羅亮亮,樊嘉杰,,經(jīng) 周,錢 誠(chéng),3,4,樊學(xué)軍,5,張國(guó)旗,3,6
(1.常州市武進(jìn)區(qū)半導(dǎo)體照明應(yīng)用技術(shù)研究院,江蘇 常州 213161;2. 河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 常州 213022;3.中科院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083; 4.北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院,北京 100191;5. 拉瑪爾大學(xué)機(jī)械工程系,美國(guó)博蒙特;6. 代爾夫特理工大學(xué)EEMCS學(xué)院,荷蘭代爾夫特)
隨著生活水平的日益提高,人們對(duì)照明的要求已從單純的環(huán)保節(jié)能逐漸轉(zhuǎn)向?qū)】凳孢m的追求。因此,發(fā)光二極管(LED)光源面臨的挑戰(zhàn)不僅僅需要低成本和高光效,更須滿足健康、舒適、高光色品質(zhì)、低頻閃、高可靠性等需求[1-2]。傳統(tǒng)大功率白光LED封裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、散熱性能差、熒光粉沉降造成光色不一致性[3]等問題已經(jīng)凸顯。面向高效、高品質(zhì)、低熱阻、小尺寸應(yīng)用需求,LED晶圓級(jí)芯片尺寸封裝(WLCSP,簡(jiǎn)稱LED白光芯片)技術(shù)近期被提出。它采用倒裝LED芯片結(jié)合熒光薄膜預(yù)成型技術(shù),通過(guò)芯片切割和倒裝固晶工藝完成LED的封裝流程。這大大簡(jiǎn)化了封裝工藝,縮短了工藝流程時(shí)間,并且可以精確控制薄膜厚度和色度一致性,有效地解決了傳統(tǒng)點(diǎn)膠技術(shù)中熒光粉下沉導(dǎo)致色度不均勻問題[4-5]。
近年來(lái),晶圓級(jí)芯片尺寸封裝經(jīng)過(guò)業(yè)界不斷的努力研發(fā),逐漸由概念走向成熟產(chǎn)品。特別是基于倒裝技術(shù)開發(fā)的LED白光芯片以其優(yōu)異的出光效率、良好的散熱結(jié)構(gòu)、靈活的外形尺寸,已開始應(yīng)用于背光燈、閃光燈等領(lǐng)域,同時(shí)在特殊商用照明等高端應(yīng)用領(lǐng)域也可得到認(rèn)可和發(fā)展,例如,燈絲球泡燈、多色溫調(diào)光燈具以及與柔性基板結(jié)合形成可隨意彎折的創(chuàng)意照明結(jié)構(gòu)等等[6]。目前,各廠家開發(fā)的LED白光芯片結(jié)構(gòu)各不相同,主要有以下幾種主流結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。其中,結(jié)構(gòu)b[圖1(b)]由于光效高,光色均勻性好的特點(diǎn),在市場(chǎng)上較為普遍,也是各個(gè)LED廠競(jìng)相開發(fā)的方向。基于結(jié)構(gòu)b,目前的封裝技術(shù)方案是先將LED晶圓金屬化后,經(jīng)劃片制作倒裝LED芯片,然后把倒裝LED芯片的正上方和四個(gè)側(cè)面使用熒光層材料包覆而達(dá)到封裝的目的[7-9]。另外,也有在LED外延片經(jīng)金屬化電極完成后,直接在晶圓級(jí)進(jìn)行熒光粉涂覆,再經(jīng)過(guò)切割、裂片實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)封裝,但是該工藝路線技術(shù)難度較大,目前尚處在產(chǎn)業(yè)化初期階段。
圖1 幾種白光芯片的主流封裝結(jié)構(gòu)Fig.1 Mainstream packaging structures of white LED chip
