大功率LED封装散热研究(供参考)

重庆邮电大学硕士论文 摘 要 I 摘 要 近年来 发光二极管 LED 以其节能 环保 全固态 长寿命等特点受 到广泛关注 尤其是大功率高亮度 LED 在固态照明应用领域里的技术突破 使 人们对其取代传统光源的希望与日俱增 从目前的发展来看 大功率 LED 要真 正实现产业化和普及化仍然受到诸多因素的制约 其中 封装过程中的散热不 良和可靠性不高是目前大功率 LED 应用中普遍存在的问题 本文设计了一种大功率高亮度 LED 的封装技术 该技术可改善大功率 LED 的散热性能 提高封装的可靠性 本文主要进行了以下工作 分析了 LED 芯片制备和封装工艺过程中影响 LED 可靠性的因素 针对 其中的金丝键合 芯片粘结以及静电放电过程 提出了可行的优化设计方案 分析了结温与 LED 光电参数之间的关系 采用热阻模型 通过对等效热 阻网络的计算 得出 LED 封装过程中采用低导热系数的材料 可使 LED 产生 的热量更有效的散发 提出了一种针对大功率高亮度 LED 的封装技术 选取蓝宝石基底背面出 光的 LED 芯片 采用倒装焊接工艺 制作九个金球键合凸点来增大金球和基板 的接触面积 在金球凸点和大功率 LED 电极之间采用铟作为焊料和热沉 以此 达到减小热阻和降低热膨胀失配率的目的 采用高透光硅胶混黄色荧光粉 分 别在正面和侧面都填充于聚光透镜内 提高出光效率 最后通过对采用该封装 技术的 1W 级功率型 LED 的实验测试 验证了该技术能有效的提高大功率 LED 封装的散热性能与可靠性 关键词 大功率 LED 封装 可靠性 结温 热阻 散热性能 重庆邮电大学硕士论文 摘 要 II Abstract Light emitting diode LED has caused more and more attention because of its superior characteristics such as energy saving environmental protection solid state and long time using When the high power and high brightness LED was used wildly in the filed of Solid State Lighting people believed that it can replace the traditional lighting source in the near future But now there are still many factors which restricting the development of LED one of the most important reasons which generally exist is the poor process of heat release and the low reliability of LED packaging In this paper we design a kind of technology about heat release package of high power LED Through our experimental analysis the performance of reliability and thermal management of high power LED is improved at the final testing The main contains were divided into three parts Through introducing the chip manufacturing and packaging process we analyzed the wire boning chip adhering and ESD process Then we give some better designing on each step Analyzed the relationship between junction temperature and optical electric parameter of LED After analyzed the thermal resistance model we concluded that using the material which has low thermal conductive can do well in heat release process of LED packaging Design a kind of packaging technology about high power and brightness LED Choosing sapphire based LED flip chip making nine convex metal points bonding which extend the area between metal ball and PCB using the In as solder and heat sink