多芯片陣列組合白光LED封裝研究

黃春英，王曉軍

（ 廣東技術(shù)師范學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣州 510635 ）

1 引言

半導(dǎo)體照明高功率白光LED器件采用InGaN（藍(lán)）/YAG熒光粉將芯片倒裝結(jié)構(gòu)，提高發(fā)光效率和散熱效果。熒光粉涂覆技術(shù)的改進(jìn)，可將色均勻性提高10倍。實(shí)驗(yàn)證明，電流和溫度的增加使LED光譜有些藍(lán)移和紅移，但對(duì)熒光光譜影響并不大。壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較好，Φ5的白光LED 在工作1.2萬(wàn)小時(shí)后，光輸出下降80%，而這種Luxeon的功率LED最高效率達(dá)到44.3lm.w-1，最高光通量為187lm，產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品120lm，Ra為75～80。目前國(guó)內(nèi)外制作方法是先將LED芯片放置在導(dǎo)線(xiàn)結(jié)構(gòu)中用金（Au）線(xiàn)焊接，然后在芯片周?chē)糠骙AG熒光粉，然后用環(huán)氧樹(shù)脂封接，樹(shù)脂既起到保護(hù)芯片作用又起到聚光棱鏡作用。從LED芯片發(fā)射出的光射到周?chē)臒晒夥蹖觾?nèi)經(jīng)多次散亂的反射、吸收，最后向外部發(fā)射出光，LED的光譜線(xiàn)的峰值在465nm處，半值寬為30nm，是非常尖銳的藍(lán)色光譜，由藍(lán)色光激發(fā)黃色光的YAG熒光粉層（峰值為555nm），最終到達(dá)外部的光為藍(lán)黃二色光，根據(jù)補(bǔ)色關(guān)系，兩色相加混色后即得到可見(jiàn)的白色大功率照明級(jí)LED器件。

2 單芯片白光LED結(jié)構(gòu)

目前HB-LED白光LED器件芯片可由不同材料制作而成，從熱導(dǎo)率比較差的藍(lán)寶石到高熱導(dǎo)率的SiC材料，其各自芯片上的歐姆接觸電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不同，針對(duì)這種情況，我們提出相應(yīng)的封裝方案。主要采用了熱電分離的倒裝焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在LED封裝中引入了熱沉、光學(xué)透鏡、柔性透明硅膠等新型材料和結(jié)構(gòu)，這樣可以大大提高器件的散熱特性和出光效率，保證了器件工作時(shí)的可靠性。LED 半導(dǎo)體照明進(jìn)入照明領(lǐng)域的一個(gè)前提是利用 HB-LED 技術(shù)實(shí)現(xiàn)白光。我們主要利用 GaN 基藍(lán)光HB-LED 作為激發(fā)光源，利用黃色熒光粉作為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的材料，通過(guò)藍(lán)光 HB-LED 的一部分藍(lán)光激發(fā)熒光粉使熒光粉發(fā)出黃光，另外一部分藍(lán)光透過(guò)熒光粉發(fā)射出來(lái)，藍(lán)光和黃光混合成為白光。

3 多芯片陣列組合的制作

根據(jù)聚光的效果要求，將反光杯加工成錐形或者拋物線(xiàn)形，反光杯的作用為最大效率地收集從芯片周?chē)l(fā)出的射出光子，反光杯表面的光潔度對(duì)反射率有很大的關(guān)系。用焊料把已經(jīng)完成倒裝焊LED芯片焊接在一個(gè)管殼的反光杯內(nèi)部，由于硅片與焊料的潤(rùn)濕性比較差，這樣焊接的硅片容易脫落。因此要把倒裝焊LED用焊料焊在管殼上，需要在硅片的背面上鍍上一層金屬層，以提高其潤(rùn)濕性。當(dāng)無(wú)法用焊料把硅片焊接在管殼上時(shí)，可以利用銀膠粘片的方法，一般這種導(dǎo)電銀膠大約需要在烘箱150℃的條件下加熱60min～90min，使之固化。但是這種銀膠的導(dǎo)熱性能、熱穩(wěn)定性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上焊料，因此用焊料可以大大減少整個(gè)器件的封裝熱阻。

