正装与倒装芯片的封装
LED芯片倒装封装

LED芯片倒装封装传统正装的LED蓝宝石衬底的蓝光芯片电极在芯片出光面上的位置如图1所示。
由于p型GaN掺杂困难,当前普遍采用p型GaN上制备金属透明电极的方法,从而使电流扩散,以达到均匀发光的目的。
但是金属透明电极要吸收30%~40%的光,因此电流扩散层的厚度应减少到几百nm。
厚度减薄反过来又限制了电流扩散层在p型GaN层表面实现均匀和可靠的电流扩散。
因此,这种p型接触结构制约了LED芯片的工作电流。
同时,这种结构的pn结热量通过蓝宝石衬底导出,由于蓝宝石的导热系统为35W/(m·K)(比金属层要差),因此导热路径比较长。
这种LED芯片的热阻较大,而且这种结构的电极和引线也会挡住部分光线出光。
图1 传统蓝宝石衬底的GaN芯片结构示意图倒装封装总之,传统正装的LED芯片对整个器件的出光效率和热性能而言不是最优的。
为了克服正装的不足,美国Lumileds Lighting 公司发明了Flipchip (倒装芯片)技术,如图2 所示。
图2 倒装芯片示意图这种封装法首先制备具有适合共晶焊接的大尺寸LED芯片,同时制备相应尺寸的硅底板,并在其上制作共晶焊接电极的金导电层和引出导电层(超声波金丝球焊点)。
然后,利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊在一起。
目前,市场上大多数产品是生产芯片的厂家已经倒装焊接好的,并装上防静电保护二极管。
封装厂家将硅底板与热沉用导热胶粘在一起,两个电极分别用一根φ3mil金丝或两根φ1mil金丝。
综上所述,在做好倒装芯片的基础上,在封装时应考虑三个问题:·由于LED是W级芯片,那么应该采用直径多大的金丝才合适?·二是怎样把倒装好的芯片固定在热沉上,是用导热胶还是用共晶焊接?·三是考虑在热沉上制作一个聚光杯,把芯片发出的光能聚集成光束。
根据热沉底板不同,目前市场上常见有两种热沉底板的倒装法:一是上述介绍的利用共晶焊接设备,将大尺寸W级LED芯片与硅底板焊接在一起,这称为硅底板倒装法。
led APT倒装芯片的封装

倒装芯片的封装倒装芯片通常是功率芯片主要用来封装大功率LED(>1W),正装芯片通常是用来进行传统的小功率φ3~φ10的封装。
因此,功率不同导致二者在封装及应用的方式均有较大的差别,主要区别有如下几点:1. 封装用原材料差别:2.封装制程区别:(1).固晶:正装小芯片采取在直插式支架反射杯内点上绝缘导热胶来固定芯片,而倒装芯片多采用导热系数更高的银胶或共晶的工艺与支架基座相连,且本身支架基座通常为导热系数较高的铜材;(2).焊线:正装小芯片通常封装后驱动电流较小且发热量也相对较小,因此采用正负电极各自焊接一根φ0.8~φ0.9mil金线与支架正负极相连即可;而倒装功率芯片驱动电流一般在350mA以上,芯片尺寸较大,因此为了保证电流注入芯片过程中的均匀性及稳定性,通常在芯片正负级与支架正负极间各自焊接两根φ1.0~φ1.25mil的金线;(3).荧光粉选择:正装小芯片一般驱动电流在20mA左右,而倒装功率芯片一般在350mA左右,因此二者在使用过程中各自的发热量相差甚大,而现在市场通用的荧光粉主要为YAG, YAG自身耐高温为127℃左右,而芯片点亮后,结温(Tj)会远远高于此温度,因此在散热处理不好的情况下,荧光粉长时间老化衰减严重,因此在倒装芯片封装过程中建议使用耐高温性能更好的硅酸盐荧光粉;(4).