大功率LED照明产品及散热技术ppt课件

1、大功率LED技术、照明产品及其散热技术 .主要内容功率型芯片技术原理大功率技术构造设计功率型散热技术终了语.LED的运用面不断扩展，首先进入特种照明的市场领域，并向普通照明市场迈进。由于LED芯片输入功率的不断提高，对这些功率型LED的封装技术提出了更高的要求。功率型LED封装技术主要应满足以下两点要求：一是封装构造要有高的取光效率；二是热阻要尽能够低，这样才干保证功率LED的光电性能和可靠性。功率型芯片技术原理. 大功率LED广义上说就是单颗LED光源功率大于0.35W(含0.35W)的，拥有大额定任务电流的发光二极管。普通LED功率普通为0.05W、任务电流为20mA，而大功率LED可以到

2、达1W、2W、甚至数十瓦，任务电流可以是几十毫安到几百毫安不等。由于目前大功率LED在光通量、转换效率和本钱等方面的制约，因此决议了大功率白光LED短期内的运用主要是一些特殊领域的照明，中长期目的才是通用照明。何为大功率芯片?.(1)加大尺寸法: 经过增大单体LED的有效发光面积和尺寸，促使流经TCL层的电流均匀分布，以到达预期的光通量。但是，简单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效果。(2)硅底板倒装法: 首先制备出适宜共晶焊接的大尺寸LED芯片，同时制备出相应尺寸的硅底板，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，再利用共晶

3、焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊接在一同。这样的构造较为合理，既思索了出光问题又思索到了散热问题，这是目前主流的大功率LED的消费方式。LED大功率的实现方法.美国Lumileds公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒装芯片FCLED构造，其制造流程是： 首先在外延片顶部的P型GaN上淀积厚度大于500A的NiAu层，用于欧姆接触和背反射； 再采用掩模选择刻蚀掉P型层和多量子阱有源层，显露N型层； 经淀积、刻蚀构成N型欧姆接触层，芯片尺寸为1mm1mm,P型欧姆接触为正方形，N型欧姆接触以梳状插入其中，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

4、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: 先利用LED晶片通用设备制备出具有适宜共晶焊接电极构造的大出光面积的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，然后利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与陶瓷底板焊接在一同。这样的构造既思索了出光问题也思索到了散热问题，并且采用的陶瓷底板为高导热陶瓷板，散热效果非常理想，价钱又相对较低，所以为目前较为适宜的底板资料，并可为未来的集成电路一体化封装预留空间。.(4)蓝宝石衬底过渡法。按照传统的InGaN芯片制造方法在蓝宝石衬底上生长出PN结后，将蓝宝石衬底切除，再衔接上传统的四元资料，制造

5、出上下电极构造的大尺寸蓝光LED芯片。(5) AlGaInN碳化硅SiC反面出光法。美国Cree公司是全球独一采用SiC衬底制造AlGaInN超高亮度LED的厂家，几年来其消费的AlGaInN/SiCa芯片构造不断改良，亮度不断提高。由于P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部，采用单引线键合，兼容性较好，运用方便，因此成为AlGaInNLED开展的另一主流产品。.半导体LED假设要作为照明光源，常规产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比，间隔甚远。LED要在照明领域开展，关键是要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。功率型LED所用的外延资料采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱

6、构造，虽然其内量子效率还需进一步提高，但获得高发光通量的最大妨碍仍是芯片的取光效率低。现有的功率型LED的设计采用了倒装焊新构造来提高芯片的取光效率，改善芯片的热特性，并经过增大芯片面积，加大任务电流来提高器件的光电转换效率，从而获得较高的发光通量。除了芯片外，器件的封装技术也举足轻重。关键的封装技术工艺有：大功率技术构造设计.3W模组,9颗芯片(芯片尺寸:18mil),3并3串, 电流300mA,电压9.6-10.5V5W模组,4颗芯片 (芯片尺寸:40mil),2并2串,电流700mA,电压6.2-7.0V10W 模组,9 颗芯片 (芯片尺寸:40mil),3并3串,电流1050mA,电压

