Si襯底LED芯片制造和封裝技術(shù)
1993年世界上第一只GaN基藍(lán)色led問(wèn)世以來(lái),LED制造技術(shù)的發(fā)展令人矚目。目前國(guó)際上商品化的GaN基LED均是在藍(lán)寶石襯底或SiC襯底上制造的。但藍(lán)寶石由于硬度高、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性差等原因,對(duì)后期器件加工和應(yīng)用帶來(lái)很多不便,SiC同樣存在硬度高且成本昂貴的不足之處,而價(jià)格相對(duì)便宜的si襯底由于有著優(yōu)良的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能和成熟的器件加工工藝等優(yōu)勢(shì),因此Si襯底GaN基LED制造技術(shù)受到業(yè)界的普遍關(guān)注。
目前日本日亞公司壟斷了藍(lán)寶石襯底上GaN基LED專(zhuān)利技術(shù),美國(guó)CREE公司壟斷了SiC襯底上GaN基LED專(zhuān)利技術(shù)。因此,研發(fā)其他襯底上的GaN基LED生產(chǎn)技術(shù)成為國(guó)際上的一個(gè)熱點(diǎn)。
1.1 技術(shù)路線
在si襯底上生長(zhǎng)GaN,制作LED藍(lán)光芯片。
工藝流程:在si襯底上生長(zhǎng)AlN緩沖層→生長(zhǎng)n型GaN→生長(zhǎng)InGaN多量子阱發(fā)光層→生長(zhǎng)P型AlGaN層→生長(zhǎng)p型GaN層→鍵合帶Ag反光層并形成p型歐姆接觸電極→剝離襯底并去除緩沖層→制作n型摻si層的歐姆接觸電極→合金→鈍化→劃片→測(cè)試→包裝。
1.2 主要制造工藝
si襯底GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。
圖1 si襯底GaN基LED芯片結(jié)構(gòu)圖
從結(jié)構(gòu)圖中看出,si襯底芯片為倒裝薄膜結(jié)構(gòu),從下至上依次為背面Au電極、si基板、粘接金屬、金屬反射鏡(P歐姆電極)、GaN外延層、粗化表面和Au電極。這種結(jié)構(gòu)芯片電流垂直分布,襯底熱導(dǎo)率高,可靠性高;發(fā)光層背面為金屬反射鏡,表面有粗化結(jié)構(gòu),取光效率高。
1.3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新性
用Si作GaN發(fā)光二極管襯底,雖然使LED的制造成本大大降低,也解決了專(zhuān)利壟斷問(wèn)題,然而與藍(lán)寶石和SiC相比,在Si襯底上生長(zhǎng)GaN更為困難,因?yàn)檫@兩者之間的熱失配和晶格失配更大,si與GaN的熱膨脹系數(shù)差別也將導(dǎo)致GaN膜出現(xiàn)龜裂,晶格常數(shù)差會(huì)在GaN外延層中造成高的位錯(cuò)密度;另外si襯底LED還可能因?yàn)閟i與GaN之問(wèn)有0.5 v的異質(zhì)勢(shì)壘而使開(kāi)啟電壓升高以及晶體完整性差造成P型摻雜效率低,導(dǎo)致串聯(lián)電阻增大,還有si吸收可見(jiàn)光會(huì)降低LED的外量子效率。
因此,針對(duì)上述問(wèn)題,深入研究和采用了發(fā)光層位錯(cuò)密度控制技術(shù)、化學(xué)剝離襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)、高可靠性高反光特性的P型GaN歐姆電極制備技術(shù)及鍵合技術(shù)、高出光效率的外延材料表面粗化技術(shù)、襯底圖形化技術(shù)、優(yōu)化的垂直結(jié)構(gòu)芯片設(shè)計(jì)技術(shù),在大量的試驗(yàn)和探索中,解決了許多技術(shù)難題,最終成功制備出尺寸1 mln×1 mm,350 mA下光輸出功率大于380 mW、發(fā)光波長(zhǎng)451 nm、工作電壓3.2 V的藍(lán)色發(fā)光芯片,完成課題規(guī)定的指標(biāo)。采用的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)創(chuàng)新性有以下幾個(gè)方面。
?。?)采用多種在線控制技術(shù),降低了外延材料中的刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò),改善了si與CaN兩者之間的熱失配和晶格失配,解決了GaN單晶膜的龜裂問(wèn)題,獲得了厚度大于4 m的無(wú)裂紋GaN外延膜。
?。?)通過(guò)引入A1N,A1GaN多層緩沖層,大大緩解了si襯底上外延GaN材料的應(yīng)力,提高了晶體質(zhì)量,從而提高了發(fā)光效率。
?。?)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)n.GaN層中Si濃度結(jié)構(gòu)及量子阱/壘之間的界面生長(zhǎng)條件,減小了芯片的反向漏電流并提高了芯片的抗靜電性能。
?。?)通過(guò)調(diào)節(jié)P型層鎂濃度結(jié)構(gòu),降低了器件的工作電壓;通過(guò)優(yōu)化P型GaN的厚度,改善了芯片的取光效率。
?。?)通過(guò)優(yōu)化外延層結(jié)構(gòu)及摻雜分布,減小串聯(lián)電阻,降低工作電壓,減少熱產(chǎn)生率,提升了LED的工作效率并改善器件的可靠性。
?。?)采用多層金屬結(jié)構(gòu),同時(shí)兼顧歐姆接觸、反光特性、粘接特性和可靠性,優(yōu)化焊接技術(shù),解決了銀反射鏡與p-GaN粘附不牢且接觸電阻大的問(wèn)題。