胶体的选择:正装小芯片发热量较小,因此传统的环氧树脂就可以满足封装的需要;而倒装功率芯片发热量较大,需要采用硅胶来进行封装;硅胶的选择过程中为了匹配蓝宝石衬底的折射率,建议选择折射率较高的硅胶(>1.51),防止折射率较低导致全反射临界角增大而使大部分的光在封装胶体内部被全反射而损失掉;同时,硅胶弹性较大,与环氧树脂相比热应力比环氧树脂小很多,在使用过程中可以对芯片及金线起到良好的保护作用,有利于提高整个产品的可靠性;(5).点胶:正装小芯片的封装通常采用传统的点满整个反射杯覆盖芯片的方式来封装,而倒装功率芯片封装过程中,由于多采用平头支架,因此为了保证整个荧光粉涂敷的均匀性提高出光率而建议采用保型封装(Conformal-Coating)的工艺;示意图如下:(6).灌胶成型:正装芯片通常采用在模粒中先灌满环氧树脂然后将支架插入高温固化的方式;而倒装功率芯片则需要采用从透镜其中一个进气孔中慢慢灌入硅胶的方式来填充,填充的过程中应提高操作避免烘烤后出现气泡和裂纹、分层等现象影响成品率;(7).散热设计:正装小芯片通常无额外的散热设计;而倒装功率芯片通常需要在支架下加散热基板,特殊情况下在散热基板后添加风扇等方式来散热;在焊接支架到铝基板的过程中建议使用功率<30W的恒温电烙铁温度低于230℃,停留时间<3S来焊接;(8).封装后成品示意图:APT芯片使用说明一.18mil芯片:1.芯片(硅板)尺寸:826μm x826μm,芯片整体厚度:360±10μm2.芯片打线示意图:3.焊盘材料:Al 焊盘厚度:1μm4.使用金线:≥φ1.0mil,正负极各打一根金线即可;5.封装注意事项:(1).建议使用直插式支架(2).使用银胶,并用量稍微多一些,避免固晶不牢或接触不良影响导热;(3).白光封装建议提高YAG荧光粉与环氧树脂的配比(9~12%,正白光),点胶水成“微凸”即可,如不调整比例在封装过程极易出现溢胶现象;6.驱动电流:120mA二.24mil芯片:1.芯片(硅板)尺寸:1300μm x820μm,芯片整体厚度:360±10μm2.芯片打线示意图:3.焊盘材料:Al 焊盘厚度:1μm4.使用金线:≥φ1.25mil,正负极各打一根或两根金线即可;5.封装注意事项:(1).建议使用直插式支架或dome power支架(带铝基板)(2).使用银胶,银胶请在硅板下并列点两点,并用量稍微多一些,避免固晶不牢或接触不良影响导热;(3).白光封装建议提高YAG荧光粉与环氧树脂的配比(直插式:9~12%,正白光;domepower:7% 左右,正白光),点胶水成“微凸”即可,直插式如不调整比例在封装过程极易出现溢胶现象;6.驱动电流:150mA三.40mil芯片:1.芯片(硅板)尺寸:1910μm x820μm,芯片整体厚度:360±10μm2.芯片打线示意图:3.焊盘材料:Al 焊盘厚度:1μm4.使用金线:≥φ1.25mil,正负极各打两根金线即可;5.封装注意事项:(1).dome power支架(带铝基板)(2).使用银胶,银胶请在硅板下并列点两点,并用量稍微多一些,避免固晶不牢或接触不良影响导热;(3).白光封装建议使用硅胶,点荧光粉使用折射率1.53左右的硅胶如GE5332;填充透镜建议使用折射率约1.41左右的硅胶如9022;(4).白光封装建议提高YAG荧光粉与硅胶的配比(7% 左右,正白光),点胶水成“微凸”即可6.驱动电流:350mA。
LEDPN结构

目前GaN基LED封装主要有正装结构、倒装结构和垂直结构三种。
当前较为成熟的是III族氮化物氮化镓用蓝宝石材料作为衬底,由于蓝宝石衬底的绝缘性,所以普通的GaN 基LED 采用正装结构。
正装结构有源区发出的光经由P 型GaN区和透明电极出射。
该结构简单,制作工艺相对成熟。