7、9.0-10.5V几种整合方式.10W 模组,36颗芯片(芯片尺寸:18mil),6并6串,电流500mA,电压18-21V25W 模组,25颗芯片 (芯片尺寸:40mil),5并5串,电流1750mA,电压15-17.5V30W模组,81颗芯片(芯片尺寸:18mil),9并9串,电流1000mA,电压27-31.5V.1W 氮化镓蓝光LED倒装芯片产品特点 应用领域专利倒装技术普通照明领域专利模组技术道路照明领域超高出光效率车用照明领域高效散热设计景观照明领域超高可靠性能高级闪光灯领域便于客户封装特殊照明领域1. 产品优势与运用领域.外观图材料说明尺寸说明芯片衬底蓝宝石芯片尺寸1325m 1

8、325m外延材料氮化镓基板尺寸1995m 1775m基体材料硅电极尺寸99m304m电极材料金芯片厚度1155m凸点材料金基板厚度2505m总厚度39010m2. 倒装芯片阐明(1) 倒装芯片尺寸与资料.(2) 光电参数说明 (测试环境温度TA=25)项目符号测试电流最小值最大值单位正向电压 (VF)VF If = 350 mA2.83.4V主波长 (WLD)d450465nm辐射功率 (LOP) IV250370mW3. 特性测试 注1.(3) 最大额定值 (测试环境温度TA = 25) 注1项目符号APT-B5501AB-V WWW LL正向电流IF1400 mA正向脉冲电流 (1/10占

9、空比 1KHz)IFP2000mALED结温Tj125 工作温度范围Topr-40 to +85存储温度范围Tstg-40 to +100抗静电释放能力 (HBM模式) 注2ESDHBM 4000 V抗静电释放等级 (根据JESD22-A114-B) 注2ESDLevelClass3A反向电压VR注 3备注:1. 以上数据为运用Power Dome支架、无灌胶条件下裸晶测试结果，不同封装方式得到的测试结果能够不尽一样，仅供参考；LED最大结温允许值也与封装方式相关；假设封装消费运用回流焊，必需保证不能在300 以上温度条件运用超越3秒；2. 抗静电释放测试根据人体模型，运用RAET方式模拟静电

10、释放，一切产品经过测试，符合JESD22-A114-B规范Class 3A等级。3. 测试LED运用的反向电压不能超越6V，否那么有能够损坏产品，而且正常运用情况下，供电电源不能反接LED。4. 由于硅基体易碎，因此剧烈建议封装打线时，尽量远离基体边缘，以免损坏基体。 .大功率芯片封装构造提高LED性能的一种方法乃将电流由弯流改成顺流。由于蓝宝石基材不导电，LED正负两个电极乃设在同面。当电流经过GaN晶格时电流必需由垂直顺流改成程度横流，这样电流就会集中在内弯处，导致不能有效运用P-N接口的电子层和电洞层，因此减少了发光效率。更有甚者，电流集中之处会产生热点使晶格缺陷范围延伸，LED的亮度就

11、会随缺陷扩展而递减。为了延伸LED的寿命，输入的电流必需降低如350mA，单位面积的发光亮度，就遭到了限制。LED设计的主要设计有如以下诸图所示(如图1).LED电流转弯的问题不能靠封装的设计(如复晶或Flip Chip)改善，把电流截弯取直才是正道，这样必需把电极置于LED磊晶的两侧。电流平顺就可以明显提升LED的亮度。除此之外，一样亮度的顺流LED运用的芯片面积较小，因此晶圆上切出的晶粒数目较多，也就是单颗LED的制造本钱能够降低。尤其进者，电流转弯时假设扩展芯片的面积会使LED发光更不均匀。但是顺流LED其发射的光子数目那么会由发光面积的加大而提高。所以一颗以大电流(如1A)驱动大面积的

