功率型LED倒装芯片技术

作者:吴懿平 博士  武汉光电国家实验室 教授

LED(Light Emitting Diode)即发光二极管,被称为第四代照明光源或绿色光源,具有节能、环保、寿命长、体积小等特点,可以广泛应用于各种通用照明、指示、显示、装饰、背光源、和城市夜景等领域。在照明领域,LED高光效绿色光源产品已经取代了白炽灯、节能灯成为千家万户的首选。人类已经进入以LED为代表的新型照明光源时代。

目前大量应用的白光LED主要几乎都是通过蓝光LED芯片激发黄色荧光粉来实现的。蓝光LED芯片主要包含正装芯片、倒装芯片、垂直芯片三种结构,也代表了三个技术方向。相对于目前广泛应用的正装结构芯片,倒装LED芯片有三个特别明显的优点,不需要焊线工艺,大电流驱动亮度和可靠性好,均匀的荧光粉涂布,所以倒装LED芯片在成本控制的基础上将是市场下一代LED芯片发展的重点。

LED芯片技术路线

正装芯片

正装芯片属于水平结构,芯片的正负电极连线(即电流的位移矢量)与发光面平行,如图1(a)所示。这类芯片采用蓝宝石衬底外延生长,外延为出光和电气面蓝宝石为固晶面,芯片制作工艺相对简单。主要散热路径为100~250 μm较厚的蓝宝石衬底,热阻较高,同时电流需要通过线形的金属条结合透明电极层进行扩展,在较大电流时的电流分布的均匀性较差。在封装过程中需要引入直径25.4 μm (1 mil)左右的导电金属线实现电连接,该结构芯片比较适用于中小功率芯片封装成SMD(Surface Mounted Devices)形式的灯珠,以贴片形式组装成铝基板发光组件,常用于室内照明灯管、吸顶灯等灯具。正装芯片发展的时间最长,从1998年到现在依然是LED的主流,几乎每家芯片公司都以这个结构为基础进行不断地改善与技术革新。

垂直芯片

垂直结构芯片的正负电极连线(即电流的位移矢量)与发光面垂直,如图1(b)所示。该类芯片外延生长的衬底主要有碳化硅、硅、蓝宝石等。碳化硅衬底比较昂贵,普及率低,只有美国科锐公司(Cree)推出产品。硅和蓝宝石衬底晶圆在加工芯片之前需要键合新衬底,然后再进行生长衬底剥离等工艺,相对来说工艺复杂、成本也较高。封装结构仍然需要金线互连,但其散热效果好。垂直芯片比较适合中大功率LED产品,成本较高,主要应用于车灯、365 nm紫外、闪光灯、手电等领域。该类产品推广的厂家有欧司朗、旭明、普瑞东芝、晶能等,其中普瑞东芝与晶能采用硅衬底技术,一些日本厂商则采用氮化镓同质衬底的路线。

倒装芯片

倒装LED芯片也属于水平结构,大致与正装LED芯片结构相似,同样需要制作N型台阶、沉积ITO膜和金属电极,如图1(c)所示。但倒装LED芯片的出光与正装LED芯片相反,蓝宝石面出光外延一侧为固晶焊接面,因而称为覆晶结构,但制作工艺要比正装复杂。虽然只是简单翻转,倒装LED芯片的一系列优势就体现出来了。芯片焊盘与基板焊盘对应贴合,这样直接通过大面积的金属电极导电和散热,散热路径短(外延层离固晶区域仅几个微米的距离)效果很好,完全实现了无焊线互连,使得工作可靠性显著提高,不仅适合于中大功率LED应用和可穿戴等柔性支架的应用(如投光灯、工矿灯、柔性灯丝灯等场合),而且也适合小功率LED直至mini LED显示阵列等的应用。

表1 给出了三种LED结构的性能特点。

倒装LED芯片最初由Philips Lumileds于2007年推出,在后期的发展过程中,韩国三星、美国科锐和普瑞、台湾隆达和晶电等也相继推出了倒装LED芯片。大陆企业紧跟国际研发趋势,迅速进入倒装芯片的开发,很快就具有了较大的成本和规模制造优势。目前国内有多家芯片企业进行倒装LED芯片的开发,能稳定批量出货的厂家有三安、华灿、蓝光、晶科、德力、新广联等。

倒装LED芯片特性

结构特点

倒装LED芯片简单的理解就是将蓝宝石面贴装的正装LED芯片倒置为蓝宝石出光的一种结构。目前主流的倒装LED芯片采用的结构和工艺有一部分是从正装LED芯片导入,尤其DBR倒装LED芯片,大部分采用正装结构和工艺。但是倒装LED芯片的封装载体、工艺和环境与正装LED芯片存在较大的差异性,所以在芯片设计时会加入一些特殊的结构,如图2所示。

