LED照明基础知识最详解续(二)

第五章 LED封装基本知识1、LED封装的概念LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出：可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。LED的核心发光部分是由p型和n型半导体构成的PN结管芯，当注入PN结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但PN结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高LED的内、外部量子效率。LED封装的功能主要包括：1.机械保护，以提高可靠性;2.加强散热，以降低芯片结温，提高LED性能;3.光学控制，提高出光效率，优化光束分布;4.供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制。常规5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：A.保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂)，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；B.管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到LED的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。一般情况下，LED的发光波长随温度变化为02-03nm，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经PN结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1，LED的发光强度会相应地减少1左右，封装散热时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数LED的驱动电流限制在20mA左右。但是，LED的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。此外，在应用设计中，PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。进入21世纪后，LED的高效化、超高亮度化、全色化不断发展创新，LED芯片和封装不再沿龚传统的设计理念与制造生产模式，在增加芯片的光输出方面，研发不仅仅限于改变材料内杂质数量，晶格缺陷和位错来提高内部效率，同时，如何改善管芯及封装内部结构，增强LED内部产生光子出射的几率，提高光效，解决散热，取光和热沉优化设计，改进光学性能，加速表面贴装化SMD进程更是产业界研发的主流方向。2、LED封装的分类采用不同封装结构形式与尺寸，不同发光颜色的管芯及其双色、或三色组合方式，可生产出多种系列，品种、规格的产品。LED产品封装结构的类型，也有根据发光颜色、芯片材料、发光亮度、尺寸大小等情况特征来分类的。单个管芯一般构成点光源，多个管芯组装一般可构成面光源和线光源，作信息、状态指示及显示用，发光显示器也是用多个管芯，通过管芯的适当连接(包括串联和并联)与合适的光学结构组合而成的，构成发光显示器的发光段和发光点。根据不同的应用场合、不同的外形尺寸、散热方案和发光效果，LED封装形式多种多样。目前,LED按封装形式分类主要有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED、Flip Chip-LED等。1）Lamp-LED(垂直LED) LED脚式封装采用引线架作各种封装外型的引脚，是最先研发成功投放市场的封装结构，品种数量繁多，技术成熟度较高，封装内结构与反射层仍在不断改进。标准LED被大多数客户认为是目前显示行业中最方便、最经济的解决方案，典型的传统LED安置在能承受01W输入功率的包封内，其90的热量是由负极的引脚架散发至PCB板，再散发到空气中，如何降低工作时PN结的温升是封装与应用必须考虑的。包封材料多采用高温固化环氧树脂，其旋旋光性能优良，工艺适应性好，产品可靠性高，可做成有色透明或无色透明和有色散射或无色散射的透镜封装，不同的透镜形状构成多种外形及尺寸。LED发光显示器可由数码管或米字管、符号管、矩陈管组成各种多位产品，由实际需求设计成各种形状与结构。以数码管为例，有反射罩式、单片集成式、单条七段式等三种封装结构，连接方式有共阳极和共阴极两种，一位就是通常说的数码管，两位以上的一般称作显示器。反射罩式具有字型大，用料省，组装灵活的混合封装特点，一般用白色塑料制作成带反射腔的七段形外壳，将单个LED管芯粘结在与反射罩的七个反射腔互相对位的PCB板上，每个反射腔底部的中心位置是管芯形成的发光区，用压焊方法键合引线，在反射罩内滴人环氧树脂，与粘好管芯的PCB板对位粘合，然后固化即成。反射罩式又分为空封和实封两种，前者采用散射剂与染料的环氧树脂，多用于单位、双位器件；后者上盖滤色片与匀光膜，并在管芯与底板上涂透明绝缘胶，提高出光效率，一般用于四位以上的数字显示。单片集成式是在发光材料芯片上制作大量七段数码显示器图形管芯，然后划片分割成单片图形管芯，粘结、压焊、封装带透镜(俗称鱼眼透镜)的外壳。单条七段式将已制作好的大面积LED芯片，划割成内含一只或多只管芯的发光条，如此同样的七条粘结在数码字形的可伐架上，经压焊、环氧树脂封装构成。单片式、单条式的特点是微小型化，可采用双列直插式封装，大多是专用产品。