高亮度高纯度白光LED封装技术研究-LED
l 引言
白光LED是以蓝色led为基础光源，将蓝色LED发出的一部分蓝光用来激发荧光粉，使荧光粉发出黄绿光或红光和绿光，另一部分蓝色光透射出来，与荧光粉发出的黄绿光或红光和绿光组成白光。蓝色LED发出的蓝色光(发光峰值波长在 430nm或470nm)可与黄绿色荧光粉发出的黄绿光组成白光，也可与发出的发光峰值在650nm的红光和发光峰值在540nm的绿光组成白光。为了获得高的转换效率，荧光粉的激发光谱的峰值应在470nm附近，与蓝色LED的发光峰值相近。
为了提高半导体高功率白光LED器件发光效率和散热效果，可采用倒装InGaN(蓝)芯片结构，以及在芯片周围涂敷荧光粉。为了提高光的均匀性，需要将荧光粉均匀地涂敷在芯片的周围。对于这样的产品，实验已证明，电流和温度的增加会使LED的光谱发生蓝移和红移，但对荧光光谱影响并不大。寿命试验结果也较好，φ5的白光LED在工作1．2×104h后，光输出才会下降至80％，而这种功率LED最高效率可达到44．3lm·W-1，最高光通量为l 87lm，产业化产品120Im，Ra为75～80。目前，国内外制作白光LED的方法是先将LED芯片放置在封装的基片上，用金丝进行键合，然后在芯片周围涂敷YAG荧光粉，再用环氧树脂包封。树脂既起保护芯片的作用又起到聚光镜的作用。从LED芯片发射出的蓝色光射到周同的荧光粉层内经多次散乱的反射、吸收，最后向外部发出。LED(蓝)的光谱线的峰值在465nm处，半值宽为30nm，是非常尖锐的蓝色光谱。LED发出的部分蓝色光激发黄色的YAG荧光粉层，使其发出黄色光(峰值为555nm)，一部分蓝色光直接或反射后向外发出，最终达到外部的光为蓝黄二色光。根据补色关系，两色光相混后即可得到白光。
美国LumiLeds公司在2001年研制出了A1GaInN功率型倒装片结构 LED(FCLED)，具体做法是：第一步，在P型外延层上沉积厚度大于50nm的NiAu层，用于欧姆接触和背反射；第二步，采用掩模选择刻蚀P型层，露出多量子阱N型有源区；第三步，沉积、刻蚀形成N型欧姆接触区。芯片尺寸为1mmxlmm，P型欧姆接触区为正方形，N型欧姆接触区为梳状形，这样可以减小电阻。第四步，将带有金属化凸点的A1GaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅载体上。美国Cree公司是采用SiC衬底制造 A1GaInN超亮度LED的全球唯一厂家，近年来A1GalnN／SiC芯片结构不断改进，亮度不断提高。在这种结构中，P型和N型电极分别在芯片的顶部和底部，采用单线键合，加工方便，因而成为A1GalnN LED发展的另一主流。
目前，在LED行业，LED 芯片通常是用银浆安装在铜基或银基热沉上，再将热沉安装在铝基散热器上。芯片产生的热通过高导热率的铜或银热沉传递到铝基散热器上，再由铝基散热器将热散出(通过风冷或热传导方式散出)。这种做法的优点是：充分考虑散热器的性价比，将不同的散热材料结合在一起实现高效散热，并且成本控制合理。但是，值得注意的是：连接芯片和热沉的材料是十分重要的。当采用银浆作为芯片安装材料时，由于银浆的导热系数为10 W·m-1K-1～25W-m-1K-1，较低，就等于在芯片和热沉之间加了一道热阻。另外，银浆固化后的内部基本结构为：环氧树脂骨架+银粉。这样的结构热阻高且Tg低，对器件的散热与物理特性稳定极为不利。我们解决此问题的做法是：用锡片作为芯片与热沉之间的连接材料(锡的导热系数为67 w·m-1K-1)。因为锡的导热效果与物理特性远优于银浆，从而可获得较为理想的散热效果(锡的热阻约为1 6 ℃·W-1)。
2 ESD静电保护
我们实测发现，以SiC为衬底的InGaN抗ESD能力(人体模式)可达1 100V以上。而一般以蓝宝石A1203为衬底的InGaN抗ESD仅能达到400V～500V(不同厂牌产品之综合结果)。如此低的抗．ESD能力会给LED灯封装厂商和下游电子应用厂商带来极大的不便。从同业相关资料得知，每年电子组件制造商因静电防护问题造成的损失十分惊人，在装配与消费者使用过程中都有一定的损失产生。我们知道，以SiC为衬底的InGaN比以蓝宝石A10203为衬底的InGaN在抗静电方面有一定的优势，但也不能本解决抗静电问题。我们发现，如果在大功率LED器件的芯片周围加入抗ESD二极管，就可以将抗静电能力提高到8500V以上，这样就可以解决不同层面电子制造商的静电损失问题。
3 白光LED封装技术
3．1 白光LED主要技术性能指标
白光LED的主要技术性能指标如表l所示。
经试验测得当Tg=25℃时，电流／温度／光通量关系如图l～图3所示。
从电流／温度／光通量关系图可得知，散热对于功率型LED器件是至关重要的。如果不能将电流产生的热量及时散出，保持PN结的温度在允许范围内，就无法获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命。从表2可得知，在常用的散热材料中银的导热率最好，但是银散热板的成本较高不适宜做通用型散热器。而铜的导热率比较接近银，且其成本较银低。铝的导热率虽然低于铜，但胜在综合成本最低，有利于大规模制造。采用芯片的倒装技术(Flip Chip)可以得到比传统的LED芯片封装技术更多的有效出光。
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