基于MEMS的LED芯片封裝光學(xué)特性分析

　經(jīng)過幾十年的發(fā)展，LED性能已經(jīng)得到了極大的進步，由于它具有發(fā)光效率高，體積小，壽命長等優(yōu)點，將成為新一代照明光源，被人們公認為是繼白熾燈之后照明領(lǐng)域的又一次重大革命。目前LED已經(jīng)在照明、裝飾、顯示和汽車等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而其應(yīng)用前景和應(yīng)用領(lǐng)域還在被不斷的開發(fā)和擴展。在LED的產(chǎn)業(yè)鏈中，封裝是十分重要的一個部分，它決定著LED芯片的光、熱、壽命和二次配光等特性。LED最初的封裝形式主要是如圖1的T1和T1—3／4。隨著芯片發(fā)光功率的提高，以及應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，其原有的封裝結(jié)構(gòu)無論是在散熱，還是在集成度上都不再撓滿足LED不斷發(fā)展的需要。伴隨著電子封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，表面貼裝(SMT)封裝技術(shù)開始成為LED封裝技術(shù)的主流，基于SMT技術(shù)封裝的器件稱為SMD，表面貼裝的SMD—LED在集成度、散熱性和可靠性E都比以前的封裝結(jié)構(gòu)有很大的提高。

　　目前基于SMT的LED封裝主要用導(dǎo)線架(leadfame)和模塑料(moulding compound)形成的結(jié)構(gòu)作為芯片的封裝基體，導(dǎo)線架起熱傳導(dǎo)和電極引線的作用：而模塑料作為支撐結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。由于這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，限制了它不能做得很小。因此對更小尺寸的封裝(如、SMD0603，SMl30402)，通常是將LED芯片直接貼裝在PEB板上．如圖2(b)。由于這種結(jié)構(gòu)沒有反射腔，其發(fā)光效率很低；該結(jié)構(gòu)存在的另一個問題是PCB的導(dǎo)熱性能很差，例如FR4的導(dǎo)熱系數(shù)只有0．3W／k。這將會限制高亮度LED的工作功率。而隨著電子產(chǎn)品集成度的不斷提高，對小尺寸LED的封裝產(chǎn)晶需要越來越大。因此本文提出了一種結(jié)合MEMS工藝的硅基LEO芯片封裝技術(shù)。它具有封裝尺寸小的優(yōu)點，同時解決了直接將芯片貼裝在PEB上而引起的發(fā)光效率低、熱阻高的缺點。文章首先討論了反射腔對LED芯片發(fā)光效率的影響，對反射腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)與LED發(fā)光效率之問的關(guān)系進行了詳細的分析，最后設(shè)計了封裝工藝流程。

1 硅基封裝的LED光學(xué)特性分析

　　MEMS技術(shù)是隨著半導(dǎo)體和微電子技術(shù)的發(fā)展麗發(fā)展起來的一項新興的細微加工技術(shù)，加工尺寸從毫米到微米數(shù)量級，甚至亞微米的微小尺寸：其加T藝主要分為表面工藝和體工藝?；诠杌捏w工藝又稱為體硅工藝，體硅工藝呵以在硅基體上形成高深寬比的凹稽。由于MEMS的加工尺寸很小，因此利用該技術(shù)形成的微小凹槽作為LED芯片封裝的反射腔(如圖3)，將會克服目前LED芯片直接封裝在PCB板上而引起發(fā)光效率低的問題；同時由于硅具有良好的導(dǎo)熱特性，因此可以降低目前封裝中熱阻高的問題，從而提高LED芯片的發(fā)光效率和可靠性。圖4(a)和(b)給出了當(dāng)LED芯片直接貼裝在PCB板上和貼裝在有凹槽的硅基上的發(fā)光特性。從圈中可以看出，LED貼裝在帶有凹槽的硅基上以后其發(fā)出光的發(fā)散性能得到了很大的改善，LED的發(fā)光強度提高了75％以上。

