（材料物理与化学专业论文）大功率白光led的荧光粉涂覆工艺及散热技术研究.pdf

摘要 摘要 在世界范围内白光l e d 照明已经成为重要经济价值和社会意义的高新技术 产业。本论文首先阐述全球l e d 的发展概况、白光l e d 的器件结构和工作原理、 l e d 封装的主要工艺以及l e d 荧光粉涂覆传统工艺的局限性；然后针对大功率 自光l e d 封装关键技术的荧光粉涂覆工艺技术和散热技术开展具体研究。 本论文首先针对蓝光芯片与黄色y a g ：c e 荧光粉的光学匹配性，对所选用蓝 光芯片和不同型号荧光粉样品的光谱及色坐标进行测试与分析，筛选出与芯片最 佳匹配的荧光粉型号，为下一步荧光粉涂覆实验做好准备；并讨论蓝光芯片与荧 光粉匹配性对白光l e d 器件发光性能的影响。 然后提出并实施荧光粉涂覆新工艺：通过添加气相s i 0 2 对荧光粉和树脂混 合物进行改性，并利用自行设计的升降装置和模具，制备出形状规则、厚度一致 和分布均匀的荧光粉涂层，改善大功率白光l e d 的光学均匀性与一致性；同时 研究在该涂覆工艺实施过程中气相s i q 含量、荧光粉涂层结构形状、封装树脂 性能和荧光粉用量等因素对涂层效果以及l e d 发光性能的影响。 最后以有限元分析理论为基础，利用a n s y s 软件对封装结构、使用材料和封 装质量对大功率l e d 热场分布进行模拟分析，总结出这些因素对大功率l e d 热 场分布的影响；并以热场模拟分析结果为指导，根据现有实验条件，自行设计并 制备出大功率l e d 封装用氧化铝陶瓷散热基板，并对氧化铝陶瓷基板与铝金属 基板的散热效果进行实际验证比较，结果表明氧化铝陶瓷基板的散热效果明显好 于金属铝基板。 关键词：l e d 照明；大功率封装；荧光粉涂覆；散热模拟；陶瓷基板 a b s t r a c t a b s t r a c t w h i t el e d l i g h t i n gh a db e c o m ean e w l yh i g ht e c h n o l o g yw i t hg r e a te c o n o m i c a n ds o c i a li m p o r t a n c ei nt h ew o r l d t h ep a c k a g i n gt e c h n i q u eo fh i 【g hp o w e rl e d l i g h t i n gw a sf o c u s e di nt h i st h e s i s i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ed e v e l o p m e n to fl e d l i g h t i n gi nt h ew o d d ，t h es t r u c t u r e a n dm e c h a n i s mo fw h i t el e d ，a n dp a c k a g i n gp r o c e s sa p p l i e dc u r r e n t l y , e s p e c i a l l yt h e c o a t i n gt e c h n i q u eo fp h o s p h o rf o rh i g l lp o w e rw h i t el e da n di t sl i m i t a t i o n , w e r e r e v i e w e d t h em a t c h i n go ft h es p e c t r ab e t w e e nb l u el e dc h i pa n dy e l l o wp h o s p h o rw a s t h e ne v a l u a t e ds oa st oi m p r o v et h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n dt h eo u t p u tl i g h tq u a l i t y o fw h i t el e dl i g h t i n g t h em e a s u r e m e n to ft h ee m i s s i o ns p e c t r af o rt h el e dc h i p ， a n d ，t h ee m i s s i o na n de x c i t a t i o ns p e c t r ao ft h ep h o s p h o r sw a sc a r r i e do u tt oo p t i m i z e t h ec o n v e r s i o ne f f i c e n c yo fw h i t el e d l i g h t i n g an o v e lt e c h n i q u ef o rt h ec o a t i n go fp h o s p h o rw a sp r o p o s e d ，a n dt h e na d o p t e dt o o b t a i na p h o