光电项目可行性研究报告

光电项目可行性研究报告内容摘要：

极管 LED 是可直接将电能转化为光 信号 的发光器件，具有工作电压低，耗电量小，发光效率高，响应时间短 ， 结构牢固，抗冲击，耐振动，性能 稳定可靠，重量轻，体积小，成本低等一系列特性。 LED 的核心是由 p 型和 n 型半导体构成的 pn 结管芯，当注入 pn 结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。 但 pn 结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射的 概 率 不 相同， pn 结管芯产生的光 能不可能全部 释放出来， 因为 这 还 取决于半导体材料质量、 LED 的内、外部量子效率 的提高 、 管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料。 由于芯片输入功率的不断提高，为获得 LED 较佳的光电性能和可靠性，对封装技术提出更高的要求。 LED 芯片 与 封装 技术 向大电流 、 大 功率方向发展，光通量比 传统形式的LED 大 1020 倍，因此，采用 先进的 封装技术 至 关 重要。 功 率 型 LED 将倒装 12 管芯倒装焊接在具有焊料凸点的载体上，然后把完成倒装焊接的载体装入热沉与管壳中进行封装。 这种封装对于取光效率，散热性能，加大工作电流密度的设计都是最佳的 ，它 使其输出光功率，外量子效率等性能优异 、 辐射图样可控和光学效率最高 ， 将 LED 固体光源发展到一个新水平。 就标准 SMT 工艺 而 言，焊膏倒装芯片组装工艺是最常见的，且已证明完全适合 SMT，可满足以下要求： 一是要有高的取光效率，二是尽可能低的热阻，三是延缓器件光衰。 其不足是由于散热系统体积大，无法实现超小型化，不能满足现代超小型产品的要求。 本项目应用光电子技术、芯片倒装焊接技术、片式器件制造技术、柔性板线路技术， 开发超薄型、高光效、低热阻的功率型发光二极管，实现了功率型器件的超小型化。  主要技术内容： 本项目 的设计和 工艺 技术理念， 首先是 采用倒装芯片 焊接技术 ， 将倒装的半导体芯片 粘结 在 基板 或 Si 材料的作业器件内上，通过焊接在厚度很薄的柔性电路印制板上，采用透明度高、不易碳化变黄的材料 塑 封。 其次，这种结构增大 了管芯发光的 表面积 ， 提高了器件的 取光效率；具有 热电分离的特点， 改善导热性能 与降 低热阻 、增强了散热特性，因而可在较高的驱动电流下稳定可靠的工作；延缓光衰现象和减小结构尺寸。 （ 1）光电子技术 —— 倒装管芯 的 倒装焊接 技术 传统的 LED 芯片，电极刚好位于芯片的出光面，光从最上面的 P— GaN层中取出。 P— GaN 有限的电导率要求在 P— GaN 层表面现沉淀一层电流扩散的金属层。 这个电流扩散层由 Ni 和 Au 组成，会吸收部分光，从而降低芯片的出光效率。 为减少发射光的吸收，电流扩散层的厚度应减少到几百纳米。 厚度的减少反过来又限制了电流扩散层在 P— GaN层表面均匀和可靠地扩散大电流的能力。 因 此这种 P 型接触结构制约了 LED 芯片工作功率。 同时这种结构 PN结的热量通过蓝宝石衬底导出去，导热路径较长，由于蓝宝石的热导系数较金属低（为 35W/Mk），因此，这种结构的 LED 芯片热阻会较大。 此外，这种结 13 构的 P 电极和引线也会挡住部分光线进入器件封装。 为了提高器件功率，获得高出光效率和优良的热特性，本项目采用 FLIP CHIP（倒装芯片）倒装焊接在10Z（ 35μ m）的柔性电路板上，兼顾 LED 的功率型和器件的超薄化。 正装焊接示意图 电极蓝宝石硅热沉焊膏电极μμ 14 Lumileds 功率型 SMD LED 结构示意图μ倒装芯片柔性电路板锡焊球本项目产品倒装焊接结构示意图 采用特制的柔性线路板（ FPC）替代原有的热沉和引线框架基板，实现同一基板的多功能化，将 FLIP CHIP（倒装芯片）倒装焊接于复合基板上，因没有了 P 电极和引线的阻碍，对提高亮度有一定的帮助。 