LED光柱显示器在106mm长度的线路板上，安置101只管芯(最多可达201只管芯)，属于高密度封装，利用光学的折射原理，使点光源通过透明罩壳的13-15条光栅成像，完成每只管芯由点到线的显示，封装技术较为复杂。Lamp-LED早期出现的是直插LED,它的封装采用灌封的形式.灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧树脂,然后插入压焊好的LED支架,放入烘箱中让环氧树脂固化后,将LED从模腔中脱离出即成型.由于制造工艺相对简单、成本低,有着较高的市场占有率.Lamp-LED一般用于大屏，指示灯等领域2）SMD-LED(表面贴装LED) 在2002年，表面贴装封装的LED(SMD LED)逐渐被市场所接受，并获得一定的市场份额，从引脚式封装转向SMD符合整个电子行业发展大趋势，很多生产厂商推出此类产品。早期的SMD LED大多采用带透明塑料体的SOT-23改进型，外形尺寸304111mm，卷盘式容器编带包装。在SOT-23基础上，研发出带透镜的高亮度SMD的SLM-125系列，SLM-245系列LED，前者为单色发光，后者为双色或三色发光。贴片LED是贴于线路板表面的,适合SMT加工,可回流焊,很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题,采用了更轻的PCB板和反射层材料,改进后去掉了直插LED较重的碳钢材料引脚,使显示反射层需要填充的环氧树脂更少,目的是缩小尺寸,降低重量.这样,表面贴装LED可轻易地将产品重量减轻一半,最终使应用更加完美. 3）Side-LED(侧发光LED) 目前,LED封装的另一个重点便侧面发光封装.如果想使用LED当LCD(液晶显示器)的背光光源,那么LED的侧面发光需与表面发光相同,才能使LCD背光发光均匀.虽然使用导线架的设计,也可以达到侧面发光的目的,但是散热效果不好.不过,Lumileds公司发明反射镜的设计,将表面发光的LED,利用反射镜原理来发成侧光,成功的将高功率LED应用在大尺寸LCD背光模组上.Side-LED也属于SMD-LED的一种，一般用作背光源4）TOP-LED(顶部发光LED) 顶部发光LED是比较常见的贴片式发光二极管.主要应用于多功能超薄手机和PDA中的背光和状态指示灯. TOP-LED属于SMD-LED的一种，一般用作大屏5）High-Power-LED(高功率LED) LED芯片及封装向大功率方向发展，在大电流下产生比5mmLED大10-20倍的光通量，必须采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题，因此，管壳及封装也是其关键技术，能承受数W功率的LED封装已出现。5W系列白、绿、蓝绿、蓝的功率型LED从2003年初开始供货，白光LED光输出达1871m，光效4431mW绿光衰问题，开发出可承受10W功率的LED，大面积管；匕尺寸为2525mm，可在5A电流下工作，光输出达2001m，作为固体照明光源有很大发展空间。Luxeon系列功率LED是将A1GalnN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上，然后把完成倒装焊接的硅载体装入热沉与管壳中，键合引线进行封装。这种封装对于取光效率，散热性能，加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点：热阻低，一般仅为14W，只有常规LED的110；可*性高，封装内部填充稳定的柔性胶凝体，在-40-120范围，不会因温度骤变产生的内应力，使金丝与引线框架断开，并防止环氧树脂透镜变黄，引线框架也不会因氧化而玷污；反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高。另外，其输出光功率，外量子效率等性能优异，将LED固体光源发展到一个新水平。为了获得高功率、高亮度的LED光源,厂商们在LED芯片及封装设计方面向大功率方向发展.目前,能承受数W功率的LED封装已出现.比如Norlux系列功率LED的封装结构为六角形铝板作底座(使其不导电)的多芯片组合，底座直径3175mm，发光区位于其中心部位，直径约(0.375254)mm，可容纳40只LED管芯，铝板同时作为热衬。管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正、负极连接，根据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目，可组合封装的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯，其发射光分别为单色，彩色或合成的白色，最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封。这种封装采用常规管芯高密度组合封装，取光效率高，热阻低，较好地保护管芯与键合引线，在大电流下有较高的光输出功率，也是一种有发展前景的LED固体光源。在应用中，可将已封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上，形成功率密度LED，PCB板作为器件电极连接的布线之用，铝芯夹层则可作热衬使用，获得较高的发光通量和光电转换效率。此外，封装好的SMD LED体积很小，可灵活地组合起来，构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等多姿多彩的照明光源。可见,功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，因此，对功率型LED芯片的封装设计、制造技术更显得尤为重要。