CREE高光效的原因.docx

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CREE高光效的原因

CREE高光效的原因～

（2008-09-0614:

15:

07）

1，荧光粉涂布方式

luxeon的LED，荧光粉是涂覆在核心表面，核心发出的蓝光需要穿越荧光粉层才能投射出来，而内层荧光粉激发的黄光也需要穿越荧光粉层才能投射出来，尽管荧光粉层非常薄，这次“穿越”导致的能量损失仍旧是不可忽视的。

反观CREE，荧光粉不仅涂在核心表面，连周围也有相当的范围涂了荧光粉，这导致从核心投射出来的蓝光，直接激发表层荧光粉发光，避免了穿越引起的损失。

不过这么做的缺点是外围的荧光粉形成的光线，黄色很重，导致光线的整体均匀度不好。

国产粉团的光效低，估计主要原因也是因为荧光粉厚而且不均匀，导致光损失大。

2，色温

CREE多数都是WG色温，而luxeon则以正白，冷白为主。

同样的光功率下，WG色温的“光效”比正白要高。

CREE最新的蓝光核心，在350mA也只有42流明，但是这些蓝光激发荧光粉之后发出的混合光，超过了100流明。

从这个角度讲，在蓝光功率不变的情况下，光色中黄色的成分越多，光效也就越高。

严格的说，用WG色温的CREE和正白的luxeon比拼光效，是不公平的。

3，工作温度

个人感觉，以焊接形式连接在基板上的CREE，其散热能力比用贴合的形式紧靠在基板上的luxeon要好。

散热能力的差距可能导致了在同样室温的情况下，CREE的核心温度比luxeon低，从而在光效上得到了少许优势。

4，发光角度

特意把luxeon和CREE的角度特性做了一张图，红色是CREE的曲线，黑色是luxeon的曲线

从这个图很容易看出，CREE的光主要集中在中部角度狭小的范围，而luxeon的光线分布范围则比较宽。

在60度之外（相当于120度散射角），CREE几乎没有光线了，但是luxeon的光线仍旧有很大比例，在这个角度上，只有光面反光杯才能提供良好的反射效果，因此当同样使用橘皮杯的时候，luxeon的实际亮度将会大打折扣。

而同样使用光面杯的时候，CREE提供的泛光亮度将明显强于luxeon。

使用透镜的时候，CREE会因为中心亮度高而得到更强的中心光斑。

总体来讲，CREE的高光效是在几个细节上的微弱优势累计而成的，在基本的技术和能力上，并没有取得相对luxeon的明显优势。

色温一说并不成立，因为Cree的自然白和冷白光也很多，同样具有高光效。

我见到的几只Cree手电都是高色温的。

发光角度和光效并没有直接关系。

如果说Cree比Rebel，新K2没有优势这我同意，但XRE出来的时候，相比Lux产品，则是革命性的前进。

反观CREE，荧光粉不仅涂在核心表面，连周围也有相当的范围涂了荧光粉，这导致从核心投射出来的蓝光，直接激发表层荧光粉发光，避免了穿越引起的损失。

不过这么做的缺点是外围的荧光粉形成的光线，黄色很重，导致光线的整体均匀度不好]

