LED光電器件覆晶倒裝焊產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)研究

黃建民

摘 要：該文主要是功率型GaN基LED光電器件覆晶倒裝焊產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)行了研究，介紹了LED光電的發(fā)展歷程、產(chǎn)品應(yīng)用及技術(shù)，對(duì)進(jìn)行的研究方法及技術(shù)路線以及解決的關(guān)鍵問題進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：白光LED光電器件 覆晶 倒裝焊

中圖分類號(hào)：TN31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）08（a）-0073-02

1 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

GaN基發(fā)光二極管（LED）作為新一代的環(huán)保型固態(tài)光源，已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)。1992年，有“藍(lán)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(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)成功制備了高亮度的藍(lán)光LED，并因此而斬獲了2014年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

目前，大功率、高亮度的白光LED已經(jīng)成為了照明領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)。白光LED發(fā)光效率雖然已經(jīng)達(dá)到了170lm/W，但離其理論值250lm/W尚有一定的差距，因此進(jìn)一步提高其發(fā)光效率成為功率型白光LED的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。一般來說，提高LED的發(fā)光效率有兩種途徑，分別是提高其內(nèi)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(fā)展的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[1]。

隨著LED功率的增大，特別是固態(tài)照明技術(shù)發(fā)展的需求，對(duì)LED封裝的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)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(shù)是大功率LED走向?qū)嵱眉爱a(chǎn)業(yè)化的必經(jīng)之路。

覆晶（Flip-Chip）技術(shù)，也稱為倒晶封裝法，是一種在IC封裝技術(shù)領(lǐng)域成熟的芯片封裝工藝。因?yàn)槟軡M足上述高性能封裝的要求，基于覆晶技術(shù)的功率LED封裝被認(rèn)為是封裝功率型高亮度LED的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢[3]。在過去傳統(tǒng)的水平及垂直式晶片結(jié)構(gòu)中，正面電極的吸收及GaN-Air界面全反射臨界角等因素會(huì)很大程度上影響光提取效率[2]；另一方面，傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)中，LED芯片的熱量需經(jīng)由襯底藍(lán)寶石（其熱導(dǎo)率僅為38 W/m.K）傳導(dǎo)至導(dǎo)熱基板，導(dǎo)熱路徑較長，從而芯片的熱阻較大。而采用覆晶技術(shù)形成的倒裝結(jié)構(gòu)，將藍(lán)寶石襯底芯片進(jìn)行倒置，芯片直接焊接在導(dǎo)熱基板上，電極在底部與基板相互連接，也就避免了傳統(tǒng)封裝中芯片高低差帶來的打線困難的問題。此時(shí)出射光從芯片頂部透明的藍(lán)寶石襯底出射。該種倒裝結(jié)構(gòu)一方面在避免了金屬電極對(duì)出射光遮擋的同時(shí)，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[3]；另一方面，金屬電極微凸點(diǎn)與導(dǎo)熱系數(shù)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(chǎn)生量降低，同時(shí)這樣的結(jié)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(chǎn)品的熒光粉涂覆工藝相對(duì)容易實(shí)施，尤其是熒光粉噴涂等工藝，其產(chǎn)品的光色一致性都將得到很大的提高。與傳統(tǒng)封裝相比，倒裝結(jié)構(gòu)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(yōu)勢。

覆晶結(jié)構(gòu)由基板、UBM、焊球及芯片組成[4]。將芯片與基板相連接的方式常采用共晶焊技術(shù)（Eutectic welding）。共晶焊又稱低熔點(diǎn)合金焊接，具有熱導(dǎo)率高、連接電阻小、散熱均勻、焊接強(qiáng)度高、工藝一致性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)是：兩種不同的金屬可以在遠(yuǎn)低于各自熔點(diǎn)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(jī)下直接熱壓共晶，共晶時(shí)壓力不超過50 g。該種方式無助焊劑、無清洗工藝、產(chǎn)量高，但一次性投入大。另一種共晶方式-助焊劑共晶，根據(jù)倒裝LED芯片的電極尺寸，在基板上預(yù)先鍍Au/Sn合金層，然后在基板上點(diǎn)助焊劑，將LED芯片固定在基板對(duì)應(yīng)的合金層上，工業(yè)化生產(chǎn)過程中可以用普通固晶機(jī)換一種點(diǎn)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(jù)不同的回流爐進(jìn)行摸索，并且難以控制其穩(wěn)定性，優(yōu)點(diǎn)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(huì)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(huì)增大器件的熱阻，甚至使得芯片與基板的結(jié)合不穩(wěn)固，影響封裝質(zhì)量等。

