基于MEMS的LED芯片封装光学特性分析

发布于:2021-09-23 09:32:41

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基于MEMS的LED芯片封装光学特性分析
孙吉勇,陈伟民,谢圆圆,章鹏
(重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044)

提要:本文提出了一种基于MEMS的LED苍片封装技术,利用体硅工艺在硅基上形成的鲫槽作为封装LED芯片的反射腔。分析了反射腔
对LIbel)的发光强度和光束眭能的影响,分析结果表明废反射腔可以提高芯片的发光效率和光束性能;讨论了反射腔的结构参数与芯片发光效 率之间的关系。最后设计r封装的工艺流程。利用陵封装结构可以降低芯片的封装尺、j.提高器件的发光效率和散热特性。 关键词:光电;发光二极管;封装;微机电

中图分类号:Tm惦.94

文献标识码:A

文章编号:0253一z743{∞cT}os.0076—02
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optical analysis of I卫D package based

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(b)。由于这种结构没有反射腔,其发光效率很低;该结构存 在的另一个问题是PCB的导热性能很差,例如FR4的导热系 数只有0.3W/k。这将会限制高亮度LED的工作功率。而随 着电子产品集成度的不断提高,对小尺寸LED的封装产晶需 要越来越大。因此本文提出了一种结合MEMS工艺的硅基

经过几十年的发鹱,LED性能已经得到了极大的进步,

由于它具有发光效率高.体积小,寿命长等优点【l,2],将成为
新一代照明光源,被A们公认为是继白炽灯之后照明领域的 义一次重大革命。目前LED已经在照明、装饰、显示和汽车 等诸多领域得到了广泛的应用,而其应用前景和应用领域还

在被不断的开发和扩展。在LED的产业链中,封装是十分重 要的一个部分,它决定着LED芯片的光、热、静命和二次配光 等特性。LED最初的封装形式主要是如图l的n和T1—3/
4。随着芯片发光功率的提高,以及应用领域的扩大,其原有

LEO芯片封装技术。它具有封装尺寸小的优点,同时解决了 直接将芯片贴装在PEB上而引起的发光效率低、热阻高的缺 点。文章酋先讨论了反射腔对LED芯片发光效率的影响,对
反射腔的结构参数与LED发光效率之问的关系进行了详细

的封装结构无论是在散热,还是在集成度上都不再挠满足
LED不断发展的需要。伴随着电子封装技术的不断发展,表 面贴装(SMT)封装技术开始成为LED封装技术的主流,基于 SMT技术封装的器件称为SMD,表面贴装的SMD—LED在集 成度、散热性和可靠性E都比以前的封装结构有很大的提 高旺制。

的分析,最后设计了封装工艺流程。

(a)基于导线架的LED封装 图2

(b)基于FEB板的LED封装

SMD—LED封装

l硅基封装的LED光学特性分析
MEMS技术是随着半导体和微电子技术的发展丽发展起
来的一项新兴的细微加工技术,加工尺寸从毫米到微米数鼍 级,甚至弧微米的微小尺寸:其加T艺主要分为表面工艺和 体工艺16J。基于硅基的体工艺又称为体硅工艺,体硅工艺呵 以在硅基体上形成高深宽比的凹稽。由于MEMS的加工尺 寸很小,因此利用该技术形成的微小凹槽作为LED芯片封装
图1 LEDTl或’rI一3/4封装

的反射腔(如图3),将会克服目前LED芯片直接封装在PCB 板上而引起发光效率低的问题;同时由于硅具有良好的导热 特性,因此可以降低目前封装中热阻高的问题,从而提高 LED芯片的发光效率和可靠性。图4(a)和(b)给出了当LED 芯片直接贴装在PCB板上和贴装在有凹槽的硅基上的发光 特性。从圈中可以看出,LED贴装在带有凹槽的硅基上以后 其发出光的发散性能得到了很大的改善,LED的发光强度提 高了75%以上。

目前基于SMT的LED封装主要用导线架(1eadfame)和模 塑料(moulding compound)形成的结构作为芯片的封装基体, 导线架起热传导和电极引线的作用:而模塑料作为支撑结 构,其结构如图2(a)所示。由于这种结构比较复杂,限制了 它不能做得很小。因此对更小尺寸的封装(如、SMD0603, SMl30402),通常是将LED芯片直接贴装在PEB板上.如图2
收稿日期:2007—04—0l