然而正装结构LED有两个明显的缺点,首先正装结构LED p、n 电极在LED 的同一侧,电流须横向流过n-GaN 层,导致电流拥挤,局部发热量高,限制了驱动电流;其次,由于蓝宝石衬底的导热性差,严重的阻碍了热量的散失。
上图为LED传统封装结构示意图为了解决散热问题,美国Lumileds Lighting 公司发明了倒装芯片(Flipchip)技术。
这种方法首先制备具有适合共晶焊接的大尺寸LED芯片,同时制备相应尺寸的硅底板,并在其上制作共晶焊接电极的金导电层和引出导电层(超声波金丝球焊点)。
然后,利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊在一起。
到装结构在散热效果上有了很大的改善,但是通常的GaN基到装结构LED仍然是横向结构,电流拥挤的现象还是存在,仍然限制了驱动电流的进一步提升。
上图为LED倒装结构示意图垂直结构可以有效解决正装结构LED的两个问题,垂直结构GaN基LED采用高热导率的衬底(Si、Ge以及Cu等衬底)取代蓝宝石衬底,在很大程度上提高了散热效率;垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧,通过n电极,使得电流几乎全部垂直流过LED外延层,横向流动的电流极少,可以避免正装结构的电流拥挤问题,提高发光效率,同时也解决了P极的遮光问题,提升LED的发光面积。
蓝宝石层的剥离是其工艺难点。
上图为LED垂直封装结构示意图虽然倒装与垂直封装存在明显的优越性,但由于工艺尚不成熟,目前还只有少量厂家批量生产,相信随着技术进步,克服工艺与技术难关,将来会成为主流LED封装生产方式。
倒装芯片

倒装芯片
CHIP
Market
Period III
F L I P
行业情况
●璨圆2013年也积极推广其芯片级封装产 品,同样以flip chip为基础,在制程中省略导线 架与打线等步骤。 ●隆达将其芯片级封装CSP(Chip Scale Package)产品在上游晶粒也采用覆晶技术,也 同样省略导线架,幵简化封装流程。 ●Philips Lumileds推出的CSP产品 LUXEON Q就采用flip chip技术,不需在后段制 程中移除蓝宝石基板。 ●CREE的XQ-E LED产品也同样采CSP技 术,将芯片面积大幅缩小,其微型化设计可以 提升光调色品质与光学控制,扩大照明应用范 围。 综合各企业产品,共同的特点是采用倒装芯 片,使体积更小,光学、热学性能更好,同时 因省略了导线架与打线的步骤,使其后道工序 更加便捷。
部分企业的芯片级封装产品: ●晶电的芯片级封装产品称为ELC(Embedded LED Chip),制程中完成芯片生产后,仅 需要涂布荧光粉与采用封装胶,省略导线架与打线的步骤,可以直接贴片(SMT)使用,ELC 产品在没有导线架的情况下,发光角度较大,未来可能省略二次光学透镜的使用。 ●台积固态照明则的芯片级封装产品名为PoD(Phosphor on die),直接将flip chip(覆晶)芯 片打在散热基板上,省略导线架与打线等步骤,同样主打小体积,拥有更高的光通量和更大 的发光角度,幵且可以更容易混色与调控色温特性,适用于非指向性光源应用。
随着上游芯片产能不断扩产,封装行业已经步入微利时代,许多企 业为了抢夺客户大打价格牌,激烈的价格竞争和无序的业内生态链促使行 业开始需求新的封装工艺。而具有提升发光效率以及提高散热能力等优势 的倒装LED芯片技术的革新与应用正是当今封装企业专注研发的重点。
正装结构与倒装结构封装工艺流程

