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尊龙d88.com照明级LED的封装计划

来源:http://www.xyhngf.com 责任编辑:www.d88.com 更新日期:2018-10-09 21:17

  照明级LED的封装计划

   从实践运用的视点来看,设备运用简略、体积相对较小的大功率LED器材在大部分的照明运用中必将替代传统的小功率LED器材。由小功率LED组成的照明灯具为了满意照明的需求,有必要会集许多个LED的光能才干到达规划要求,但带来的缺陷是线路反常杂乱、散热不畅,为了平衡各个LED之间的电流、电压联系,有必要规划杂乱的供电电路。比较之下,大功率单体LED的功率远大于若干个小功率LED的功率总和,供电线路相对简略,散热结构完善,物理特性安稳。所以说,大功率LED器材的封装办法和封装资料并不能简略地套用传统的小功率LED器材的封装办法与封装资料。大的耗散功率、大的发热量以及高的出光功率,给LED封装工艺、封装设备和封装资料提出了新的更高的要求。

  1、 大功率LED芯片

  要想得到大功率LED器材,就有必要制备适合的大功率LED芯片。国际上一般的制造大功率LED芯片的办法有如下几种:

  ① 加大尺度法。经过增大单体LED的有用发光面积和尺度,促进流经TCL层的电流均匀分布,以到达预期的光通量。可是,简略地增大发光面积无法处理散热问题和出光问题,并不能到达预期的光通量和实践运用作用。

  ② 硅底板倒装法。首要制备出适合共晶焊接的大尺度LED芯片,一起制备出相应尺度的硅底板,并在硅底板上制造出供共晶焊接用的金导电层及引出导电层(超声金丝球焊点),再运用共晶焊接设备将大尺度LED芯片与硅底板焊接在一起。这样的结构较为合理,既考虑了出光问题又考虑到了散热问题,这是现在干流的大功率LED的出产办法。

   美国Lumileds公司于2001年研宣布了AlGaInN功率型倒装芯片(FCLED)结构,其制造流程是:首要在外延片顶部的P型GaN上淀积厚度大于500A的NiAu层,用于欧姆触摸和背反射;再选用掩模挑选刻蚀掉P型层和多量子阱有源层,显露N型层;经淀积、刻蚀构成N型欧姆触摸层,芯片尺度为1mm×1mm,P型欧姆触摸为正方形,N型欧姆触摸以梳状刺进其间,这样可缩短电流扩展间隔,把扩展电阻降至最小;然后将金属化凸点的AlGaInN 芯片倒装焊接在具有防静电维护二极管(ESD)的硅载体上。

  ③ 陶瓷底板倒装法。先运用LED晶片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LED芯片和相应的陶瓷底板,并在陶瓷底板上制造出共晶焊接导电层及引出导电层,然后运用共晶焊接设备将大尺度LED芯片与陶瓷底板焊接在一起。这样的结构既考虑了出光问题也考虑到了散热问题,并且选用的陶瓷底板为高导热陶瓷板,散热作用十分抱负,价格又相对较低,所认为现在较为适合的底板资料,并可为将来的集成电路一体化封装预留空间。

  ④ 蓝宝石衬底过渡法。依照传统的InGaN芯片制造办法在蓝宝石衬底上成长出PN结后,将蓝宝石衬底切除,再衔接上传统的四元资料,制造出上下电极结构的大尺度蓝光LED芯片。

  ⑤ AlGaInN碳化硅(SiC)反面出光法。美国Cree公司是全球仅有选用SiC衬底制造AlGaInN超高亮度LED的厂家,几年来其出产的AlGaInN/SiCa芯片结构不断改善,亮度不断前进。因为P型和N型电极别离坐落芯片的底部和顶部,选用单引线键合,兼容性较好,运用方便,因而成为AlGaInN LED开展的另一干流产品。

  2、 功率型封装

   功率LED最早始于HP公司于20世纪90年代初推出食人鱼封装结构的LED,该公司于1994年推出的改善型的Snap LED有两种作业电流,别离为70mA和150mA,输入功率可达0.3W。功率LED的输入功率比原支架式封装的LED的输入功率前进了几倍,热阻降为本来的几分之一。瓦级功率LED是未来照明器材的中心部分,所以国际各大公司都投入了很大力气对瓦级功率LED的封装技能进行研讨开发。

