LED倒装(Flip chip)简介[绿达照明].doc

绿达照明 ld6 LED倒装(Flip chip)简介1、倒装（Flip chip）1998年Lumileds公司封装出世界上第一个大功率LED（1W LUXOEN器件），使LED器件从以前的指示灯应用变成可以替代传统照明的新型固体光源，引发了人类历史上继白炽灯发明以来的又一场照明革命。1WLUXOEN器件使LED的功率从几十毫瓦一跃超过1000毫瓦，单个器件的光通量也从不到1个lm飞跃达到十几个lm。大功率LED由于芯片的功率密度很高，器件的设计者和制造者必须在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计。目前GaN基外延衬底材料有两大类：一类是以日本日亚化学为代表的蓝宝石；一类是美国CREE公司为代表的SiC衬底。传统的蓝宝石衬底GaN芯片结构，电极刚好位于芯片的出光面。在这种结构中，小部分p-GaN层和”发光”层被刻蚀，以便与下面的n-GaN层形成电接触。光从最上面的p-GaN层取出。p-GaN层有限的电导率要求在p-GaN层表面再沉淀一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层由Ni和Au组成，会吸收部分光，从而降低芯片的出光效率。为了减少发射光的吸收，电流扩展层的厚度应减少到几百纳米。厚度的减少反过来又限制了电流扩散层在p-GaN层表面均匀和可靠地扩散大电流的能力。因此这种p型接触结构制约了LED芯片的工作功率。同时这种结构pn结的热量通过蓝宝石衬底导出去，导热路径较长，由于蓝宝石的热导系数较金属低（为35W/mK），因此，这种结构的LED芯片热阻会较大。此外，这种结构的p电极和引线也会挡住部分光线，所以，这种正装LED芯片的器件功率、出光效率和热性能均不可能是最优的。为了克服正装芯片的这些不足，Lumileds公司发明了倒装芯片（Flipchip）结构。在这种结构中，光从蓝宝石衬底取出，不必从电流扩散层取出。由于不从电流扩散层出光，这样不透光的电流扩散层可以加厚，增加Flipchip的电流密度。同时这种结构还可以将pn结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底（为145W/mK），散热效果更优；而且在pn结与p电极之间增加了一个反光层，又消除了电极和引线的挡光，因此这种结构具有电、光、热等方面较优的特性。2、基于Flip chip的大功率LED热分析我们知道，表征系统热性能的一个主要参数是系统的热阻。热阻的定义为：在热平衡的条件下，两规定点（或区域）温度差与产生这两点温度差的热耗散功率之比。热阻符号：R或Rth；热阻单位：K/W或/W一般倒装型大功率LED表面贴装到金属线路板，也可以再安装外部热沉，增加散热效果。大功率LED芯片电极上焊接的数个BUMP（金球）与Si衬底上对应的BUMP通过共晶焊接在一起，Si衬底通过粘接材料与器件内部热沉粘接在一起。为了有较好的出光效果，热沉上制作有一个聚光杯，芯片安放在杯的中央，热沉选用高导热系数的金属材料如铜或铝。3、衬底粘接材料对大功率LED热特性的影响LED倒装芯片被粘在管座（器件内部热沉）里，可以通过三种方式：导热胶粘贴、导电型银浆粘贴和锡浆粘贴。导热胶的硬化温度一般低于150，甚至可以在室温下固化，但导热胶的热导率较小，导热特性较差。导电型银浆粘贴的硬化温度一般低于200，既有良好的热导特性，又有较好的粘贴强度。锡浆粘贴的热导特性是三种方式中最优的，一般用于金属之间焊接，导电性能也非常优越。在大功率LED器件的封装中，生产厂家容易忽略衬底粘接材料对器件热导特性的影响。其实衬底粘接材料在影响器件热导特性因素中是一个比较重要的因素，如果处理不好，将使得LED的热阻过大，导致在额定工作条件下器件的结温过高，导致器件的出光效率下降、可靠性降低。当选用铅锡焊料63Sn/37Pb，=39W/mK，同时其厚度等于20m时，RAttach等于0.026（K/W），即使其厚度为100m，RAttach也只等于0.131（K/W）；当选用热沉粘接胶Ablefilm5020K，=0.7W/mK，同时其厚度等于20m时， RAttach等于1.457（K/W），当其厚度为100m时，RAttach等于7.286（K/W）；当我们选用导电型芯片粘接胶 Ablebond84-1LMISR4，=2.5W/m?K，同时其厚度等于20m时，RAttach等于0.408（K/W），当其厚度为100m时，RAttach等于2.041（K/W）。因此，选用不同的粘接材料对其热阻存在很大的影响，同时，在印刷或涂敷芯片粘接材料时，如何降低材料厚度也十分重要。