1、LED芯片封裝正裝封裝結構的缺陷
目前，商業化的LED芯片封裝很多采用金線將芯片的PN結與支架正負極連接的正裝封裝結構。然而，隨著輸出功率的不斷提高，制約大功率LED發展的光衰較大和光淬滅等失效問題相繼涌現。
淬滅失效的主要原因是金線斷裂。在金線引線連接過程中，受到金純度、鍵合溫度、金線彎曲度、焊接機精度和鍵合工藝等多重因素影響，造成金線斷開而淬滅。其次，混合熒光粉的硅膠涂覆在芯片表面，起到光轉化作用和保護金線等雙重作用，當LED芯片通電后溫度上升，由于硅膠熱脹冷縮等原因將對金線和焊點產生 沖擊，焊點脫焊，造成淬滅。
光衰較大失效的主要原因是硅膠的黃化或透過率降低。正裝結構LED p、n電極在LED的同一側，電流須橫向流過n-GaN層，導致電流擁擠，局部發熱量高，限制了驅動電流;其次，由于藍寶石襯底導熱性差，嚴重阻礙了熱量 的散失。在長時間使用過程中，因為散熱不好而導致的高溫，影響到硅膠的性能和透過率，從而造成較大的光輸出功率衰減。
因此，為了改善正裝封裝LED的金線易斷裂和散熱不好等問題，業內研究者們相繼發明了垂直結構LED和倒裝結構LED。
相較于正裝LED，垂直芯片結構采用高熱導率的襯底(Si、Ge和Cu等襯底)取代藍寶石襯底，在很大程度上提高散熱效率;垂直結構的LED芯片的 兩個電極分別在LED外延層的兩側，通過n電極，使得電流幾乎全部垂直流過LED外延層，橫向流動的電流極少，可以避免局部高溫。但是目前垂直結構制備工 藝中，藍寶石剝離工藝較難，制約了產業化發展進程。
而另一項發明的倒裝結構LED芯片，因其可以集成化、批量化生產，制備工藝簡單，性能優良，逐漸得到了照明行業的廣泛重視。倒裝結構采用將LED芯片PN結直接與基板上的正負極共晶鍵合，沒有使用金線，而最大限度避免了光淬滅問題。此外，共晶鍵合結構對散熱問題有了很大的改善。在大功率LED使用過程中，不可避免大電流沖擊現象，在此情況下，如果燈具的大電流抗沖擊穩定性不好，很容易降低LED燈具的使用壽命。
因此，本文對比研究了垂直結構LED和倒裝結構LED隨著電流增大的光輸出變化規律，并且與普通正裝封裝LED進行了比較，得出了倒裝結構LED具有更好的抗大電流沖擊穩定性和光輸出性能。
2、LED芯片樣品制備與測試方法
2.1 LED芯片封裝樣品制備
三種LED芯片封裝結構如圖1所示。其中正裝LED采用藍寶石襯底峰值波長448 nm芯片，倒裝芯片采用藍寶石襯底峰值波長447 nm芯片，垂直結構芯片采用硅襯底峰值波長446 nm芯片。三種芯片大小均為1.16 mmx1.16 mm，工作電流350 mA，硅膠采用普瑞森公司的0967型號，熒光粉采用威士波爾的YAG-4。正裝結構芯片的正負極通過金線引線鍵合焊接在支架的正負極上;垂直結構芯片的 正極是通過金線引線鍵合焊接在支架的正極上，負極是通過金球共晶鍵合在支架的負極上;倒裝芯片的正負極是通過金球共晶鍵合在支架的正負極上。
2.2 測試方法
光通量、發光效率和色溫采用杭州遠方公司生產的STC4000快速光譜儀，測試原理如圖2所示。被測LED采用固定夾具放在積分球中心，LED 發射經積分球內部白色漫反射層，漫反射一部分光線通過積分球表面的窄通光孔徑光纖傳輸到微型多通道光譜儀，光譜儀采集的數據通過USB接口發送到計算機進 行處理和顯示。光源采用恒流源供電。
3、結果與討論
3.1 光通量隨電流變化關系
圖3標出了在驅動電流從50 mA到2 000 mA條件下，倒裝封裝LED、垂直結構封裝LED和正裝封裝LED的光通量隨電流增加的變化趨勢曲線。從圖3中可以看出，隨著電流的逐漸增大，三種結構LED的光通量都隨著電流的增加而增加，但是增長幅度逐漸減小。