（1）金線(xiàn)鍵合（wire bond），利用金絲球焊的方法將芯片頂部焊盤(pán)與外電極鍵合，硅襯底上的焊點(diǎn)與另外一個(gè)電極連接，為了讓金線(xiàn)與電極很好地鍵合，需要在電極上鍍上金層，這種金絲球焊接的方式在半導(dǎo)體工藝的連接方式中被廣泛應(yīng)用。

（2）配粉以及涂粉工藝。按照硅脂與熒光粉一定重量比配備成混合物，攪拌均勻。然后將黃色熒光粉涂敷在芯片表面，在涂粉的過(guò)程中，涂粉的量一定要適當(dāng)，如果涂敷的量過(guò)少，HB-LED發(fā)出的光會(huì)偏藍(lán)；如果涂敷的量過(guò)多，HB-LED發(fā)出的光會(huì)偏黃。因此，涂粉的工藝對(duì)于白光LED器件發(fā)出光的顏色有很大的影響，涂粉的厚度仍需要不斷實(shí)踐研究，得到一個(gè)優(yōu)化結(jié)果。

（3）往反光杯中填充熱穩(wěn)定性能好、絕緣以及光學(xué)透明的柔性硅膠，并在最上面加上一個(gè)光學(xué)透鏡，通過(guò)熱固化以后完成整個(gè)器件封裝。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，將封裝好的LED器件表面貼焊在金屬散熱線(xiàn)路板上，必要時(shí)，在線(xiàn)路板的底部增加一個(gè)外部制冷器。

4 多芯片陣列

由于單個(gè) HB-LED 的光通量（lm）有限，1W的HB-LED大約在20lm～40lm之間，作為照明光源這個(gè)亮度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須配置多個(gè)LED芯片組成陣列。因此開(kāi)發(fā)LED照明用光源，則必須對(duì)包括多個(gè)LED集成器件光分布在內(nèi)的裝置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，我們只考慮芯片出射后光強(qiáng)的分布情況，而忽略芯片、封裝材料以及空氣三者之間界面的反射、折射以及全反射等光學(xué)現(xiàn)象。假設(shè)LED光源為受限朗伯光源且為點(diǎn)光源，可表示為：

考慮只有兩個(gè)LED組成的簡(jiǎn)單陣列情況，芯片之間的距離為d，那么兩個(gè)LED組成的陣列的光照度公式為：

其中I= LLED·ALED，為L(zhǎng)ED的發(fā)光強(qiáng)度，LLED為L(zhǎng)ED芯片的亮度，單位W（m2sr）-1，ALED為芯片的面積。

陣列模塊LED的設(shè)計(jì)理念就是把多個(gè)LED芯片集成在一個(gè)小模塊里，從而得到 40lm·W-1的大功率芯片，那么通過(guò)電路驅(qū)動(dòng)，就可以得到一個(gè)輸入功率為9W，光通量為360lm的發(fā)光模塊。一般當(dāng)LED模組的光通量達(dá)到1000lm以上，就可以作為普通照明光源。但是這種多芯片封裝在提高了總光通量的同時(shí)也帶來(lái)了一個(gè)散熱問(wèn)題，假設(shè)1W芯片，尺寸為 1mm2，那么其熱流密度可達(dá)到100W·cm-2左右，如果將芯片的驅(qū)動(dòng)電流增加到1A，輸入功率將近3W，相當(dāng)于熱流密度增加到300W·cm-2。

在有限的面積內(nèi)模組中芯片數(shù)量增多，功率密度也增大，再加上芯片與芯片之間由于間隔很小，其熱影響除了來(lái)自本身芯片的發(fā)熱外，其他芯片所產(chǎn)生的熱量也會(huì)相互影響。這樣給散熱處理提出了很大的挑戰(zhàn)。如果不能采用很好的散熱方式，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致熱量的急劇積累，熱量不僅影響LED的電子性能，也影響LED的亮度及顏色，隨著芯片溫度升高，光譜發(fā)生紅移，發(fā)光效率下降，當(dāng)芯片溫度達(dá)到120℃以上，芯片會(huì)失效不發(fā)光，從而使得整個(gè)LED模塊失效。為了保證LED模塊的可靠性，一般要求LED結(jié)溫在80℃以下工作。