与正装LED芯片相比,倒装LED芯片具有一些自身的结构特点,包括以下3点:

1)芯片发光区边缘通过刻蚀工艺形成无导电物质结构实现除焊接电极外的区域完全绝缘。一般来说是通过RIE-ICP干刻工艺将芯片四周氮化镓外延层刻蚀干净露出蓝宝石衬底形成切割道,再沉积一层足够厚度的透明绝缘层。正装LED芯片由于外延层与固晶胶之间间隔较厚的蓝宝石衬底,不需要这样的结构。此外,这样的做法在共晶芯片制作过程中也可以不需要,但在采用普通锡膏焊接的芯片时,由于外延层与基板距离近,必须进行制作绝缘结构保护芯片,否则会造成芯片在封装回流焊后侧壁爬锡而漏电。

2)由于芯片固晶倒置的原因,为了更好的提取出光,需要在芯片前工艺段加工时在焊接电极层与外延之间插入一高效反光层。反射层设置的位置与普通正装LED芯片不同,正装LED芯片是在后工艺衬底减薄的基础上在蓝宝石面加镀一层反射层。根据材料不同,主要有银镜反射层和DBR(Distributed Bragg reflection)反射层两种。一般来说银镜采用溅射工艺,DBR采用蒸镀工艺。

3)因倒装LED芯片焊盘位于非出光面,与正装LED芯片不同,倒装芯片电极不会造成遮光的问题。因此,倒装LED芯片可充分利用这一结构优势,尽可能加大倒装LED芯片的焊盘面积来降低注入界面的电流密度和均匀电流分布,通过符合冶金原理的互连方法,高可靠地提高焊接强度,增加导热面积。在考虑固晶水平和基板加工精度的前提下,结合焊接后的应力情况,锡膏焊倒装LED芯片一般都采用正负电极等面积的大焊盘设计。

在三种LED芯片技术路线中,倒装LED芯片由于无需打线互连,可直接在各种基板表面(PCB、铝基板、陶瓷等)贴装,特别适合芯片级封装(直接在芯片制造阶段就完成了白光封装),形成芯片级的白光LED器件。由于倒装LED芯片散热好,可靠性高,能够承受大电流驱动,具有很高的性价比,因此,“倒装芯片+芯片级封装”是一个完美的组合,在LED白光器件成本和可靠性方面具有很强的优势,最近两年来成为了LED行业应用的热点和发展的方向。

性能特点

LED产业包括外延、芯片、封装和灯具产业链环节,当前产业发展态势呈现产业链垂直整合以降低产品成本,而通过将芯片和封装的技术环节垂直整合,可以进一步降低成本,以满足市场价格下行的压力需求。

对比研究了三种结构的LED芯片的电流与光输出变化规律,结果表明,对于同一芯片尺寸(1.16 mm×1.16 mm)的垂直结构LED、倒装结构LED和正装LED,倒装结构LED具有更好的抗大电流冲击稳定性和光输出性能,如图3所示。倒装结构的LED芯片还可以显著提高GaN基LED的光提取效率。透明电极透射率为0.9情况下,相对于正装结构,倒装结构分别可以使LED提取效率提高15.5%。

银镜倒装与DBR倒装

常用的倒装LED芯片按焊接类型可分为共晶焊倒装LED芯片和锡膏焊倒装LED芯片两类。共晶焊倒装LED芯片焊接层采用锡金合金材料进行共晶工艺焊接,焊接可靠性好,但制造成本过高导致市场应用范围较小,尤其是照明领域很难大面积推广。锡膏焊倒装LED芯片采用普通无铅锡膏材料回流工艺焊接,具有一定的焊接强度,综合成本低在通用照明领域普及度高,是本文重点关注的一类产品。

业界常常按反射层类型区分,一般分为为银镜倒装LED芯片和DBR倒装LED芯片两大类,如图4所示。市面上的倒装LED芯片一般是基于蓝宝石衬底外延生长的晶圆进行的开发,本文将作为重点讲述。

LED外延层有源区为360°圆周发光,芯片发光向下传播的光线如果不经过处理直接达到焊接区域,大部分的光将会被底部的焊接材料和填充材料所吸收而无法逸出。为了进一步提高倒装LED芯片的光效,在p型GaN层ITO膜以上,还需要镀一层反射率高的薄膜材料,这一层称为反射层(Reflecting layer,RFL)。银镜倒装LED芯片采用银膜作为反射层。银对于460 nm波长左右的光反射率达到95%以上,是一种重要的反射层薄膜材料。Ag金属活性较强,表面易氧化,因此在镀完反射层之后,往往还需要在表面镀上其他更稳定的金属如Ti、Pt、Au、TiW等,形成一个多层金属叠加的银镜结构。这层结构在倒装LED芯片里发挥三个方面的作用:(1)光线反射作用;(2)正极注入电流扩展作用;(3)横向导热的作用。后面的两项作用决定了银镜倒装LED芯片更加优越的性能。由于银镜基本上覆盖了整个发光区,所以在正装LED芯片里正极注入电流扩展为瓶颈的情况在银镜倒装LED芯片的结构中将不再出现,正极注入电流的扩展均匀性优于负极注入电流的扩展均匀性。银镜倒装LED芯片的设计上需要重点对负极的排列进行优化。一般来说,银镜倒装LED芯片的电极面的图像只观察到N的电流扩展条,如图4(a)所示。大致工艺路线如图5。