在驅動電流達到1 200 mA時，垂直結構LED首先達到光通量飽和點，而此電流條件下的倒裝LED的光通量比正裝LED的光通量高出14.7%，比垂直結構LED的光通量高出 25.9%。隨著電流的繼續增大，垂直結構LED的光通量變化顯示其已接近失效，倒裝LED的光通量在電流1 550 mA時達到了飽和，比垂直結構LED飽和電流值增加了350 mA。光通量的測試結果表明，倒裝結構PN結溫低、散熱好。
因此得出，倒裝LED比其他兩種結構LED的可靠性高，尤其是抵抗大電流沖擊可靠性高，這一項性能有利于提高LED在實際應用中的使用壽命。
3.2 LED芯片封裝結構發光效率隨電流變化關系
圖4標出三種LED結構電流與發光效率的關系曲線。從圖4中可以看出，當電流從50 mA增加到2 000 mA時，三種LED的發光效率都呈下降趨勢，倒裝LED的發光效率在整個電流變化區間內均高于其他兩種LED的發光效率。而垂直結構LED在電流大于1 200 mA，發光效率迅速下降，顯示光輸出異常，這與光通量的測試結果吻合。在三種LED的工作電流350 mA時，倒裝LED的發光效率比垂直結構LED的發光效率高出8 lm/W，比正裝結構LED高出31 lm/W。
倒裝LED的光通量和發光效率的提高，可能原因有：
(1)倒裝LED的外量子效率高。三種封裝結構的折射率分布如圖5所示。其中圖5a所示為倒裝封裝結構的折射率分布圖;圖5b所示為垂直封裝結 構和正裝封裝結構的折射率分布圖。根據Snell定律，倒裝LED光從GaN到藍寶石的全反射臨界角θ=sin-1 (n藍寶石/n GaN)=44.5°，藍寶石到封裝硅膠的臨界角為θ=sin-1 (n硅膠/n藍寶石)=57.4°;而垂直結構和正裝LED的光從GaN直接傳輸到封裝硅膠層，其全反射臨界角為θ=sin-1 (n硅膠/n GaN)=36.2°，小于倒裝的光傳輸界面的臨界角。較大的臨界角可使更多的光輸出，因此，倒裝結構相較于正裝和垂直結構LED有更高的外量子效率，從 而得到了較高的白光發光效率。
(2)倒裝PN結到環境熱阻低。隨著電流的增加，由于熱阻原因芯片溫度隨之升高，從而增加了載流子的非輻射復合幾率，降低了輻射復合幾率，造成 發光效率下降。熱阻越高，芯片升溫越高，發光效率下降越快。倒裝的PN結與支架的正負極采用共晶焊接，熱傳輸距離短，散熱面積大，更利于熱傳導，因此可以 得到較低的熱阻值，降低PN結溫，從而減慢光效下降速度。這與光通量隨電流變化實驗結果吻合。
3.3 色溫測試
色溫是光源光譜質量最通用的指標。對于LED光源的需求色溫多數都是比較低的，并且對于同一批次的產品而言，色溫偏差越小，質量越優。對色溫的控制研究，一直都是企業滿足顧客需求的關鍵參數。
圖6為三種封裝結構LED的電流色溫曲線對比圖。通過實驗測試，隨著驅動電流的升高，三種封裝結構LED色溫都隨著電流的增加而升高，而倒裝 LED的色溫升高斜率最小約為0.40，正裝LED的色溫升高斜率約為0.67，而垂直結構LED在電流小于1 200 mA(光通量飽和點)時色溫增加斜率約為0.84，超過1 200 mA時，色溫參數接近失效，這與光通量測試和發光效率測試結果吻合。倒裝LED的色溫飽和點約為1 600 mA，比垂直結構LED的色溫飽和點高出400 mA。說明倒裝LED在較大電流沖擊情況下，光輸出特性比垂直結構LED穩定。
4、結論
采用相同尺寸1.16 mm GaN基藍光芯片制備了LED芯片倒裝結構和LED芯片垂直結構，用STC4000快速光譜儀和恒流電源測試了兩種芯片在不同驅動電流條件下的光通量、發光效率 和色溫等發光特性，發現垂直結構LED在超過1 200 mA電流時出現發光性能失效，而倒裝LED芯片的發光性能失效的電流值在1 550 mA。倒裝結構LED失效電流值的增加，使得LED芯片的可靠性能增加，提高了LED的使用壽命。