s p h o rl a y e rw i t hc o n t r o l l a b l ea n du n i f o r ms h a p e ，w h i c hw a sd e v e l o p e db y u s i n go ff u m e ds i 0 2p a r t i c l e s n e wl 【i n do fm o u l da n das w i t c hw e r em a d eb y o u r s e l v e sw h i c hc o n t r o l l e dt h ec h i pu po rd o w n t h e r e f o r eh i g hp o w e rl e ds a m p l e s w i t ht h ep h o s p h o rl a y e ro fu n i f o r mt h i c k n e s sa n ds h a p ea n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c e w e r ea c h i e v e d t h ee f f e c to ft h ef u m e ds i 0 2 ，o r g a n i cr e s i n s ，s h a p eo ft h ep h o s p h o r l a y e ra n dt h ep h o s p h o ro nt h ep e r f o r m a n c eo fl e dl i g h t i n gw a sd i s c u s s e di nd e t a i l s b a s e do nt h eh e a tt r a n s f e rt h e o r y , at h e o r e t i cs i m u l a t i o nw a sc o n d u c t e d w i t h t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，am o d e lo fl e d l i g h t i n gw a sa d o p tb yt h ea n s y ss o f t w a r e t h er e s u l to fl e d l i g h t i n gw a si n f l u e n c e db yt h es t r u c t u r e ，m a t e r i a la n dp r o c e s s i n go f t h ep a c k a g i n g a c c o r d i n gt ot h er e s u l t ，ac e r a m i cp l a t ew a sm a d ea n dc o m p a r e dw i t ht h ea 1 p l a t ef o rt h ee f f e c to fh e a tt r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：l e dl i g h t i n g ，h i g hp o w e rl e dp a c k a g i n g ，p h o s p h o rc o a t i n g ，h e a t t r a n s f e rs i m u l a t i o n ，c e r a m i cp l a t e 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导帅指导f ，独立元成的计冗成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为( 鲤如沙) 课题( 组) 的研究成果，获得( 玉兰，犯罗，) 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在( 垒兰矽c 矿，。) 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 蚴：刎永钦 力玛年i 舄) ) b 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦f - j3 v 学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声：荔1 求每 耖器年7 ) e l 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 发光二极管( l i g h t e m j t t 岵d i o d e s ，简称l e d ) 是在半导体pn 结两端施加 f 向偏向电压时发出紫外、可见或红外光的发光器件，是新的同体发光光源( s o l i d s t a t e l i g h t i n g ，s s l ) 。