【正文】 命三個方面。LED不依靠燈絲發(fā)熱來發(fā)光，能量轉(zhuǎn)化效率非常高，理論上只需要白熾燈10%的能耗，相比熒光燈，LED也可以達到50%的節(jié)能效果。專項調(diào)查表明，我國照明用電每年在3000億度以上，用LED取代全部白熾燈或部分取代熒光燈，可節(jié)省1/3的照明用電，意味著節(jié)約1000億度，相當(dāng)于一個總投資超過2000億三峽工程全年的發(fā)電量。用LED替代熒光燈，避免熒光燈竹破裂溢出汞的一次污染，而且制造LED的廢棄底板(鋁基覆銅板)可以回收重復(fù)利用。LED采用固體封裝，結(jié)構(gòu)牢固，壽命可達h。此外，LED還具有工作電壓低、耗電量小、光效高、響應(yīng)時間極短(ns級)、光色純、重量輕、體積小等一系列特性，發(fā)展突飛猛進，尤其是大功率高亮度白光LED的發(fā)明，被業(yè)界稱為繼取火照明、愛迪生發(fā)明電燈之后的“照明領(lǐng)域的第三次革命”。白光LED的制作方法 目前，用LED芯片產(chǎn)生白光的方法見表(1)由于“藍光芯片+YAG熒光粉”產(chǎn)生白光LED的制作方法，其成本最低，實用性強，已經(jīng)成為目前市場產(chǎn)品的主流。因此，本實驗選用該方法制作白光LED。表1白光LED產(chǎn)生方法的比較白光產(chǎn)生方式優(yōu)點缺點CaN單晶粒藍光LED+熒光材料單一晶粒產(chǎn)生白光,成本低,電子回路,設(shè)計簡單發(fā)光效率低；顯色性不佳；熒光材料不易尋找；限于熒光粉涂布，使白色光不夠均勻紫外光LED（375nm）+熒光材料熒光粉材質(zhì)不容易尋找，可使轉(zhuǎn)換效率高于YAG的熒光材料，發(fā)光效率有提高空間；顯色性佳發(fā)光效率低；封裝材料被紫外光照射易產(chǎn)生老化；限于熒光粉涂布，使白色光不夠均勻ZnSe單晶粒藍光LED+ZnSe基板單粒產(chǎn)生白光，成本低；低驅(qū)動電壓（）；不需使用熒光粉發(fā)光效率較CaN低50%，約8lM/W；壽命短，僅8000h雙波長疊層單晶粒白光單晶粒產(chǎn)生白光；其他待研究待研究多晶粒綠、藍amp。紅、綠、藍多種色光組合發(fā)光效率較高；可動態(tài)調(diào)整色溫；顯色性佳；顏色自然需要三顆晶粒，各晶粒需有個別的電子回路設(shè)計，成本高；近距離混色性不佳；多色LED發(fā)光效率不均關(guān)鍵工藝及技術(shù)措施相對于普通白光LED而言，大功率(W級功率)白光LED具有更高的功率和更大的發(fā)熱量，因此，在封裝過程中，需要綜合考慮光、電、熱等多方面因素。倒裝芯片技術(shù)在傳統(tǒng)的正裝LED芯片封裝方式中，由于P型GaN摻雜困難，當(dāng)前普遍采用在P型GaN上制備金屬透明電極的方法，使電流均勻擴散，以達到發(fā)光均勻性的目的。P型GaN上的金屬透明電極要吸收30%40%的光，同時H型電極和引線也會遮擋部分光線的透出，這嚴(yán)重地影響著LED芯片的出光效率。在制造過程中，為改善出光效率，普遍采取減薄金屬透明電極的方法，這樣反過來又限制了電流在H型GaN表面的均勻擴散，影響了產(chǎn)品的可靠性，制約著LED芯片的工作電流。同時，這種正裝結(jié)構(gòu)的PN結(jié)熱量通過藍寶石襯底導(dǎo)出，藍寶石的導(dǎo)熱系數(shù)為35 W/ (mK)(比金屬層要差)，熱阻較大，導(dǎo)致竹芯溫度上升，從而影響器件的各項性能。