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1、doi :1013969/ j1issn110032353x120101021021封装、测试与设备Package ,Test and Equipment大功率白光L ED 封装技术对器件寿命的影响涂招莲 , 王国定(上海大晨光电科技有限公司 , 上海 201206)摘要: 通过功率LED 器件封装工艺技术的改进来降低芯片结温 , 从而减缓器件光衰速率 ,延长其预期的工作寿命时间。对用于封装的关键原材料的选取进行了对比实验 , 指出了采用纳米级材料改进导热可降低热阻 , 论述了正确选用混胶材料和工艺 , 可以减缓器件光衰速率 , 达到在较高的环境温度条件下 , 器件使用寿命大于50 000 h
2、 。论述了器件芯片的结温对光、电、色性能的影响和不同结温其预期工作寿命时间也不同的关联性。关键词: 结温; 光衰; 硅胶; 粘结剂; 荧光粉; 热量中图分类号:TN306文献标识码: A文章编号: 10032353X (2010) 0220181205Influence of High2Po wer White L ED Packaging Technologyon L ED Life TimeTu Zhaolian , Wang Guoding( Advanced Photonics Co. ,Ltd. ,Shanghai 201206 ,China)Abstract : The power
3、 LED device packaging process technology was improved to reduce the chip junction temperature , so the LED devices brightness decay rate was slowed down to extend the expected life time. The key raw materials used for packaging were compared by tests. It is pointed out that nano2scale materials can
4、be use to reduced the thermal resistance. Correct selection of mixed plastic materials and processes can slow down the brightness decay rate of device , device lifetime greater than 50 000 h was achieved at a higher ambient temperature conditions. The effects of chip on light , electricity , and the
5、 color properties were discussed , and the different junction temperature resulting in different working life time were also mentioned.Key words : junction temperature ; brightness decay ; colloidal silica ; attachment ; phosphor ; thermalEEACC : 0170N ; 0170J0 引言随着LED 技术的深入 , 半导体发光器件的发光效率正在不断提高 , L
6、ED 将取代传统照明领域的趋势也越来越明显 , 因此 LED 的封装技术日显重要。目前无论是大功率还是小功率白光 LED 产品都存在不同的光衰速率 , 使其寿命还无法达到预期的105 h , 因此针对白光 LED 光衰方面的改善及相关研究越来越受到重视和关注。导致 LED 光衰的主要因素除结温外 , 还包括 LED 芯片、支架、固晶胶、荧光粉、配粉胶、硅胶等选材和工艺 , 而这些因素会影响到光、电、热、机械结构、材料特性等。本文力图通过在 LED 封装过程中涉及到的理论和生产实践的结合 , 诠释 LED 光衰本质 , 最终达到降低LED 光衰速率 , 延长使用寿命的目的。1 结温对LED 性能
7、参数的影响白光LED 器件是由蓝色 LED 芯片激发涂敷在February2010Semiconductor Technology Vol135 No12181 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/涂招莲等 : 大功率白光LED 封装技术对器件寿命的影响其上的荧光粉 , 通过蓝黄光互补色形成白光。白光LED 的正向工作电压、光通量、光效、显色指数、色温和寿命取决于氮化物半导体材料与荧光粉及其粘结剂的最佳有效的匹配。如何降低大功率白光LED 的热阻、结温 ,