自从1 9 6 4 年第一支发光二极管问世以来人们一直没有停 i f 研究和开发的脚步，随着发光材料的开发和半导体制作上艺的改进，以及在芯 片生长过程中引入了分布式布拉格反射( r ) b r ) g j 结构、光学微腔( r c 】和量子阱结 构( q w ) 等，使得半导体照明用的发光二极管发光效率在近两年得到不断提高， 如图l1 所示。随着对i i i v 族化台物材料的深入研究、金属有机物化学气相沉 积( m o c v d ) 生长技术的h 趋成熟、超高亮大功率发光一极管( h p l e d ) ； f lg a n 半 导体材料制备工艺的小断完善，工业界已经丌发了_ ) 匕电转换效率非常高的发光= 极管，特别是采用氮化物半导体g a n 的蓝光l e d 的史j h 化，将高亮度的蓝光 l e d 与钇锚石榴石荧光粉( y a g ：c e l 组合在一起口 ，开发出光教达1 0 0 1 m a v 以卜 的臼光l e d 。 图lll e d 发光效率的发展 白光l e d 光源研制的成功，为其以后在普通照明领域的应用发展创造了条 件，从表ll 中可以看出，l e d 光源与白炽钨丝灯泡及荧光灯等传统光源相比州， 蒸 篓 叫叫叫叫矧叫司 奎望奎鱼堂兰皇旦竺茎垄堑堡壅三苎墨墼垫垫查里窒 其最吸引世界目光的就是节能和环保的特性。与普通白炽灯相比，白光l e d 照 明可节电8 0 9 0 、与荧光灯相比可节省5 0 的电能；寿命可达8 1 0 万小 时，是白炽灯的2 0 3 0 倍，是荧光灯的1 0 倍，特别是它与太阳能电池、电磁感 应电池联合使用后【4 1 ，更是一种极具竞争力的绿色光源，有望在未来5 1 5 年内 成为新一代理想的固态节能照明光源【5 】，为人类照明史谱写新的篇章。 表1 1 白光l e d 与其他光源特性的比较 照明方式特点 白光l e d 荧光灯 具有省电节能，环保( 无汞金属等污染) ，寿命长( 十万小 时) ，抗震、抗冲击能力强，反应速度快，体积小等优点 荧光灯省电，寿命5 0 0 0 小时但废弃物有汞污染、易碎 等问题。 白炽钨丝灯泡低效率、高耗电、寿命短( 1 0 0 0 小时) 、易碎 半导体照明是2 1 世纪最引人瞩目的新技术领域一个焦点，而其发展又是一 个交叉复杂的过程，涉及到材料、器件结构、光学设计、封装工艺、电源电路、 灯具选用、照明效果与视觉匹配等多技术领域【6 】。l e d 的研发以及产业化将成为 今后光电子、材料、能源、半导体行业等多个行业的另一重要发展方向。迄今， 美、日、西欧以及我国台湾地区竞相投入大量资金开发白光l e d 绿色光源。我 国自“八五”期间就十分关注l e d 发展，通过“8 6 3 ”科技攻关、高技术创新、产业 化资金重点支持，已取得研发成果和诸多专利，但白光l e d 核心技术研发及产 业化情况与发达国家相比尚有一定差距。 1 2l e d 发展概况 1 2 1 国内外l e d 技术发展技术 随着半导体节能、环保照明工程的推动，普通照明市场对高亮度白光l e d 器件的需求是巨大的1 7 。用l e d 固体灯取代白炽灯和荧光灯等传统照明光源已 成为本世纪的未来发展目标。白光l e d 照明产业的发展将影响到一个国家和地 区的能源战略和环保战略，因此受到各个国家、地区的重视和大力支持【引。日本、 2 第一章绪论 美国、欧盟、韩国等近年来相继推出国家半导体照明计划，并投入巨资进行研发， 如表1 2 所示。 大功率l e d 是未来固体照明的核心部分，面对巨大的市场机会，世界各大 公司加大了对大功率l e d 芯片制备及其封装技术的研发力度，以期解决几个技 术关键：如何提高l e d 的使用寿命；如何提高发光效率0 m w ) ；如何提高每一 器件( 组件) 总的光通量【9 】【1 1 1 。 美国在“下一代照明计划”中宣称，将在2 0 2 0 年达到发光效率2 0 0 1 m w 的目 标，主要投入的l e d 厂商有l u m i l e d s 、c r e e 、a g l i e n t 、和g e l o r e 等国际知名大 企业。l u m i l e d sl i g h t i n g 1 2 】公司生产了一系列大功率l e d ，显示了照明业的潜力， 其封装技术的特点在于采用倒装焊技术等，2 0 0 6 年已经开发出4 0 0 1 m 白光的5 w 封装的单管，这种光输出和4 5 w 白炽灯的光输出相当，而封装体积仅相当于白 炽灯的1 ，功耗仅为1 3 。1 2 个4 0 0 1 m 的器件足以制成一只用于汽车用的前灯。 而独家生长s i c 半导体材料的c r e e 公司【1 3 1 最新宣布，他们在实验室里已经开发 了发光效率达到2 0 0 1 m w 的白光l e d 。 表1 2 各国家、地区l e d 光源计划比较 欧盟各国在2 0 0 0 年启动了“彩虹计划”，希望通过应用半导体照明以实现高 效、节能、不使用有害环境的材料、模拟自然光的目标。目前已经有很多公司介 入，包括最大的l e d 生产制造商o s r a mo p t o s e m i c o n d u c t o r ，其是目前世界车 用l e d 灯最大供应商。o s r a m 公司号称已经建立了世界上最先进的芯片生产 3 奎垫奎鱼堂兰里里竺茎垄塑堡堡三苎垄墼垫垫查婴窒 线，主要用来生产l e d 。