本實驗中，采取先進的flip chip(倒裝芯片)技術(shù)，通過在芯片的P極和n極下方制作超聲波金絲球焊點作為電極的引出結(jié)構(gòu)，并在芯片外側(cè)的Si底板上制作金絲引線，克服了上述正裝LED芯片在出光效率與電流制約方面的缺點。從芯片PN結(jié)產(chǎn)生的熱量通過金絲球焊點，直接傳導(dǎo)至Si基板和熱沉，其傳熱效果遠優(yōu)于正裝藍寶石的散熱結(jié)構(gòu)；flip chip的金絲球焊結(jié)構(gòu)縮短了導(dǎo)線路徑，避免了在傳統(tǒng)正裝芯片結(jié)構(gòu)中因?qū)Ь€路徑較長而產(chǎn)生的高熱現(xiàn)象；同時，在Si基板上制作反向偏置的PN結(jié)，實現(xiàn)Si基板與Cu熱沉之間的電隔離。從而提高了LED產(chǎn)品壽命，使封裝的可靠性得到極大提升。光學(xué)設(shè)計技術(shù)1. 折射率的改善大功率白光LED的芯片折射率n= 24，遠高于起著透鏡作用的封裝材料的折射率()。因此，當(dāng)芯片發(fā)出的光經(jīng)過封裝材料時，在一者界面處發(fā)生全反射效應(yīng)，造成約50%的光線反射回芯片內(nèi)部，無法有效導(dǎo)出，成為超高亮度LED芯片取光效率很低的根本原因。如何將內(nèi)部不同材料間折射、反射消耗掉的光能加以利用，是設(shè)計出光系統(tǒng)的關(guān)鍵。因此，在采取倒裝芯片技術(shù)提高出光效率的同時，還通過在芯片發(fā)光層與Si底板之間增加反射層、對芯片側(cè)面的熱沉進行鏡面加工等方法，增加器件的發(fā)光率。此外，在倒裝芯片的藍寶石襯底與環(huán)氧樹脂結(jié)合面之間，增加一層Si膠材料作為緩沖層，減少因熱膨脹應(yīng)力作用而引起的脫層現(xiàn)象，以改善芯片出光的折射率和提高產(chǎn)品可靠性。2. 球形透鏡的光學(xué)優(yōu)化大功率LED器件頂部的球形透鏡設(shè)計，在提高LED出光效率、實現(xiàn)市場應(yīng)用方面，同樣起著十分重要的作用。在透鏡材料方面，選取高透光的玻璃或亞克力等合成材料，以提高出光效率。在市場應(yīng)用方面，根據(jù)照明器具光學(xué)設(shè)計的差異化需求，公司以市場需求量最大的球形透鏡結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，兼顧其他多種透鏡設(shè)計結(jié)構(gòu)。熱學(xué)封裝技術(shù)散熱對于功率型LED器件是至關(guān)重要的，如果不能將電流產(chǎn)生的熱量及時的散出，保持PN結(jié)的結(jié)溫在允許范圍內(nèi)，將無法獲得穩(wěn)定的光輸出和維持正常的器件壽命。通常用的散熱材料中，盡管Ag的導(dǎo)熱率最好，但由于成本較高，不適宜作通用型散熱器。而Cu的導(dǎo)熱率比較接近Ag,且成本比Ag低。Al的導(dǎo)熱率雖然低于Cu，但其綜合成本最低，有利于大規(guī)模制造。經(jīng)過反復(fù)實驗對比，采取的做法是:連接芯片部分采用Cu基或Ag基作熱沉，再將該熱沉連接在A1基散熱器，將熱量散出(風(fēng)冷或熱傳導(dǎo)方式)。這種做法的優(yōu)點是:充分考慮散熱器性能價格比，將不同特點的散熱器結(jié)合在一起做到高效散熱，并目成本控制合理化。 此外，連接Cu基熱沉與芯片之間的材料選擇也是十分重要的，普通LED常用銀膠作為連接材料。