High-Power-LED，大功率LED，用于照明。6）Flip Chip-LED(覆晶LED) LED覆晶封装结构是在PCB基本上制有复数个穿孔,该基板的一侧的每个穿孔处都设有两个不同区域且互为开路的导电材质,并且该导电材质是平铺于基板的表面上,有复数个未经封装的LED芯片放置于具有导电材质的一侧的每个穿孔处,单一LED芯片的正极与负极接点是利用锡球分别与基板表面上的导电材质连结,且于复数个LED芯片面向穿孔的一侧的表面皆点着有透明材质的封胶,该封胶是呈一半球体的形状位于各个穿孔处.属于倒装焊结构发光二极管.按固体发光物理学原理,LED的发光效能近似100%,因此,LED被誉为21世纪新光源,有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源.展望未来,厂商必将把大功率、高亮度LED放在突出发展位置.LED产业链中的衬底、外延、芯片、封装、应用需共同发展,多方互动培植,而封装是产业链中承上启下部分,需要大家极大地关注与重视.3、LED封装工艺流程1）LED的封装的任务是将外引线连接到LED芯片的电极上，同时保护好LED芯片，并且起到提高光取出效率的作用。关键工序有装架、压焊、封装。2）LED封装形式LED封装形式可以说是五花八门，主要根据不同的应用场合采用相应的外形尺寸，散热对策和出光效果。LED按封装形式分类有Lamp-LED、TOP-LED、Side-LED、SMD-LED、High-Power-LED等。3）LED封装工艺流程封装工艺流程图参见右图。4）封装工艺说明（1）芯片检验镜检：材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑（lock hill）；芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求；电极图案是否完整（2）扩片（扩晶）由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小（约0.1mm），不利于后工序的操作。我们采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，是LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。也可以采用手工扩张，但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。（3）点胶在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。（对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶。对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片。）工艺难点在于点胶量的控制，在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。如果LED芯片是L型电极的,也就是说这种芯片是上、下各有一个电极,那么要求芯片粘合的胶既要能导电,又要能把LED芯片上的热量通过胶传导到支架或热沉上。所以,必须用导热性能好、导电性能也好的固晶胶。现在市场上很多种可供选择的胶。 如果LED芯片是V型电极的,也就是说在上面有两个电极,下面没有电极,因此下面就不允许导电。但是仍然需要导热性能,所以必须使用绝缘导热性能较好的胶。 由于银胶和绝缘胶在贮存和使用均有严格的要求，银胶的醒料、搅拌、使用时间都是工艺上必须注意的事项。（4）备胶和点胶相反，备胶是用备胶机先把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。备胶的效率远高于点胶，但不是所有产品均适用备胶工艺。（5）手工刺片将扩张后LED芯片（备胶或未备胶）安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上。手工刺片和自动装架相比有一个好处，便于随时更换不同的芯片，适用于需要安装多种芯片的产品.（6）自动装架自动装架其实是结合了沾胶（点胶）和安装芯片两大步骤，先在LED支架上点上银胶（绝缘胶），然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，再安置在相应的支架位置上。自动装架在工艺上主要要熟悉设备操作编程，同时对设备的沾胶及安装精度进行调整。在吸嘴的选用上尽量选用胶木吸嘴，防止对LED芯片表面的损伤，特别是兰、绿色芯片必须用胶木的。因为钢嘴会划伤芯片表面的电流扩散层。（7）烧结烧结的目的是使银胶固化，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良。银胶烧结的温度一般控制在150，烧结时间2小时。根据实际情况可以调整到170，1小时。绝缘胶一般150，1小时。银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔2小时（或1小时）打开更换烧结的产品，中间不得随意打开。烧结烘箱不得再其它用途，防止污染。（8）压焊压焊的目的将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作。LED的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种。右图是铝丝压焊的过程，先在LED芯片电极上压上第一点，再将铝丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断铝丝。