而且，电流流通的距离缩短，电阻减低，产生的热量也相对降低。 所以，当此工艺应用于 SMD LED 上，不但提高光输出，更可以使产品整体体积缩小 ，扩大产品的应用市场。 ● 采用 FLIP CHIP，把 SiC 型或 GaN 型的芯片，倒装在集内热沉与引线框架功能为一体的 FPC 上；通过芯片的倒装技术（ FLIP CHIP）可以比传统的 LED 芯片封装技术得到更多的有效出光。 ● 同时采用沉金的 FPC 作为热沉板，沉金光洁度好，具有良好的反射效果，增加了出光率。 ● 在倒装芯片的蓝宝石衬底部分与环氧树脂导光结合面上加上一层特殊有机材料以改善芯片出光的折射率。 （ 2） 热工控制 技术 LED 正在向着高功率、高光通的方向发展，随着单管输入功率的增加， 产品 应用中的热工控制 技术和 散热问题逐渐 突出。 温度可以影响 器件 的性能和可靠性，因此对于 产品 设计 的 热工控制是非常关键的 技术， 合理的热工控制 .可以 15 有效提高 其 光效、光通 量 和使用寿命。 LED 工作时产生的 热阻 ，导致器件 输出 的 光通量 与 输入 的 电流 具有一定的关系。 对于具有较低热阻的 LED，光通量随输入电流的增长近似成线形关系 ，对于热阻较高的 LED，光通量甚至会随输入电流的增长出现下降的情况 ； 高热阻 LED 器 件中，热量导致结温 显著 升高，结温升高抑制了输出光通的增加，与增加输入电流带来的光通量增加二者 相互 抵消。 因此， 合 理 的热工控制和驱动电流选择对于充分发挥 LED 的性 能非常 重要。 散热是器件制造中的一个关键问题，而传统的结构已无法成功地解决散热问题。 传统的指示灯型 LED 封装结构，一般是用导电胶将芯片装在中尺寸的反射杯中或载片台上，由金丝完成器件的内外连接合用环氧树脂封装面面，其热阻高达 250~300℃ /W，新的功率型芯片若采用传统式的 LED 封装形式，将会因为散热不良而导致芯片结温度迅速上升和环氧碳化变黄，从而造成器件的加速光衰直致失效，甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路面失效。 因此，对于大工作电流的功率型 LED 芯片，低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是功率型 LED 器件的技术关键。 下面是功率型片状 LED 的典型热特性图： 芯片 芯 片粘接 内 部热沉 内部热沉 金 属线路板 金 属线路板与金属线路板 与 环境温度内部热阻 外 部热阻R Θ D i e R Θ A t t ach R Θ HCR Θ C B R Θ B o ar d R Θ BAR Θ CAR Θ JCPDTjTaTC 16 热阻与热导系数的关系曲线010203040500 1 2 3 4 5 6λ （ W / M k ）R（K/W） 根据热阻的定义，可以得出如下公式： Tj=Rθ JA*PD+Ta RΘ JA= RΘ JC+ RΘ CA RΘ JC= RΘ Die + RΘ Attach + RΘ HC RΘ CA = RΘ CB + RΘ Board + RΘ BA Tj 、 Ta 分别对应 LED 器件 PN 结和器件周围环境温度； RΘ JA 是 LED 器件 PN 结到环境温度之间的热阻； PD 是器件的热耗散功率，在此约等于器件的电输入功率，即 PD=VF*VFO RΘ JC 是器件的内部热阻； RΘ CA 是器件的外部热阻； RΘ Die 是倒装芯片的热阻； RΘ Attach是芯片 Si 衬底粘接焊料热阻； RΘ HC 是器件内部热沉的热阻； RΘ CB 是器件内部热沉与金属线路板之间的接触热阻； RΘ Board是金属线路板的热阻； RΘ BA 是金属线路板至环境温度之间的热阻。 由上述特性原理可知，要降低产品热阻，可以通过降低器件的内部热阻即 17 倒装芯片的热阻、芯片 Si 衬底粘接焊料热阻、器件内部热沉的热阻来实现。 