2016-04-06   摘自 杭州市城市照明行業協會HZZM

LED封裝

     以下對功率型GaN基LED光電器件覆晶倒裝焊產業技術進行研究，介紹LED光電的發展歷程、產品應用、研究方法、技術路線以及解決的關鍵問題。

國內外技術發展及現狀

     GaN基發光二極管(LED)作為新一代的環保型固態光源，已經成為產業界的關注焦點。1992年，有“藍光之父”之稱的中村修二成功地制備出了Mg摻雜的p型GaN，隨后在1993及1995年采用InGaN/GaN異質結結構成功制備了高亮度的藍光LED，并因此而斬獲了2014年度的諾貝爾物理學獎。目前，大功率、高亮度的白光LED已經成為了照明領域的發展熱點。白光LED發光效率雖然已經達到了170lm/W，但離其理論值250lm/W尚有一定的差距，因此進一步提高其發光效率成為功率型白光LED的一個關鍵技術問題。

      一般來說，提高LED的發光效率有兩種途徑，分別是提高其內量子效率及光提取效率。另一方面，如何提高散熱能力成為了功率型LED器件發展的另一個關鍵。隨著LED功率的增大，特別是固態照明技術發展的需求，對LED封裝的光學、熱學、電學和機械結構等提出了新的、更高的要求。

      由此可見，研究高取光效率、低熱阻、高可靠性的封裝技術是大功率LED走向實用及產業化的必經之路。覆晶(Flip-Chip)技術，也稱為倒晶封裝法，是一種在IC封裝技術領域成熟的芯片封裝工藝。因為能滿足上述高性能封裝的要求，基于覆晶技術的功率LED封裝被認為是封裝功率型高亮度LED的關鍵技術及發展趨勢。在過去傳統的水平及垂直式晶片結構中，正面電極的吸收及GaN-Air界面全反射臨界角等因素會很大程度上影響光提取效率；另一方面，傳統封裝結構中，LED芯片的熱量需經由襯底藍寶石(其熱導率僅為38W/m.K)傳導至導熱基板，導熱路徑較長，從而芯片的熱阻較大。

     而采用覆晶技術形成的倒裝結構，將藍寶石襯底芯片進行倒置，芯片直接焊接在導熱基板上，電極在底部與基板相互連接，也就避免了傳統封裝中芯片高低差帶來的打線困難的問題。此時出射光從芯片頂部透明的藍寶石襯底出射。該種倒裝結構一方面在避免了金屬電極對出射光遮擋的同時，還增大了出光界面處的全反射臨界角，因此可以有效地提高光提取效率。另一方面，金屬電極微凸點與導熱系數高的硅、金屬或陶瓷等基板直接接觸，使得電流流通的距離縮短，電阻減低，熱產生量降低，同時這樣的結合使得熱阻較低，可以很好地提高散熱能力。

     此外，由于沒有正面出光處金線的影響，白光LED產品的熒光粉涂覆工藝相對容易實施，尤其是熒光粉噴涂等工藝，其產品的光色一致性都將得到很大的提高。與傳統封裝相比，倒裝結構還具有更簡單的封裝過程、更低的封裝成本、更高的封裝良品率等優勢。覆晶結構由基板、UBM、焊球及芯片組成。將芯片與基板相連接的方式常采用共晶焊技術(Eutectic welding)。共晶焊又稱低熔點合金焊接，具有熱導率高、連接電阻小、散熱均勻、焊接強度高、工藝一致性好等諸多優點，所以特別適用于大功率、有較高散熱要求的功率器件的焊接。它的基本特點是：兩種不同的金屬可以在遠低于各自熔點的溫度下按照一定的比例形成合金。常見倒裝LED的共晶金屬層一般為Au/Sn合金(Au80Sn20)，Au80Sn20的共晶溫度為282℃。

     共晶焊接分為直接焊接及助焊劑焊接。直接焊接是將底部有共晶合金的芯片在共晶機下直接熱壓共晶，共晶時壓力不超過50g。該種方式無助焊劑、無清洗工藝、產量高，但一次性投入大。

     另一種共晶方式——助焊劑共晶，根據倒裝LED芯片的電極尺寸，在基板上預先鍍Au/Sn合金層，然后在基板上點助焊劑，將LED芯片固定在基板對應的合金層上，工業化生產過程中可以用普通固晶機換一種點膠頭即可，再放入回流爐，使合金融化形成共晶焊焊接接頭。該種工藝共晶焊劑的量比較難控制，回流曲線要根據不同的回流爐進行摸索，并且難以控制其穩定性，優點在于該工藝投入較小。

     兩種共晶方法均需支架可承受金錫融化溫度(大于320℃)，要求基板表面的鍍金層粗糙度小于2微米，否則會造成熔融共晶材料不能完全填充界面不平的地方，不僅僅會增大器件的熱阻，甚至使得芯片與基板的結合不穩固，影響封裝質量等。此外，新固晶材料也隨之出現了。2014年1月，Dexerials展示了導電接著劑，導電粒子只有5微米大小，使用導電膠，強力接著在基板上后，使得P/N極完全絕緣，最后導電粒子破裂后，完成電流導通。

