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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2019-05-29 11:56
一、LED封裝現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
LED封裝處于LED產(chǎn)業(yè)的中游，介于LED外延芯片和LED照明應(yīng)用2個(gè)產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)之間，具有關(guān)鍵的橋梁紐帶作用。隨著LED半導(dǎo)體照明終端應(yīng)用產(chǎn)品的拓展和普及，以及消費(fèi)者在LED半導(dǎo)體照明光源舒適、健康、可靠等方面的更高需求，白光LED封裝的封裝形態(tài)、光色特性、可靠性面臨著新的發(fā)展需求。LED封裝企業(yè)在不斷探索新的LED封裝技術(shù)、封裝結(jié)構(gòu)、封裝材料（金屬基板材料、硅膠材料、激發(fā)熒光粉材料）等，以滿足下游半導(dǎo)體照明應(yīng)用需求。新型白光LED封裝技術(shù)的整體趨勢(shì)是在更小的發(fā)光面積里產(chǎn)生更多的光通量，因此，高取光效率、低熱阻、高可靠性的封裝技術(shù)是LED封裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路。
目前，大功率、高亮度的白光LED封裝器件已經(jīng)成為了照明領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)，產(chǎn)品功率主要為0.5～1W，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要為貼片式結(jié)構(gòu)，封裝技術(shù)有多顆小功率芯片正裝集成封裝、單顆1W大功率LED芯片正裝及單顆1W Filp chip LED芯片無引線倒裝等技術(shù)并存，各有優(yōu)缺點(diǎn)。多顆小功率芯片正裝集成封裝發(fā)光效率較高，但對(duì)芯片的一致性要求較高，且多根芯片電極連接線影響產(chǎn)品的可靠性；單顆1W大功率LED芯片正裝LED封裝器件發(fā)光效率相對(duì)較低，且對(duì)支架的散熱性能要求較高，增加支架成本；單顆1W Filp chip LED芯片無引線封裝LED器件發(fā)光效率介于上述2者之間，但芯片的成本有所偏高。
2017年，我國(guó)功率型白光LED產(chǎn)業(yè)化光效達(dá)180lm/W，離其理論值250lm/W尚有一定的差距，因此進(jìn)一步提高其發(fā)光效率成為功率型白光LED器件的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題；另外，提高散熱能力也成為了功率型白光LED器件發(fā)展的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。
一般來說，提高LED的發(fā)光效率有2種途徑，分別是提高其內(nèi)量子效率和光提取效率。其中內(nèi)量子效率提升主要依托LED外延芯片制造，光提取效率提升主要依托LED封裝企業(yè)。在終端提升產(chǎn)品性能、降低成本和優(yōu)化供應(yīng)鏈的壓力下，LED封裝企業(yè)被倒逼進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，CSP芯片級(jí)封裝、倒裝LED封裝、去電源化模組封裝等新的封裝技術(shù)不斷出現(xiàn)，以適應(yīng)市場(chǎng)需要。
根據(jù)LED半導(dǎo)體照明光源高光效、高可靠、低成本及健康照明的要求及LED封裝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，研究基于多芯片內(nèi)連接的高壓LED芯片封裝技術(shù)，以提高白光LED封裝器件的發(fā)光效率、可靠性及批生產(chǎn)合格率，降低白光LED器件封裝產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝繁雜度及控制難度。
二、多芯片內(nèi)連接高壓直流LED 封裝方法
1. 產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)
現(xiàn)階段LED日光燈、LED面板燈等室內(nèi)照明燈具及液晶電視、電腦顯示器用LED背光源等商業(yè)上使用最多的LED為正裝SMD中小功率白光LED，功率為0.2W、0.5W、1.0W，均采用藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉合成白光，其藍(lán)光LED芯片使用數(shù)量、正向電壓、正向電流等情況如表1所示。
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸按照照明應(yīng)用產(chǎn)品線路板要求和裝配空間，有2835(長(zhǎng)：3.5mm×寬：2.8mm×高：0.7mm)、3 014(長(zhǎng)：3.0mm ×寬：1.4mm ×高：0 . 8 mm )、3 5 2 8 ( 長(zhǎng): 3.5 mm 寬:2.8m m ×高:1.0mm )、5060(長(zhǎng)：5.4mm×寬：5.0mm×高：1.6mm)、4014(長(zhǎng)：4.0mm×寬：1.45mm×高：0.8mm)、5 730(長(zhǎng)：5.7mm×寬：3.0mm×高：0.8mm)等結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
