Download
1 / 28
280 likes | 553 Views
LED 的封装、检测与应用. 大功率 LED 封装. 大功率 LED 封装. 大功率照明级 LED 大功率 LED 支架 大功率 LED 芯片制造方法 大功率 LED 封装的散热 影响取光效率的封装要素. 大功率照明级 LED. 功率型 LED 分为功率 LED 和 W 级功率 LED 两种。功率 LED 的输入功率小于 1W( 几十毫瓦功率 LED 除外 ) ； W 级功率 LED 的输入功率等于或大于 1W 。 大功率 LED 单体的功率远大于或等于若干个单个 LED 小功率 LED 的总和，供电线路相对简单，散热结构完善，物理特性稳定。.
E N D
LED的封装、检测与应用 大功率LED封装
大功率LED封装 • 大功率照明级LED • 大功率LED支架 • 大功率LED芯片制造方法 • 大功率LED封装的散热 • 影响取光效率的封装要素
大功率照明级LED • 功率型LED分为功率LED和W级功率LED两种。功率LED的输入功率小于1W(几十毫瓦功率LED除外)；W级功率LED的输入功率等于或大于1W。 • 大功率LED单体的功率远大于或等于若干个单个LED小功率LED的总和，供电线路相对简单，散热结构完善，物理特性稳定。 大功率LED分为单芯片大尺寸和多芯片小尺寸组合两种。
制造大功率LED的关键问题 • 散热 • 光衰 1、封装结构要有高的取光效率 2、热阻要尽可能低，这样才能保证功率LED的光电性能和可靠性。 因此，管壳及封装是其关键技术，功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等。 解决方案
金属复合材料基板 大功率LED支架 目前常见的基板种类有： • 硬式印刷电路板 • 高热导系数铝基板 • 陶瓷基板 • 软式印刷电路板 • 金属复合材料等 铜基板
大功率LED支架 陶瓷基板（平面型支架）： 材质组成：陶瓷材质——96%氧化铝陶瓷； 导体层——99.8%铜箔； 铜/陶瓷采用高温键合工艺，结合层为铜铝尖晶石结构；不含铅、铬、汞等环保标准禁止成分。由陶瓷烧结而成得LED基板，有散热性佳、耐高温、耐潮湿等优点。但是价格高出传统基板数倍，所以至今仍不是散热型基板主要组件，但若不考虑价格因素，陶瓷基板是为最佳首选。
LED铝基板 铝基板PCB由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层组成。电路层要求具有很大的载流能力，从而应使用较厚的铜箔，厚度一般35μm~280μm;导热绝缘层是PCB铝基板核心技术所在，它一般是由特种陶瓷填充的特殊的聚合物构成，热阻小，粘弹性能优良，具有抗热老化的能力，能够承受机械及热应力。 大功率LED支架
大功率LED芯片制造方法 1、加大尺寸法 通过增大单颗LED的有效发光面积，和增大尺寸后促使得流经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）之改变以求达到预期的光通量。但是，简单的增大发光面积无法解决根本的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。
大功率LED芯片制造方法 2、硅底板倒装法 美国LumiLeds公司2001年研制出了AlGaInN功率型倒装芯片结构，以硅载体为热沉。 具体做法为：第一步，在外延片顶部的P型GaN：Mg淀积厚度大于500A的NiAu层，用于欧姆接触和背反射；第二步，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；第三步，淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层，芯片尺寸为1×1mm2，P型欧姆接触为正方形，N欧姆接触以梳状插入其中，这样可缩短电流扩展距离，把扩展电阻降至最小；制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸LED芯片。同时制备出相应尺寸的硅底板，并在上制作出提供共晶焊接的金导电层及引出导电层（超声金丝球焊点）。第四步，利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片将金属化凸点的AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管（ESD）的硅载体上。这样的结构较为合理，即考虑了出光问题又考虑到了散热问题。
