大功率LED多功能封裝的集成技術包含哪些?

  • 日期:2018-10-17
  •  二極管
      二极管,(英语:Diode),电子元件当中,一种具有两个电极的装置,只允许电流由单一方向流过,许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管(Varicap Diode)则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流(Rectifying)”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过(称为顺向偏压),反向时阻断 (称为逆向偏压)。因此,二极管可以想成电子版的逆止阀。

      早期的真空电子二极管;它是一种能够单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子,这种电子器件按照外加电压的方向,具备单向电流的传导性。一般来讲,晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层,构成自建电场。当外加电压等于零时,由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态,这也是常态下的二极管特性。

      早期的二极管包含“猫须晶体(“Cat‘s Whisker” Crystals)”以及真空管(英国称为“热游离阀(Thermionic Valves)”)。现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅或锗。

      特性

      正向性

      外加正向电压时,在正向特性的起始部分,正向电压很小,不足以克服PN结内电场的阻挡作用,正向电流几乎为零,这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后,PN结内电场被克服,二极管正向导通,电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内,导通时二极管的端电压几乎维持不变,这个电压称为二极管的正向电压。当二极管两端的正向电压超过一定数值 ,内电场很快被削弱,特性电流迅速增长,二极管正向导通。 叫做门坎电压或阈值电压,硅管约为0.5V,锗管约为0.1V。硅二极管的正向导通压降约为0.6~0.8V,锗二极管的正向导通压降约为0.2~0.3V。

      反向性

      外加反向電壓不超過一定範圍時,通過二極管的電流是少數載流子漂移運動所形成反向電流。由于反向電流很小,二極管處于截止狀態。這個反向電流又稱爲反向飽和電流或漏電流,二極管的反向飽和電流受溫度影響很大。一般矽管的反向電流比鍺管小得多,小功率矽管的反向飽和電流在nA數量級,小功率鍺管在μA數量級。溫度升高時,半導體受熱激發,少數載流子數目增加,反向飽和電流也隨之增加。

      擊穿

      外加反向電壓超過某一數值時,反向電流會突然增大,這種現象稱爲電擊穿。引起電擊穿的臨界電壓稱爲二極管反向擊穿電壓。電擊穿時二極管失去單向導電性。如果二極管沒有因電擊穿而引起過熱,則單向導電性不一定會被永久破壞,在撤除外加電壓後,其性能仍可恢複,否則二極管就損壞了。因而使用時應避免二極管外加的反向電壓過高。


      二極管是一種具有單向導電的二端器件,有電子二極管和晶體二極管之分,電子二極管因爲燈絲的熱損耗,效率比晶體二極管低,所以現已很少見到,比較常見和常用的多是晶體二極管。二極管的單向導電特性,幾乎在所有的電子電路中,都要用到半導體二極管,它在許多的電路中起著重要的作用,它是誕生最早的半導體器件之一,其應用也非常廣泛。

      二極管的管壓降:矽二極管(不發光類型)正向管壓降0.7V,鍺管正向管壓降爲0.3V,發光二極管正向管壓降會隨不同發光顔色而不同。主要有三種顔色,具體壓降參考值如下:紅色發光二極管的壓降爲2.0--2.2V,黃色發光二極管的壓降爲1.8—2.0V,綠色發光二極管的壓降爲3.0—3.2V,正常發光時的額定電流約爲20mA。

      二極管的電壓與電流不是線性關系,所以在將不同的二極管並聯的時候要接相適應的電阻。

      特性曲線

      與PN結一樣,二極管具有單向導電性。矽二極管典型伏安

      特性曲線(图)。在二极管加有正向电压,当电压值较小时,电流极小;当电压超过0.6V时,电流开始按指数规律增大,通常称此为二极管的开启电压;当电压达到约0.7V时,二极管处于完全导通状态,通常称此电压为二极管的导通电压,用符号UD表示。

      對于鍺二極管,開啓電壓爲0.2V,導通電壓UD約爲0.3V。在二極管加有反向電壓,當電壓值較小時,電流極小,其電流值爲反向飽和電流IS。當反向電壓超過某個值時,電流開始急劇增大,稱之爲反向擊穿,稱此電壓爲二極管的反向擊穿電壓,用符號UBR表示。不同型號的二極管的擊穿電壓UBR值差別很大,從幾十伏到幾千伏。

      反向擊穿

      齊納擊穿

      反向擊穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。在高掺杂浓度的情况下,因势垒区宽度很小,反向电压较大时,破坏了势垒区内共价键结构,使价电子脱离共价键束缚,产生电子-空穴对,致使电流急剧增大,这种击穿称为齐纳击穿。如果掺杂浓度较低,势垒区宽度较宽,不容易产生齐纳击穿。