material to decrease the thermal resistance and matching ratio of thermal expansion Using silicon glue and yellow phosphor and filling the mixture on the positive and lateral side in optical lens to enhance the lighting efficiency At last we tested the final model The results demonstrated that the packaging technology we designed is done well in the heat release performance and package reliability of high power LED Key words high power LED packaging reliability junction 重庆邮电大学硕士论文 摘 要 III temperature thermal resistance heat release performance 重庆邮电大学硕士论文 目 录 IV 目 录 摘 要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1 1 固态照明的概念 1 1 2 LED 的发展历程 2 1 3 LED 的市场现状与前景 3 1 4 论文结构 4 第二章 功率型 LED 封装概述 6 2 1 LED 的结构和发光原理 6 2 2 LED 的参数特性 7 2 2 1 电学特性 7 2 2 2 光学特性 9 2 3 白光 LED 简介 10 2 3 1 白光 LED 发光原理 10 2 3 2 荧光粉 11 2 4 芯片的制备与结构 13 2 4 1 芯片制备过程 13 2 4 2 芯片结构 13 2 5 功率型 LED 封装 14 2 5 1 LED 的封装工艺 15 2 5 2 封装中的可靠性问题 16 2 5 3 提高可靠性的方法 19 2 6 小结 19 第三章 散热分析与设计 20 3 1 热量的传递方式 20 3 1 1 热辐射 20 3 1 2 对流 20 3 1 3 热传导 21 3 2 LED 的热阻 21 3 2 1 热阻的定义 21 3 2 2 热阻分析 21 3 3 LED 的结温 24 重庆邮电大学硕士论文 目 录 V 3 3 1 结温的定义 24 3 3 2 结温分析 24 3 4 散热器的结构和原理 25 3 4 1 风冷 26 3 4 2 水冷 26 3 4 3 热管制冷 27 3 4 4 热电制冷 28 3 5 小结 30 第四章 实验与结果 31 4 1 材料选择 31 4 1 1 芯片的选择 31 4 1 2 粘结材料选择 32 4 1 3 灌封胶和荧光粉的选择 33 4 1 4 基板材料的选择 33 4 2 装焊工艺 34 4 3 热沉设计及热匹配计算 35 4 4 静电保护电路 37 4 5 制冷结构 38 4 6 实验模型及热阻计算 40 4 7 测试结果 41 4 8 小结 44 第五章 结论 45 5 1 结论 45 5 2 进一步的工作打算 45 致 谢 47 参考文献 48 重庆邮电大学硕士论文 第一章 绪 论 1 第一章 绪论 1 1 固态照明的概念 发光二极管的英文名称是 Light Emitting Diode 简称 LED 自从 1970 年 以来已被广泛地运用 图 1 1 展示了四种 LED 实物 按照光输出的大小 从左 至右依次为 70mW 200mW 1 4W 和 5W LED 可依据其能量输出的大小来 分类 其中光输出为 1W 或者更多 大于 1W 的 LED 被称之为大功率 High Power LED 或是高亮度 LED High Bright LED HB LED 大功率 LED 在照明方面被归类为固态照明 1 Solid State Lighting SSL 但是 它和传统照明例如白炽灯 荧光灯和卤素灯 有着很大的不同 我们日 常生活中使用的白炽灯和家用灯泡有很多缺点 使用时 高达 90 的能量是热 能 灯丝的寿命很短 仅有 1000 个小时 且灯泡容易损坏 荧光灯虽然是目 前使用效率较高的光源之一 但它包含的物质对环境有害 许多国家已经制定 法律来禁止或减少荧光灯管的使用 而发光二极管 LED 以其体积小 全固 态 节能 环保等优点已经受到越来越多的关注 成为 21 世纪最具发展前景的 光源之一 图 1 1 不同光输出的 LED 实物 灯的发光效率 流明效率 被定义为消耗单位电功率所得到的光通量 图 重庆邮电大学硕士论文 第一章 绪 论 2 1 2 比较了各种照明技术的发光效率 如今商用的大功率 LED 的发光效率已经 达到 30 60 lm W 实验中的测试数据能达到 100lm W 随着材料和封装技术的 发展 在未来的 10 15 年里 LED 的发光效率被期望提高 2 5 倍 达到 200lm W 图 1 2 各种照明技术的发光效率 依照最新数据 中国是世界第二大电能使用国 在 2004 年消耗电能 2187 亿千瓦时 