但由于Ag膠的熱阻高，導(dǎo)熱系數(shù)在1025 W/ (mK)，采用Ag膠為連接材料，就等于人為地在芯片與熱沉之間加上了一層熱阻。為此，引入新的固品工藝，即共品焊接技術(shù):以Sn片焊接作為品粒與熱沉之間連接材料。Sn的導(dǎo)熱系數(shù)為67 W/(mK)，其散熱效果與物理特性遠優(yōu)于Ag膠，因此取得了較為理想的導(dǎo)熱效果(熱阻系數(shù)約為16 C/ W)。制作工藝及結(jié)果分析 裂片藍光芯片測試藍光芯片粘片真空烘共晶焊焊線一點YGA熒光粉真空烘干點散射劑真空烘干灌膠真空烘干脫模半切測試全切長烤分選包裝入庫。 本文基于以上工藝技術(shù)手段完成了1w大功率白光LED的研制工作，通過與某知名公司1W大功率白光LED封裝產(chǎn)品的參數(shù)性能相比較，本實驗所研制的1w大功率白光LED產(chǎn)品，其發(fā)光效率接近國外的同類產(chǎn)品。具體測試結(jié)果如表2所示。表2 測試結(jié)果與國外同類產(chǎn)品對比I/mA本實驗的1W大功率白光LED某知名公司1W大功率白光LED/W/V/W/V30078雖然大功率白光LED研制成功，但是要達到和超過國際先進水平，并實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，還有以下問題需要解決:a. 色度均勻性不高本實驗選用“藍光芯片+YAG熒光粉”產(chǎn)生白光LED的制作方法，由于采用手工點膠，不可避免地會造成熒光粉的分布不均，使得在各方向的藍、黃光混色配比不一致，從而影響產(chǎn)品的發(fā)光色澤與均勻性，其發(fā)出的白光色溫變化起伏較大，引發(fā)所謂的光斑效應(yīng)。色度均勻性的提高還有賴于新技術(shù)手段的開發(fā)。b. 顯色性指數(shù)不足大功率白光LED產(chǎn)品發(fā)展的終極目標(biāo)是用作一般照明燈具，因而顯色性指數(shù)是非常重要的評估指標(biāo)。本實驗采用藍、黃混色產(chǎn)生白光的方法，因此對紅色的表現(xiàn)能力較差，造成部分光譜的不連續(xù)，該部分光譜不能被反射到人眼，從而人眼會感覺到物體顏色的失真。目前，業(yè)界己經(jīng)在嘗試用紫外光芯片搭配RGB熒光粉，來彌補現(xiàn)有白光LED紅色表現(xiàn)能力不足的缺陷，但是由于紫外光能量強，極易破壞許多封裝材料，如當(dāng)環(huán)氧樹脂受紫外光長期照射時，其結(jié)構(gòu)在含氧的環(huán)境下很容易斷鍵劣化，產(chǎn)生發(fā)色機團，導(dǎo)致封裝材料黃變，進而大幅影響白光LED亮度與白色均一性。因此，開發(fā)抗紫外光的透明性封裝材料成為提高顯色指數(shù)一致性的新挑戰(zhàn)。結(jié)語總之，大功率白光LED封裝是一個涉及到多學(xué)科，如光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、材料等的研究課題。從某種角度上講，大功率白光LED封裝不僅是一門制造技術(shù)，更是一門在不斷創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)。良好的封裝工藝需要對光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、材料等物理本質(zhì)的理解和運用，有待于推出更新的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝技術(shù)手段。