+ 由于o s r a m 是世界上第二大灯泡生产厂商，因此用 l e d 制成新型的节能长寿灯是他们的一个新目标。 韩国近几年对高亮度l e d 的需求增温，e p i p l u s 、e p i v a l l y 和n e o s e m i t e c h 等韩国化合物半导体公司竞相扩充外延芯片的产能。 日本在功率型高亮度l e d 及其外延片、芯片的研制与产业化开发方面处于 国际领先水平其规划的“2 1 世纪照明计划”预期要在2 0 1 0 年之后达成发光效率 1 2 0 1 m w 的目标，并预计到2 0 1 0 年白色l e d 在照明市场普及率将达1 3 ，知名 的l e d 厂商包括日亚化工、松下电工、丰田合成、s o n y 、佳友电工等。日亚 公司在l e d 市场上居于领先地位【1 4 1 ，其材料研发、外延片制备、晶粒制作、封 装皆自行完成。 我国台湾地区通过引进美国和日本的技术，在外延片及芯片生产、器件封装、 应用产品开发等方面得到迅速发展，成为世界上最大的l e d 生产基地。拥有国 联、广稼、光磊、晶元等大型公司。近几年，台湾的国联、光磊、晶元等制造商 在继续扩产传统高亮度与白光的基础上，纷纷组建研发中心或投入巨资，开发与 生产多种型号半导体照明用的高效大功l e d 芯片与器件。目前，台湾地区拥有 数百台m o c v d 外延炉。2 0 0 2 年，台湾经济部技术处推动华新、光磊、晶元等 十一个公司成立“次世纪照明光源研发联盟”，通过对世界与台湾地区等相关资源 的整合，计划经过五年的研发，将台湾地区大功率白光的发光效率提高到 5 0 1 m w 。台湾经济部技术处联合台湾1 0 多家上、中、下游厂商，共同提出了“白 光照明光源业界科专计划”，在2 0 0 7 年l e d 发光效率已达到达到8 0 1 m w t l 5 】。 中国大陆在科技部“8 6 3 ”计划支持下，在照明领域及时启动了“国家半导体照 明工程”提出了在2 0 1 0 年达到1 0 0 1 1 1 1 w 的目标。2 0 0 4 年4 月，科技部确定工作 重点一发展新型照明光源行业，并确定福建厦门、上海、辽宁大连和江西南昌 为首批四个国家半导体照明产业基地，2 0 0 5 年追加了广东深圳。而且每一区域 都初步形成了比较完整的产业链。由于各个地区产业基础、优势的不同，现如今 各区域都已经从自己的角度提出了新的发展半导体照明产业的构想。截至2 0 0 7 年1 2 月，我国有十余家外延芯片厂商已经装备m o c v d ，投入生产的总计数量 为5 0 余台。目前，我国具有一定封装规模的企业约6 0 0 家，各种大小封装企业 已超过1 0 0 0 家，目前国内l e d 器件封装能力约6 0 0 亿只年，2 0 0 6 年国内高亮 度l e d 封装产品的销售额约1 4 6 亿元，比2 0 0 5 年的1 0 0 亿元增长4 6 。从分布 4 蚺一章绪论 地区来看，主要集中在珠江二角洲、长江三角洲、汀_ 阻福建、环渤海等地区。 围内具有大功率芯片开发能力的主要有国内l e d 外延、芯片的主要企业有：厦 门= 安、大连路美、杭州十蓝明芯、上海蓝光、深圳方大、r 海蓝宝、山东华 光、江西联创、深圳世纪品源等公司，国内的大功率l e d 芯片的封装厂家有佛 山国星光电、厦fj 华联电子、宁波爱米达、江西联创光电等，但技术的研发正处 于起步探索阶段，和国际一些知名厂家有一定的差距。 22 市场应用前景 最近几年在h pl e d 封装技术上究破和材料加工技术的实用化，连带创造了 很多应用商品，从图1 2 可以看出其应用的热点主要包括以下几个方而【” ： 。旧l 图1 2 l e d 的应用场合 獠 阐 1 ) 是大、中、小l e d 显示_ | 拜：室内外广告牌、体育场记分牌、信息显示 屏等。 2 ) 足交通信号灯：全旧各大、中城市的市内交通信号灯、高速公路、铁路 和机场信号灯。 3 ) 是光色照明：室外景观照明和室内姨饰照明。 4 ) 是专用普通照明：便携式照明( 手电筒、头灯) 、低照度照明( 廊灯、 门牌灯、庭用灯) 、阅读照明( e 机、火车、汽车的阅读灯) 、显微镜灯、照相 剑到 鎏立 阿萄 一鑫塑 e 一 大功率白光l e d 的荧光粉涂覆工艺及散热技术研究 机闪光灯、台灯、路灯。 5 ) 是安全照明：矿灯、防爆灯、应急灯、安全指标灯。 6 ) 是特种照明：军用照明灯( 无红外辐射) 、医用手术灯( 无热辐射) 、 医用治疗灯、农作物和花卉专用照明灯。 从全球来看，手机背光占领l e d 的大部分市场，2 0 0 5 年手机市场占比高达 6 2 ，从量上看，手机市场占比也达1 8 ；在接下来的一波推进潮中，笔记本电 脑、高端液晶电视背光及汽车灯将成为l e d 的新增长点；预计在2 0 1 0 年左右 l e d 在通用照明应用将取得突破。从中国市场看，2 0 0 7 年l e d 市场规模产值已 超过3 0 0 亿元，建筑装饰照明、室内外显示屏、交通指示是主要应用市场，随着 国内技术水平提高与规模扩大，国内企业在手机背光、n b 背光、特种白光照明 ( 包括路灯) 、车用l e d 光源市场的渗透率将持续提高。