　　凹槽形成的反射腔對IED的發(fā)光特性起著顯著的改善，不同的反射腔形狀對LED的發(fā)光特性有幣同的影響。對圖3分析可得，反射腔的形狀主要由刪槽的開口尺寸L，凹槽的深度h和發(fā)射角θ決定。利用TIacepro軟件建立如圖3所示的模型，分別改變L、h和θ的值，求出各自對應(yīng)情況下LED的光強，就可以分析出反射腔的形狀與LED發(fā)光特性之間的關(guān)系。進而為凹槽的足寸設(shè)計提供理論上的指導(dǎo)。

　　圖5為LED發(fā)射光與反射的反射角θ之間的關(guān)系，從圖中可看出當(dāng)反射角為52度的時候反射光強取得最大。從理論上講，硅凹槽反射角應(yīng)該設(shè)計為52度。但是，考慮到對（100）硅進行腐蝕的時候，其（111）面和（100）面會自動形成一個54.7度的角，而通過仿真分析結(jié)果可以計算。當(dāng)反射角為54.7度的時候。LED的反射光強只比反射角為52度的時候小12%，而且光強分布也比較接近。因此在腐蝕凹槽的時候可以直接采用硅的（100）面和（111）面形成角度作為反射角，這可以極大的簡化加工工藝，降低制造成本，而且對LED光強的影響也不是很大。

圖6(a)和(b)分別給出了反射腔的深度h和開口L與LED光強的關(guān)系，從圖中可得，反射腔的深度越深，光強越大；開12t越小，光強越火。但是在反射角確定的情況一F，深度和開r_l的寬度是相互制約的。當(dāng)深度一定的時候，開口越小，則槽的底部會越小、，而槽的底部受芯片尺寸的約束。因此開口有一個極限最小值。隅理，當(dāng)開幾一定的時候，深度越深，底部幾寸越小，罔此深度有一個檄大值，所以在設(shè)計槽的K寸的時候應(yīng)該結(jié)合芯片的尺寸進行綜合考慮。本文中所采用的芯片尺寸為0 4x0 4 x 0 15mm。

　　2 工藝流程設(shè)計

　　基于MEMS的LED芯片封裝主要包括兩個大的部分，第一個部分是加工帶有反射腔的硅基體；第二部分是LED芯片的貼片、引線等通用工藝。由于該封裝結(jié)構(gòu)的第二個部分和標準的LED封裝工藝相同，因此本文卡要詳細的介紹第一部分的主要工藝流程(如圖7)。

　　首先準備一片具有(100)晶向的硅片(a)；通過熱氧化在硅的表面形成層二氧化硅；光刻二氧化硅，形成需要的開口尺寸和形狀(b)；用KOH腐蝕硅基體形成需要的凹槽，通過腐蝕液的濃度和腐蝕時間控制槽的深度(c)：除占表面殘余的二氧化硅；對硅基進行背碰腐蝕，生成通孔(d)；利用電鍍的方法在通孔內(nèi)沉積金屬導(dǎo)電材料(e)；在硅的表面濺射會屬層作為反射面，光刻金屬表面和引線區(qū)，形成封裝電極(f)。接下來就可以進行LED的貼片等后續(xù)工藝。

　　3 結(jié)論

　　本文提出了一種基于MEMS工藝的LED芯片封裝技術(shù)，利用Tracepro軟件仿真分析了反射腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)對LED光強的影響，通過分析指出。利用各向異性腐蝕硅形成的角度作為反射腔的反射角，可以改善LED芯片的反光性能和發(fā)光效率。仿真結(jié)果顯示反射腔的深度越大，則反射效率越高，腔的開口越小，反射效率越高。文章最后給出該封裝結(jié)構(gòu)的工藝流程設(shè)汁。通過分析表明，基于MEMS工藝LED封裝技術(shù)可以降低器件的封裴尺寸，提高發(fā)光效率。