其中的 12 是照明用电 假设到 2015 年 25 的传统照明被固态光 源 LED 取代 那么每年将预计节约 100 亿千瓦时的电能 这比起三峡大坝每年 发出的电能还要多 三峡大坝每年输出的电能为 85 亿千瓦时 它耗资 20 亿美 元花费 20 年建造完成 所以 从相关数据看出 LED 在节能方面是极具优势 除了节能之外 固体照明 LED 较之传统照明有更长的使用时间 LED 可 持续使用 100000 小时 然而白炽灯 卤素灯和荧光灯的使用寿命分别仅为 1000 3000 10000 小时 此外 LED 的材料成分里不含汞 它比传统的光源 更加环保 1 2 LED 的发展历程 2 1950 年 英国学者通过阴极射线发光的实验 使用半导体砷化镓 GaAs 制成第一个现代发光二极管 LED 并于 1960 年面世 1960 年后期 研究人员 通过在砷化镓 GaAs 衬底上加上磷砷化镓 GaAsP 从而得到第一个可见红 重庆邮电大学硕士论文 第一章 绪 论 3 光 LED 若将衬底换成磷化镓 GaP LED 的效能增加 发出更亮的红光 在 1970 年中期 磷化镓 GaP 被用来作为发光体 它自身可发出淡淡的绿光 若在 LED 中运用双重磷化镓 GaP 芯片 一个红色 一个绿色 组合 结果 就能得到黄光 在 1980 年早期 人们通过使用化合物 GaAlAsP 生产出第一代 高亮度 LED 最开始产出的是红光 LED 然后是黄光 最后是绿光 在 1990 年早期 通过使用 InGaAlP 来使得高亮度 LED 产生橙红 橙色 黄色和绿色光 源 3 1990 年初 工程师通过使用碳化硅 SiC 制备成第一个有重大意义的蓝 光 LED 它是最早的半导体光源 尽管按照今天的标准 它的光输出是比较暗 淡的 到了 1990 年中期 高亮度蓝光氮化镓 GaN LED 问世 它通过和 InGaN 的结合 使发光二极管产出高密度绿光和蓝光 自从用黄光激励出可见 的红光和绿光后 研究人员又尝试着用蓝光和黄光混合得到可见的白光 早期 称之为 月球白 这种方法被 Nichia 公司发展运用 并从 1996 年开始用于生产 白光 LED 3 1 3 LED 的市场现状与前景 LED 已经成为光电部件中占市场份额最大的产品 2004 年世界范围内的 LED 产值是 3 7 亿美元 比 2003 年增长 37 世界范围内对于 LED 的使用集 中在 移动装置 58 信号装置 13 机动车 13 和照明 在中国则 非常不同 最大的市场部分是建筑照明 24 LED 显示屏 20 交通信 号灯 12 以及信号 10 到 2009 年 全球 LED 市场以每年 19 的速率 增长 节能环保的特性使得固态照明技术加速取代荧光灯等照明技术 LED 市 场在世界范围内迅速发展 4 大多数 LED 灯的制造厂商都在日本和泛太平洋地区 主要分布在四个区域 日本 美国 欧洲和亚太地区 大部分的亚太供应商来自台湾 一些来自韩国 中国大陆地区成为台湾供应商的主要制造基地 5 日本制造厂商主要有 Stanley Matsushita Nichia Sanyo 和 Kodenshi 等公司 它们总共占了 LED 世 界市场份额的 50 第二大供应区域是亚太区域 其中著名的公司包括 Lite On Everlight Ledtech 等 它们占世界份额的 23 南美是第三大 LED 部件 供应区域 其中包括 CREE Hewlett Packard Fairchild Optoelectronics 和 Uniroyal Optoelectronics 等著名公司 LED 有很多优点 它使用寿命长 在正常环境下的使用寿命可以达到 35 000 50 000 小时 这比起荧光灯和白炽灯来说要长得多 LED 光束本身 不包含红外或紫外光 这对于某些特定场合是十分必要的 比如在对博物馆展 重庆邮电大学硕士论文 第一章 绪 论 4 品的照明中 LED 光束能有效的保护被照对象 使得被照物品不容易因曝光而 损坏 从环保的角度说 LED 灯具部件不含汞等污染物质 所以便于回收再利 用 此外 LED 还具有耐冲击震荡 体积小 色域丰富等特点 市场前景广阔 图 1 3 列举了几种 LED 照明实物 目前 市面上各种 LED 产品应用中 较为主流的几种分别为 4 6 7 1 显示屏 各种广告牌 金融和交通指示牌 2 照明 装饰照明 商业照明 景观照明 3 交通信号灯 包括交通指示灯 信号灯 标识灯 主要用超高亮度红绿 黄色 4 汽车用灯 汽车内部的仪表盘 音响指示灯 开关的背光源 阅读灯和 外部的刹车灯 尾灯 侧灯以及车头灯 5 背光源 移动电话 液晶 LCD 显示器上用的背光源 6 其它应用 工艺品市场和特殊工作照明 军事运用 图 1 3 几种 LED 照明运用的实物图 在现阶段 虽然大功率高亮度 LED 已经在背光源 显示屏 特种照明 信 号灯等领域得到很好的推广 但相对于普通照明和汽车前照灯领域而言 它的 运用还处于起步阶段 其中制约其发展的瓶颈之一是大功率 LED 自身散热不畅和出光率不高 因 为散热直接影响到 LED 的可靠性 进而影响到 LED 的寿命和应用 而出光率 低则直接制约了 LED 的发展 所以对 LED 封装散热问题的研究就显得格外重 要 1 4 论文结构 