LED倒装技术及工艺流程分析

By | 2020年7月24日

  一、引言

  发光二极管(LED)作为新型的绿色照明光源,具备节能、高效、低碳、体积小、反响快、抗震性强等优点,能够为用户提供环保、稳固、高效以及平安的全新照明体验,曾经逐渐倒退成为成熟的半导体照明工业。

  最近几年来,寰球各个国度纷繁开端禁用白炽灯胆,LED将会迎来一个黄金的增进期。别的,最近几年来LED正在电视机背光、手机、战争板电脑等方面的使用也迎来了迸发式的增进,LED具备广阔的使用倒退前景。

  二、倒装LED技巧的倒退及近况

  倒装技巧正在LED畛域上仍是一个比拟新的技巧概念,但正在传统IC行业中曾经被宽泛使用且比拟成熟,如各类球栅阵列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)、晶片级芯片尺寸封装(WLCSP)等技巧,全副采纳倒装芯片技巧,其优点是消费效率高、器件老本低以及牢靠性高。

  倒装芯片技巧使用于LED器件,次要区分于IC正在于,正在LED芯片制作以及封装进程中,除了了要解决好稳固牢靠的电衔接之外,还需求解决光的成绩,包罗若何让更多的光引进去,进步出光效率,和光空间的散布等。

  针对传统正装LED存正在的散热差、通明电极电流散布没有平均、外表电极焊盘以及引线挡光和金线招致的牢靠性成绩,1998年,J.J.Wierer等人制备出了1W倒装焊接构造的年夜功率AlGaInN-LED蓝光芯片,他们将金属化凸点的AIGalnN芯片倒装焊接正在具备防静电维护二极管(ESD)的硅载体上。

  图1是他们制备失去的LED芯片的图片以及截面表示图。他们的测试后果标明,正在相反的芯全面积下,倒装LED芯片(FCLED)比正装芯片有着更年夜的发光面积以及十分好的电学特点,正在200-1000mA的电流范畴,正向电压(VF)绝对较低,从而招致了更高的功率转化效率。

  

  图1 倒装构造的LED芯片图片以及截面表示图

  2006年,O.B.Shchekin等人又报导了一种新的薄膜倒装焊接的多量子阱构造的LED(TFFC-LED)。所谓薄膜倒装LED,就是将薄膜LED与倒装LED的概念连系起来。

  正在将LED倒装正在基板上后,采纳激光剥离(Laser lift-off)技巧将蓝宝石衬底剥离掉,而后正在暴露的N型GaN层上用光刻技巧做外表粗化。

  如图2所示,这类薄膜构造的LED能够无效地添加出光效率。但绝对来讲,这类构造工艺比拟复杂,老本会绝对较高。

  

  图2 薄膜倒装LED芯片构造表示图

  跟着硅基倒装芯片正在市场上发卖,逐步发现这类倒装LED芯片正在与正装芯片竞争时,其老本上处于显著的优势。

  因为LED倒退初期,一切封装支架以及方式都是依据其正装或垂直构造LED芯片进行设计的,以是倒装LED芯片不能不先倒装正在硅基板上,而后将芯片固定正在传统的支架上,再用金线将硅基板上的电极与支架上的电极进行衔接。

  使患上封装器件内仍是有金线的存正在,不行使上倒装无金线封装的劣势;并且还添加了基板的老本,使患上价钱较高,齐全不施展出倒装LED芯片的劣势。

  为此,最先于2007年有公司推出了陶瓷基倒装LED封装产物。这一类型的产物,陶瓷既作为倒装芯片的撑持基板,也作为全体封装支架,完成整封装光源的小型化。

  这一封装方式是先将倒装芯片焊接(Bonding)正在陶瓷基板上,再进行荧光粉的涂覆,最初用铸模(Molding)的办法制造一次透镜,这一办法将LED芯片以及封装工艺连系起来,升高了老本。

  这类构造齐全消弭了金线,同时散热成果显著改善,典型热阻<10℃/W,明显低于传统的K2形式的封装(典型10-20℃/W)。

  跟着倒装技巧的进一步使用以及倒退,2012年开端,呈现了可间接贴装(Direct
Attach,DA)倒装芯片;随后几年,各个公司都开端研发以及推出这一类型的倒装芯片。

  该芯片正在构造上的变动是,将LED芯片外表的P、N两个金属焊盘多少尺寸做年夜,同时保障两个焊盘之间的间距足够,这样使患上倒装的LED芯片可以正在陶瓷基板上乃至是PCB板上间接贴片了,使40mil阁下的倒装芯片焊盘尺寸可以抵达贴片机的贴片精度要求,简化了芯片倒装焊接工艺,升高了全体老本。

