從現實運用的角度來看,安置利用簡略、體積相對較小的大功率LED器件在大部分的照明應用中必將取代傳統的小功率led器件。由小功率LED組成的照明燈具為了滿足照明的需要,必須集中許多個LED的光能才能達到設計要求,但帶來的缺點是線路異常復雜、散熱不暢,為了平衡各個LED之間的電流、電壓關系,必須設計復雜的供電電路。相比之下,大功率單體LED的功率遠大于若干個小功率LED的功率總和,供電線路相對簡單,散熱結構完善,物理特性穩定。所以說,大功率LED器件的封裝方法和封裝材料并不能簡單地套用傳統的小功率LED器件的封裝方法與封裝材料。大的耗散功率、大的發熱量以及高的出光效率,給LED封裝工藝、封裝設備和封裝材料提出了新的更高的要求。
大功率LED芯片
要想得到大功率LED器件,就必須制備合適的大功率LED芯片。國際上通常的制造大功率LED芯片的方法有如下幾種:
①加大尺寸法。通過增大單體LED的有效發光面積和尺寸,促使流經TCL層的電流均勻分布,以達到預期的光通量。但是,簡單地增大發光面積無法解決散熱問題和出光問題,并不能達到預期的光通量和實際應用效果。
②硅底板倒裝法。首先制備出適合共晶焊接的大尺寸LED芯片,同時制備出相應尺寸的硅底板,并在硅底板上制作出供共晶焊接用的金導電層及引出導電層(超聲金絲球焊點),再利用共晶焊接設備將大尺寸LED芯片與硅底板焊接在一起。這樣的結構較為合理,既考慮了出光問題又考慮到了散熱問題,這是目前主流的大功率LED的生產方式。
美國某公司于2001年研制出了功率型倒裝芯片(FCLED)結構,其制造流程是:首先在外延片頂部的P型GaN上淀積厚度大于500A的NiAu層,用于歐姆接觸和背反射;再采用掩模選擇刻蝕掉P型層和多量子阱有源層,露出N 型層;經淀積、刻蝕形成N型歐姆接觸層,芯片尺寸為1mm×1mm,P型歐姆接觸為正方形,N型歐姆接觸以梳狀插入其中,這樣可縮短電流擴展距離,把擴展電阻降至小;然后將金屬化凸點的AlGaInN芯片倒裝焊接在具有防靜電保護二極管(ESD)的硅載體上。
③陶瓷底板倒裝法。先利用LED晶片通用設備制備出具有適合共晶焊接電極結構的大出光面積的LED芯片和相應的陶瓷底板,并在陶瓷底板上制作出共晶焊接導電層及引出導電層,然后利用共晶焊接設備將大尺寸LED芯片與陶瓷底板焊接在一起。這樣的結構既考慮了出光問題也考慮到了散熱問題,并且采用的陶瓷底板為高導熱陶瓷板,散熱效果非常理想,價格又相對較低,所以為目前較為適宜的底板材料,并可為將來的集成電路一體化封裝預留空間。
④藍寶石襯底過渡法。按照傳統的InGaN芯片制造方法在藍寶石襯底上生長出PN結后,將藍寶石襯底切除,再連接上傳統的四元材料,制造出上下電極結構的大尺寸藍光LED芯片。
⑤AlGaInN碳化硅(SiC)背面出光法。美國某公司是全球采用SiC襯底制造AlGaInN超高亮度LED的廠家,幾年來其生產的 AlGaInN/SiCa芯片結構不斷改進,亮度不斷提高。由于P型和N型電極分別位于芯片的底部和頂部,采用單引線鍵合,兼容性較好,使用方便,因而成為AlGaInNLED發展的另一主流產品。