本文共分五章 各章的内容安排如下 第一章 诸论 描述了 LED 的发展历程 市场现状与前景 介绍了 LED 重庆邮电大学硕士论文 第一章 绪 论 5 较之传统固体光源在照明应用领域的优势 同时介绍了制约功率型 LED 取代传 统光源的技术瓶颈之一是如何提高封装过程中的散热性能 以此引出课题 第二章 功率型 LED 封装概述 介绍了 LED 的结构 发光原理和相关的 参数特性 主要针对白光功率型 LED 的芯片结构和制备工艺 分析影响功率型 LED 封装可靠性的若干因素 并逐一给出优化设计方案 第三章 散热分析与设计 介绍 LED 的热量传递方式 分析热敏参数对 LED 热性能的影响 提出解决相关散热问题的设计方法 此外 还介绍了几种 常用的散热器结构和原理 第四章 实验与结果 在前面章节分析的关于功率型 LED 封装散热问题的 基础上 提出了一种针对大功率 LED 的封装技术 在材料选择 装焊工艺 热 沉设计 静电保护电路 制冷结构等方面进行了优化设计 最终通过实物测试 数据 验证了采用该封装技术的大功率 LED 能较好的解决封装中的可靠性和散 热问题 第五章 结论 本章总结全文 并展望下一步的研究工作 重庆邮电大学硕士论文 第一章 绪 论 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章 功率型 LED 封装概述 7 第二章 功率型 LED 封装概述 2 1 LED 的结构和发光原理 发光二极管的核心部分是一个电致发光 electroluminescence 的半导体材 料 它被至于支架上 四周被环氧树脂胶密封 发光二极管的基本构造图 如 图 2 1 所示 图 2 1 LED 基本构造 发光二极管是由 族化合物 如 GaAs 砷化镓 GaP 磷化镓 GaAsP 磷砷化镓 等半导体制成的 这些半导体材料会预先透过注入或搀杂 等工艺以产生 P N 架构 发光二极管的核心部分是 P 型半导体和 N 型半导体所组成的晶片 因此它 具有一般 P N 结的正向导通 反向截止 击穿等特性 电流可以轻易地从 P 极 阳极 流向 N 极 负极 而相反方向则不能 在如图 2 2 所示的电路中 电池的正极连接 P 区 电池的负极连接 N 区 实心点表示电子 空心点表示空穴 Eg 为禁带宽度 8 当两端加上正向电压时 由于 P N 结势垒降低 两种不同的载流子 空穴和电子在不同的电极电压作用 下从电极流向 P 区和 N 区 电子从 N 区注入 P 区 而空穴从 P 区注入 N 区 当空穴和电子相遇而产生复合 电子会跌落到较低的能阶 同时以光子的模式 释放出能量 于是就会发出可见光 紫外光或近红外光 但是 P N 结发出的光子是非定向的 即向各个方向发射有相同的几率 重庆邮电大学硕士论文 第二章 功率型 LED 封装概述 8 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 9 应用中要求提高 LED 的内 外部量子效率 它所发出的光的波长 决定颜色 是由组成 P N 架构 的半导体物料的禁带能量决定 图 2 2 LED 发光示意图 2 2 LED 的参数特性 发光二极管是一种注入式电致发光器件 由 P 型半导体和 N 型半导体组合 而成 所以它具备 PN 结型器件的某些参数特性 2 2 1 电学特性 10 1 电流与电压特性 发光二极管的伏安特性曲线如图 2 3 所示 它与普通二极管的伏安特性曲 线大致相同 电压小于开启点的电压值时无电流 电压一旦超过开启点 就显 示出欧姆导通特性 此时正向电流与电压的关系为 0exp IIeVmkT 2 1 其中 k 是波尔兹曼常数 m 为复合因子 在宽禁带半导体中 当电流小于 0 1 毫安时 通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用 这时 m 2 电流增大后 扩散电流占优势时 m 1 此外 在 LED 的使用时 我们引入允许功耗 它是允许加于 LED 两端 m P 正向直流电压 V 与流过它的电流 I 之积的最大值 记为 重庆邮电大学硕士论文 第二章 功率型 LED 封装概述 9 mff PVI 2 2 超过此值 LED 发热 损坏 图 2 3 LED 的 I V 特性曲线 2 发光亮度与电流的关系 发光二极管的发光亮度 B 是单位面积发光强度的量度 在辐射发光发生在 P 区的情况下 发光亮度 B 与电子扩散电流之间有如下关系 dn I dnR BIe 2 3 式中 是载流子辐射复合寿命和非辐射复合寿命的函数 以 GaP 发光 R NR 二极管为例 它的发光亮度随着电流密度近似成正比增加而不易饱和 它适合 在脉冲下使用 因为脉冲状态工作不易发热 在平均电流与直流相等的情况下 可以得到更高的亮度 3 寿命 发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间 二极 管的寿命一般都很长 在电流密度小于时 一般可达小时 最长可 2 1 A cm 6 10 达小时 随着工作时间的加长 亮度下降的现象称为老化 老化的快慢与工 8 10 作电流密度有关 随着电流密度的加大 老化变快 寿命变短 4 响应时间 在快速显示时 标志器件对信息反应速度的物理量叫响应时间 