8、 使材料 pn 结产生的热量能尽快的散发出去 , 不仅可以提高 LED 的发光效率 ,同时也提升了产品的使用寿命 , 以下是影响工作寿命的主要因素。111白光LED 寿命与结温之间的关系在研究 LED 封装热控制技术之前首先向大家展示一些实验数据122 , 见表 1 。表 1大功率白光LED 的结温 ( Tj) 在亮度衰减 30 %时与寿命( t)的关系Tab11High2power white LEDs junction temperature withlife times relationship at 30 % decay in brightnessTj/ t/ hTj/ t/ hTj/
9、 t/ h25234 0006554 00010517 10030191 0007046 00011015 10035157 0007539 00011513 30040129 0008034 00012011 70045107 0008529 50012510 5005090 0009025 7001309 3005575 0009522 3001407 5006064 00010019 5001506 000从表 1 可知 , 当 Tj = 60时 , 30 %光衰的工作时间约为60 000 h ; 当 Tj = 75时30 %光衰的工作时间仅为39 000 h ; 当 Tj 60时 ,
10、30 %光衰工作时间可超过70 000 h 。由此可知 , 所谓 LED 的工作寿命105 h , 仅是指 Tj = 25时的预期的而且是理论上的寿命时间。事实上保持 T 25除非采用特殊方法 , 一般是不能达到的。可见要保证LED工作寿命时间 , 必须控制LED pn 结上的结温。如何将LED pn 结上的温升迅速有效散发出来 ,与环境温度实现某种平衡(即保持一个相对稳定的温度梯度或温度差) , 这就是 LED 热管理设计需要182 半导体技术第 35 卷第 2 期解决的问题。从表 1 可以看出 LED 的寿命取决于其结温的高低 , 因此降低 LED 结温降低白光 LED 光衰速率是封装技术
11、中主要解决的问题之一。这点可以由下列理论得以证实 , 由 Yamakoshi的电子器件功能缓慢退化理论 , 可用于 LED 光衰减模型 , 且可得到指数函数表示式为Pt = P0exp ( - t)(1)退化系数 与结温 Tj 的关系满足阿伦尼斯方程(Arrhenius law)为( Tj) =0exp ( - Ea/ kTj)(2)式中:P0为初始光通量;Pt 为某结温下加电工作t h的光通量; t 为某一结温下的工作时间; 为某一结温下的退化系数; 0 为常数; Ea 为器件激活能量; k 为波尔兹曼常数; Tj为结温 (绝对温度) 。这个方程指出 , 器件的结温每升高15 , 其工作期望
12、寿命将下降一倍 , 此结论正好验证本文中表 1 的结论 , 反之亦然。因此控制器件结温是讨论的重点。112芯片温升对LED 光电参数的影响已经知道芯片上的温度除对寿命时间影响外 ,还对 LED 的发光强度、发光效率、发光波长( 或色温)以及安全使用区等均发生影响 , 芯片 pn 结上温度升高会使上述这些光、电特性退化 , 甚至失效。11211Tj对 Vf的影响当 pn 结上的温度 Tj 升高时 , 会使电离、激发和散射加快 , 导致载流子浓度超过杂质浓度 , 从而产生大量的本征载流子 , 使杂质半导体的电阻率下降 , 引起 LED 正向电压 Vf 在相同电流时的下降。与其他半导体 pn 结一样
13、 , LED 的 Vf 与 Tj 呈负向特性关系3 , 即有如下公式KF = - V F/ T - 2 mV/ (3)式中:KF是结温随正向工作电压变化系数。在非恒流驱动下 ,Vf的下降会导致其正向电流急剧上升 , 从而使 pn 结上功耗增大 , 进一步引起V f下降 , If升高 , 这样形成不良循环 , 如不加以控制 , 将会引起LED 器件失效。2010 年 2 月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/涂招莲等: 大功率白光LED 封装技术对器件寿命
14、的影响11212Tj与LED 安全使用工作区的关系LED pn 结上结温 Tj 的数值与允许加置在 LED上的工作电流 , 也即与加置在 LED 上的电功率有关。这是因为 LED pn 结上的温度均有一个最大允许值 Tjmax , 超过这个数值 ,就不能保证 LED 的正常工作 ,通常这个最大允许结温 Tjmax 在 125150 之间 , 视不同类型和结构的LED 而异 , 一般由生产厂商界定。图 1 给出了LED 的 Pd与 Tj 关系曲线3 (是安全工作曲线 , 器件封装公司一般都要提供该曲线以便客户使用产品) , 在使用 LED 时 , 必须参考这一类关系来设置它的偏置电流 IF ,
15、也即电功率 Pd 。图中 , 在 Tj 25 时 , 允许对 LED 器件加置最大允许功率 Pdmax , 当 Tj 升高时 , Pd允许值应随之下降 , 当 Tj = Tjmax 时 , 理论上不允许加置电功率 ,即 Pd = 0 , 这个曲线也称LED 安全使用曲线。显然当 Tj = 75 时 , 允许加在 LED 上的电功率还不到Tj = 25时的 1/ 2 。图 1 LED 的 Pd与 Tj 关系曲线Fig11 Curve of LEDps Pd with Tj11213Tj对LED 光学特性的影响1121311Tj对发光强度 Iv(或输出光通量)的影响LED pn 结上温度 Tj 的
