[专题]国内外封装技术现状与4大关键技术难题

2016-04-06   摘自 杭州市城市照明行业协会HZZM

LED封装

     以下对功率型GaN基LED光电器件覆晶倒装焊产业技术进行研究，介绍LED光电的发展历程、产品应用、研究方法、技术路线以及解决的关键问题。

国内外技术发展及现状

     GaN基发光二极管(LED)作为新一代的环保型固态光源，已经成为产业界的关注焦点。1992年，有“蓝光之父”之称的中村修二成功地制备出了Mg掺杂的p型GaN，随后在1993及1995年采用InGaN/GaN异质结结构成功制备了高亮度的蓝光LED，并因此而斩获了2014年度的诺贝尔物理学奖。目前，大功率、高亮度的白光LED已经成为了照明领域的发展热点。白光LED发光效率虽然已经达到了170lm/W，但离其理论值250lm/W尚有一定的差距，因此进一步提高其发光效率成为功率型白光LED的一个关键技术问题。

      一般来说，提高LED的发光效率有两种途径，分别是提高其内量子效率及光提取效率。另一方面，如何提高散热能力成为了功率型LED器件发展的另一个关键。随着LED功率的增大，特别是固态照明技术发展的需求，对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。

      由此可见，研究高取光效率、低热阻、高可靠性的封装技术是大功率LED走向实用及产业化的必经之路。覆晶(Flip-Chip)技术，也称为倒晶封装法，是一种在IC封装技术领域成熟的芯片封装工艺。因为能满足上述高性能封装的要求，基于覆晶技术的功率LED封装被认为是封装功率型高亮度LED的关键技术及发展趋势。在过去传统的水平及垂直式晶片结构中，正面电极的吸收及GaN-Air界面全反射临界角等因素会很大程度上影响光提取效率；另一方面，传统封装结构中，LED芯片的热量需经由衬底蓝宝石(其热导率仅为38W/m.K)传导至导热基板，导热路径较长，从而芯片的热阻较大。

     而采用覆晶技术形成的倒装结构，将蓝宝石衬底芯片进行倒置，芯片直接焊接在导热基板上，电极在底部与基板相互连接，也就避免了传统封装中芯片高低差带来的打线困难的问题。此时出射光从芯片顶部透明的蓝宝石衬底出射。该种倒装结构一方面在避免了金属电极对出射光遮挡的同时，还增大了出光界面处的全反射临界角，因此可以有效地提高光提取效率。另一方面，金属电极微凸点与导热系数高的硅、金属或陶瓷等基板直接接触，使得电流流通的距离缩短，电阻减低，热产生量降低，同时这样的结合使得热阻较低，可以很好地提高散热能力。

     此外，由于没有正面出光处金线的影响，白光LED产品的荧光粉涂覆工艺相对容易实施，尤其是荧光粉喷涂等工艺，其产品的光色一致性都将得到很大的提高。与传统封装相比，倒装结构还具有更简单的封装过程、更低的封装成本、更高的封装良品率等优势。覆晶结构由基板、UBM、焊球及芯片组成。将芯片与基板相连接的方式常采用共晶焊技术(Eutectic welding)。共晶焊又称低熔点合金焊接，具有热导率高、连接电阻小、散热均匀、焊接强度高、工艺一致性好等诸多优点，所以特别适用于大功率、有较高散热要求的功率器件的焊接。它的基本特点是：两种不同的金属可以在远低于各自熔点的温度下按照一定的比例形成合金。常见倒装LED的共晶金属层一般为Au/Sn合金(Au80Sn20)，Au80Sn20的共晶温度为282℃。

     共晶焊接分为直接焊接及助焊剂焊接。直接焊接是将底部有共晶合金的芯片在共晶机下直接热压共晶，共晶时压力不超过50g。该种方式无助焊剂、无清洗工艺、产量高，但一次性投入大。

     另一种共晶方式——助焊剂共晶，根据倒装LED芯片的电极尺寸，在基板上预先镀Au/Sn合金层，然后在基板上点助焊剂，将LED芯片固定在基板对应的合金层上，工业化生产过程中可以用普通固晶机换一种点胶头即可，再放入回流炉，使合金融化形成共晶焊焊接接头。该种工艺共晶焊剂的量比较难控制，回流曲线要根据不同的回流炉进行摸索，并且难以控制其稳定性，优点在于该工艺投入较小。

     两种共晶方法均需支架可承受金锡融化温度(大于320℃)，要求基板表面的镀金层粗糙度小于2微米，否则会造成熔融共晶材料不能完全填充界面不平的地方，不仅仅会增大器件的热阻，甚至使得芯片与基板的结合不稳固，影响封装质量等。此外，新固晶材料也随之出现了。2014年1月，Dexerials展示了导电接着剂，导电粒子只有5微米大小，使用导电胶，强力接着在基板上后，使得P/N极完全绝缘，最后导电粒子破裂后，完成电流导通。