即器件启 重庆邮电大学硕士论文 第二章 功率型 LED 封装概述 10 亮 上升 与熄灭 衰减 时间的延迟 实验证明 二极管的上升时间随电流 的增加而近似呈现指数衰减 且响应时间通常很短 2 2 2 光学特性 1 发光效率 流明效率 我们通常所说的发光效率包括量子效率以及提取效率和流明效率 由于人 眼对光的敏感程度与光的波长有关 因此 功率效率很高的发光器件所发出的 光 人眼看起来就不见得亮 为了便于用人眼来衡量一个发光器件的功能 引 入参量流明效率 它表示消耗单位电功率所得到的光通量 10 L e PF lm W L e F P 2 4 量子效率是指注入载流子复合而产生光量子的效率 由于内吸收和内反射 等原因 使得产生的光量子不能全部射出 因此 量子效率又分为内量子效率 和外量子效率 一般来说 发光效率指的是外量子效率 提取效率 qi qe qe 是指芯片输出光子数与芯片有源区发出的光子数之比 内 外量子效率和提 o 取效率之间的关系可以由下式表示 11 2 5 Lo qe I x yx yx y dxdy I x y dxdy 其中表示有源层中的电流密度 I x y 2 发光强度 发光强度表征 LED 在光源某方向上的发光强弱 用法向光强来衡量 即位 于法向方向的光强是最大的 其与水平面交角为 90 易知 发光强度是一个 同半角宽度和光强角分布存在一定关系的特征参数 它主要取决于封装的工艺 如何 并有着很强的实际意义 国际照明委员会引入了平均光强的概念 12 照 射在离大功率 LED 一定距离处的光探测器上的光通量与由探测器构成的立体 角的比值 而立体角又为探测面积和测量距离平方的比值 如下式所示 2 6 2 S d 重庆邮电大学硕士论文 第二章 功率型 LED 封装概述 11 2 3 白光 LED 简介 2 3 1 白光 LED 发光原理 在目前 对于一般的普通照明而言 人们需要白色的光源 13 早期研发成 功的白光 LED 是将氮化镓 GaN 芯片和钇铝石榴石 YAG 封装在一起而成 GaN 芯片发出蓝光 而含铈 Ce3 的 YAG 荧光粉在受到蓝光激发后 会发 出黄色的光 部分蓝光被荧光粉吸收 而另一部分蓝光则与激发出的黄光混合 从而形成白光 目前 我们主要用该方法来获得白光大功率 LED 该方法操作 简单实用性强 成本低 但是色调一致性差 而且色温偏高 显色性有待提高 图 2 4 是该方法的示意图 后来研究人员用 RGB red green blue 三基色多个芯片或多个器件发光 混色成白光 或者用蓝 黄双芯片补色产生白光 只要有适当的散热条件 该 方法相对稳定 此外 在紫外光芯片 UV LED 上涂覆上 RGB 三色荧光粉 利用紫光激 发荧光粉产生三基色光混色 也可以得到白光 该方法提高了发光效率 且光 色均匀 不会随着电流变化而变化 但由于目前紫外光芯片和 RGB 荧光粉的粉 体混合较为困难 合成效率低 所以该方法只是理论上的可能 并没有实际运 用价值 14 图 2 4 蓝光芯片激发黄色荧光粉示意图 重庆邮电大学硕士论文 第二章 功率型 LED 封装概述 12 表 2 1 说明了各种形成白光 LED 的方法和原理 13 表 2 1 白光 LED 的方法和种类 芯片数激发源发光材料发光原理 蓝色 LEDInGaN YAGInGaN 的蓝光与 YAG 的黄 光混合成白光 蓝色 LEDInGaN 荧光粉受 InGaN 蓝光激发的红绿蓝 三基色荧光粉发白光 蓝色 LEDZnSe由薄膜层发出的蓝光和在基板 上激发出的黄光混色成白光 1 紫色 LEDInGaN 荧光粉受 InGaN 紫外激发的红绿蓝 三基色荧光粉发白光 2蓝色 LED 黄绿 LED InGaN GaP 将具有补色关系的两种芯片封 装在一起 构成白色 LED 3蓝色 LED 绿色 LED 红色 LED InGaN AlInGaP 将发三原色的三种芯片封装在 一起 构成白色 LED 多个多种光色的 LEDInGaN GaP AlInG aP 将发三原色的三种芯片封装在 一起 构成白色 LED 2 3 2 荧光粉 在白光 LED 的制备中 荧光粉是一个非常关键的材料 它的性能直接影响 白光 LED 的亮度 色坐标 色温及显色性等 利用 LED 芯片配合特定荧光粉 产生白光的方法工艺简单 成本较低 图 2 5 是蓝光 LED 芯片发出的蓝光光谱 与黄光光谱互相重合后产生白光的示意图 目前商品化白光 LED 产品及未来的发展趋势仍以单芯片型为主流 而开发 具有良好发光特性的荧光粉是得到高亮度 高发光效率 高显色性白光 LED 的 关键所在 14 通常 选择 LED 用荧光粉的标准是 1 荧光粉能被与之匹配的 LED 芯片有效激发 2 并具有高的量子效率 3 化学性质稳定 对于白光 LED 所用荧光粉而言 不仅荧光粉的质量需要得到保障 其涂抹 技术也需要得到发展 在所有改良的荧光粉技术中 Lumileds 公司研发的保形 涂层 conformal coating 技术可实现荧光粉的均匀涂覆 但出光效率不高 重庆邮电大学硕士论文 第二章 功率型 LED 封装概述 13 图 2 5 蓝光光谱与黄光光谱的混合图 美国的 Nadarajah Narendran 在国际固态照明会议上 提出了 SPE scatter photo extraction 散射萃取工艺 