4.2 LED 陣列模組的設(shè)計(jì)

模組的設(shè)計(jì)主要步驟有：

（1）設(shè)計(jì)覆銅板上電氣連接以及芯片放置的位置和距離，選擇高散熱性能的覆銅板，選擇材料以及大小尺寸，優(yōu)化模組中芯片之間的最小間隔d；由于集成多個(gè)芯片，如果過(guò)于密集，模組工作時(shí)，各個(gè)芯片的熱場(chǎng)會(huì)相互重疊，那么影響芯片溫升的條件不僅與自身熱學(xué)性能有關(guān)，還跟周?chē)渌酒臒釄?chǎng)有關(guān)。

（2）采用 Chip-on-Board 技術(shù)把完成倒裝焊的芯片焊接在電路層上預(yù)留的焊盤(pán)上，然后將芯片上焊盤(pán)與電極用金線(xiàn)鍵合起來(lái)。

（3）將熒光粉配膠涂在芯片的表面上。

（4）將涂好熒光粉涂層的LED放入烘箱中烘烤1h～2h，溫度在 120℃～150℃范圍之內(nèi)，固化后把反光杯固定在線(xiàn)路板上，并填入絕緣、柔性、光學(xué)透明的硅樹(shù)脂。重新放入烘箱中烘烤，將硅樹(shù)脂熱固化。

（5）根據(jù)光圖樣分布要求安裝模組透鏡或者反射器，得到 LED 陣列模組。

5 多芯片F(xiàn)5HCASC封裝工藝

白光F5HCASC封裝工藝主要包括以下幾道工藝：固晶、鍵合、涂粉、灌膠。

固晶→白膠烘烤→配熒光粉→焊線(xiàn)→點(diǎn)熒光粉→熒光粉烘烤→封膠→沖筋→點(diǎn)白膠→二切→三切→電性測(cè)試→分光分色→包裝。

固晶：利用導(dǎo)電銀漿將芯片粘接在金屬管架上，利用導(dǎo)電銀漿將芯片粘接在金屬管架上。利用導(dǎo)電銀漿將芯片沾在發(fā)光二極管管架的反光碗中心，保證制備成的發(fā)光二極管光軸不會(huì)偏離設(shè)計(jì)光軸，將粘好芯片的發(fā)光二極管管架放置在烘箱中加溫，通常所說(shuō)的高溫導(dǎo)電銀漿大約需要在180℃條件下加熱60min，使導(dǎo)電銀漿固化，通常所說(shuō)的低溫導(dǎo)電銀漿大約需要在140℃條件下加熱60min，使導(dǎo)電銀漿固化。在粘接芯片時(shí)導(dǎo)電銀漿的量一定要很好地控制，如果涂敷導(dǎo)電銀漿的量過(guò)多，容易引起發(fā)光二極管的短路，如果涂敷導(dǎo)電銀漿的量過(guò)少，容易引起芯片下電極與管架之間的接觸不好，從而導(dǎo)致發(fā)光二極管的I-V特性的變化，使器件工作電壓升高。

鍵合：利用金絲球焊或超聲焊接的方法將電極與外引線(xiàn)腿連接起來(lái)。當(dāng)燒結(jié)工藝結(jié)束后，芯片被粘接在金屬管架上，利用金絲球焊或超聲焊接方法將芯片上電極和金屬管架的另外一條腿連接起來(lái)。

涂粉：將用于光轉(zhuǎn)換的熒光粉涂敷在芯片表面或發(fā)光二極管管架的反光碗中。在涂粉過(guò)程中，涂粉的量一定要適當(dāng)，如果涂敷的量過(guò)大，做出的發(fā)光二極管偏黃；如果涂敷的量過(guò)小，做出的發(fā)光二極管偏藍(lán)，具體的量應(yīng)根據(jù)熒光粉的光譜和配色要求而定。

