國內(nèi)外封裝技術(shù)現(xiàn)狀與4大關(guān)鍵技術(shù)難題

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2016-01-09

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以下對功率型GaN基LED光電器件覆晶倒裝焊產(chǎn)業(yè)技術(shù)進行研究，工程照明，介紹LED光電的發(fā)展歷程、產(chǎn)品應(yīng)用、研究方法、技術(shù)路線以及解決的關(guān)鍵問題。

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。

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(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)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(xué)獎。

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。

白光LED發(fā)光效率雖然已經(jīng)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(fā)光效率成為功率型白光LED的一個關(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)展的另一個關(guān)鍵。

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LED封裝的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和機械結(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。

因為能滿足上述高性能封裝的要求，工程照明，基于覆晶技術(shù)的功率LED封裝被認為是封裝功率型高亮度LED的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢。

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很大程度上影響光提取效率；

另一方面，傳統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)中，LED芯片的熱量需經(jīng)由襯底藍寶石(其熱導(dǎo)率僅為38W/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)，將藍寶石襯底芯片進行倒置，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。此時出射光從芯片頂部透明的藍寶石襯底出射。

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，LED照明品牌，金屬電極微凸點與導(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容易實施，裝修照明，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。將芯片與基板相連接的方式常采用共晶焊技術(shù)(Eutectic welding)。

共晶焊又稱低熔點合金焊接，具有熱導(dǎo)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(yōu)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)，LED射燈，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(chǎn)量高，但一次性投入大。

另一種共晶方式——助焊劑共晶，口碑，根據(jù)倒裝LED芯片的電極尺寸，企業(yè)資訊，在基板上預(yù)先鍍Au/Sn合金層，然后在基板上點助焊劑，超市照明，將LED芯片固定在基板對應(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(jù)不同的回流爐進行摸索，并且難以控制其穩(wěn)定性，優(yōu)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，超市照明，不僅僅會增大器件的熱阻，甚至使得芯片與基板的結(jié)合不穩(wěn)固，裝修照明，影響封裝質(zhì)量等。

此外，LED球泡燈，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搭配LEP導(dǎo)電膠，設(shè)計，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350mA電流驅(qū)動下，該結(jié)構(gòu)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(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，產(chǎn)業(yè)界也在緊密跟進。部分廠家以倒裝技術(shù)為基礎(chǔ)，推出了晶片級CSP封裝產(chǎn)品。

如：臺灣晶電推出了最新的無封裝晶片技術(shù)ELC、臺灣臺積固態(tài)照明的無封裝PoD模組、Philips Lumileds推出的LUXEO NFlip Chip、LUXEONQ、CREE的XQ-B，LED筒燈，XQ-ELED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。

研究方法及技術(shù)路線

基本研究思路是：LED模型的設(shè)計——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——倒裝芯片的焊接——涂覆熒光粉——LED產(chǎn)品成型。

（1）材料的選取標準。