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球，其余过程类似。压焊是LED封装技术中的关键环节，工艺上主要需要监控的是压焊金丝（铝丝）拱丝形状，焊点形状，拉力。对压焊工艺的深入研究涉及到多方面的问题，如金（铝）丝材料、超声功率、压焊压力、劈刀（钢嘴）选用、劈刀（钢嘴）运动轨迹等等。（下图是同等条件下，两种不同的劈刀压出的焊点微观照片，两者在微观结构上存在差别，从而影响着产品质量。）我们在这里不再累述。特别需要注意的是,加在焊线上的压力不要太大,一般是3040g之间,压力太大容易把电极打裂,而这种裂缝通过一般的显微镜都是看不见的。如果存在电极裂缝,那么在通电加热后,这个裂缝会逐步变大,相应的漏电流也会增大,这样LED在使用时会很快损坏。（9）涂覆荧光粉此工艺流程要根据产品要求决定是否需要。首先要把荧光粉和环氧树脂调配好,调配的浓度和数量都要根据以往的经验。这里要特别强调的是,胶和荧光粉一定要充分搅拌均匀,要让A、B胶充分混合。在点荧光粉(荧光粉和胶混合,即点胶)的过程中,荧光粉不能沉淀,浓度要始终保持一致。 点荧光粉所用的设备、装胶的容器和针头都要保持一定的温度并不断搅拌,防止胶凝固和荧光粉沉淀。点胶的针头最好使用不粘胶的针头,这种针头只需轻轻一吹就会干净。在点胶过程中要保证针头不会发生堵塞,并且出胶要均匀。这样做才能使白光的色温一致性较好。目前生产白光LED的厂家,大多数是采用人工点荧光粉,点荧光粉的工人要经过长期的培训,在掌握经验后才能很好地完成这项工艺。点荧光粉所用的点胶机一般有两种：粘胶机：即将荧光粉和胶配好后,均匀地分布在滚筒上,滚筒不断滚动,这样胶就可以均匀分布在滚筒的外壁上。把焊好金丝的蓝光芯片的整个支架(20粒)靠到滚筒上,滚筒上的荧光粉胶就会均匀地粘到20个芯片的支架“碗”内。图3给出了荧光粉粘胶机的示意图。 点胶机：另一种是用自动配好荧光粉的胶从针头滴到焊好LED的支架上,其工作原理就像灌胶机一样。灌胶机一次可灌20粒,点荧光粉胶一般一次为45粒。这种点胶机滴出来的胶量可以进行调节控制。装在点胶机容器内的胶要保持一定的温度,需要经常搅拌,这样不会产生沉淀。以上两种都适用于3mm、5mm等引脚式封装的LED管子。图4给出了荧光粉点胶机的示意图。 有些制造大功率白光LED的方法,是预先把荧光粉和胶调配好,然后开出一个模子,把荧光粉胶刷在模子上,让它干后成为一片胶饼。再把胶饼盖在焊好的大功率LED芯片上,并用适量的胶把胶饼固定在芯片上。这样做出来的LED其色温会比较一致。（10）点胶封装LED的封装主要有点胶、灌封、模压三种。基本上工艺控制的难点是气泡、多缺料、黑点。设计上主要是对材料的选型，选用结合良好的环氧和支架。（一般的LED无法通过气密性试验） 如TOP-LED和Side-LED适用点胶封装。手动点胶封装对操作水平要求很高（特别是白光LED），主要难点是对点胶量的控制，因为环氧在使用过程中会变稠。白光LED的点胶还存在荧光粉沉淀导致出光色差的问题。（11）灌胶封装Lamp-LED的封装采用灌封的形式。灌封的过程是先在LED成型模腔内注入液态环氧，然后插入压焊好的LED支架，放入烘箱让环氧固化后，将LED从模腔中脱出即成型。（12）模压封装将压焊好的LED支架放入模具中，将上下两副模具用液压机合模并抽真空，将固态环氧放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道中，环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化。（13）固化与后固化固化是指封装环氧的固化，一般环氧固化条件在135，1小时。模压封装一般在150，4分钟。（14）后固化后固化是为了让环氧充分固化，同时对LED进行热老化。后固化对于提高环氧与支架（PCB）的粘接强度非常重要。一般条件为120，4小时。（15）切筋和划片由于LED在生产中是连在一起的（不是单个），Lamp封装LED采用切筋切断LED支架的连筋。SMD-LED则是在一片PCB板上，需要划片机来完成分离工作。（16）测试测试LED的光电参数、检验外形尺寸，同时根据客户要求对LED产品进行分选。（17）包装将成品进行计数包装。超高亮LED需要防静电包装5）Lamp LED的工艺流程图解6）SMD LED的工艺流程图解4、LED封装器件的性能LED器件性能指标主要包括亮度/光通量、光衰、失效率、光效、一致性、光学分布等。1、亮度或光通量由于小芯片(15mil以下)已可在国内芯片企业大规模量产(尽管有部分外延片来自进口)，小芯片亮度已与国外最高亮度产品接近，其亮度要求已能满足95%的LED应用需求，而封装器件的亮度90%程度上取决于芯片亮度。中大尺寸芯片(24mil以上)目前绝大部分依赖进口，每瓦流明值取决于所采购芯片的流明值，封装环节对流明值的影响只有10%。2、光衰一般研究认为，光衰与芯片关联度不大，与封装材料与工艺关联度最大。影响光衰的封装材料主要有固晶底胶、荧光胶、外封胶等，影响光衰的封装工艺主要有各工序的烘烤温度和时间及材料匹配等。目前，中国LED封装工艺经过多年的发展和积累，已有较好的基础，在光衰的控制上已与国外一些产品匹敌。3、失效率失效率与芯片质量、封装辅助材料、生产工艺、设计水平和管理水平相关。LED失效主要表现为死灯、光衰过大、波长或色温漂移过大等。根据LED器件的不同用途要求，其失效率也有不同的要求。例如指示灯用途LED可以为1000PPM(3000小时);照明用途LED为500PPM(3000小时);彩色显示屏用途LED为50PPM(3000小时)。