灌膠：將涂好熒光粉的發(fā)光二極管封裝在環(huán)氧樹(shù)脂中。在發(fā)光二極管專(zhuān)用模具中注入適量的環(huán)氧樹(shù)脂，然后將帶有發(fā)光二極管芯片的管架倒過(guò)來(lái)插入裝有環(huán)氧樹(shù)脂的模具中，放入烘箱中烘烤，在120℃溫度下烘烤1h。

根據(jù)江西省吉安市木林森電子科技公司提供的封裝建議，堅(jiān)固的粘片過(guò)程是獲得，低電阻和好的機(jī)械和電性能完整性的關(guān)鍵。SiC襯底芯片，采用“助焊共晶”方法封裝。粘片的工藝過(guò)程如下：

（1）通過(guò)探針或者其他精確方法放置非常少量的免清洗助焊劑到硅片上，然后將芯片放到助焊劑上。

（2）通過(guò)直接加熱或者熱空氣回流AnSn金屬的方法加熱到305℃，持續(xù)5s～8s。

（3）用丙酮或者異丙酮在超聲容器中清洗15min以便除去助焊劑殘?jiān)?。在封裝芯片過(guò)程中，還必須考慮從芯片底部到具有導(dǎo)電性能的碳化硅襯底邊緣距離較近的問(wèn)題，只有5 μ m。

如果芯片邊緣有固晶剩余殘?jiān)ˋuSn）和SiC襯底連接，就會(huì)形成導(dǎo)電回路，因此固晶后要檢驗(yàn)是否形成電流旁路的問(wèn)題。簡(jiǎn)單的測(cè)量方法：在低電流供電情況下測(cè)試芯片的正向電壓，如果這種問(wèn)題存在，很容易測(cè)出。一個(gè)合格的芯片的正向電壓Vf＞1.9V（在1 μ A電流條件下），不合格的芯片Vf＜1.9V。

6 結(jié)語(yǔ)

HB-LED封裝中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：

（1）提高外量子效率，采用高折射率硅膠減少折射率物理屏障帶來(lái)的光子損失。輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的損失，主要有三方面：LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的吸收；光子在半導(dǎo)體與空氣的界面由于折射率差異引起的反射損失；光子在半導(dǎo)體與空氣界面由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。這樣就有很多光線(xiàn)因折射而無(wú)法從LED芯片中照射到外部，在芯片表面涂了一層折射率相對(duì)比較高且處于空氣和LED芯片之間的硅類(lèi)透明樹(shù)脂（硅樹(shù)脂），并且通過(guò)使透明樹(shù)脂表面帶有一定的角度，可以減少光子在半導(dǎo)體與硅膠界面上的損失，從而使得光線(xiàn)能夠高效照射出來(lái)，從而提高取光效率。

（2）封裝管殼的導(dǎo)熱性能，盡量減少芯片結(jié)溫到外部環(huán)境的接觸層，采用高熱導(dǎo)率的材料，減少由于封裝工藝的缺陷帶來(lái)的界面熱阻。

（3）封裝樹(shù)脂，高透過(guò)率，耐熱，高熱導(dǎo)率，耐UV和日光輻射及抗潮的封裝樹(shù)脂。

（4）涂敷熒光粉膠工藝，目前滴膠工藝相對(duì)落后、成品率低、一致性差、勞動(dòng)強(qiáng)度大。由于無(wú)法準(zhǔn)確地按固定的量將含有熒光材料的樹(shù)脂涂到LED芯片上，因此顏色總會(huì)有差異，往往無(wú)法產(chǎn)生無(wú)色差的純白色光。如果采用conformal coating技術(shù)或者在LED芯片上部設(shè)計(jì)一個(gè)薄熒光板的方式，通過(guò)采用不同于LED芯片的工藝制作熒光板，就能更容易地控制熒光材料用量、減少色差。

隨著發(fā)光二極管芯片發(fā)光效率的提高以及大功率高亮度LED（HB-LED）芯片的制備成功，使得白光HB-LED固態(tài)照明成為現(xiàn)實(shí)，特別是以后與太陽(yáng)能電池等節(jié)能電源的集成，將成為未來(lái)綠色的全固態(tài)節(jié)能照明光源。

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