10 W COB 集成LED 光源的性能分析*

郭 瑜 ，鄭康定，陳 飛

(1.北京宇極科技發(fā)展有限公司，北京100081;2.寧波康強(qiáng)電子股份有限公司，浙江 寧波315104;3.浙江中物九鼎科技孵化器有限公司，浙江 寧波315100)

由于大功率LED 光源的迅速發(fā)展，使LED 光源已經(jīng)開始跨入了廣闊的照明市場(chǎng)，廣泛應(yīng)用在室內(nèi)外照明、汽車光源、舞臺(tái)、攝影攝像等照明領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外廠商積極開展各種大功率型LED 封裝，例如采用高導(dǎo)熱金屬材料及陶瓷材料作為基板等。應(yīng)用于照明市場(chǎng)的LED 光源對(duì)于壽命及可靠性的要求更加嚴(yán)格，因此其封裝結(jié)構(gòu)必須能夠適應(yīng)高電流密度帶來(lái)的極高熱應(yīng)力，避免可能造成晶片損壞、樹脂或硅膠黃化、金線斷裂及脫層等現(xiàn)象，因此如何降低大功率LED 的封裝熱阻技術(shù)，成為一項(xiàng)重要的研究課題［1－4］。大功率LED 的熱管理對(duì)其長(zhǎng)期的可靠性起著關(guān)鍵的作用，必須采用新的封裝技術(shù)，尋找性能優(yōu)良的封裝材料，在結(jié)構(gòu)和工藝等方面對(duì)器件的熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 樣品的制備

我們通過(guò)對(duì)LED 基板、LED 芯片［5］、焊料等封裝原材料進(jìn)行合理選擇以及對(duì)封裝結(jié)構(gòu)和工藝的有效改善，來(lái)提高大功率LED 的可靠性。

對(duì)于芯片我們選擇垂直結(jié)構(gòu)LED 芯片，它的兩個(gè)電極分別在LED 外延層的兩側(cè)，通過(guò)圖形化的N電極，使得電流幾乎全部垂直流過(guò)LED 外延層，橫向流動(dòng)的電流極少，可以避免正裝結(jié)構(gòu)的電流擁擠問(wèn)題，提高發(fā)光效率，同時(shí)也解決了P 極的遮光問(wèn)題，提升了LED 的發(fā)光面積。

對(duì)于基板我們采用DLC 鋁基板作為L(zhǎng)ED 器件的基板，DLC 鋁基板是以類金剛石薄膜DLC(Diamond Like Carbon)取代常規(guī)鋁質(zhì)印刷電路板上的環(huán)氧樹脂絕緣層，環(huán)氧樹脂的熱傳導(dǎo)系數(shù)(0.5 W/(m·K))比鋁(275 W/(m·K))低數(shù)百倍，LED 芯片產(chǎn)生的熱久聚難散。DLC 的熱傳導(dǎo)系數(shù)(500 W/(m·K))比銅(400 W/(m·K))還要高，因?yàn)榭梢赃_(dá)到顯著的冷卻效果。另外DLC 具備極佳的熱擴(kuò)散性、熱均勻性、高崩潰電壓和高電阻等理想絕緣材料的性能，有效提升了大功率LED 產(chǎn)品的壽命與可靠性，提升了光輸出強(qiáng)度及降低光衰減情形。

隨著LED 光源功率的增大，需要將多個(gè)LED芯片集成封裝，COB 封裝就是將多顆LED 芯片直接封裝在基板上，以強(qiáng)化LED 的散熱性能，解決大功率封裝所產(chǎn)生的高熱量。它的優(yōu)勢(shì)為低熱阻、低封裝成本及單一封裝體的高流明輸出［6］。

我們選擇背面蒸鍍有3 μm 厚AuSn 的LED 芯片，而DLC 基板的電極表面鍍了3 μm 厚的Au，這樣芯片和基板之間就可以直接采用AuSn 共晶焊接的方式來(lái)粘接。AuSn 共晶焊接可實(shí)現(xiàn)大功率LED中芯片與基板的高效聯(lián)接，可以極大地提升大功率LED 器件對(duì)散熱的要求，其具有熱導(dǎo)率高、阻抗小、傳熱快、可靠性強(qiáng)、粘接后剪切力大等優(yōu)點(diǎn)。

LED 芯片固晶后，利用KS 焊線機(jī)進(jìn)行自動(dòng)焊線、實(shí)現(xiàn)芯片之間和芯片與基板之間的電極互聯(lián)。我們?cè)诨迳虾附恿? 顆45×45 mil 的芯片，以實(shí)現(xiàn)10W 的電功率輸出。芯片之間采用全串聯(lián)方式連接，根據(jù)需要也可以采用先串后并的方式。芯片焊線后接著是點(diǎn)熒光粉膠、灌封、蓋透鏡等常規(guī)封裝工藝。

圖1 是10 W COB 集成LED 光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖，圖2 是它的實(shí)物照片。