此外，新固晶材料也隨之出現(xiàn)了。2014年1月，Dexerials 展示了導(dǎo)電接著劑 ，導(dǎo)電粒子只有5微米大小，使用導(dǎo)電膠，強(qiáng)力接著在基板上后，使得P/N極完全絕緣，最后導(dǎo)電粒子破裂后，完成電流導(dǎo)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(dǎo)電膠，操作溫度控制在180℃附近，所以導(dǎo)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(shè)備各階段都可以節(jié)省成本，而LED廠商僅需購買熱壓機(jī)搭配LEP 導(dǎo)電膠，預(yù)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(jié)構(gòu)的1.6倍。2006年Shchekin等人在倒裝AlGaInN LED芯片的基礎(chǔ)上制作出薄膜倒裝結(jié)構(gòu)的LED芯片，該結(jié)構(gòu)采用激光剝離技術(shù)去除藍(lán)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(jié)構(gòu)提升了兩倍，在350 mA電流驅(qū)動(dòng)下，該結(jié)構(gòu)的外量子效率達(dá)到36% 。圍繞了提高光提取效率[6]、提高散熱性能、倒裝焊技術(shù)等方面，GaN基倒裝LED做了很多學(xué)術(shù)方面的研究工作。

同時(shí)，產(chǎn)業(yè)界也在緊密跟進(jìn)。部分廠家以倒裝技術(shù)為基礎(chǔ)，推出了晶片級(jí)CSP封裝產(chǎn)品。如：臺(tái)灣晶電推出了最新的無封裝晶片技術(shù)ELC、臺(tái)灣臺(tái)積固態(tài)照明的無封裝PoD模組、Philips Lumileds推出的LUXEON Flip Chip、 LUXEONQ、CREE的XQ-B，XQ-E LED產(chǎn)品等。三星最近推出最新的覆晶產(chǎn)品，包括有中功率型LM131A、高功率型 LH141A以及筒燈模塊等。

2 研究方法及技術(shù)路線

基本研究思路是：LED模型的設(shè)計(jì)->散熱能力的軟件模擬、分析及優(yōu)化->LED的一次光學(xué)設(shè)計(jì)->倒裝芯片的焊接->涂覆熒光粉->LED產(chǎn)品成型。

（1）材料的選取標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)材料的選擇應(yīng)根據(jù)需要須滿足一定的物理特性：如焊接材料的焊接穩(wěn)定性、導(dǎo)熱及導(dǎo)電能力，封裝材料的透光性、熱穩(wěn)定性、抵抗外力能力及硬度、密度、折射率均勻性及穩(wěn)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(shè)計(jì)及制備

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

②為避免兩電極在共晶時(shí)熔合，根據(jù)芯片的大小及電極位置設(shè)計(jì)一個(gè)具有合適高度和大小的絕緣中間阻擋層。

（3）LED產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)散熱情況的軟件模擬、分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計(jì)的樣品模型，采用相關(guān)的模擬軟件分析模擬結(jié)果，通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)LED模型進(jìn)行優(yōu)化，以獲得具有極佳散熱能力的優(yōu)化LED產(chǎn)品模型。

（4）對(duì)LED進(jìn)行一次光學(xué)設(shè)計(jì)。采用光學(xué)設(shè)計(jì)模擬軟件（如TracePro等）針對(duì)倒裝芯片、封裝支架、模粒、出光透鏡等進(jìn)行設(shè)計(jì)。目的是實(shí)現(xiàn)最佳的出光效率。

（5）倒裝芯片的共晶焊接技術(shù)。

①在封裝支架的底部，將焊錫膏黏結(jié)于外接電路的正、負(fù)極上，在阻擋層位置處黏結(jié)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(fù)兩極精確對(duì)準(zhǔn)封裝支架的電路并黏結(jié)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(shù)?？紤]到平面熒光粉涂覆工藝可以實(shí)現(xiàn)熒光粉土層的濃度、厚度及形狀的可控性。實(shí)現(xiàn)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(chǎn)品。根據(jù)一次光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用透明環(huán)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。

3 需要解決的關(guān)鍵問題

（1）將覆晶芯片牢固地通過共晶焊接技術(shù)焊接在基板上成為關(guān)鍵技術(shù)之一。具體涉及到電極的對(duì)準(zhǔn)、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(fù)電極在工藝過程中不會(huì)熔合成為一個(gè)關(guān)鍵問題。具體涉及到如何設(shè)計(jì)及制備中間阻擋層以實(shí)現(xiàn)正負(fù)電極的有效阻隔。

（3）熒光粉的噴涂技術(shù)，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(shù)上很重要的一個(gè)關(guān)鍵，避免在制造過程中，特別是焊接溫度對(duì)覆晶芯片量子阱的損傷，導(dǎo)致出光效率的降低。

參考文獻(xiàn)

[1] Huang Shanjin， Wu Hao， Fan Bingfeng， et al. A chip-level electrothermal-coupled design model for high-power light-emitting diodes [J].Journal of Applied Physics， 2010，107（5）：4509.

[2] 殷錄橋.大功率LED先進(jìn)封裝技術(shù)及可靠性研究[D].上海：上海大學(xué)，2011.

[3] Liu Hongwei， Niu Pingjuan， Hu Haiyang， et al. A new golden bump making method for high power LED flip chip[C].2007亞洲光電子會(huì)議LED材料與器件分會(huì)場論文集，2007.

[4] 鐘廣明，杜曉晴，田健.GaN基倒裝焊LED芯片的光提取效率模擬與分析[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2011（8）：773-778.