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基于MEMS的LED芯片封裝光學(xué)特性分析

發(fā)布時間:2014-08-18 責任編輯:echotang

【導(dǎo)讀】本文提出了一種結(jié)合MEMS工藝的硅基LEO芯片封裝技術(shù)。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(jié)構(gòu)參數(shù)與LED發(fā)光效率之問的關(guān)系進行了詳細的分析,最后設(shè)計了封裝工藝流程。
 
本文提出了一種基于MEMS的LED芯片封裝技術(shù),利用體硅工藝在硅基上形成的凹槽作為封裝led芯片的反射腔。分析了反射腔對LED的發(fā)光強度和光束性能的影響,分析結(jié)果表明該反射腔可以提高芯片的發(fā)光效率和光束性能;討論了反射腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)與芯片發(fā)光效率之間的關(guān)系。最后設(shè)計r封裝的工藝流程。利用該封裝結(jié)構(gòu)可以降低芯片的封裝尺,提高器件的發(fā)光效率和散熱特性。
 
圖1 LED T1或T1—3/4
 
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(lǐng)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,而其應(yīng)用前景和應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域的擴大,其原有的封裝結(jié)構(gòu)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(shù)的不斷發(fā)展,表面貼裝(SMT)封裝技術(shù)開始成為LED封裝技術(shù)的主流,基于SMT技術(shù)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(jié)構(gòu)有很大的提高。
 
(a)基于導(dǎo)線架的LED封裝                   (b)LED芯片貼PEB板
 
圖2 SMD—LED
 
目前基于SMT的LED封裝主要用導(dǎo)線架(leadfame)和模塑料(mouldingcompound)形成的結(jié)構(gòu)作為芯片的封裝基體,導(dǎo)線架起熱傳導(dǎo)和電極引線的作用:而模塑料作為支撐結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。由于這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(jié)構(gòu)沒有反射腔,其發(fā)光效率很低;該結(jié)構(gòu)存在的另一個問題是PCB的導(dǎo)熱性能很差,例如FR4的導(dǎo)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(jié)合MEMS工藝的硅基LEO芯片封裝技術(shù)。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(jié)構(gòu)參數(shù)與LED發(fā)光效率之問的關(guān)系進行了詳細的分析,最后設(shè)計了封裝工藝流程。[page]

硅基封裝的LED光學(xué)特性分析
 
MEMS技術(shù)是隨著半導(dǎo)體和微電子技術(shù)的發(fā)展麗發(fā)展起來的一項新興的細微加工技術(shù),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。基于硅基的體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(shù)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(dǎo)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。
 
圖4 基于PCB板和硅基封裝LED光強分布
 
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(yīng)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(guān)系。進而為凹槽的足寸設(shè)計提供理論上的指導(dǎo)。
 
圖5  LED光強與反射角之間的關(guān)系
 
圖5為LED發(fā)射光與反射的反射角θ之間的關(guān)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(yīng)該設(shè)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(jié)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。
 
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