LED封裝技術(shù)

近年來,隨著生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展一日千里,令其發(fā)光亮度提高和壽命延長,加上生產(chǎn)成本大幅降低,迅速擴大了LED應用市場,如消費產(chǎn)品、訊號系統(tǒng)及一般等,于是其全球市場規(guī)?？焖俪砷L.2003年全球LED市場約44.8億美元 (高亮度LED市場約27億美元),較2002年成長17.3% (高亮度LED市場成長47%),乘著手機市場繼續(xù)增長之勢,預測2004年仍有14.0%的成長幅度可期.{HotTag}

在產(chǎn)品發(fā)展方面,之研發(fā)則成為 廠商們之重點開發(fā)項目.現(xiàn)時制造白光LED方法主要有四種:

一、藍LED+發(fā)黃光的螢光粉(如:YAG)

二、紅LED+綠LED+藍LED

三、紫外線LED+發(fā)紅/綠/藍光的螢光粉

四、藍LED+ZnSe單結(jié)晶基板

目前手機、數(shù)字相機、PDA等所使用之白光LED采用藍光單晶粒加YAG螢光而成.隨著手機閃光燈、大中尺寸(NB、LCD-TV等)顯示屏光源模塊以至特殊用途照明系統(tǒng)之應用逐漸增多.末來再擴展至用于一般照明系統(tǒng)設備,采用白光LED技術(shù)之大功率(High Power)LED市場將陸續(xù)顯現(xiàn).在技術(shù)方面,現(xiàn)時遇到最大挑戰(zhàn)是提升及保持亮度,若再增強其散熱能力,市場之發(fā)展深具潛力.

ASM在研發(fā)及生產(chǎn)自動化光電組件封裝設備上擁有超過二十年經(jīng)驗,業(yè)界現(xiàn)行有很多種提升LED亮度方法,無論從芯片及封裝設計層面,至封裝工藝都以提升散熱能力和增加發(fā)光效率為目標.在本文中,就LED封裝工藝的最新發(fā)展和成果作概括介紹及討論.

芯片設計

從芯片的演變歷程中發(fā)現(xiàn),各大LED生產(chǎn)商在上游磊晶技術(shù)上不斷改進,如利用不同的電極設計控制電流密度,利用ITO薄膜技術(shù)令通過LED的電流能平均分布等,使LED芯片在結(jié)構(gòu)上都盡可能產(chǎn)生最多的光子.再運用各種不同方法去抽出LED發(fā)出的每一粒光子,如生產(chǎn)不同外形的芯片;利用芯片周邊有效地控制光折射度提高LED取光效率,研制擴大單一芯片表面尺寸(>2mm2)增加發(fā)光面積,更有利用粗糙的表面增加光線的透出等等.有一些高亮度上p-n兩個電極的位置相距拉近,令芯片發(fā)光效率及散熱能力提高.而最近已有的生產(chǎn),就是利用新改良的激光溶解(Laser lift-off)及金屬黏合技術(shù)(metal bonding),將LED磊晶晶圓從GaAs或GaN長晶移走,并黏合到另一金屬基板上或其它具有高反射性及高熱傳導性的物質(zhì)上面,幫助大功率LED提高取光效率及散熱能力.

封裝設計

經(jīng)過多年的發(fā)展,垂直LED燈(φ3mm、φ5mm)和SMD燈(表面貼裝LED)已演變成一種標準產(chǎn)品模式.但隨著芯片的發(fā)展及需要,開拓出切合大功率的封裝產(chǎn)品設計,為了利用自動化組裝技術(shù)降低制造成本,大功率的SMD燈亦應運而生.而且,在可攜式消費產(chǎn)品市場急速的帶動下,大功率LED封裝體積設計也越小越薄以提供更闊的產(chǎn)品設計空間.

