高功率LED芯片之技术发展.docx
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高功率LED芯片之技术发展
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高功率ＬＥＤ芯片之技术发展
谢明勋
晶元光电股份有限公司ＬＥＤ的应用展望
ＬＥＤ效率的Ｒｏａｄｍａｐ及暖白光的ｌｓｓｕｅ根据美国能源部对于ＬＥＤ未来发展的效能来
看，在２０１０年时，实验宣的数据将逃到每瓦１６０流
第一次十八世纪末的机械革命，第二次十九世纪末的电力革命，第三次二十世纪中的数字化革命及第网次二十世纪末的信息革命。
尤其近二十年来，人类的进步越来越快．科技的驱势也偏向轻、薄、小及节能环保的驱势来发展。
小而节能的晶体管取代了又大又热又耗能的真空管、轻薄的平面显示器取代了笨重的ＣＲＴ、容量大且保存时间长的记忆卡取代了不易储存的胶卷．而轻薄短小且节能的固态照明也正在慢慢取代传统的耗能白炽灯及不环保的
荧光灯管。
在这十年间，ＬＥＤ的应用渐渐地从低阶应用的
明，而ＣＲＩ在７０一８０且色温在４１０叽６５００Ｋ的商品化ＬＥＤ冷白光源约为１４７流明左右．至于ｃ刚大于８５及色温２８００－３５００Ｋ的ＬＥＤ暖白光源每瓦９７流明左
右，到了２０１５年时，实验章的数据将可以达到每瓦
２００流明，而ＬＥＤ冷由光约在１８８ｆｍＭ，ＬＥＤ暖白光则在１３８ｌｍ，Ｗ。
一般而言．为了提高ＣＲ吸降低色温，所常见的方法不外乎采用半高宽较大的黄色荧光粉或是直接混台红黄荧光粉，但由ｒ目前红色荧光粉的效率，相对于常见的黄色荧光粉而言较低因此从图１中，美国能源部对ＬＥＤ所设定的目标，可以发现．由于人眼视效函数及Ｅ述荧光粉效率的关系，ＬＥＤ暖白光的效率一直较冷白光约少了３０－４０％：
晶元光电本身具有生产高亮度红光ＬＥＤ的优势，所咀我们也尝试在ＬＥＤ白光的应用上加＾高亮度红光ＬＥＤ，如此将能够同时增加暖白光的效率也能达到提高ｃＲｌ的目标。
指示灯跨入到高阶应用的手机及笔记型计算机的背光源，甚至于大尺寸的ＬＣＤ电视也逐步地以ＬＥＤ的方案来取代传统的ＣｃＦＬ。
市场的需求及科技的进步将使得ＬＥＤ触及各个领域ｆ图２），所有现行的光源都是未来ＬＥＤ的市场，当中最大的当属于通用照明的应用。
目前成认为，随着ＬＥＤ的效率增加及成
本Ｆ降，ＬＥＤ市场将在五到十年间到成为通用照明
市场的主流。
通用照明市场的应用及要求和ＬＥＯ目
前主流的应用有许多的不同，如，电源为ＡＣ而非
ＤＣ、功率的需求较人、光型均匀度等等，因此，一个完整解决方案的固态照明必须要能同时考虑光、热及电的特性。
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高功率Ｌ印芯片之技术回顾
如同前面所言，最近几年由于ＬＥＤ技术的进步使得其应用越来越广，市场对于高工ＪＪ率ＬＥＤ的需求”卅Ｉ碣婚ｍａｏ∞ｗⅣｗｃｈｍａ—ｌ“ｎ甙
５７
从传统照明到固态照明在人类的历史上，总共经历了四次的科技革命。
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也越来越多。
高功率ＬＥＤ和传统小尺寸ＬＥＤ的设计Ｆ有许多相似２处，例如何均匀地扩散电流、如何进一步提高光萃取效率，但其最大的不同点在于热的问题，为了使ＬＥＤ能在丈功率操作下依旧保有
高的可靠度．如何解决散热是一项最重要的课题
ｆ三ｌ晶元光电的高功率晶粒晶元光电蓝光高功率晶粒分别有（陶５｝以蓝宝石为基板的ｖｅｎｕｓ系列、水平结构加高散热绝缘基板的ｓＨ系列，以及垂直结构加高散热导电基板的
ｓＮ系列。
而为了满足客户及市场需求的不同，功率从０２ｗ到３ｗ不等（图６）。
ＬＥＤ模块的热阻Ｈ前ＬＥＤ的效率大约在４０％?