在普通照明市场上， 也具有强大的市场潜力1 刀，但是受限于白光l e d 的发光效率和价格条件，在普 通照明市场的普及还比较低，因为要获得与白炽灯、荧光灯等相同的照度，整个 照明系统的成本上很高。实际应用的照明设备，如照亮写字台、屏幕或房间的光 源不仅要求高发光效率和长的使用寿命，还要具有很高的光通量和可接受的价 格。 由于照明消耗占整个电力消耗的约五分之一，各国半导体照明计划的首要目 标在于降低照明用电，从而节省能源、减少石油进口、降低温室效应。美国、日 本等国家和我国台湾地区对l e d 照明效益进行了预测，如果美国5 5 白炽灯及 5 5 的同光灯被l e d 取代，每年可节省3 5 0 亿美元电费，减少7 5 5 亿吨二氧化 碳排放量；日本1 0 0 白炽灯换成l e d ，可减少1 2 座核电厂发电量，每年能 节省1 0 亿公升以上的原油消耗；台湾地区2 5 白炽灯及1 0 0 的日光灯被白光 l e d 取代，每年可以节省1 1 0 亿度电；中国如果在2 0 1 0 年l e d 照明能够进入我 国1 3 的照明市场，每年就可以节约1 0 0 0 亿度电，相当于一个多的三峡电站发 电量。因为白光l e d 的发光效率要超过1 0 0 1 m w 以上才能进入照明市场，对目 前的日光灯( 约6 0 1 0 0 1 m w ) 才有取代的效果，所以各国均以达到1 0 0 1 m w 以 上为目标。最近几年商业白色l e d 已取得较大进展，利用大面积芯片及特殊封 装技术可以使每个器件的光输出提高1 0 0 倍，并使每流明光输出的成本下降 8 0 。预计在2 0 1 0 年左右l e d 在通用照明应用将取得突破。图1 3 为l e d 发 光器件在未来1 0 - - 2 0 年每个器件的光通量以及每流明的价格的发展趋势。 6 第章绪t s t r a t 嘲e su n l i m i t e d 公司对全球大功率l e d 及其照明市场的发展预测。预 计未来整个h p l e d 市场的年均增长率为2 1 ，2 0 0 8 年将达6 0 亿美元；而大 功率l e d 照明市场年增长率更将高达“，2 0 0 8 年可望达到6 亿美元。届时， 大功率l e d 照明市场所占整个h p l e d 市场的份额将由2 0 0 2 年的5 提升到 2 0 。2 0 0 8 年以后，大功率l e d 照明市场仍将继续增长，过了2 0 1 0 年，在世界 照明市场上，大功率l e d 可占有很大的比重。美国市场研究公卅c o m m u n i c a t i o n s i n d u s t r y r e s e a r c h e r s f c i r ) 对中国大陆市场也进行了预测，预计0 8 年中国大陆的 l e d 产业市场将达到6 8 亿美兀，平均比0 7 年增长2 0 3 0 随着l e d 应用范 围的增加，这一数据有不断增加的趋势，估计到2 0 1 0 年，整个中国l e d 市场将 超过1 5 0 亿美元。 另外个l e d 应用发展展快的就是车用照明2 0 0 2 年市场规模为19 亿美 元，2 0 0 3 年比2 0 0 2 年增长2 32 ，市场规模为23 6 亿美元，2 0 0 4 年比2 0 0 3 年 增长1 91 市场规模为28 1 亿美元2 0 0 6 年全球车内饰市场销售额32 亿美元 车后灯市场为22 亿美元，预计2 0 1 0 年汽车市场l e d 总体销售额会达到1 15 亿 美兀。随着采片 l e d 灯的车辆逐年增加预计今后每年的增长率为两何数。在 车用照明中，车头灯由于其需要光通量为汽车用途中用量最多，潜在规模相当庞 大，因此倍受l e d 厂商重视。但也是因为应用技术门坎较高，并受限于亮度不 足，因此，预计到2 0 0 8 年时才可能出现l e d 牟头灯商品化的产品。 i ： 望 l 塞 i 噬 察 图1 3l e d 器件光通量以及价格发展趋势 总而言之，日前的白光l e d 已经在背光源、显示屏、特种照明、信号灯等 领域得到很好的推广，不过相对于普通照明和汽车前照灯领域而舌，还处于刚刚 7 大功牢白光l e d 的荧光粉涂覆工艺及散热技术研究 起步的阶段。但是随着高亮度大功率l e d ( h p l e d ) 技术的飞速发展，一旦解决 了在性能和成本上的问题【1 8 】，将会对传统的照明光源提出挑战，l e d 成为普通 照明光源的时日会越来越近。 1 3 大功率l e d 封装基础 1 3 1 大功率l e d 发光原以及其结构 图1 4 为l e d 发光机理图，在l e d 的p n 结合部有一发光层，在热平衡时， n 区和p 区的费米能级是一致的。当一个正向偏压施加于p - n 结两端，由于p 1 1 结势垒的降低，p 区的正电荷将向n 区扩散，1 1 区的电子也向p 区扩散，同时在 两个区域形成非平衡电子的积累。对于一个真实的p n 结型的器件，通常p 区的 载流子浓度远大于1 1 区，致使n 区非平衡空穴的积累远大于p 区的电子积累，对 于n p 结情况j 下好相反。