LED倒裝技術(shù)及工藝發(fā)展趨勢分析

　　硅基板的設(shè)計(jì)要根據(jù)倒裝LED芯片的電極版圖而制定，設(shè)計(jì)上硅基板上的電極要與芯片上電極相匹配。

　　同時(shí)為保證硅片表面布線層不受外界水汽和腐蝕環(huán)境的破壞，需要在硅片表面的金屬布線層表面制作一層鈍化保護(hù)層。在硅片表面布線和鈍化層制作好后，為了實(shí)現(xiàn)LED芯片與硅基板的焊接，需要在硅基板表面制作與LED芯片電極對應(yīng)的凸點(diǎn)金屬。

　　硅基板的優(yōu)點(diǎn)是利于集成，可將ESD、電源控制IC等在基板制作的階段進(jìn)行集成和整合。缺點(diǎn)是易碎，不能作為封裝基材，還需要另外的外部封裝支架，成本高。

　　陶瓷基板則是現(xiàn)在最流行的倒裝LED基材，用于倒裝LED陶瓷基板表面的金屬布線主要采用DPC(Direct Plate Copper)工藝在完成。

　　DPC所制作的陶瓷基板能做到較細(xì)的線寬線距，能滿足倒裝LED芯片的精度需求。陶瓷基材對比起傳統(tǒng)支架所用的PPA、PCT等塑膠材料，有高導(dǎo)熱、耐高溫、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

　　所以陶瓷在大功率的應(yīng)用上有著巨大的優(yōu)勢，這點(diǎn)更有利于發(fā)揮倒裝芯片大電流和高可靠性的特點(diǎn)。

　　3.4.2、基板金屬凸點(diǎn)工藝

　　由于需要進(jìn)行電性的連接，需要在基板上制作金屬凸點(diǎn)，通過金屬凸點(diǎn)與LED芯片的金屬焊盤連接；當(dāng)然也可以將金屬凸點(diǎn)做在LED芯片的金屬焊盤上，但比較少用，因?yàn)槟壳癓ED圓片還是以2寸為主，在LED圓片上加工凸點(diǎn)金屬成本效益不高。

　　凸點(diǎn)材料選擇通常要求其具有良好的重熔性能，由于其在重熔的過程中起到自對準(zhǔn)及收縮的功能，有利于凸點(diǎn)的形成和焊接工藝。

　　根據(jù)材料的不同及應(yīng)用的不同，金屬凸點(diǎn)有多種制作方法，主要有以下幾種：　?。?）釘頭凸點(diǎn)法

　　釘頭Au凸點(diǎn)的制作方法如圖1。

　　先用電火花法在金線尖端形成球；

　　然后在加熱、加壓和超聲的作用下，將Au球焊接到基板電極上；

　　接著將線夾抬起并水平移動；再對Au線加熱并施加壓力；

　　最后提起線夾將金線拉斷，完成一個(gè)Au球。

　　對超聲功率、超聲時(shí)間、焊接壓力等工藝參數(shù)調(diào)整，可改變凸點(diǎn)的特性，如金凸點(diǎn)形狀，機(jī)械性能等。這一方法工藝簡單、容易實(shí)現(xiàn)、成本低，但其效率較低。

　　圖1 釘頭凸點(diǎn)過程

　?。?）濺射絲網(wǎng)印刷法

　　濺射絲網(wǎng)印刷法的制作流程如圖2所示。

　　先在基板上濺射上一層種層；

　　接著用光刻腐蝕的方法，使種層只保留凸點(diǎn)所在位置的金屬；

　　接著通過絲網(wǎng)印刷，在凸點(diǎn)位置上保有錫膏；

　　最后通過回流工藝，形成錫球凸點(diǎn)。

　　濺射絲網(wǎng)印刷法所制作的凸點(diǎn)精度由模板決定。

　　圖2 濺射絲網(wǎng)印刷法過程　?。?）電鍍凸點(diǎn)法

　　電鍍凸點(diǎn)法的制作流程如圖3所示。

　　先在基板上濺射種層（Seed Layer）并完整涂上厚光刻膠；

　　接著進(jìn)行曝光，開出凸點(diǎn)位置；

　　然后進(jìn)行整體電鍍，在開窗口的位置鍍上金屬；

　　最后去掉光刻膠及種層；則得到金屬凸點(diǎn)。

　　如果是一些共晶焊料，如SnPb，則還需要進(jìn)行回流形成合金。

　　圖3 電鍍凸點(diǎn)法過程

　　金屬凸點(diǎn)的制作，最重要的是凸點(diǎn)厚度（即高度）的控制；對于合金凸點(diǎn)，還需要精確控制合金凸點(diǎn)的組分，因?yàn)楹辖鸾M分直接決定了金屬凸點(diǎn)的熔點(diǎn)，對于后面的焊接工藝至關(guān)重要。