５０％左右，所浪费掉的能源一般是以热的方式呈现．冈此在现行的ＬＥＤ模块中．为了耐ｊ｛ｊ度，散热是必须要考虑的一纠、。
如图３所示．ＬＥＤ所发出多余的热将从晶粒一层一层到封装体选出。
在同样的材料下，热传导和
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面积为证向关系，由丁晶粒车身材料及尺寸的关
系，因此，一般而言，在晶粒端的热阻是最大的；换句话说．整个ＬＥＤ散热的瓶颈往往是在晶粒本身
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晶粒热阻的改善改善晶粒热阻的方法有：
减少晶粒的厚度、置换高散热基板或是改采覆晶式晶粒。
其中以置换高散热基扳或是改采覆晶式晶粒的改善效果较为显著，如图四所示．以蓝光ＬＥＤ为例．当我们将背面原本的蓝宝石基板置换成硅基板或是铜基板时．热阻将大幅从每瓦２６１℃降至每瓦０６５℃。
当改用覆晶式晶粒时，热阻更能够进一步降至每瓦Ｏ
１６℃。
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在我们内部的实验中，验证了降低熟阻所具有的优势。
以ＳＨ和Ｔｓ（ｖｅｎｕｓ）相比为例（图７），驱动电流ｏｖｅ州ｎｖｅ到７００ｍＡ时，ｓＨＴｙｐｅ较ＴｓＴｙｐｅ的光
功率高了约６｛％．当更进一步ｏｖｅ—ｎｖｅ到１Ａ，ｓＨ更高了１０－１２％。
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图４
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材料．器件与装备技术篇
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单晶粒＾ＣＬＥＤ目前的传统照明设备的基础结构乃是以ＡＣ为主（图９１，但ＬＥＤ一般而言，是以直流电源来驱动的组件，为了要在Ａｃ环境下使用ＬＥＤ，加＾Ａｃ／ＤＣ
的电源转换器是必要的。
但事实ｒ，加入Ａｃ『Ｄｃ电
源转换嚣不但导致成本增加，如果使用便宜ｓｏＩｕｔｌｏｎ的电源转换器甚至会大幅减低效率及产品的可靠度。
那我们是否能有其它的选择呢？
是的．那就是—＾ｃＬＥＤ，一种直接以基础供电系统所驱动
的发光二极管，不再需要经过ＡＣ／Ｄｃ的转换。
也因
为不须使用ＡＣ／ＤＣ转换器，故可减少电力的损失，此外还可以提高照明器具的空间利用效率、降低附除此之外．以町靠性测试来看，不论是在光衰，电压变动量甚至是逆向电流上（图８），ｓＨ均较Ｔｓ型式为佳，直接验证了改善晶粒的热阻对于整体表现
的确是具有定的提升。
加电路的零件费用，也避免ＬＥＤ组件本身还未故障
但其余电子组件却先失效的情况发生。
ＡｃＬＥＤ主要有两种，第一种是以封装的型式，
将各个独立完整的ＤｃＬＥＤ．依照需求，串并联复数颗而成。
此种ＡＣＬＥＤ的体积大、成本高、且伴随大量的固晶打线制程．因此工艺较繁杂，良率较低。
第二种是咀单晶粒的型式，依照电路设计的方案ＳＨ除了散热佳之外，它同时也具有其它的优势如发光角小及热电分离等等。
至于ＳＮ的产品目前正
在研发当中，其特性和ｓＨ产品相去不远，差异仅在
（１ａｙｏｕｔ）．利用半导体的工艺方法．将单元晶胞（ｃｅｌｌ）集成于单一晶粒ｔ，其良率高，体积小，成本较第一种方式低廉，台湾的晶元光电ｆＥＰｌｓＴＡＲ）与工研院（１ＴＲｌ）所共同开发的ＡｃＬＥＤ．乃是采用单晶粒的方式，内部微晶粒的连接方式为效率较佳的桥式整流方式（圈１０）’该晶粒经过简单的封装后即可直接负载于交流电源上。
晶元光电所制造之ＡｃＬＥＤ晶粒，已可在市电１１０腔２０Ｖ输入下，可达到６ｐ６５ｌｍ抽之效率。
其为垂直结构．不需要ＭＥｓＡＡ悖ａ，因此同样的晶粒尺ｑ下，所损失的发光面积较ｓＨ为小。
高功率ＬＥＤ芯片整合新方案
由于ＬＥＤ的市场将朝着更＾的功率及更高的效率方向走，目前的技术将不敷需求，因此根据不同的市场应用．我们提出了三种新的方案来解决未来高功率ＬＥＤ所会面临的问题