中国封装企业的LED失效率整体水平有待提高。可喜的是，少量中国优秀封装企业的失效率已达到世界水平。4、光效LED光效90%取决于芯片的发光效率。中国LED封装企业对封装环节的光效提高技术也有大量研究。如果中国在大尺寸瓦级芯片的研发生产上取得突破及量产，将会极大促进功率型封装器件光效的提高。5、一致性LED的一致性包括波长一致性、亮度一致性、色温一致性、衰减一致性等前三项一致性是可以通过投料工艺控制和分光分色机筛选达到的。前三项水平来说，中国LED封装技术与国外一致。角度一致性往往难以分选出来，需通过优化设计、物料机械精度控制、生产制程严格控制来达到。例如，LED全彩显示屏用途的红、绿、蓝三种椭圆形LED的角度一致性控制非常重要，决定性地影响LED全彩显示屏的色彩品质，成为LED器件的一项高端技术。衰减一致性也与物料控制和工艺控制有关，包括不同颜色LED的衰减一致性和同一颜色LED的衰减一致性。一致性的研究是LED封装技术的一个重要课题。中国部分LED封装企业在LED一致性方面的技术已与国际接轨。6、光学分布LED是一个发光器件，对于很多LED应用用途来说，LED的光形分布是一个重要指标，决定了应用产品二次光学的设计基础，也直接影响了LED应用产品的视觉效果。例如，LED户外显示屏使用的LED椭圆形透镜设计能够使显示屏在角度变化时亮度变化平稳并有较大视角，符合人的视觉习惯。又如，LED路灯的光学要求，使得LED的一次光学设计和路灯的二次光学设计必须匹配，达到最佳路面光斑和最佳发光效率。通过计算机光学模拟软件来进行设计开发是常用的手段。中国LED封装企业在积极迎头赶上，与国外技术的差距在缩小。5、提高LED发光效率的技术1）透明衬底技术InGaAlP LED通常是在GaAs衬底上外延生长InGaAlP发光区GaP窗口区制备而成。与InGaAlP相比，GaAs材料具有小得多的禁带宽度，因此，当短波长的光从发光区与窗口表面射入GaAs衬底时，将被悉数吸收，成为器件出光效率不高的主要原因。在衬底与限制层之间生长一个布喇格反射区，能将垂直射向衬底的光反射回发光区或窗口，部分改善了器件的出光特性。一个更为有效的方法是先去除GaAs衬底，代之于全透明的GaP晶体。由于芯片内除去了衬底吸收区，使量子效率从4提升到了25-30。为进一步减小电极区的吸收，有人将这种透明衬底型的InGaAlP器件制作成截角倒锥体的外形，使量子效率有了更大的提高。2）金属膜反射技术透明衬底制程首先起源于美国的HP、Lumileds等公司，金属膜反射法主要有日本、台湾厂商进行了大量的研究与发展。这种制程不但回避了透明衬底专利，而且，更利于规模生产。其效果可以说与透明衬底法具有异曲同工之妙。该制程通常谓之MB制程，首先去除GaAs衬底，然后在其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜，然后在一定的温度与压力下熔接在一起。如此，从发光层照射到基板的光线被Al质金属膜层反射至芯片表面，从而使器件的发光效率提高2.5倍以上。3）表面微结构技术 表面微结构制程是提高器件出光效率的又一个有效技术，该技术的基本要点是在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构，每个结构呈截角四面体状，如此不但扩展了出光面积，而且改变了光在芯片表面处的折射方向，从而使透光效率明显提高。测量指出，对于窗口层厚度为20µm的器件，出光效率可增长30。当窗口层厚度减至10µm时，出光效率将有60的改进。对于585-625nm波长的LED器件，制作纹理结构后，发光效率可达30lm/w，其值已接近透明衬底器件的水平。4）倒装芯片技术 通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基LED结构层，由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出。由于P型GaN传导性能不佳，为获得良好的电流扩展，需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层。P区引线通过该层金属薄膜引出。为获得好的电流扩展，Ni-Au金属电极层就不能太薄。为此，器件的发光效率就会受到很大影响，通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素。但无论在什么情况下，金属薄膜的存在，总会使透光性能变差。此外，引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响。采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题。5）芯片键合技术光电子器件对所需要的材料在性能上有一定的要求，通常都需要有大的带宽差和在材料的折射指数上要有很大的变化。不幸的是，一般没有天然的这种材料。用同质外延生长技术一般都不能形成所需要的带宽差和折射指数差，而用通常的异质外延技术，如在硅片上外延GaAs和InP等，不仅成本较高，而且结合接口的位错密度也非常高，很难形成高质量的光电子集成器件。由于低温键合技术可以大大减少不同材料之间的热失配问题，减少应力和位错，因此能形成高质量的器件。随着对键合机理的逐渐认识和键合制程技术的逐渐成熟，多种不同材料的芯片之间已经能够实现互相键合，从而可能形成一些特殊用途的材料和器件。如在硅片上形成硅化物层再进行键合就可以形成一种新的结构。由于硅化物的电导率很高，因此可以代替双极型器件中的隐埋层，从而减小RC常数。6）激光剥离技术（LLO）激光剥离技术（LLO）是利用激光能量分解GaN/蓝宝石接口处的GaN缓冲层，从而实现LED外延片从蓝宝石衬底分离。