表1所述1.0W SMD白光LED的芯片裝配及電路連接如圖2所示，工藝繁雜、工效及成本對(duì)比如表2所示。為兼容表2所述３類白光LED優(yōu)點(diǎn)，提高LED封裝工效和出光效率，降低下游應(yīng)用成本及可靠性，設(shè)計(jì)了一款小電流（100mA）、高電壓(9.0 ～9.6V )SMD白光LED封裝器件。單顆功率約為1W，采用單顆藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉合成白光，其裝配支架為貼片式TOP2835結(jié)構(gòu)，發(fā)光芯片為單顆晶片級(jí)3芯片集成內(nèi)連接高壓LED藍(lán)光芯片，晶片級(jí)3芯片集成內(nèi)連接高壓LED芯片是指在LED芯片制造環(huán)節(jié)，通過刻蝕深溝槽的方式將外延片分割為3個(gè)獨(dú)立的芯粒。在3個(gè)獨(dú)立芯粒之間蒸鍍電極連接橋，將3個(gè)芯粒以串聯(lián)的方式連接起來而構(gòu)成的單顆發(fā)光二極管芯片，由于單個(gè)芯粒的電壓在100mA電流驅(qū)動(dòng)下約為3V，3個(gè)芯粒串聯(lián)后的單顆發(fā)光二極管芯片的電壓約為9V。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
2.芯片設(shè)計(jì)與制備
1W LED芯片設(shè)計(jì)成高壓直流LED芯片，正向偏置電壓設(shè)計(jì)為8.7～9.9V，工作電流設(shè)計(jì)為100mA，其結(jié)構(gòu)為平行結(jié)構(gòu)，由3顆小芯片串聯(lián)集成的1顆芯片。筆者研究團(tuán)隊(duì)的直流高壓LED芯片結(jié)構(gòu)包括：芯片底部全反射層、藍(lán)寶石襯底、生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底上的N-GaN層、發(fā)光層MQW、P-GaN層、電流擴(kuò)展層（銦錫氧化物）、電極以及芯粒之間的溝道絕緣層（SWPV）和電極連接橋。同時(shí)，為提高芯片的出光效率，在芯片背面設(shè)計(jì)DBR全反射膜。芯片外形尺寸設(shè)計(jì)為：長(zhǎng)1200μm±30μm；寬450μm±30μm；厚度150μm±15μm，電極直徑為70μm±10μm。直流高壓LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。
根據(jù)上述芯片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在常規(guī)MOCVD工藝中，增加隔離槽刻蝕、電極連接橋蒸鍍及全反射層蒸鍍工藝，制備上述多芯片內(nèi)連接高壓直流LED芯片。
3.產(chǎn)品制備工藝流程
通常LED封裝工藝在點(diǎn)膠完成后，室溫自然沉淀一段時(shí)間后進(jìn)入烤箱固化成形，此種工藝因每片支架點(diǎn)膠先后順序、烤前放置時(shí)間不一致，加之熒光粉比重較大，導(dǎo)致每顆LED封裝器件的自然熒光粉沉淀程度也不一樣（沉淀差異性肉眼無法分辨），從而導(dǎo)致批色區(qū)良率較低。
為提升色區(qū)良率，在熒光粉點(diǎn)膠和封裝膠固化成形2工藝之間增加熒光粉離心沉淀工藝，以提高白光LED光色一致性。多芯片內(nèi)連接高壓直流白光LED封裝工藝流程圖如圖5所示。
三、多芯片內(nèi)連接高壓直流白光LED特性分析
為比較多芯片內(nèi)連接高壓直流1W白光LED封裝技術(shù)與常規(guī)1W白光LED（單顆芯片1W白光LED、2顆芯片集成1W白光LED、3顆芯片集成1W白光LED）封裝技術(shù)在光電參數(shù)、封裝工藝繁簡(jiǎn)、批合格率、可靠性等方面的優(yōu)劣勢(shì)，開展了4批次1W白光LED封裝生產(chǎn)，支架投產(chǎn)數(shù)量為100片（每片可投產(chǎn)LED器件576個(gè)）。
對(duì)投產(chǎn)的4批次產(chǎn)品從工藝繁簡(jiǎn)、生產(chǎn)耗時(shí)、批合格率、色區(qū)集中度、可靠性方面進(jìn)行對(duì)比分析如下。
①工藝繁簡(jiǎn)：較常規(guī)產(chǎn)品封裝，增加了一個(gè)離心沉淀工藝環(huán)節(jié)，增加了離心沉淀設(shè)備的一次性投入，但固晶、焊線工序較常規(guī)封裝簡(jiǎn)單，且合格率高。
②生產(chǎn)耗時(shí)：由于多芯片內(nèi)連接高壓直流1W白光LED使用單顆1W藍(lán)光LED芯片，且單顆產(chǎn)品的金線數(shù)量?jī)H為2條，固晶和焊線工序耗時(shí)大大減少，從而節(jié)省人工成本及水電費(fèi)等制造費(fèi)用。
③多芯片內(nèi)連接高壓直流1W白光LED的光通量維持率和色度維持率在投產(chǎn)的4批次產(chǎn)品中不是最佳，但綜合性能最佳。
④多芯片內(nèi)連接高壓直流1W白光LED是采用熒光粉離心沉淀技術(shù)生產(chǎn)的白光LED器件，其97.84%產(chǎn)品分布在兩個(gè)主色區(qū)范圍內(nèi)，色區(qū)集中度很高，大大提高了批量生產(chǎn)白光LED的色品批合格率，降低了烤膠工藝控制難度。
四、結(jié)語(yǔ)
多芯片內(nèi)連接高壓直流1W白光LED采用單顆內(nèi)連接高壓LED芯片封裝1W白光LED，并且在批量生產(chǎn)過程中采用了熒光粉離心沉淀技術(shù)，具有發(fā)光效率高、工藝控制簡(jiǎn)單、色品集中度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是還存在光通維持率和色品漂移的問題，還須進(jìn)行改善和進(jìn)一步研究。上述多芯片內(nèi)連接高壓LED芯片功率僅為1W，可考慮延展擴(kuò)大內(nèi)連接高壓LED芯片的正向電壓、功率，以拓展其應(yīng)用范圍；于熒光粉配制，在確保提升顯色指數(shù)的同時(shí)，不降低發(fā)光效率；可研究全光譜白光LED制備方法，提高白光LED照明的舒適性，降低藍(lán)光危害。（DOI：10.19599/j.issn.1008-892x.2018.11.012）
作者：劉芳嬌、熊新華、王琦、肖強(qiáng)、章玲涓
1. 江西聯(lián)創(chuàng)光電科技股份有限公司
2 江西聯(lián)融新光源協(xié)同創(chuàng)新有限公司
來源：新材料產(chǎn)業(yè)