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图１０
单晶粒ＭｃＬＥＤ事实上单晶粒的ＭｃＬＥ０和ＡＣＬＥＤ的工艺几乎完全一样，差别仅在电路设计的方案（ｆａｙｏｕｔ）的不同
而己。
将高压型的ＭＣＬＥ０加上外部整流电路即和
系统级晶粒制程ＬＥＤ检视时下的ＬＥＤ，小尺寸的晶粒效率高但是光功率小．大尺寸的晶粒光功率高但是效率较低；日亚化最近采用了多颗小功率晶粒整合为一封装体的方式．实现了同时高教率及高功率的目标。
在晶元光电内，我们更进一步藉用硅半导体产业的构想改采系统级晶粒制程（ｓＯＣ：
ｓｙｓｋｍｏｎｃｈＩｐ）的方式，省去了固晶打线，直接将ＬＥＤ利用晶粒制程来将多颗小尺寸ＬＥＤ整合成一颗完整的大功率ＬＥ０芯
ＡｃＬＥＤ的功能相同（图１１），且此外部整流电路不仅具有稳流功能，更可防止逆向偏压过大时对晶粒所造成之影响。
但是单晶粒的ＭｃＬＥＤ能够应用的市场更广，如ＤＣ电源驱动的高功率ＬＥＤ市场。
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就同尺寸的高功率ＤｃＬＥＤ相比较，在同样的功率输入下，ＭＣＬＥＤ的发光效率多了近１４％ｆ圉１２１，而且在ｏｖｅ州删ｅ的情形下，ＭＣＬＥＤ的光功率仍旧较同尺寸ＤＣＬＥＤ高（图１３），换句话说，在高功率操作的环境卜，ＭｃＬＥＤ较现行高功率ＤｃＬＥＤ更具有
优势。
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我们甚至可以在多颗晶粒内，连结不同波长的
晶粒，或是加＾荧光粉来达到各种不同的照明需求。
例如Ｌｃ０背光板中所需的ＲＧＢＬＥ０光源．或是立章开头所提厦使用红光ＬＥＤ来获得高Ｃ剐的暖白光ＬＥＤ，都可以透过此技术运用于此。
晶元光电利用红蓝不同波长之晶粒搭配上适当的黄、绿色荧光粉（图
１５１，已成功制造出当色温３０００ｋ时，兑ｃＲＩ为７８．
发光效率８３ｍＭ之暖白光源（图１６）。
此结果已几乎
达到ＤＯＥ２０１０年之要求。
藉由此技术，客户将太大
地简化现行后段封装的制程，进而提升制程良率．
降低成本。
未来我们更希望整合各式功能的组件．
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真正达到系统级晶粒制程（Ｓｏｃ：
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结语
ＬＥＤ本身仍存在者一些问题尚待解袂，包括成本、发光效率及散热问题等。
在这些问题一一被排除的同时．晶元光电亦致力于开发ＬＥＤ的整合方案．让未来ＬＥＤ的使用更简单、更人性化。
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高功率LED芯片之技术发展
作者：
作者单位：
谢明勋晶元光电股份有限公司
相似文献（10条）1.会议论文梁秉文半导体照明用LED芯片的现状及发展趋势2008
近年来由于技术上的突破，半导体照明产业发展迅速，市场应用范围不断扩大，由原来的指示、显示开始进入到照明领域，即从光强、亮（辉）度应用进入到了光通量、照度应用的领域。
照明与显示的最大不同是：
照明要看被光源照射的物体和环境，而显示则是看光源本身，因此照明与显示对于LED光源的要求有所不同。
本文对于半导体照明用LED芯片的现状及发展趋势进行了总结和概述。
2.期刊论文李刚.LIGang半导体照明发光二极管（LED）芯片制造技术及相关物理问题-物理2005,34（11）
以化合物半导体材料为发光元件的半导体固态照明正引发人类照明史上的又一次伟大革命.目前,局限半导体照明广泛应用的主要技术瓶颈有:
出光效率（或外量子效率）,单管最大可发光通量（或最大可工作功率）,单位光通量的成本和发光二极管可正常使用寿命.文章综述和分析了与芯片发光效率（或外量子效率）和单芯最大可发光通量（或最大可工作功率）相关的制造技术和相关物理问题.
