LED倒裝技術及工藝發展趨勢分析

　　硅基板的設計要根據倒裝LED芯片的電極版圖而制定，設計上硅基板上的電極要與芯片上電極相匹配。

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

　　硅基板的優點是利于集成，可將ESD、電源控制IC等在基板制作的階段進行集成和整合。缺點是易碎，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支架所用的PPA、PCT等塑膠材料，有高導熱、耐高溫、穩定性好等優點。

　　所以陶瓷在大功率的應用上有著巨大的優勢，這點更有利于發揮倒裝芯片大電流和高可靠性的特點。

　　3.4.2、基板金屬凸點工藝

　　由于需要進行電性的連接，需要在基板上制作金屬凸點，通過金屬凸點與LED芯片的金屬焊盤連接；當然也可以將金屬凸點做在LED芯片的金屬焊盤上，但比較少用，因為目前LED圓片還是以2寸為主，在LED圓片上加工凸點金屬成本效益不高。

　　凸點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及收縮的功能，有利于凸點的形成和焊接工藝。

　　根據材料的不同及應用的不同，金屬凸點有多種制作方法，主要有以下幾種：　　（1）釘頭凸點法

　　釘頭Au凸點的制作方法如圖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Au球。

　　對超聲功率、超聲時間、焊接壓力等工藝參數調整，可改變凸點的特性，如金凸點形狀，機械性能等。這一方法工藝簡單、容易實現、成本低，但其效率較低。

　　圖1 釘頭凸點過程

　　（2）濺射絲網印刷法

　　濺射絲網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，使種層只保留凸點所在位置的金屬；

　　接著通過絲網印刷，在凸點位置上保有錫膏；

　　最后通過回流工藝，形成錫球凸點。

　　濺射絲網印刷法所制作的凸點精度由模板決定。

　　圖2 濺射絲網印刷法過程　　（3）電鍍凸點法

　　電鍍凸點法的制作流程如圖3所示。

　　先在基板上濺射種層（Seed Layer）并完整涂上厚光刻膠；

　　接著進行曝光，開出凸點位置；

　　然后進行整體電鍍，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。

　　如果是一些共晶焊料，如SnPb，則還需要進行回流形成合金。

　　圖3 電鍍凸點法過程

　　金屬凸點的制作，最重要的是凸點厚度（即高度）的控制；對于合金凸點，還需要精確控制合金凸點的組分，因為合金組分直接決定了金屬凸點的熔點，對于后面的焊接工藝至關重要。

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

　　3.5 倒裝焊接工藝

　　要實現倒裝芯片，LED芯片需要焊接到基板表面。而實現倒裝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。

　　目前行業內的共晶工藝一般有以下幾種：

　　（1）點助焊劑與焊料進行共晶回流焊；

　　（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行業內，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。這些金屬的特點是回流溫度相對較低。這一方法的特點是工藝簡單、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，使凸點產生一定的變形，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固保證了大電流的穩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℃以上溫度時為液態，當溫度慢慢下降時，會發生共晶反應，形成良好的連接。金錫共晶的優點是其共晶溫度高于二次回流的溫度，一般為290~310℃，整個合金回流時間較短，幾分鐘內即可形成牢固的連接，操作方便，設備簡單；而且金錫合金與金或銀都能夠有較好的結合。

　　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用錫膏或助焊劑將LED芯片貼在基板表面，然后再進行回流焊接。由于倒裝LED芯片尺寸較小，對貼片機的精度的要求一般。貼片精度直接決定了芯片焊接后的對準情況。

　　第二種方法超聲熱壓焊工藝需要采用專用的焊接機，對焊接機的要求較高，除對準精度要求外，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的應用及發展趨勢

　　倒裝LED芯片由于其體積小、易于集成，在各個領域都能夠實現廣泛的應用。在倒裝芯片這一技術平臺上，能開發出多種產品。

　　4.1、陶瓷基LED光源

　　目前行業內多家公司均已推出倒裝無金線的陶瓷基LED光源產品，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Molding一次透鏡，這兩步封裝工藝都是整片一起完成的，最后再進行切割、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合在一起，因此稱為芯片級封裝；同時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品成為了倒裝LED芯片應用的主流，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品，臺灣新世紀、臺積電，國內晶科電子、德豪潤達、天電等公司也已推出同類產品，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

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

　　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。基板上部的金屬透過通孔的銅與下部的焊盤進行連接，保證了熱量直接在金屬中進行傳導，保持優秀的導熱性能。

　　但柔性基板也有其缺點。一是柔性基板太軟，需要對制作流程中的工藝進行修改，目前還沒有成熟的匹配工藝；二是受限于其結構，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計的額外要求。

　　現在國內外很多公司已經投入大量人力物力進行柔性基板的研發，其優勢的價格比陶瓷基板便宜，但目前基板和封裝工藝都還不成熟，預計不久的將來會有倒裝柔性基板產品推出。

　　4.3 白光芯片

　　現在LED業界最熱門的技術就是以倒裝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。

　　白光芯片的結構如圖6，最終結構是在倒裝芯片外部包覆上一層熒光膠，芯片發出的藍光經過熒光膠轉換成白光。

　　白光芯片的最大特點就是小，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點：

　　1)封裝體積小，方便設計整合Lens；

　　2)直接貼裝，無需基板，方便應用；

　　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)封裝結構簡單，制作成本低。

　　應用上，白光芯片可以對3535產品進行直接替換，也可利用其易貼裝的特點，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域中，如直下式背光，手機背光等，能有更大的發展空間。

　　圖6 白光芯片與白光芯片COB

　　5、結論

　　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，使倒裝LED得到越來越廣泛的應用。將倒裝LED技術與芯片級封裝技術相結合，能更進一步提高白光LED光源的競爭力。

　　隨著芯片技術與封裝技術日益成熟，客戶對倒裝LED的認識加深，倒裝LED將會有一個更遠大的前程，將會在市場上占有更大的份額。