   LED芯片及封装向大功率方向开展,在大电流下发生比φ5mm LED大10~20倍的光通量,有必要选用有用的散热与不劣化的封装资料处理光衰问题,因而,管壳及封装是其要害技能,现在能接受数瓦功率的LED封装已呈现。5W系列白色、绿色、蓝绿色、蓝色的功率型LED从2003年年初开端推向商场,白光LED的光输出达187lm,光效为44.3lm/W。现在正开宣布可接受10W功率的LED,选用大面积管芯,尺度为2.5mm×2.5mm,可在5A电流下作业,光输出达200lm。

   Luxeon系列功率LED是将AlGaInN功率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上,然后把完结倒装焊接的硅载体装入热衬与管壳中,键合引线进行封装。这种封装的取光功率、散热功能以及加大作业电流密度的规划都是最佳的。

   在运用中,可将已封装产品拼装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上,构成功率密度型LED,PCB板作为器材电极衔接的布线运用,铝芯夹层则可作为热衬运用,以获得较高的光通量和光电变换功率。此外,封装好的SMD-LED体积很小,可灵敏地组合起来,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。

   超高亮度LED作为信号灯和其他辅佐照明光源运用时,一般是将多个Φ5mm封装的各种单色和白光LED拼装在一个灯盘或规范灯座上,运用寿数可到达10万小时。2000年已有研讨指出,Φ5mm白光LED作业6000h后,其光强已降至本来的一半。事实上,选用Φ5mm白光LED阵列的发光设备,其寿数可能只需5000h。不同色彩的LED的光衰减速度不同,其间赤色最慢,蓝、绿色居中,白色最快。因为Φ5mm封装的LED本来仅用于指示灯,其封装热阻高达300℃/W,不能充分地散热,致使LED芯片的温度升高,构成器材光衰减加速。此外,环氧树脂变黄也将使光输出下降。大功率LED在大电流下发生比 Φ5mm白光LED大10~20倍的光通量,因而有必要经过有用的散热规划和选用不劣化的封装资料来处理光衰问题,管壳及封装已成为研制大功率LED的要害技能之一。全新的LED功率型封装规划理念首要归为两类,一类为单芯片功率型封装,另一类为多芯片功率型封装。

  (1) 功率型LED的单芯片封装

   1998年美国Lumileds公司研宣布了Luxeon系列大功率LED单芯片封装结构,这种功率型单芯片LED封装结构与惯例的Φ5mm LED封装结构全然不同,它是将正面出光的LED芯片直接焊接在热衬上,或将反面出光的LED芯片先倒装在具有焊料凸点的硅载体上,然后再将其焊接在热衬上,使大面积芯片在大电流下作业的热特性得到改善。这种封装关于取光功率、散热功能和电流密度的规划都是最佳的,其首要特色有:

  ① 热阻低。传统环氧封装具有很高的高热阻,而这种新式封装结构的热阻一般仅为14℃/W,可减小至惯例LED的1/20。

  ② 可靠性高。内部填充安稳的柔性胶凝体,在40~120℃时,不会因温度突变发生的内应力使金丝和结构引线断开。用这种硅橡胶作为光耦合的密封资料,不会呈现一般光学环氧树脂那样的变黄现象,金属引线结构也不会因氧化而脏污。

  ③ 反射杯和透镜的最佳规划使辐射可控,光学功率最高。在运用中可将它们拼装在一个带有铝夹层的电路板(铝芯PCB板)上,电路板作为器材电极衔接的布线用,铝芯夹层则可作为功率型LED的热衬。这样不只可获得较高的光通量,并且还具有较高的光电变换功率。

   单芯片瓦级功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的Luxeon LED,该封装结构的特色是选用热电别离的办法,将倒装片用硅载体直接焊接在热衬上,并选用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新资料,现可提供单芯片1W、3W和5W的大功率LED产品。OSRAM公司于2003年推出单芯片的Golden Dragon系列LED,其结构特色是热衬与金属线路板直触摸摸,具有很好的散热功能,而输入功率可达1W。

