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        10 W COB 集成LED 光源的性能分析*

        2013-12-22 06:06:10鄭康定
        電子器件 2013年2期

        郭 瑜 ,鄭康定,陳 飛

        (1.北京宇極科技發(fā)展有限公司,北京100081;2.寧波康強電子股份有限公司,浙江 寧波315104;3.浙江中物九鼎科技孵化器有限公司,浙江 寧波315100)

        由于大功率LED 光源的迅速發(fā)展,使LED 光源已經(jīng)開始跨入了廣闊的照明市場,廣泛應(yīng)用在室內(nèi)外照明、汽車光源、舞臺、攝影攝像等照明領(lǐng)域。國內(nèi)外廠商積極開展各種大功率型LED 封裝,例如采用高導(dǎo)熱金屬材料及陶瓷材料作為基板等。應(yīng)用于照明市場的LED 光源對于壽命及可靠性的要求更加嚴(yán)格,因此其封裝結(jié)構(gòu)必須能夠適應(yīng)高電流密度帶來的極高熱應(yīng)力,避免可能造成晶片損壞、樹脂或硅膠黃化、金線斷裂及脫層等現(xiàn)象,因此如何降低大功率LED 的封裝熱阻技術(shù),成為一項重要的研究課題[1-4]。大功率LED 的熱管理對其長期的可靠性起著關(guān)鍵的作用,必須采用新的封裝技術(shù),尋找性能優(yōu)良的封裝材料,在結(jié)構(gòu)和工藝等方面對器件的熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

        1 樣品的制備

        我們通過對LED 基板、LED 芯片[5]、焊料等封裝原材料進(jìn)行合理選擇以及對封裝結(jié)構(gòu)和工藝的有效改善,來提高大功率LED 的可靠性。

        對于芯片我們選擇垂直結(jié)構(gòu)LED 芯片,它的兩個電極分別在LED 外延層的兩側(cè),通過圖形化的N電極,使得電流幾乎全部垂直流過LED 外延層,橫向流動的電流極少,可以避免正裝結(jié)構(gòu)的電流擁擠問題,提高發(fā)光效率,同時也解決了P 極的遮光問題,提升了LED 的發(fā)光面積。

        對于基板我們采用DLC 鋁基板作為LED 器件的基板,DLC 鋁基板是以類金剛石薄膜DLC(Diamond Like Carbon)取代常規(guī)鋁質(zhì)印刷電路板上的環(huán)氧樹脂絕緣層,環(huán)氧樹脂的熱傳導(dǎo)系數(shù)(0.5 W/(m·K))比鋁(275 W/(m·K))低數(shù)百倍,LED 芯片產(chǎn)生的熱久聚難散。DLC 的熱傳導(dǎo)系數(shù)(500 W/(m·K))比銅(400 W/(m·K))還要高,因為可以達(dá)到顯著的冷卻效果。另外DLC 具備極佳的熱擴散性、熱均勻性、高崩潰電壓和高電阻等理想絕緣材料的性能,有效提升了大功率LED 產(chǎn)品的壽命與可靠性,提升了光輸出強度及降低光衰減情形。

        隨著LED 光源功率的增大,需要將多個LED芯片集成封裝,COB 封裝就是將多顆LED 芯片直接封裝在基板上,以強化LED 的散熱性能,解決大功率封裝所產(chǎn)生的高熱量。它的優(yōu)勢為低熱阻、低封裝成本及單一封裝體的高流明輸出[6]。

        我們選擇背面蒸鍍有3 μm 厚AuSn 的LED 芯片,而DLC 基板的電極表面鍍了3 μm 厚的Au,這樣芯片和基板之間就可以直接采用AuSn 共晶焊接的方式來粘接。AuSn 共晶焊接可實現(xiàn)大功率LED中芯片與基板的高效聯(lián)接,可以極大地提升大功率LED 器件對散熱的要求,其具有熱導(dǎo)率高、阻抗小、傳熱快、可靠性強、粘接后剪切力大等優(yōu)點。

        LED 芯片固晶后,利用KS 焊線機進(jìn)行自動焊線、實現(xiàn)芯片之間和芯片與基板之間的電極互聯(lián)。我們在基板上焊接了4 顆45×45 mil 的芯片,以實現(xiàn)10W 的電功率輸出。芯片之間采用全串聯(lián)方式連接,根據(jù)需要也可以采用先串后并的方式。芯片焊線后接著是點熒光粉膠、灌封、蓋透鏡等常規(guī)封裝工藝。

        圖1 是10 W COB 集成LED 光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖,圖2 是它的實物照片。

        圖1 10 W COB 集成LED 光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

        圖2 10 W COB LED 光源的實物照片

        2 樣品的測試與分析

        我們制備了一系列的10 W COB 集成LED 光源樣品,采用杭州中為公司的ZWL-3900T 集成模組分光分色測試系統(tǒng)對該系列樣品進(jìn)行光色電性能測試,測試條件為環(huán)境溫度Ta=25 ℃,樣品工作電流為I=700 mA。目前國內(nèi)封裝企業(yè)制作的10 W COB 光源多是采用9 顆小尺寸芯片3×3 陣列,我們采用4 顆大尺寸芯片2×2 陣列,這樣可以降低制造成本和工藝難度,提高成品率,同時通過減少芯片相互之間的熱影響可以提高產(chǎn)品性能,具體的光色電性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計見下表1。

        表1 10 W LED 光源的光電參數(shù)

