LED倒裝技術(shù)及工藝流程分析

　　發(fā)光二極管（LED）作為新型的綠色照明光源，具有節(jié)能、高效、低碳、體積小、反應(yīng)快、抗震性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以為用戶提供環(huán)保、穩(wěn)定、高效和安全的全新照明體驗(yàn)，已經(jīng)逐步發(fā)展成為成熟的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)。

　　近年來，全球各個(gè)國家紛紛開始禁用白熾燈泡，LED將會(huì)迎來一個(gè)黃金的增長期。此外，近年來LED在電視機(jī)背光、手機(jī)、和平板電腦等方面的應(yīng)用也迎來了爆發(fā)式的增長，LED具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。

　　2、倒裝LED技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀

　　倒裝技術(shù)在LED領(lǐng)域上還是一個(gè)比較新的技術(shù)概念，但在傳統(tǒng)IC行業(yè)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用且比較成熟，如各種球柵陣列封裝（BGA）、芯片尺寸封裝（CSP）、晶片級(jí)芯片尺寸封裝（WLCSP）等技術(shù)，全部采用倒裝芯片技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、器件成本低和可靠性高。

　　倒裝芯片技術(shù)應(yīng)用于LED器件，主要區(qū)別于IC在于，在LED芯片制造和封裝過程中，除了要處理好穩(wěn)定可靠的電連接以外，還需要處理光的問題，包括如何讓更多的光引出來，提高出光效率，以及光空間的分布等。

　　針對(duì)傳統(tǒng)正裝LED存在的散熱差、透明電極電流分布不均勻、表面電極焊盤和引線擋光以及金線導(dǎo)致的可靠性問題，1998年，J.J.Wierer等人制備出了1W倒裝焊接結(jié)構(gòu)的大功率AlGaInN-LED藍(lán)光芯片，他們將金屬化凸點(diǎn)的AIGalnN芯片倒裝焊接在具有防靜電保護(hù)二極管(ESD)的硅載體上。

　　圖1是他們制備得到的LED芯片的圖片和截面示意圖。他們的測試結(jié)果表明，在相同的芯片面積下，倒裝LED芯片（FCLED）比正裝芯片有著更大的發(fā)光面積和非常好的電學(xué)特性，在200-1000mA的電流范圍，正向電壓（VF）相對(duì)較低，從而導(dǎo)致了更高的功率轉(zhuǎn)化效率。

　　圖1 倒裝結(jié)構(gòu)的LED芯片圖片和截面示意圖

　　2006年，O.B.Shchekin等人又報(bào)道了一種新的薄膜倒裝焊接的多量子阱結(jié)構(gòu)的LED（TFFC-LED）。所謂薄膜倒裝LED，就是將薄膜LED與倒裝LED的概念結(jié)合起來。

　　在將LED倒裝在基板上后，采用激光剝離（Laser lift-off）技術(shù)將藍(lán)寶石襯底剝離掉，然后在暴露的N型GaN層上用光刻技術(shù)做表面粗化。

　　如圖2所示，這種薄膜結(jié)構(gòu)的LED可以有效地增加出光效率。但相對(duì)來說，這種結(jié)構(gòu)工藝比較復(fù)雜，成本會(huì)相對(duì)較高。

　　圖2 薄膜倒裝LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖

　　隨著硅基倒裝芯片在市場上銷售，逐漸發(fā)現(xiàn)這種倒裝LED芯片在與正裝芯片競爭時(shí)，其成本上處于明顯的劣勢。

　　由于LED發(fā)展初期，所有封裝支架和形式都是根據(jù)其正裝或垂直結(jié)構(gòu)LED芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以倒裝LED芯片不得不先倒裝在硅基板上，然后將芯片固定在傳統(tǒng)的支架上，再用金線將硅基板上的電極與支架上的電極進(jìn)行連接。

