大功率LED照明产品及散热技术

大功率LED技术、照明产品及其散热技术主要内容功率型ＬＥＤ芯片技术原理大功率ＬＥＤ技术结构设计功率型ＬＥＤ散热技术结束语•LED的应用面不断扩大，首先进入特种照明的市场领域，并向普通照明市场迈进。由于LED芯片输入功率的不断提高，对这些功率型LED的封装技术提出了更高的要求。功率型LED封装技术主要应满足以下两点要求：•一是封装结构要有高的取光效率；•二是热阻要尽可能低，这样才能保证功率LED的光电性能和可靠性。功率型ＬＥＤ芯片技术原理大功率LED广义上说就是单颗LED光源功率大于0.35W(含0.35W)的，拥有大额定工作电流的发光二极管。普通LED功率一般为0.05W、工作电流为20mA，而大功率LED可以达到1W、2W、甚至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。由于目前大功率LED在光通量、转换效率和成本等方面的制约，因此决定了大功率白光LED短期内的应用主要是一些特殊领域的照明，中长期目标才是通用照明。何为大功率芯片?(1)加大尺寸法:通过增大单体LED的有效发光面积和尺寸，促使流经TCL层的电流均匀分布，以达到预期的光通量。但是，简单地增大发光面积无法解决散热问题和出光问题，并不能达到预期的光通量和实际应用效果。(2)硅底板倒装法:首先制备出适合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同时制备出相应尺寸的硅底板，并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金导电层及引出导电层（超声金丝球焊点），再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，既考虑了出光问题又考虑到了散热问题，这是目前主流的大功率LED的生产方式。LED大功率的实现方法美国Lumileds公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒装芯片（FCLED）结构，其制造流程是：首先在外延片顶部的P型GaN上淀积厚度大于500A的NiAu层，用于欧姆接触和背反射；再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；经淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层，芯片尺寸为1mm×1mm,P型欧姆接触为正方形，N型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；然后将金属化凸点的AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管（ESD）的硅载体上。(3)陶瓷底板倒装法:先利用LED晶片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，并在陶瓷底板上制作出共晶焊接导电层及引出导电层，然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。这样的结构既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一体化封装预留空间。(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。(5)AlGaInN碳化硅（SiC）背面出光法。美国Cree公司是全球唯一采用SiC衬底制造AlGaInN超高亮度LED的厂家，几年来其生产的AlGaInN/SiCa芯片结构不断改进，亮度不断提高。由于P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部，采用单引线键合，兼容性较好，使用方便，因而成为AlGaInNLED发展的另一主流产品。•半导体LED若要作为照明光源，常规产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比，距离甚远。LED要在照明领域发展，关键是要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。•功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，虽然其内量子效率还需进一步提高，但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率低。•现有的功率型LED的设计采用了倒装焊新结构来提高芯片的取光效率，改善芯片的热特性，并通过增大芯片面积，加大工作电流来提高器件的光电转换效率，从而获得较高的发光通量。除了芯片外，器件的封装技术也举足轻重。关键的封装技术工艺有：大功率ＬＥＤ技术结构设计3W模组,9颗芯片(芯片尺寸:18mil),3并3串,电流300mA,电压9.6-10.5V5W模组,4颗芯片(芯片尺寸:40mil),2并2串,电流700mA,电压6.2-7.0V10W模组,9颗芯片(芯片尺寸:40mil),3并3串,电流1050mA,电压9.0-10.5V几种整合模式10W模组,36颗芯片(芯片尺寸:18mil),6并6串,电流500mA,电压18-21V25W模组,25颗芯片(芯片尺寸:40mil),5并5串,电流1750mA,电压15-17.5V30W模组,81颗芯片(芯片尺寸:18mil),9并9串,电流1000mA,电压27-31.5V1W氮化镓蓝光LED倒装芯片产品特点应用领域专利倒装技术普通照明领域专利模组技术道路照明领域超高出光效率车用照明领域高效散热设计景观照明领域超高可靠性能高级闪光灯领域便于客户封装特殊照明领域1.产品优势与应用领域外观图材料说明尺寸说明芯片衬底蓝宝石芯片尺寸1325μm×1325μm外延材料氮化镓基板尺寸1995μm×1775μm基体材料硅电极尺寸99μm×304μm电极材料金芯片厚度115±5μm凸点材料金基板厚度250±5μm总厚度390±10μm2.倒装芯片说明(1)倒装芯片尺寸与材料(2)光电参数说明(测试环境温度TA=25℃)项目符号测试电流最小值最大值单位正向电压(VF)VFIf=350mA2.83.4V主波长(WLD)λd450465nm辐射功率(LOP)IV250370mW3.