多芯片陣列組合白光LED封裝研究

黃春英，王曉軍

（ 廣東技術師范學院機電學院，廣州 510635 ）

1 引言

半導體照明高功率白光LED器件采用InGaN（藍）/YAG熒光粉將芯片倒裝結構，提高發光效率和散熱效果。熒光粉涂覆技術的改進，可將色均勻性提高10倍。實驗證明，電流和溫度的增加使LED光譜有些藍移和紅移，但對熒光光譜影響并不大。壽命實驗結果也較好，Φ5的白光LED 在工作1.2萬小時后，光輸出下降80%，而這種Luxeon的功率LED最高效率達到44.3lm.w-1，最高光通量為187lm，產業化產品120lm，Ra為75～80。目前國內外制作方法是先將LED芯片放置在導線結構中用金（Au）線焊接，然后在芯片周圍涂敷YAG熒光粉，然后用環氧樹脂封接，樹脂既起到保護芯片作用又起到聚光棱鏡作用。從LED芯片發射出的光射到周圍的熒光粉層內經多次散亂的反射、吸收，最后向外部發射出光，LED的光譜線的峰值在465nm處，半值寬為30nm，是非常尖銳的藍色光譜，由藍色光激發黃色光的YAG熒光粉層（峰值為555nm），最終到達外部的光為藍黃二色光，根據補色關系，兩色相加混色后即得到可見的白色大功率照明級LED器件。

2 單芯片白光LED結構

目前HB-LED白光LED器件芯片可由不同材料制作而成，從熱導率比較差的藍寶石到高熱導率的SiC材料，其各自芯片上的歐姆接觸電極結構設計也不同，針對這種情況，我們提出相應的封裝方案。主要采用了熱電分離的倒裝焊結構設計，在LED封裝中引入了熱沉、光學透鏡、柔性透明硅膠等新型材料和結構，這樣可以大大提高器件的散熱特性和出光效率，保證了器件工作時的可靠性。LED 半導體照明進入照明領域的一個前提是利用 HB-LED 技術實現白光。我們主要利用 GaN 基藍光HB-LED 作為激發光源，利用黃色熒光粉作為波長轉換的材料，通過藍光 HB-LED 的一部分藍光激發熒光粉使熒光粉發出黃光，另外一部分藍光透過熒光粉發射出來，藍光和黃光混合成為白光。

3 多芯片陣列組合的制作

根據聚光的效果要求，將反光杯加工成錐形或者拋物線形，反光杯的作用為最大效率地收集從芯片周圍發出的射出光子，反光杯表面的光潔度對反射率有很大的關系。用焊料把已經完成倒裝焊LED芯片焊接在一個管殼的反光杯內部，由于硅片與焊料的潤濕性比較差，這樣焊接的硅片容易脫落。因此要把倒裝焊LED用焊料焊在管殼上，需要在硅片的背面上鍍上一層金屬層，以提高其潤濕性。當無法用焊料把硅片焊接在管殼上時，可以利用銀膠粘片的方法，一般這種導電銀膠大約需要在烘箱150℃的條件下加熱60min～90min，使之固化。但是這種銀膠的導熱性能、熱穩定性等方面遠遠比不上焊料，因此用焊料可以大大減少整個器件的封裝熱阻。

（1）金線鍵合（wire bond），利用金絲球焊的方法將芯片頂部焊盤與外電極鍵合，硅襯底上的焊點與另外一個電極連接，為了讓金線與電極很好地鍵合，需要在電極上鍍上金層，這種金絲球焊接的方式在半導體工藝的連接方式中被廣泛應用。

（2）配粉以及涂粉工藝。按照硅脂與熒光粉一定重量比配備成混合物，攪拌均勻。然后將黃色熒光粉涂敷在芯片表面，在涂粉的過程中，涂粉的量一定要適當，如果涂敷的量過少，HB-LED發出的光會偏藍；如果涂敷的量過多，HB-LED發出的光會偏黃。因此，涂粉的工藝對于白光LED器件發出光的顏色有很大的影響，涂粉的厚度仍需要不斷實踐研究，得到一個優化結果。