本文針對(duì)自主研發(fā)的具有五面出光角度特點(diǎn)的LED白光芯片,基于光譜功率分布分析研究封裝材料和尺寸對(duì)白光芯片光色一致性的影響。并建立了一套高效實(shí)用的配粉設(shè)計(jì)流程,針對(duì)配粉實(shí)驗(yàn)提出了一種快速優(yōu)化光譜設(shè)計(jì)方法來(lái)制定最佳熒光粉配比,為L(zhǎng)ED白光芯片工藝設(shè)計(jì)提供參考。
本實(shí)驗(yàn)制備了一種五面出光的LED白光芯片,主要采用半固化混合熒光粉硅膠膜,利用真空熱壓合于排布陣列LED倒裝芯片的載板上完成封裝,然后使熒光粉硅膠膜在高溫下完全固化,最后通過(guò)機(jī)械切割方式獲得單顆的LED白光芯片器件。具體工藝流程如圖2所示。
圖2 LED白光芯片制備工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram of white LED chip
通過(guò)以上排片、壓膜、固化、切割四個(gè)工序獲得五面發(fā)光的LED白光芯片,再?gòu)腖ED白光芯片的封裝材料和工藝角度考慮,研究其對(duì)光-色(光效和顏色)一致性的影響,主要因素包括:材料一致性和結(jié)構(gòu)尺寸一致性。本文通過(guò)上述工藝流程制備三種相對(duì)色溫(3 000 K,4 000 K和5 000 K)的LED白光芯片,分析封裝材料和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)其光-色參數(shù)的影響。
本文考慮影響LED白光芯片顏色一致性的因素主要包括尺寸一致性和材料一致性兩個(gè)方面[10-13]:①尺寸一致性主要取決于壓膜和切割兩個(gè)工藝精度,壓膜精度決定LED白光芯片的厚度偏差,切割精度主要決定LED白光芯片長(zhǎng)、寬尺寸的一致性;②材料一致性包括LED藍(lán)光芯片的光參數(shù)集中度和熒光膜的顏色均勻度。
圖3 LED白光芯片厚度與顏色一致性的關(guān)系Fig.3 Relationship between color consistency and thickness of LED white chip
另外,從圖3中3 000 K/5 000 K 0.5 W中功率與4 000 K 1 W大功率兩款LED白光芯片顏色一致性和厚度一致性的擬合直線斜率可知,0.5 W中功率白光芯片的斜率要比1 W大功率的斜率要小,這表明:采用大功率LED芯片時(shí),LED白光芯片的厚度一致性對(duì)顏色一致性的影響要比中小功率的更為顯著。由圖3可以計(jì)算出,要確保顏色一致性在3個(gè)顏色匹配標(biāo)準(zhǔn)偏差(3 SDCM,即Δu′v′<0.003),0.5 W中功率白光芯片的厚度差要控制在δ<20 μm;而1 W大功率白光芯片厚度差要保證在10 μm以內(nèi)。
2)材料因素的影響。圖4表示為L(zhǎng)ED藍(lán)光芯片輸出功率(PO)對(duì)LED白光芯片顏色一致性的影響,橫坐標(biāo)為芯片輸出功率標(biāo)準(zhǔn)方差與均值的比值(σ/μ),縱坐標(biāo)為當(dāng)Δu′v′<0.003時(shí)LED白光芯片的最大允許厚度差。由圖4可以看出,芯片PO的σ/μ越大,LED白光芯片最大允許的厚度差越小。由于LED白光芯片的顏色一致性與厚度差成正相關(guān),這說(shuō)明芯片PO的一致性對(duì)白光芯片的顏色一致性影響顯著。當(dāng)厚度差一定時(shí),芯片PO的一致性越好,白光芯片的顏色一致性越好。當(dāng)LED白光芯片顏色一致性要求Δu′v′ <0.003時(shí),最大允許厚度差=20 μm時(shí),芯片PO的標(biāo)準(zhǔn)方差/均值<0.72%。對(duì)于大功率芯片(PO=800 mW),PO的標(biāo)準(zhǔn)方差要控制<5.6 mW;對(duì)于中小功率芯片(PO=170 mW),PO的標(biāo)準(zhǔn)方差要控制<1.2 mW。