        圖3 是10 W 高顯指樣品光源的典型光譜曲線。我們在黃粉中加入綠粉和紅粉以獲得高顯指的LED產(chǎn)品,所以在圖3 中黃色熒光粉的發(fā)射光譜中增加了峰值波長為530 nm 和640 nm 的綠光和紅光成分,使得LED 器件的色溫降低而顯色指數(shù)大大提高。

        圖3 10 W 暖白光源樣品的光譜分布曲線

        我們也測試了不同環(huán)境溫度下的樣品光通量輸出,結(jié)果如圖4 所示,樣品的光通量輸出大小隨著環(huán)境溫度的升高近似呈線性下降關(guān)系。

        圖4 相對光通量輸出與環(huán)境溫度關(guān)系曲線圖

        圖5 是LED 樣品的正向電壓隨正向電流變化的關(guān)系曲線圖,我們采用杭州遠(yuǎn)方公司的LED626分布光度計進(jìn)行測試,從圖5 中可以看出當(dāng)IF=700 mA 時,VF=14 V。

        圖5 正向電壓與正向電流關(guān)系曲線圖

        對于樣品的發(fā)光角度,我們采用杭州遠(yuǎn)方的LED626 分布光度計進(jìn)行測試,測試條件為樣品工作電流I=350 mA,測得的光強與角度的分布曲線如圖6 所示,可見樣品的發(fā)光角度2θ1/2=100°。通過改變一次透鏡的形狀和尺寸,可以實現(xiàn)60° ~160°不同的發(fā)光角度。

        圖6 相對發(fā)光強度與發(fā)光角度關(guān)系曲線圖

        LED 器件的熱阻測試通常采用電學(xué)測試法,測試原理和方法見參考文獻(xiàn)[7-10]。對于10 W LED 樣品,我們采用匈牙利Micred 公司的t3ster 熱阻儀進(jìn)行熱阻測試,測試條件為環(huán)境溫度Ta=25 ℃,預(yù)熱電流I=1 mA,樣品工作電流I=700 mA。我們在散熱器上先涂抹一層導(dǎo)熱脂,然后將樣品固定在散熱器上開始測試。從圖7 中包含熱阻和熱容信息的結(jié)構(gòu)函數(shù)圖中可以明顯看出,曲線中最后一個平臺是導(dǎo)熱脂的熱阻值,樣品LED 器件的實際熱阻值Rth=4.6 K/W。

        圖7 10 W LED 光源的熱阻和熱容結(jié)構(gòu)函數(shù)

        蘇志剛等[11]對不同銀膠固晶材料和共晶工藝的熱阻進(jìn)行過測量與對比,發(fā)現(xiàn)采用銀膠固晶得到的LED 封裝產(chǎn)品的熱阻為8.9 K/W,而采用金錫共晶工藝固晶得到的同類LED 產(chǎn)品的熱阻則降為6.0 K/W。即使高熱率銀膠的熱導(dǎo)率也僅為25 W/(m·K)~28 W/(m·K),而金錫合金的熱導(dǎo)率可達(dá)57 W/(m·K)。我們的試驗數(shù)據(jù)也驗證了使用金錫共晶工藝可以有效地降低器件熱阻值,同時也說明我們的LED 器件的封裝結(jié)構(gòu)比較合理,可以有效地將熱排出去,減少結(jié)溫上升引起的器件性能下降。

        3 結(jié)論

        隨著大功率LED 光源逐漸應(yīng)用到一般照明市場上,如何提升大功率LED 器件結(jié)構(gòu)的散熱問題,已成為國內(nèi)外LED 廠商共同努力的方向。我們選擇垂直結(jié)構(gòu)LED 芯片和高導(dǎo)熱DLC 鋁基板,采用金錫共晶焊接工藝和COB 封裝結(jié)構(gòu),可有效提升大功率10 W LED 光源的封裝品質(zhì),達(dá)到低熱阻封裝設(shè)計的要求。

        [1] 劉紅,趙芹,蔣蘭芳,等.集成式大功率LED 路燈散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].電子器件,2010,33(4):481-484.

        [2] 田大壘,關(guān)榮鋒,王杏.新型封裝材料與大功率LED 封裝熱管理[J].電子元件與材料,2007,26(8):5-7.

        [3] 蘇達(dá).大功率LED 封裝散熱性能的若干問題研究[D]. 中國:浙江大學(xué),2008.

        [4] 劉雁潮,付桂翠,高成,等. 照明用大功率LED 散熱研究[J].電子器件,2008,31(6):1716-1719.

        [5] 劉志強,王良臣. 正裝、倒裝結(jié)構(gòu)GaN 基LED 提取效率分析[J].電子器件,2007,30(3):775-778.

        [6] 姜斌,宋國華,繆建文,等.基于板上封裝技術(shù)的大功率LED 熱分析[J].電子元件與材料,2011,30(6):48-52.

        [7] 高玉琳,呂毅軍,陳忠.結(jié)構(gòu)函數(shù)在大功率LED 熱阻測試中的應(yīng)用[J].半導(dǎo)體光電,2008,29(3):329-331.

        [8] 中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部.SJ 20788—2000 半導(dǎo)體二極管熱阻抗測試方法[S].北京:電子工業(yè)出版社,2000.

        [9] 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 14862—93 半導(dǎo)體集成電路封裝結(jié)到外殼熱阻測試方法[S].北京:電子工業(yè)出版社,1994.

        [10] 王偉,王萬良,潘建根,等.大功率LED 參考熱阻測試系統(tǒng)研究與分析[J].液晶與顯示,2009,24(2):294-298.

        [11] 蘇志剛,林錦波.大功率LED 熱阻問題的探討[C]//第十一屆全國LED 產(chǎn)業(yè)與技術(shù)研討會論文集,中國:光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會出版社,2008:138-141.

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