硅襯底LED芯片制造工藝分析

　　功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發光效率、發光波長、使用壽命等，現有的Si襯底的功率型GaN基LED芯片設計采用了垂直結構來提高芯片的取光效率，改善了芯片的熱特性，同時通過增大芯片面積，加大工作電流來提高器件的光電轉換效率，從而獲得較高的光通量，也因此給功率型LED的封裝設計、制造技術帶來新的課題。功率LED封裝重點是采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題。為達到封裝技術要求，在大量的試驗和探索中，分析解決相關技術問題，采用的關鍵技術和創新性有以下幾點。

　　(1)通過設計新型陶瓷封裝結構，減少了全反射，使器件獲得高取光效率和合適的光學空間分布。

　　(2)采用電熱隔離封裝結構和優化的熱沉設計，以適合薄膜芯片的封裝要求。

　　(3)采用高導熱系數的金屬支架，選用導熱導電膠粘結芯片，獲得低熱阻的良好散熱通道，使產品光衰 ≤5%(1 000 h)。

　　(4)采用高效、高精度的熒光膠配比及噴涂工藝，保證了產品光色參數可控和一致性。

　　(5)多層復合封裝，降低了封裝應力，實施SSB鍵合工藝和多段固化制程，提高了產品的可靠性。

　　(6)裝配保護二極管，使產品ESD靜電防護提高到8 000 V。

　　3 產品測試結果

　　3.1 Si襯底LED芯片

　　通過優化Si襯底表面的處理和緩沖層結構，成功生長出可用于大功率芯片的外延材料。采用Pt電極作為反射鏡，成功實現大功率芯片的薄膜轉移。采用銀作為反射鏡，大大提高了反射效率，通過改進反射鏡的設計并引入粗化技術，提高了光輸出功率。改進了Ag反射鏡蒸鍍前p型GaN表面的清洗工藝和晶片焊接工藝，改善了銀反射鏡的歐姆接觸，量子阱前引入緩沖結構，提高了芯片發光效率，優化量子阱/壘界面生長工藝，發光效率進一步提高，通過改進焊接技術，減少了襯底轉移過程中芯片裂紋問題，芯片制備的良率大幅度提高，且可靠性獲得改善。通過上述多項技術的應用和改進，成功制備出尺寸1 mm×1 mm，350 mA下光輸出功率大于380 mW的藍色發光芯片，發光波長451 nm，工作電壓3.2 V，完成課題規定的指標。表1為芯片光電性能參數測試結果。

　　注：測試條件為350 mA直流，Ta=25℃恒溫。

　　3.2 Si襯底LED封裝

　　根據LED的光學結構及芯片、封裝材料的性能，建立了光學設計模型和軟件仿真手段，優化了封裝的光學結構設計。通過封裝工藝技術改進，減少了光的全反射，提高了產品的取光效率。改進導電膠的點膠工藝方式，并對裝片設備工裝結構與精度進行了改進，采用電熱隔離封裝結構和優化的熱沉設計，降低了器件熱阻，提高了產品散熱性能。采用等離子清洗工藝，改善了LED封裝界面結合及可靠性。針對照明應用對光源的光色特性的不同要求，研究暖白、日光白、冷白光LED顏色的影響因素：芯片參數、熒光粉性能、配方、用量，并通過改進熒光膠涂覆工藝，提高了功率LED光色參數的控制能力，生產出與照明色域規范對檔的產品。藍光和白光LED封裝測試結果見表2。表中：φ為光通量;K為光效;P為光功率;R為熱阻;μ為光衰;I為飽和電流。

　　4 結語

　　Si襯底的GaN基LED制造技術是國際上第三條LED制造技術路線，是LED三大原創技術之一，與前兩條技術路線相比，具有四大優勢：第一，具有原創技術產權，產品可銷往國際市場，不受國際專利限制。第二，具有優良的性能，產品抗靜電性能好，壽命長，可承受的電流密度高。第三，器件封裝工藝簡單，芯片為上下電極，單引線垂直結構，在器件封裝時只需單電極引線，簡化了封裝工藝，節約了封裝成本。第四，由于Si襯底比前兩種技術路線使用的藍寶石和SiC價格便宜得多，而且將來生產效率更高，因此成本低廉。