本项目采用低热阻的倒装芯片、高导热系数的 FPC 热沉及高导热系数的焊接材料，来降低器件的热阻，提高片状 LED 的出光效率和可靠性。 本项目采用在芯片下部加 FPC 板作为热沉，在 FPC 的正面铜上沉金，其厚度为 10Z（ 35μ m），导热系数为 315W/（ ） ,热阻为 ℃ /W。 根据需要，可把 FPC 的背面（沉金），直接加上铝基板上，实现二次散热。 （ 3） 封装工艺技术 管壳 的 封装也是 发光管制造中 解决光衰问题 的 关键技术 之一。 为此， 采用有效的散热与 优 化的封装材料 ，传统 的 LED 由光学透明的环氧树脂封装 ， 温度升高到环氧树脂玻璃转换温度时，环氧树脂由刚性的、类似玻璃的固体材料转换成有弹性的材料 ， 环氧树脂透镜变黄，引线框架也因氧化而玷污。 新型有机包封材料具有许多特点，与环氧树脂灌封材料相比，具有优越得多的性能，包括抗高低温变化、抗紫外线、抗老化、更快的固化速度、更优的整体固化性能和对元器件、器壁和导线更优异的粘接性，可有效防止水份的渗入，从而增强密封性能，特别适用于无外壳的电子器件的包封。 由于使 用有机硅灌封材料，认真 选择凸点类型、焊剂、底部填充材料等组装材料， 器件获得较佳的光电性能和可靠性。 本项目为增加器件的出光率，在倒装芯片的蓝宝石衬底部分与环氧树脂导光结合面上加上一层特殊材料，以改善芯片出光的折射率。 项目的关键技术及创新点论述 常规 的 LED 封装是将管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。 18 本项目 LED 芯片和封装不再沿 用 传统的设计理念与制造生产模式， 首先，为 增加芯片的 光输出， 采用 FLIP CHIP 芯片， 而且更关注 项目的技术创新： 增强 功率型片状 LED 内部 发光效 率，改进 散热 性能，解决散热 问题 ， 同时采用独特 FPC 作为热沉和引线框架的集成体，减少了产品的面积和厚度，为实现超薄型功率器件提供了基础。  关键技术 1. 如何可靠地将 FLIP CHIP 芯片焊接在 FPC 热沉上 2. 如何解决独特的塑封工艺 3. 如何解决功率型片状 LED 的热工及光学特性。  创新点论述 1．主要结构创新 常见 FLIP CHIPLED 封装 采用传统 PCB 板或 FE合金作为引线框架，采用铜或硅衬底作为内热沉，体积大，结构复杂；本项目 采用正反双面铜铂焊盘均沉金的 FPC 作为内热沉和引线框架的集成体，替代原引线框架及 PCB 板，减少了产品的体积和厚度：体积减少约 1/4，厚度减少 215μ m。 填充了国内空白，拓展了产品的应用领域，为项目成功提供了技术保障。 2. 生产工艺创新 （ 1） 采用新颖的基板 —— 柔性电路板的制造技术，替代普通环氧树脂覆铜板及引线框架，实现了产品厚度的超薄化，采用热沉基板以提升产品的散热性 （ 2） 采用 FLIP CHIP 独特的装焊接工艺，研究焊接的最佳温度曲线及不同焊膏材质，实现片式 LED 产品的高出光效率和良好散热性。 3. 使用效果创新 本项目开发多种功率的系列化产品，以适应不同领域客户的需求。 项目产品基板厚度为 35μ m，产品具有总厚度薄、散热性好、发光效 19 率高、不易在大电流下发热的优点，使产品能适应电子信息产品体积小型化和功率化的趋势。 且采用柔性电路板作为基板，耐热性好，隔热效果好，可供军工和高温等特殊环境下使用。 以柔性电路板为基板的多芯片功率型 SMD LED，可要据需求进行二次散热设置，形成独特的绿色环保的照明单元，可广泛应用于各种不同类型的照明需求。  项目存在的技术难题 倒装芯片的成功实现包含设计、工艺、设备与材料 等 诸多因素。 只有对 每一个因素都加以认真考虑和 研究 才能够促进工艺和技术的不断完善和进步，才能满足应用领域对倒装芯片技术产品不断增长的需要。 （ 1）微切划技术：为与热沉、柔性电路基板相匹配，将芯片加工成型的微切工艺技术研究，将直接影响项目产品的生产效率和生产能力。 （ 3） 柔性印制板线路设计制造技术：设计出能替代环氧树脂覆铜板作为基板及替代硅衬底。