LED厂商有Lumileds、Cree、Aglient，Gelore等国际大企业。LumiledsLighting[12]公司生产了一系列大功率LED，显示了照明业的潜力，其封装技术的特点在于采用倒装焊技术以及保形涂粉工艺，最新产品是可以发出120lm白光的5W封装的单管，这种光输出和15W白炽灯的光输出相当，而封装体积仅相当于白炽灯的1%，功耗仅为1/3。12个120lm的器件足以制成一只用于汽车用的前灯。最近又有报导美国Agilient实验室已研制开发成功光效为100lm/W的有色LED和光效达40～50lm/W的白色LED。而独家生长SiC半导体材料Cree公司[13]最新开发的白色LED发光效率已经达到了60lm/W。欧盟各国在2000年启动“彩虹计划”，希望通过应用半导体照明实现高效、节能、不使用有害环境的材料、模拟自然光的目标。目前已经有很多公司介入，最大的LED生产制造商OSRAMOpto-Semiconductor是目前世界LED车用灯最大供应商。日本规划的“21世纪照明计划”预期要在2010年之后达成发光效率120lm/W的目标，并预计到2010年白色LED在照明市场普及率将达13%，知名的LED厂商包括日3亚化工、松下电工、丰田合成、SONY、佳友电工等。日亚公司[14]在LED市场上居于领先地位，其材料研发、外延、晶粒制作、封装皆自行完成。日亚开发的白光LED样品，模块的安装面积为40mm×40mm，厚度为10mm。当输出光束为1000lm时，耗电量为30W，发光效率大约为33lm/W，目前还开发了发光效率为50lm/W的白光LED模块。台湾经济部技术处联合台湾10多家上、中、下游厂商，共同提出了“白光照明光源业界科专计划”，预计2005年LED发光效率达到40lm/W[15]。中国大陆在科技部“863”计划支持下，在照明领域及时启动了“国家半导体照明工程”提出了在2010年达到100lm/W的目标。2004年4月，科技部确定工作重点—发展新型照明行业，并确定福建厦门、上海、大连和江西南昌为首批四个国家半导体照明产业基地。而且每一区域都初步形成了比较完整的产业链。由于各个地区产业基础、优势的不同，目前各区域都已经从自己的角度提出了新的发展半导体照明产业的构想。目前国内具有大功率芯片开发能力的主要有深圳方大、大连路美、厦门安美、上海蓝光科技等公司，但是对大功率HB-LED芯片的封装技术的研发正处于起步探索阶段。1.3市场应用前景最近几年在HB-LED封装技术上突破和材料加工技术的实用化，连带创造了很多应用商品，从图1.3.1可以看出其应用的热点主要包括以下几个方面[16]：1)显示屏：各种广告牌、金融和交通指示牌等。2)照明：装饰照明，商业照明、景观照明等。3)交通信号灯：包括交通指示灯、信号灯、标识灯，主要用超高亮度红绿黄色。4)汽车用灯：包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。5)背光源：主要是移动电话、液晶LCD显示器上用的背光源。6)其他应用：包括工艺品市场和特殊工作照明和军事运用。4图1.3.1LED的应用场合2004年全球HBLED市场规模从2003年的27亿美元增长到37亿美元，增幅达37％。从表1.3.1中可以看出HBLED在手机应用领域达21.5亿美元，占整个HBLED市场的58％，紧随其后的是汽车照明市场和显示屏市场，它们各为13％。在普通照明市场上，也具有强大的市场潜力[17]，但是受限于白光LED的发光效率和价格条件，在普通照明市场的普及还比较低，因为要获得与白炽灯、荧光灯等相同的照度，整个照明系统的成本上很高。实际应用的照明设备，如照亮写字台、屏幕或房间的光源不仅要求高发光效率和长的使用寿命，还要具有很高的光通量和可接受的价格。例如：单个1W的LED器件，光通量约为25lm，质量好的售价要超过50元，差的也要20元。