圖4 當(dāng)Δu′v′<0.003時(shí),LED白光芯片的最大允許厚度差與芯片PO標(biāo)準(zhǔn)方差/均值的關(guān)系Fig.4 Relationship between maximum allowable thickness of white LED chip and PO consistency of blue LED chip when Δu′v′ < 0.003
1)光效模型建立。由圖5所示的LED白光芯片結(jié)構(gòu)示意圖可知,影響LED白光芯片光效的主要因素可分為L(zhǎng)ED藍(lán)光芯片、熒光層和基板三部分。
圖5 LED白光芯片的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of LED white chip structure
由此,我們定義LED白光芯片的光效ΦW模型為
ΦW=(LER·ΦB)C+ζ
(1)
其中,LER(Luminous Efficacy of Radiation)為理論光效,指電功率全部轉(zhuǎn)換為光功率時(shí)光源的光效(lm/W),可由LED白光芯片的發(fā)光光譜計(jì)算獲得;ΦB為藍(lán)光芯片轉(zhuǎn)換效率;C為線性相關(guān)系數(shù),可定義為C1C2Cx,其中C1為熒光層的影響因子(由熒光粉效率、熒光膠配比及熒光膜的結(jié)構(gòu)尺寸等決定[15-17]),C2為基板的影響因子(由基板白油的吸光率和反射率決定),Cx為其他影響因素(比如,芯片的功率、封裝工藝等[18-20])。由公式(1)LED白光芯片的光效與LER·ΦB的關(guān)系模型可知,如果我們確定線性相關(guān)系數(shù)C,根據(jù)理論光效LER和藍(lán)光芯片轉(zhuǎn)換效率可以估算出LED白光芯片的光效的光效,在對(duì)LED白光芯片設(shè)計(jì)時(shí)擇優(yōu)藍(lán)光芯片和熒光粉類型有一定的參考價(jià)值。
2)模型的參數(shù)提取。圖6(a)(b)(c)所示分別為CCT≤3 000 K暖白光、CCT=4 000 K正白光、CCT≥5 000 K冷白光三種色溫情況下,LED白光芯片的光效與LER·ΦB的關(guān)系。由圖6可知,光效與LER·ΦB基本呈現(xiàn)正線性相關(guān),直線斜率表示為線性相關(guān)系數(shù)C。由線性擬合結(jié)構(gòu)可得CCT≤3 000 K暖白光、CCT=4 000 K正白光、CCT≥5 000 K冷白光三種LED白光芯片的線性相關(guān)系數(shù)分別為0.668 4、0.725 3、0.778 6。基于此模型,在進(jìn)行配粉設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)LED白光芯片理論光效LER和藍(lán)光芯片轉(zhuǎn)換效率,大致估算出LED白光芯片的光效是否可達(dá)到設(shè)計(jì)要求,據(jù)此對(duì)芯片和熒光粉類型進(jìn)行選擇調(diào)整。
圖6 光效與LER·ΦB的關(guān)系Fig.6 Relationship between luminous efficacy and LER·ΦB
對(duì)比三種LED白光芯片的線性相關(guān)系數(shù)C可以發(fā)現(xiàn):色溫越低,線性相關(guān)系數(shù)C越小。根據(jù)線性相關(guān)系數(shù)C的定義分析主要原因是LED白光芯片色溫越低,表明熒光粉配比中紅粉占比較高。但是由于紅粉的效率相對(duì)較低,同時(shí)紅粉會(huì)吸收其他波長(zhǎng)的光,導(dǎo)致混合熒光粉的發(fā)光效率相對(duì)變低,因此其熒光層影響因子C1會(huì)更小。這種情況下在基板影響因子C2和其他影響因子Cx一定時(shí),線性相關(guān)系數(shù)越小。由此也可知,在使用藍(lán)光芯片相同時(shí),采用相同型號(hào)的熒光粉得到暖白色白光芯片的光效比冷白色的要低,低約14%左右。