  (2) 功率型LED的多芯片组合封装

   六角形铝衬底的直径为3.175cm(1.25英寸),发光区坐落其间央部位,直径约为0.9525cm(0.375英寸),可包容40个LED芯片。用铝板作为热衬,并使芯片的键合引线经过在衬底上做成的两个触摸点与正极和负极衔接。依据所需输出光功率的巨细来断定衬底上排列管芯的数目,组合封装的超高亮度芯片包含AlGaInN和AlGaInP,它们的发射光可为单色、五颜六色(RGB)、白色(由RGB三基色组成或由蓝色和黄色二元组成)。终究选用高折射率的资料依照光学规划形状进行封装,不只取光功率高,并且还能够使芯片和键合的引线得到维护。由40个 AlGaInP(AS)芯片组合封装的LED的流明功率为20lm/W。选用RGB三基色组成白光的组合封装模块,当混色比为 0:43(R)0:48(G):0.009(B)时,光通量的典型值为100lm,CCT规范色温为4420K,色坐标x为0.3612,y为 0.3529。由此可见,这种选用惯例芯片进行高密度组合封装的功率型LED能够到达较高的亮度水平,具有热阻低、可在大电流下作业和光输出功率高级特色。

   多芯片组合封装的大功率LED,其结构和封装办法较多。美国UOE公司于2001年推出多芯片组合封装的Norlux系列LED,其结构是选用六角形铝板作为衬底。Lanina Ceramics公司于2003年推出了选用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷(LTCC-M)技能封装的大功率LED阵列。松下公司于2003年推出由 64只芯片组合封装的大功率白光LED。日亚公司于2003年推出超高亮度白光LED,其光通量可达600lm,输出光束为1000lm时,耗电量为 30W,最大输入功率为50W,白光LED模块的发光功率达33lm/W。我国台湾UEC(国联)公司选用金属键合(Metal Bonding)技能封装的MB系列大功率LED的特色是,用Si替代GaAs衬底,散热作用好,并以金属粘结层作为光反射层,前进了光输出。

   功率型LED的热特性直接影响到LED的作业温度、发光功率、发光波长、运用寿数等,因而,功率型LED芯片的封装规划、制造技能显得尤为重要。大功率LED封装中首要需考虑的问题有:

  ① 散热。散热关于功率型LED器材来说是至关重要的。假如不能将电流发生的热量及时地散出,坚持PN结的结温在答应范围内,将无法获得安稳的光输出和保持正常的器材寿数。

   在常用的散热资料中银的导热率最高,可是银的本钱较高,不适合作通用型散热器。铜的导热率比较挨近银,且其本钱较银低。铝的导热率尽管低于铜,但其综组本钱最低,有利于大规模制造。

   经过试验比照发现较为适合的做法是:衔接芯片部分选用铜基或银基热衬,再将该热衬衔接在铝基散热器上,选用阶梯型导热结构,运用铜或银的高导热率将芯片发生的热量高效地传递给铝基散热器,再经过铝基散热器将热量散出(经过风冷或热传导办法散出)。这种做法的长处是:充分考虑散热器的性价比,将不同特色的散热器结合在一起,做到高效散热并使本钱操控合理化。

   应留意的是:衔接铜基热衬与芯片的资料的挑选是十分重要的,LED职业常用的芯片衔接资料为银胶。可是,经过研讨发现,银胶的热阻为10~25W/(m·K),假如选用银胶作为衔接资料,就等于人为地在芯片与热衬之间加上一道热阻。别的,银胶固化后的内部底子结构为环氧树脂骨架+银粉填充式导热导电结构,这种结构的热阻极高且TG点较低,对器材的散热与物理特性的安稳极为晦气。处理此问题的做法是:以锡片焊作为晶粒与热衬之间的衔接资料[锡的导热系数为 67W/(m·K)],能够获得较为抱负的导热作用(热阻约为16℃/W)。锡的导热作用与物理特性远优于银胶。

  ② 出光。传统的LED器材封装办法只能运用芯片宣布的约50%的光能,因为半导体与关闭环氧树脂的折射率相差较大,致使内部的全反射临界角很小,有源层发生的光只需小部分被取出,大部分光在芯片内部经屡次反射而被吸收,这是超高亮度LED芯片取光功率很低的底子原因。如何将内部不同资料间折射、反射耗费的50%光能加以运用,是规划出光系数的要害。

   经过芯片的倒装技能(Flip Chip)能够比传统的LED芯片封装技能得到更多的有用出光。可是,假如说不在芯片的发光层与电极下方添加反射层来反射出糟蹋的光能,则会构成约8%的光丢失,所以在底板资料上有必要添加反射层。芯片旁边面的光也有必要运用热衬的镜面加工法加以反射出,添加器材的出光率。并且在倒装芯片的蓝宝石衬底部分与环氧树脂导光结合面上应加上一层硅胶资料,以改善芯片出光的折射率。

