詳解基于MEMS的LED芯片封裝光學特性

中心議題：

解決方案：

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。

目前基于SMT的LED封裝主要用導(dǎo)線架(leadfame)和模塑料(moulding compound)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。

1 硅基封裝的LED光學特性分析

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。

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。