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一种通用低成本大功率高亮度LED封装技术[1]

2014-4-24  来源:(重庆邮电大学-光纤通信技术重点实验室,重庆邮电大学-光电学院,重庆400065)  作者:唐政维 关鸣 李秋俊 董会宁 蔡雪梅  有4945人阅读

本文提出了一种热传导高、热膨胀匹配良好、低成本、大功率、高亮度LED封装技术。该技术采用光电子与微电子技术相结合,利用背面出光的LED芯片,倒装焊接在有双向浪涌和静电保护电路的硅基板上。

  0 引言

  随着ZnSe和GaN等宽带隙材料及其发光器件技术的发展,1990年代中期,诞生了一种白光 LED。白光LED具有驱动电压低、开关响应快、无频闪、发光效率高、体积小、能耗低、寿命长、抗震性强等特点,有望取代传统的白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯,成为更加环保的新一代照明光源。

  自从白光LED面世以来,短短几年时间已取得很大进步,从小功率(mW 级)发展到大功率(W级)。目前,最高发光效率已超过100lm/W。

  在国内,对白光LED的研究开发也得到了足够的重视 ,但与国外的发展相比,还有较大差距。在白光LED芯片制造、封装和荧光体这三大关键技术中,封装技术被列为我国研究开发的重点。

  1 大功率LED的传统封装、散热及其热匹配问题

  LED是电流型半导体器件,在恒定直流驱动下长期工作,其中很大一部分能量将转变为热能,致使芯片结温升高(可达100℃以上),从而导致许多问题发生:如温度猝灭效应,使半导体发光材料(芯片)和荧光粉的发光效率降低,亮度下降,工作中产生色温漂移;器件材料劣化 ,如封装树脂变黄等;在LED的开关使用过程中,因芯片发热而导致不断的冷热冲击 ,若热膨胀性能不匹配 ,将加速热应力的积累,使其寿命缩短,进一步降低了LED长期使用的可靠性。

  要实现LED照明实用化,必须发展大功率高亮度白光LED。在转换效率一定的情况下 ,实现高亮度,就必须增加电流和发光面积,这将导致功率大大增加。随着功率的增加,其热管理问题便凸显出来,并成为大功率型LED发展中的技术瓶颈。

  传统的大功率、高亮度LED 封装方式,目前较为普遍的作法是采用铜或铝基板封装。虽然铜或铝基板能够有效地改善散热问题 ,但铜和铝的热膨胀系数分别为 16. 7 ppm/ ℃和 23 ppm/ ℃,与LED材料(GaAs为5. 5 ppm/ ℃,GaN 为5. 6 ppm/ ℃)之间存在过大的热膨胀系数差异,失配率达到了49. 78 %和 60. 8 %。这会使大功率、高亮度LED 在开关工作时产生发光亮度的急速下降,造成产品可靠性的严重退化。因此,高工作电流的大功率、高亮度LED 的热管理及封装,便成为制作大功率LED的关键和研究的热点问题。

  本文提出的封装技术,不仅改善了芯片和热沉的热膨胀匹配特性,更很好地解决了大功率 LED的静电保护问题 ,使之寿命更长、更经济、适用。

  2 结构设计

  针对大功率LED传统封装技术存在的问题,对封装结构、结构材料及工艺技术进行了改进;利用背面出光的 LED 芯片 ,倒装焊接在具有浪涌电流限制和静电保护电路的硅基板上,并在硅基板的背面选用低热膨胀系数的热沉,其结构示意图如图1所示,图2是电路示意图。

  图1 大功率LED封装结构示意图

  图1 中,1 :铜(铝) 基板散热热沉;2 :引线电极 ;3 :铝键合丝 ;4 :键合金球 ;5 :高透光硅胶(混黄色荧光粉) ;6 :聚光透镜;7 :蓝宝石衬底;8 :L ED 外延层;9 :铟焊料层 ;10 :LED 金属电极层 ;11 :金属铝引线的电极层 ;12 :硅基层 ;13 :铟片(焊料) 。

  图2  电路示意图

  3 材料选用

  3. 1 LED 芯片

  选用蓝宝石基底背面出光 LED 芯片,功率1W ,芯片面积 1 mm ×1 mm ,波长 465~470 nm ,电压 3. 3 V ,工作电流 350 mA。

  3. 2  硅基板

  根据 LED 芯片电极结构 ,设计硅基板图形大小及凸点大小 ,制作浪涌电流限制及静电保护电路 ,并在金属化后制作金球凸点。

  3. 3  过渡热沉

  为了解决热膨胀不匹配瓶颈 ,选用具有低热膨胀系数的过渡热沉材料铟 ,其热膨胀系数为 6. 5ppm/K,热导率 81. 6 W/(m·K) 。

  4 工艺流程

  采用 Cu(或 Al) 基板作为散热热沉 ,并在其上制作引线电极;

  采用制作有浪涌电流限制及静电保护电路(ESD)的 Si 基板:

  1) 完成 ESD(为对称双向二极管保护结构) 制作后 ,在 Si 基板正面采用 Al 作为电极层 ,在 Si 基板背面做常规背面金属化 ,其结构为 Ti2Ni2Ag (钛为接触粘附层 ,镍为阻挡层 ,银为与铟的焊接层) ;

  2) 在 Al 电极对应 LED 电极位置 ,用金丝球焊机制作金球凸点 ,直径 100μm ,高度 50μm。

  3) 划片:切割成一个个独立的有 ESD 保护电路、有凸点和外键合电极的硅基芯片。器件剖面图如图3 所示。

  图3 LED 剖面图

  制作倒装LED 芯片 :

  1) 采用蓝宝石衬底、背面出光LED ,并在上面生长一层外延 ,采用 Ti-Ni-Ag 金属化(钛为接触、粘附层 ,镍为阻挡层 ,银为反光、导电层);

  2) 在 Ti-Ni-Ag 上真空蒸发铟(厚度约 5μm) ,采用光刻工艺 ,保留 LED 电极上的铟层 ;

  3) 划片:切割成一个个独立的大功率 LED 芯片;

  倒装焊:

  1) 采用倒装焊机,将LED芯片与硅基板对准、键合。键合时,注意温度不能太高。由于铟本身就是良好的焊料,因此,低温键合性能良好。温度超过156 ℃会溶掉铟层,热膨胀缓冲作用就会降低;

  2) 将厚度为 100μm 的铟片置于Cu(或 Al) 基板(其上电镀了一层银) 上;将倒装好的带 Si 基的LED 芯片放在铟片上,采用 150 ℃烧结,完成倒装芯片和铜基板的焊接。

  3) 键合:用 Al 丝将 Si 基板上的电极键合到 Cu基板(或Al 基板)上的电极,以便外部连接;

  4) 盖上透镜(其上有两个小孔) ,再在上面灌 Si胶(其中,Si 胶具有高导热、高透光的性质,同时,在Si 胶中混合一定比例的黄色荧光粉);

  5) 按照硅胶固化条件进行固化 ;

  流程结束。

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