真明丽封装推出LED高端大功率产品

真明丽封装推出LED高端大功率产品—陶瓷覆晶系列XB35 XB50
2012-9-27 14:17:02 真明丽封装研发中心刘英杰、殷仕乐、郑朝曦行业:其它浏览

　　众所周知，热阻的大小直接影响到LED的散热性能，如果不能有效的控制LED散热的话，LED的发光效率就会显著的下降，并最终可能导致失效。
LED封装技术目前主要往高发光效率、高可靠性、高散热能力与薄型化四个方向发展，研发低热阻、优异光学特性、高可靠的封装技术是新型LED走向实用、走向市场的产业化必经之路。

　　功率型LED工作时产生的热量会使晶片温度升高。如果LED的散热问题处理不好，就有可能使晶片温度升高到超过所允许的最高结温，从而导致LED的性能退化或失效。

　　大功率LED封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到LED的使用性能和寿命，一直是近年来的研究热点。

　　LED散热途径

　　不同的封装方式与技术，其散热方法有所不同，而LED各种散热途径方法如图一所示：

　　散热途径说明：

　　① 从空气中散热;

　　② 热量直接由System circuit board导出;

　　③ 经由金线将热量导出;

　　④ 若为共晶及Flip chip制程，热量将经由芯片至基板导出。

　　然而，现阶段的散热瓶颈，多数发生在将热量从LED晶片传导至其基板再到系统电路板为主。此部分的可能散热途径：

　　其一为直接由晶片基板传导至系统电路板(如图一途径②所示)，在此散热途径里，其LED晶片基板材料的热散能力是很重要的参数。

　　其二，LED所产生的热也会经由电极金属导线至系统电路板，一般而言，利用金线方式做电极Bond下，散热受金属线本身较细长的几何形状而受限(如图一途径③所示);因此，开发共晶 (Eutectic) 或覆晶(Flip chip)接合方式将大幅减少导线长度，并大幅增加导线截面积，如此一来，由LED电极导线至系统电路板的散热效率将有效提升(如图一途径④所示)。

　　结面温度与发光效率的关系

　　随着LED照明进入市场，高功率LED的散热问题越来越受到重视，因为过高的温度会导致LED发光效率降低。LED工作时所产生的热量若无法及时有效地散出，将会使LED结面温度过高，进而影响产品的生命周期、发光效率、稳定性，甚至对LED的寿命造成致命性的影响。图二为LED结面温度与发光效率的关系图，当结面温度由25℃上升至100℃时，其发光效率将会衰退20%到75%不等。此外，当Tj温度由63℃升到74℃时，LED平均寿命将会减少3/4。因此，要提升LED的发光效率，必须要解决散热问题。

　　LED的热阻

　　热阻代表半导体器件本身的热传递性能。与电阻类比，我们可以得到，热阻的物理意义是表示热传递路径上的阻力。通常将两个节点间单位热功率输运( )所产生的温度差( )定义为这两个节点间的热阻，单位为℃/W，其数学表达为：

　　从表达式中我们能看出，热阻越大，散热能力就越差。很明显，怎样有效的降低热阻，是LED封装中散热问题的关键。

　　LED结温对光通量的影响

　　在LED的工作过程中，其光输出对于器件的结温有明显的依赖性，随着结温的不断升高，其光强逐渐减小，发光性能越来越差。光通量与结温的关系式为：

　　真明丽Ceramic+filp chip产品介绍

　　通过前面阐述，LED热阻及结温是影响LED出光效率及寿命的两个关键因素，相反的，当LED的热阻降低以及LED工作时结温较低时，LED将拥有更好的出光效率以及更长的寿命。因此要提高LED的出光效率以及降低热阻及结温以便提高LED的可靠性上面，必须寻找一种有着高导热系数以及与晶片近似的热膨胀系数的材料作为LED散热基板成为了一种研究方向。同时由于LED产生的90%热量都是向下走，基于散热考虑，研究表明陶瓷基板线路对位精确度高，并且陶瓷基板具有与晶片有着接近的热膨胀系数与高耐热能力，有效的解决了热歪斜与高温制程，为业界公认导热与散热性能极佳材料，被大量的使用于功率型LED。

　　当前主流的Ceramic产品几种常见制程介绍：

　　第一种如下：

　　此种制程方式制备的LED与传统的方式几乎一致，不同的是传统大功率采用的是金属热沉，而这里采用的是陶瓷散热基板，很重要的白光制程依然采用传统的点胶方式。

　　第二种如下：

　　此种方式制备的LED引入了与传统点胶制程不同的喷粉制程，喷粉制程对白光的一致性以及光源出光效率及光斑效果均有一定改善与提升。

　　以上两种制程方案始终没有在焊线制程做出改变，经过长期的研究与分析，Bond Wire结构模式在很大程度上影响LED的可靠性。当前LED死灯原因大致可分为两种：一种是晶片本身失效，造成此类原因有静电击穿、漏电、散热不良等;另一种则是连接晶片的导线(金线)开路，造成此类原因很大程度上是由于Bond Wire过程中留下的隐患以及Bond Wire本身的结构缺陷造成，如：焊线参数不当，瓷咀使用时间过长或发生破损不被及时发现等等。

　　同时因为LED是不同材料组合一起的封装体，在比较恶劣的环境下(如我国北方地区昼夜温差较大)使用时会因各个材料的热膨胀系数不同以及附着能力的影响造成LED引线断开造成开路引起LED失效。

