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1、大功率LED技术、照明产品及 其散热技术,主要内容,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。,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
2、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
3、，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1mm1mm,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。,(
4、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) AlG
5、aInN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
6、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：,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(
7、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,1. 产品优势与应用领域,2. 倒装芯片说明 (1) 倒装芯片尺寸与材料,3. 特性测试 注1,注 3 备注: 1. 以上数据为使用Power Dome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
8、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Class 3A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
9、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Flip Chip)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
10、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
11、LED器件的技术关键。,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
12、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
13、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
14、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，
15、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，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。 照明用级功率型要实现产业化，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产品的生产质量和产量。目前国内从事功率型研发生产的厂家多关注于个别技术点，尤其是封装技术。,现在需要倡导的的创新理念是一定要整体创新 、全面突破，因为功率型芯片产业化的 四个关键技术环节是相互制约同时又能相互促 进的，只有全面提升才能拓宽产业化道路。,功率型芯片的产业化关键
16、技术的 四个重要环节：,四个环节相辅相成，共同推动功率型的大规模产业化，构成半导体照明的核心力量。,大功率产业简史,本世纪初，公司推出了倒梯形结构的功率型大面积芯片，工作电流可进一步增大至，发光通量大于。以脉冲方式工作时，则可达。 德国公司通过在器件表面制作纹理结构，于年研制出新一代功率型芯片，获得了大于的外量子效率，其基本性能与结构的相当。目前，该器件的制作工艺已大为简化，可批量生产。,对于基蓝绿光器件，美国公司于成功研制了倒装芯片结构的的功率型器件。当该器件的正向电流为，正向电压为时，光输出功率达W。据可靠性试验表明，该器件性能极为稳定。 同时，美国公司开发了背面出光功率型的/ 芯片结构，该器件的芯片尺寸达，采用米字型电极，其工作电流为时，输出光功率达到W。