15 该工艺可以十分有效的提高白光 LED 的发 光效率 其技术关键在于荧光粉不是像以往一样直接涂抹在芯片上 而是通过 在芯片表面布置一个聚焦透镜 并将含有荧光粉的玻璃片置于距芯片一定的位 置 这种设计能够有效的减少荧光粉散射光的背向损耗 有效的提升了流明效 率 这两种工艺的 LED 结构示意图如下图所示 图 2 6 白光 LED 封装结构示意图 综上所述 功率型白光 LED 虽然已经有一定的市场基础 但在今后对其技 术的研发过程中还必须注意以下几个问题 提高大尺寸芯片的质量和外延片的 量子效率 优化芯片结构 使其获得更高的流明效率 对荧光粉的进一步研发 值得一提的是 封装工艺 封装结构和散热问题 是大功率 LED 研发的重中之 重 重庆邮电大学硕士论文 第二章 功率型 LED 封装概述 14 2 4 芯片的制备与结构 2 4 1 芯片制备过程 LED 的制备流程分为三个步骤 上游单晶片与外延晶片制作 中游晶粒制 作和下游封装 16 1 上游工艺 上游工艺的产品为单晶片和外延晶片 它们在工艺中的生成的顺序为 单 晶棒 单晶片 结构设计 外延晶片 外延晶片是依照不同产品在单晶片上成 长多层不同厚度的单晶薄膜 通常也被称为磊晶 常用的外延成长技术有 液 相外延生长法 Liquid Phase Epitaxy LPE 气相外延生长法 Vapor Phase Epitaxy VPE 和有机金属化学气相沉积法 Metal Organic Vapor Phase Epitaxy MOVPE 又称为 MOCVD metal organic chemical vapor deposition 等 其中气相外延生长法 17 VPE 的特点是以气体或电浆材料传输至基板 促使晶格表面粒子凝结或电离 液相外延生长法 LPE 是把熔融状态下的液 体材料直接和基板接触而沉积晶膜 这两种技术虽然都已经相当成熟 但是它 们都存在着磊晶薄度和平整度不理想的问题 由于该缺陷的存在 所以这两种 技术一般只被用来生产传统的低功率 LED 有机金属化学气相沉积法 17 MOCVD 是将有机金属以气体形式扩散至 基板 促使晶格表面粒子凝结 该方法磊晶纯度高 薄度与平整度都很理想 MOCVD 系统是目前大规模制造 HB LED 的主流生产设备 2 中游过程 中游工艺的制作过程主要包括 金属蒸镀 光罩刻蚀 PN 电极制作 切割 崩裂等步骤 该过程的成品为晶粒 3 下游封装 下游封装的内容包括 晶粒粘贴 打线 树脂封装 剪脚 此阶段对于产 品的成品率影响最大 2 4 2 芯片结构 LED的芯片是整个LED发光的核心部分 因此其相关技术也是所有LED企 业 工作者的研究重点 如何优化结构 改良技术成为摆在大家面前的重要课 题 下面简单介绍几家国外知名LED企业研发的典型芯片结构 重庆邮电大学硕士论文 第二章 功率型 LED 封装概述 15 美国 HP 公司先后研制了透明衬底大尺寸芯片以及透明衬底倒梯形结构大 功率芯片 18 尽管这两种芯片在性能上还有很多不足 但是比起之前的小尺寸 芯片 它们的光通量确实有了明显的提高 德国欧司朗 Osram 公司 19 在 2001 年研制出新一代 AlGaInP LED 芯片 该芯片的独特之处是将芯片窗口层表 面腐蚀 被腐蚀后的纹理结构可以有效的提高光提取率 采用这种纹理表面结 构的 AlInGaP LED 芯片封装后的光电转换效率是常规的两倍 值得一提的是 LumiLeds 公司在 2001 年研制出 AlGaInN 的大功率倒装芯 片 Flip Chip LED 结构 18 该结构是通过透明的蓝宝石衬底取光 不仅可以 避免 P 型 N 型欧姆接触电极吸光 以及键合引线的挡光影响 而且可以不考 虑 NiAu 欧姆接触层的透光性将其厚度增至 50nm 以上 从而改善了注入电流扩 展的效果 降低了正向电压 同时还起到了背反射的作用 将有源层发出的光 经过底部的 NiAu 层反射 从蓝宝石衬底取出 因此 倒装芯片取光效率有了 显著的提高 图 2 7 对比了正装与倒装焊的 LED 芯片结构 为了提高光的出射率和芯片的光通量 在芯片技术的研发过程中 主要有 以下几方面需要注意 1 克服芯片表面的全反射 提高光提取率 出射效率 2 提高背面 侧面发光利用效率 3 增大芯片面积 提高输入功率 4 降低芯片 PN 结到基座的热阻 图 2 7 正装与倒装 LED 芯片示意图 2 5 功率型 LED 封装 LED 封装技术大都是在分立器件封装技术的基础上发展与演变而来的 但 与它们又有很大的区别 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发光芯片和下一层电路完成电气互连 而 LED 封装则是为 了保护芯片正常工作 输出可见光 这其中既包含电参数 又有光参数的设计 及技术要求 所以 无法简单地将分立器件的封装用于 LED 经过多年的发展 LED 封装由最初的支架式 LED Lead LED 到后来的普通贴片式 LED Chip SMD LED 及功率型 LED Power LED 再到目前的大功率 LED High 重庆邮电大学硕士论文 第二章 功率型 LED 封装概述 16 Power LED 18 由图 2 8 我们可以看到 LED 器件封装的结构演变 从图上 我们可以看到 