特性测试注1(3)最大额定值(测试环境温度TA=25℃)注1项目符号APT-B5501AB-V正向脉冲电流(1/10占空比@1KHz)IFP2000mALED结温Tj125℃工作温度范围Topr-40℃to+85℃存储温度范围Tstg-40℃to+100℃抗静电释放能力(HBM模式)注2ESDHBM4000V抗静电释放等级(根据JESD22-A114-B)注2ESDLevelClass3A反向电压VR注3备注:1.以上数据为使用PowerDome支架、无灌胶条件下裸晶测试结果，不同封装方式得到的测试结果可能不尽相同，仅供参考；LED最大结温允许值也与封装方式相关；若封装生产使用回流焊，必须保证不能在300℃以上温度条件使用超过3秒；2.抗静电释放测试根据人体模型，使用RAET方式模拟静电释放，所有产品通过测试，符合JESD22-A114-B标准Class3A等级。3.测试LED使用的反向电压不能超过6V，否则有可能损坏产品，而且正常使用情况下，供电电源不能反接LED。4.由于硅基体易碎，因此强烈建议封装打线时，尽量远离基体边缘，以免损坏基体。大功率芯片封装结构提高LED性能的一种方法乃将电流由弯流改成顺流。由于蓝宝石基材不导电，LED正负两个电极乃设在同面。当电流通过GaN晶格时电流必须由垂直顺流改成水平横流，这样电流就会集中在内弯处，导致不能有效使用P-N接口的电子层和电洞层，因而减少了发光效率。更有甚者，电流集中之处会产生热点使晶格缺陷范围延伸，LED的亮度就会随缺陷扩大而递减。为了延长LED的寿命，输入的电流必须降低（如350mA），单位面积的发光亮度，就受到了限制。LED设计的主要设计有如下列诸图所示(如图1)LED电流转弯的问题不能靠封装的设计(如复晶或FlipChip)改善，把电流截弯取直才是正道，这样必须把电极置于LED磊晶的两侧。电流平顺就可以明显提升LED的亮度。除此之外，相同亮度的顺流LED使用的芯片面积较小，因此晶圆上切出的晶粒数目较多，也就是单颗LED的制造成本可能降低。尤其进者，电流转弯时若扩大芯片的面积会使LED发光更不均匀。但是顺流LED其发射的光子数目则会由发光面积的加大而提高。所以一颗以大电流(如1A)驱动大面积的顺流LED，其亮度会大于具有相同面积的多颗横流LED。(如图2)可采用低阻率、高导热性能的材料粘结芯片；•在芯片下部加铜或铝质热沉，并采用半包封结构，加速散热；•设计二次散热装置，来降低器件的热阻。•在器件的内部，填充透明度高的柔性硅橡胶，在硅橡胶承受的温度范围内（一般为-40℃~200℃），胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路，也不会出现变黄现象。•零件材料也应充分考虑其导热、散热特性，以获得良好的整体热特性。对于大工作电流的功率型LED芯片，低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是功率型LED器件的技术关键。焊接要素:热量(HEAT)超音波能量(ULTRASONIC)　　　压力(PRESSURE)　晶片(CHIP)压力（FORCE）二焊点热量金丝超音波振荡（US）　引线脚　（LEAD）　引线架　（LEAD）瓷嘴二次光学设计技术•为提高器件的取光效率，设计外加的反射杯与多重光学透镜。•粉涂布量控制：LED芯片+荧光粉工艺采用的涂胶方法，通常是将荧光粉与胶混合后用分配器将其涂到芯片上。在操作过程中，由于载体胶的粘度是动态参数、荧光粉比重大于载体胶而产生沉淀以及分配器精度等因素的影响，此工艺荧光粉的涂布量均匀性的控制有难度，导致了白光颜色的不均匀。功率型LED白光技术•芯片光电参数配合：半导体工艺的特点，决定同种材料同一晶圆芯片之间都可能存在光学参数（如波长、光强）和电学（如正向电压）参数差异。RGB三基色芯片更是这样，对于白光色度参数影响很大。这是产业化必须要解决的关键技术之一。•根据应用要求产生的光色度参数控制：不同用途的产品，对白光LED的色坐标、色温、显色性、光功率（或光强）和光的空间分布等要求不同。上述参数的控制涉及产品结构、工艺方法、材料等多方面因素的配合。在产业化生产中，对上述因素进行控制，得到符合应用要求、一致性好的产品十分重要。检测技术与标准•随着W级功率芯片制造技术和白光LED工艺技术的发展，LED产品正逐步进入（特种）照明市场，显示或指示用的传统LED产品参数检测标准及测试方法已不能满足照明应用的需要。国内外的半导体设备仪器生产企业也纷纷推出各自的测试仪器，不同的仪器使用的测试原理、条件、标准存在一定的差异，增加了测试应用、产品性能比较工作的难度和问题复杂化。•我国光学光电子行业协会光电子器件分会行业协会根据LED产品发展的需要，于2003年发布了“发光二极管测试方法（试行）”,该测试方法增加了对LED色度参数的规定。但LED要往照明业拓展，建立LED照明产品标准是产业规范化的重要手段。筛选技术与可靠性保证•由于灯具外观的限制，照明用LED的装配空间密封受到局限，密封且有限的空间不利于LED散热，这意味着照明LED的使用环境要劣于传统显示、指示用LED产品。•照明LED是处于大电流驱动下工作，这就对其提出更高的可靠性要求。在产业化生产中，针对不同的产品用途，进行适当的热老化、温度循环冲击、负载老化工艺筛选试验，剔除早期失效品，保证产品的可靠性很有必要。电防护技术•由于GaN是宽禁带材料，电阻率较高，该类芯片在生产过程中因静电产生的感生电荷不易消失，累积到相当的程度，可以产生很高的静电电压。当超过材料的承受能力时，会发生击穿现象并放电。蓝宝石衬底的蓝色芯片其正负电极均位于芯片上面，间距很小；对于InGaN/AlGaN/GaN双异质结，InGaN活化薄层仅几十纳米，对静电的承受能力很小，极易被静电击穿，使器件失效。•对生产、使用场所从人体、台、地、空间及产品传输、堆放等方面实施防范，手段有防静电服装、手套、手环、鞋、垫、盒、离子风扇、检测仪器等。•芯片上设计静电保护线路。•LED上装配保护器件。在产业化生产中，静电的防范是否得当，直接影响到产品的成品率、可靠性和经济效益。几种静电防范技术•半导体ＬＥＤ若要作为照明光源，与常规产品白炽灯和荧光灯等通用性光源的光通量相比，差距较大。因此，ＬＥＤ要在照明领域发展，关键是要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。•照明用Ｗ级功率型ＬＥＤ要实现产业化，应从以下技术层面进行整体创新突破，从而全面提高功率型ＬＥＤ产品的生产质量和