技术优点是外延片转移到高热导率的热沉上，能够改善大尺寸芯片中电流扩展。n面为出光面：发光面积增大，电极挡光小，便于制备微结构，并且减少刻蚀、磨片、划片。更重要的是蓝宝石衬底可以重复运用。第六章 白光LED的基础知识1、白光LED的概念随着ZnSe和GaN等宽带隙材料及其发光器件技术的发展，于20世纪90年代中期推出了一种白光LED。由于白光LED具有低驱动电压、快速开关响应时间、无频闪、高发光效率、小体积、低能耗、长寿命、强抗震性等特点，有望取代传统的白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯，实现环保和绿色照明光源，在军民用领域都有巨大的应用潜力和发展前景，因此白光LED被称为爱迪生发明白炽灯之后的又一次灯具技术革命，世界各国正不惜重金支持这种极具社会和经济效益的白光LED的发展。一般人所指的白光是指白天所看到的太阳光，学理上分析后发现其蕴含自400700nm范围的连续光谱，以目视的颜色而言，可分解成红橙黄绿蓝青紫等七色。根据LED的发光原理，一般LED只能发出单色光，为了让它发白光，工艺上必须混合两种以上互补色的光而成，1998年白光LED研发成功，经过10年多的发展，常用来形成白光LED的组合方式有三种：1）蓝光LED与黄色荧光粉之组合2）红/绿/蓝三色LED之组合3）UV LED与多色荧光粉之组合目前，掌握白光LED关键技术的厂家包括日亚化工、Cree、Lumileds、欧思朗等。2、白光LED发光原理1）单芯片（1）InGaN(蓝)/YAG荧光粉这是一种目前较为成熟的产品，其中 1W的和5W的Lumileds已有批量产品。这些产品采用芯片倒装结构，提高发光效率和散热效果。荧光粉涂覆工艺的改进，可将色均匀性提高10倍。实验证明，电流和温度的增加使LED光谱有些蓝移和红移，但对荧光光谱影响并不大。寿命实验结果也较好，5的白光LED在工作1.2万小时后，光输出下降80%，而这种功率LED在工作1.2万小时后，仅下降10%，估计工作5万小时后下降30%。这种称为Luxeon的功率LED最高效率达到44.3lm/w，最高光通量为187lm，产业化产品可达120lm，Ra为75-80。（2）InGaN(蓝)/红荧光粉+绿荧光粉Lumileds公司采用460nmLED配以SrGa2S4：Eu2+(绿色)和SrS：Eu2+(红色)荧光粉，色温可达到3000K-6000K的较好结果，Ra达到82-87，较前述产品有所提高。（3）InGaN(紫外)/(红+绿+蓝)荧光粉Cree、日亚、丰田等公司均在大力研制紫外LED。Cree公司已生产出50mW、385nm405nm的紫外LED；丰田已生产此类白光LED，其Ra大于等于90，但发光效率还不够理想；日亚于最近制得365nm、1mm2、4.6V、500mA的高功率紫外LED，如制成白色LED，会有较好效果。ZnSe和OLED白光器件也有进展，但离产业化生产尚远。2）双芯片可由蓝 LED+黄LED、蓝LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成，此种器件成本比较便宜，但由于是两种颜色LED形成的白光，显色性较差，只能在显色性要求不高的场合使用。3）三芯片 (蓝色+绿色+红色)LEDPhilips公司用470nm、540nm和610nm的LED芯片制成Ra大于80的器件，色温可达3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED芯片，则缺少黄色调，Ra只能达到20或30。采用波长补偿和光通量反馈方法可使色移动降到可接受程度。美国 TIR公司采用Luxeon RGB器件制成用于景观照明的系统产品，用Lumileds制成液晶电视屏幕(22英寸)，产品的性能都不错。4）四芯片 (蓝色+绿色+红色+黄色)LED采用 465nm、535nm、590nm和625nm LED芯片可制成Ra大于90的白光LED。此外， Norlux公司用90个三色芯片(R、G、B)制成10W的白光LED，每个器件光通量达130lm，色温为5500K。5）单芯片和多芯片的比较方式实务优劣比较多芯片型RGB三色混光不易1.材料来源简单1.使用三颗LED芯片，成本高2.三色混光不易使光色相同，一致性差BCW蓝光+琥珀色黄光可行1.一致性高2.可用于高电量产品(ex:汽车)1.专利权在美商Gentex手中2.由于电压高，有过热问题单芯片型蓝光+YAG萤光粉可行1.材料来源简单，一致性高2.可用于低电量产品(ex:手机)3.低电压，没有过热问题1.专利权在Nichia手中UV+RGB萤光粉不易1.亮度较亮，一致性佳，没有过热问题1.芯片、萤光粉的来源都不易，目前量产都有问题ZnSe难1.制作不易，且属活泼性元素，信赖度待提升3、白光LED技术指标照明用白光LED不同于传统的LED产品，在技术性能指标上有一些特殊要求：光通量 一个5 LED的光通量仅为1lm左右，而用作照明的白光功率LED希望达到1Klm。当然，光通量为0.1Klm和0.01Klm的功率LED也能达到要求较低的照明需求。由于15W白炽灯效率较低，仅8lm/w，所以一个15W白炽灯的光通量，与25lm/w的白光功率LED5W器件相当。发光效率 目前产业化产品已从 15lm/w提高到100lm/w，研究水平为125lm/w，最高水平已达130lm/w。色温 在 2500K-10000K之间，最好是2500K-5000K之间。显色指数 Ra 最好是100。目前可以过到85稳定性 波长和光通量均要求保持稳定，但其稳定性程度依照明场合的需求而定。寿命 5万小时至10万小时。