大功率倒裝LED芯片陶瓷封裝器件頂面微區(qū)發(fā)光均勻性

　　摘要:高功率密度的陶瓷封裝LED器件在大電流工作時(shí)，其頂面發(fā)光均勻性是該類器件的關(guān)鍵指標(biāo)。本文在3.5mm×3.5mm的氮化鋁陶瓷基板上金錫共晶了1.905mm×1.830mm(75mil×72mil)的LED倒裝藍(lán)光大功率芯片，然后分別制作成藍(lán)光器件和白光器件，并分別對(duì)器件頂面的微區(qū)發(fā)光均勻性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，藍(lán)光器件在電流<3A時(shí)，其頂面光強(qiáng)分布均勻，均勻性受N電極孔和電極間隙的影響較小;在4～8A電流時(shí)，藍(lán)光器件頂面光強(qiáng)分布不均勻，貫穿N電極孔測(cè)試區(qū)的光強(qiáng)大于電極孔之間測(cè)試區(qū)的光強(qiáng)，電極間隙區(qū)光強(qiáng)最低，離N電極孔越遠(yuǎn)的測(cè)試點(diǎn)光強(qiáng)越低;藍(lán)光器件在8A時(shí)整體光強(qiáng)達(dá)到飽和，而不同微區(qū)的光飽和程度及峰值波長隨電流的變化有所不同;白光器件在0～4A電流時(shí)，其頂面光強(qiáng)分布均勻。

　　關(guān)鍵詞:微區(qū)發(fā)光;倒裝芯片;電極孔;電極間隙

　　1引言

　　我國LED照明產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值近萬億元，然而，部分高端器件目前仍然存在依賴進(jìn)口的問題。其中大功率倒裝芯片陶瓷基板金錫共晶封裝的LED是依賴進(jìn)口的主要品類之一，其牽涉到諸多科學(xué)和技術(shù)問題，需要產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)其進(jìn)行深入研究，為其獲得更廣泛的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[1]。

　　芯片設(shè)計(jì)論文投稿： 芯片制造、芯片技術(shù)方面的論文文獻(xiàn)

　　將LED倒裝芯片金錫共晶焊接在陶瓷基板上，然后制作一層熒光粉硅膠層或貼合熒光陶瓷片或熒光玻璃片獲得陶瓷封裝白光LED，是目前高功率密度白光LED器件的主流技術(shù)方案之一[2-5]。隨著芯片和封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，該器件的功率密度還在不斷提高[6]。高功率密度的陶瓷封裝LED器件一般均封裝成平面結(jié)構(gòu)，這是為了在下游應(yīng)用中，便于將發(fā)光器件的頂面置于光學(xué)透鏡的焦平面，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程投射，并要求投射的光斑光強(qiáng)均勻及光功率密度高。

　　因此頂面光強(qiáng)均勻性是該類高功率密度器件最關(guān)鍵的指標(biāo)之一。倒裝結(jié)構(gòu)藍(lán)光LED芯片在工作電流較小、非陶瓷 基板金錫共晶封裝情況下，其頂面藍(lán)光光強(qiáng)均勻性研究已有報(bào)道[7]，而針對(duì)近年興起的陶瓷基板金錫共晶封裝的高功率密度器件，其頂面藍(lán)光和白光均勻性這一關(guān)鍵性能的研究還鮮有報(bào)道。本文在熱電分離的氮化鋁陶瓷基板上金錫共晶了大功率LED倒裝藍(lán)光芯片，然后在芯片側(cè)面圍涂了高反射白墻膠獲得了陶瓷封裝的藍(lán)光器件，進(jìn)而在其頂面噴涂了熒光粉硅膠層獲得了白光器件，對(duì)其封裝成白光LED前后器件頂面發(fā)光的均勻性隨驅(qū)動(dòng)電流的變化進(jìn)行了深入研究。

　　2實(shí)驗(yàn)

　　熱電分離的氮化鋁陶瓷基板大小為3.5mm×3.5mm，陶瓷層厚度為400μm，正反兩面金屬鍍層厚度為50μm，導(dǎo)電通孔(電鍍填孔)直徑為100μm，正負(fù)極各5個(gè)導(dǎo)電通孔，鍍層表面化學(xué)鍍鎳鈀金。倒裝藍(lán)光芯片是廈門三安光電公司生產(chǎn)的S-75ABFSD規(guī)格芯片，芯片BIN檔為450CP145(700mA電流瞬態(tài)點(diǎn)亮?xí)r藍(lán)光功率為1450mW，主波長為450nm)，芯片大小為1.905mm×1.830mm(75mil×72mil)，芯片厚度為150μm，芯片正負(fù)電極間隙寬度為150μm，電極鈦鎢阻擋層和金錫層厚度均為3μm。

　　高反射白墻膠為硅膠與銳鈦型鈦白粉的混合物，鈦白粉含量為0.5%，鈦白粉平均粒徑為20nm。白光器件的熒光膠層的厚度為100μm，由硅膠與釔鋁石榴石(Yttriumaluminumgarnet，YAG)熒光粉混合而成，熒光粉含量為30%(質(zhì)量比)，熒光粉平均粒徑為8μm。LED器件的封裝工藝流程為:用熱臂共晶焊將倒裝芯片共晶焊在氮化鋁陶瓷基板上，然后在芯片四周涂覆白墻膠，白墻膠經(jīng)150℃加熱2h固化，然后等離子體輝光清洗倒裝芯片表面，再在其上噴涂經(jīng)稀釋劑稀釋的熒光粉硅膠混合物形成熒光粉硅膠層。測(cè)試所用光譜儀為德國InstrumentSystems公司的CAS140CT光譜儀。驅(qū)動(dòng)電源為電流可調(diào)節(jié)設(shè)定的恒流電源，器件測(cè)試時(shí)所通電流為持續(xù)直流。