3.学位论文李恋LED非接触在线检测技术研究2009
随着半导体发光材料研究的不断深入及LED制造工艺的不断进步，LED的性能大幅提高，LED作为普通照明光源的应用指日可待。
价格昂贵是制约LED照明普及的主要因素之一，而LED芯片的封装是LED生产的主要成本源之一。
为了避免次品的后续封装工艺流程，提高产品的成品率，LED封装完成前的检测就成为半导体照明技术发展与产业推广急需解决的关键技术。
本文针对LED芯片制造及封装过程中急需解决的产品质量检测问题，在了解国内外LED检测现状的基础上，根据LED结构特征和发光机理，以及LED在芯片制造及封装工艺上的特点，深入分析了LED光-电和电-光转换特性之间的内在联系，及相同注入强度时光致发光和电致发光下LED的发光特性和电特性，并在此基础上研究了用于封装过程中的LED缺陷检测方法和针对LED晶片、晶圆或单个LED芯片的参数检测方法。
具体的研究内容如下：
①详细阐述了LED的结构特征、工作原理及芯片制造和封装工艺流程，介绍了LED从外延片、晶圆、分割的单个LED芯片到最终LED成品的制造过程以及LED从电能量到光能量的转换机理，指出了LED封装完成前进行检测的必要性。
②研究了LED光-电和电-光转换的物理过程，分析了两种能量转换特性之间的内在联系。
研究表明，LED的两种转换过程中光强对应电流的变化趋势存在一致性，光-电转换过程中激励光强和光生电流的关系同样也反映了电-光转换过程中发光光强和注入电流的关系，这为LED在线检测方法的研究提供了基础。
③研究了基于p-n结光生伏特效应的LED缺陷检测方法。
针对封装过程中芯片本身及其封装质量问题，根据LED电-光和光-电转换特性之间的内在联系，通过测量光照射LED芯片在焊接连接的引线支架中产生的光生短路电流，检测芯片功能状态及其封装缺陷。
分析了LED封装缺陷的种类及缺陷产生的原因，指出焊接缺陷是影响LED封装质量的主要因素，并分析了焊接缺陷对LED发光的影响。
详细分析了光生短路电流与LED功能状态及封装缺陷的关系，对各种不同尺寸不同颜色LED进行了实验，表明影响检测信号的是LED材料、结构参数以及焊接缺陷引起的串联电阻变化，这些正是与LED功能状态和封装缺陷有关的参数。
研究表明，该方法可实现多种颜色LED芯片的非接触在线缺陷检测。
④分析了相同注入强度下LED光致发光和电致发光特性，重点研究了两种不同注入方式下LED发光特性和电特性的差异。
不同注入方式引起不同的热效应，导致了相同注入强度下LED的光致发光和电致发光特性有差异。
光注入形式下，由于有更多的因素导致热能的增加，因此结温比同等注入强度下电致发光时LED的结温高，使得光致发光光谱形状与电致发光不同，发光强度较电致发光降低，峰值波长较电致发光红移，半高宽较电致发光增大，LED两端的电压也比电注入形式下低。
分析表明，以短时脉冲光激励LED或者采用其他减少激励光辐射能量积累的方式，使光致发光下p-n结的温度接近于电致发光下p-n结的温度，可以使相同注入强度时光致发光和电致发光下LED的发光特性和电特性趋于一致。
⑤根据相同注入强度下LED光致发光和电致发光的内在联系，以短时脉冲光照射LED产生光致发光或者采用其他减少激励光辐射能量积累的方式，使光致发光下p-n结的温度接近于电致发光下p-n结的温度，此时光致发光特性能较好地反映电致发光下LED的发光特性和电特性，在此基础上，研究了利用LED光致发光谱估计LED的光谱特性和电特性参数（包括正向电流、正向电压、电流-电压特性，反向饱和电流）的方法。
