LED芯片倒裝工藝原理以及發展趨勢

裝晶片之所以被稱為“倒裝”是相對于傳統的金屬線鍵合連接方式(WireBonding)與植球后的工藝而言的。傳統的通過金屬線鍵合與基板連接的晶片電氣面朝上，而倒裝晶片的電氣面朝下，相當于將前者翻轉過來，故稱其為“倒裝晶片”。

　　倒裝芯片的實質是在傳統工藝的基礎上，將芯片的發光區與電極區不設計在同一個平面這時則由電極區面朝向燈杯底部進行貼裝，可以省掉焊線這一工序，但是對固晶這段工藝的精度要求較高，一般很難達到較高的良率。

　　倒裝晶片所需具備的條件：

　　①基材材是硅；②電氣面及焊凸在元件下表面；③組裝在基板后需要做底部填充。

　　倒裝芯片與與傳統工藝相比所具備的優勢：

　　通過MOCVD技術在蘭寶石襯底上生長GaN基LED結構層，由P/N結髮光區發出的光透過上面的P型區射出。由于P型GaN傳導性能不佳，為獲得良好的電流擴展，需要通過蒸鍍技術在P區表面形成一層Ni-Au組成的金屬電極層。P區引線通過該層金屬薄膜引出。為獲得好的電流擴展，Ni-Au金屬電極層就不能太薄。為此，器件的發光效率就會受到很大影響，通常要同時兼顧電流擴展與出光效率二個因素。但無論在什麼情況下，金屬薄膜的存在，總會使透光性能變差。此外，引線焊點的存在也使器件的出光效率受到影響。采用GaNLED倒裝芯片的結構可以從根本上消除上面的問題。

　　倒裝LED芯片技術行業應用分析：

　　近年，世界各國如歐洲各國、美國、日本、韓國和中國等皆有LED照明相關項目推行。其中，以我國所推廣的“十城萬盞”計劃最為矚目。路燈是城市照明不可缺少的一部分，傳統路燈通常采用高壓鈉燈或金鹵燈，這兩種光源最大的特點是發光的電弧管尺寸小，可以產生很大的光輸出，并且具有很高的光效。但這類光源應用在道路燈具中，只有約40%的光直接通過玻璃罩到達路面，60%的光通過燈具反射器反射后再從燈具中射出。因此目前傳統燈具基本存在兩個不足，一是燈具直接照射的方向上照度很高，在次干道可達到50Lx以上，這一區域屬明顯的過度照明，而兩個燈具的光照交叉處的照度僅為燈下中心位置的照度的20%-40%，光分布均勻度低；二是此類燈具的反射器效率一般僅為50%-60%，因此在反射過程中有大量的光損失，所以傳統高壓鈉燈或金鹵燈路燈總體效率在70-80%，均勻度低，且有照度的過度浪費。另外，高壓鈉燈和金鹵燈使用壽命通常小于6000小時，且顯色指數小于30；LED有著高效、節能、壽命長(5萬小時)、環保、顯色指數高(>75)等顯著優點，如何有效的將LED應用在道路照明上成為了LED及路燈廠家現時最熱門的話題。一般而言，根據路燈的使用環境對LED的光學設計、壽命保障、防塵和防水能力、散熱處理、光效等方面均有嚴格的要求。作為LED路燈的核心，LED芯片的制造技術和對應的封裝技術共同決定了LED未來在照明領域的應用前景。

　　1)LED芯片的發光效率提升

　　LED芯片發光效率的提高決定著未來LED路燈的節能能力，隨著外延生長技術和多量子阱結構的發展，外延片的內量子效率已有很大提高。要如何滿足路燈使用的標準，很大程度上取決于如何從芯片中用最少的功率提取最多的光，簡單而言，就是降低驅動電壓，提高光強。傳統正裝結構的LED芯片，一般需要在p-GaN上鍍一層半透明的導電層使電流分布更均勻，而這一導電層會對LED發出的光產生部分吸收，而且p電極會遮擋住部分光，這就限制了LED芯片的出光效率。而采用倒裝結構的LED芯片，不但可以同時避開P電極上導電層吸收光和電極墊遮光的問題，還可以通過在p-GaN表面設置低歐姆接觸的反光層來將往下的光線引導向上，這樣可同時降低驅動電壓及提高光強。(見圖1)另一方面，圖形化藍寶石襯底(PSS)技術和芯片表面粗糙化技術同樣可以增大LED芯片的出光效率50%以上。PSS結構主要是為了減少光子在器件內全反射而增加出光效率，而芯片表面粗糙化技術可以減少光線從芯片內部發射到芯片外部時在界面處發生反射的光線損失。目前，LED芯片采用倒裝結構和圖形化技術，1W功率芯片白光封裝后，5000K色溫下，光效最高達到134lm/W?！　?strong style="word-break: break-all;">2)LED芯片的壽命和可靠性