　　對于金凸點(diǎn)，還需通過工藝控制，精確控制凸點(diǎn)的硬度，以便在后面的倒裝焊接工序中能夠控制凸點(diǎn)的變形程度。

　　3.5 倒裝焊接工藝

　　要實(shí)現(xiàn)倒裝芯片，LED芯片需要焊接到基板表面。而實(shí)現(xiàn)倒裝LED芯片與基板間的焊接，常用的是金屬與金屬之間的共晶焊接工藝。

　　目前行業(yè)內(nèi)的共晶工藝一般有以下幾種：

　?。?）點(diǎn)助焊劑與焊料進(jìn)行共晶回流焊；

　　（2）使用金球鍵合的超聲熱壓焊工藝；

　　（3）金錫合金的共晶回流焊工藝。

　　其中第一種錫膏回流焊在目前器件的SMT貼片用得較多。目前在LED行業(yè)內(nèi)，后兩種焊接工藝使用較多，主要是倒裝LED芯片目前還主要倒裝在硅基或陶瓷基板上。

　　共晶回流焊主要針對的是PbSn、純Sn、SnAg等焊接金屬材料。這些金屬的特點(diǎn)是回流溫度相對較低。這一方法的特點(diǎn)是工藝簡單、成本低，但其回流溫度較低，不利于二次回流。

　　超聲熱壓焊工藝是將LED芯片和基板加熱到一定溫度后，在LED芯片上加上一定的壓力，使凸點(diǎn)產(chǎn)生一定的變形，增大接觸面積，然后在接觸界面加上一定的超聲功率。在熱和超聲摩擦的作用下使得芯片和基板上的金屬能夠發(fā)生鍵合。

　　目前金對金焊接（Gold to gold bonding）都采用這種方式焊接，這種焊接形成的鍵合連接十分穩(wěn)固保證了大電流的穩(wěn)定使用和長期工作的可靠。

　　金錫合金的共晶回流焊工藝是利用金錫合金(20%的錫)在280℃以上溫度時(shí)為液態(tài)，當(dāng)溫度慢慢下降時(shí)，會發(fā)生共晶反應(yīng)，形成良好的連接。金錫共晶的優(yōu)點(diǎn)是其共晶溫度高于二次回流的溫度，一般為290~310℃，整個(gè)合金回流時(shí)間較短，幾分鐘內(nèi)即可形成牢固的連接，操作方便，設(shè)備簡單；而且金錫合金與金或銀都能夠有較好的結(jié)合。

　　上面三種焊接工藝中，第一和第三種工藝都需要首先通過貼片機(jī)用錫膏或助焊劑將LED芯片貼在基板表面，然后再進(jìn)行回流焊接。由于倒裝LED芯片尺寸較小，對貼片機(jī)的精度的要求一般。貼片精度直接決定了芯片焊接后的對準(zhǔn)情況。

　　第二種方法超聲熱壓焊工藝需要采用專用的焊接機(jī)，對焊接機(jī)的要求較高，除對準(zhǔn)精度要求外，還需對基板和LED芯片固晶頭的溫度精確控制，對固晶頭壓力和超聲功率精確控制，因此這種專用焊接設(shè)備往往比較昂貴，相對來說工藝成本也會較高。　　4、倒裝LED的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

　　倒裝LED芯片由于其體積小、易于集成，在各個(gè)領(lǐng)域都能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的應(yīng)用。在倒裝芯片這一技術(shù)平臺上，能開發(fā)出多種產(chǎn)品。

　　4.1、陶瓷基LED光源

　　目前行業(yè)內(nèi)多家公司均已推出倒裝無金線的陶瓷基LED光源產(chǎn)品，在LED芯片倒裝在陶瓷基板上后，整片陶瓷基板去做熒光粉涂敷，然后用模具M(jìn)olding一次透鏡，這兩步封裝工藝都是整片一起完成的，最后再進(jìn)行切割、測試分類和卷帶包裝步驟，直接形成了陶瓷基無金線封裝光源產(chǎn)品，其工藝步驟如圖4所示。

　　這種封裝方法，封裝過程和芯片制造過程結(jié)合在一起，因此稱為芯片級封裝；同時(shí)封裝是整片一起完成的，不是單顆操作的，因此也稱為晶片級封裝（Wafer Level Package）。