由于电流注入产生的少数载流子是不稳定的，对于p 1 1 结系统，注入到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，在该处电子和空穴 复合后放出与电子和空穴的能量差相对应的能量h v ( 1 1 为普朗克常数，v 为频率) 而发出光子，该能量差相当于半导体材料的带隙能量e g ( 单位：电子伏e v ) ，其与 发光波长m 单位：g i n ) 的关系为扣1 2 4 e g ，因此通过选择不同的带隙宽度的材 料，其发光谱可以从红外、可见光、以及紫外波段，而且这类器件的发射光谱与 温度有很大关系【1 9 】- 【2 0 1 ，其中多余的能量将以光的形式向外辐射。 ( a ) 热平衡状态下p - n 结的能带图( b ) 正向偏压下p - n 结的能带图 图1 4 l e d 发光原理图 大功率l e d 器件的核心部件就是其芯片，所以要得到大功率大功率l e d 器 件就必须制备合适的大功率l e d 芯片。随着技术发展芯片二维尺寸不断地增大， 8 第一$ 镕论 l e d 芯片结构设计个方面是提高其光输出效率，从而降低热量的产生，利于 热量的扩散；另一方面是优化芯片上电极结构，使得整个芯片在两端加电堆以后 得到均匀的电流扩散分布。如果电流分布不均匀，往往会导致热流密度咀及光通 量的不均匀分布，在芯片内部产生局部的热斑，这样将人大地降低l e d 器件的 效率和可靠性“i 。 为了减少l e d 芯片中横向电流不均匀分布，有效电流路径长度必须很短并 且尽可能的相等，该长度决定于p 电极和i t 电极的空间距离。图15 ( b ) 芯片电极 通过优化后电流密度在整个芯片分布的均匀性要比图15 ( a ) 好。因此对于大面积 l e d - 匕片，单独一个电极设训是不利于电流扩散，而采用梳状条形交叉电极、 梳状条形与点状相结合的电极以及米字形的电极结构设计，丁以使得芯片内电流 密度分布比较均匀。目前主流的大功率l e d 的屯极结构土要有下列几种形式， 如图16 所示。 有豫层 “ti 女罕 n 柽 i 桩 p 图1 6 人功率l e d 芯片电极结构 大面积芯片欧姆接触顶部做成梳状电极的特点：两端各有两个电极用的圆形 接触盘( 如图i7 所小) ，通电后条形电极之【b j 的区域将会有光发出，从而实现 大功卑自光l e d 的荧光粉涂覆t 艺散热技术研究 由点光源到面光源的过渡，提高芯片总的光输出通量。但是由于芯片表面的电流 扩展层的存在，一定程度上影响了光的取出效率。 p - g a n n g a n 仓饯 兜鞋射 ， - - - - l _ 施扩敝 0 毒二一 金属反射丘 图1 7 顶面发光大功率l e d 电极 梳状条形与多点接触的电极主要是结合在硅片上倒装焊( f l i p c h i p ) 技术( 如 图18 ) ，该结构的特点是，两个电极同处于芯片的下表面，光通过上表l i 【i 的蓝宅 石层直接取出，不受电极的影响，能更有效提高大功率l e d 的耿光效率i i 刷 时由于芯片下部的焊点，直接和衬底接触，距离葡，焊点热导率高，有利十热量 的传递，这样有利于器件的寿命的延长。 p 电极和金属反射层隔离层 。电极 刊竺 圈1 8 大功率l e d 芯片倒装焊结构 美国c r e e 公司的专利产品n 2 3 i ，米字形电极结构( 如图1 9 所示) 主要应用 在基于导电碳化硅( s i c ) 衬底生长的l e d ，其电流是垂直扩散，比起在绝缘透 。一 髟 第一 绪论 明蓝宝石( s a p p h i r e ) 村底上生长g a n 基l e d 的横向扩散电流，电流分布均匀 性更好。通过扩大l e d 芯片面积，使得l e d 输出功率提高，发光亮度得以大幅 度地提高，不过若味加大芯片面积，反而会出现l e d 内部的光吸收比率增加、 外部量子效率降低等不利的现象。从图i1 0 可以看到，随着芯片二维尺寸的增 j u ，芯片本身的发光效率下降的很快i ”i 。 图19 米字型上下电极结构 自51016 茁片面积i m m 图1 1 0 芯片尺寸与其两字效率的关系 溉 弛 蚴 tt。翳凝卜嘲书，丑 大功牢白光l e d 的荧光粉涂覆丁艺及散热技术研究 1 3 2 芯片制作过程 图1 1 1 所示为l e d 的制作过程，其可分为上游单晶片与磊晶片制作、中游 晶粒制作( 将磊晶片经过电极制作、平台刻蚀等程序切割出l e d 晶粒) 及下游封装 熊【2 5 】 寸o 1 ) 上游工艺： l e d 上游产品为单晶片及磊晶片，单晶片为制造l e d 的基板，如采用 g a a s ( 砷化镓) 、g a p ( 磷化镓) 材料，磊晶片则是依不同产品在单晶片上成长多层 不同厚度的单晶薄膜，如a 1 g a a s ( 砷化铝镓) 、a 1 g a l n p ( 砷化铝镓铟) 、g a i n n ( 氮 化镓铟) 等。常用的磊晶成长技术有： 液相磊晶成长法( l i q u i dp h a s ee p i t a x y ；l p e ) 气相磊晶成长法( v a p o rp h a s ee p i t a x y ：v p e ) 有机金属气相磊晶法( m e t a lo r g a n i cv a p o rp h a s ee p i t a x y ；m o v p e ，又称为 m o c v d ( m e t a l o r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 等。 