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大功率白光LED的封装——大功率LED芯片

2023-10-07 10:03:55
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从实际应用的角度来看,安装使用简单、体积相对较小的大功率LED器件在大部分的照明应用中必将取代传统的小功率LED器件。对于由小功率LED组成的照明灯具,必须集中许多LED的光能才能达到设计要求,但带来的缺点是线路异常复杂,散热不畅。为了平衡各个LED之间的电流、电压关系,必须设计复杂的供电电路。相比之下,大功率单体LED的功率远大于若干个小功率LED的功率总和,供电线路相对简单,散热结构完善,物理特性稳定。所以说,大功率LED器件代替小功率LED器件成为主流半导体照明器件是必然的。但是,大功率LED器件并不能简单地套用传统的小功率LED器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率、大的发热量以及高的出光效率给LED封装工艺、封装设备和封装材料提出了更高的要求。

1、大功率LED芯片

要想得到大功率LED器件就必须制造合适的大功率LED芯片,国际上制造大功率LED芯片的方法有如下几种

①加大尺寸法。利用通过增大单体LED的有效发光面积和增大尺寸后促使流经TCL层的电流均匀分布而特殊设计的电极结构(一般为梳状电极),可以得到预期的光通量。但是,简单地增大发光面积无法解决散热问题和出光问题,并不能达到预期的光通量和实际应用效果。

②硅底板倒装法。首先制备出适合共晶焊接的大尺寸LED芯片,同时制备出相应尺寸的硅底板,并在硅底板上制作出用于共晶焊接的金导电层及引出导电层(超声金丝球焊点)。再利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊接在一起。这样的结构较为合理,既考虑了出光问题又考虑到了散热问题。这是目前主流的大功率LED的生产方式

Lumileds公司研制的AanN功率型倒装芯片( FC-LED),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50m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,露出N型层;经淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层,芯片尺寸为1mmx1mm,P型欧姆接触层为正方形,N欧姆接触层以梳状形式插入其中,这样可缩短电流扩展距离,把扩展电阻降至***小;然后将金属化凸点的 AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅载体上。

③陶瓷底板倒装法。先利用LED晶片通用设备制造出具有适合共晶焊接电极结构的大出光面积的LED芯片和相应的陶瓷底板,并在陶瓷底板上制作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起。这样的结构既考虑了出光问题也考虑到了散热问题,并且采用的陶瓷底板为高导热陶瓷板,散热效果非常理想,价格又相对较低,所以为目前较为适宜的底板材料,并可为将来的集成电路一体化封装预留安装空间。

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,再连接上传统的四元材料,制造出上下电极结构的大尺寸蓝光LED芯片

⑤ AlGaInN碳化硅(SiC)背面出光法。美国Cree公司采用SiC衬底制造的 AlGaInN/SiCa芯片结构经不断改进,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,单引线键合,兼容性较好,使用方便,因而成为 AlGaInN LeD发展的另一主流产品。

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