4、白光LED技术难点1）InGaN(紫外)/(红+绿+蓝)荧光粉有理论计算结果显示，LED的外量子效率达到和超过50%才能成为日后通用照明的主流。因此，如何提高LED的外部量子效率成为LED研究的一个主要方向。而材料的位错密度是造成GaN基LED量子效率低的其中一个主要原因，尤其是对于发短波长的LED。高的位错密度主要是由蓝宝石衬底和GaN外延层之间的晶格失配和热膨胀系数失配造成的。除此之外，有源区的质量好坏对LED的量子效率起着至关重要的作用，主要包括阱层和势垒层的厚度，In组分，应力，界面和每层材料生长的质量高低。对于近紫外LED的研究，目前主要存在的一下几个研究难点：（1）高质量Gan外延层的生长（2）低欧姆接触电极的制作（3）电流拥堵效应的解决（4）电流注入效率的提高（5）出光效率的提高技术（6）荧光材料的高效合成（7）耐热抗UV封装材料的研究（8）散热问题的解决5、大功率白光LED的封装技术研究大功率LED封装结构1）大功率LED封装关键技术大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面，如图1所示。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺兼容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与芯片设计同时进行，即芯片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等芯片制造完成后，可能由于封装的需要对芯片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能。图1 大功率白光LED封装技术具体而言，大功率LED封装的关键技术包括：(1) 低热阻封装工艺对于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的80%左右转变成为热量，且LED芯片面积小，因此，芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、封装材料选择(基板材料、热界面材料)与工艺、热沉设计等。LED封装热阻主要包括材料(散热基板和热沉结构)内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括硅、金属(如铝，铜)、陶瓷(如Al2O3，AlN，SiC)和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底，将1mm芯片倒装在CuW衬底上，降低了封装热阻，提高了发光功率和效率;Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，如图2(a)，并开发了相应的LED封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED芯片和相应的陶瓷基板，然后将LED芯片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热界面少，大大提高了散热性能，为大功率LED阵列封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板(AlN或Al2O3)和导电层(Cu)在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强，如图2(b)所示。其中氮化铝(AlN)的热导率为160W/mk，热膨胀系数为4.010-6/(与硅的热膨胀系数3.210-6/相当)，从而降低了封装热应力。图2(a)低温共烧陶瓷金属基板图2(b)覆铜陶瓷基板截面示意图研究表明，封装界面对热阻影响也很大，如果不能正确处理界面，就难以获得良好的散热效果。例如，室温下接触良好的界面在高温下可能存在界面间隙，基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善LED封装的关键在于减少界面和界面接触热阻，增强散热。因此，芯片和散热基板间的热界面材料(TIM)选择十分重要。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶，由于热导率较低，一般为0.5-2.5W/mK，致使界面热阻很高。而采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料，可大大降低界面热阻。(2)高取光率封装结构与工艺在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：芯片内部结构缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失;以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶)，由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效减少了光子在界面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求其透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为提高LED封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。硅胶由于具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力小，吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在大功率LED封装中得到广泛应用，但成本较高。