為了保持成品在封裝后的光亮度,新改良的大功率SMD器件內(nèi)加有杯形反射面,有助把全部的光線能一致地反射出封裝外以增加輸出流明.而蓋住LED上圓形的光學透鏡,用料上更改用以Silicone封膠,代替以往在環(huán)氧樹脂(Epoxy),使封裝能保持一定的耐用性.

封裝工藝及方案

半導體封裝之主要目的是為了確保半導體芯片和下層電路間之正確電氣和機械性的互相接續(xù),及保護芯片不讓其受到機械、熱、潮濕及其它種種的外來沖擊.選擇封裝方法、材料和運用機臺時,須考慮到LED磊晶的外形、電氣/機械特性和固晶精度等因素.因LED有其光學特性,封裝時也須考慮和確保其在光學特性上能夠滿足.

無論是垂直LED或SMD封裝,都必須選擇一部高精度的固晶機,因LED晶粒放入封裝的位置精準與否是直接影響整件封裝器件發(fā)光效能,若晶粒在反射杯內(nèi)的位置有所偏差,光線未能完全反射出來,影響成品的光亮度.但若一部固晶機擁有先進的預先圖像辨識系統(tǒng)(PR System),盡管品質(zhì)參差的引線框架,仍能精準地焊接于反射杯內(nèi)預定之位置上.

一般低功率LED器件(如指示設備和手機鍵盤的照明)主要是以銀漿固晶,但由于銀漿本身不能抵受高溫,在提升亮度的同時,發(fā)熱現(xiàn)象也會產(chǎn)生,因而影響產(chǎn)品.要獲得高品質(zhì)高功率的LED,新的固晶工藝隨之而發(fā)展出來,其中一種就是利用共晶焊接技術(shù),先將晶粒焊接于一散熱基板(soubmount)或熱沉(heat sink)上,然后把整件晶粒連散熱基板再焊接于封裝器件上,這樣就可增強器件散熱能力,令發(fā)光功率相對地增加.至于基板材料方面,硅(Silicon)、銅(Copper)及陶瓷(Ceramic)等都是一般常用的散熱基板物料.

共晶焊接

技術(shù)最關(guān)鍵是共晶材料的選擇及焊接溫度的控制.新一代的InGaN高亮度LED,如采用共晶焊接,晶粒底部可以采用純錫(Sn)或金錫(Au-Sn)合金作接觸面鍍層,晶?？珊附佑阱冇薪鸹蜚y的基板上.當基板被加熱至適合的共晶溫度時金或銀元素滲透到金錫合金層,合金層成份的改變提高溶點,令共晶層固化并將LED緊固的焊于熱沉或基板上(圖6).選擇共晶溫度視乎晶粒、基板及器件材料耐熱程度及往后SMT回焊制程時的溫度要求.考慮共晶固晶機臺時,除高位置精度外,另一重要條件就是有靈活而且穩(wěn)定的溫度控制,加有氮氣或混合氣體裝置,有助于在共晶過程中作防氧化保護.當然和銀漿固晶一樣,要達至高精度的固晶,有賴于嚴謹?shù)臋C械設計及高精度的馬達運動,才能令焊頭運動和焊力控制恰到好處之余,亦無損高產(chǎn)能及高良品率的要求.

進行共晶焊接工藝時亦可加入助焊劑,這技術(shù)最大的特點是無須額外附加焊力,故此不會因固晶焊力過大而令過多的共晶合金溢出,減低LED產(chǎn)生短路的機會.

覆晶(Flip Chip)焊接

覆晶焊接近年被積極地運用于大功率LED制程中,覆晶方法把GaN LED晶粒倒接合于散熱基板上,因沒有了金線焊墊阻礙,對提高亮度有一定的幫助.因為電流流通的距離縮短,電阻減低,所以熱的產(chǎn)生也相對降低.同時這樣的接合亦能有效地將熱轉(zhuǎn)至下一層的散熱基板再轉(zhuǎn)到器件外面去.當此工藝被應用在,不但提高光輸出,更可以使產(chǎn)品整體面積縮小,擴大產(chǎn)品的應用市場.