　　圖4 陶瓷基無金線封裝工藝步驟

　　目前陶瓷基倒裝光源產(chǎn)品成為了倒裝LED芯片應(yīng)用的主流，國際上Philips Lumileds、Cree、三星等公司都已大量推出和銷售倒裝陶瓷基光源產(chǎn)品，臺灣新世紀(jì)、臺積電，國內(nèi)晶科電子、德豪潤達(dá)、天電等公司也已推出同類產(chǎn)品，在市場上的接受度越來越高，特別是在高端的室外照明更是成為了首要的選擇。

　　4.2 柔性基板光源

　　現(xiàn)在市面上出現(xiàn)了新型的LED光源，這種光源的結(jié)構(gòu)中，使用柔性基板代替陶瓷基板作為倒裝芯片的支撐，見圖5。這種結(jié)構(gòu)中，最主要的是用聚酰亞胺(Polyimide)等材料代替陶瓷作為支撐，用銅片作為導(dǎo)電和導(dǎo)熱的材料。

　　倒裝芯片通過共晶焊接與柔性基板的銅片相連接，最后經(jīng)過噴粉、Molding、切割、測試包裝等相同工序，則得到最終的與陶瓷基光源相同的光源。

　　圖5 柔性基板光源示意圖

　　由于與倒裝芯片接觸的為金(或銀)，與陶瓷基相同，所以倒裝芯片上并不需要做任何改變，而且能保證焊接的性能不變?；迳喜康慕饘偻高^通孔的銅與下部的焊盤進(jìn)行連接，保證了熱量直接在金屬中進(jìn)行傳導(dǎo)，保持優(yōu)秀的導(dǎo)熱性能。

　　但柔性基板也有其缺點(diǎn)。一是柔性基板太軟，需要對制作流程中的工藝進(jìn)行修改，目前還沒有成熟的匹配工藝；二是受限于其結(jié)構(gòu)，光源焊盤既是電性通道也是散熱通道，不能夠做到熱電分離。這樣會對燈具廠商提出一些燈具設(shè)計(jì)的額外要求。

　　現(xiàn)在國內(nèi)外很多公司已經(jīng)投入大量人力物力進(jìn)行柔性基板的研發(fā)，其優(yōu)勢的價(jià)格比陶瓷基板便宜，但目前基板和封裝工藝都還不成熟，預(yù)計(jì)不久的將來會有倒裝柔性基板產(chǎn)品推出。

　　4.3 白光芯片

　　現(xiàn)在LED業(yè)界最熱門的技術(shù)就是以倒裝LED芯片為核心的白光芯片。白光芯片是目前最適合倒裝LED芯片的一種封裝形式。

　　白光芯片的結(jié)構(gòu)如圖6，最終結(jié)構(gòu)是在倒裝芯片外部包覆上一層熒光膠，芯片發(fā)出的藍(lán)光經(jīng)過熒光膠轉(zhuǎn)換成白光。

　　白光芯片的最大特點(diǎn)就是小，其尺寸僅比芯片略大，是真正的芯片級封裝(CSP，Chip Scale Package)——封裝體面積與芯片面積之比小于1.4倍。

　　白光芯片具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

　　1)封裝體積小，方便設(shè)計(jì)整合Lens；

　　2)直接貼裝，無需基板，方便應(yīng)用；

　　3)散熱直接，熱阻低，可靠性高；

　　4)高密度集成，光色均勻性好；

　　5)封裝結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低。

　　應(yīng)用上，白光芯片可以對3535產(chǎn)品進(jìn)行直接替換，也可利用其易貼裝的特點(diǎn)，制作出高光密度的光源(如COB)，見圖6。在某些需要尺寸限制更大的領(lǐng)域中，如直下式背光，手機(jī)背光等，能有更大的發(fā)展空間。

　　圖6 白光芯片與白光芯片COB

　　5、結(jié)論

　　倒裝LED與正裝LED相比，具有高光效、高可靠性和易于集成的特點(diǎn)，使倒裝LED得到越來越廣泛的應(yīng)用。將倒裝LED技術(shù)與芯片級封裝技術(shù)相結(jié)合，能更進(jìn)一步提高白光LED光源的競爭力。

　　隨著芯片技術(shù)與封裝技術(shù)日益成熟，客戶對倒裝LED的認(rèn)識加深，倒裝LED將會有一個(gè)更遠(yuǎn)大的前程，將會在市場上占有更大的份額。