圖1 10 W COB 集成LED 光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

圖2 10 W COB LED 光源的實(shí)物照片

2 樣品的測(cè)試與分析

我們制備了一系列的10 W COB 集成LED 光源樣品，采用杭州中為公司的ZWL－3900T 集成模組分光分色測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該系列樣品進(jìn)行光色電性能測(cè)試，測(cè)試條件為環(huán)境溫度Ta=25 ℃，樣品工作電流為I=700 mA。目前國(guó)內(nèi)封裝企業(yè)制作的10 W COB 光源多是采用9 顆小尺寸芯片3×3 陣列，我們采用4 顆大尺寸芯片2×2 陣列，這樣可以降低制造成本和工藝難度，提高成品率，同時(shí)通過(guò)減少芯片相互之間的熱影響可以提高產(chǎn)品性能，具體的光色電性能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見下表1。

表1 10 W LED 光源的光電參數(shù)

圖3 是10 W 高顯指樣品光源的典型光譜曲線。我們?cè)邳S粉中加入綠粉和紅粉以獲得高顯指的LED產(chǎn)品，所以在圖3 中黃色熒光粉的發(fā)射光譜中增加了峰值波長(zhǎng)為530 nm 和640 nm 的綠光和紅光成分，使得LED 器件的色溫降低而顯色指數(shù)大大提高。

圖3 10 W 暖白光源樣品的光譜分布曲線

我們也測(cè)試了不同環(huán)境溫度下的樣品光通量輸出，結(jié)果如圖4 所示，樣品的光通量輸出大小隨著環(huán)境溫度的升高近似呈線性下降關(guān)系。

圖4 相對(duì)光通量輸出與環(huán)境溫度關(guān)系曲線圖

圖5 是LED 樣品的正向電壓隨正向電流變化的關(guān)系曲線圖，我們采用杭州遠(yuǎn)方公司的LED626分布光度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，從圖5 中可以看出當(dāng)IF=700 mA 時(shí)，VF=14 V。

圖5 正向電壓與正向電流關(guān)系曲線圖

對(duì)于樣品的發(fā)光角度，我們采用杭州遠(yuǎn)方的LED626 分布光度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為樣品工作電流I=350 mA，測(cè)得的光強(qiáng)與角度的分布曲線如圖6 所示，可見樣品的發(fā)光角度2θ1/2=100°。通過(guò)改變一次透鏡的形狀和尺寸，可以實(shí)現(xiàn)60° ～160°不同的發(fā)光角度。

圖6 相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度與發(fā)光角度關(guān)系曲線圖

LED 器件的熱阻測(cè)試通常采用電學(xué)測(cè)試法，測(cè)試原理和方法見參考文獻(xiàn)［7－10］。對(duì)于10 W LED 樣品，我們采用匈牙利Micred 公司的t3ster 熱阻儀進(jìn)行熱阻測(cè)試，測(cè)試條件為環(huán)境溫度Ta=25 ℃，預(yù)熱電流I=1 mA，樣品工作電流I=700 mA。我們?cè)谏崞魃舷韧磕ㄒ粚訉?dǎo)熱脂，然后將樣品固定在散熱器上開始測(cè)試。從圖7 中包含熱阻和熱容信息的結(jié)構(gòu)函數(shù)圖中可以明顯看出，曲線中最后一個(gè)平臺(tái)是導(dǎo)熱脂的熱阻值，樣品LED 器件的實(shí)際熱阻值Rth=4.6 K/W。

圖7 10 W LED 光源的熱阻和熱容結(jié)構(gòu)函數(shù)

蘇志剛等［11］對(duì)不同銀膠固晶材料和共晶工藝的熱阻進(jìn)行過(guò)測(cè)量與對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用銀膠固晶得到的LED 封裝產(chǎn)品的熱阻為8.9 K/W，而采用金錫共晶工藝固晶得到的同類LED 產(chǎn)品的熱阻則降為6.0 K/W。即使高熱率銀膠的熱導(dǎo)率也僅為25 W/(m·K)～28 W/(m·K)，而金錫合金的熱導(dǎo)率可達(dá)57 W/(m·K)。我們的試驗(yàn)數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了使用金錫共晶工藝可以有效地降低器件熱阻值，同時(shí)也說(shuō)明我們的LED 器件的封裝結(jié)構(gòu)比較合理，可以有效地將熱排出去，減少結(jié)溫上升引起的器件性能下降。

3 結(jié)論

隨著大功率LED 光源逐漸應(yīng)用到一般照明市場(chǎng)上，如何提升大功率LED 器件結(jié)構(gòu)的散熱問(wèn)題，已成為國(guó)內(nèi)外LED 廠商共同努力的方向。我們選擇垂直結(jié)構(gòu)LED 芯片和高導(dǎo)熱DLC 鋁基板，采用金錫共晶焊接工藝和COB 封裝結(jié)構(gòu)，可有效提升大功率10 W LED 光源的封裝品質(zhì)，達(dá)到低熱阻封裝設(shè)計(jì)的要求。

［1］ 劉紅，趙芹，蔣蘭芳，等.集成式大功率LED 路燈散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2010，33(4):481－484.

［2］ 田大壘，關(guān)榮鋒，王杏.新型封裝材料與大功率LED 封裝熱管理［J］.電子元件與材料，2007，26(8):5－7.

［3］ 蘇達(dá).大功率LED 封裝散熱性能的若干問(wèn)題研究［D］. 中國(guó):浙江大學(xué)，2008.

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［11］ 蘇志剛，林錦波.大功率LED 熱阻問(wèn)題的探討［C］//第十一屆全國(guó)LED 產(chǎn)業(yè)與技術(shù)研討會(huì)論文集，中國(guó):光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)出版社，2008:138－141.