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LED芯片/封装/照明技术发展现状及关键待破问题分析

2016-01-05 03:43
龙凰
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  当有人说LED封装初中生都会做,日亚化学笑了。说这种话的那些人和那些媒体记者普遍是大学学历,然而给他们原材料和仪器设备独立做一个LED封装产品,他们肯定做不出来。内行看门道,外行看热闹。这个世界上总有一种人,看到“一二三”就会说写字不过如此简单。

  LED封装全球领导者日亚化学十几年来孜孜不倦对LED封装技术进行研究,把别人没有的做到创造,把别人已有的做到创新,把大家熟知的做到极致。

  针对市场需求,日亚化学在2015年3月研发出覆晶(Flip-Chip)LED新技术——“直接安装晶片”(DirectMountableChip),尺寸是1010规格,就是1mmx1mm,已经在2015年10月开始量产,未来将陆续导入照明及液晶应用,预估2016年量产规模将达2015年的3倍。日亚化学特别提到,DMC(Flipchip)的产品,目前的成本还是相对较高,但未来在新的设备投资下,预期成本可以进一步降低。

  以下对功率型GaN基LED光电器件覆晶倒装焊产业技术进行研究,介绍LED光电的发展历程、产品应用、研究方法、技术路线以及解决的关键问题。

  国内外技术发展及现状

  GaN基发光二极管(LED)作为新一代的环保型固态光源,已经成为产业界的关注焦点。1992年,有“蓝光之父”之称的中村修二成功地制备出了Mg掺杂的p型GaN,随后在1993及1995年采用InGaN/GaN异质结结构成功制备了高亮度的蓝光LED,并因此而斩获了2014年度的诺贝尔物理学奖。

  目前,大功率、高亮度的白光LED已经成为了照明领域的发展热点。白光LED发光效率虽然已经达到了170lm/W,但离其理论值250lm/W尚有一定的差距,因此进一步提高其发光效率成为功率型白光LED的一个关键技术问题。一般来说,提高LED的发光效率有两种途径,分别是提高其内量子效率及光提取效率。另一方面,如何提高散热能力成为了功率型LED器件发展的另一个关键。

  随着LED功率的增大,特别是固态照明技术发展的需求,对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。由此可见,研究高取光效率、低热阻、高可靠性的封装技术是大功率LED走向实用及产业化的必经之路。

  覆晶(Flip-Chip)技术,也称为倒晶封装法,是一种在IC封装技术领域成熟的芯片封装工艺。因为能满足上述高性能封装的要求,基于覆晶技术的功率LED封装被认为是封装功率型高亮度LED的关键技术及发展趋势。

  在过去传统的水平及垂直式晶片结构中,正面电极的吸收及GaN-Air界面全反射临界角等因素会很大程度上影响光提取效率;另一方面,传统封装结构中,LED芯片的热量需经由衬底蓝宝石(其热导率仅为38W/m.K)传导至导热基板,导热路径较长,从而芯片的热阻较大。而采用覆晶技术形成的倒装结构,将蓝宝石衬底芯片进行倒置,芯片直接焊接在导热基板上,电极在底部与基板相互连接,也就避免了传统封装中芯片高低差带来的打线困难的问题。此时出射光从芯片顶部透明的蓝宝石衬底出射。

  该种倒装结构一方面在避免了金属电极对出射光遮挡的同时,还增大了出光界面处的全反射临界角,因此可以有效地提高光提取效率;另一方面,金属电极微凸点与导热系数高的硅、金属或陶瓷等基板直接接触,使得电流流通的距离缩短,电阻减低,热产生量降低,同时这样的结合使得热阻较低,可以很好地提高散热能力。此外,由于没有正面出光处金线的影响,白光LED产品的荧光粉涂覆工艺相对容易实施,尤其是荧光粉喷涂等工艺,其产品的光色一致性都将得到很大的提高。与传统封装相比,倒装结构还具有更简单的封装过程、更低的封装成本、更高的封装良品率等优势。

  覆晶结构由基板、UBM、焊球及芯片组成。将芯片与基板相连接的方式常采用共晶焊技术(Eutectic welding)。共晶焊又称低熔点合金焊接,具有热导率高、连接电阻小、散热均匀、焊接强度高、工艺一致性好等诸多优点,所以特别适用于大功率、有较高散热要求的功率器件的焊接。它的基本特点是:两种不同的金属可以在远低于各自熔点的温度下按照一定的比例形成合金。常见倒装LED的共晶金属层一般为Au/Sn合金(Au80Sn20),Au80Sn20的共晶温度为282℃。

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