无铅焊料凸点倒装LED芯片技术

作者:吴懿平  博士

LED 160824引言

LED光源作为一种新型固态照明产品,已经可以完全替代传统照明,成为人们日常生活中的基本需求产品。主流的LED照明白光产生方法是通过在蓝宝石衬底上生长的氮化镓LED,通电而发出蓝色光,再通过激发荧光粉发出黄色光,进而合成可供照明的白色光源。与其他技术发明相比,LED白光照明技术是目前人类发明的、少有的最正面的技术:固体发光、高效节能、绿色环保、成本低廉、制造先进、智能组合和变化多端。无论从生产过程、服役使用以及失效废弃等的全生命周期,半导体照明技术几乎无其他负面性。

LED器件的发光效率、成本和可靠性是LED在照明领域永恒的三大课题。其中,LED功率型器件发光效率的提升,需要从材料、外延层结构、芯片设计和封装工艺等多种途径持续研发突破。目前LED的发光效率已经超过市场应用的其他任何光源的发光效率(如荧光灯和节能灯)。但低成本化永远是推动市场份额的最重要的力量。如何在成本降低的同时又需要保证产品具有高可靠性等品质,其深入研发而产生的创新成果就成为业界趋于追逐的焦点。

传统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并购和投资进行产业链垂直整合以降低成本,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。因此将传统IC领域的倒装封装以及由此技术发展出来的芯片级封装技术的概念引入LED领域,也就出现了倒装LED芯片和芯片级封装LED芯片(CSP),为LED产业的垂直整合提供了很好的技术途径。在市场需求量迅速提升,应对价格下降的压力越来越大的情况下,倒装LED芯片与芯片级尺寸封装技术(CSP封装技术)的发展就成为必然的趋势。本文就是在此背景下,向读者介绍我们在低成本倒装LED封装技术领域的成果。

倒装LED芯片介绍

LED芯片技术路线包含正装结构、垂直结构和倒装结构三个技术方向,由于倒装芯片免去了金线互连,且可直接在各种基板表面(PCB、陶瓷和各种SMD支架等)贴装,因此倒装封装技术能与下游的组装封装技术相兼容,并发展出晶圆级倒装LED封装技术和芯片级的LED器件技术(直接在芯片制造阶段就完成白光封装)。

LED 160824A最初的正装LED芯片结构如图1(a)所示,从上至下的材料分别为:p型GaN,发光层(多量子阱,MQWs),n型GaN,蓝宝石衬底。正装芯片LED电极(压焊点)处于芯片的上方,会吸收部分发射光,而p型GaN层内又存在有扩散电流分布不均匀等问题,同时,金线键合的方式使得正装LED散热能力较差,热阻较高。

为提高LED的散热性能与光提取效率,避免正装芯片电极挤占芯片发光面积,倒装LED芯片技术应运而生。倒装LED的基本结构如图1(b)所示,由上至下其结构分别为:衬底,n型GaN层,有源层(发射层,多量子阱,MQWs),p型GaN层,金属电极与凸点。倒装LED芯片蓝宝石衬底朝上,电极凸点与基板向下直接相连,使热途径减到最短,大大地增强了芯片的导热能力;电极不再挤占更多的有效发光面积,单位尺寸的发光功率更大,尺寸更小,光学更容易匹配;光通过衬底射出,因此p型GaN层的电流扩散层厚度可增加,电流扩展能力增强,其电流密度增大;减免了引线键合的工艺过程,大大提升了芯片封装的可靠性,同时封装设备与工艺也更简单,成本更低;此外,芯片的抗静电能力与出光效率也得到提升ED芯片封装主要是通过回流焊或金锡共晶焊的方式实现焊接,其基本封装工艺流程如图2所示。LED 160824B

由于倒装芯片的出光效率高、散热条件好、单位面积的出光功率大、可靠性高、批量化制造成本低和能够承受大电流驱动等一系列优点,使得倒装LED照明技术具有很高的性价比。基于“倒装LED芯片的表面贴装器件(SMD)”、“倒装LED芯片的芯片级封装器件(CSP)”、“倒装LED芯片的COB组件”或“倒装LED芯片的多芯片模组(MCM)”等成为了完美的LED光源技术组合,使得白光LED器件在成本和可靠性方面具有很强的优势,成为LED行业研究的热点和发展的主流方向,也是新型LED市场的后期之秀,预计很快就会占领LED照明的半壁江山。

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