这可不是CREE高光效的原因，反而是CREE技术不成熟的一个表现

因为采用整体喷涂荧光粉的成本和技术要低因此CREE只有发光体发出的才是白光周围发黄光

为了避免周围黄光的影响CREE就用了一个金属圈来挡掉黄光，但CREE侧面的光还是偏黄

LUXEON的技术就比较高采用整体包附荧光材料，但晶体的效率比较落后

可以用透镜把CREE发光的影像投到墙上观察

金属和陶瓷的导热性不是一个数量级

K2的铜镀银底座导热性绝对比CREE好

CreeXRE最大的意义在于，让Lumileds感到自危，以前Lumileds独霸数年，慢吞吞进步的局面一去不复返了。

色温一说不成立，因为无法解释同样电功率下CREE的温升比LUXEON远远要低。

合理的解释就是CREE的电-光效率比较高，更多的电子被转换成了光子。

说来惭愧，至今没有见过正白（自然白）的CREE产品。

也没见过冷白。

暖白和WG色温是完全不同的概念，WG色温仍旧是属于正白范围的，暖白增加的是红色波长而非黄色，因为红色的流明/功率也比较低，所以暖白产品的光效普遍不高。

我的意思就是偏暖的白，在CPF买过两个UVOI的SSC，和原来用UWOI相比，没有那么刺眼，更柔和，照明效果不错

luxeon采用蓝宝石做衬底，不导电，导热性差。

成品需要在蓝宝石衬底之上做出欧姆接触引线，否则二极管就缺了一个电极没法使用。

管芯表面仍需金线构成另一个电极。

CREE采用碳化硅做衬底，不仅导电，导热性极佳。

室温下碳化硅导热率仅次于金刚石，高于所有金属。

故将管芯用Ag-Sn焊料焊接在金属座上就构成了一个正极欧姆接触引线和反射镜，管芯表面金线为负极。

金属座可再连接到星形散热片上。

与luxeon相比，热阻更小。

故管芯散热更好。

以上可见两家公司各自的技术资料。

这是二者技术路线的差异。

本人所用的mzzlg电筒，采用的p3感觉其光色略偏蓝。

但加上灯头后感觉光色很白。

现在国内国外研发采用硅作为衬底材料，能导电，导热率高于蓝宝石但低于碳化硅。

成本低于蓝宝石、碳化硅是它的最大优点。

不知何时能出现具体产品。

按SemiLEDs采用金属做为衬底材料，由于散热好。

在3A甚至更大的电流下，依然可以保证高光效。

CREE在于管芯散热更好，管芯温度高，导致发光效率下降，光衰加剧。

功率型LED封装技术面对挑战

功率型LED封装技术面对挑战

一、引言

        半导体发光二极管简称LED，从上世纪六十年代研制出来并逐步走向市场化，其封装技术也是不断改进和发展。

LED由最早用玻璃管封装发展至支架式环氧封装和表面贴装式封装，使得小功率LED获得广泛的应用。

从上世纪九十年代开始，由于LED外延、芯片技术上的突破，四元系AlGaInP和GaN基的LED相继问世，实现了LED全色化，发光亮度大大提高，并可组合各种颜色和白光。

器件输入功率上有很大提高。

目前单芯片1W大功率LED已产业化并推向市场，台湾国联也已研制出10W的单芯片大功率LED。

这使得超高亮度LED的应用面不断扩大，首先进入特种照明的市场领域，并向普通照明市场迈进。

由于LED芯片输入功率的不断提高，对这些功率型LED的封装技术提出了更高的要求。

功率型LED封装技术主要应满足以下二点要求：

一是封装结构要有高的取光效率，其二是热阻要尽可能低，这样才能保证功率LED的光电性能和可靠性。

所以本文将重点对功率型LED的封装技术作介绍和论述。

二、功率型LED封装技术现状

        由于功率型LED的应用面非常广，不同应用场合下对功率LED的要求不一样。

根据功率大小，目前的功率型LED分为普通功率LED和W级功率LED二种。

输入功率小于1W的LED（几十mW功率LED除外）为普通功率LED；输入功率等于或大于1W的LED为W级功率LED。

而W级功率LED常见的有二种结构形式，一种是单芯片W级功率LED，另一种是多芯片组合的W级功率LED。

1．国外功率型LED封装技术：

（1）普通功率LED

         根据报导，最早是由HP公司于1993年推出“食人鱼”封装结构的LED，称“SuperfluxLED”，并于1994年推出改进型的“SnapLED”，其外形如图1所示。

它们典型的工作电流，分别为70mA和150mA，输入功率分别为0.1W和0.3W。

        Osram公司推出“PowerTOPLED”是采用金属框架的PLCC封装结构，其外形图如图2所示。

之后其他一些公司推出多种功率LED的封装结构。

其中一种PLCC-4结构封装形式，其功率约200~300mW，这些结构

的热阻一般为75~125℃/W。

总之，这些结构的功率LED比原支架式封装的LED输入功率提高几倍，热阻

下降几倍。

（2）W级功率LED

       W级功率LED是未来照明的核心部分，所以世界各大公司投入很大力量，对W级功率封装技术进行研究开发，并均已将所得的新结构、新技术等申请各种专利。

单芯片W级功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LuxeonLED，其结构如图3所示，根据报导，该封装结构的特点是采用热电分离的形式，将倒装芯片用硅载体直接焊接在热沉上，并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料，提高了器件的取光效率并改善了散热特性。