     目前的Au/Sn合金的共晶需要300℃以上的操作溫度，而使用LEP導電膠，操作溫度控制在180℃附近，所以導熱基板的選擇性更多，可使用玻璃基板與PET基板。因此，從晶片、基板與設備各階段都可以節省成本，而LED廠商僅需購買熱壓機搭配LEP導電膠，預估整體成本將比Au/Sn共晶的方式降低約30%。2001年，覆晶LED由Wierer等人首次提出，其光提取效率提高到了正裝結構的1.6倍。2006年Shchekin等人在倒裝AlGaInN LED芯片的基礎上制作出薄膜倒裝結構的LED芯片，該結構采用激光剝離技術去除藍寶石襯底并減薄了n-GaN下方的本征GaN材料，LED芯片的光輸出功率較普通倒裝結構提升了兩倍，在350mA電流驅動下，該結構的外量子效率達到36%。

     圍繞了提高光提取效率、提高散熱性能、倒裝焊技術等方面，GaN基倒裝LED做了很多學術方面的研究工作。同時，產業界也在緊密跟進。部分廠家以倒裝技術為基礎，推出了晶片級CSP封裝產品。如：臺灣晶電推出了最新的無封裝晶片技術ELC、臺灣臺積固態照明的無封裝PoD模組、Philips Lumileds推出的LUXEO NFlip Chip、LUXEONQ、CREE的XQ-B，XQ-ELED產品等。三星最近推出最新的覆晶產品，包括有中功率型LM131A、高功率型LH141A以及筒燈模塊等。

 研究方法及技術路線

     基本研究思路是：LED模型的設計——散熱能力的軟件模擬、分析及優化——LED的一次光學設計——倒裝芯片的焊接——涂覆熒光粉——LED產品成型。

（1）材料的選取標準。

     相關材料的選擇應根據需要須滿足一定的物理特性：如焊接材料的焊接穩定性、導熱及導電能力，封裝材料的透光性、熱穩定性、抵抗外力能力及硬度、密度、折射率均勻性及穩定性、吸水性、混濁度、最高長期工作溫度、防靜電等。

（2）封裝支架的設計及制備。

     ① 高導熱率的導熱基板材料，可供選擇的材料有鋁板(導熱系數為231W/m.K)，銅板(385W/m.K)，陶瓷材料氮化鋁(320W/m.K)，硅(191W/m.K)等；

     ② 為避免兩電極在共晶時熔合，根據芯片的大小及電極位置設計一個具有合適高度和大小的絕緣中間阻擋層。

（3）LED產品模型結構散熱情況的軟件模擬、分析及結構參數的優化。

     根據設計的樣品模型，采用相關的模擬軟件分析模擬結果，通過改變結構參數對LED模型進行優化，以獲得具有極佳散熱能力的優化LED產品模型。

（4）對LED進行一次光學設計。

     采用光學設計模擬軟件(如TracePro等)針對倒裝芯片、封裝支架、模粒、出光透鏡等進行設計。目的是實現最佳的出光效率。

（5）倒裝芯片的共晶焊接技術。

     ① 在封裝支架的底部，將焊錫膏黏結于外接電路的正、負極上，在阻擋層位置處黏結具有一定高度的絕緣層，以避免兩者的熔合，其高度要高于焊錫膏的高度。

     ② 將倒裝芯片的正負兩極精確對準封裝支架的電路并黏結于支架底部，通過共晶焊工藝，控制溫度，將倒裝芯片牢固地焊接在支架上。

（6）熒光粉的噴涂涂覆技術。

     考慮到平面熒光粉涂覆工藝可以實現熒光粉土層的濃度、厚度及形狀的可控性。實現出光光斑空間分布的均勻性及管間色度、亮度的均勻性等。

（7）Molding或者透鏡成型、成產品。

     根據一次光學設計結構，采用透明環氧樹脂或硅樹脂在芯片的出光上方molding成弧行透鏡，以增加光提取效率。

 需要解決的關鍵問題

（1）將覆晶芯片牢固地通過共晶焊接技術焊接在基板上成為關鍵技術之一。

     具體涉及到電極的對準、共晶過程中的溫度控制、固晶力度、芯片及基板表面的粗糙程度等。

（2）保證正、負電極在工藝過程中不會熔合成為一個關鍵問題。

     具體涉及到如何設計及制備中間阻擋層以實現正負電極的有效阻隔。

（3）熒光粉的噴涂技術。

     主要是熒光粉涂覆的均勻性、厚度及形狀等。

（4）出光效率，是技術上很重要的一個關鍵。

     避免在制造過程中，特別是焊接溫度對覆晶芯片量子阱的損傷，導致出光效率的降低。

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