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激光芯片

基于MEMS的LED芯片封裝光學特性

星之球激光 來源:中電網(wǎng)2012-03-27 我要評論(0 )   

經(jīng)過幾十年的發(fā)展,LED性能已經(jīng)得到了極大的進步,由于它具有發(fā)光效率高,體積小,壽命長等優(yōu)點,將成為新一代照明光源,被人們公認為是繼白熾燈之后照明領域的又一次重...

   經(jīng)過幾十年的發(fā)展,LED性能已經(jīng)得到了極大的進步,由于它具有發(fā)光效率高,體積小,壽命長等優(yōu)點,將成為新一代照明光源,被人們公認為是繼白熾燈之后照明領域的又一次重大革命。目前LED已經(jīng)在照明、裝飾、顯示和汽車等諸多領域得到了廣泛的應用,而其應用前景和應用領域還在被不斷的開發(fā)和擴展。在LED的產(chǎn)業(yè)鏈中,封裝是十分重要的一個部分,它決定著LED芯片的光、熱、壽命和二次配光等特性。LED最初的封裝形式主要是如圖1的T1和T1—3/4。隨著芯片發(fā)光功率的提高,以及應用領域的擴大,其原有的封裝結構無論是在散熱,還是在集成度上都不再撓滿足LED不斷發(fā)展的需要。伴隨著電子封裝技術的不斷發(fā)展,表面貼裝(SMT)封裝技術開始成為LED封裝技術的主流,基于SMT技術封裝的器件稱為SMD,表面貼裝的SMD—LED在集成度、散熱性和可靠性E都比以前的封裝結構有很大的提高。

   目前基于SMT的LED封裝主要用導線架(leadfame)和模塑料(moulding compound)形成的結構作為芯片的封裝基體,導線架起熱傳導和電極引線的作用:而模塑料作為支撐結構,其結構如圖2(a)所示。由于這種結構比較復雜,限制了它不能做得很小。因此對更小尺寸的封裝(如、SMD0603,SMl30402),通常是將LED芯片直接貼裝在PEB板上.如圖2(b)。由于這種結構沒有反射腔,其發(fā)光效率很低;該結構存在的另一個問題是PCB的導熱性能很差,例如FR4的導熱系數(shù)只有0.3W/k。這將會限制高亮度LED的工作功率。而隨著電子產(chǎn)品集成度的不斷提高,對小尺寸LED的封裝產(chǎn)晶需要越來越大。因此本文提出了一種結合MEMS工藝的硅基LEO芯片封裝技術。它具有封裝尺寸小的優(yōu)點,同時解決了直接將芯片貼裝在PEB上而引起的發(fā)光效率低、熱阻高的缺點。文章首先討論了反射腔對LED芯片發(fā)光效率的影響,對反射腔的結構參數(shù)與LED發(fā)光效率之問的關系進行了詳細的分析,最后設計了封裝工藝流程。 
  

   1 硅基封裝的LED光學特性分析

   MEMS技術是隨著半導體和微電子技術的發(fā)展麗發(fā)展起來的一項新興的細微加工技術,加工尺寸從毫米到微米數(shù)量級,甚至亞微米的微小尺寸:其加T藝主要分為表面工藝和體工藝?;诠杌捏w工藝又稱為體硅工藝,體硅工藝呵以在硅基體上形成高深寬比的凹稽。由于MEMS的加工尺寸很小,因此利用該技術形成的微小凹槽作為LED芯片封裝的反射腔(如圖3),將會克服目前LED芯片直接封裝在PCB板上而引起發(fā)光效率低的問題;同時由于硅具有良好的導熱特性,因此可以降低目前封裝中熱阻高的問題,從而提高LED芯片的發(fā)光效率和可靠性。圖4(a)和(b)給出了當LED芯片直接貼裝在PCB板上和貼裝在有凹槽的硅基上的發(fā)光特性。從圈中可以看出,LED貼裝在帶有凹槽的硅基上以后其發(fā)出光的發(fā)散性能得到了很大的改善,LED的發(fā)光強度提高了75%以上。


    凹槽形成的反射腔對IED的發(fā)光特性起著顯著的改善,不同的反射腔形狀對LED的發(fā)光特性有幣同的影響。對圖3分析可得,反射腔的形狀主要由刪槽的開口尺寸L,凹槽的深度h和發(fā)射角θ決定。利用TIacepro軟件建立如圖3所示的模型,分別改變L、h和θ的值,求出各自對應情況下LED的光強,就可以分析出反射腔的形狀與LED發(fā)光特性之間的關系。進而為凹槽的足寸設計提供理論上的指導。

   圖5為LED發(fā)射光與反射的反射角θ之間的關系,從圖中可看出當反射角為52度的時候反射光強取得最大。從理論上講,硅凹槽反射角應該設計為52度。但是,考慮到對(100)硅進行腐蝕的時候,其(111)面和(100)面會自動形成一個54.7度的角,而通過仿真分析結果可以計算。當反射角為54.7度的時候。LED的反射光強只比反射角為52度的時候小12%,而且光強分布也比較接近。因此在腐蝕凹槽的時候可以直接采用硅的(100)面和(111)面形成角度作為反射角,這可以極大的簡化加工工藝,降低制造成本,而且對LED光強的影響也不是很大。 

   圖6(a)和(b)分別給出了反射腔的深度h和開口L與LED光強的關系,從圖中可得,反射腔的深度越深,光強越大;開12t越小,光強越火。但是在反射角確定的情況一F,深度和開r_l的寬度是相互制約的。當深度一定的時候,開口越小,則槽的底部會越小、,而槽的底部受芯片尺寸的約束。因此開口有一個極限最小值。隅理,當開幾一定的時候,深度越深,底部幾寸越小,罔此深度有一個檄大值,所以在設計槽的K寸的時候應該結合芯片的尺寸進行綜合考慮。本文中所采用的芯片尺寸為0 4x0 4 x 0 15mm。

2 工藝流程設計

   基于MEMS的LED芯片封裝主要包括兩個大的部分,第一個部分是加工帶有反射腔的硅基體;第二部分是LED芯片的貼片、引線等通用工藝。由于該封裝結構的第二個部分和標準的LED封裝工藝相同,因此本文卡要詳細的介紹第一部分的主要工藝流程(如圖7)。

   首先準備一片具有(100)晶向的硅片(a);通過熱氧化在硅的表面形成層二氧化硅;光刻二氧化硅,形成需要的開口尺寸和形狀(b);用KOH腐蝕硅基體形成需要的凹槽,通過腐蝕液的濃度和腐蝕時間控制槽的深度(c):除占表面殘余的二氧化硅;對硅基進行背碰腐蝕,生成通孔(d);利用電鍍的方法在通孔內(nèi)沉積金屬導電材料(e);在硅的表面濺射會屬層作為反射面,光刻金屬表面和引線區(qū),形成封裝電極(f)。接下來就可以進行LED的貼片等后續(xù)工藝。

3 結論

   本文提出了一種基于MEMS工藝的LED芯片封裝技術,利用Tracepro軟件仿真分析了反射腔的結構參數(shù)對LED光強的影響,通過分析指出。利用各向異性腐蝕硅形成的角度作為反射腔的反射角,可以改善LED芯片的反光性能和發(fā)光效率。仿真結果顯示反射腔的深度越大,則反射效率越高,腔的開口越小,反射效率越高。文章最后給出該封裝結構的工藝流程設汁。通過分析表明,基于MEMS工藝LED封裝技術可以降低器件的封裴尺寸,提高發(fā)光效率。
 

 

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