1993年世界上第一只GaN基蓝色LED问世以来,LED制造技术的发展令人瞩目。目前国际上商品化的GaN基LED均是在蓝宝石衬底或SiC衬底上制造的。但蓝宝石由于硬度高、导电性和导热性差等原因,对后期器件加工和应用带来很多不便,SiC同样存在硬度高且成本昂贵的不足之处,而价格相对便宜的Si衬底由于有着优良的导热导电性能和成熟的器件加工工艺等优势,因此Si衬底GaN基LED制造技术受到业界的普遍关注。
工艺流程:在金属支架/陶瓷支架上装配蓝光LED芯片(导电胶粘结工艺)→键合(金丝球焊工艺)→荧光胶涂覆(自动化图形点胶/自动喷射工艺)→Si胶封装(模具灌胶工艺)→切筋→测试→包装。
2.2 主要封装工艺
Si衬底的功率型GaN基LED封装采用仿流明的支架封装形式,其外形有朗柏型、矩形和双翼型。其制作过程为:使用导热系数较高的194合金金属支架,先将LED芯片粘接在金属支架的反光杯底部,再通过键合工艺将金属引线连接LED芯片与金属支架电极,完成电气连接,最后用有机封装材料(如Si胶)覆盖芯片和电极引线,形成封装保护和光学通道。这种封装对于取光效率、散热性能、加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点包括:热阻低(小于10 ℃/W),可靠性高,封装内部填充稳定的柔性胶凝体,在-40~120℃范围,不会因温度骤变产生的内应力,使金丝与支架断开,并防止有机封装材料变黄,引线框架也不会因氧化而沾污;优化的封装结构设计使光学效率、外量子效率性能优异,其结构见图2。
2.3 关键技术及创新性
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,现有的Si衬底的功率型GaN基LED芯片设计采用了垂直结构来提高芯片的取光效率,改善了芯片的热特性,同时通过增大芯片面积,加大工作电流来提高器件的光电转换效率,从而获得较高的光通量,也因此给功率型LED的封装设计、制造技术带来新的课题。功率LED封装重点是采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题。为达到封装技术要求,在大量的试验和探索中,分析解决相关技术问题,采用的关键技术和创新性有以下几点。
(1)通过设计新型陶瓷封装结构,减少了全反射,使器件获得高取光效率和合适的光学空间分布。
(2)采用电热隔离封装结构和优化的热沉设计,以适合薄膜芯片的封装要求。
(3)采用高导热系数的金属支架,选用导热导电胶粘结芯片,获得低热阻的良好散热通道,使产品光衰≤5%(1 000 h)。
(4)采用高效、高精度的荧光胶配比及喷涂工艺,保证了产品光色参数可控和一致性。
(5)多层复合封装,降低了封装应力,实施SSB键合工艺和多段固化制程,提高了产品的可靠性。
(6)装配保护二极管,使产品ESD静电防护提高到8 000 V。
3 产品测试结果
3.1 Si衬底LED芯片
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