大功率倒装LED芯片陶瓷封装器件顶面微区发光均匀性

　　摘要:高功率密度的陶瓷封装LED器件在大电流工作时，其顶面发光均匀性是该类器件的关键指标。本文在3.5mm×3.5mm的氮化铝陶瓷基板上金锡共晶了1.905mm×1.830mm(75mil×72mil)的LED倒装蓝光大功率芯片，然后分别制作成蓝光器件和白光器件，并分别对器件顶面的微区发光均匀性进行了研究。结果表明，蓝光器件在电流<3A时，其顶面光强分布均匀，均匀性受N电极孔和电极间隙的影响较小;在4～8A电流时，蓝光器件顶面光强分布不均匀，贯穿N电极孔测试区的光强大于电极孔之间测试区的光强，电极间隙区光强最低，离N电极孔越远的测试点光强越低;蓝光器件在8A时整体光强达到饱和，而不同微区的光饱和程度及峰值波长随电流的变化有所不同;白光器件在0～4A电流时，其顶面光强分布均匀。

　　关键词:微区发光;倒装芯片;电极孔;电极间隙

　　1引言

　　我国LED照明产业的年产值近万亿元，然而，部分高端器件目前仍然存在依赖进口的问题。其中大功率倒装芯片陶瓷基板金锡共晶封装的LED是依赖进口的主要品类之一，其牵涉到诸多科学和技术问题，需要产业界和学术界对其进行深入研究，为其获得更广泛的应用奠定基础[1]。

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　　将LED倒装芯片金锡共晶焊接在陶瓷基板上，然后制作一层荧光粉硅胶层或贴合荧光陶瓷片或荧光玻璃片获得陶瓷封装白光LED，是目前高功率密度白光LED器件的主流技术方案之一[2-5]。随着芯片和封装技术的不断进步，该器件的功率密度还在不断提高[6]。高功率密度的陶瓷封装LED器件一般均封装成平面结构，这是为了在下游应用中，便于将发光器件的顶面置于光学透镜的焦平面，以实现远程投射，并要求投射的光斑光强均匀及光功率密度高。

　　因此顶面光强均匀性是该类高功率密度器件最关键的指标之一。倒装结构蓝光LED芯片在工作电流较小、非陶瓷 基板金锡共晶封装情况下，其顶面蓝光光强均匀性研究已有报道[7]，而针对近年兴起的陶瓷基板金锡共晶封装的高功率密度器件，其顶面蓝光和白光均匀性这一关键性能的研究还鲜有报道。本文在热电分离的氮化铝陶瓷基板上金锡共晶了大功率LED倒装蓝光芯片，然后在芯片侧面围涂了高反射白墙胶获得了陶瓷封装的蓝光器件，进而在其顶面喷涂了荧光粉硅胶层获得了白光器件，对其封装成白光LED前后器件顶面发光的均匀性随驱动电流的变化进行了深入研究。

　　2实验

　　热电分离的氮化铝陶瓷基板大小为3.5mm×3.5mm，陶瓷层厚度为400μm，正反两面金属镀层厚度为50μm，导电通孔(电镀填孔)直径为100μm，正负极各5个导电通孔，镀层表面化学镀镍钯金。倒装蓝光芯片是厦门三安光电公司生产的S-75ABFSD规格芯片，芯片BIN档为450CP145(700mA电流瞬态点亮时蓝光功率为1450mW，主波长为450nm)，芯片大小为1.905mm×1.830mm(75mil×72mil)，芯片厚度为150μm，芯片正负电极间隙宽度为150μm，电极钛钨阻挡层和金锡层厚度均为3μm。

　　高反射白墙胶为硅胶与锐钛型钛白粉的混合物，钛白粉含量为0.5%，钛白粉平均粒径为20nm。白光器件的荧光胶层的厚度为100μm，由硅胶与钇铝石榴石(Yttriumaluminumgarnet，YAG)荧光粉混合而成，荧光粉含量为30%(质量比)，荧光粉平均粒径为8μm。LED器件的封装工艺流程为:用热臂共晶焊将倒装芯片共晶焊在氮化铝陶瓷基板上，然后在芯片四周涂覆白墙胶，白墙胶经150℃加热2h固化，然后等离子体辉光清洗倒装芯片表面，再在其上喷涂经稀释剂稀释的荧光粉硅胶混合物形成荧光粉硅胶层。测试所用光谱仪为德国InstrumentSystems公司的CAS140CT光谱仪。驱动电源为电流可调节设定的恒流电源，器件测试时所通电流为持续直流。

