白光發(fā)光二極管(LED)因其節能、環(huán)保、可靠性高和設計靈活等優(yōu)點(diǎn)在照明領(lǐng)域得到廣泛開(kāi)發(fā)和應用。為了滿(mǎn)足日益增長(cháng)的照明需求，較大輸出功率LED的研發(fā)和技術(shù)改進(jìn)得到了廣泛開(kāi)展。

    1、正裝封裝結構的缺陷

    目前，商業(yè)化的LED很多采用金線(xiàn)將芯片的PN結與支架正負極連接的正裝封裝結構。然而，隨著(zhù)輸出功率的不斷提高，制約大功率LED發(fā)展的光衰較大和光淬滅等失效問(wèn)題相繼涌現。

    淬滅失效的主要原因是金線(xiàn)斷裂。在金線(xiàn)引線(xiàn)連接過(guò)程中，受到金純度、鍵合溫度、金線(xiàn)彎曲度、焊接機精度和鍵合工藝等多重因素影響，造成金線(xiàn)斷開(kāi)而淬滅。其次，混合熒光粉的硅膠涂覆在芯片表面，起到光轉化作用和保護金線(xiàn)等雙重作用，當芯片通電后溫度上升，由于硅膠熱脹冷縮等原因將對金線(xiàn)和焊點(diǎn)產(chǎn)生沖擊，焊點(diǎn)脫焊，造成淬滅。

    光衰較大失效的主要原因是硅膠的黃化或透過(guò)率降低。正裝結構LED p、n電極在LED的同一側，電流須橫向流過(guò)n-GaN層，導致電流擁擠，局部發(fā)熱量高，限制了驅動(dòng)電流；其次，由于藍寶石襯底導熱性差，嚴重阻礙了熱量的散失。在長(cháng)時(shí)間使用過(guò)程中，因為散熱不好而導致的高溫，影響到硅膠的性能和透過(guò)率，從而造成較大的光輸出功率衰減。=

    因此，為了改善正裝封裝LED的金線(xiàn)易斷裂和散熱不好等問(wèn)題，業(yè)內研究者們相繼發(fā)明了垂直結構LED和倒裝結構LED。

    相較于正裝LED，垂直結構采用高熱導率的襯底(Si、Ge和Cu等襯底)取代藍寶石襯底，在很大程度上提高散熱效率；垂直結構的LED芯片的兩個(gè)電極分別在LED外延層的兩側，通過(guò)n電極，使得電流幾乎全部垂直流過(guò)LED外延層，橫向流動(dòng)的電流極少，可以避免局部高溫。但是目前垂直結構制備工藝中，藍寶石剝離工藝較難，制約了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程。

    而另一項發(fā)明的倒裝結構LED，因其可以集成化、批量化生產(chǎn)，制備工藝簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，逐漸得到了照明行業(yè)的廣泛重視。倒裝結構采用將芯片PN結直接與基板上的正負極共晶鍵合，沒(méi)有使用金線(xiàn)，而最大限度避免了光淬滅問(wèn)題。此外，共晶鍵合結構對散熱問(wèn)題有了很大的改善。在大功率LED使用過(guò)程中，不可避免大電流沖擊現象，在此情況下，如果燈具的大電流抗沖擊穩定性不好，很容易降低燈具的使用壽命。

    因此，本文對比研究了垂直結構LED和倒裝結構LED隨著(zhù)電流增大的光輸出變化規律，并且與普通正裝LED進(jìn)行了比較，得出了倒裝結構LED具有更好的抗大電流沖擊穩定性和光輸出性能。

    2、樣品制備與測試方法

    2.1 樣品制備

    三種封裝結構如圖1所示。其中正裝LED采用藍寶石襯底峰值波長(cháng)448 nm芯片，倒裝芯片采用藍寶石襯底峰值波長(cháng)447 nm芯片，垂直結構芯片采用硅襯底峰值波長(cháng)446 nm芯片。三種芯片大小均為1.16 mmx1.16 mm，工作電流350 mA，硅膠采用普瑞森公司的0967型號，熒光粉采用威士波爾的YAG-4。正裝結構芯片的正負極通過(guò)金線(xiàn)引線(xiàn)鍵合焊接在支架的正負極上；垂直結構芯片的正極是通過(guò)金線(xiàn)引線(xiàn)鍵合焊接在支架的正極上，負極是通過(guò)金球共晶鍵合在支架的負極上；倒裝芯片的正負極是通過(guò)金球共晶鍵合在支架的正負極上。

    2.2 測試方法

    光通量、發(fā)光效率和色溫采用杭州遠方公司生產(chǎn)的STC4000快速光譜儀，測試原理如圖2所示。被測LED采用固定夾具放在積分球中心，LED發(fā)射經(jīng)積分球內部白色漫反射層，漫反射一部分光線(xiàn)通過(guò)積分球表面的窄通光孔徑光纖傳輸到微型多通道光譜儀，光譜儀采集的數據通過(guò)USB接口發(fā)送到計算機進(jìn)行處理和顯示。光源采用恒流源供電。

