高亮度LED(High-brightness Light Emitting Diodes;HB LED)的出現,在照明產業中掀起了一股狂潮。相較於傳統的白熱燈泡,HB LED因具備了更省電、使用壽命更長及反應時間更快等主要優點,因此很快的搶佔了LCD背光板、交通號誌、汽車照明和招牌等多個市場。
HB LED的主導性生產技術是InGaN,但此技術仍有一些瓶頸需要克服,目前掌握前瞻技術的業者紛紛針對這些瓶頸提出新的解決方案,希望能進一步拓展HB LED的市場。這些瓶頸中以靜電釋放(electrostatic discharge;ESD)敏感性和熱膨脹係數(thermal coefficient of expansion ;TCE)為兩大議題,其困難如下所述:
熱處理(Thermal Management):
相較於LED 晶粒(die)的高效能特性,目前多數的封裝方式很明顯地無法滿足今時與未來的應用需求。對於HB LED的封裝廠商來說,一個主要的挑戰來自於熱處理議題。這是因為在高熱下,晶格會產生振動,進而造成結構上的改變(如回饋迴路變成正向的),這將降低發光度,甚至令LED無法使用,也會對交錯連結的封入聚合體(encapsulating polymers)造成影響。
僅管一些測試顯示,在晶粒(die)的型式下,即使電流高到130mA仍能正常工作;但採用一般的封裝後,LED只能在20mA的條件下發光。這是因為當晶片是以高電流來驅動時,所產生的高熱會造成銅導線框(lead-frame)從原先封裝好的位置遷移。因此在晶片與導線框間存在著TCE的不協調性,這種不協調性是對LED可靠性的一大威脅。
靜電釋放(ESD):
對電子設備的靜電損害(Electrostatic damage;ESD)可能發生在從製造到使用過程中的任何時候。如果不能妥善地控制處理ESD的問題,很可能會造成系統環境的失控,進而對電子設備造成損害。InGaN 晶粒一般被視為是"Class 1"的設備,達到30kV的靜電干擾電荷其實很容易發生。在對照試驗中,10V的放電就能破壞Class 1 對ESD極敏感的設備。研究顯示ESD對電子產品及相關設備的損害每年估計高達50億美元,至於因ESD受損的LED則可能有變暗、報銷、短路,及低Vf (forward voltage)或 Vr(reverse voltage)等現象。
以Submount技術突破瓶頸
為了突破這些InGaN LED瓶頸,CAMD公司提出一項特殊的解決方式。採用與醫學用生命支援設備相同的技術,CAMD發展出一種矽載體(Silicon Carrier)或次黏著基台(Submount),以做為InGaN晶片與導線框之間的內部固著介質;當透過齊納二極體(Zener Diodes)來提供ESD保護的同時,這種Submount設計也能降低TCE不協調性的衝擊。
![《圖一 Silicon Submount架構上視剖析圖》](/art/2003/06/051126564808/p1.gif)
《圖一 Silicon Submount架構上視剖析圖》 |
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(圖一)顯示一個基本矽材質Submount如何將兩個焊球與覆晶LED接合在一起的情況,在球體區域所見到的不同顏色圓圈是用來保護LED免受ESD損害的二極體架構。此架構除了能安全的抵銷高達30kV的接觸放電,更超過IEC61000-4-2國際標準對最大值的要求。矽材質與焊球扮演著振動吸收器,以疏緩熱膨脹效應。
這樣做還有一些明顯的好處:以Submount粘著焊球,可以使LED晶粒緊密地與Submount接合在一起,再經由打線連接到導線框。這種方式能降低因直接打線到LED晶粒所產生的遮光影響。
在圖一所示的Submount兩邊都有綠色的矩形區域,這是打線的區域。此外,因為Submount是一個光滑的矽表面,其上是鋁金屬層,因此能將一般損失掉的光度有效的反射出去。圖一中的覆蓋了大部分Submount的藍色區域,即是高反射性的鋁金屬層,它的作用猶如LED的一面反射鏡。
在LED的背面一般以金覆蓋,以提供最佳化的熱傳導,以及晶片與導線框、銅散熱器的高度接合度。
![《圖二 LED/Submount 封裝方案側面剖析圖》](/art/2003/06/051126564808/p2.gif)
《圖二 LED/Submount 封裝方案側面剖析圖》 |
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(圖二)顯示此一解決方案的完整封裝結構,其中LED晶粒與Submount上頭的焊球接合,此一次組合被鑲嵌在整個LED 封裝中;Submount再打線到導線框,以供電給LED。這個矽Submount只有10-mils的厚度,這樣才能發揮最大的熱傳導效能,讓LED的高熱很快地經由此封裝設計傳到散熱器上頭。
結論
HB LED已開始取代消費性及工業應用的傳統照明解決方案,但要讓LED發揮最大照度,仍得克服一些瓶頸,例如在高熱下,封裝晶格會振動甚至遷移,以及因ESD的損害而讓LED有變暗、報銷及短路等現象。本文所提到的Submount封裝技術,可以有效的解決LED發光、散熱及導電等問題,並能提供ESD保護,是一個值得推廣的解決方案。
(作者任職於California Micro Devices Corp.)