（3）往反光杯中填充熱穩定性能好、絕緣以及光學透明的柔性硅膠，并在最上面加上一個光學透鏡，通過熱固化以后完成整個器件封裝。

在實際應用過程中，將封裝好的LED器件表面貼焊在金屬散熱線路板上，必要時，在線路板的底部增加一個外部制冷器。

4 多芯片陣列

由于單個 HB-LED 的光通量（lm）有限，1W的HB-LED大約在20lm～40lm之間，作為照明光源這個亮度是遠遠不夠的，必須配置多個LED芯片組成陣列。因此開發LED照明用光源，則必須對包括多個LED集成器件光分布在內的裝置系統進行優化設計。

4.1 數學模型

為了簡化數學模型，我們只考慮芯片出射后光強的分布情況，而忽略芯片、封裝材料以及空氣三者之間界面的反射、折射以及全反射等光學現象。假設LED光源為受限朗伯光源且為點光源，可表示為：

考慮只有兩個LED組成的簡單陣列情況，芯片之間的距離為d，那么兩個LED組成的陣列的光照度公式為：

其中I= LLED·ALED，為LED的發光強度，LLED為LED芯片的亮度，單位W（m2sr）-1，ALED為芯片的面積。

陣列模塊LED的設計理念就是把多個LED芯片集成在一個小模塊里，從而得到 40lm·W-1的大功率芯片，那么通過電路驅動，就可以得到一個輸入功率為9W，光通量為360lm的發光模塊。一般當LED模組的光通量達到1000lm以上，就可以作為普通照明光源。但是這種多芯片封裝在提高了總光通量的同時也帶來了一個散熱問題，假設1W芯片，尺寸為 1mm2，那么其熱流密度可達到100W·cm-2左右，如果將芯片的驅動電流增加到1A，輸入功率將近3W，相當于熱流密度增加到300W·cm-2。

在有限的面積內模組中芯片數量增多，功率密度也增大，再加上芯片與芯片之間由于間隔很小，其熱影響除了來自本身芯片的發熱外，其他芯片所產生的熱量也會相互影響。這樣給散熱處理提出了很大的挑戰。如果不能采用很好的散熱方式，勢必會導致熱量的急劇積累，熱量不僅影響LED的電子性能，也影響LED的亮度及顏色，隨著芯片溫度升高，光譜發生紅移，發光效率下降，當芯片溫度達到120℃以上，芯片會失效不發光，從而使得整個LED模塊失效。為了保證LED模塊的可靠性，一般要求LED結溫在80℃以下工作。

4.2 LED 陣列模組的設計

模組的設計主要步驟有：

（1）設計覆銅板上電氣連接以及芯片放置的位置和距離，選擇高散熱性能的覆銅板，選擇材料以及大小尺寸，優化模組中芯片之間的最小間隔d；由于集成多個芯片，如果過于密集，模組工作時，各個芯片的熱場會相互重疊，那么影響芯片溫升的條件不僅與自身熱學性能有關，還跟周圍其他芯片的熱場有關。

（2）采用 Chip-on-Board 技術把完成倒裝焊的芯片焊接在電路層上預留的焊盤上，然后將芯片上焊盤與電極用金線鍵合起來。

（3）將熒光粉配膠涂在芯片的表面上。

（4）將涂好熒光粉涂層的LED放入烘箱中烘烤1h～2h，溫度在 120℃～150℃范圍之內，固化后把反光杯固定在線路板上，并填入絕緣、柔性、光學透明的硅樹脂。重新放入烘箱中烘烤，將硅樹脂熱固化。

（5）根據光圖樣分布要求安裝模組透鏡或者反射器，得到 LED 陣列模組。

5 多芯片F5HCASC封裝工藝

白光F5HCASC封裝工藝主要包括以下幾道工藝：固晶、鍵合、涂粉、灌膠。

固晶→白膠烘烤→配熒光粉→焊線→點熒光粉→熒光粉烘烤→封膠→沖筋→點白膠→二切→三切→電性測試→分光分色→包裝。

固晶：利用導電銀漿將芯片粘接在金屬管架上，利用導電銀漿將芯片粘接在金屬管架上。利用導電銀漿將芯片沾在發光二極管管架的反光碗中心，保證制備成的發光二極管光軸不會偏離設計光軸，將粘好芯片的發光二極管管架放置在烘箱中加溫，通常所說的高溫導電銀漿大約需要在180℃條件下加熱60min，使導電銀漿固化，通常所說的低溫導電銀漿大約需要在140℃條件下加熱60min，使導電銀漿固化。在粘接芯片時導電銀漿的量一定要很好地控制，如果涂敷導電銀漿的量過多，容易引起發光二極管的短路，如果涂敷導電銀漿的量過少，容易引起芯片下電極與管架之間的接觸不好，從而導致發光二極管的I-V特性的變化，使器件工作電壓升高。