LED芯片主要的两种流派结构介绍
正
LED 正装芯片是最早出现的芯片结构,也是小功率芯片中普遍使用的芯
装 片结构。正装结构,上面通常涂敷一层环氧树脂,下面采用蓝宝石为衬底,
结 构
电极在上方,从上至下材料为:P-GaN、发光层、N-GaN、衬底。
介
正装结构有源区发出的光经由P型GaN区和透明电极出射,采用的方法
色坐标唯一确定一个颜色,对应唯一的色温;但 色温不对应唯一色坐标。所以企业使用色坐标参 考led颜色,使用色温作为区分冷暖光。注:同一 色温下,仍有不同的颜色。
色坐标
LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术
LED正装结构的封装介绍---填充胶
点完荧光粉需进烤箱烘烤1h,温度150℃。烤完LED的色温会 升高,xy色坐标会下降。
LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术
LED正装结构的封装介绍
引 脚 式 封 装 工 艺 流 程
LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术
LED正装结构的封装介绍 1W 大功率LED封装工艺流程
固晶站
焊线站
灌胶站
测试站
分光站
LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术
LED正装结构的封装介绍 1W 大功率LED封装工艺流程
芯片发出的光颜色 荧光粉发光的颜色
LED最终颜色
影响光色的因素
芯片的波长与光强
荧光粉的特性(色坐标位置)
荧光粉与胶水的比例
搅拌条件,均匀度 添加剂的比例 (加强散射和吸收)
… 荧光粉胶的点胶量
荧光胶的粘度 点胶设备参数控制
LED芯片
LED两种芯片结构的封装工艺流程及技术
LED正装结构的封装介绍---点荧光粉
在制作工艺上,除了 要对LED芯片的两个电极 进行焊接,从而引出正极、 负极之外,同时还需要对 LED芯片和两个电极进行 保护。
倒装芯片介绍

Source: Philips
一、倒装芯片技术
定义:
倒装芯片组装就是通过芯片上的凸点直接将元器件朝下 互连到基板、载体或者电路板上,芯片直接通过凸点直 接连接基板和载体上,整个芯片称为倒装芯片(Flip Chip)。
普通激光切割后wafer侧面
劈裂后wafer侧面
隐形激光切割后wafer侧面
三、工艺流程简介
Wafer 扩张:
Wafer扩张是将已经分离开的晶粒之间的距离变大,利于后面测试和分级设备 工作。
三、工艺流程简介
自动外观检测:
自动外观检测是通过AOI设备 对芯片的外观缺陷判定,尽可能 避免分级过程中外观坏品混入好 品当中。 常见的外观不良有:电极污染、 电极缺损、电极划伤、ITO区域 污染、切割不良等
曝光(MPA & STEPPER)
图1:Coating设备
显影(Developer)
图3:显微镜
检查(Inspection) 图2:Develop设备
黄光工艺流程及常见缺陷
Epi Partical
Photo defect
Scratch
Mask defect
Under develop
三、工艺流程简介
蓝宝石特性
在低于熔点温度范围内, 仍具有良好的化学稳定性和机械、物理等性能; 光学透过范围宽, 特别在1 500~7500 nm, 透过率达85%; 有与纤锌矿III 族氮化物相同的对称性, 故用于GaN 的外延衬底材料。
三、工艺流程简介
图形化蓝宝石衬底技术:
你真的了解LED芯片吗?LED芯片正反装有什么区别?什么是LED晶片?