     目前的Au/Sn合金的共晶需要300℃以上的操作温度，而使用LEP导电胶，操作温度控制在180℃附近，所以导热基板的选择性更多，可使用玻璃基板与PET基板。因此，从晶片、基板与设备各阶段都可以节省成本，而LED厂商仅需购买热压机搭配LEP导电胶，预估整体成本将比Au/Sn共晶的方式降低约30%。2001年，覆晶LED由Wierer等人首次提出，其光提取效率提高到了正装结构的1.6倍。2006年Shchekin等人在倒装AlGaInN LED芯片的基础上制作出薄膜倒装结构的LED芯片，该结构采用激光剥离技术去除蓝宝石衬底并减薄了n-GaN下方的本征GaN材料，LED芯片的光输出功率较普通倒装结构提升了两倍，在350mA电流驱动下，该结构的外量子效率达到36%。

     围绕了提高光提取效率、提高散热性能、倒装焊技术等方面，GaN基倒装LED做了很多学术方面的研究工作。同时，产业界也在紧密跟进。部分厂家以倒装技术为基础，推出了晶片级CSP封装产品。如：台湾晶电推出了最新的无封装晶片技术ELC、台湾台积固态照明的无封装PoD模组、Philips Lumileds推出的LUXEO NFlip Chip、LUXEONQ、CREE的XQ-B，XQ-ELED产品等。三星最近推出最新的覆晶产品，包括有中功率型LM131A、高功率型LH141A以及筒灯模块等。

 研究方法及技术路线

     基本研究思路是：LED模型的设计——散热能力的软件模拟、分析及优化——LED的一次光学设计——倒装芯片的焊接——涂覆荧光粉——LED产品成型。

（1）材料的选取标准。

     相关材料的选择应根据需要须满足一定的物理特性：如焊接材料的焊接稳定性、导热及导电能力，封装材料的透光性、热稳定性、抵抗外力能力及硬度、密度、折射率均匀性及稳定性、吸水性、混浊度、最高长期工作温度、防静电等。

（2）封装支架的设计及制备。

     ① 高导热率的导热基板材料，可供选择的材料有铝板(导热系数为231W/m.K)，铜板(385W/m.K)，陶瓷材料氮化铝(320W/m.K)，硅(191W/m.K)等；

     ② 为避免两电极在共晶时熔合，根据芯片的大小及电极位置设计一个具有合适高度和大小的绝缘中间阻挡层。

（3）LED产品模型结构散热情况的软件模拟、分析及结构参数的优化。

     根据设计的样品模型，采用相关的模拟软件分析模拟结果，通过改变结构参数对LED模型进行优化，以获得具有极佳散热能力的优化LED产品模型。

（4）对LED进行一次光学设计。

     采用光学设计模拟软件(如TracePro等)针对倒装芯片、封装支架、模粒、出光透镜等进行设计。目的是实现最佳的出光效率。

（5）倒装芯片的共晶焊接技术。

     ① 在封装支架的底部，将焊锡膏黏结于外接电路的正、负极上，在阻挡层位置处黏结具有一定高度的绝缘层，以避免两者的熔合，其高度要高于焊锡膏的高度。

     ② 将倒装芯片的正负两极精确对准封装支架的电路并黏结于支架底部，通过共晶焊工艺，控制温度，将倒装芯片牢固地焊接在支架上。

（6）荧光粉的喷涂涂覆技术。

     考虑到平面荧光粉涂覆工艺可以实现荧光粉土层的浓度、厚度及形状的可控性。实现出光光斑空间分布的均匀性及管间色度、亮度的均匀性等。

（7）Molding或者透镜成型、成产品。

     根据一次光学设计结构，采用透明环氧树脂或硅树脂在芯片的出光上方molding成弧行透镜，以增加光提取效率。

 需要解决的关键问题

（1）将覆晶芯片牢固地通过共晶焊接技术焊接在基板上成为关键技术之一。

     具体涉及到电极的对准、共晶过程中的温度控制、固晶力度、芯片及基板表面的粗糙程度等。

（2）保证正、负电极在工艺过程中不会熔合成为一个关键问题。

     具体涉及到如何设计及制备中间阻挡层以实现正负电极的有效阻隔。

（3）荧光粉的喷涂技术。

     主要是荧光粉涂覆的均匀性、厚度及形状等。

（4）出光效率，是技术上很重要的一个关键。

     避免在制造过程中，特别是焊接温度对覆晶芯片量子阱的损伤，导致出光效率的降低。

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