    3、結果與討論

    3.1 光通量隨電流變化關(guān)系

    圖3標出了在驅動(dòng)電流從50 mA到2 000 mA條件下，倒裝封裝LED、垂直結構封裝LED和正裝封裝LED的光通量隨電流增加的變化趨勢曲線(xiàn)。從圖3中可以看出，隨著(zhù)電流的逐漸增大，三種結構LED的光通量都隨著(zhù)電流的增加而增加，但是增長(cháng)幅度逐漸減小。

    在驅動(dòng)電流達到1 200 mA時(shí)，垂直結構LED首先達到光通量飽和點(diǎn)，而此電流條件下的倒裝LED的光通量比正裝LED的光通量高出14.7％，比垂直結構LED的光通量高出25.9％。隨著(zhù)電流的繼續增大，垂直結構LED的光通量變化顯示其已接近失效，倒裝LED的光通量在電流1 550 mA時(shí)達到了飽和，比垂直結構LED飽和電流值增加了350 mA。光通量的測試結果表明，倒裝結構PN結溫低、散熱好。

    因此得出，倒裝LED比其他兩種結構LED的可靠性高，尤其是抵抗大電流沖擊可靠性高，這一項性能有利于提高LED在實(shí)際應用中的使用壽命。

    3.2 發(fā)光效率隨電流變化關(guān)系

    圖4標出三種LED結構電流與發(fā)光效率的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖4中可以看出，當電流從50 mA增加到2 000 mA時(shí)，三種LED的發(fā)光效率都呈下降趨勢，倒裝LED的發(fā)光效率在整個(gè)電流變化區間內均高于其他兩種LED的發(fā)光效率。而垂直結構LED在電流大于1 200 mA，發(fā)光效率迅速下降，顯示光輸出異常，這與光通量的測試結果吻合。在三種LED的工作電流350 mA時(shí)，倒裝LED的發(fā)光效率比垂直結構LED的發(fā)光效率高出8 lm/W，比正裝結構LED高出31 lm/W。

    倒裝LED的光通量和發(fā)光效率的提高，可能原因有：

    (1)倒裝LED的外量子效率高。三種封裝結構的折射率分布如圖5所示。其中圖5a所示為倒裝封裝結構的折射率分布圖；圖5b所示為垂直封裝結構和正裝封裝結構的折射率分布圖。根據Snell定律，倒裝LED光從GaN到藍寶石的全反射臨界角θ=sin-1 (n藍寶石/n GaN)=44.5°，藍寶石到封裝硅膠的臨界角為θ=sin-1 (n硅膠/n藍寶石)=57.4°；而垂直結構和正裝LED的光從GaN直接傳輸到封裝硅膠層，其全反射臨界角為θ=sin-1 (n硅膠/n GaN)=36.2°，小于倒裝的光傳輸界面的臨界角。較大的臨界角可使更多的光輸出，因此，倒裝結構相較于正裝和垂直結構LED有更高的外量子效率，從而得到了較高的白光發(fā)光效率。

    (2)倒裝PN結到環(huán)境熱阻低。隨著(zhù)電流的增加，由于熱阻原因芯片溫度隨之升高，從而增加了載流子的非輻射復合幾率，降低了輻射復合幾率，造成發(fā)光效率下降。熱阻越高，芯片升溫越高，發(fā)光效率下降越快。倒裝的PN結與支架的正負極采用共晶焊接，熱傳輸距離短，散熱面積大，更利于熱傳導，因此可以得到較低的熱阻值，降低PN結溫，從而減慢光效下降速度。這與光通量隨電流變化實(shí)驗結果吻合。

    3.3 色溫測試

    色溫是光源光譜質(zhì)量最通用的指標。對于LED光源的需求色溫多數都是比較低的，并且對于同一批次的產(chǎn)品而言，色溫偏差越小，質(zhì)量越優(yōu)。對色溫的控制研究，一直都是企業(yè)滿(mǎn)足顧客需求的關(guān)鍵參數。

    圖6為三種封裝結構LED的電流色溫曲線(xiàn)對比圖。通過(guò)實(shí)驗測試，隨著(zhù)驅動(dòng)電流的升高，三種封裝結構LED色溫都隨著(zhù)電流的增加而升高，而倒裝LED的色溫升高斜率最小約為0.40，正裝LED的色溫升高斜率約為0.67，而垂直結構LED在電流小于1 200 mA(光通量飽和點(diǎn))時(shí)色溫增加斜率約為0.84，超過(guò)1 200 mA時(shí)，色溫參數接近失效，這與光通量測試和發(fā)光效率測試結果吻合。倒裝LED的色溫飽和點(diǎn)約為1 600 mA，比垂直結構LED的色溫飽和點(diǎn)高出400 mA。說(shuō)明倒裝LED在較大電流沖擊情況下，光輸出特性比垂直結構LED穩定。

    4、結論

     采用相同尺寸1.16 mm GaN基藍光芯片制備了倒裝結構LED和垂直結構LED，用STC4000快速光譜儀和恒流電源測試了兩種LED在不同驅動(dòng)電流條件下的光通量、發(fā)光效率和色溫等發(fā)光特性，發(fā)現垂直結構LED在超過(guò)1 200 mA電流時(shí)出現發(fā)光性能失效，而倒裝LED的發(fā)光性能失效的電流值在1 550 mA。倒裝結構LED失效電流值的增加，使得LED的可靠性能增加，提高了LED的使用壽命。