  至今朝为止(2014年中)倒装DA芯片已根本成熟,市场发卖量逐渐添加,将来将会成为年夜功率LED芯片的支流。

  正在间接贴装DA芯片根底上,2013年开端倒退出了白光芯片(局部公司称为免封装或无封装)产物,如图6所示。它是正在倒装DA芯片制作进程中同时实现了荧光粉的涂敷,使用时可正在PCB上间接进行贴片,齐全能够当做封装光源间接使用。

  其劣势是LED器件体积小,芯片间接贴片能够缩小散热的界面,进一步升高了热阻,散热功能进一步进步。到今朝为止,白光芯片依然处于研发阶段,市场的使用还不可熟,需求各人独特致力,推进白光芯片技巧以及使用的倒退。

  

  图3 白光芯片与封装表示图

  三、倒装LED芯片的制造工艺

  倒装LED芯片的制造工艺流程,如图4所示,总体上能够分为LED芯片制造以及基板制作两条线,芯片以及基板制作实现后,将LED芯片倒装焊接正在基板外表上,构成倒装LED芯片。

  

  图4 倒装LED芯片工艺流程框图

  3.一、蓝宝石衬底以及GaN内涵工艺技巧

  关于倒装芯片来讲,出光面正在蓝宝石的一侧,因而正在内涵以前,制造图形化的衬底(PSS),将无利于蓝光的出光,缩小光正在GaN以及蓝宝石界面的反射。因而PSS的图形尺寸巨细、形态以及深度等都对出光效率有间接的影响。正在实际开发以及消费中需求针对倒装芯片的特性,对衬底图形进行优化,使出光效率最高。

  正在GaN内涵方面,因为倒装芯片出光正在蓝宝石一侧,其各层的吸光状况与正装芯片有差别,因而需求对内涵的缓冲层(Buffer)、N-GaN层、多层量子阱(MQW)以及P型GaN层的厚度以及掺杂浓度进行调整,使之适宜倒装芯片的出光要求,进步出光效率,同时适宜倒装芯片制作工艺的欧姆接触的需求。

  3.二、倒装LED圆片制程工艺

  倒装芯片与正装芯片的圆片制造进程大抵相反,都需求正在内涵层上进行刻蚀,显露上层的N型GaN;而后正在P以及N极上辨别制造出欧姆接触电极,再正在芯片外表制造钝化维护层,最初制造焊接用的金属焊盘,其制造流程如图5所示。

  

  图5 倒装LED圆片制造流程

  与正装芯片相比,倒装芯片需求制造成电极朝下的构造。这类非凡的构造,使患上倒装芯片正在一些工艺步骤上有非凡的需要,如欧姆接触层必需具备高反射率,使患上射向芯片电极外表的光可以只管即便多的反射回蓝宝石的一壁,以保障精良的出光效率。

  倒装芯片的幅员也需求依据电流的平均散布,做最优化的设计。因为圆片制造工艺中,GaN刻蚀(Mesa刻蚀)、N型接触层制造、钝化层制造、焊接金属PAD制造都与正装芯片根本相反,这里就没有具体讲述了,上面重点针对倒装芯片非凡工艺进行简略的阐明。

  正在LED芯片的制造进程中,欧姆接触层的工艺是芯片消费的外围,对倒装芯片来讲尤其首要。欧姆接触层既有传统的肩负起电性衔接的性能,也作为反光层的作用,如图9所示。

  正在P型欧姆接触层的制造工艺中,要抉择合适的欧姆接触资料,既要保障与P型GaN接触电阻要小,又要保障超高的反射率。别的,金属层厚度以及退火工艺对欧姆接触特点以及反射率的影响十分年夜,此工艺至关首要,其关系到整个LED的光效、电压等首要技巧参数,是倒装LED芯片工艺中最首要的一环。

  今朝这层欧姆接触层普通都是用银(Ag)或许银的合金资料来制造,正在合适的工艺前提下,能够取得稳固的高功能的欧姆接触,同时可以保障欧姆接触层的反射率超越95%。

  

  图6 倒装芯片出光标的目的、散热通道、欧姆接触、反光层地位表示图

  3.三、倒装LED芯片后段制程

  与正装LED芯片同样,圆片工艺制程后,还包罗芯片后段的工艺制程,其工艺流程如图7所示,次要包罗研磨、抛光、切割、劈裂、测试以及分类等工序。这里工序中,惟一有没有同的是测试工序,其它工序根本与正装芯片齐全相反,这里再也不赘述。

  

  图7 LED芯片后段工艺制程流程图

  倒装芯片因为出光面与电极面正在没有同标的目的,因而正在切割后的芯片点测时,探针正在LED侧面电极上扎针丈量时,LED的光是从反面收回。要测试LED的光特点(波长、亮度、半波宽等),必需从探针台的上面收光。

  因而倒装芯片的点测机台与正点缀测机台没有同,测光安装(探头或积分球)必需放正在探针以及芯片的上面,并且芯片的载台必需是透光的,能力对光特点进行测试。

  以是,倒装芯片的点测机台需求非凡制作或革新。