LED芯片倒裝工藝原理以及發(fā)展趨勢

裝晶片之所以被稱為“倒裝”是相對于傳統(tǒng)的金屬線鍵合連接方式(WireBonding)與植球后的工藝而言的。傳統(tǒng)的通過金屬線鍵合與基板連接的晶片電氣面朝上，而倒裝晶片的電氣面朝下，相當于將前者翻轉(zhuǎn)過來，故稱其為“倒裝晶片”。

　　倒裝芯片的實質(zhì)是在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，將芯片的發(fā)光區(qū)與電極區(qū)不設(shè)計在同一個平面這時則由電極區(qū)面朝向燈杯底部進行貼裝，可以省掉焊線這一工序，但是對固晶這段工藝的精度要求較高，一般很難達到較高的良率。

　　倒裝晶片所需具備的條件：

　　①基材材是硅；②電氣面及焊凸在元件下表面；③組裝在基板后需要做底部填充。

　　倒裝芯片與與傳統(tǒng)工藝相比所具備的優(yōu)勢：

　　通過MOCVD技術(shù)在蘭寶石襯底上生長GaN基LED結(jié)構(gòu)層，由P/N結(jié)髮光區(qū)發(fā)出的光透過上面的P型區(qū)射出。由于P型GaN傳導(dǎo)性能不佳，為獲得良好的電流擴展，需要通過蒸鍍技術(shù)在P區(qū)表面形成一層Ni-Au組成的金屬電極層。P區(qū)引線通過該層金屬薄膜引出。為獲得好的電流擴展，Ni-Au金屬電極層就不能太薄。為此，器件的發(fā)光效率就會受到很大影響，通常要同時兼顧電流擴展與出光效率二個因素。但無論在什麼情況下，金屬薄膜的存在，總會使透光性能變差。此外，引線焊點的存在也使器件的出光效率受到影響。采用GaNLED倒裝芯片的結(jié)構(gòu)可以從根本上消除上面的問題。

　　倒裝LED芯片技術(shù)行業(yè)應(yīng)用分析：

　　近年，世界各國如歐洲各國、美國、日本、韓國和中國等皆有LED照明相關(guān)項目推行。其中，以我國所推廣的“十城萬盞”計劃最為矚目。路燈是城市照明不可缺少的一部分，傳統(tǒng)路燈通常采用高壓鈉燈或金鹵燈，這兩種光源最大的特點是發(fā)光的電弧管尺寸小，可以產(chǎn)生很大的光輸出，并且具有很高的光效。但這類光源應(yīng)用在道路燈具中，只有約40%的光直接通過玻璃罩到達路面，60%的光通過燈具反射器反射后再從燈具中射出。因此目前傳統(tǒng)燈具基本存在兩個不足，一是燈具直接照射的方向上照度很高，在次干道可達到50Lx以上，這一區(qū)域?qū)倜黠@的過度照明，而兩個燈具的光照交叉處的照度僅為燈下中心位置的照度的20%-40%，光分布均勻度低；二是此類燈具的反射器效率一般僅為50%-60%，因此在反射過程中有大量的光損失，所以傳統(tǒng)高壓鈉燈或金鹵燈路燈總體效率在70-80%，均勻度低，且有照度的過度浪費。另外，高壓鈉燈和金鹵燈使用壽命通常小于6000小時，且顯色指數(shù)小于30；LED有著高效、節(jié)能、壽命長(5萬小時)、環(huán)保、顯色指數(shù)高(>75)等顯著優(yōu)點，如何有效的將LED應(yīng)用在道路照明上成為了LED及路燈廠家現(xiàn)時最熱門的話題。一般而言，根據(jù)路燈的使用環(huán)境對LED的光學(xué)設(shè)計、壽命保障、防塵和防水能力、散熱處理、光效等方面均有嚴格的要求。作為LED路燈的核心，LED芯片的制造技術(shù)和對應(yīng)的封裝技術(shù)共同決定了LED未來在照明領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