研究表明，估计的参数与电致发光下实际测量的参数能较好地符合。
最后，总结了全文研究工作和创新之处，指出了论文的不足及有待深入研究的问题。
4.会议论文李莉.牟同升.张万生白光LED荧光粉的性能表征与测量2008
基于蓝光LED芯片和荧光粉制备白光LED的技术已经成为半导体白光照明非常重要的技术路线，并实现了商业化。
芯片与荧光粉的匹配优劣是影响白光LED性能的重要因素；针对这一问题，本文提出了LED荧光粉的性能表征与测量方法。
采用了一种双分光式荧光粉测量系统，得到了荧光粉在单色波长激发下的量子效率；通过与蓝光LED芯片光谱加权积分，得到了蓝光LED芯片激发的白光LED光谱、光度及色度性能参数。
实验结果表明，通过荧光粉光谱激发量子效率，可以有效地评价LED芯片激发的白光LED荧光粉的光学性能。
5.学位论文徐娟LED芯片制造过程建模及知识管理方法研究2008
在知识经济中，知识像资本、劳动力、原材料一样作为一种生产要素投入生产。
在新世纪中，制造企业之间的竞争己经转变为知识之间的竞争，为了保持自身的竞争力，制造企业必须对知识加强管理。
现阶段，LED芯片制造过程的工艺规划、生产制造、设备维护以及生产监测管理，都有开展知识管理的需求。
论文结合广东福地电子材料有限公司整合信息系统，提高生产执行管理和提高企业对人才智力积淀的要求，提出了适合该公司生产发展需求的基于工作流的制造流程LED-KM知识管理系统，并开发了相应的原型系统。
本文首先介绍了现阶段的制造行业知识管理现状和我国半导体照明产业的发展情况，提出了本文的研究重点和文章结构。
接着介绍了知识管理和工作流技术的基本理论，并简要介绍了半导体照明的制造流程，提出了本文所研究的知识管理结构。
然后研究了基于工作流的制造流程管理，通过IDEF0进行流程建模，建立半导体芯片制造流程的元模型表示，并实现流程的XML数据级表示，为基于工作流的制造流程实现奠定基础。
在充分研究了半导体芯片制造过程的知识内容的基础上，本文提出了基于实例的流程类知识管理、基于本体的制造过程知识管理和基于规则的质检类知识管理，在工作流的基础上实现知识的集成管理。
最后在上述工作流和知识管理研究的基础上，以Java开发环境JSDK1.4.2、Java编译器JBuilder9.0、网络服务器Weblogic7.0，流程和知识管理工具平台：
Protégé3.2.1、Shark1.0，实现了LED-KM的知识管理原型系统。
6.期刊论文钱可元.郑代顺.罗毅.QIANKe-yuan.ZHENGDai-shun.LUOYiGaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析-半导体光电2006,27（3）
与正装LED相比,倒装焊芯片技术在功率型LED的散热方面具有潜在的优势.对各种正装和倒装焊功率型LED芯片的表面温度分布进行了直接测试,对其散热性能进行了分析.研究表明,焊接层的材料、焊接接触面的面积和焊接层的质量是制约倒装焊LED芯片散热能力的主要因素;而对于正装LED芯片,由于工艺简单,减少了中间热沉,通过结构的优化,工艺的改进,完全可以达到与倒装焊LED芯片相同的散热能力.
