10 W COB 集成LED 光源的性能分析*

2013-12-22郑康定

电子器件 2013年2期

郭瑜，郑康定，陈飞

(1.北京宇极科技发展有限公司，北京100081;2.宁波康强电子股份有限公司，浙江宁波315104;3.浙江中物九鼎科技孵化器有限公司，浙江宁波315100)

由于大功率LED 光源的迅速发展，使LED 光源已经开始跨入了广阔的照明市场，广泛应用在室内外照明、汽车光源、舞台、摄影摄像等照明领域。国内外厂商积极开展各种大功率型LED 封装，例如采用高导热金属材料及陶瓷材料作为基板等。应用于照明市场的LED 光源对于寿命及可靠性的要求更加严格，因此其封装结构必须能够适应高电流密度带来的极高热应力，避免可能造成晶片损坏、树脂或硅胶黄化、金线断裂及脱层等现象，因此如何降低大功率LED 的封装热阻技术，成为一项重要的研究课题［1－4］。大功率LED 的热管理对其长期的可靠性起着关键的作用，必须采用新的封装技术，寻找性能优良的封装材料，在结构和工艺等方面对器件的热系统进行优化设计。

1 样品的制备

我们通过对LED 基板、LED 芯片［5］、焊料等封装原材料进行合理选择以及对封装结构和工艺的有效改善，来提高大功率LED 的可靠性。

对于芯片我们选择垂直结构LED 芯片，它的两个电极分别在LED 外延层的两侧，通过图形化的N电极，使得电流几乎全部垂直流过LED 外延层，横向流动的电流极少，可以避免正装结构的电流拥挤问题，提高发光效率，同时也解决了P 极的遮光问题，提升了LED 的发光面积。

对于基板我们采用DLC 铝基板作为LED 器件的基板，DLC 铝基板是以类金刚石薄膜DLC(Diamond Like Carbon)取代常规铝质印刷电路板上的环氧树脂绝缘层，环氧树脂的热传导系数(0.5 W/(m·K))比铝(275 W/(m·K))低数百倍，LED 芯片产生的热久聚难散。DLC 的热传导系数(500 W/(m·K))比铜(400 W/(m·K))还要高，因为可以达到显著的冷却效果。另外DLC 具备极佳的热扩散性、热均匀性、高崩溃电压和高电阻等理想绝缘材料的性能，有效提升了大功率LED 产品的寿命与可靠性，提升了光输出强度及降低光衰减情形。

随着LED 光源功率的增大，需要将多个LED芯片集成封装，COB 封装就是将多颗LED 芯片直接封装在基板上，以强化LED 的散热性能，解决大功率封装所产生的高热量。它的优势为低热阻、低封装成本及单一封装体的高流明输出［6］。

我们选择背面蒸镀有3 μm 厚AuSn 的LED 芯片，而DLC 基板的电极表面镀了3 μm 厚的Au，这样芯片和基板之间就可以直接采用AuSn 共晶焊接的方式来粘接。AuSn 共晶焊接可实现大功率LED中芯片与基板的高效联接，可以极大地提升大功率LED 器件对散热的要求，其具有热导率高、阻抗小、传热快、可靠性强、粘接后剪切力大等优点。

LED 芯片固晶后，利用KS 焊线机进行自动焊线、实现芯片之间和芯片与基板之间的电极互联。我们在基板上焊接了4 颗45×45 mil 的芯片，以实现10W 的电功率输出。芯片之间采用全串联方式连接，根据需要也可以采用先串后并的方式。芯片焊线后接着是点荧光粉胶、灌封、盖透镜等常规封装工艺。

图1 是10 W COB 集成LED 光源的结构设计示意图，图2 是它的实物照片。

图1 10 W COB 集成LED 光源的结构设计示意图

图2 10 W COB LED 光源的实物照片

2 样品的测试与分析

我们制备了一系列的10 W COB 集成LED 光源样品，采用杭州中为公司的ZWL－3900T 集成模组分光分色测试系统对该系列样品进行光色电性能测试，测试条件为环境温度Ta=25 ℃，样品工作电流为I=700 mA。目前国内封装企业制作的10 W COB 光源多是采用9 颗小尺寸芯片3×3 阵列，我们采用4 颗大尺寸芯片2×2 阵列，这样可以降低制造成本和工艺难度，提高成品率，同时通过减少芯片相互之间的热影响可以提高产品性能，具体的光色电性能数据统计见下表1。

表1 10 W LED 光源的光电参数

图3 是10 W 高显指样品光源的典型光谱曲线。我们在黄粉中加入绿粉和红粉以获得高显指的LED产品，所以在图3 中黄色荧光粉的发射光谱中增加了峰值波长为530 nm 和640 nm 的绿光和红光成分，使得LED 器件的色温降低而显色指数大大提高。

图3 10 W 暖白光源样品的光谱分布曲线

我们也测试了不同环境温度下的样品光通量输出，结果如图4 所示，样品的光通量输出大小随着环境温度的升高近似呈线性下降关系。

图4 相对光通量输出与环境温度关系曲线图

图5 是LED 样品的正向电压随正向电流变化的关系曲线图，我们采用杭州远方公司的LED626分布光度计进行测试，从图5 中可以看出当IF=700 mA 时，VF=14 V。

图5 正向电压与正向电流关系曲线图

对于样品的发光角度，我们采用杭州远方的LED626 分布光度计进行测试，测试条件为样品工作电流I=350 mA，测得的光强与角度的分布曲线如图6 所示，可见样品的发光角度2θ1/2=100°。通过改变一次透镜的形状和尺寸，可以实现60° ～160°不同的发光角度。

图6 相对发光强度与发光角度关系曲线图

LED 器件的热阻测试通常采用电学测试法，测试原理和方法见参考文献［7－10］。对于10 W LED 样品，我们采用匈牙利Micred 公司的t3ster 热阻仪进行热阻测试，测试条件为环境温度Ta=25 ℃，预热电流I=1 mA，样品工作电流I=700 mA。我们在散热器上先涂抹一层导热脂，然后将样品固定在散热器上开始测试。从图7 中包含热阻和热容信息的结构函数图中可以明显看出，曲线中最后一个平台是导热脂的热阻值，样品LED 器件的实际热阻值Rth=4.6 K/W。

图7 10 W LED 光源的热阻和热容结构函数

苏志刚等［11］对不同银胶固晶材料和共晶工艺的热阻进行过测量与对比，发现采用银胶固晶得到的LED 封装产品的热阻为8.9 K/W，而采用金锡共晶工艺固晶得到的同类LED 产品的热阻则降为6.0 K/W。即使高热率银胶的热导率也仅为25 W/(m·K)～28 W/(m·K)，而金锡合金的热导率可达57 W/(m·K)。我们的试验数据也验证了使用金锡共晶工艺可以有效地降低器件热阻值，同时也说明我们的LED 器件的封装结构比较合理，可以有效地将热排出去，减少结温上升引起的器件性能下降。