4、小结LED芯片结温最高允许125，如果其最差工作环境温度为65，则对一个1W的大功率LED来说，考虑到从大功率器件外部热沉的热阻一般为40（K/W），器件pn结至器件的热阻应小于20（K/W）。而对一个5W的大功率LED来说，如果其最差工作环境温度为65，则从pn结至环境的热阻要小于12K/W才能保证芯片结温不超过125，而如果选用Ablefilm5020K热沉粘接胶，=0.7W/m?K同时其厚度为100m，仅芯片粘贴材料的热阻RAttach就等于7.286（K/W）。因此，在Flip chip大功率LED器件的封装中，选用合适的芯片衬底粘贴材料并在批量生产工艺中保证粘贴厚度尽量小，对保证器件的可靠性和出光特性是十分重要的。责任编辑：zyg led的五大主要应用及各应用专题应用一：背光源 LCD背光源市场是LED产品的最大应用市场之一，主要集中在TFT彩屏的背光。LED背光源具有良好的显色特性且环保，是LCD背光源市场的主流。LED 背光源在手机等PDA产品上已成功应用，2004年已有超过百亿元的市场。近几年手机产量增长放缓，同时OLED成本低，有替代小尺寸LCD的趋势，预计小尺寸LCD背光源需求的绝对值虽仍很大，但增幅下降。LED背光源未来市场热点将在大尺寸的LCD市场，并伴随着LCD平板显示市场的快速发展，保持高速增长。同时发达国家已开始制定法规限制非环保的CCFL管的使用，又将刺激LED背光源的更快发展。目前7英寸屏的LED背光已成熟，随着 LED发光效率的不断提高，必将应用于更大尺寸LCD屏的笔记本电脑、电脑显示器和LCD-TV中，市场潜力无限。据报道，OSRAM近期已推出一款82 英寸的LED背光源概念产品，可产生每平方米10000cd的亮度，色饱和度较传统的CCFL光源提高50%。应用二：汽车 汽车也将是LED产品高成长的市场。由于LED灯具有省电、小型且可平面化安装、响应快速、易于计算机控制、抗震性等优点，发达国家都在大力开发车用LED灯。应用范围从车内的显示面板、装饰灯、照明灯，到车外的刹车灯、转向灯、指示灯等。国际几家著名照明公司均已推出了车前大灯的概念产品，最新报道日本西铁成电子公司已开发成功适合用于车灯的LED模块，3.5W可产生245lm的光束。因汽车市场门槛高，目前车用LED市场主要被HP、OSRAM、SIEMENS以及几家日本公司占据，我国台湾光电企业也占有一部分市场份额。今年我国汽车产量排行世界第三，后续还将高速增长，因此开发LED产品的汽车市场大有作为。应用三：光色照明 光色照明市场主要包括室外景观照明市场和室内装饰照明市场。室外景观照明市场主要由护栏灯、大功率投光灯、数码墙、地埋灯、树型灯、彩灯等构成，是目前国内较热的一块市场，特别是国家五大照明工程示范基地的建设，各地政府均给予重点支持，有力地推动了LED照明产业的发展，如厦门市政府抓住今年4月2005中国(厦门)国际半导体照明论坛以及9月投资贸易洽谈会的有利时机，完成两项LED照明示范工程，取得圆满成功，扩大了厦门LED照明工程示范基地的影响力，接着又乘势推出2006年春节亮灯工程，给当地光电企业提供了极好的发展机会。2008年北京的奥运会和2010年上海的世博会还将进一步拉动LED光色市场的成长。但要追求完美，整体效果上一个档次，景观设计是关键。室内装饰照明市场目前主要集中在室内气氛照明的应用，充分利用LED灯便于智能控制、色彩丰富的特点，在酒吧、商场等地均能起到制造气氛的效果。在LED发光效率达到一定水平时，LED灯通过智能控制可以实现色温可调，届时人们可以根据心情选择最佳的气氛照明，极大地提高人们的生活品质，创出巨大的市场机会。应用四：特种照明灯 特种照明灯市场，发挥LED灯低功耗、驱动电压小、冷光源、紫外成分低、单色性等特点，实现各种特种照明功能，主要品种有防爆灯(含矿灯)、军用特种灯、闪光灯、应急灯、手电筒、文物与艺术品照明灯、皮革与首饰装饰灯、特种医疗用灯、农作物生长用灯、太阳能LED 灯等等。其中，国家安全生产管理办公室已下文要求所有煤矿全部使用LED矿灯，手机、数码相机正逐步扩大使用LED闪光灯，预示着这两种LED产品将呈现巨大的市场发展机会。太阳能LED灯是节能的LED与太阳能电池的结合，是个绝配的产品，是个真正体现国家倡导的循环经济理念的好产品。目前市场热点主要集中在太阳能高杆路灯，国内已有多家企业开发出以1WLED为单元的50W80WLED模组，一旦能够实现真正意义上的商品化产品，将会产生极大的经济效益和社会效益。应用五：传统市场 传统市场主要包含显示屏市场和信号灯市场。显示屏市场，2004年在我国就有约30亿元的市场，目前智能交通信息