針對(duì)LED白光芯片的設(shè)計(jì)和制備工藝,本文建立了一套高效實(shí)用的配粉方法,可以根據(jù)不同的光-色參數(shù)要求和光譜功率分布要求,對(duì)LED白光芯片進(jìn)行快速有效的配粉設(shè)計(jì)。圖7所示為配粉設(shè)計(jì)流程示意圖,其主要基于光譜功率分布合成方法將藍(lán)光芯片光譜和熒光粉光譜合成白光(如圖8所示)。具體流程可分為以下幾個(gè)步驟:第一步,選擇熒光粉和藍(lán)光芯片,測(cè)試得到熒光粉的發(fā)射光譜以及藍(lán)光芯片的發(fā)光光譜和電光轉(zhuǎn)化效率ΦB;第二步,把熒光粉和藍(lán)光芯片光譜導(dǎo)入光譜合成軟件,計(jì)算達(dá)到目標(biāo)色溫后的顯色指數(shù)Ra和理論光效LER,并由公式(1)估算白光芯片的光效ΦW;第三步,以光效和Ra參數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)選擇合適的熒光粉和藍(lán)光芯片型號(hào),最終獲得滿足光-色要求的最優(yōu)化熒光粉及藍(lán)光芯片型號(hào);第四步,選定好芯片和熒光粉后進(jìn)行白光芯片的配粉實(shí)驗(yàn),使色坐標(biāo)最終達(dá)到目標(biāo)色溫區(qū),驗(yàn)證光效和Ra是否達(dá)到光色要求。
圖7 LED白光芯片配粉設(shè)計(jì)流程圖Fig.7 Phosphor design flow diagram of LED white chip
圖8 LED白光芯片的光譜功率分布設(shè)計(jì)方法示意圖Fig.8 Schematic diagram of design for spectral power distribution of LED white chip
以下利用實(shí)驗(yàn)中的案例對(duì)所提基于光譜優(yōu)化確定最佳配粉工藝方法進(jìn)行驗(yàn)證。如圖9所示,虛線為目標(biāo)光譜,即為選定最佳熒光粉和藍(lán)光芯片后采用光譜合成軟件計(jì)算達(dá)到目標(biāo)色溫的合成光譜;實(shí)線為配粉過(guò)程中積分球測(cè)試的實(shí)際光譜。配粉過(guò)程中,對(duì)比實(shí)際光譜和目標(biāo)光譜,如果熒光粉光譜部分只是上下幅度的平移,可以采用調(diào)高或降低熒光粉濃度的手段來(lái)達(dá)到目標(biāo);同樣的,如果熒光粉光譜部分有左右方向移動(dòng)或不一致,那就需要通過(guò)調(diào)整熒光粉的配比來(lái)達(dá)到目標(biāo)。
圖9 基于光譜優(yōu)化確定最佳配粉工藝方法的實(shí)例Fig.9 The examples of phosphor preparing process based on the SPD optimization method
本文基于光譜功率分布分析研究封裝材料和尺寸對(duì)LED白光芯片光色一致性的影響,并針對(duì)LED白光芯片封裝工藝過(guò)程中配粉實(shí)驗(yàn),提出了一種采用優(yōu)化光譜快速找到最佳配方的配粉設(shè)計(jì)流程。研究結(jié)果表明:
①LED白光芯片的顏色一致性主要由尺寸和材料因素的決定,其中熒光層厚度和藍(lán)光芯片輸出功率對(duì)其影響顯著,因此在白光芯片封裝過(guò)程中,需要嚴(yán)格把控壓膜工藝精度和來(lái)料LED芯片輸出功率;
②LED白光芯片的光效與理論光效和藍(lán)光芯片轉(zhuǎn)化效率的乘積呈線性相關(guān),色溫越低,線性相關(guān)系數(shù)越小。
[1] KATONA T M, PATTISON P M, Paolini S. Status of Solid State Lighting Product Development and Future Trends for General Illumination. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering, 2016,7:263-281.