12、顺流LED，其亮度会大于具有一样面积的多颗横流LED。(如图2).可采用低阻率、高导热性能的资料粘结芯片；在芯片下部加铜或铝质热沉，并采用半包封构造，加速散热；设计二次散热安装，来降低器件的热阻。在器件的内部，填充透明度高的柔性硅橡胶，在硅橡胶接受的温度范围内普通为-40 200，胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路，也不会出现变黄景象。零件资料也应充分思索其导热、散热特性，以获得良好的整体热特性。对于大任务电流的功率型LED芯片，低热阻、散热良好及低应力的新的封装构造是功率型LED器件的技术关键。.二次光学设计技术为提高器件的取光效率，设计外加的反射杯与多重光学透镜。.粉涂布量控制： LED

13、芯片+荧光粉工艺采用的涂胶方法，通常是将荧光粉与胶混合后用分配器将其涂到芯片上。在操作过程中，由于载体胶的粘度是动态参数、荧光粉比艰苦于载体胶而产生沉淀以及分配器精度等要素的影响，此工艺荧光粉的涂布量均匀性的控制有难度，导致了白光颜色的不均匀。功率型LED白光技术.芯片光电参数配合： 半导体工艺的特点，决议同种资料同一晶圆芯片之间都能够存在光学参数如波长、光强和电学如正向电压参数差别。 RGB三基色芯片更是这样，对于白光色度参数影响很大。这是产业化必需求处理的关键技术之一。.根据运用要求产生的光色度参数控制： 不同用途的产品，对白光LED的色坐标、色温、显色性、光功率或光强和光的空间分布等要求

14、不同。上述参数的控制涉及产品构造、工艺方法、资料等多方面要素的配合。在产业化消费中，对上述要素进展控制，得到符合运用要求、一致性好的产品非常重要。.检测技术与规范随着W级功率芯片制造技术和白光LED工艺技术的开展，LED产品正逐渐进入特种照明市场，显示或指示用的传统LED产品参数检测规范及测试方法已不能满足照明运用的需求。国内外的半导体设备仪器消费企业也纷纷推出各自的测试仪器，不同的仪器运用的测试原理、条件、规范存在一定的差别，添加了测试运用、产品性能比较任务的难度和问题复杂化。.我国光学光电子行业协会光电子器件分会行业协会根据LED产品开展的需求，于2003年发布了“发光二极管测试方法试行,

15、该测试方法添加了对LED色度参数的规定。但LED要往照明业拓展，建立LED照明产品规范是产业规范化的重要手段。.挑选技术与可靠性保证由于灯具外观的限制，照明用LED的装配空间密封遭到局限，密封且有限的空间不利于LED散热，这意味着照明LED的运用环境要劣于传统显示、指示用LED产品。照明LED是处于大电流驱动下任务，这就对其提出更高的可靠性要求。在产业化消费中，针对不同的产品用途，进展适当的热老化、温度循环冲击、负载老化工艺挑选实验，剔除早期失效品，保证产品的可靠性很有必要。.电防护技术由于GaN是宽禁带资料，电阻率较高，该类芯片在消费过程中因静电产生的感生电荷不易消逝，累积到相当的程度，可以

16、产生很高的静电电压。当超越资料的接受才干时，会发生击穿景象并放电。蓝宝石衬底的蓝色芯片其正负电极均位于芯片上面，间距很小；对于InGaN/AlGaN/GaN双异质结，InGaN活化薄层仅几十纳米，对静电的接受才干很小，极易被静电击穿，使器件失效。.对消费、运用场所从人体、台、地、空间及产品传输、堆放等方面实施防备，手段有防静电服装、手套、手环、鞋、垫、盒、离子风扇、检测仪器等。芯片上设计静电维护线路。LED上装配维护器件。 在产业化消费中，静电的防备能否得当，直接影响到产品的废品率、可靠性和经济效益。几种静电防备技术. 半导体假设要作为照明光源，与常规产品白炽灯和荧光灯等通用性光源的光通量相比