可在较大的电流密度下稳定可靠的工作，并具有比普通LED低得多的热阻，一般为14~17℃/W，现有1W、3W和5W的产品。

该公司近期还报导［1］推出LuxeonIIILED产品，由于对封装和芯片进行改善，可在更高的驱动电流下工作，在700mA电流工作50000小时后仍能保持70%的流明，在1A电流工作20000小时能保持50%的流明。

        Osram公司于2003年推出单芯片的“GoldenDragon”系列LED［2］，如图4所示，其结构特点是热沉与金属线路板直接接触，具有很好的散热性能，而输入功率可达1W。

我国台湾UEC公司（国联）采用金属键合（MetalBonding）技术封装的MB系列大功率LED［3］其特点是用Si代替GaAs衬底，散热好，并以金属黏结层作光反射层，提高光输出。

现有LED单芯片面积分别为：

0.3×0.3mm2、1×1mm2和2.5×2.5mm2的芯片，其输入功率分别有0.3W、1W和10W，其中2.5×2.5mm2芯片光通量可达200lm，0.3W和1W产品正推向市场。

多芯片组合封装的大功率LED，其结构和封装形式较多，这里介绍几种典型的结构封装形式：

①美国UOE公司于2001年推出多芯片组合封装的Norlux系列LED［4］，其结构是采用六角形铝板作为衬底，如图5所示，铝层导热好，中央发光区部分可装配40只芯片，封装可为单色或多色组合，也可根据实际需求布置芯片数和金线焊接方式，该封装的大功率LED其光通量效率为20lm/W，发光通量为100lm。

②LaninaCeramics公司于2003年推出采用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷（LTCC-M）技术封装的大功率LED阵列［5］，有二种产品：

一种为7元LED阵列，光通量为840lm，功率为21W。

另一种是134元LED阵列，光通量为360lm，功率134W。

由于LTCC-M技术是将LED芯片直接连接到密封阵列配置的封装盒上，因此工作温度可达250℃。

③松下公司于2003年推出由64只芯片组合封装的大功率白光LED［6］，光通量可达120lm，采用散热性能优良的衬底，把这些芯片封装在2cm2的面积中，其驱动电流可达8W，这种封装中每1W输入功率其温升仅为1.2℃。

④日亚公司于2003年推出号称是全世界最亮的白光LED，其光通量可达600lm，输出光束为1000lm时，耗电量为30W，最大输入功率为50W，提供展览的白光LED模块发光效率达33lm/W。

有关多芯片组合的大功率LED，许多公司根据实际市场需求，不断开发很多新结构封装的新产品，其开发研制的速度是非常快。

2．国内功率型LED封装技术

     国内LED普通产品的后工序封装能力应该是很强的，封装产品的品种较齐全，据初步估计，全国LED封装厂超过200家，封装能力超过200亿只/年，封装的配套能力也是很强的，但是很多封装厂为私营企业，

目前来看规模偏小。

     国内功率型LED的封装，早在上世纪九十年代就开始，一些有实力的后封装企业，当时就开始开发并批量生产，如“食人鱼”功率型LED。

国内的大学、研究所很少对大功率LED封装技术开展研究，信息产业部第13研究所对功率型LED封装技术开展研究工作，并取得很好的研究成果，具体开发出功率LED产品。

    国内有实力的LED封装企业（外商投资除外），如佛山国星、厦门华联等几个企业，很早就开展功率型LED的研发工作，并取得较好的效果。

如“食人鱼”和PLCC封装结构的产品，均可批量生产，并已研制出单芯片1W级的大功率LED封装的样品。

而且还进行多芯片或多器件组合的大功率LED研制开发，并可提供

部分样品供试用。

对大功率LED封装技术的研究开发，目前国家尚未正式支持投入，国内研究单位很少介入，封装企业投入研发的力度（人力和财力）还很不够，形成国内对封装技术的开发力量薄弱的局面，其封装的技术水平与国外相比还有相当的差距。

