高亮度LED的技術(shù)瓶頸

April 15, 2019

高亮度LED雖然具備了更省電、使用壽命更長及反應(yīng)時間更快等優(yōu)點，但仍得面對靜電釋放（ESD）損害和熱膨脹系數(shù)（TCE）等效能瓶頸；本文將提出一套采次黏著基臺（Submount）的進(jìn)階封裝方式，以有效發(fā)揮LED的照明效益。

高亮度LED（High-brightness Light Emitting Diodes；HB LED）的出現(xiàn)，在照明產(chǎn)業(yè)中掀起了一股狂潮。相較于傳統(tǒng)的白熱燈泡，HB LED因具備了更省電、使用壽命更長及反應(yīng)時間更快等主要優(yōu)點，因此很快的搶占了LCD背光板、交通號志、汽車照明和招牌等多個市場。

HB LED的主導(dǎo)性生產(chǎn)技術(shù)是InGaN，但此技術(shù)仍有一些瓶頸需要克服，目前掌握前瞻技術(shù)的業(yè)者紛紛針對這些瓶頸提出新的解決方案，希望能進(jìn)一步拓展HB LED的市場。這些瓶頸中以靜電釋放（electrostatic discharge；ESD）敏感性和熱膨脹系數(shù)（thermal coefficient of expansion ；TCE）為兩大議題，其困難如下所述：

　　熱處理（Thermal Management）

　　相較于LED 晶粒（die）的高效能特性，目前多數(shù)的封裝方式很明顯地?zé)o法滿足今時與未來的應(yīng)用需求。對于HB LED的封裝廠商來說，一個主要的挑戰(zhàn)來自于熱處理議題。這是因為在高熱下，晶格會產(chǎn)生振動，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)上的改變（如回饋回路變成正向的），這將降低發(fā) 光度，甚至令LED無法使用，也會對交錯連結(jié)的封入聚合體（encapsulating polymers）造成影響。

　　僅管一些測試顯示，在晶粒（die）的型式下， 即使電流高到130mA仍能正常工作；但采用一般的封裝后，LED只能在20mA的條件下發(fā)光。這是因為當(dāng)芯片是以高電流來驅(qū)動時，所產(chǎn)生的高熱會造成銅 導(dǎo)線框（lead-frame）從原先封裝好的位置遷移。因此在芯片與導(dǎo)線框間存在著TCE的不協(xié)調(diào)性，這種不協(xié)調(diào)性是對LED可靠性的一大威脅。

　　靜電釋放（ESD）

　　對電子設(shè)備的靜電損害 （Electrostatic damage；ESD）可能發(fā)生在從制造到使用過程中的任何時候。如果不能妥善地控制處理ESD的問題，很可能會造成系統(tǒng)環(huán)境的失控，進(jìn)而對電子設(shè)備造成 損害。InGaN 晶粒一般被視為是"Class 1"的設(shè)備，達(dá)到30kV的靜電干擾電荷其實很容易發(fā)生。在對照試驗中，10V的放電就能破壞Class 1 對ESD極敏感的設(shè)備。研究顯示ESD對電子產(chǎn)品及相關(guān)設(shè)備的損害每年估計高達(dá)50億美元，至于因ESD受損的LED則可能有變暗、報銷、短路，及低Vf （forward voltage）或 Vr（reverse voltage）等現(xiàn)象。

以Submount技術(shù)突破瓶頸

為了突破這些InGaN LED瓶頸，CAMD公司提出一項特殊的解決方式。采用與醫(yī)學(xué)用生命支持設(shè)備相同的技術(shù)，CAMD發(fā)展出一種硅載體（Silicon Carrier）或次黏著基臺（Submount），以做為InGaN芯片與導(dǎo)線框之間的內(nèi)部固著介質(zhì)；當(dāng)透過齊納二極管（Zener Diodes）來提供ESD保護(hù)的同時，這種Submount設(shè)計也能降低TCE不協(xié)調(diào)性的沖擊。

一個基本硅材質(zhì)Submount如 何將兩個焊球與覆晶LED接合在一起的情況，在球體區(qū)域所見到的不同顏色圓圈是用來保護(hù)LED免受ESD損害的二極管架構(gòu)。此架構(gòu)除了能安全的抵銷高達(dá) 30kV的接觸放電，更超過IEC61000-4-2國際標(biāo)準(zhǔn)對最大值的要求。硅材質(zhì)與焊球扮演著振動吸收器，以疏緩熱膨脹效應(yīng)。

這樣做還有一些明顯的好處：以Submount粘著焊球，可以使LED晶粒緊密地與Submount接合在一起，再經(jīng)由打線連接到導(dǎo)線框。這種方式能降低因直接打線到LED晶粒所產(chǎn)生的遮光影響。

Submount兩邊都有綠色的矩 形區(qū)域，這是打線的區(qū)域。此外，因為Submount是一個光滑的硅表面，其上是鋁金屬層，因此能將一般損失掉的光度有效的反射出去。圖一中的覆蓋了大部 分Submount的藍(lán)色區(qū)域，即是高反射性的鋁金屬層，它的作用猶如LED的一面反射鏡。

在LED的背面一般以金覆蓋，以提供最佳化的熱傳導(dǎo)，以及芯片與導(dǎo)線框、銅散熱器的高度接合度。

此一解決方案的完整封裝結(jié)構(gòu)，其中 LED晶粒與Submount上頭的焊球接合，此一次組合被鑲嵌在整個LED 封裝中；Submount再打線到導(dǎo)線框，以供電給LED。這個硅Submount只有10-mils的厚度，這樣才能發(fā)揮最大的熱傳導(dǎo)效能，讓LED的 高熱很快地經(jīng)由此封裝設(shè)計傳到散熱器上頭。

結(jié)論

HB LED已開始取代消費性及工業(yè)應(yīng)用的傳統(tǒng)照明解決方案，但要讓LED發(fā)揮最大照度，仍得克服一些瓶頸，例如在高熱下，封裝晶格會振動甚至遷移，以及因 ESD的損害而讓LED有變暗、報銷及短路等現(xiàn)象。本文所提到的Submount封裝技術(shù)，可以有效的解決LED發(fā)光、散熱及導(dǎo)電等問題，并能提供ESD 保護(hù)，是一個值得推廣的解決方案。

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