多芯片阵列组合白光LED封装研究

黄春英，王晓军

（ 广东技术师范学院机电学院，广州 510635 ）

1 引言

半导体照明高功率白光LED器件采用InGaN（蓝）/YAG荧光粉将芯片倒装结构，提高发光效率和散热效果。荧光粉涂覆技术的改进，可将色均匀性提高10倍。实验证明，电流和温度的增加使LED光谱有些蓝移和红移，但对荧光光谱影响并不大。寿命实验结果也较好，Φ5的白光LED 在工作1.2万小时后，光输出下降80%，而这种Luxeon的功率LED最高效率达到44.3lm.w-1，最高光通量为187lm，产业化产品120lm，Ra为75～80。目前国内外制作方法是先将LED芯片放置在导线结构中用金（Au）线焊接，然后在芯片周围涂敷YAG荧光粉，然后用环氧树脂封接，树脂既起到保护芯片作用又起到聚光棱镜作用。从LED芯片发射出的光射到周围的荧光粉层内经多次散乱的反射、吸收，最后向外部发射出光，LED的光谱线的峰值在465nm处，半值宽为30nm，是非常尖锐的蓝色光谱，由蓝色光激发黄色光的YAG荧光粉层（峰值为555nm），最终到达外部的光为蓝黄二色光，根据补色关系，两色相加混色后即得到可见的白色大功率照明级LED器件。

2 单芯片白光LED结构

目前HB-LED白光LED器件芯片可由不同材料制作而成，从热导率比较差的蓝宝石到高热导率的SiC材料，其各自芯片上的欧姆接触电极结构设计也不同，针对这种情况，我们提出相应的封装方案。主要采用了热电分离的倒装焊结构设计，在LED封装中引入了热沉、光学透镜、柔性透明硅胶等新型材料和结构，这样可以大大提高器件的散热特性和出光效率，保证了器件工作时的可靠性。LED 半导体照明进入照明领域的一个前提是利用 HB-LED 技术实现白光。我们主要利用 GaN 基蓝光HB-LED 作为激发光源，利用黄色荧光粉作为波长转换的材料，通过蓝光 HB-LED 的一部分蓝光激发荧光粉使荧光粉发出黄光，另外一部分蓝光透过荧光粉发射出来，蓝光和黄光混合成为白光。

3 多芯片阵列组合的制作

根据聚光的效果要求，将反光杯加工成锥形或者抛物线形，反光杯的作用为最大效率地收集从芯片周围发出的射出光子，反光杯表面的光洁度对反射率有很大的关系。用焊料把已经完成倒装焊LED芯片焊接在一个管壳的反光杯内部，由于硅片与焊料的润湿性比较差，这样焊接的硅片容易脱落。因此要把倒装焊LED用焊料焊在管壳上，需要在硅片的背面上镀上一层金属层，以提高其润湿性。当无法用焊料把硅片焊接在管壳上时，可以利用银胶粘片的方法，一般这种导电银胶大约需要在烘箱150℃的条件下加热60min～90min，使之固化。但是这种银胶的导热性能、热稳定性等方面远远比不上焊料，因此用焊料可以大大减少整个器件的封装热阻。

（1）金线键合（wire bond），利用金丝球焊的方法将芯片顶部焊盘与外电极键合，硅衬底上的焊点与另外一个电极连接，为了让金线与电极很好地键合，需要在电极上镀上金层，这种金丝球焊接的方式在半导体工艺的连接方式中被广泛应用。

（2）配粉以及涂粉工艺。按照硅脂与荧光粉一定重量比配备成混合物，搅拌均匀。然后将黄色荧光粉涂敷在芯片表面，在涂粉的过程中，涂粉的量一定要适当，如果涂敷的量过少，HB-LED发出的光会偏蓝；如果涂敷的量过多，HB-LED发出的光会偏黄。因此，涂粉的工艺对于白光LED器件发出光的颜色有很大的影响，涂粉的厚度仍需要不断实践研究，得到一个优化结果。