在覆晶LED技術(shù)發(fā)展上有兩個主要的方案:一是鉛錫球焊(Solder bump reflow)技術(shù);另一個是熱超聲(Thermosonic)焊接技術(shù).鉛錫球焊接已在IC封裝應用多時,工藝技術(shù)亦已成熟,故在此不再詳述.

針對低成本及低線數(shù)器件的生產(chǎn),熱超聲覆晶(Thermosonic flip chip)技術(shù)(圖11)尤其適用于大功率LED焊接.以金做焊接的接口,由于金此物本身熔點溫度較鉛錫球和銀漿高,對固晶后的制程設計方面更有彈性.此外,還有無鉛制程、工序簡單、金屬接位可靠等優(yōu)點.熱超聲覆晶工藝經(jīng)過多年的研究及經(jīng)驗累積,已掌握最優(yōu)化的制程參數(shù),而且在幾大LED生產(chǎn)商已成功地投入量產(chǎn).

足生產(chǎn)線使用外,其余大量的(如芯片粘片機、引線焊接機、測試機、編帶機)等自動化設備還全都依賴進口.

發(fā)展我國LDD裝備業(yè)的具體建議方案

建議國家在支持LED技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展中,把材料與工藝設備作為發(fā)展的基礎和原動力加以支持.在發(fā)展LED技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的過程中,建議我國走引進、消化、吸收、創(chuàng)新、提高的道路.具體方案如下:在國家支持下,通過國家、LED生產(chǎn)企業(yè)和設備及材料制造業(yè)三方聯(lián)合,建立具有孵化器功能的中國LED設備、材料、制造及應用聯(lián)合體.

為在短時間內(nèi)掌握并提高設備制造水平,帶動我國中高檔LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展,建議由聯(lián)合體共同籌措資金(國家50%,設備研制單位15%,芯片制造與封裝技術(shù)研究單位15%,LED芯片制造與封裝企業(yè)20%)建設一條完整的LED芯片制造與封裝示范生產(chǎn)線.該示范線以解決設備研制與工藝試驗、制造工藝技術(shù)研究與驗證、實現(xiàn)工藝技術(shù)與工藝設備成套供應為已任.凡參與該示范建設的單位,有權(quán)無償使用該生產(chǎn)線進行相關(guān)產(chǎn)品、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化研究與試驗,特別是LED產(chǎn)品生產(chǎn)單位,可優(yōu)先優(yōu)惠得到相關(guān)研究與產(chǎn)業(yè)化成果.

針對該示范線,實施三步走的戰(zhàn)略,最終實現(xiàn)商品化和本土化(詳見設備國產(chǎn)化方案表二).第一步:利用兩年左右的時間,對一些關(guān)鍵設備進行國產(chǎn)化(國家給予一定的獎金支持);對于國內(nèi)已經(jīng)具有一定基礎且具有性價比優(yōu)勢的普通設備則利用市場競爭原則,采取準入制擇優(yōu)配套(通過制訂標準);對于部分難度較大、短期內(nèi)國產(chǎn)化不了的設備,國家應安排攻關(guān),并完成生產(chǎn)型謊機開發(fā).第二步,從本方案實施的第三年起,第一步中涉及到的前兩類設備重點解決生產(chǎn)工藝的適應性、生產(chǎn)效率、可靠性、外觀及成本等問題,具備國內(nèi)配套及批量供應能力,攻關(guān)類設備完成生產(chǎn)型樣機商業(yè)化(γ型機)開發(fā).第三步,從本方案實施的第五年起,第一及第二步中涉及到的所有設備具備國際競爭能力,除滿足國內(nèi)需求外,要占領(lǐng)一定的國際市場;攻關(guān)設備能夠滿足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求并具備批量供應能力.

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