　　使得封裝器件內(nèi)還是有金線的存在，沒有利用上倒裝無金線封裝的優(yōu)勢；而且還增加了基板的成本，使得價(jià)格較高，完全沒有發(fā)揮出倒裝LED芯片的優(yōu)勢。

　　為此，最早于2007年有公司推出了陶瓷基倒裝LED封裝產(chǎn)品。這一類型的產(chǎn)品，陶瓷既作為倒裝芯片的支撐基板，也作為整體封裝支架，實(shí)現(xiàn)整封裝光源的小型化。

　　這一封裝形式是先將倒裝芯片焊接（Bonding）在陶瓷基板上，再進(jìn)行熒光粉的涂覆，最后用鑄模（Molding）的方法制作一次透鏡，這一方法將LED芯片和封裝工藝結(jié)合起來，降低了成本。

　　這種結(jié)構(gòu)完全消除了金線，同時(shí)散熱效果明顯改善，典型熱阻<10℃/W，明顯低于傳統(tǒng)的K2形式的封裝（典型10-20℃/W）。

　　隨著倒裝技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展，2012年開始，出現(xiàn)了可直接貼裝（Direct Attach，DA）倒裝芯片；隨后幾年，各個(gè)公司都開始研發(fā)和推出這一類型的倒裝芯片。

　　該芯片在結(jié)構(gòu)上的變化是，將LED芯片表面的P、N兩個(gè)金屬焊盤幾何尺寸做大，同時(shí)保證兩個(gè)焊盤之間的間距足夠，這樣使得倒裝的LED芯片能夠在陶瓷基板上甚至是PCB板上直接貼片了，使40mil左右的倒裝芯片焊盤尺寸能夠到達(dá)貼片機(jī)的貼片精度要求，簡化了芯片倒裝焊接工藝，降低了整體成本。

　　至目前為止（2014年中）倒裝DA芯片已基本成熟，市場銷售量逐步增加，未來將會(huì)成為大功率LED芯片的主流。

　　在直接貼裝DA芯片基礎(chǔ)上，2013年開始發(fā)展出了白光芯片（部分公司稱為免封裝或無封裝）產(chǎn)品，如圖6所示。它是在倒裝DA芯片制造過程中同時(shí)完成了熒光粉的涂敷，應(yīng)用時(shí)可在PCB上直接進(jìn)行貼片，完全可以當(dāng)作封裝光源直接應(yīng)用。

　　其優(yōu)勢是LED器件體積小，芯片直接貼片可以減少散熱的界面，進(jìn)一步降低了熱阻，散熱性能進(jìn)一步提高。到目前為止，白光芯片仍然處于研發(fā)階段，市場的應(yīng)用還不成熟，需要大家共同努力，推動(dòng)白光芯片技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展。

　　圖3 白光芯片與封裝示意圖

　　3、倒裝LED芯片的制作工藝

　　倒裝LED芯片的制作工藝流程，如圖4所示，總體上可以分為LED芯片制作和基板制造兩條線，芯片和基板制造完成后，將LED芯片倒裝焊接在基板表面上，形成倒裝LED芯片。

　　圖4 倒裝LED芯片工藝流程框圖

　　3.1、藍(lán)寶石襯底和GaN外延工藝技術(shù)

　　對(duì)于倒裝芯片來說，出光面在藍(lán)寶石的一側(cè)，因此在外延之前，制作圖形化的襯底（PSS），將有利于藍(lán)光的出光，減少光在GaN和藍(lán)寶石界面的反射。因此PSS的圖形尺寸大小、形狀和深度等都對(duì)出光效率有直接的影響。在實(shí)際開發(fā)和生產(chǎn)中需要針對(duì)倒裝芯片的特點(diǎn)，對(duì)襯底圖形進(jìn)行優(yōu)化，使出光效率最高。