随着 LED 的发展 其热阻越来越小 众所周知 以热阻为例 热阻的大小直接影响到 LED 的散热性能 这在下面的章节会具体介绍 热阻是 影响散热的因素之一 而如果不能有效的控制热性能的话 LED 的发光效率 就会显著的下降 并最终可能导致失效 所以 在目前运用广泛的大功率 LED 封装过程中 如何处理好封装与可靠性的关系 就摆在我们面前 图 2 8 LED 封装发展过程 2 5 1 LED 的封装工艺 前面我们大致介绍了芯片制备的流程 为了使已制作完成的半导体芯片免 受机械应力 热应力 湿气 有害气体以及放射线等外部环境的影响 需要采 用一个合适外形和结构的封装来保护芯片 这样做 一方面保证了半导体器件 最大限度的发挥它的电学特性而正常工作 另一方面通过封装壳体将会使应用 更加方便 下面简要介绍 LED 封装工艺步骤 20 以及各个步骤的作用 芯片检验 主要是检查材料表面是否有机械损伤 以及芯片的尺寸和电极 大小是否符合工艺要求 扩片 由于 LED 芯片在划片后依然排列紧密间距很小 约 0 1mm 不利 于后期工序的操作 我们采用扩片机 对粘结芯片的膜进行扩张 使得 LED 芯 片的间距拉伸到约 0 6mm 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 备胶 与上个步骤相反 备胶是先用备胶机把银胶涂在 LED 背面电极上 重庆邮电大学硕士论文 第二章 功率型 LED 封装概述 17 然后把背部带银胶的 LED 安装在 LED 支架上 但不是所有产品都适用备胶工 艺 手工刺片 将扩张后的 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 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 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 烧结烘箱不得再用作其他用途 防止污染 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 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 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 固化与后固化 固化是指封装环氧的固化 后固化 后固化是为了让环氧 树脂充分固化 同时对 LED 进行热老化 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 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 包装 将成品进行计数包装 2 5 2 封装中的可靠性问题 在上面所述 LED 的封装步骤里 较为关键的过程包括 压焊中的金丝键合 过程 点胶中的装贴芯片过程 以及模压封装过程等 这其中的任何一个过程 都能直接影响到 LED 的可靠性能 下面 我们以某公司在封装中失效的 LED 为例 通过分析其观察结果 我们提出优化封装中 LED 可靠性的若干方法 21 1 有缺陷的压焊过程 连接电极和引线框的过程被称之为金属丝键合过程 该过程直接影响设备 重庆邮电大学硕士论文 第二章 功率型 LED 封装概述 18 的可靠性 在该键合过程中 金属原子在金线和 LED 芯片垫之间扩散 它们联 合起来影响热量 压力和声能 所以 合适的键合条件 例如适当的键合压力 键合时间和键合温度都对键合的可靠性非常重要 在实际运用过程中 许多仪 器的失效都是缘于有缺陷的键合过程 22 以一个蓝光 LED 模型为例 在连续使用几天后进行测试 LED 变暗或者 熄灭 通过实验观察我们知道 在芯片的激活区发现有一个很大面积的裂缝 该裂缝在结合区的内部 如图 2 9 所示 图 2 9 结合部的裂缝 大面积的裂缝增大了串联电阻 这是引起单元失效的最主要原因 从大面 积的裂缝的外观来看 我们能推断出在键合 bonding process 过程中过大的压 力导致了大面积的裂缝出现 再者 模型通过一个长期的温度循环测试 温度 改变时产生的热应力使得激活区更快的失效 2 有缺陷的芯片粘结过程 芯片 晶片 粘结层通常都要使用一些粘结剂 例如聚酰亚胺 环氧树脂 和银胶 它们都作为晶片粘结材料来把晶片安装固定在基座上 粘结剂是第一 个在基座上被分配的可控数量 为了固定晶片 它被一个或者多个喷射针从大 晶片上喷出 在引线框和银环氧树脂芯片粘结材料之间有一个可见的分层 引 起电子的跃变 通过对某公司的失效红光 LED 产品的结合区进行观察 我们发现它在结合 区存在裂缝 如图 2 10 所示 重庆邮电大学硕士论文 第二章 功率型 LED 封装概述 19 图 2 10 失效 LED 结合区开裂部位 我们看到 晶片粘结层已经完全裂开 如图 2 11 所示 有缺陷的连接过程 导致晶片粘结层的断裂 晶片粘结过程的质量受到质量 使用数量 粘结层粘 合剂的固化时间以及晶片粘结处的净度的影响 如果粘合剂是过期或者暴露时 间太长 晶片粘结层的质量将被影响 除此之外 不足量 较长固化时间以及 被污染的晶片粘结区域都将导致晶片黏合过程质量的低劣 图 2 11 