17、，差距较大。因此，要在照明领域开展，关键是要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。 照明用级功率型要实现产业化，应从以下技术层面进展整体创新突破，从而全面提高功率型产品的消费质量和产量。目前国内从事功率型研发消费的厂家多关注于个别技术点，尤其是封装技术。. 如今需求倡导的的创新理念是一定要整体创新 、全面突破，由于功率型芯片产业化的 四个关键技术环节是相互制约同时又能相互促 进的，只需全面提升才干拓宽产业化道路。.功率型芯片的产业化关键技术的四个重要环节：1经过加大任务电流提高芯片的整体功率；2采用新型的封装构造提高光电功率转换效率；3设计新的芯片构造以提高取光效率；4采用导 热和光学

18、性能优良的资料，在大电流下降低芯片结温。四个环节相辅相成，共同推进功率型的大规模产业化，构成半导体照明的中心力量。.大功率产业简史国际先行者本世纪初，公司推出了倒梯形构造的功率型大面积芯片，任务电流可进一步增大至，发光通量大于。以脉冲方式任务时，那么可达。 德国公司经过在器件外表制造纹理构造，于年研制出新一代功率型芯片，获得了大于的外量子效率，其根本性能与构造的相当。目前，该器件的制造工艺已大为简化，可批量消费。国际先进展列对于基蓝绿光器件，美国公司于胜利研制了倒装芯片构造的的功率型器件。当该器件的正向电流为，正向电压为时，光输出功率达W。据可靠性实验阐明，该器件性能极为稳定。 同时，美国公司

19、开发了反面出光功率型的/芯片构造，该器件的芯片尺寸达，采用米字型电极，其任务电流为时，输出光功率到达W。国内情况我国台湾省是世界上开发消费各类器件的主要地域之一。继国联光电研制成大功率-之后，光鼎电子也胜利开发了白光与各种色光的功率型器件，并投入了批量消费。这类器件在不附加额外热时，可经过的任务电流，红、黄、蓝绿光的光通量分别为与。我国大陆较晚开展超高亮度红、黄与蓝绿光器件的研制任务，目前上海大晨曦电的功率型器件开发任务也到达了一定的程度。.金属有机化合物汽相淀积 采用金属有机化合物汽相淀积的外延生长技术和多量子阱构造增大芯片面积，从而加大芯片的任务电流，提高芯片的整体功率。单芯片、和的大功率

20、向功率高至，具有更高发光效率、经济适用的固态照明光源。晶片键合WB 采用新型封装构造的主要目的是提高光电功率转换效率。目前采用晶片键合以透明的衬底取代吸光的衬底的倒梯形构造的功率型大面积芯片，任务电流可达，光通量大于，以脉冲方式任务时，那么可达。 采用纹理外表构造的新一代功率型芯片，可以获得大于的外量子效率，其根本性能与构造的相当，不仅可取代常 规的方形芯片，而且还可以很容易按比例放大成为功率型的大尺寸芯片，因此在降低消费本钱和实现产业化规模消费方面，纹理外表高效取光构造的具有宽广的开展前景。功率型led产业化的关键技术.芯片构造 设计新的芯片构造目的是提高取光效率。功率型所用的外延资料，虽然

21、其内量子效率还需进一步提高，但获得高发光通量的最大妨碍乃是芯片的取光效率低，其缘由是半导体与封装环氧的折射率相差较大，致使内部的全反射临界角很小。 目前，按照常规理念设计的超高亮度远远不能满足固体照明所需的光通量。为提高的光通量，满足固体照明的要求，必需采用新的设计理念，用倒装焊新构造来提高芯片的取光效率，从而获得较高的光通量。消费工艺1金属有机化合物汽相淀积；2多量子阱构造；3倒装焊接；4晶片键合；5纹理外表构造；6动态自顺应粉涂布量控制。功率型led产业化的关键技术如下. 国内外市场竞争力 功率型产品已获市场认可，供不应求，目前产销矛盾突出。在技术道路正确，技术目的先进，技术分析可行的前提