　　在GaN外延方面，由于倒裝芯片出光在藍(lán)寶石一側(cè)，其各層的吸光情況與正裝芯片有差異，因此需要對(duì)外延的緩沖層（Buffer）、N-GaN層、多層量子阱（MQW）和P型GaN層的厚度和摻雜濃度進(jìn)行調(diào)整，使之適合倒裝芯片的出光要求，提高出光效率，同時(shí)適合倒裝芯片制造工藝的歐姆接觸的需要。

　　3.2、倒裝LED圓片制程工藝

　　倒裝芯片與正裝芯片的圓片制作過程大致相同，都需要在外延層上進(jìn)行刻蝕，露出下層的N型GaN；然后在P和N極上分別制作出歐姆接觸電極，再在芯片表面制作鈍化保護(hù)層，最后制作焊接用的金屬焊盤，其制作流程如圖5所示。

　　圖5 倒裝LED圓片制作流程

　　與正裝芯片相比，倒裝芯片需要制作成電極朝下的結(jié)構(gòu)。這種特殊的結(jié)構(gòu)，使得倒裝芯片在一些工藝步驟上有特殊的需求，如歐姆接觸層必須具有高反射率，使得射向芯片電極表面的光能夠盡量多的反射回藍(lán)寶石的一面，以保證良好的出光效率。

　　倒裝芯片的版圖也需要根據(jù)電流的均勻分布，做最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。由于圓片制作工藝中，GaN刻蝕（Mesa刻蝕）、N型接觸層制作、鈍化層制作、焊接金屬PAD制作都與正裝芯片基本相同，這里就不詳細(xì)講述了，下面重點(diǎn)針對(duì)倒裝芯片特殊工藝進(jìn)行簡單的說明。

　　在LED芯片的制作過程中，歐姆接觸層的工藝是芯片生產(chǎn)的核心，對(duì)倒裝芯片來說尤為重要。歐姆接觸層既有傳統(tǒng)的肩負(fù)起電性連接的功能，也作為反光層的作用，如圖9所示。

　　在P型歐姆接觸層的制作工藝中，要選擇合適的歐姆接觸材料，既要保證與P型GaN接觸電阻要小，又要保證超高的反射率。此外，金屬層厚度和退火工藝對(duì)歐姆接觸特性和反射率的影響非常大，此工藝至關(guān)重要，其關(guān)系到整個(gè)LED的光效、電壓等重要技術(shù)參數(shù)，是倒裝LED芯片工藝中最重要的一環(huán)。

　　目前這層歐姆接觸層一般都是用銀（Ag）或者銀的合金材料來制作，在合適的工藝條件下，可以獲得穩(wěn)定的高性能的歐姆接觸，同時(shí)能夠保證歐姆接觸層的反射率超過95%。

　　圖6 倒裝芯片出光方向、散熱通道、歐姆接觸、反光層位置示意圖

　　3.3、倒裝LED芯片后段制程

　　與正裝LED芯片一樣，圓片工藝制程后，還包括芯片后段的工藝制程，其工藝流程如圖7所示，主要包括研磨、拋光、切割、劈裂、測試和分類等工序。這里工序中，唯一有不同的是測試工序，其它工序基本與正裝芯片完全相同，這里不再贅述。

　　圖7 LED芯片后段工藝制程流程圖

　　倒裝芯片由于出光面與電極面在不同方向，因此在切割后的芯片點(diǎn)測時(shí)，探針在LED正面電極上扎針測量時(shí)，LED的光是從背面發(fā)出。要測試LED的光特性（波長、亮度、半波寬等），必須從探針臺(tái)的下面收光。

　　因此倒裝芯片的點(diǎn)測機(jī)臺(tái)與正裝點(diǎn)測機(jī)臺(tái)不同，測光裝置（探頭或積分球）必須放在探針和芯片的下面，而且芯片的載臺(tái)必須是透光的，才能對(duì)光特性進(jìn)行測試。

　　所以，倒裝芯片的點(diǎn)測機(jī)臺(tái)需要特殊制造或改造。