16、升高 , 会使芯片内半导体晶格的振幅增大 , 使其振动能量随之增大 , 当达到一定值时 , 载流子从激发态跃迁到基态时会与原子或离子交换能量 , 发生无辐射(光子)的跃迁 ,造成量子效率下降 , 其发光强度或输出光通量随Tj升高而下降 , 这就是 LED 产生光衰的原由。一般 , LED 光通量与 Tj存如下关系( Tj ) = ( T0) exp ( - Ea/ kTj )(4)式中: ( T0)为 pn 结升温前结上的温度为 T0 时February2010的; ( Tj ) 为 pn 结温度从 T0 升到 Tj 时的 ; Ea 为激活能; k 为波尔兹曼常数; Tj 为绝对温度。图 2
17、是某公司生产的3 W白光 LED 的 2Tj 曲线 , 器件的热阻 Rth = 12 / W。此外 , LED pn 结上温度升得过高 , 也会使普通的环氧树脂包封透光材料老化 , 甚至发生碳化 , 导致透光率下降 , 使LED 输出的光强减弱。图 2光通量随结温变化的关系曲线Fig12Change curve of flux with junction temperature1121312 Tj对白光LED 发光波长D和色温的影响如上所述 , LED pn 结上 Tj 的升高 , 会使晶格振幅增大 ,这一变化不仅使 Iv 下降 , 还会使 LED的发光波长发生变化 , LED 的发光波长取决
18、于其禁带的宽度 ,Tj 升高会使禁带宽度变窄 , 导致发生波长偏移 ,并有如下关系D ( Tj2) =D ( Tj1) + TK(5)式中:K为波长随温度 Tj的变化系数。由此可知 , 当波长发生漂移时 , 其色温也就随之发生改变 , 见图 3 。图 3白光LED Tc随 Tj变化曲线Fig13Curve of white LED color temperature with junction temperature2 封装过程中影响寿命因素的分析要提供优良的大功率白光 LED 产品满足市场Semiconductor Technology Vol135 No12183 1994-2010 Ch
19、ina Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/涂招莲等 : 大功率白光LED 封装技术对器件寿命的影响需求 , 在其封装过程中必需重点解决以下几个问题 : 降低芯片的结温、提高芯片与导热基板间的导热系数、选择优良的荧光粉以及重视调配荧光粉的胶及其调配工艺。图 4 是一个典型的大功率 LED 的封装结构示意图 , 从图中可以看出影响 LED 的结温不仅仅是LED 芯片本身的温升、还有芯片与粘结剂之间、粘结剂与热沉之间、热沉与导热胶之间等的热传导问题、热沉以外冷却装置再到空气之间的热 , 以上
20、环节是构成大功率 LED 光源热传导的主要通道 , 热传导上的任何一个薄弱环节都会使热导设计毁于一旦。图 4 大功率白光LED 封装器件结构示意图Fig14 Structure diagram of high2power white LED package device散热的基本原理与途径: 从热力学原理可以知道 , 在自然界中 , 温度高的热源的热量会向温度低的热源流动 , 并形成相对热平衡 (即保持两个热源间的一个温差) , 温度高的热源的热量流向温度低的热源的能力大小 , 可以用最终平衡状态时两者的温差 T 来衡量。 T 小说明这种流动速度快 , 热流量大 , 反之则速度慢 , 热流量小
21、。通常用两个热源在热量传递时 , 传热路径的传热阻力来反映 T的大小 , 即称为热传导路径的热阻 Rth来表征T = PdRth(6)式中: Pd 为高低温端的热功率流; T 为达到热平衡后两端形成的温度差。两个热源之间传递热量实现某种平衡的途径也即导热的途径有如下三种基本形式: 传导、对流、辐射。可见 , 大功率LED 为了取得好的导热效果 ,184 半导体技术第 35 卷第 2 期每个导热环节采用热导系数高的材料 , 并尽量提高对流散热。211大功率白光LED 芯片、导热基板以及他们之间的粘结材料的选择随着 LED 的性能不断改进和应用范围的不断扩大 , LED 芯片的结构也在持续地发生变
22、化 , 如:从横向结构(由于 p 型外延层电阻比较高 , 因此正向电压较高 , 产生的热较多 , 有电流集中现象)发展到倒装焊结构(把蓝宝石衬底的导热率降低 , 其实还是横向结构 , 仍然存在电流集中现象)直至垂直结构(把 LED 芯片的 p 型外延层倒装焊接在导电导热的支持衬底上 , 然后剥离生长衬底 , 电流基本垂直流过高电阻的 p 型外延层 , 并且电流集中现象得到克服) , 还有三位垂直结构等 , 总之选择垂直结构的 LED 芯片 , 可以降低热阻 , 同时可以注入大电流 , 也就可以降低封装成白光后的 LED 器件的光衰减 , 同时采用纳米材料作为粘结芯片与基板的粘结剂 , 降低了热
