大功率发光芯片封装结构

大功率发光芯片封装结构1前言随着半导体发光技术的进步以及人们对绿色照明技术的需求，新兴的固体照（solid-statelighting，SSL）光源，特别是高亮度发光二极管（high-brightnesslightemittingdiodes，HB-LED）引起了人们密切的关注和深入的研究：它具有发光效率高、使用寿命长、耐震动冲击以及对环境友好等一系列优点，而且不同光色的固体光源组成的照明系统可通过矩阵、网络等实现照明亮度和光色的细微控制，得到丰富多彩的照明效果。固体照明光源被认为是人类照明史上继白炽灯、荧光灯和高压放电灯之后的第四代人工光源。在LED产业链中，衬底晶片及衬底生产处于上游，LED芯片设计及制造处于中游，而下游属于LED封装与测试。对于用作通用照明的大功率LED，目前研发目标之一是将单个LED的发光量提高到1000流明的水平，这除了需要增加芯片的面积并提高输入功率外，还需要改善芯片封装方法并提高固定设备的集成度，从而使LED芯片结点与周围环境间的热阻降到10K/W以下的水平。因此研发低热阻、优异光学特性、可靠性高而低成本的封装是高亮度LED进入通用照明市场的关键技术之一，从某种意义上讲，LED的封装是连接产业与市场的纽带，只有封装良好的产品才能赢得市场，为顾客接受，让人类早日跨入半导体照明时代。2LED封装的特点LED是由数层很薄的搀杂半导体材料在衬底（蓝宝石或SiC等）上通过MOCVD法外延生长而成，其中一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴”，当有电流通过时，电子和空穴复合并以辐射光子的形式释放出能量，从而直接将电能转化为可见光、紫外光或红外光，图1是其发光原理示意图。LED作为半导体器件，其封装技术基本上是在分立半导体器件的封装技术基础上发展演化而来的，但是作为半导体发光器件，LED的封装又有自己的特点：LED封装不但要完成电信号的输入输出，保护芯片在正常的电流下工作，还得维持工作状态下芯片的温度不超过允许的范围，这对于功率型LED的封装来说显得尤为重要，因为当芯片的结点温度升高到一定的水平后，会发生明显的颜色漂移和发光效率下降等现象；LED封装结构和材料要有利于提高出光效率，减少对芯片出射光的阻挡和吸收；另外还得尽量采用现有的标准封装材料，从而降低生产成本，毕竟价格是LED光源进入通用照明市场的关键之一。图1.半导体发光示意图随着发光半导体芯片设计与制造等技术的进步，下游的封装技术和产业也获得了很大的发展。目前市场上已有不同引脚数目、不同封装外形以及单芯片和多芯片组合等多种封装形式，并且很多已经形成了系列。按照芯片的电极触点在封装时与基板的位置，LED的封装可主要分为芯片正装式封装和倒装式封装。3芯片正装式封装LED芯片正装式封装是将芯片的电极触点朝上，通过引线键合方式实现器件的电气互连，光线由芯片的正面出射，芯片底部通过导热树脂粘结在小尺寸的反光碗中或载片台上，最后用环氧树脂塑封而成。由于小型LED芯片散失的热量不大，引脚数较少，而引线键合工艺很成熟且成本低廉，因此到目前为止，小功率LED主要以引线键合的正装式封装为主。图2为目前市场上可大批量提供的GaN基正装LED芯片结构示意图，衬底为蓝宝石。这种正装LED的出光效率受到下面两个因素的制约：首先，由于P型GaN层导电率较低，需要在其表面覆盖一层半透明的NiAu材料作为电流扩展层，由于NiAu是部分吸光材料，厚了会增加对光的吸收，太薄又不利于电流在扩展层上的均匀性和大电流在P型GaN表面扩展的可靠性，不得不综合考虑；其次，芯片产生的热量大部分需通过导热性差的蓝宝石衬底再传递到热沉上，这不利于热量的迅速散失，从而限制了芯片发光效率和输入功率的提高。基于这两个影响因素和芯片面积的不断增大以及输入功率的不断提高，功率型LED倒装式封装逐渐发展起来。图2正装LED芯片结构示意图4倒装芯片(FlipChip)式封装LED倒装式封装是将LED芯片的电极触点朝下，直接贴装到硅载体或PCB基板上，中间通过焊料/导电胶互连，然后粘贴到热沉上，外面采用棱镜塑封而成，芯片产生的光束通过透明的蓝宝石衬底出射。此封装结构中采用的倒装型LED芯片是在外延半导体上形成高反射率的金属层，比如Ag和Al，它既充当半导体的电接触层，又充当光反射层。对470~520nm波长的光，0.12微米厚的Ag和Al的反射率可分别达到96%和84%，图3是倒装LED芯片的结构示意图。图3倒装封装的LED芯片倒装型LED由于采用的是厚而不透明的金属接触层作为电流扩展层，因而与正装型LED相比，它能够在大的工作电流下工作并保持很高的可靠性，同时，封装到底板上后，由于芯片的激发区更靠近热沉，元件产生的热量能很快从导电金属层通过焊料传递到热沉而散失掉，有利于保持较高的发光效率。因此，目前大多数功率型LED(输入功率≥1W)均采用倒装型封装结构，这也是未来通用半导体照明的希望。美国Lumileds公司的LUXEON系列LED是倒装型大功率LED封装的代表，如图4所示。该封装结构采用的是热电分离的形式：芯片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，通过键合引线实现电互连；硅载体与热沉之间采用很薄的一层导热树脂连接形成导热通道，其封装热阻只有4～10K/W，不到常规5mmLED的十分之一；设计良好的反射杯和光学透镜使辐射图案可控和光学效率最高；为了提高金丝互连可靠性，器件内部填充有性能稳定的硅橡胶，能有效的吸收热冲击条件下(-40~120C)产生的应力，最后将封装好的芯片通过焊料焊接到导热性能优良的金属基PCB板上。LUXEON系列LED由于采用了上述新型封装结构和材料，使其从热、光和电的角度都达到了较佳的水平，这也是目前市场上大功率LED单芯片封装的主流形式。图4LUXEON系列LED封装结构示意图除了LUXEON这种单芯片封装方法外，2003年，LaminaCeramics公司推出了自己的专利封装技术—多层低温陶瓷金属基烧结(LTCC-M)技术，生产出集成度很高的LED阵列，如图5所示。通过倒装封装工艺，该多芯片组装器件的发光亮度在840cd/in2以上，流明效率超过40lm/W，而使用寿命长达10年，并且能在高达250C的环境下正常工作。美国UOE公司研制的NORLUX系列大功率LED也为多芯片组合封装结构，见图6。NORLUX采用六角形铝基金属线路板作为热沉，直径为1.25英寸，发光区位于其中央部位，可根据所需输出光功率的大小在金属线路板上排列多达40个超高亮度倒装型LED芯片，包括AlGaInN和AlGaInP，它们的发射光可为单色、彩色（RGB）、白色（RGB三基色合成或蓝色黄色二元色合成)。这些多芯片组合封装的功率型LED设计独到，不仅散热性能良好，而且可在大电流下工作，具有很高的光输出量，是一种很有发展前途的LED固体光源。图5LaminaCeramics公司的LTCC-M封装示意图图6NORLUX系列大功率LED