　　芯片的結溫和散熱

　　散熱問題是功率型白光LED需重點解決的技術難題，散熱效果的優劣直接關系到路燈的壽命和節能效果。LED是靠電子在能帶間躍遷產生光的，其光譜中不含有紅外部分，所以LED的熱量不能靠輻射散發。如果LED芯片中的熱量不能及時散發出去，會加速器件的老化。一旦LED的溫度超過最高臨界溫度(跟據不同外延及工藝，芯片溫度大概為150℃)，往往會造成LED永久性失效。有效地解決LED芯片的散熱問題，對提高LED路燈的可靠性和壽命具有重要作用。要做到這一點，最直接的方法莫過于提供一條良好的導熱通道讓熱量從結往外散出。在芯片的級別上，與傳統正裝結構以藍寶石襯底作為散熱通道相比，垂直及倒裝焊芯片結構有著較佳的散熱能力。垂直結構芯片直接采用銅合金作為襯底，有效地提高了芯片的散熱能力。倒裝焊(Flip-Chip)技術通過共晶焊將LED芯片倒裝到具有更高導熱率的硅襯底上(導熱系數約120W/mK，傳統正裝芯片藍寶石導熱系數約20W/mK)，芯片與襯底間的金凸點和硅襯底同時提高了LED芯片的散熱能力，保障LED的熱量能夠快速從芯片中導出。

　　芯片的ESD保護

　　另外，抗靜電釋放(ESD)能力是影響LED芯片可靠性的另一因素。藍寶石襯底的藍色芯片其正負電極均位于芯片上面，間距很??；對于InGaN/AlGaN/GaN雙異質結，InGaN活化簿層厚度僅幾十納米，對靜電的承受能力有限，很容易被靜電擊穿，使器件失效。為了防止靜電對LED芯片的損害，一方面可以采用將生產設備接地和隔離人體靜電等生產管理方法，另一方面可以在LED芯片中加入齊納保護電路。在應用到路燈領域中，傳統芯片結構ESDHBM最高約為2000V，通常需要在封裝過程中通過金線并聯一顆齊納芯片以提高ESD防護能力，不僅增加封裝成本和工藝難度，可靠性也有較大的風險。通過在硅襯底內部集成齊納保護電路的方法，可以大大提高LED芯片的抗靜電釋放能力(ESDHBM=4000~8000V)，同時節約封裝成本，簡化封裝工藝，并提高產品可靠性。

　　3)實例介紹倒裝芯片的穩定性

　　LED路燈通常為60-200W左右，目前主要采取兩種方式來實現，一種是通過“多顆芯片金線串并聯的模組”和“多顆LED通過PCB串并聯”的方式來實現高瓦數。無論哪種實現方式，均要求在封裝過程中通過焊線(Wire-bonding)的方式實現芯片與支架的電路連接，而焊接過程中瓷嘴對LED的芯片的沖擊是導致LED漏電、虛焊等主要原因，傳統正裝和垂直結構LED，電極位于芯片的發光表面，因此焊線過程中瓷嘴的正面沖擊極易造成發光區和電極金屬層等的損傷，在LED芯片采取倒裝結構中，電極位于硅基板上，焊線過程中不對芯片進行沖擊，極大地提高封裝可靠性和生產良率。

　　LED芯片的封裝要求

　　作為LED路燈的核心器件，LED芯片的性能需要通過LED封裝工藝來實現光效、壽命、穩定性、光學設計、散熱等能力的提升。由于芯片結構的不同，對應的封裝工藝也有較大的差異。

　　光效提升

　　正裝結構和垂直結構的芯片是GaN與熒光粉和硅膠接觸，而倒裝結構中是藍寶石(sapphire)與熒光粉和硅膠接觸。GaN的折射率約為2.4，藍寶石折射率為1.8，熒光粉折射率為1.7，硅膠折射率通常為1.4-1.5。藍寶石/(硅膠+熒光粉)和GaN/(硅膠+熒光粉)的全反射臨界角分別為51.1-70.8°和36.7-45.1°，在封裝結構中由藍寶石表面射出的光經由硅膠和熒光粉界面層的全反射臨界角更大，光線全反射損失大大降低。同時，芯片結構的設計不同，導致電流密度和電壓的不同，對LED的光效有明顯的影響。如傳統的正裝芯片通常電壓在3.5V以上，而倒裝結構芯片，由于電極結構的設計，電流分布更均勻，使LED芯片的電壓大幅度降低至2.8V-3.0V，因此，在同樣光通量的情況，倒裝芯片的光效比正裝芯片光效約高16-25%左右?！　?strong style="word-break: break-all;">可靠性提升

　　LED的可靠性由LED芯片、熒光粉、硅膠、支架、金線等材料共同決定，其中LED芯片產生的熱量如不能快速導出，將直接影響LED芯片的結溫和熒光粉、硅膠的可靠性。目前熒光粉根據體系不同，耐高溫能力也有較大的差別，通常熒光粉在100-120℃以上開始有衰減，因此如何降低LED芯片表面的溫度成為提高LED可靠性的關鍵因素。垂直結構芯片能夠通過金屬襯底將熱量快速導出至支架中，芯片表面溫度較低，正裝芯片熱量通過藍寶石導出至支架中，由于藍寶石導熱率較低(約20W/mK)，熱量無法快速導出，逐漸累積，對熒光粉的可靠性影響較大。倒裝結構的芯片的熱量絕大部分向下通過金凸點快速導入至硅基板(導熱率約120W/mK)中，再由硅基板導入支架中，而向上由于藍寶石導熱率低，只有小部分熱量積累在藍寶石中，實現熱(向下導出)和光的分離(向上射出)設計，同時藍寶石的表面溫度較低，可以延長熒光粉的老化周期，大大提高LED的