DBR的组成材料一般分为两种:半导体材料和绝缘材料。DBR倒装LED芯片采用绝缘氧化物的分布式布拉格结构作为反射层。分布式布拉格反射层(DBR,Distributed Bragg reflection)是一种以两种不同折射率材料交替生长方式排列起来的周期结构层。相比于传统的金属材料(如Al、Ag)作为反射镜,DBR的反射率更高,垂直入射可达到99%以上。理论而言,周期结构数越多,DBR的反射率越高。DBR反射层是提高LED芯片出光效率的一种有效方法。蓝光LED芯片常见的DBR结构材料为SiO2/TiO2。SiO2的散射性好,折射率低,而TiO2折射率很高,在可见光区还是透明的,质地坚硬,因此两者搭配是非常好的DBR组合。

DBR具有良好的绝缘性和稳定性,由于倒装LED芯片电极结构朝下,如果利用DBR的绝缘性,取代倒装LED芯片原有的绝缘层材料(SiO2、SiNX等),将其制作于金属电极表面,则可以同时实现芯片绝缘保护和反射底部光线的作用,提高芯片光效,同时减少芯片制造流程,提高生产效率,可谓一举多得。一般来说,银镜倒装LED芯片的电极面的图像跟正装LED芯片类似能同时观察到P和N的电流扩展条,如图4(b)所示。DBR倒装LED芯片工艺路线大致如图6所示。

由于结构和工艺上的差异,两类芯片在光电性能、机械性能和可靠性方面有较大的差别,表2较为详细地列举了各自的优缺点。

表2为两类倒装LED芯片的优缺点比较

根据表2的比较,两类倒装LED芯片应用的领域具有较大的差异性。银镜倒装LED芯片电流过驱的性能好,适用于功率型的COB(Chip On Board)封装,整个照明成品包括散热体系的性价比较高。DBR倒装LED芯片由于机械强度高、亮度高,适用于CSP、柔性灯丝、低电流密度高光效的COB及数码封装等。

倒装高压LED芯片

高压LED芯片属于一类芯片级集成的产品,将晶圆外延部分分割成多颗电性完全独立的微小型芯片(称芯粒或微晶),然后通过蒸镀金属电极形成芯粒串联,切割后成为阵列分布的较大尺寸芯片,实现芯片电压成倍数增长,一般来说高压芯片只有正负两个焊盘接外部电路。正装高压LED芯片能减少焊线数、简化驱动降成本,在照明领域获得了广泛的应用。正装高压LED芯片仍存在一些弊端。高压LED芯片属于小电流高电压驱动的产品,相对来说,电流比较容易均匀分布利于提升光效,但存在电极扩展条分布过多挡光及深刻蚀工艺牺牲发光面积降低亮度的问题。芯粒之间的桥联金属通道过于狭窄(出光考虑)影响提高功率使用,该位置也是市网浪涌冲击烧毁的高发区域。倒装高压LED芯片兼具可倒装LED芯片和高压LED芯片的优点,由于此类LED芯片的电流扩展结构和桥联金属通道为非出光区域,可以在结构上进行多分布及扩容设计,大幅提升电流的扩展性和增加桥连通道容纳电流的截面而不影响亮度(同时无需牺牲用于焊线考虑的N层台阶区域),使得倒装高压LED芯片在大电流使用下的光效和可靠性进一步提升。

高压倒装LED芯片的主要优势有:(1)高压倒装LED芯片受支架及芯片排布的影响小,封装的亮度稳定性高;相对于低压正装双晶封装的LED灯珠,其亮度有较大的优势;(2)高压倒装LED芯片的电极分布更合理,更利于大电流驱动,可靠性更高;(3)高压倒装LED芯片的固晶效率更高,进一步降低封装成本。

高压倒装LED芯片的工艺流程与倒装LED芯片相似成本接近,同时可以进一步提升倒装LED芯片大电流的参数性能和提升高压LED芯片的可靠性。在高密度集成模组方面,有利于降低固晶成本和驱动成本。参照高压LED芯片的发展情况,高压倒装LED芯片将会是倒装LED芯片的一个重要分支。

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