7.学位论文赵琨高亮度半导体照明器件（LED）的微制造技术研究2007
半导体照明作为新一代环保、节能照明技术，是21世纪战略性的高技术产业。
半导体照明器件LED的制造过程是一典型的微制造技术，热超声倒装键合制造技术更是其中的关键核心技术，亦是其散热、光通量提高的最佳解决方案。
目前，由于对倒装微结构、键合机理、多工艺参数匹配规律、器件可靠性等缺乏深层次理论与实验研究，制约了LED向更高亮度、更大功率发展。
本文开展了与LED热超声倒装键合、微结构键合强度、键合界面形成及失效机制，不同工艺条件下LED芯片倒装键合工艺多参数耦合的优化设计，微界面粘结处“多参数耦合倒装工艺-微制造-微结构-粘结强度-可靠性”之间的联系机制以及器件封装可靠性研究。
文中在分析目前国内外高亮度半导体照明器件（LED）的主流制造技术之后，设计并完成了一系列的交叉实验，在多物理场（热、超声、压力、运动）耦合作用下，通过改变包括键合温度、键合力、超声功率等在内的热超声键合参数，对每个实验条件对倒装芯片LED光电特性的影响做了测量，在倒装键合完成之后的后工艺处理过程中又发现了激光切割对LED性能产生的影响。
通过光强、波长、正向电压等三个参数产生影响的对比，发现键合温度与键合力对LED性能具有相似的影响曲线，都会在一定的区间内造成光特性的降低。
而超声、热、压力等工艺参数对正向电压虽然有一定的影响，但范围基本在0.05V之内，因此正向电压属于受制造参数影响较小的LED电性参数。
激光切割则会降低LED发光强度并增大发光波长。
文中还阐述了大功率倒装LED寿命测试的方法、条件、测试系统结构，通过对在不同热超声倒装键合条件下完成键合的LED进行烧测，将其寿命及可靠性与键合工艺中使用的参数结合起来，寻找出影响力的高低，同时阐明在不同条件下LED的衰减速率，为LED在生产中的参数优化提供借鉴。
文中通过剪切强度测试实验，研究了大功率LED在热超声倒装键合工艺中制造参数对其键合强度的影响，通过制备LED倒装器件的金相分析试样，利用现代表面分析手段，联合界面摩擦、微观形貌等，讨论LED倒装键合过程界面结合及微摩擦形成机制。
既探查了热超声键合过程中的参数影响规律，又统计了热超声键合可能产生的失效模式，最后结合国内外现有的理论模型，吸收完善，对热超声键合的机理进行了自己的理解与分析，提出了“双界面摩擦模型”。
文中从功率型LED器件的封装结构入手，选择使用了蓝光LED芯片激发黄色荧光粉产生白光的LED器件封装方法，通过寻求合理的器件封装结构来制作具有高导热能力与出光性能的可靠LED器件。
采用点胶、固晶、点荧光粉、点荧光胶等封装工艺制作出倒装LED芯片的封装器件。
结合在封装中经常出现的光衰过快现象，通过对LED器件的断面进行扫描电子显微分析，查明了其产生的原因、失效机制并提出相应的提升封装可靠性的策略。
本文进行的相关研究内容工作，不仅对深层次理解热超声倒装键合机理具有重要意义，同时对掌握关键技术，自主开发高亮度、大功率的半导体照明LED器件的高性能倒装键合技术具有指导意义。
同时，本文研究工作也涉及集成微制造、先进封装、光电集成、微结构分析等领域的新技术和基础理论，揭示了照明级LED热超声倒装键合制造过程的界面结合及微结构演变机制。
8.期刊论文郑代顺.钱可元功率型白光LED研究进展-中国照明电器2006（3）
综述功率型白光LED的研究现状和存在的问题,并着重从LED芯片、封装技术和半导体照明灯具三个方面对白光LED的研究方向进行详细的评述.为实现节能、高效、环保的半导体照明,在芯片方面重点开发功率型高效蓝光和紫外LED芯片的半导体照明光源,提高其发光效率;在封装方面研究照明用功率型LED的封装技术,并提高其光提取效率和空间色度均匀性和改善散热技术;在LED灯具方面开发功率型白光LED的半导体照明系统,设计LED专用驱动模块,研究半导体照明灯具的散热技术及其可靠性和色度均匀性问题,解决太阳能电池系统与LED照明系统的集成技术,以及降低半导体照明灯具的成本价格等是我们今后研究的重点.
9.学位论文余大海LED封装缺陷研究及其在线检测仪机构设计2009
LED凭借其优越的性能，被誉为新一代照明光源。
我国LED的发展起步于20世纪70年代，LED产业出现于20世纪80年代，相对落后。
随着我国“国家半导体照明工程”（2003年）和国家863计划“半导体照明工程”重大项目（2006年）的启动，LED正以疾速的步伐向我们的生活走来。
面对千载难逢的历史机遇，发展我国的半导体照明产业的最佳时机已经到来。
由于LED产业生产的稳定性和可靠性还不太理想，对LED质量的检测是必不可少的生产环节。
目前，LE
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