大功率LED芯片制造方法 3、陶瓷底板倒装法 Lamina Ceramicsl开发的金属低温共烧陶瓷(LTCC—M)的多层印刷电路板制造技术，实现了LED封装导热性能的突破。 先制备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，并在上制作出共晶焊接导电层及引出导电层。之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，散热的效果非常理想，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化一体封装伺服电路预留下了安装空间）。
大功率LED芯片制造方法 4、微泵浦结构 微泵浦系统散热性能优于散热管和散热片。 在封闭系统中，水在微泵浦的作用下进入了LED的底板小槽吸热，然后又回到小的水容器中，再通过风扇吸热。图3示出这种微泵浦结构。它能将外部热阻降为O．192K／W．并能进行封装。这种微泵结构的制冷性较好．但如前两种结构一样，若内部接口的热阻很大，则其热传导就会下降．而且结构也较复杂。
大功率LED芯片制造方法 5、蓝宝石衬底过渡法（剥离法） 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。 6、AlGaInN/碳化硅（SiC）背面出光法 美国Cree公司是采用SiC衬底制造AlGaInN超高亮度LED的全球唯一厂家，几年来AlGaInN/SiCa芯片结构不断改进，亮度不断提高。由于P型和N型电极分别在芯片的底部和顶部，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。
大功率LED芯片制造方法 7、多芯片组合集成封装的大功率LED Norlux系列功率LED的封装结构为六角形铝板作底座(使其不导电)的多芯片组合，底座直径31.75mm，发光区位于其中心部位，直径约(0.375×25．4)mm，可容纳40只LED管芯，铝板同时作为热沉。管芯的键合引线通过底座上制作的两个接触点与正、负极连接，根据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目，可组合封装的超高亮度的AlGaInN和AlGaInP管芯，其发射光分别为单色，彩色或合成的白色，最后用高折射率的材料按光学设计形状进行包封。这种封装采用常规管芯高密度组合封装，取光效率高，热阻低，较好地保护管芯与键合引线，在大电流下有较高的光输出功率。
大功率LED芯片制造方法 8、超大功率芯片（多芯片模组） 利用多种芯片组装技术和倒装焊技术，将一个或者多个LED芯片、信号控制芯片与防静电芯片通过工艺集成和组装，形成一个大的可以防静电、可以控制的LED模组。其中LED芯片，可以是不同波长，不同尺寸的LED芯片，跟进客户的设计需求，倒装于不同尺寸、不同形状、不同材质的底板上面，省略繁复的封装工序，一次性解决LED的散热问题，同时满足终端产品的小型化的设计需求。
大功率LED芯片制造方法 部分模组参数
大功率LED封装的散热 对于大功率LED，由于结温的上升会使PN结发光复合的几率下降，发光二极管的亮度就会下降。同时，由于热损耗引起的温升增高，发光二极管亮度将不再继续随着电流成比例提高，即显示出热饱和现象。另外，随着结温的上升，发光的峰值波长也将向长波方向漂移，这对于通过由蓝光芯片涂覆YAG荧光粉混合得到的白色LED来说，蓝光波长的漂移，会引起与荧光粉激发波长的失配，从而降低白光LED的整体发光效率，并导致白光色温的改变。 大功率LED封装，要根据LED芯片来选用封装的方式和相应的材料。如果LED芯片已倒装好，就必须采用倒装的办法来封装；如果是多个芯片集成的封装，则要考虑各个芯片正向、反向电压是否比较接近，以及LED芯片的排列、热沉散热的效果、出光的效率。
散热技术 采用低阻率、高导热性能的材料粘结芯片；在芯片下部加铜或铝质热沉，并采用半包封结构，加速散热；甚至设计二次散热装置，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，在硅橡胶承受的温度范围内(-40℃～200℃)，胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路，也不会出现变黄现象。 减少热阻抗、改善散热问题的具体内容分别是： ① 降低芯片封装热阻抗。 ② 抑制封装至印制电路基板的热阻抗。 ③ 提高芯片散热顺畅性。 铜与陶瓷材料制成的散热鳍片表面，用焊接方式将印制电路板上散热用导线连接到利用冷却风扇强制空冷的散热鳍片上。 大功率LED封装的散热
大功率LED封装的散热 热沉材料的选择 无论从经济的角度还是从制造工艺的角度考虑，铜和铝都是最好的热沉材料。但是铜和铝含有不少的合金，各种合金的导热系数相差较大，所以在选择铜或铝作为热沉时，要看具体的合金成分，这样才有利于确定最终的热沉材料。 同样也可选择其他的材料作为热沉，效果也是不错的。例如选择银或在铜上镀一层银，这样的导热效果更好。导热的陶瓷、碳化硅也都可以用做热沉，而且效果也很好。
大功率LED封装的散热 各种合金的导热系数表