粘结层完全开裂 3 ESD 损坏 ESD Electro Static Discharge 的意思是静电释放 它是由于绝缘材料内 部的电势差而导致的 它在非常短的时间内引起高电流脉冲 电位差的原因通 常是由摩擦引起的负荷 ESD 可以使半导体 PN 结立即失效 或者是引起不易 察觉的变化导致 LED 的损坏 对于 LED 来说 衬底材料容易受到静电释放的 重庆邮电大学硕士论文 第二章 功率型 LED 封装概述 20 影响 值得一提的是 蓝宝石衬底更易受到 ESD 损害 具体内容将在后面的 实验设计部分中谈到 2 5 3 提高可靠性的方法 LED 的可靠性受到多种因素的限制 现在我们只说明上述影响功率型 LED 封装可靠性的因素以及如何有效的避免 1 优化键合过程 最优化条件受到金属丝类型 金属垫和设备参数等因素的影响 因此 对 每个产品来说 可通过改变参数来进行一连串的测试从而得到最优的键合条件 估计粘合剂的拉力强度对于定义这些参数是有帮助的 因为如果拉力强度过大 那么在粘合部位就会出现裂缝 Crack 从而使键合过程失效 实验数据表明 当增加金属丝的宽度 粘合剂会变得更粗 这将会抵消拉力 另外 在键合过 程中应避免污染 否则引入的杂质会使得拉力变大 从而导致键合失效 2 优化晶片粘接过程 有必要在晶片粘接过程之前对芯片 框架和填银粘结材料进行检查 芯片 垫应该是干净无污染的 芯片应该是无破损的 框架应该是没有变形和生锈的 银填充材料应该是没过期的 同时 最理想的条件是通过使用粘结材料 固化 温度和时间来共同控制该过程 3 静电保护 宽能隙二极管 例如氮化镓基底二极管 易于产生 ESD 失效 这是由于它 低的反向饱和电流和高的击穿电压 所以对于 III V 族氮化物来说 研究静电保 护电路是十分重要的 静电放电保护电路由硅二极管 硅齐纳二极管 或者两 个硅齐纳二极管构成 尤其是反向放电时 电流所引起的静电放电将会被 LED 分流并通过 ESD 静电保护电路 静电保护电路可以直接在硅热沉上集成 23 随着 LED 的广泛运用 用户对 LED 的可靠性要求越来越高 以上分析了 有缺陷的封装过程所引起的 LED 失效机制 分析结果有助于完善 LED 封装过 程技术和提高 LED 的产品质量 2 6 小结 本章首先对 LED 的结构和发光原理做了简要介绍 并引出白光 LED 的发 光原理 然后重点介绍了封装的相关内容 其中包括芯片制备 芯片结构和封 装工艺等 最后通过对某公司失效 LED 产品的分析 找到影响功率型 LED 封 装过程中可靠性的因素 并提出了相关的解决办法 重庆邮电大学硕士论文 第三章 功率型 LED 的散热分析 21 第三章 散热分析与设计 功率型半导体器件工作时产生的热量会使芯片温度升高 如果器件的散热 问题处理不好 就有可能使芯片温度升高到超过所允许的最高结温 从而导致 器件性能恶化或失效 本章从基本概念入手 介绍结温 热阻等热敏参数的概 念以及它们对 LED 性能的影响 通过分析比较各种散热方式 得出针对大功率 LED 封装中的有效热控制方法 3 1 热量的传递方式 各种半导体器件无论在静态还是在动态工作中 均有能量损耗 这种损耗 一般以热的形式产生于 PN 结处 器件有源区的热量必然引起其相对于芯片其 它部位和周围介质间的温度差 有温差就有热量的传递 这种传递热的基本方 式是辐射 对流和传导 24 3 1 1 热辐射 发热的物体 通过电磁波来传递能量的过程称为热辐射 这种电磁波一般 位于可见光范围之外 根据史蒂芬波尔兹曼热辐射定律 单位时间从单位半导 体芯片面积上所发出的辐射能为 3 1 4 t QT 其中为半导体芯片表面的黑度 一般为 0 2 0 6 为斯蒂芬波尔兹曼常数 t 其值为 T 为绝对温度 K 半导体芯片温度一般在 500K 824 5 67 10 Wm K 以下 依靠热辐射散出的热量是很小的 3 1 2 对流 对流是指流体各部分之间 发生相对位移时所引起的热量传递过程 目前 半导体芯片或者是空封在金属的 陶瓷的以及玻璃的管壳中 或者是塑料封装 对于空封器件 管壳内部的气体对流传热是很微小的 对于塑料器件 由于管 芯和塑料直接接触 芯片周围没有流体 更不可能依靠对流传热 所以研究半 导体器件内部热量传递问题 主要是研究热传导问题 至于器件外部 研究管 重庆邮电大学硕士论文 第三章 功率型 LED 的散热分析 22 壳或散热片在空气中的传热问题 则主要是对流和辐射 3 1 3 热传导 热量从芯片有源区传到管壳的过程称为半导体器件的热传导 从微观角度 气体 液体 金属 半导体 绝缘体 其导热机理是截然不同的 气体导热是 气体分子不规则热运动相互碰撞的结果 金属是依靠电子气的自由运动传递热 量的 绝缘体导热是依靠晶格的热振动 而半导体则介于金属和绝缘体之间 兼有晶格导热及载流子导热两种机构 但是从热导率的贡献来看 则主要是晶 格导热 3 2 LED 的热阻 3 2 1 热阻的定义 24 热阻代表半导体器件本身的热传递性能 与电阻类比 我们可以得到 热 阻的物理意义是表示热传递路径上的阻力 通常将两个节点间单位热功率输R 运 所产生的温度差 定义为这两个节点间的热阻 单位为 W D PT R 其数学表达为 3 2 D RTP 从表达式中我们能看出 热阻越大 散热能力就越差 很显然 怎样有