上游 晶圆：单晶棒一单晶片一结构设计一磊晶片 成品：单晶片、磊晶片 中游 制程：金属蒸镀一刻蚀一热处理( p 、n 电极的制作) 一切割一崩裂 成品：晶粒 下游 封装：晶粒粘贴一打线树脂封装一检测一切脚 成品：灯泡、数字、字元、点矩阵、显示矩阵等 图1 1 1l e d 的制作过程 1 2 釜二童堑堡 ： 其中v p e 、l p e 等技术已相当成熟，但只能生产一般亮度的l e d ，发展受 限制，而m o c v d 除可生产高亮度红、黄、橙、蓝绿光l e d 外，还可生产微波 通讯用的g a a s 元件、红外线l e d ( i r d a ) 、激光二极管l d 等产品，应用层面相 当广泛，成为厂商竞相投入的生产方法。 在整个l e d 产业价值中，上游磊晶最高，以目前成长率最高的高亮度l e d 而言，m o c v d 系统是目前大规模制造蓝光、绿光和白光l e d 的主流生产设备。 由于化合物半导体的材料特性不稳定且易碎，如何掌握磊晶配方如：温度、压力、 材料比例为此阶段的关键技术，表1 3 所示为主要的磊晶方法及特点。 2 ) 中游： 中游产商根据元件结构的需求制作电极、焊点( 电极的大小及形状会影响 l e d 的发光效率和亮度) 及切割成晶粒。 3 ) 下游： 下游产商针对客户需求对元件上尺寸、指向性等进行封装。并对封装产品进 行性能、可靠性等方面的测试，此阶段对于产品的成品率影响最大。 表1 3 不同磊晶方法比较 1 3 太功串由光l e d 的荧光粉津疆i 艺及散热技术究 33 封装结构的演变 l e d 封装的主要目的是为了确保发光芯片和下一层电路问的电气和机械性 的正确接触，并保护发光芯片不会受到机械、热、潮湿及其它的外部冲击。同时 由于l e d 要实现其光学方面的特性，封装时也需要考虑和确保其光学特性能满 足要求。l e d 封装方法、材料和封装设各的选取主要是由l e d 芯片的结构、电 气，机械特性、精度和单价等因素决定的。l e d 产业经过4 0 多年的发展，经过了 支架式l e d ( l e a dl e d ) 、普通贴片式l e d ( c h i ps m dl e d ) 、功率l e d ( p o w e r l e d ) 、大功率l e d ( h pl e d ) 口“。图1 1 2 为l e d 发光器件封装结构 的演变，从图中可以看出，l e d 器件封装的热阻越来越小，从最初的热阻为 2 5 0 k w 到现在的8 k w 。由于大功率l e d 芯片结构与封装散热特性的改善即 使驱动电流到8 0 a ，锄2 ，甚至高达1 0 0 a c m 2 ( 相当于1 m m 2 的芯片的驱动电流选 1 a ) ，也不会出现光输出饱和现象。相比较之下传统的低散热支架式l e d ，驱 动电流如果超过2 0 a c m 2 时就会急速产生光输t p , 饱和问题。 。l j兰= 羔：一鲨 圈1 1 2l e d 封装结构的演变以及热阻的变化趋势 从实际应用的角度来看：安装使用简单、体积相对较小的大功率大功率l e d 器件在大部分的照明应用中必将取代传统的小功率l e d 器件。小功率的l e d 组 成的照明灯具为了达到照明的需要，必须集中许多个l e d 的光能才能达到亮度 要求。带来的缺点是线路异常复杂散热不畅，为了平衡各个l e d 之间的电流 电压关系必须设计复杂的供, ge g 路。相比之下，大功率大功率l e d 单芯片的功 ，_ 缸 “ 甲“、 r o y i 舛锚雏雠 第一章绪论 率等于若干个小功率l e d 的总和，供电线路相对简单，散热结构完善，物理特 性稳定。 在完成大芯片制作后，面临着如何将大芯片进行封装的挑战。对于大功率 l e d 器件的封装方法我们并不能简单的套用传统的小功率l e d 器件的封装方 法与封装材料。简单的增大发光面积无法解决根本的散热问题和取光问题，因此 也就无法达到预期的光通量和实际应用效果。功率型大功率l e d 的热特性直接 影响到l e d 的工作温度、发光效率、发光光谱、使用寿命等性能，因此，对功 率型l e d 芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。可以这样说，封装是_ 门技术，更是一门科学艺术。l e d 芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下 产生比0 5 m m l e d 大1 0 2 0 倍的光通量，必须设计有效的散热结构和选用不劣化 的封装材料2 7 1 来解决光衰减问题。因此，管壳设计及其封装也是其关键技术。大 的耗散功率，大的发热量，高的出光效率给我们的封装工艺封装设备和封装材料 提出了新的更高的要求，必须采用新的设计和封装理念。 为了解决大功率大功率l e d 的散热问题，目前国际上主流封装技术一般有 以下几种【2 8 】【2 9 】： 1 ) 硅底板倒装法： 首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸倒装焊l e d 芯片( f l i p - - c h i p l e d ，简称f c c h i p ) 3 0 】【3 1 1 。