[2] VAN DRIEL W D, FAN X J. Solid State Lighting Reliability: Components to Systems. New York: Springer, 2012.
[3] HU R, WANG Y, ZOU Y, et al. Study on phosphor sedimentation effect in white light-emitting diode packages by modeling multi-layer phosphors with the modified Kubelka-Munk theory. Journal of Applied Physics, 2013,113.
[4] HAITA R, TSAO J Y. Solid-state lighting: ‘The case’ 10 years after and future prospects. Physica Status Solidi a-Applications and Materials Science, 2011,208: 17-29.
[5] LEDinside. Philips Lumileds: Chip Scale Packaging for LEDs. 2013.
[6] Y.Développement. LED Packaging 2017: Market, Technology and Industry Landscape report. 2017.
[7] WONG C, FAN G, LEUNG S, et al. The new generation package free LED: The performance and reliability of white chip. Solid State Lighting (SSLCHINA), 2014 11thChina International Forum on, 2014.
[8] FAN J, YU C, QIAN C, et al. Thermal/luminescence characterization and degradation mechanism analysis on phosphor-converted white LED chip scale packages. Microelectronics Reliability,2017,74:179-185.
[9] ZHANG M N, FAN J J, QIAN C, et al. Analysis of photoluminescence mechanisms and thermal quenching effects for multicolor phosphor films used in high color rendering white LEDs. 2016 17th International Conference on Electronic Packaging Technology (ICEPT), 2016.
[10] CHANG M H, DAS D, VARDE P V,et al. Light emitting diodes reliability review. Microelectron Reliab, 2012,52:762-782.
[11] QIAN C, FAN X J, FAN J J, et al. An accelerated test method of luminous flux depreciation for LED luminaires and lamps. Reliability Engineering & System Safety, 2016,147:84-92.
[12] 錢誠(chéng),樊嘉杰,樊學(xué)軍,等. LED 照明產(chǎn)品光通量衰減加速試驗(yàn)及可靠性評(píng)估[J]. 照明工程學(xué)報(bào),2016, 27 (2) :43-48.
[13] FAN J, YUNG K C, PECHT M. Physics-of-Failure-Based Prognostics and Health Management for High-Power White Light-Emitting Diode Lighting. IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 2011,11(3):407-416.
[14] Solid-state Lighting Product Quality Initiative. LED Luminarire Lifetime Recommendations for Testing and Reporting, 2nd Edition. Next Generation Light Industry Alliance with the U S Department of Energy, 2011.
[15] LIU Z Y, LIU S, WANG V, et al. Studies on Optical Consistency of White LEDs Affected by Phosphor Thickness and Concentration Using Optical Simulation. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2010,33(4):680-687.
[16] FU H K, LIN C W, CHEN T T, et al. Investigation of dynamic color deviation mechanisms of high power light-emitting diode. Microelectronics Reliability, 2012,52(5):866-871.
[17] FU H K, PENG Y P, YING S P, et al. The evaluation for the chromatic characteristics of LED module under electrical and thermal coupling analysis. Microelectronics Reliability, 2013,53(12):1916-1921.
[18] 鄒琳,李德勝,鄒念育,等. 基于光通維持率和色參數(shù)漂移的LED壽命評(píng)價(jià)方法.照明工程學(xué)報(bào), 2013,24(1): 85-88.
[19] HE G, YAN H. Optimal spectra of the phosphor-coated white LEDs with excellent color rendering property and high luminous efficacy of radiation. Opt Express,2011,19:2519-2529.
[20] CHEN H, HUI S Y. Dynamic Prediction of Correlated Color Temperature and Color Rendering Index of Phosphor-Coated White Light-Emitting Diodes. IEEE Trans Ind Electron, 2014,61:784-797.