2)LED芯片的壽命和可靠性

 

　　芯片的結(jié)溫和散熱

 

　　散熱問題是功率型白光led需重點解決的技術(shù)難題，散熱效果的優(yōu)劣直接關(guān)系到路燈的壽命和節(jié)能效果。led是靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光的，其光譜中不含有紅外部分，所以LED的熱量不能靠輻射散發(fā)。如果led芯片中的熱量不能及時散發(fā)出去，會加速器件的老化。一旦LED的溫度超過最高臨界溫度(跟據(jù)不同外延及工藝，芯片溫度大概為150℃)，往往會造成LED永久性失效。有效地解決led芯片的散熱問題，對提高led路燈的可靠性和壽命具有重要作用。要做到這一點，最直接的方法莫過于提供一條良好的導(dǎo)熱通道讓熱量從結(jié)往外散出。在芯片的級別上，與傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)以藍(lán)寶石襯底作為散熱通道相比，垂直及倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)有著較佳的散熱能力。垂直結(jié)構(gòu)芯片直接采用銅合金作為襯底，有效地提高了芯片的散熱能力。倒裝焊(Flip-Chip)技術(shù)通過共晶焊將LED芯片倒裝到具有更高導(dǎo)熱率的硅襯底上(導(dǎo)熱系數(shù)約120W/mK，傳統(tǒng)正裝芯片藍(lán)寶石導(dǎo)熱系數(shù)約20W/mK)，芯片與襯底間的金凸點和硅襯底同時提高了LED芯片的散熱能力，保障LED的熱量能夠快速從芯片中導(dǎo)出。

 

　　芯片的ESD保護

 

　　另外，抗靜電釋放(ESD)能力是影響LED芯片可靠性的另一因素。藍(lán)寶石襯底的藍(lán)色芯片其正負(fù)電極均位于芯片上面，間距很小;對于InGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)，InGaN活化簿層厚度僅幾十納米，對靜電的承受能力有限，很容易被靜電擊穿，使器件失效。為了防止靜電對LED芯片的損害，一方面可以采用將生產(chǎn)設(shè)備接地和隔離人體靜電等生產(chǎn)管理方法，另一方面可以在LED芯片中加入齊納保護電路。在應(yīng)用到路燈領(lǐng)域中，傳統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)ESDHBM最高約為2000V，通常需要在封裝過程中通過金線并聯(lián)一顆齊納芯片以提高ESD防護能力，不僅增加封裝成本和工藝難度，可靠性也有較大的風(fēng)險。通過在硅襯底內(nèi)部集成齊納保護電路的方法，可以大大提高LED芯片的抗靜電釋放能力(ESDHBM=4000~8000V)，同時節(jié)約封裝成本，簡化封裝工藝，并提高產(chǎn)品可靠性。

 

　　3)實例介紹倒裝芯片的穩(wěn)定性

 

　　led路燈通常為60-200W左右，目前主要采取兩種方式來實現(xiàn)，一種是通過“多顆芯片金線串并聯(lián)的模組”和“多顆LED通過PCB串并聯(lián)”的方式來實現(xiàn)高瓦數(shù)。無論哪種實現(xiàn)方式，均要求在封裝過程中通過焊線(Wire-bonding)的方式實現(xiàn)芯片與支架的電路連接，而焊接過程中瓷嘴對LED的芯片的沖擊是導(dǎo)致LED漏電、虛焊等主要原因，傳統(tǒng)正裝和垂直結(jié)構(gòu)LED，電極位于芯片的發(fā)光表面，因此焊線過程中瓷嘴的正面沖擊極易造成發(fā)光區(qū)和電極金屬層等的損傷，在LED芯片采取倒裝結(jié)構(gòu)中，電極位于硅基板上，焊線過程中不對芯片進行沖擊，極大地提高封裝可靠性和生產(chǎn)良率。

 

　　LED芯片的封裝要求

 

　　作為LED路燈的核心器件，LED芯片的性能需要通過led封裝工藝來實現(xiàn)光效、壽命、穩(wěn)定性、光學(xué)設(shè)計、散熱等能力的提升。由于芯片結(jié)構(gòu)的不同，對應(yīng)的封裝工藝也有較大的差異。

 

　　光效提升

 

　　正裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)的芯片是GaN與熒光粉和硅膠接觸，而倒裝結(jié)構(gòu)中是藍(lán)寶石(sapphire)與熒光粉和硅膠接觸。GaN的折射率約為2.4，藍(lán)寶石折射率為1.8，熒光粉折射率為1.7，硅膠折射率通常為1.4-1.5。藍(lán)寶石/(硅膠+熒光粉)和GaN/(硅膠+熒光粉)的全反射臨界角分別為51.1-70.8°和36.7-45.1°，在封裝結(jié)構(gòu)中由藍(lán)寶石表面射出的光經(jīng)由硅膠和熒光粉界面層的全反射臨界角更大，光線全反射損失大大降低。同時，芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計不同，導(dǎo)致電流密度和電壓的不同，對LED的光效有明顯的影響。如傳統(tǒng)的正裝芯片通常電壓在3.5V以上，而倒裝結(jié)構(gòu)芯片，由于電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計，電流分布更均勻，使LED芯片的電壓大幅度降低至2.8V-3.0V，因此，在同樣光通量的情況，倒裝芯片的光效比正裝芯片光效約高16-25%左右。