（3）往反光杯中填充热稳定性能好、绝缘以及光学透明的柔性硅胶，并在最上面加上一个光学透镜，通过热固化以后完成整个器件封装。

在实际应用过程中，将封装好的LED器件表面贴焊在金属散热线路板上，必要时，在线路板的底部增加一个外部制冷器。

4 多芯片阵列

由于单个 HB-LED 的光通量（lm）有限，1W的HB-LED大约在20lm～40lm之间，作为照明光源这个亮度是远远不够的，必须配置多个LED芯片组成阵列。因此开发LED照明用光源，则必须对包括多个LED集成器件光分布在内的装置系统进行优化设计。

4.1 数学模型

为了简化数学模型，我们只考虑芯片出射后光强的分布情况，而忽略芯片、封装材料以及空气三者之间界面的反射、折射以及全反射等光学现象。假设LED光源为受限朗伯光源且为点光源，可表示为：

考虑只有两个LED组成的简单阵列情况，芯片之间的距离为d，那么两个LED组成的阵列的光照度公式为：

其中I= LLED·ALED，为LED的发光强度，LLED为LED芯片的亮度，单位W（m2sr）-1，ALED为芯片的面积。

阵列模块LED的设计理念就是把多个LED芯片集成在一个小模块里，从而得到 40lm·W-1的大功率芯片，那么通过电路驱动，就可以得到一个输入功率为9W，光通量为360lm的发光模块。一般当LED模组的光通量达到1000lm以上，就可以作为普通照明光源。但是这种多芯片封装在提高了总光通量的同时也带来了一个散热问题，假设1W芯片，尺寸为 1mm2，那么其热流密度可达到100W·cm-2左右，如果将芯片的驱动电流增加到1A，输入功率将近3W，相当于热流密度增加到300W·cm-2。

在有限的面积内模组中芯片数量增多，功率密度也增大，再加上芯片与芯片之间由于间隔很小，其热影响除了来自本身芯片的发热外，其他芯片所产生的热量也会相互影响。这样给散热处理提出了很大的挑战。如果不能采用很好的散热方式，势必会导致热量的急剧积累，热量不仅影响LED的电子性能，也影响LED的亮度及颜色，随着芯片温度升高，光谱发生红移，发光效率下降，当芯片温度达到120℃以上，芯片会失效不发光，从而使得整个LED模块失效。为了保证LED模块的可靠性，一般要求LED结温在80℃以下工作。

4.2 LED 阵列模组的设计

模组的设计主要步骤有：

（1）设计覆铜板上电气连接以及芯片放置的位置和距离，选择高散热性能的覆铜板，选择材料以及大小尺寸，优化模组中芯片之间的最小间隔d；由于集成多个芯片，如果过于密集，模组工作时，各个芯片的热场会相互重叠，那么影响芯片温升的条件不仅与自身热学性能有关，还跟周围其他芯片的热场有关。

（2）采用 Chip-on-Board 技术把完成倒装焊的芯片焊接在电路层上预留的焊盘上，然后将芯片上焊盘与电极用金线键合起来。

（3）将荧光粉配胶涂在芯片的表面上。

（4）将涂好荧光粉涂层的LED放入烘箱中烘烤1h～2h，温度在 120℃～150℃范围之内，固化后把反光杯固定在线路板上，并填入绝缘、柔性、光学透明的硅树脂。重新放入烘箱中烘烤，将硅树脂热固化。

（5）根据光图样分布要求安装模组透镜或者反射器，得到 LED 阵列模组。

5 多芯片F5HCASC封装工艺

白光F5HCASC封装工艺主要包括以下几道工艺：固晶、键合、涂粉、灌胶。

固晶→白胶烘烤→配荧光粉→焊线→点荧光粉→荧光粉烘烤→封胶→冲筋→点白胶→二切→三切→电性测试→分光分色→包装。

固晶：利用导电银浆将芯片粘接在金属管架上，利用导电银浆将芯片粘接在金属管架上。利用导电银浆将芯片沾在发光二极管管架的反光碗中心，保证制备成的发光二极管光轴不会偏离设计光轴，将粘好芯片的发光二极管管架放置在烘箱中加温，通常所说的高温导电银浆大约需要在180℃条件下加热60min，使导电银浆固化，通常所说的低温导电银浆大约需要在140℃条件下加热60min，使导电银浆固化。在粘接芯片时导电银浆的量一定要很好地控制，如果涂敷导电银浆的量过多，容易引起发光二极管的短路，如果涂敷导电银浆的量过少，容易引起芯片下电极与管架之间的接触不好，从而导致发光二极管的I-V特性的变化，使器件工作电压升高。