   经过上述光学封装技能的改善,能够大幅度前进大功率LED器材的出光率(光通量)。大功率LED器材顶部透镜的光学规划也是十分重要的,一般的做法是:在进行光学透镜规划时应充分考虑终究照明用具的光学规划要求,尽量合作运用照明用具的光学要求进行规划。

   常用的透镜形状有:凸透镜、凹锥透镜、球镜、菲涅尔透镜以及组合式透镜等。透镜与大功率LED器材的抱负安装办法是采纳气密性封装,假如受透镜形状所限,也可采纳半气密性封装。透镜资料应挑选高透光率的玻璃或亚克力等组成资料,也能够选用传统的环氧树脂模组式封装,加上二次散热规划也底子能够到达前进出光率的作用。

  3、 功率型LED的开展

   功率型LED的研制起始于20世纪60年代中期的GaAs红外光源,因为其可靠性高、体积小、重量轻,可在低电压下作业,因而被首要用于军用夜视仪,以替代原有的白炽灯,20世纪80年代InGaAsP/InP双异质结红外光源被用于一些专用的测验仪器,以替代原有的体积大、寿数短的氙灯。这种红外光源的直流作业电流可达1A,脉冲作业电流可达24A。红外光源虽属前期的功率型LED,但它一向开展至今,产品不断更新换代,运用愈加广泛,并成为当今可光功率型LED开展可继承的技能根底。

   1991年,红、橙、黄色AlGaInP功率型LED的实用化,使LED的运用从室内走向室外,成功地用于各种交通信号灯,轿车的尾灯、方向灯以及野外信息显现屏。蓝、绿色AlGaInN超高亮度LED的相继研制成功,完成了LED的超高亮度全色化,但是用于照明则是超高亮度LED拓宽的又一全新范畴,用LED固体灯替代白炽灯和荧光灯等传统玻壳照明光源已成为LED开展方针。因而,功率型LED的研制和工业化将成为往后开展的另一重要方向,其技能要害是不断前进发光功率和每一器材(组件)的光通量。功率型LED所用的外延资料选用MOCVD的外延成长技能和多量子阱结构,尽管其内量子功率还需进一步前进,但获得高光通量的最大妨碍仍是芯片的取光功率很低。现在因为沿用了传统的指示灯型LED封装结构,作业电流一般被限定为20mA。依照这种惯例理念规划和制造的功率型LED底子无法到达高功率和高光通量的要求。为了前进可见光功率型LED的发光功率和光通量,有必要选用新的规划理念,一方面经过规划新式芯片结构来前进取光功率,另一方面经过增大芯片面积、加大作业电流、选用低热阻的封装结构来前进器材的光电变换功率。因而,规划和制造新式芯片和封装结构,不断前进器材的取光功率和光电变换功率,一向是功率型LED开展中至关重要的课题。

   功率型LED大大扩展了LED在各种信号显现和照明光源范畴中的运用,首要有轿车表里灯和各种交通信号灯,包含城市交通、铁路、公路、机场、海港灯塔、安全警示灯等。功率型白光LED作为专用照明光源已开端用于轿车和飞机内的阅览灯,在便携式照明光源(如钥匙灯、手电筒)、背光源及矿工灯等运用方面也得到越来越多的运用。白光除了由三基色组成外,还可经过将一种特制的磷光体涂敷在GaN蓝色或紫外波长的功率型LED芯片上而构成。功率型LED在建筑物装修光源、舞台灯光、商场橱窗照明、广告灯箱照明、院子草坪照明、城市夜景等方面与其同类产品比较显现出了它独有的特色。运用功率型RGB三基色LED,可制成结构紧凑、发光功率比传统白炽灯光源高的数字式调色调光光源,合作计算机操控技能,可得到极端五光十色的发光作用。功率型LED所具有的低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿数长、可靠性高级长处,使其在军事上还可作为野战、潜水、航天、航空所需的特种固体光源。

   功率型LED结构的前进,取光和热衬的优化规划使其发光功率和光通量不断前进,由多个5mm LED拼装的灯盘和灯头将被由功率型LED拼装的灯芯所替代。从1970年至2000年的最近30年以来,光通量每18~24个月要添加2倍。自1998 年Norlux系列功率型LED面世后,光通量的添加趋势则更快。

   跟着功率型LED功能的改善,尊龙d88.com,LED照明光源引起了照明范畴的更大的重视。一般照明商场的需求是巨大的,功率型LED白光技能将更能习惯一般照明的运用。只需LED工业能继续这一开发方向,则LED固体照明在未来5~10年将会获得严重的商场打破

  

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