　　1)LED芯片的發(fā)光效率提升

　　LED芯片發(fā)光效率的提高決定著未來LED路燈的節(jié)能能力，隨著外延生長技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)展，外延片的內(nèi)量子效率已有很大提高。要如何滿足路燈使用的標準，很大程度上取決于如何從芯片中用最少的功率提取最多的光，簡單而言，就是降低驅(qū)動電壓，提高光強。傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)的LED芯片，一般需要在p-GaN上鍍一層半透明的導(dǎo)電層使電流分布更均勻，而這一導(dǎo)電層會對LED發(fā)出的光產(chǎn)生部分吸收，而且p電極會遮擋住部分光，這就限制了LED芯片的出光效率。而采用倒裝結(jié)構(gòu)的LED芯片，不但可以同時避開P電極上導(dǎo)電層吸收光和電極墊遮光的問題，還可以通過在p-GaN表面設(shè)置低歐姆接觸的反光層來將往下的光線引導(dǎo)向上，這樣可同時降低驅(qū)動電壓及提高光強。(見圖1)另一方面，圖形化藍寶石襯底(PSS)技術(shù)和芯片表面粗糙化技術(shù)同樣可以增大LED芯片的出光效率50%以上。PSS結(jié)構(gòu)主要是為了減少光子在器件內(nèi)全反射而增加出光效率，而芯片表面粗糙化技術(shù)可以減少光線從芯片內(nèi)部發(fā)射到芯片外部時在界面處發(fā)生反射的光線損失。目前，LED芯片采用倒裝結(jié)構(gòu)和圖形化技術(shù)，1W功率芯片白光封裝后，5000K色溫下，光效最高達到134lm/W?！　?strong style="word-break: break-all;">2)LED芯片的壽命和可靠性

　　芯片的結(jié)溫和散熱

　　散熱問題是功率型白光LED需重點解決的技術(shù)難題，散熱效果的優(yōu)劣直接關(guān)系到路燈的壽命和節(jié)能效果。LED是靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光的，其光譜中不含有紅外部分，所以LED的熱量不能靠輻射散發(fā)。如果LED芯片中的熱量不能及時散發(fā)出去，會加速器件的老化。一旦LED的溫度超過最高臨界溫度(跟據(jù)不同外延及工藝，芯片溫度大概為150℃)，往往會造成LED永久性失效。有效地解決LED芯片的散熱問題，對提高LED路燈的可靠性和壽命具有重要作用。要做到這一點，最直接的方法莫過于提供一條良好的導(dǎo)熱通道讓熱量從結(jié)往外散出。在芯片的級別上，與傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)以藍寶石襯底作為散熱通道相比，垂直及倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)有著較佳的散熱能力。垂直結(jié)構(gòu)芯片直接采用銅合金作為襯底，有效地提高了芯片的散熱能力。倒裝焊(Flip-Chip)技術(shù)通過共晶焊將LED芯片倒裝到具有更高導(dǎo)熱率的硅襯底上(導(dǎo)熱系數(shù)約120W/mK，傳統(tǒng)正裝芯片藍寶石導(dǎo)熱系數(shù)約20W/mK)，芯片與襯底間的金凸點和硅襯底同時提高了LED芯片的散熱能力，保障LED的熱量能夠快速從芯片中導(dǎo)出。

　　芯片的ESD保護

　　另外，抗靜電釋放(ESD)能力是影響LED芯片可靠性的另一因素。藍寶石襯底的藍色芯片其正負電極均位于芯片上面，間距很小；對于InGaN/AlGaN/GaN雙異質(zhì)結(jié)，InGaN活化簿層厚度僅幾十納米，對靜電的承受能力有限，很容易被靜電擊穿，使器件失效。為了防止靜電對LED芯片的損害，一方面可以采用將生產(chǎn)設(shè)備接地和隔離人體靜電等生產(chǎn)管理方法，另一方面可以在LED芯片中加入齊納保護電路。在應(yīng)用到路燈領(lǐng)域中，傳統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)ESDHBM最高約為2000V，通常需要在封裝過程中通過金線并聯(lián)一顆齊納芯片以提高ESD防護能力，不僅增加封裝成本和工藝難度，可靠性也有較大的風險。通過在硅襯底內(nèi)部集成齊納保護電路的方法，可以大大提高LED芯片的抗靜電釋放能力(ESDHBM=4000~8000V)，同時節(jié)約封裝成本，簡化封裝工藝，并提高產(chǎn)品可靠性。