键合：利用金丝球焊或超声焊接的方法将电极与外引线腿连接起来。当烧结工艺结束后，芯片被粘接在金属管架上，利用金丝球焊或超声焊接方法将芯片上电极和金属管架的另外一条腿连接起来。

涂粉：将用于光转换的荧光粉涂敷在芯片表面或发光二极管管架的反光碗中。在涂粉过程中，涂粉的量一定要适当，如果涂敷的量过大，做出的发光二极管偏黄；如果涂敷的量过小，做出的发光二极管偏蓝，具体的量应根据荧光粉的光谱和配色要求而定。

灌胶：将涂好荧光粉的发光二极管封装在环氧树脂中。在发光二极管专用模具中注入适量的环氧树脂，然后将带有发光二极管芯片的管架倒过来插入装有环氧树脂的模具中，放入烘箱中烘烤，在120℃温度下烘烤1h。

根据江西省吉安市木林森电子科技公司提供的封装建议，坚固的粘片过程是获得，低电阻和好的机械和电性能完整性的关键。SiC衬底芯片，采用“助焊共晶”方法封装。粘片的工艺过程如下：

（1）通过探针或者其他精确方法放置非常少量的免清洗助焊剂到硅片上，然后将芯片放到助焊剂上。

（2）通过直接加热或者热空气回流AnSn金属的方法加热到305℃，持续5s～8s。

（3）用丙酮或者异丙酮在超声容器中清洗15min以便除去助焊剂残渣。在封装芯片过程中，还必须考虑从芯片底部到具有导电性能的碳化硅衬底边缘距离较近的问题，只有5 μ m。

如果芯片边缘有固晶剩余残渣（AuSn）和SiC衬底连接，就会形成导电回路，因此固晶后要检验是否形成电流旁路的问题。简单的测量方法：在低电流供电情况下测试芯片的正向电压，如果这种问题存在，很容易测出。一个合格的芯片的正向电压Vf＞1.9V（在1 μ A电流条件下），不合格的芯片Vf＜1.9V。

6 结语

HB-LED封装中关键技术问题：

（1）提高外量子效率，采用高折射率硅胶减少折射率物理屏障带来的光子损失。辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要有三方面：LED内部结构缺陷以及材料的吸收；光子在半导体与空气的界面由于折射率差异引起的反射损失；光子在半导体与空气界面由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。这样就有很多光线因折射而无法从LED芯片中照射到外部，在芯片表面涂了一层折射率相对比较高且处于空气和LED芯片之间的硅类透明树脂（硅树脂），并且通过使透明树脂表面带有一定的角度，可以减少光子在半导体与硅胶界面上的损失，从而使得光线能够高效照射出来，从而提高取光效率。

（2）封装管壳的导热性能，尽量减少芯片结温到外部环境的接触层，采用高热导率的材料，减少由于封装工艺的缺陷带来的界面热阻。

（3）封装树脂，高透过率，耐热，高热导率，耐UV和日光辐射及抗潮的封装树脂。

（4）涂敷荧光粉胶工艺，目前滴胶工艺相对落后、成品率低、一致性差、劳动强度大。由于无法准确地按固定的量将含有荧光材料的树脂涂到LED芯片上，因此颜色总会有差异，往往无法产生无色差的纯白色光。如果采用conformal coating技术或者在LED芯片上部设计一个薄荧光板的方式，通过采用不同于LED芯片的工艺制作荧光板，就能更容易地控制荧光材料用量、减少色差。

随着发光二极管芯片发光效率的提高以及大功率高亮度LED（HB-LED）芯片的制备成功，使得白光HB-LED固态照明成为现实，特别是以后与太阳能电池等节能电源的集成，将成为未来绿色的全固态节能照明光源。

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