同时制备出相应尺寸的硅底板，并在其上制作出供 共晶焊接的金导电层及引出导电层( 超声金丝球焊点) 。然后，利用共晶焊接设备 将大尺寸l e d 芯片与硅底板焊接在一起，如图1 8 所示。这样的结构较为合理， 即考虑了取光问题又考虑到了散热问题，这是目前主流的大功率h p l e d 生产 方式。美国l u m i l e d s 公司在2 0 0 1 年研制出了a 1 g a l n n 功率型倒装芯片结构。 2 ) 陶瓷底板倒装法： 先利用l e d 晶片厂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l e d 芯片和相应的陶瓷底板3 2 1 ，并在上制作出共晶焊接导电层及引出导电 层。之后利用共晶焊接设备将大尺寸l e d 芯片与陶瓷底板焊接在一起，如图1 1 3 所示。这样的结构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，散热的效果非常理想，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化一体封装伺服电路预留下了安装空间。 1 5 大功串自光l e d 的荧光粉降覆t 艺m 散热技术研咒 图1 1 3 陶瓷基板l e d 阵列 3 ) a i g a l n n 碳化硅( s i c ) 背面出光法： 美国c r e e 公司是采用s i c 衬底制造a 1 g a i n n 超高亮度l e d 的全球唯一厂家， 几年来a 1 g a l n n s i c 芯片结构不断改进，亮度不断提高。山丁p 型和n 型屯极 分别位于芯片的底部和项部甲引线键合( 如矧11 4 ) ，底部能与散热金属层或者 硅基板直接键台，兼容性较好，因而成为a i g a i n nl e d 发展的另一主流。 横截面视图 底视图 硬视图 章目厩 34 白光l e d 原理 图i1 4 米字型上下电极结构 由于g a n 基宽带隙半导体材料技术的突破，使得l e d 下在由指示和显示向 家用普通照明领域扩展，这一发展趋势使得人们把l e d 技术研发重点放在白光 ， _零-，y 錾，t#t墨x鹱=ji： 釜二! 堡堡 l e d 上面。目前，白光l e d 技术主要有三种【3 3 】【3 4 1 ，其各种实现方式的优缺点如 表1 4 所示。 表1 4 各种实现白光l e d 方式的比较 我们主要采用第一种制作方法来实现白光大功率l e d ，即通过g a n 基蓝光 l e d 一部分蓝光光激发y a g 黄色荧光粉发射出黄光，另外一部分蓝光透过荧光 粉发射出来，由黄色荧光粉发射的黄光与透射的蓝光混合后得到白光。图1 1 5 和图1 1 6 是蓝光l e d 芯片发出的蓝光透过涂覆在其周围的黄色荧光粉，荧光 粉被一部分蓝光激发后发出黄光，蓝光光谱与黄光光谱互相重叠后为白光。 黄色荧光粉层 黄 图1 1 5 蓝光芯片激发黄色荧光粉示意图 1 7 蓝光芯片 太自卑自光l e d 的萤耪潍覆t 艺k 散# 技术州究 图1 1 6 蓝光光谱与黄光光谱的混合图 这种制作方法存在两个戈键：个是g a n 牡监光l e d ，一个足作为光转换 的荧光粉材料。g a n 基蓝光l e d 的选样小仅璺考虑到l e d 管芯本身的特性外， 还应选择合适的荧光粉材料。荧光粉的选择主要自两个必须满足条件，个足荧 光粉的激发光谱必须与所采用的蓝光l e d 管芯的发射光谱相匹配，这样爿能挟 得更高的光转换效率：另外个方面是荧光粉材料本身的发射光谱，其发射的黄 色光谱必须能与蓝光l e d 管芯发射的管芯匹配成白光，同时黄色荧光粉的激发 效率必须足够的岛，这样才能达到所需的亮度要求。 目前崮| 自、r 通常聚并j 的g a b 基蓝光l e d 管芯的发射波长在4 5 0 n m 4 7 5 n m 之叫，要求荧光粉的激发光谱也在这个范围之内，同时要匹配成自光荧光材料 的发射光谱的波峰需在5 4 0 n m 5 7 0 n m 附近。 14 本论文研究内容 对于大功率白光l e d ，要得到均匀一致的出射白光荧光粉的均匀可控涂 覆是一个重要技术工艺。同时由于人功率l e d 使用中8 0 的电能都转化成为热 能，如何能让l e d 在照明过程中产生的热量及时有效的传导出来从而使l e d 保持长时间的持续可靠工作，也是目前大功率l e d 器件封装和系统封装的关键 蔓二兰堑丝 一一 技术。 本论文首先针对蓝光芯片与黄色y a g ：c e 荧光粉的光学匹配性进行研究，对 所选用蓝光芯片和不同型号的荧光粉样品的光谱及色坐标进行测试与分析，选出 与芯片最匹配的荧光粉型号，为下一步荧光粉涂覆实验做好准备；并论述蓝光芯 片与荧光粉匹配性对白光l e d 器件发光性能的影响。 然后提出并实施荧光粉涂覆新工艺：通过添加气相s i 0 2 对荧光粉和树脂混 合物进行改性，并利用自行设计的升降装置和模具，制备出形状规则、厚度一致、 荧光粉分布均匀的荧光粉涂层，改善大功率白光l e d 的光学均匀性与一致性； 同时研究在该涂覆工艺实施过程中气相s i 0 2