照明用LED封装技术关键

　    半导体发光二极管(light - emitting diode) 简称LED ,从二十世纪60 年代研制出来并逐步走向市场化,其封装技术也在不断改进和发展。由最早用玻璃管封装发展至支架式环氧封装和表面贴装式封装,使得小功率LED 获得广泛的应用。从二十世纪90 年代开始,由于LED 外延、芯片技术上的突破,四元系Al2GaInP 和GaN 基的LED 相继问世,实现了LED 全色化,发光亮度大大提高,并可组合各种颜色和白光〔1〕。器件输入功率上有很大提高。目前单芯片1W大功率LED 已产业化并推向市场,这使得超高亮度LED的应用面不断扩大,由特种照明的市场领域,逐步向普通照明市场迈进。由于LED 芯片输入功率的不断提高,对其封装技术提出了更高的要求.LED 要在照明领域发展,关键要将其发光效率、光通量提高到现有照明光源的水平。大功率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,虽然其外量子效率还需进一步提高,但获得高光通量的最大障碍是芯片的取光效率低。现有的大功率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:

1 　散热技术
      传统的指示灯型LED 封装结构,一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上,由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成,其热阻高达250～300 ℃/ W,新的大功率芯片若采用传统式的LED 封装形式,将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄,从而造成器件的加速光衰直至失效,甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。因此,对于大工作电流的大功率LED 芯片,低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是技术关键。采用低电阻率、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;甚至设计二次散热装置,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。

2 　大功率LED 白光技术
      常见的实现白光的工艺方法有如下三种〔2〕:蓝色芯片上涂上YAG荧光粉,芯片的蓝色光激发荧光粉发出典型值为500～560 nm 的黄绿光,黄绿光与蓝色光合成白光。该方法制备相对简单,效率高,具有实用性。缺点是布胶量一致性较差、荧光粉易沉淀导致出光面均匀性差、色调一致性不好;色温偏高;显色性不够理想。RGB 三基色多个芯片或多个器件发光混色成白光;或者用蓝+ 黄绿色双芯片补色产生白光。只要散热得法,该方法产生的白光较前一种方法稳定,但驱动较复杂,另外还要考虑不同颜色芯片的不同光衰速度。在紫外光芯片上涂RGB 荧光粉,利用紫光激发荧光粉产生三基色光混色形成白光。但目前的紫外光芯片和RGB 荧光粉效率较低,环氧树脂在紫外光照射下易分解老化。积累了一定的经验和体会,我们认为照明用W级功率LED 产品要实现产业化还必须解决如下技术问题:①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。②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。③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就不同。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。

3 　测试技术与标准
      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。

4 　筛选技术与可靠性保证
       由于灯具外观的限制,照明用LED 的装配空间密封且受到局限,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。另外,照明LED 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,制定适当的热老化、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。

5 　静电防护技术
       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 活化簿层仅几十nm ,对静电的承受能力很小,极易被静电击穿,使器件失效。因此,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和经济效益。静电的防范技术有如下几种:①从人体、工作台、地面、空间及产品传输、堆放等实施防范,手段有防静电服装、手套、手环、鞋、垫、盒、离子风扇、检测仪器等。②芯片上设计静电保护线路。③LED 上装配保护器件。我国LED 封装产品主要是普通小功率LED ,同时还具有一定的大功率LED 封装技术和水平。但由于多种原因,我国大功率LED 封装技术水平总体来说与国际水平还有相当的差距〔3〕。

       为了加快发展LED 封装技术水平,我们建议:①国家要重点支持LED 前工序外延、芯片有实力的重点研究单位(大学) 和企业,集中优势,重点突破关键技术难点,尽快开发并生产有自主产权的1 W、3 W、5 W和10 W等大功率LED 芯片,只有这样,才能确保我国大功率LED 的顺利发展。②国家要重点扶植有实力的大功率LED 封装企业,研发有自主产权的LED 封装产品,并要达到规模化的生产程度,参与国际市场竞争。③要重视荧光粉、封装环氧等基础材料的研究开发及产业化工作。④根据市场要求,开发适应市场的各种大功率LED 产品,首先瞄准特种照明应用的市场,并逐步向普通照明灯源市场迈进。