大功率倒裝LED芯片陶瓷封裝器件頂面微區發光均勻性

　　摘要:高功率密度的陶瓷封裝LED器件在大電流工作時，其頂面發光均勻性是該類器件的關鍵指標。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倒裝藍光大功率芯片，然后分別制作成藍光器件和白光器件，并分別對器件頂面的微區發光均勻性進行了研究。結果表明，藍光器件在電流<3A時，其頂面光強分布均勻，均勻性受N電極孔和電極間隙的影響較小;在4～8A電流時，藍光器件頂面光強分布不均勻，貫穿N電極孔測試區的光強大于電極孔之間測試區的光強，電極間隙區光強最低，離N電極孔越遠的測試點光強越低;藍光器件在8A時整體光強達到飽和，而不同微區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，其頂面光強分布均勻。

　　關鍵詞:微區發光;倒裝芯片;電極孔;電極間隙

　　1引言

　　我國LED照明產業的年產值近萬億元，然而，部分高端器件目前仍然存在依賴進口的問題。其中大功率倒裝芯片陶瓷基板金錫共晶封裝的LED是依賴進口的主要品類之一，其牽涉到諸多科學和技術問題，需要產業界和學術界對其進行深入研究，為其獲得更廣泛的應用奠定基礎[1]。

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　　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器件的主流技術方案之一[2-5]。隨著芯片和封裝技術的不斷進步，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構，這是為了在下游應用中，便于將發光器件的頂面置于光學透鏡的焦平面，以實現遠程投射，并要求投射的光斑光強均勻及光功率密度高。

　　因此頂面光強均勻性是該類高功率密度器件最關鍵的指標之一。倒裝結構藍光LED芯片在工作電流較小、非陶瓷 基板金錫共晶封裝情況下，其頂面藍光光強均勻性研究已有報道[7]，而針對近年興起的陶瓷基板金錫共晶封裝的高功率密度器件，其頂面藍光和白光均勻性這一關鍵性能的研究還鮮有報道。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倒裝藍光芯片，然后在芯片側面圍涂了高反射白墻膠獲得了陶瓷封裝的藍光器件，進而在其頂面噴涂了熒光粉硅膠層獲得了白光器件，對其封裝成白光LED前后器件頂面發光的均勻性隨驅動電流的變化進行了深入研究。

　　2實驗

　　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，導電通孔(電鍍填孔)直徑為100μm，正負極各5個導電通孔，鍍層表面化學鍍鎳鈀金。倒裝藍光芯片是廈門三安光電公司生產的S-75ABFSD規格芯片，芯片BIN檔為450CP145(700mA電流瞬態點亮時藍光功率為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，再在其上噴涂經稀釋劑稀釋的熒光粉硅膠混合物形成熒光粉硅膠層。測試所用光譜儀為德國InstrumentSystems公司的CAS140CT光譜儀。驅動電源為電流可調節設定的恒流電源，器件測試時所通電流為持續直流。

　　3結果與討論

　　可以看出白光器件的光飽和電流明顯小于藍光器件，導致白光器件提前出現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熒光粉受藍光激發時，其存在非輻射復合和光子能量下轉換，這是導致熒光粉發熱的原因。隨著藍光芯片電流的逐漸加大，熒光粉受到的光激發密度升高，產生的熱量增多，熱量必須通過熱導率僅有0.25W/(cm·K)的藍寶石襯底向下傳導，這使得熒光膠層的熱量不能及時散除并逐漸累積，繼而導致熒光層內部溫度進一步升高，溫度升高到一定程度就導致了熒光粉出現光飽和及光衰減[10-11]。

　　另一方面，熒光粉發熱產生的熱量向下傳導時，LED發光薄膜是該熱量傳導散除的必經之處，LED薄膜在器件通電發光時會由于非輻射復合等因素的存在而自發熱，即白光器件的LED藍光薄膜存在兩個熱源的作用導致其熱光損[10-11]。

　　目前，對于倒裝芯片封裝的白光器件而言，它與垂直結構和平面結構芯片封裝的器件一樣，均存在電流加大色溫升高的現象，即白光里面熒光粉的發光比例減小，當出現光飽和時色溫會顯著升高，熒光粉發光在白光中占的比例會顯著減小[5]。因此，熒光粉是導致白光器件光飽和與衰減的主要原因。

　　在3.5A電流時，不同測試區的相對光通量基本一致。一方面是因為藍光器件在電流小于4A時其器件頂面出光均勻，另一方面是熒光粉會對光起散射作用，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電流時電極間隙區的白光相對光通量稍有下降，是因為該處的散熱情況稍差、熒光粉的熱光損稍大所致，這與熒光膠層在電流進一步加大時其燒焦碳化位置總是從電極間隙區正對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電流時其熒光層即開始失效，而倒裝藍光芯片在8A電流時還能持續穩定工作，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發展的瓶頸是缺乏與高功率密度藍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定工作，并保持器件頂面發光均勻，有待進一步深入研究。

　　4結論

　　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、更大瓦數發展的思路，本文研究了大功率倒裝LED芯片陶瓷封裝器件頂面微區發光的均勻性。在3.5mm×3.5mm的氮化鋁陶瓷基板上共晶了1.905mm×1.830mm(75mil×72mil)的倒裝藍光芯片，然后制作成藍光器件和白光器件，并對器件頂面微區發光均勻性隨電流的變化進行了研究。

　　研究結論為:藍光器件不同微區的光強及其一致性與測試點離N電極孔的距離密切相關;當電流逐漸加大到8A時，離N電極孔越遠的區域越容易達到光飽和，離N電極孔越近的區域其微區光強越大越不易光飽和;離N電極孔最遠的測試點是大電流工作情況下光強最低的點，處在電極間隙區的N電極遠端點的光強最低;白光器件在0～4A電流時，其頂面相對光通量分布均勻。本研究可為高功率密度LED器件的研究提供一定的實驗和數據支撐。

　　參考文獻：

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　　[5]王世龍，熊傳兵，湯英文，等.共晶芯片數及芯片位置對陶瓷共晶封裝LED發光性能的影響[J].發光學報，2020，41(11):1421-1430.

　　作者：李曉珍，熊傳兵*，湯英文，郝冬輝

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