硅襯底LED芯片簡介及主要制造工藝分析

　　功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發(fā)光效率、發(fā)光波長、使用壽命等，現(xiàn)有的Si襯底的功率型GaN基LED芯片設(shè)計(jì)采用了垂直結(jié)構(gòu)來提高芯片的取光效率，改善了芯片的熱特性，同時(shí)通過增大芯片面積，加大工作電流來提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率，從而獲得較高的光通量，也因此給功率型LED的封裝設(shè)計(jì)、制造技術(shù)帶來新的課題。功率LED封裝重點(diǎn)是采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題。為達(dá)到封裝技術(shù)要求，在大量的試驗(yàn)和探索中，分析解決相關(guān)技術(shù)問題，采用的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新性有以下幾點(diǎn)。

　　(1)通過設(shè)計(jì)新型陶瓷封裝結(jié)構(gòu)，減少了全反射，使器件獲得高取光效率和合適的光學(xué)空間分布。

　　(2)采用電熱隔離封裝結(jié)構(gòu)和優(yōu)化的熱沉設(shè)計(jì)，以適合薄膜芯片的封裝要求。

　　(3)采用高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬支架，選用導(dǎo)熱導(dǎo)電膠粘結(jié)芯片，獲得低熱阻的良好散熱通道，使產(chǎn)品光衰 ≤5%(1 000 h)。

　　(4)采用高效、高精度的熒光膠配比及噴涂工藝，保證了產(chǎn)品光色參數(shù)可控和一致性。

　　(5)多層復(fù)合封裝，降低了封裝應(yīng)力，實(shí)施SSB鍵合工藝和多段固化制程，提高了產(chǎn)品的可靠性。

　　(6)裝配保護(hù)二極管，使產(chǎn)品ESD靜電防護(hù)提高到8 000 V。

　　3 產(chǎn)品測試結(jié)果

　　3.1 Si襯底LED芯片

　　通過優(yōu)化Si襯底表面的處理和緩沖層結(jié)構(gòu)，成功生長出可用于大功率芯片的外延材料。采用Pt電極作為反射鏡，成功實(shí)現(xiàn)大功率芯片的薄膜轉(zhuǎn)移。采用銀作為反射鏡，大大提高了反射效率，通過改進(jìn)反射鏡的設(shè)計(jì)并引入粗化技術(shù)，提高了光輸出功率。改進(jìn)了Ag反射鏡蒸鍍前p型GaN表面的清洗工藝和晶片焊接工藝，改善了銀反射鏡的歐姆接觸，量子阱前引入緩沖結(jié)構(gòu)，提高了芯片發(fā)光效率，優(yōu)化量子阱/壘界面生長工藝，發(fā)光效率進(jìn)一步提高，通過改進(jìn)焊接技術(shù)，減少了襯底轉(zhuǎn)移過程中芯片裂紋問題，芯片制備的良率大幅度提高，且可靠性獲得改善。通過上述多項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用和改進(jìn)，成功制備出尺寸1 mm×1 mm，350 mA下光輸出功率大于380 mW的藍(lán)色發(fā)光芯片，發(fā)光波長451 nm，工作電壓3.2 V，完成課題規(guī)定的指標(biāo)。表1為芯片光電性能參數(shù)測試結(jié)果。

　　注：測試條件為350 mA直流，Ta=25℃恒溫。

　　3.2 Si襯底LED封裝

　　根據(jù)LED的光學(xué)結(jié)構(gòu)及芯片、封裝材料的性能，建立了光學(xué)設(shè)計(jì)模型和軟件仿真手段，優(yōu)化了封裝的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過封裝工藝技術(shù)改進(jìn)，減少了光的全反射，提高了產(chǎn)品的取光效率。改進(jìn)導(dǎo)電膠的點(diǎn)膠工藝方式，并對(duì)裝片設(shè)備工裝結(jié)構(gòu)與精度進(jìn)行了改進(jìn)，采用電熱隔離封裝結(jié)構(gòu)和優(yōu)化的熱沉設(shè)計(jì)，降低了器件熱阻，提高了產(chǎn)品散熱性能。采用等離子清洗工藝，改善了LED封裝界面結(jié)合及可靠性。針對(duì)照明應(yīng)用對(duì)光源的光色特性的不同要求，研究暖白、日光白、冷白光LED顏色的影響因素：芯片參數(shù)、熒光粉性能、配方、用量，并通過改進(jìn)熒光膠涂覆工藝，提高了功率LED光色參數(shù)的控制能力，生產(chǎn)出與照明色域規(guī)范對(duì)檔的產(chǎn)品。藍(lán)光和白光LED封裝測試結(jié)果見表2。表中：φ為光通量;K為光效;P為光功率;R為熱阻;μ為光衰;I為飽和電流。

　　4 結(jié)語

　　Si襯底的GaN基LED制造技術(shù)是國際上第三條LED制造技術(shù)路線，是LED三大原創(chuàng)技術(shù)之一，與前兩條技術(shù)路線相比，具有四大優(yōu)勢：第一，具有原創(chuàng)技術(shù)產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品可銷往國際市場，不受國際專利限制。第二，具有優(yōu)良的性能，產(chǎn)品抗靜電性能好，壽命長，可承受的電流密度高。第三，器件封裝工藝簡單，芯片為上下電極，單引線垂直結(jié)構(gòu)，在器件封裝時(shí)只需單電極引線，簡化了封裝工藝，節(jié)約了封裝成本。第四，由于Si襯底比前兩種技術(shù)路線使用的藍(lán)寶石和SiC價(jià)格便宜得多，而且將來生產(chǎn)效率更高，因此成本低廉。