　　3结果与讨论

　　可以看出白光器件的光饱和电流明显小于蓝光器件，导致白光器件提前出现光饱和的原因是白光器件的荧光粉和芯片均存在热光损所致[8-9]。YAG荧光粉受蓝光激发时，其存在非辐射复合和光子能量下转换，这是导致荧光粉发热的原因。随着蓝光芯片电流的逐渐加大，荧光粉受到的光激发密度升高，产生的热量增多，热量必须通过热导率仅有0.25W/(cm·K)的蓝宝石衬底向下传导，这使得荧光胶层的热量不能及时散除并逐渐累积，继而导致荧光层内部温度进一步升高，温度升高到一定程度就导致了荧光粉出现光饱和及光衰减[10-11]。

　　另一方面，荧光粉发热产生的热量向下传导时，LED发光薄膜是该热量传导散除的必经之处，LED薄膜在器件通电发光时会由于非辐射复合等因素的存在而自发热，即白光器件的LED蓝光薄膜存在两个热源的作用导致其热光损[10-11]。

　　目前，对于倒装芯片封装的白光器件而言，它与垂直结构和平面结构芯片封装的器件一样，均存在电流加大色温升高的现象，即白光里面荧光粉的发光比例减小，当出现光饱和时色温会显著升高，荧光粉发光在白光中占的比例会显著减小[5]。因此，荧光粉是导致白光器件光饱和与衰减的主要原因。

　　在3.5A电流时，不同测试区的相对光通量基本一致。一方面是因为蓝光器件在电流小于4A时其器件顶面出光均匀，另一方面是荧光粉会对光起散射作用，所以使得具有荧光粉硅胶层的白光器件顶面出光更均匀[19-20]。

　　4A电流时电极间隙区的白光相对光通量稍有下降，是因为该处的散热情况稍差、荧光粉的热光损稍大所致，这与荧光胶层在电流进一步加大时其烧焦碳化位置总是从电极间隙区正对的位置开始是相互印证的。本文基于硅胶荧光粉封装的白光器件，在4.5A电流时其荧光层即开始失效，而倒装蓝光芯片在8A电流时还能持续稳定工作，因此无法探知该白光器件在更大电流更高功率密度情况下顶面发光的均匀性。

　　目前限制高功率密度白光器件向更高功率密度更大瓦数发展的瓶颈是缺乏与高功率密度蓝光器件相匹配的荧光材料和灌封材料[5，21]。利用新兴材料荧光陶瓷片和荧光玻璃片将本文蓝光器件封装成白光器件，它能否在更大电流、更高功率密度情况下稳定工作，并保持器件顶面发光均匀，有待进一步深入研究。

　　4结论

　　为了探究高功率密度LED器件能否在顶面出光均匀情况下朝更高功率密度、更大瓦数发展的思路，本文研究了大功率倒装LED芯片陶瓷封装器件顶面微区发光的均匀性。在3.5mm×3.5mm的氮化铝陶瓷基板上共晶了1.905mm×1.830mm(75mil×72mil)的倒装蓝光芯片，然后制作成蓝光器件和白光器件，并对器件顶面微区发光均匀性随电流的变化进行了研究。

　　研究结论为:蓝光器件不同微区的光强及其一致性与测试点离N电极孔的距离密切相关;当电流逐渐加大到8A时，离N电极孔越远的区域越容易达到光饱和，离N电极孔越近的区域其微区光强越大越不易光饱和;离N电极孔最远的测试点是大电流工作情况下光强最低的点，处在电极间隙区的N电极远端点的光强最低;白光器件在0～4A电流时，其顶面相对光通量分布均匀。本研究可为高功率密度LED器件的研究提供一定的实验和数据支撑。

　　参考文献：

　　[1]李晋闽，刘志强，魏同波，等.中国半导体照明发展综述[J].光学学报，2021，41(1):0116002-1-13.LIJM，LIUZQ，WEITB，etal.DevelopmentsummaryofsemiconductorlightinginChina[J].ActaOpt.Sinica，2021，41(1):0116002-1-13.(inChinese)

　　[2]QIANXL，LIY，SHIMM，etal.ColorconverterbasedontransparentCe∶YAGceramicbydifferentpackagestructureforhigh-powerwhiteLED[J].Ceram.Int.，2019，45(17):21520-21527.

　　[3]WUHJ，HAOZD，PANGH，etal.Phosphor-SiO2compositefilmssuitableforwhitelaserlightingwithexcellentcolorrendering[J].J.Eur.Ceram.Soc.，2020，40(6):2439-2444.

　　[4]XIAOY，HAOZD，ZHANGLL，etal.AnefficientbluephosphorBa2Lu5B5O17∶Ce3+stabilizedbyLa2O3:photoluminescencepropertiesandpotentialuseinwhiteLEDs[J].DyesPigments，2018，154:121-127.

　　[5]王世龙，熊传兵，汤英文，等.共晶芯片数及芯片位置对陶瓷共晶封装LED发光性能的影响[J].发光学报，2020，41(11):1421-1430.

　　作者：李晓珍，熊传兵*，汤英文，郝冬辉

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