23、阻 , 延长其使用寿命。以下是一些理论计算值4 , 见表 2 。Tj = Ta + Rthja Pd(7)表 2不同芯片与固晶工艺的热阻Tab12Thermal resistance of different2chip anddifferent process of attachment序号粘结结构Rth/ ( KW - 1)1正装芯片/ 银胶固晶7 62正装芯片/ 共晶固晶13773Si 衬底倒装芯片/ 银胶固晶15844Si 衬底倒装芯片/ 共晶固晶14305AlN 衬底倒装芯片/ 银胶固晶13626AlN 衬底倒装芯片/ 共晶固晶12109通过以上表中数据 , 代入公式(7)进行计算可见
24、:固晶工艺对LED 热阻有较大影响;倒装芯片在导热方面优于正装芯片;正装芯片/ 共晶固晶在导热方面不比倒装芯2010 年 2 月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/涂招莲等: 大功率白光LED 封装技术对器件寿命的影响片差;目前实际制造的 LED 成品热阻比还会有变化 , 工艺还有很大的提升空间。212荧光粉的选择在具有相同发射波长以及初始光效的情况下 ,淬灭温度高的荧光粉可在一定程度上降低光衰幅度 , 因此要选择具有长余辉的粉; 随着粉体粒径的降低 ,
25、 粉体在封装胶中的沉降速度随之明显下降 ,固化后荧光粉可以均匀分布 , 而粗粒径荧光粉沉降严重 , 部分粗大颗粒沉积到芯片表面形成堆积 , 因此要选择粒径比较细的;荧光转化效率比较高的;耐高温型的荧光粉。213胶的选择胶的物理特性有多个指标 , 着重看其玻璃点转移温度 Tg , 折射率和黏度。环氧树脂胶 , 粘着力强 , 价廉成本低 , 但不耐紫外线 , 易黄变。Si 胶 , 折射率有 1154 和 1140 多种 , 可耐紫外线辐射 , 普通 Si 胶偏软。有机和无机混合胶 , 可通常应用于封装的 Si 胶 , 且多选择其折光率 1154 有机无机混合胶 , 可充分发挥有机胶的粘接性和无机胶
26、的折射率 , 如其折射率达1190 , 其出光效果比普通 Si 胶提高 20 %。胶的黏度 , 对于大功率白光 LED 要求高亮度 , 又要求长寿命 , 必须用 Si 胶 , 但是 Si 胶黏度不宜太高。214胶与荧光粉的调配不同粒级荧光粉 , 粉与胶的比例不同。不同牌号的荧光粉 , 其粉与胶的比例是不同的。实践表明高速搅拌相对混合得均匀。原因是高速搅拌 , 其高速离心力已超过胶粉团聚的聚合力 , 使团聚颗粒分散 , 是消除沉淀的有力措施。只有消除团聚 , 颗粒分散均匀 , 才能使每个发光中心发光 , 提高荧光粉光转换效率。荧光粉发光中心是三价铈 , 如果荧光胶存在微细气泡 ( 即氧气) ,
27、将逐步氧化三价铈 ,变成不发光的四价铈 , 因此脱泡是断绝荧光粉被氧化的途境至关重要 , 这种脱泡搅拌机一举两得 , 既消除气泡 , 又分散均匀。采用此工艺通常可使大功率 LED 提高辐射通量16 lm/ W。February20103 结语从上述可知 , 结温会影响 LED 器件正向工作电压、发光强度 , 波长进而影响 LED 器件的寿命 ,延长功率LED 器件预期工作寿命时间的有效途径是控制LED 芯片的结温 , 芯片与支架之间的粘结是封装技术的根本。选用高玻璃点转移温度的透光材料 , 也就是用于 LED 器件封装的各种材料 , 除要确保折射率、热膨胀系数、玻璃点转移温度要素外 , 导热系
28、数是十分关键的 , 选材考虑也是封装工艺要重点改进的关键所在。荧光粉和配粉胶由于受温度的影响很明显 , 选择好有助于延长白光 LED寿命。Si 胶的抗紫外辐射、耐高温等性能优于环氧树脂 , 但是把二者有机结合起来使用是最佳搭配 ,可以达到较小的光衰。胶与荧光粉的调配更是重中之重 , 因此在封装实践中要择优。参考文献:1 MORITA D , SANO M , YAMAMOTO M. High output power 365 nm ultraviolet light emitting diode of GaN2free structure J . JJAP ,2002 ,41 (12B) :L
29、14342L1436.2 刘如松. 用光学解决 LED 散热问题J . 国际 LED 技术 ,2009 (2) :146.3 王国定. 关于大功率 LED 光源热失散问题的讨论 R .上海大晨光电科技有限公司 ,2008.4 裴小明. LED 热量管理 R . 深圳量子光电子有限公司 ,2006.(收稿日期:2009210213)作者简介 :涂招莲(1965 ) ,女 ,江西新建人 ,工程师/研发中心主任 ,主要从事LED 芯片、LED 器件封装和LED 应用产品的设计开发以及生产等实践工作;王国定(1940 ) ,男 ,上海人 , 高级工程师/ 总工程师 , 主要从事LED 应用产品设计开发工作。Semiconductor Technology Vol135 No12185 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/