　　3)實例介紹倒裝芯片的穩(wěn)定性

　　LED路燈通常為60-200W左右，目前主要采取兩種方式來實現(xiàn)，一種是通過“多顆芯片金線串并聯(lián)的模組”和“多顆LED通過PCB串并聯(lián)”的方式來實現(xiàn)高瓦數(shù)。無論哪種實現(xiàn)方式，均要求在封裝過程中通過焊線(Wire-bonding)的方式實現(xiàn)芯片與支架的電路連接，而焊接過程中瓷嘴對LED的芯片的沖擊是導(dǎo)致LED漏電、虛焊等主要原因，傳統(tǒng)正裝和垂直結(jié)構(gòu)LED，電極位于芯片的發(fā)光表面，因此焊線過程中瓷嘴的正面沖擊極易造成發(fā)光區(qū)和電極金屬層等的損傷，在LED芯片采取倒裝結(jié)構(gòu)中，電極位于硅基板上，焊線過程中不對芯片進行沖擊，極大地提高封裝可靠性和生產(chǎn)良率。

　　LED芯片的封裝要求

　　作為LED路燈的核心器件，LED芯片的性能需要通過LED封裝工藝來實現(xiàn)光效、壽命、穩(wěn)定性、光學(xué)設(shè)計、散熱等能力的提升。由于芯片結(jié)構(gòu)的不同，對應(yīng)的封裝工藝也有較大的差異。

　　光效提升

　　正裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)的芯片是GaN與熒光粉和硅膠接觸，而倒裝結(jié)構(gòu)中是藍寶石(sapphire)與熒光粉和硅膠接觸。GaN的折射率約為2.4，藍寶石折射率為1.8，熒光粉折射率為1.7，硅膠折射率通常為1.4-1.5。藍寶石/(硅膠+熒光粉)和GaN/(硅膠+熒光粉)的全反射臨界角分別為51.1-70.8°和36.7-45.1°，在封裝結(jié)構(gòu)中由藍寶石表面射出的光經(jīng)由硅膠和熒光粉界面層的全反射臨界角更大，光線全反射損失大大降低。同時，芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計不同，導(dǎo)致電流密度和電壓的不同，對LED的光效有明顯的影響。如傳統(tǒng)的正裝芯片通常電壓在3.5V以上，而倒裝結(jié)構(gòu)芯片，由于電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計，電流分布更均勻，使LED芯片的電壓大幅度降低至2.8V-3.0V，因此，在同樣光通量的情況，倒裝芯片的光效比正裝芯片光效約高16-25%左右?！　?strong style="word-break: break-all;">可靠性提升

　　LED的可靠性由LED芯片、熒光粉、硅膠、支架、金線等材料共同決定，其中LED芯片產(chǎn)生的熱量如不能快速導(dǎo)出，將直接影響LED芯片的結(jié)溫和熒光粉、硅膠的可靠性。目前熒光粉根據(jù)體系不同，耐高溫能力也有較大的差別，通常熒光粉在100-120℃以上開始有衰減，因此如何降低LED芯片表面的溫度成為提高LED可靠性的關(guān)鍵因素。垂直結(jié)構(gòu)芯片能夠通過金屬襯底將熱量快速導(dǎo)出至支架中，芯片表面溫度較低，正裝芯片熱量通過藍寶石導(dǎo)出至支架中，由于藍寶石導(dǎo)熱率較低(約20W/mK)，熱量無法快速導(dǎo)出，逐漸累積，對熒光粉的可靠性影響較大。倒裝結(jié)構(gòu)的芯片的熱量絕大部分向下通過金凸點快速導(dǎo)入至硅基板(導(dǎo)熱率約120W/mK)中，再由硅基板導(dǎo)入支架中，而向上由于藍寶石導(dǎo)熱率低，只有小部分熱量積累在藍寶石中，實現(xiàn)熱(向下導(dǎo)出)和光的分離(向上射出)設(shè)計，同時藍寶石的表面溫度較低，可以延長熒光粉的老化周期，大大提高LED的