万   方数据

卦吉勇等:基于114EMs的LED芯片封装光学特性分析 《激光杂忐》2007年第28卷第5期lASER JOURNAL(V01.28

No.5

2(107)

和开r_l的宽度是相互制约的。当深度一定的时候,开口越 小,则槽的底部会越小、,而槽的底部受芯片尺寸的约束。因 此开口有一个极限最小值。隅理,当开几一定的时候,深度 越深,底部几寸越小,罔此深度有一个檄大值,所以在设计槽 的K寸的时候应该结合芯片的尺寸进行综合考虑。本文中 所采用的芯片尺q为0
4x0 4


0 15ram。

2工艺流程设计
基于MEMS的LED芯片封装主要包括两个大的部分,第 一个部分是加工带有反射腔的硅基体;第二部分是LED芯片 的贴片、引线等通用工艺。由丁该封装结构的第二个部分和 标准的LED封装T艺相同,冈此本文卡要详细的介绍第一部 分的主要工艺流程(如图7)。

图4基于PCB极和硅基封装的LED光强分布

凹槽形成的反射腔对IED的发光特性起着显著的改善, 不同的反射腔彤状对LED的发光特性有币同的影响。对图 3分析可得,反射腔的形状主要由删槽的开口尺寸L,凹槽的 深度h和发射角日决定。利用TIacepro软件建立如图3所示 的模型,分别改变L、h和目的值,求出各自对应情况下LED 的光强,就可以分析出反射腔的形状与LED发光特性之间的 艾系。进而为凹槽的足寸设计提供理论上的指导。
图7硅基反射腔的制作梳程

首先准备一片具有(100)品向的硅片(a);通过热氧化在 硅的表面形成层二氧化硅;光刻『二氧化硅,形成需要的开

口足寸和形状(b);用KOH腐蚀硅基体形成需要的凹槽,通 过腐蚀灌的浓度和腐蚀时间控制槽的深度(c):除占表面残 余的二氧化硅;对硅基进行背碰腐蚀,生成通孔(d);利用电
镀的方法在通孔内沉积金属导电材料(e);在硅的表面溅射 会属层作为反射面,光刻金属表面年l】引线区,形成封装电极 (f)。接下来就可以进行LED的贴片等后续上艺。

3结论
本文提出了一种基于MEMS工艺的LED芯片封装技术, 利用Tracepro软件仿真分析了反射腔的结构参数对LED光

强的影响,通过分析指卅.利用各向异性腐蚀硅形成的角度
作为反射腔的反射角,可以改善LED芯片的反光性能和发光 效率。仿真结果显示.反射腔的深度越大,则反射效率越高, 腔的开口越小,反射效率越高。文章最后给出r该封装结构 的工艺流程设汁。通过分析表明,摹于MEMS工艺LED封装 技术可以降低器件的封裴尺寸,提高发光效率。
参考文献 [1]Daniel


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Lighting

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图6

LED光强与反射腔的裸度和开u之间的关系

图6(a)和(b、分别给j“r反射腔的深度h和开口L与

[4]M00珊啪Shln.强e肌正C11arm.teristics aM T*schnical Issues of mgh Ptm'er LED[C]tk 27m Japan Syniposillnl彻卟目瑚o pl|ysicj|d ProPeP ties.20(16,Kv咖,7一14. (5】 Jm山W c&[dn汀m出Miem蝴1舯H,MEMs,and sⅡlaIt D州o∞
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Prea.s,2004

LED光强的关系,从图中可得,反射腔的深度越深,光强越
大;开12t越小,光强越火。但是在反射角确定的情况一F,深度

万   方数据

基于MEMS的LED芯片封装光学特性分析
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 孙吉勇, 陈伟民, 谢圆圆, 章鹏, SUN Ji-yong, CHEN Wei-min, XIE Yuan-yuan, ZHANG Peng 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆,400044 激光杂志 LASER JOURNAL 2007,28(5)

参考文献(5条) 1.Julian W Gardner Micro sensors,MEMS,and Smart Devices 2004 2.Moo Whan Shin Thermal Characteristics and Technical Issues of High Power LED 2006 3.James Petroski Spacing of High-Brightness LEDs on Metal Substrate PCB's for Proper Thermal Performance[外文会议] 2004 4.Tsao J Y Solid-state lighting:lamps,chips,and materials for tomorrow[外文期刊] 2004(03) 5.Daniel A;Steigerwald Illumination with Solid State Lighting Technology[外文期刊] 2002(02)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jgzz200705035.aspx


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