三、功率型LED产业化关键的封装技术

       半导体LED要作为照明光源，常规产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比，距离甚远。

因此，LED要在照明领域发展，关键要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。

功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构虽然其外量子效率还需进一步提高，但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率低。

现有的功率型LED的设计采用了倒装焊新结构来提高芯片的取光效率，改善芯片的热特性，并通过增大芯片面积，加大工作电流来提高器件的光电转换效率，从而获得较高的发光通量。

除了芯片外，器件的封装技术也举足轻重。

关键的封装技术工艺有：

1、散热技术

      传统的指示灯型LED封装结构，一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上，由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成，其热阻高达250~300℃/W，新的功率型芯片若采用传统式的LED封装形式，将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄，从而造成器件的加速光衰直至失效，甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。

因此，对于大工作电流的功率型LED

芯片，低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是功率型LED器件的技术关键。

采用低电阻率、高导热性能的材料粘结芯片；在芯片下部加铜或铝质热沉，并采用半包封结构，加速散热；甚至设计二次散热装置，来降低器件的热阻。

在器件的内部，填充透明度高的柔性硅橡胶，在硅橡胶承受的温度范围内（一般为-40℃~200℃）,胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路,也不会出现变黄现象。

零件材料也应充分考虑其导热、散热特性，以获得良好的整体热特性。

2、二次光学设计技术

为提高器件的取光效率，设计外加的反射杯与多重光学透镜。

3、功率型LED白光技术

常见的实现白光的工艺方法有如下三种：

1）蓝色芯片上涂上YAG荧光粉，芯片的蓝色光激发荧光粉发出典型值为500nm~560nm的黄绿光，黄绿光与蓝色光合成白光。

该方法制备相对简单，效率高，具有实用性。

缺点是布胶量一致性较差、荧光粉易沉淀导致出光面均匀性差、色调一致性不好；色温偏高；显色性不够理想。

2）RGB三基色多个芯片或多个器件发光混色成白光；或者用蓝+黄绿色双芯片补色产生白光。

只要散热得法，该方法产生的白光较前一种方法稳定，但驱动较复杂，另外还要考虑不同颜色芯片的不同光衰速度。

3）在紫外光芯片上涂RGB荧光粉，利用紫光激发荧光粉产生三基色光混色形成白光。

但目前的紫外光芯片和RGB荧光粉效率较低，环氧树脂在紫外光照射下易分解老化。

我司目前已采用方法1）和2）进行白光LED产品的批量生产，并已进行了W级功率LED的样品试制。

积累了一定的经验和体会，我们认为照明用W级功率LED产品要实现产业化还必须解决如下技术问题：

①粉涂布量控制：

LED芯片+荧光粉工艺采用的涂胶方法通常是将荧光粉与胶混合后用分配器将其涂

到芯片上。

在操作过程中，由于载体胶的粘度是动态参数、荧光粉比重大于载体胶而产生沉淀以及分配器

精度等因素的影响，此工艺荧光粉的涂布量均匀性的控制有难度，导致了白光颜色的不均匀。

②芯片光电参数配合：

半导体工艺的特点，决定同种材料同一晶圆芯片之间都可能存在光学参数（如波长、光强）和电学（如正向电压）参数差异。

RGB三基色芯片更是这样，对于白光色度参数影响很大。

这是产业化必须要解决的关键技术之一。

③根据应用要求产生的光色度参数控制：

不同用途的产品，对白光LED的色坐标、色温、显色性、光

功率（或光强）和光的空间分布等要求就不同。

上述参数的控制涉及产品结构、工艺方法、材料等多方面因素的配合。

在产业化生产中，对上述因素进行控制，得到符合应用要求、一致性好的产品十分重要。

4、测试技术与标准

随着W级功率芯片制造技术和白光LED工艺技术的发展，LED产品正逐步进入（特种）照明市场，显示或指示用的传统LED产品参数检测标准及测试方法已不能满足照明应用的需要。