22、下，确定合理的消费规模，其产业化的目的是可以实现的。 功率型工程是高技术、高投入、高产出工程，在国内外市场上都具有相当的竞争才干。目前所用功率型芯片根本依托进口，假设本国功率型产业化后产能大幅提高，可以大大减少进口，节省大量外汇，并可打入国际市场，能获得较好的经济效益和社会效益。.次级贴装表示图.LED特点耗电量少，白炽灯的1/8，荧光灯的50；发光效率高，可到达50200lm/W；体积小，分量轻，稳定性好，寿命达10万小时；运用低压电源，平安可靠；消费和运用过程中无污染，有利于环保。LED被称为第四代照明光源或绿色光源中，将LED产业化和推行运用作为节能减排的主要义务之一.LED中，约80的

23、能量转化为热能；其光谱中，不包含红外部分，热量不能靠辐射散出。 芯片体积小，构造紧凑，部分热流密度大，热量不宜释放。结温与相对出光率关系 LED结温上升发光效率降低可靠性差，运用寿命降低发热量更大散热问题是当前半导体照明技术开展的技术瓶颈！ 功率型散热技术. 大功率LED的散热问题例如，1个10W白光LED假设其光电转换效率为20%，那么有8W的电能转换成热能，假设不加散热措施，那么大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温TJ上升超越最大允许温度时普通是150，大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计任务就是散热设计。. 散热技术传统的指示灯型LED封装构造，普

24、通是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上，由金丝完成器件的内外衔接后用环氧树脂封装而成，其热阻高达250/W300/W,新的功率型芯片假设采用传统式的LED封装方式，将会由于散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄，从而呵斥器件的加速光衰直至失效，甚至由于迅速的热膨胀所产生的应力呵斥开路而失效。. 散热研讨开展情况处理方法：(A)改良LED芯片、封装的构造和资料; 上游产业完成(B)系统集成，主要针对灯具散热方式，提高换热功率。 .散热途径热是从温度高处向温度低处散热。大功率LED主要的散热途径是：管芯散热垫印制板敷铜层印制板环境空气。在热的传导过程中，各种资料的导热性能不

25、同，即有不同的热阻。假设管芯传导到散热垫底面的热阻为RJCLED的热阻、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,那么从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为： RJA=RJC+RCB+RBA各热阻的单位是/W。可以这样了解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。假设LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一同，那么RCB=0，那么上式可写成： RJA=RJC+RBA. 散热的计算公式假设结温为TJ、环境温度为TA、LED的功耗为PD,那么RJA与TJ、TA及PD的关系为： RJA=TJTA/PD (1)式中PD的单位是W。PD与

26、LED的正向压降V及LED的正向电流IF的关系为： PD=VFIF (2)假设已测出LED散热垫的温度TC，那么(1)式可写成： RJA=(TJTC)/PD+(TCTA)/PD 那么 RJC=(TJTC)/PD (3) RBA=(TCTC)/PD (4).散热计算举例例:知3W白光LED，RJC=16OC/W，K型热电偶点温度计丈量头焊在散热垫上。PCB实验板：双层铜板40*40*1.6mm LED 任务形状：IF=500 mA，VF=3.97VK型热电偶点温度计测TC=71OC. TJ=RJC*PD+TC=RJC*IF*VF+TC=16(0.500*3.97)+71=103OCRBA=(TC-TA)/PD=(71-25)/(0.5*3.97)=23.1OC/WRJA=RJC+RBA=16+23.1=39.1OC/W假设设计的TJ=90OC,那么按上条件不能满足设计要求,需改换散热更好的PCB板或增大散热面积并再一次实验和计算,直到满足TJTJMAX为止.另一方法是,改换LED的RJC太大产品如RJC=9OC/WTJ=RJC*IF*VF+TC=9(0.5*3.97)+71=87.4OC.作业知3W白光LED，RJC=12OC/W，K型热电偶点温度计丈量头焊在散热垫上。PCB实验板：双层铜板35*35*1.2mm ,LED 任务形状：IF=600mA，VF=3