而25lm的光通量对于普通照明而言太小了，一只普通的60W白炽灯的光通量大于700lm，也就是说，要代替传统照明需要多个LED器件，还要加上电路、灯壳、灯头以及其他散热处理等，如此高的成本是白光LED在普通照明中的最大问题。5表1.3.12004年HB-LED市场应用分析HB-LED市场应用领域市场份额(%)移动设备58显示13汽车照明13信号2普通照明5其他9照明消耗约占整个电力消耗的约五分之一，各国的半导体照明计划的首要目标在于降低照明用电，从而节省能源、减少石油进口、降低温室效应。美国、日本等国家和台湾地区对LED照明效益进行了预测，如果美国55%白炽灯及55%的日光灯被LED取代，每年可节省350亿美元电费，减少7.55亿吨二氧化碳排放量；日本100%白炽灯换成LED，可减少1～2座核电厂发电量，每年能节省10亿公升以上的原油消耗；台湾地区25%白炽灯及100%的日光灯被白光LED取代，每年可以节省110亿度电；中国如果在2010年LED照明能够进入我国1/3的照明市场，每年就可以节约1000亿度电，相当于一个多的三峡电站发电量。因为白光LED的发光效率要超过100lm/W以上才能进入照明市场，对目前的日光灯（约60-100lm/W）才有取代的效果，所以各国均以达到100lm/W以上为目标。最近几年商业白色LED已取得较大进展，利用大面积芯片及特殊封装技术可以使每个器件的光输出提高100倍，并使每流明光输出的成本下降80%。预计在未来5年内LED在照明市场应用将取得实质性进展。图1.3.2为LED发光器件在未来10～20年每个器件的光通量以及每流明的价格的发展趋势。StrategiesUnlimited公司对全球HB-LED及其照明市场的发展预测。预计未来整个HB-LED市场的年均增长率为21%，2007年将达47亿美元；而HB-LED照明市场年增长率更将高达44%，2007年可望达到5.2亿美元。届时，HB-LED照明市场所占整个HB-LED市场的份额将由2002年的5%提升到11%。2007年以后，HB-LED照明市场仍将继续增长，过了2010年，在世界照明市场上，HB-LED可占有很大的比重。另外一个LED应用发展最快的就是车用照明，2002年市场规模为1.9亿美元，2003年比2002年增长24.2%,市场规模为2.36亿美元，2004年比2003年增长19.1%,市场规6模为2.81亿美元。随着采用LED灯的车辆逐年增加，预计今后每年的增长率为两位数，2008年时市场规模将突破4.5亿美元。在车用照明中，车头灯由于其需要光通量为汽车用途中用量最多，潜在规模相当庞大，因此倍受LED厂商重视。但也是因为应用技术门坎较高，并受限于亮度不足，因此，预计到2008年时才可能出现LED车头灯商品化的产品。图1.3.2LED器件光通量以及价格发展趋势总而言之，目前的白光LED已经在背光源、显示屏、特种照明、信号灯等领域得到很好的推广，相对于普通照明和汽车前照灯领域而言，还处于刚刚起步的阶段。但是随着高亮度LED(HB-LED)技术的飞速发展，一旦解决了在性能和成本上的问题[18]，将会对传统的照明光源提出挑战，LED成为普通照明光源的时日会越来越近。1.4本文研究的内容本文的主要内容是针对白光LED在照明领域的应用市场，研发白光HB-LED芯片的封装技术，重点解决其散热问题，这属于应用型研究课题。在绪论中主要介绍目前白光LED的发展历史和进入照明领域的重大意义，阐述目前国内外白光HB-LED芯片的制作和封装技术的领先水平，同时分析白光HB-LED未来发展趋势和市场应用前景；在第二章中，主要介绍LED发光原理、与照明光学相关的一些概念、HB-LED芯片的制作工艺流程和芯片电极结构以及封装结构的演变过程。第三章根据LED光源传播规律7建立光学模型并进行分析；第四章介绍封装散热制冷的原理和方式，利用流体软件建模并分析；第五章针对大功率芯片结构的不同，研发与其适应的封装工艺，并将倒装焊与chip－on－board两种技术结合应用与多芯片阵列模块的封装中，并作了相关的一些测试；最后一章给出了全文总结