      雪崩擊穿

      另一種擊穿爲雪崩擊穿。當反向電壓增加到較大數值時,外加電場使電子漂移速度加快,從而與共價鍵中的價電子相碰撞,把價電子撞出共價鍵,産生新的電子-空穴對。新産生的電子-空穴被電場加速後又撞出其它價電子,載流子雪崩式地增加,致使電流急劇增加,這種擊穿稱爲雪崩擊穿。無論哪種擊穿,若對其電流不加限制,都可能造成PN結永久性損壞。

    大功率LED多功能封裝的集成技術包含哪些?
      隨著全球能源短缺趨勢日益加劇,綠色節能環保的LED備受矚目。世界各國都制訂了本國LED照明發展計劃,我國“十二五”規劃也對LED照明發展目標進行了明確描述,並將LED列爲“十二五”期間重點節能工程,位列國家七大戰略性新興産業中的節能環保産業和新材料産業。

      隨著LED照明産業的發展,從LED顯示屏芯片的生産到燈具市場,已經形成了一條相對完善的産業鏈。但對于傳統的LED照明,從芯片、封裝、電路板一直到應用,各個環節都相對獨立。不同場所的照明需求,對LED的封裝提出了各種新的要求。如何在模組內集成多種技術,並通過系統封裝的方式使LED模組封裝趨于小型化、多功能化、智能化成爲了我們需要探索的問題。從技術的角度來看,LED是一種半導體器件,容易與其他半導體相關技術相結合而發展出具有更高附加值的産品,開拓出全新的、傳統照明無法觸及的市場。LED多功能系統三維封裝能夠整合光源、有源、無源電子器件、傳感器等元件,並將他們集成于單一微小化的系統之中,是極具市場潛力的一項新技術。

      LED多功能封裝集成技術

      目前市場上存在一些簡單的LED集成封裝産品,但是集成度較低,不能滿足未來LED發光模組對LED封裝産品的需要。芯片模組光源的發展趨勢體現了照明市場對技術發展的要求:便攜式産品需要集成度更高的光源;在商業照明、道路照明、特種照明、閃光燈等領域,集成的LED光源有很大的應用市場。與封裝級模組相比,芯片級模組體積較小,節省空間,也節省了封裝成本,並且由于光源集成度高,便于二次光學設計。

      三維立體封裝是近幾年發展起來的電子封裝技術。從總體上看,加速三維集成技術應用于微電子系統的重要因素包括以下幾個方面:

      1.系統的外形體積:縮小系統體積、降低系統重量並減少引腳數量;

      2.性能:提高集成密度,縮短互連長度,從而提高傳輸速度並降低功耗;

      3.大批量低成本生産:降低工藝成本,如采用集成封裝和PCB混合使用方案;多芯片同時封裝等;

      4.新應用:如超小無線傳感器等;

      目前有多種不同的先進系統集成方法,主要包括:封裝上的封裝堆疊技術;PCB(引線鍵合和倒裝芯片)上的芯片堆疊,具有嵌入式器件的堆疊式柔性功能層;有或無嵌入式電子器件的高級印制電路板(PCB)堆疊;晶圓級芯片集成;基于穿矽通孔(TSV)的垂直系統集成(VSI)。三維集成封裝的優勢包括:采用不同的技術(如CMOS、MEMS、SiGe、GaAs等)實現器件集成,即“混合集成”,通常采用較短的垂直互連取代很長的二維互連,從而降低了系統寄生效應和功耗。因此,三維系統集成技術在性能、功能和形狀等方面都具有較大的優勢。近幾年來,各重點大學、研發機構都在研發不同種類的低成本的集成技術。

      半導體照明聯合創新國家重點實驗室針對LED系統集成封裝也進行了系統的研究。該研究針對LED筒燈,通過開發圓片級的封裝技術,計劃將部分驅動元件與LED芯片集成到同一封裝內。其中,LED與線性恒流驅動電路所需的裸片是電路發熱的主要元件,同時體積比較小,易于集成,但由于主要發熱元件需要考慮散熱設計。其他元件體積較大,不易于集成。電感、取樣電阻與快速恢複二極管等,雖說也有一定的熱量産生,但不需要特殊的散熱結構。

      基于以上考慮,我們對發光模組的組裝進行如下設計:

      1.驅動電路裸片與LED芯片集成在封裝之內,其余電路元件集成在PCB板上;

      2.PCB電路板圍繞在集成封裝周圍便于連接;

      3.PCB與集成封裝放置于熱沈之上;

      該結構的優勢在于:體積較小;主要發熱元件通過封裝直接與熱沈接觸,易于散熱;不需要特別散熱的元件,放置在普通PCB上。相比MCPCB,節省了成本;在需要時,可將元件設計在PCB板的背面,藏在熱沈的空區域中,避免元件對出光的影響。

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