　　基于改善上述两个方案最大的不足，下面引入一个新制程方案。

　　Flip chip介绍

　　LED封装技术主要是往高发光效率、高可靠性、高散热能力与薄型化发展。从晶片来看，目前最普遍的是水平式晶片,水平式LED使用蓝宝石基板，散热能力较差，且在高电流驱动下，光取出效率下降幅度也较大。而比较高端的厂商则研发垂直式晶片与覆晶型晶片，覆晶型晶片为缩短晶片到基板的距离创造了条件，同时采用的是AuSn合金共晶，这大大的减小了晶片到散热基板之间的热阻，从而提高LED的可靠性。

　　传统晶片与Flip chip结构对比

　　覆晶型(Flip chip)晶片的优势在于：

　　1. 晶片出光效率比传统晶片高;

　　2. 热阻低，散热好，光衰小;

　　3. 不用Bond Wire，可靠性高;

　　4. 可大电流驱动与冲击，高电流状态下仍有较好的出光效率

　　第三种制程如下：

　　此种制程区别于前两种制程最大的不同是采用了Flip chip制程，此种制程采取了倒装结构的晶片，这大大的提高了晶片的出光效率。同时由于采用了倒装晶片，这取消了Bond Wire 环节消除了LED使用过程中连接晶片的引线开路的风险;同时由于采用的是AuSn共晶制程，这大大的降低了晶片到散热基板之间的热阻以及LED工作时的结温Tj，从而提高LED的可靠性以及寿命。

　　一般而言，LED发光时所产生的热能若无法导出，将会使LED结面温度过高，进而影响产品生命周期、发光效率、稳定性。

　　通过前面的叙述，可知LED封装的方式与材料搭配对LED的可靠性与寿命有着密切的联系，为了提高产品的可靠性及寿命，真明丽当前功率型LED封装主要采用Ceramic+filp chip模式。

　　制程工艺如下：

　　内部结构及外观如图：

　　真明丽Ceramic and Flip-chip的光电参数及可靠性

　　真明丽目前生产的Ceramic and Flip-chip产品在普朗克黑体轨迹5600K附近、Ra>75时的光效已经突破了125lm/W，下表中为一组测试数据：

　　真明丽集团封装研发中心一直以来都将LED的可靠性、寿命及稳定性作为研究方向，下面为一组有关真明丽目前Ceramic and Flip-chip产品XB35与国内某知名厂家仿流明1W大功率的可靠性、寿命及稳定性的测试报告。

　　真明丽Ceramic and Flip-chip XB35与国内某知名厂家仿流明1W大功率在Ta=25℃/350mA 6048hrs老化光衰对比曲线如下图：

　　真明丽Ceramic and Flip-chip XB35 与国内某知名厂家仿流明1W大功率在Ta=25℃/350mA 6048hrs老化后,电压变化状况、光通量保持率、X/Y坐标漂移如下图示：

　　真明丽Ceramic and Flip-chip XB35 与国内某知名厂家仿流明1W大功率在做可靠性试验-冷热冲击(-40℃30min~100℃30min循环)的结果对比如下表：

项目	实验条件	实验型号	实验数量（pcs）	死灯数量（pcs）	判定
冷热冲击测试	50次	XB35	22	0	OK
	50次	仿流明1W	22	0	OK
	100次	XB35	22	0	OK
	100次	仿流明1W	22	6	NG
	200次	XB35	22	0	OK
	200次	仿流明1W	22	14	NG
	500次	XB35	22	0	OK
	500次	仿流明1W	22	18	NG

　　真明丽Ceramic and Flip-chip产品XB35通过与国内某知名厂家的当今主流的功率型LED仿流明1W在Ta=25℃/350mA 6048hrs老化后对比结果得知：真明丽XB35的光输出维持率仍有97.3%，而仿流明1W仅剩下的58.6%;同时XB35的电压变化及色漂移现象极小，而仿流明1W电压变化幅度大、色漂移严重。同时Ceramic and Flip-chip产品XB35经过冷热冲击(-40℃30min~100℃30min循环)500次仍表现完好，而仿流明1W大功率冷热冲击不到100次即存在死灯现象，当 500次时基本失效。由上述实验结果可知Ceramic and Flip-chip产品在可靠性、寿命及稳定性上表现得非常优异，从而为此类产品应用于高端照明领域，如商业照明、市政工程等奠定了坚实的基础。

　　Ceramic and Flip-chip产品应用：

　　因为Ceramic and Flip-chip产品的出光效率、可靠性、寿命优势明显，所以Ceramic and Flip-chip产品将被广泛应用于高端商业照明场合，主要应用于射灯、球泡、筒灯、路灯以及背光等。

　　照明：室内、室外

　　背光：直下式背光

　　总结：

　　功率型LED封装产品发展趋势趋向于Ceramic and Flip chip工艺，Ceramic and Flip chip加喷涂荧光粉以及Molding硅胶透镜制程，光斑效果较好、热阻低、可驱动大电流，LM/$提升、有效地节省应用空间及成本。此封装结构入门门槛较高，无论是投资设备还是工艺制程，为国际大厂及国内大厂的主要发展方向及主打产品。

　　真明丽目前Ceramic and Flip chip产品光效已经突破125lm/W，目前处于试产阶段，将于2012 Q4量产，月产能3KK。此类产品由于具有出光效率高、可靠性能好、寿命长等优势，将被广泛应用于各类高端照明领域。

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