大功率LED照明产品及散热技术.ppt

大功率LED技术、照明产品及其散热技术LED的应用面不断扩大，首先进入特种照明的市场领域，并向普通照明市场迈进。由于LED芯片输入功率的不断提高，对这些功率型LED的封装技术提出了更高的要求。功率型LED封装技术主要应满足以下两点要求：
一是封装结构要有高的取光效率；
二是热阻要尽可能低，这样才能保证功率LED的光电性能和可靠性。大功率LED广义上说就是单颗LED光源功率大于0.35W(含0.35W)的，拥有大额定工作电流的发光二极管。普通LED功率一般为0.05W、工作电流为20mA，而大功率LED可以达到1W、2W、甚至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。由于目前大功率LED在光通量、转换效率和成本等方面的制约，因此决定了大功率白光LED短期内的应用主要是一些特殊领域的照明，中长期目标才是通用照明。(1)加大尺寸法:
通过增大单体LED的有效发光面积和尺寸，促使流经TCL层的电流均匀分布，以达到预期的光通量。但是，简单地增大发光面积无法解决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。
(2)硅底板倒装法:
首先制备出适合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同时制备出相应尺寸的硅底板，并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金导电层及引出导电层（超声金丝球焊点），再利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊接在一起。这样的结构较为合理，既考虑了出光问题又考虑到了散热问题，这是目前主流的大功率LED的生产方式。美国Lumileds公司于2001年研制出了AlGaInN功率型倒装芯片（FCLED）结构，其制造流程是：
首先在外延片顶部的P型GaN上淀积厚度大于500A的NiAu层，用于欧姆接触和背反射；
再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；
经淀积、刻蚀形成N型欧姆接触层，芯片尺寸为1mm×1mm,P型欧姆接触为正方形，N型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；
然后将金属化凸点的AlGaInN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管（ESD）的硅载体上。(3)陶瓷底板倒装法:
先利用LED晶片通用设备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，并在陶瓷底板上制作出共晶焊接导电层及引出导电层，然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。这样的结构既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一体化封装预留空间。(4)蓝宝石衬底过渡法。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。

(5)AlGaInN碳化硅（SiC）背面出光法。美国Cree公司是全球唯一采用SiC衬底制造AlGaInN超高亮度LED的厂家，几年来其生产的AlGaInN/SiCa芯片结构不断改进，亮度不断提高。由于P型和N型电极分别位于芯片的底部和顶部，采用单引线键合，兼容性较好，使用方便，因而成为AlGaInNLED发展的另一主流产品。半导体LED若要作为照明光源，常规产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比，距离甚远。LED要在照明领域发展，关键是要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。
功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，虽然其内量子效率还需进一步提高，但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率低。
现有的功率型LED的设计采用了倒装焊新结构来提高芯片的取光效率，改善芯片的热特性，并通过增大芯片面积，加大工作电流来提高器件的光电转换效率，从而获得较高的发光通量。除了芯片外，器件的封装技术也举足轻重。关键的封装技术工艺有：
3W模组,9颗芯片(芯片尺寸:18mil),3并3串,电流300mA,电压9.6-10.5V10W模组,36颗芯片(芯片尺寸:18mil),6并6串,电流500mA,电压18-21V1W氮化镓蓝光LED倒装芯片大功率芯片封装结构LED电流转弯的问题不能靠封装的设计(如复晶或FlipChip)改善，把电流截弯取直才是正道，这样必须把电极置于LED磊晶的两侧。电流平顺就可以明显提升LED的亮度。除此之外，相同亮度的顺流LED使用的芯片面积较小，因此晶圆上切出的晶粒数目较多，也就是单颗LED的制造成本可能降低。尤其进者，电流转弯时若扩大芯片的面积会使LED发光更不均匀。但是顺流LED其发射的光子数目则会由发光面积的加大而提高。所以一颗以大电流(如1A)驱动大面积的顺流LED，其亮度会大于具有相同面积的多颗横流LED。(如图2)可采用低阻率、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