你真的了解LED芯片吗?LED芯片正反装有什么区别?什么是LED晶片?什么是LED芯片?一种固态的半导体器件,LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。
也称为led发光芯片,是led灯的核心组件,也就是指的P-N结。
其主要功能是:把电能转化为光能,芯片的主要材料为单晶硅。
半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个P-N结。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。
而光的波长也就是光的颜色,是由形成P-N结的材料决定的。
LED芯片正装与倒装的意义以及工作原理:装晶片之所以被称为倒装是相对于传统的金属线键合连接方式(WireBonding)与植球后的工艺而言的。
传统的通过金属线键合与基板连接的晶片电气面朝上,而倒装晶片的电气面朝下,相当于将前者翻转过来,故称其为倒装晶片。
倒装芯片的实质是在传统工艺的基础上,将芯片的发光区与电极区不设计在同一个平面这时则由电极区面朝向灯杯底部进行贴装,可以省掉焊线这一工序,但是对固晶这段工艺的精度要求较高,一般很难达到较高的良率。
倒装晶片所需具备的条件:①基材材是硅;②电气面及焊凸在元件下表面;③组装在基板后需要做底部填充。
倒装芯片与与传统工艺相比所具备的优势:通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基LED 结构层,由P/N结髮光区发出的光透过上面的P型区射出。
由于P型GaN传导性能不佳,为获得良好的电流扩展,需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层。
P区引线通过该层金属薄膜引出。
为获得好的电流扩展,Ni-Au金属电极层就不能太薄。
大功率LED芯片的封装(共晶焊)及倒装芯片(flip chip)

大功率LED芯片的封装(共晶焊)及倒装芯片(flip chip)美国GREE公司的1W大功率芯片(L型电极),它的上下各有一个电极。
其碳化硅(SiC)衬底的底层首先镀一层金属,如金锡合金(一般做芯片的厂家已镀好),然后在热沉上也同样镀一层金锡合金。
将LED芯片底座上的金属和热沉上的金属熔合在一起,称为共晶焊接,如图1所示。
对于这种封装方式,一定要注意当led芯片与热沉一起加热时,二者接触要好,最好二者之间加有一定压力,而且二者接触面一定要受力均匀,两面平衡。
控制好金和锡的比例,这样焊接效果才好。
这种方法做出来的LED的热阻较小、散热较好、光效较高。
这种封装方式是上、下两面输入电流。
如果与热沉相连的一极是与热沉直接导电的,则热沉也成为一个电极。
因此连接热沉与散热片时要注意绝缘,而且需要使用导热胶把热沉与散热片粘连好。
使用这种LED要测试热沉是否与其接触的一极是零电阻,若为零电阻则是相通的,故与热沉相连加装散热片时要注意与散热片绝缘。
共晶点加热温度也称为共晶点。
温度的多少要根据金和锡的比例来定:·AuSn(金80%,锡20%):共晶点为282℃,加热时间控制在几秒钟之内。
·AuSn(金10%,锡90%):共晶点为217℃,加热时间控制在几秒钟之内。
·AgSn(银3.5%,锡96.5%):共晶点为232℃,加热时间控制在几秒钟之内。
1、倒装(Flip chip)1998年Lumileds公司封装出世界上第一个大功率LED(1W LUXOEN器件),使LED器件从以前的指示灯应用变成可以替代传统照明的新型固体光源,引发了人类历史上继白炽灯发明以来的又一场照明革命。
1WLUXOEN器件使LED的功率从几十毫瓦一跃超过1000毫瓦,单个器件的光通量也从不到1个lm飞跃达到十几个lm。
大功率LED 由于芯片的功率密度很高,器件的设计者和制造者必须在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计。
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倒装芯片的封装
倒装芯片通常是功率芯片主要用来封装大功率LED(>1W),正装芯片通常是用来进行传统的小功率φ3~φ10的封装。
因此,功率不同导致二者在封装及应用的方式均有较大的差别,主要区别有如下几点:
1. 封装用原材料差别:
2.封装制程区别:
