一种通用低成本大功率高亮度LED封装技术[2]

　　5 　工艺控制

　　5. 1 　硅基板

　　本封装结构采用电阻率 > 10Ω·cm 的 N 型硅衬底 ,硅片厚度为 200 μm ,芯片面积 1. 2 ×1. 5(mm²) 。

　　5. 2 　P型基区扩散及电压保护

　　为了保持双向保护电压对称,采用横向对称的N+PN+三极管结构,保护电压为此三极管的 C-E击穿电压,P 型基区的电阻率决定保护电压。在工艺中,保护电压控制在适当水平;试验中,控制在4. 5～5. 5 V。

　　5. 3 　金凸点制作

　　兼顾高热传导、低成本 ,选用金丝球焊机制作金球凸点。选用适当的金丝、烧球功率和时间 ,可得需要的金球直径和高度。实验中,金球的直径取100μm ,高度取50μm。

　　5. 4 　热沉选择

　　本封装采用低热膨胀系数、高热导率的过渡热沉,同时,在铜(铝) 基板粘结倒装芯片(FCL ED) 位置,先镀上一层银,以保证良好焊接。

　　6　分析比较

　　6. 1 　热膨胀匹配性能比较

　　常规金球凸点倒装LED芯片(GaN2Au2Si 结构) :

　　LED芯片一侧的失配率 :

　　采用本文提出的结构(GaN2In2Au2Si 结构) :

　　LED 芯片一侧的失配率 :

　　从以上计算可看出,采用新结构,对LED芯片性能影响最大的 LED 芯片一侧 ,失配率下降了41 %。1. 75 %的失配率在高低温过程中 ,基本不会因为冷热冲击应力造成LED晶格缺陷。从而保证了基板结构的在冷热冲击更加稳定。

　　6. 2 　热阻计算

　　用 1 W 的 LED ,芯片面积 1 mm ×1 mm ,做 9个凸点 ,金凸点直径 120μm ,高度为 50μm ;铟层厚度 5μm ,硅片厚度 200μm。常规金球大功率倒装LED 选用铅(37 %) 锡(63 %) 焊料。采用一维热导近似法:

　　热导率:

　　常规金球凸点倒装 LED 芯片 ( GaN2Au2Si2银浆2热沉结构) :

　　采用本文的结构(GaN2In2Au2Si2In2热沉结构) :

　　从以上可看出,采用新结构后,热阻降低了0. 84K/W。很明显,采用本文提出的结构,热阻有所降低,热膨胀匹配得到极大改善。在 LED照明使用过程中,冷热变换频繁,热匹配好 ,L ED 芯片内部结构稳定,寿命得到很大提高。

　　7 试验结果

　　LED 的热传导和膨胀匹配性采用测光衰的方法来验证。图4和图5分别为点亮前后的 1W 大功率LED样品。

　　图4 点亮前的1W大功率LED样品

　　图5 点亮后的1W大功率LED样品

　　对本文采用的大功率 LED 的封装结构进行光衰测试,在LED点亮后进行测试(图5) ,结果如图6所示。光通量在LED 点亮后很快达到稳定,3h 后再测试光通量 ,结果如图 7 所示。之后 ,每天开关 3次(上 8∶30 开,12 00 关;下午2∶30 开 ,5∶30关 ,晚上 7∶00 开,10∶30 关) ,每天的11∶30 测试一次光通量,得到的结果列于表1。

　　图6 大功率 LED 光衰测试结果

　　图7 大功率LED点亮后3h 的光衰测试结果

　　表1 大功率 LED 测试结果

　　8　结论

　　从以上实验可以看出 ,采用本结构封装的大功率 LED ,在很短的时间内便达到稳定 ,光通量基本保持不变;通过多次开关,证明因热应力导致的光衰没有出现。

　　试验结果表明,封装设计结构适用、工艺简便、器件特性稳定、可靠性良好。在硅基板上制造双向对称浪涌电流限制和静电保护电路(三极管) ,有效地利用了硅基板材料,符合国内应用环境,降低了成本。

　　采用金球凸点和低热膨胀系数、高热导率的过渡热沉 ,保证了器件特性 ,工艺简便易行 ,重复性好 ,可靠性高。

　　由于本封装技术利用硅片良好的平整性和集成性 ,以及硅片和热沉的良好热膨胀匹配特性 ,因此很好地解决了大功率 LED 的散热和静电保护问题 ,提高了器件的寿命。该技术也可以非常容易地实现L ED 多芯片集成封装 ,是一种低成本、通用性、大功率、高亮度的 LED 封装技术。

编辑：Cedar