大功率LED封装的散热 散热器的设计 通常LED是采用散热器自然散热，散热器的设计分为三步 1、根据相关约束条件设计处轮廓图； 2、根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化； 3、进行校核计算。 考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉,影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm,如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。 自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。 自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。 由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击，建议大于5mm以上。
大功率LED封装的散热 • 热参数的测量 • 热阻概念 • 由PN结组成的发光二极管，当正向电流从PN结流过时，PN结有发热损耗，这些热量经由粘结胶、灌封材料、热沉等，辐射到空气中，在这个过程中每一部分材料都有阻止热流的热阻抗，也就是热阻，热阻是由器件的尺寸、结构及材料所决定的固定值。 式中RJX是待测器件PN结到指定环境之间的热阻；TJ是测试条件稳定时的待测器件的结温；Tx是指定环境的参考温度；PH是待测器件的耗散功率。 式中TJ0是待测器件未施加加热功率前的初始结温；△TJ称为温升，是因施加加热功率引起的结温变化量；K称为温敏参数，是定义△TJ与△TSP之间关系的常量；△TSP是温度敏感参数值的变化量。
大功率LED封装的散热 结温的测量
大功率LED封装的散热 结温的测量可分为以下几个步骤：1）将测量电流IM正偏置加到待测LED两端，测得正向结压降VF1；2）加热电流IH取代IM加到待测LED两端，加热一定时间tH待LED趋于稳定状态时，测得正向结压降VH，并得到耗散功率PH； 3）IM迅速取代IH加到待测LED两端，并测得正向结压降VFF。 将所测数据代入式 可得到待测LED的结温。
大功率LED封装的散热 温度传感器的灵敏度系数K的测量 测量条件：K值的测量必须在恒温控制环境下进行,在不同的 温度下测量相应的VF。VF的测量必须等到VF和环 境温度都达到稳定后才进行。 测量步骤： 首先使测试环境温度稳定在一个低温值Tlow,通常接近室温值,记录测得Vlow的数据。 然后将环境温度升高到一个高温值Thigh,一般不超过100℃,等待系统稳定后测得Vhigh数据。可根据下式可计算K值：
大功率LED封装的散热 热阻的计算 普通LED与大功率LED的热阻参考值对比
大功率LED封装的光衰 1、填充胶的选择根据折射定律，光线从光密介质入射到光疏介质时，会发生全发射。以GaN蓝色芯片来说，GaN材料的折射率是2.3，当光线从晶体内部射向空气时，临界角θ0=sin-1（n2/n1）其中n2等于1，即空气的折射率，n1是GaN的折射率，由此计算得到临界角θ0约为25.8度。在这种情况下，能射出的光只有入射角≤25.8度这个空间立体角内的光，据报导，目前GaN芯片的外量子效率在30％－40％左右，因此，由于芯片晶体的内部吸收，能射出到晶体外面光线的比例很少。 所以，为了提高LED产品封装的取光效率，必须提高n2的值，即提高封装材料的折射率，以提高产品的临界角，从而提高产品的封装发光效率。同时，封装材料对光线的吸收要小。为了提高出射光的比例，封装的外形最好是拱形或半球形，这样，光线从封装材料射向空气时，几乎是垂直射到界面，因而不再产生全反射。
大功率LED封装的光衰 2、反射处理反射处理主要有两方面，一是芯片内部的反射处理，二是封装材料对光的反射，通过内、外两方面的反射处理，来提高从芯片内部射出的光通比例，减少芯片内部吸收，提高功率LED成品的发光效率。从封装来说，功率型LED通常是将功率型芯片装配在带反射腔的金属支架或基板上，支架式的反射腔一般是采取电镀方式提高反射效果，而基板式的反射腔一般是采用抛光方式，有条件的还会进行电镀处理，但以上两种处理方式受模具精度及工艺影响，处理后的反射腔有一定的反射效果，但并不理想。目前国内制作基板式的反射腔，由于抛光精度不足或金属镀层的氧化，反射效果较差，这样导致很多光线在射到反射区后被吸收，无法按预期的目标反射至出光面，从而导致最终封装后的取光效率偏低。
大功率LED封装的光衰 3、荧光粉选择与涂覆对于白色功率型LED来说，发光效率的提高还与荧光粉的选择和工艺处理有关。为了提高荧光粉激发蓝色芯片的效率，首先荧光粉的选择要合适，包括激发波长、颗粒度大小、激发效率等，需全面考核，兼顾各个性能。其次，荧光粉的涂覆要均匀，最好是相对发光芯片各个发光面的胶层厚度均匀，以免因厚度不均造成局部光线无法射出，同时也可改善光斑的质量。