(1).固晶:正装小芯片采取在直插式支架反射杯内点上绝缘导热胶来固定芯片,而倒装芯片多采用导热系数更高的银胶或共晶的工艺与支架基座相连,且本身支架基座通常为导热系数较高的铜材;
(2).焊线:正装小芯片通常封装后驱动电流较小且发热量也相对较小,因此采用正负电极各自焊接一根φ0.8~φ0.9mil金线与支架正负极相连即可;而倒装功率芯片驱动电流一般在350mA以上,芯片尺寸较大,因此为了保证电流注入芯片过程中的均匀性及稳定性,通常在芯片正负级与支架正负极间各自焊接两根φ1.0~φ1.25mil的金线;
(3).荧光粉选择:正装小芯片一般驱动电流在20mA左右,而倒装功率芯片一般在350mA左右,因此二者在使用过程中各自的发热量相差甚大,而现在市场通用的荧光粉主要为YAG,YAG自身耐高温为127℃左右,而芯片点亮后,结温(Tj)会远远高于此温度,因此在散热处理不好的情况下,荧光粉长时间老化衰减严重,因此在倒装芯片封装过程中建议使用耐高温性能更好的硅酸盐荧光粉;
(4).胶体的选择:正装小芯片发热量较小,因此传统的环氧树脂就可以满足封装的需要;而倒装功率芯片发热量较大,需要采用硅胶来进行封装;硅胶的选择过程中为了匹配蓝宝石衬底的折射率,建议选择折射率较高的硅胶(>1.51),防止折射率较低导致全反射临界角增大而使大部分的光在封装胶体内部被全反射而损失掉;同时,硅胶弹性较大,与环氧树脂相比热应力比环氧树脂小很多,在使用过程中可以对芯片及金线起到良好的保护作用,有利于提高整个产品的可靠性;
(5).点胶:正装小芯片的封装通常采用传统的点满整个反射杯覆盖芯片的方式来封装,而倒装功率芯片封装过程中,由于多采用平头支架,因此为了保证整个荧光粉涂敷的均匀性提高出光率而建议采用保型封装(Conformal-Coating)的工艺;示意图如下:
(6).灌胶成型:正装芯片通常采用在模粒中先灌满环氧树脂然后将支架插入高温固化的方式;而倒装功率芯片则需要采用从透镜其中一个进气孔中慢慢灌入硅胶的方式来填充,填充的过程中应提高操作避免烘烤后出现气泡和裂纹、分层等现象影响成品率;
(7).散热设计:正装小芯片通常无额外的散热设计;而倒装功率芯片通常需要在支架下加散热基板,特殊情况下在散热基板后添加风扇等方式来散热;在焊接支架到铝基板的过程中建议使用功率<30W的恒温电烙铁温度低于230℃,停留时间<3S来焊接;
(8).封装后成品示意图:
APT芯片使用说明
一.18mil芯片:
1.芯片(硅板)尺寸:826μm x826μm,芯片整体厚度:360±10μm
2.芯片打线示意图:
3.焊盘材料:Al 焊盘厚度:1μm
4.使用金线:≥φ1.0mil,正负极各打一根金线即可;
5.封装注意事项:
(1).建议使用直插式支架
(2).使用银胶,并用量稍微多一些,避免固晶不牢或接触不良影响导热;
(3).白光封装建议提高YAG荧光粉与环氧树脂的配比(9~12%,正白光),点胶水成“微凸”即可,如不调整比例在封装过程极易出现溢胶现象;
6.驱动电流:120mA
二.24mil芯片:
1.芯片(硅板)尺寸:1300μm x820μm,芯片整体厚度:360±10μm
2.芯片打线示意图:
3.焊盘材料:Al 焊盘厚度:1μm
4.使用金线:≥φ1.25mil,正负极各打一根或两根金线即可;
5.封装注意事项:
(1).建议使用直插式支架或dome power支架(带铝基板)
(2).使用银胶,银胶请在硅板下并列点两点,并用量稍微多一些,避免固晶不牢或接触不良
影响导热;
(3).白光封装建议提高YAG荧光粉与环氧树脂的配比(直插式:9~12%,正白光;dome
power:7% 左右,正白光),点胶水成“微凸”即可,直插式如不调整比例在封装过程极易出现溢胶现象;
6.驱动电流:150mA
三.40mil芯片:
1.芯片(硅板)尺寸:1910μm x820μm,芯片整体厚度:360±10μm
2.芯片打线示意图:
3.焊盘材料:Al 焊盘厚度:1μm
4.使用金线:≥φ1.25mil,正负极各打两根金线即可;
5.封装注意事项:
(1).dome power支架(带铝基板)
(2).使用银胶,银胶请在硅板下并列点两点,并用量稍微多一些,避免固晶不牢或接触不良
影响导热;
(3).白光封装建议使用硅胶,点荧光粉使用折射率1.53左右的硅胶如GE5332;填充透镜建议使用折射率约1.41左右的硅胶如9022;
(4).白光封装建议提高YAG荧光粉与硅胶的配比(7% 左右,正白光),点胶水成“微凸”即可6.驱动电流:350mA。