鍵合：利用金絲球焊或超聲焊接的方法將電極與外引線腿連接起來。當燒結工藝結束后，芯片被粘接在金屬管架上，利用金絲球焊或超聲焊接方法將芯片上電極和金屬管架的另外一條腿連接起來。

涂粉：將用于光轉換的熒光粉涂敷在芯片表面或發光二極管管架的反光碗中。在涂粉過程中，涂粉的量一定要適當，如果涂敷的量過大，做出的發光二極管偏黃；如果涂敷的量過小，做出的發光二極管偏藍，具體的量應根據熒光粉的光譜和配色要求而定。

灌膠：將涂好熒光粉的發光二極管封裝在環氧樹脂中。在發光二極管專用模具中注入適量的環氧樹脂，然后將帶有發光二極管芯片的管架倒過來插入裝有環氧樹脂的模具中，放入烘箱中烘烤，在120℃溫度下烘烤1h。

根據江西省吉安市木林森電子科技公司提供的封裝建議，堅固的粘片過程是獲得，低電阻和好的機械和電性能完整性的關鍵。SiC襯底芯片，采用“助焊共晶”方法封裝。粘片的工藝過程如下：

（1）通過探針或者其他精確方法放置非常少量的免清洗助焊劑到硅片上，然后將芯片放到助焊劑上。

（2）通過直接加熱或者熱空氣回流AnSn金屬的方法加熱到305℃，持續5s～8s。

（3）用丙酮或者異丙酮在超聲容器中清洗15min以便除去助焊劑殘渣。在封裝芯片過程中，還必須考慮從芯片底部到具有導電性能的碳化硅襯底邊緣距離較近的問題，只有5 μ m。

如果芯片邊緣有固晶剩余殘渣（AuSn）和SiC襯底連接，就會形成導電回路，因此固晶后要檢驗是否形成電流旁路的問題。簡單的測量方法：在低電流供電情況下測試芯片的正向電壓，如果這種問題存在，很容易測出。一個合格的芯片的正向電壓Vf＞1.9V（在1 μ A電流條件下），不合格的芯片Vf＜1.9V。

6 結語

HB-LED封裝中關鍵技術問題：

（1）提高外量子效率，采用高折射率硅膠減少折射率物理屏障帶來的光子損失。輻射復合產生的光子在向外發射時產生的損失，主要有三方面：LED內部結構缺陷以及材料的吸收；光子在半導體與空氣的界面由于折射率差異引起的反射損失；光子在半導體與空氣界面由于入射角大于全反射臨界角而引起的全反射損失。這樣就有很多光線因折射而無法從LED芯片中照射到外部，在芯片表面涂了一層折射率相對比較高且處于空氣和LED芯片之間的硅類透明樹脂（硅樹脂），并且通過使透明樹脂表面帶有一定的角度，可以減少光子在半導體與硅膠界面上的損失，從而使得光線能夠高效照射出來，從而提高取光效率。

（2）封裝管殼的導熱性能，盡量減少芯片結溫到外部環境的接觸層，采用高熱導率的材料，減少由于封裝工藝的缺陷帶來的界面熱阻。

（3）封裝樹脂，高透過率，耐熱，高熱導率，耐UV和日光輻射及抗潮的封裝樹脂。

（4）涂敷熒光粉膠工藝，目前滴膠工藝相對落后、成品率低、一致性差、勞動強度大。由于無法準確地按固定的量將含有熒光材料的樹脂涂到LED芯片上，因此顏色總會有差異，往往無法產生無色差的純白色光。如果采用conformal coating技術或者在LED芯片上部設計一個薄熒光板的方式，通過采用不同于LED芯片的工藝制作熒光板，就能更容易地控制熒光材料用量、減少色差。

隨著發光二極管芯片發光效率的提高以及大功率高亮度LED（HB-LED）芯片的制備成功，使得白光HB-LED固態照明成為現實，特別是以后與太陽能電池等節能電源的集成，將成為未來綠色的全固態節能照明光源。

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