研究表明，提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高外量子效率，但硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而影响LED光效和光强分布。荧光粉的作用在于光色复合，形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性(热和化学)等，其中，发光效率和转换效率是关键。研究表明，随着温度上升，荧光粉量子效率降低,出光减少，辐射波长也会发生变化，从而引起白光LED色温、色度的变化，较高的温度还会加速荧光粉的老化。原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫光或紫外光的辐射时，易发生温度猝灭和老化，使发光效率降低。此外，高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。由于常用荧光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限(30nm)，因而在荧光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通过在硅胶中掺入纳米荧光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射，提高LED出光效率(10%-20%)，并能有效改善光色质量。传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合，然后点涂在芯片上。由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层(Conformal coating)技术可实现荧光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性，如图3(b)。但研究表明，当荧光粉直接涂覆在芯片表面时，由于光散射的存在，出光效率较低。有鉴于此，美国Rensselaer 研究所提出了一种光子散射萃取工艺(Scattered Photon Extraction method，SPE)，通过在芯片表面布置一个聚焦透镜，并将含荧光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效(60%)，如图3(c)。图3 大功率白光LED封装结构总体而言，为提高LED的出光效率和可靠性，封装胶层有逐渐被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趋势，通过将荧光粉内掺或外涂于玻璃表面，不仅提高了荧光粉的均匀度，而且提高了封装效率。此外，减少LED出光方向的光学界面数，也是提高出光效率的有效措施。图4 LED封装技术和结构发展(3)阵列封装与系统集成技术经过40多年的发展，LED封装技术和结构先后经历了四个阶段，如图4所示。 引脚式(Lamp)LED封装引脚式封装就是常用的3-5mm封装结构。一般用于电流较小(20-30mA)，功率较低(小于0.1W)的LED封装。主要用于仪表显示或指示，大规模集成时也可作为显示屏。其缺点在于封装热阻较大(一般高于100K/W)，寿命较短。 表面组装(贴片)式(SMT-LED)封装表面组装技术(SMT)是一种可以直接将封装好的器件贴、焊到PCB表面指定位置上的一种封装技术。具体而言，就是用特定的工具或设备将芯片引脚对准预先涂覆了粘接剂和焊膏的焊盘图形上，然后直接贴装到未钻安装孔的PCB 表面上，经过波峰焊或再流焊后，使器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接。SMT技术具有可靠性高、高频特性好、易于实现自动化等优点，是电子行业最流行的一种封装技术和工艺。 板上芯片直装式(COB)LED封装COB是Chip On Board(板上芯片直装)的英文缩写，是一种通过粘胶剂或焊料将LED芯片直接粘贴到PCB板上，再通过引线键合实现芯片与PCB板间电互连的封装技术。PCB板可以是低成本的FR-4材料(玻璃纤维增强的环氧树脂)，也可以是高热导的金属基或陶瓷基复合材料(如铝基板或覆铜陶瓷基板等)。而引线键合可采用高温下的热超声键合(金丝球焊)和常温下的超声波键合(铝劈刀焊接)。COB技术主要用于大功率多芯片阵列的LED封装，同SMT相比，不仅大大提高了封装功率密度，而且降低了封装热阻(一般为6-12W/m.K)。 系统封装式(SiP)LED封装SiP(System in Package)是近几年来为适应整机的便携式发展和系统小型化的要求，在系统芯片System on Chip(SOC)基础上发展起来的一种新型封装集成方式。对SiP-LED而言，不仅可以在一个封装内组装多个发光芯片，还可以将各种不同类型的器件(如电源、控制电路、光学微结构、传感器等)集成在一起，构建成一个更为复杂的、完整的系统。同其它封装结构相比，SiP具有工艺兼容性好(可利用已有的电子封装材料和工艺)，集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分块测试，开发周期短等优点。按照技术类型不同，SiP可分为四种：芯片层叠型，模组型，MCM型和三维(3D)封装型。目前，高亮度LED器件要代替白炽灯以及高压汞灯，必须提高总的光通量，或者说可以利用的光通量。而光通量的增加可以通过提高集成度、加大电流密度、使用大尺寸芯片等措施来实现。而这些都会增加LED的功率密度