国内外的半导体设备

仪器生产企业也纷纷推出各自的测试仪器，不同的仪器使用的测试原理、条件、标准存在一定的差异，增

加了测试应用、产品性能比较工作的难度和问题复杂化。

       我国光学光电子行业协会光电子器件分会行业协会根据LED产品发展的需要，于2003年发布了“发光二极管测试方法（试行）”，该测试方法增加了LED色度参数的规定。

但LED要往照明业拓展，建立LED照明产品标准是产业规范化的重要手段。

5、筛选技术与可靠性保证

由于灯具外观的限制，照明用LED的装配空间密封且受到局限，密封且有限的空间不利于LED散热，这意味着照明LED的使用环境要劣于传统显示、指示用LED产品。

另外，照明LED处于大电流驱动下工作，这就对其提出更高的可靠性要求。

在产业化生产中，针对不同的产品用途，制定适当的热老化、温度循环冲击、负载老化工艺筛选试验，剔除早期失效品，保证产品的可靠性很有必要。

6、静电防护技术

蓝宝石衬底的蓝色芯片其正负电极均位于芯片上面，间距很小；对于InGaN/AlGaN/GaN双异质结，

InGaN活化簿层仅几十nm，对静电的承受能力很小，极易被静电击穿，使器件失效。

因此，在产业化生产中，静电的防范是否得当，直接影响到产品的成品率、可靠性和经济效益。

静电的防范技术有如下几种：

①生产、使用场所从人体、台、地、空间及产品传输、堆放等实施防范，手段有防静电服装、手套、手环、鞋、垫、盒、离子风扇、检测仪器等。

②芯片上设计静电保护线路。

③LED上装配保护器件。

厦门华联电子有限公司长期从事半导体LED及其它光电子器件的研制、生产。

目前在功率LED方面，

已具备食人鱼、PLCC功率型LED产品的量产能力。

目前已有三基色芯片的PLCC功率型LED用于室外装饰应用产品出口欧美市场。

在多芯片混色白光技术应用方面，已有彩色显示模块出口。

W级功率型LED已经研制出R、Y、G、B、W色，两种外形样品。

IF=350mA下的光效分别约为14lm/W、11lm/W、12lm/W、4lm/W和11.5lm/W，目前可提供样品试用。

四、结束语

我国LED封装产品主要是普通小功率LED，同时还具有一定的功率型LED封装技术和水品。

但由于多种原因，我国大功率LED封装技术水平总体来说与国际水平还有相当的差距。

为了加快发展LED封装技术水平，我们建议：

1．国家要重点支持LED前工序外延、芯片有实力的重点研究单位（大学）和企业，集中优势，重点

突破前工序的关键技术难点，尽快开发并生产有自主产权的1W、3W、5W和10W等大功率LED芯片，只有这样，才能确保我国大功率LED的顺利发展。

2．国家要重点扶植几家有实力的大功率LED封装企业，研发有自主产权的LED封装产品，并要达到规模化的生产程度，参与国际市场竞争。

3．要重视荧光粉、封装环氧等基础材料的研究开发及产业化工作。

4．根据市场要求，开发适应市场的各种功率型LED产品，首先瞄准特种照明应用的市场，并逐步向普通照明灯源市场迈进。

参考文献：

［1］CompoundSemiconductor2003.9（10）

［2］Elektronik2003.3

［3］CompoundSemiconductor2002.8（8）

［4］CompoundSemiconductor2001.5

［5］CompoundSemiconductor2003.9（7）

［6］CompoundSemiconductor2003.9（4）

一般情况下，LED的发光波长随温度变化为0．2-0．3nm／℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。

另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1％左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数LED的驱动电流限制在20mA左右。

但是，LED的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的LED封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。

例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导热性能好的银胶，增大金属支架的表面积，焊料凸点的硅载体直接装在热沉上等方法。

此外，在应用设计中，PCB线路板等的热设计、导热性能也十分重要。