　　3結(jié)果與討論

　　可以看出白光器件的光飽和電流明顯小于藍(lán)光器件，導(dǎo)致白光器件提前出現(xiàn)光飽和的原因是白光器件的熒光粉和芯片均存在熱光損所致[8-9]。YAG熒光粉受藍(lán)光激發(fā)時(shí)，其存在非輻射復(fù)合和光子能量下轉(zhuǎn)換，這是導(dǎo)致熒光粉發(fā)熱的原因。隨著藍(lán)光芯片電流的逐漸加大，熒光粉受到的光激發(fā)密度升高，產(chǎn)生的熱量增多，熱量必須通過熱導(dǎo)率僅有0.25W/(cm·K)的藍(lán)寶石襯底向下傳導(dǎo)，這使得熒光膠層的熱量不能及時(shí)散除并逐漸累積，繼而導(dǎo)致熒光層內(nèi)部溫度進(jìn)一步升高，溫度升高到一定程度就導(dǎo)致了熒光粉出現(xiàn)光飽和及光衰減[10-11]。

　　另一方面，熒光粉發(fā)熱產(chǎn)生的熱量向下傳導(dǎo)時(shí)，LED發(fā)光薄膜是該熱量傳導(dǎo)散除的必經(jīng)之處，LED薄膜在器件通電發(fā)光時(shí)會(huì)由于非輻射復(fù)合等因素的存在而自發(fā)熱，即白光器件的LED藍(lán)光薄膜存在兩個(gè)熱源的作用導(dǎo)致其熱光損[10-11]。

　　目前，對(duì)于倒裝芯片封裝的白光器件而言，它與垂直結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)芯片封裝的器件一樣，均存在電流加大色溫升高的現(xiàn)象，即白光里面熒光粉的發(fā)光比例減小，當(dāng)出現(xiàn)光飽和時(shí)色溫會(huì)顯著升高，熒光粉發(fā)光在白光中占的比例會(huì)顯著減小[5]。因此，熒光粉是導(dǎo)致白光器件光飽和與衰減的主要原因。

　　在3.5A電流時(shí)，不同測(cè)試區(qū)的相對(duì)光通量基本一致。一方面是因?yàn)樗{(lán)光器件在電流小于4A時(shí)其器件頂面出光均勻，另一方面是熒光粉會(huì)對(duì)光起散射作用，所以使得具有熒光粉硅膠層的白光器件頂面出光更均勻[19-20]。

　　4A電流時(shí)電極間隙區(qū)的白光相對(duì)光通量稍有下降，是因?yàn)樵撎幍纳�熱情況稍差、熒光粉的熱光損稍大所致，這與熒光膠層在電流進(jìn)一步加大時(shí)其燒焦碳化位置總是從電極間隙區(qū)正對(duì)的位置開始是相互印證的。本文基于硅膠熒光粉封裝的白光器件，在4.5A電流時(shí)其熒光層即開始失效，而倒裝藍(lán)光芯片在8A電流時(shí)還能持續(xù)穩(wěn)定工作，因此無法探知該白光器件在更大電流更高功率密度情況下頂面發(fā)光的均勻性。

　　目前限制高功率密度白光器件向更高功率密度更大瓦數(shù)發(fā)展的瓶頸是缺乏與高功率密度藍(lán)光器件相匹配的熒光材料和灌封材料[5，21]。利用新興材料熒光陶瓷片和熒光玻璃片將本文藍(lán)光器件封裝成白光器件，它能否在更大電流、更高功率密度情況下穩(wěn)定工作，并保持器件頂面發(fā)光均勻，有待進(jìn)一步深入研究。

　　4結(jié)論

　　為了探究高功率密度LED器件能否在頂面出光均勻情況下朝更高功率密度、更大瓦數(shù)發(fā)展的思路，本文研究了大功率倒裝LED芯片陶瓷封裝器件頂面微區(qū)發(fā)光的均勻性。在3.5mm×3.5mm的氮化鋁陶瓷基板上共晶了1.905mm×1.830mm(75mil×72mil)的倒裝藍(lán)光芯片，然后制作成藍(lán)光器件和白光器件，并對(duì)器件頂面微區(qū)發(fā)光均勻性隨電流的變化進(jìn)行了研究。

　　研究結(jié)論為:藍(lán)光器件不同微區(qū)的光強(qiáng)及其一致性與測(cè)試點(diǎn)離N電極孔的距離密切相關(guān);當(dāng)電流逐漸加大到8A時(shí)，離N電極孔越遠(yuǎn)的區(qū)域越容易達(dá)到光飽和，離N電極孔越近的區(qū)域其微區(qū)光強(qiáng)越大越不易光飽和;離N電極孔最遠(yuǎn)的測(cè)試點(diǎn)是大電流工作情況下光強(qiáng)最低的點(diǎn)，處在電極間隙區(qū)的N電極遠(yuǎn)端點(diǎn)的光強(qiáng)最低;白光器件在0～4A電流時(shí)，其頂面相對(duì)光通量分布均勻。本研究可為高功率密度LED器件的研究提供一定的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支撐。

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　　作者：李曉珍，熊傳兵*，湯英文，郝冬輝

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