?。?)優(yōu)選了多種焊接金屬,優(yōu)化焊接條件,成功獲得了GaN薄膜和導(dǎo)電Si基板之間的牢固結(jié)合,解決了該過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋問(wèn)題。
?。?)通過(guò)濕法和干法相結(jié)合的表面粗化,減少了內(nèi)部全反射和波導(dǎo)效應(yīng)引起的光損失,提高LED的外量子效率,使器件獲得了較高的出光效率。
(9)解決了GaN表面粗化深度不夠且粗化不均勻的問(wèn)題,解決了粗化表面清洗不干凈的難題并優(yōu)化了N電極的金屬結(jié)構(gòu),在粗化的N極性n.GaN表面獲得了低阻且穩(wěn)定的歐姆接觸。
2 Si襯底LED封裝技術(shù)
2.1 技術(shù)路線
采用藍(lán)光LED激發(fā)YAG/硅酸鹽/氮氧化物多基色體系熒光粉,發(fā)射黃、綠、紅光,合成白光的技術(shù)路線。
工藝流程:在金屬支架/陶瓷支架上裝配藍(lán)光LED芯片(導(dǎo)電膠粘結(jié)工藝)一鍵合(金絲球焊工藝)一熒光膠涂覆(自動(dòng)化圖形點(diǎn)膠/自動(dòng)噴射工藝)一si膠封裝(模具灌膠工藝)一切筋一測(cè)試一包裝。
2.2 主要封裝工藝
Si襯底的功率型GaN基LED封裝采用仿流明的支架封裝形式,其外形有朗柏型、矩形和雙翼型。其制作過(guò)程為:使用導(dǎo)熱系數(shù)較高的194合金金屬支架,先將LED芯片粘接在金屬支架的反光杯底部,再通過(guò)鍵合工藝將金屬引線連接LED芯片與金屬支架電極,完成電氣連接,最后用有機(jī)封裝材料(如si膠)覆蓋芯片和電極引線,形成封裝保護(hù)和光學(xué)通道。這種封裝對(duì)于取光效率、散熱性能、加大工作電流密度的設(shè)計(jì)都是最佳的。其主要特點(diǎn)包括:熱阻低(小于10~c/w),可靠性高,封裝內(nèi)部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體,在一40~120 oC范圍,不會(huì)因溫度驟變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,使金絲與支架斷開(kāi),并防止有機(jī)封裝材料變黃,引線框架也不會(huì)因氧化而沾污;優(yōu)化的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使光學(xué)效率、外量子效率性能優(yōu)異,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。
圖2 封裝結(jié)構(gòu)圖
2.3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新性
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(zhǎng)、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(lái)提高芯片的取光效率,改善了芯片的熱特性,同時(shí)通過(guò)增大芯片面積,加大工作電流來(lái)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(lái)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(wèn)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(wèn)題,采用的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新性有以下幾點(diǎn)。
?。?)通過(guò)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。
?。?)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。
?。?)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 ooo h)。
?。?)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。
?。?)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。
?。?)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(cè)試結(jié)果
3.1 Sl襯底LED芯片
通過(guò)優(yōu)化si襯底表面的處理和緩沖層結(jié)構(gòu),成功生長(zhǎng)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(guò)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A異反射鏡蒸鍍前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(zhǎng)工藝,發(fā)光效率進(jìn)一步提高,通過(guò)改進(jìn)焊接技術(shù),減少了襯底轉(zhuǎn)移過(guò)程中芯片裂紋問(wèn)題,芯片制備的良率大幅度提高,且可靠性獲得改善。通過(guò)上述多項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用和改進(jìn),成功制備出尺寸1 mmx 1 mm,350 n 下光輸出功率大于380 mW的藍(lán)色發(fā)光芯片,發(fā)光波長(zhǎng)451 nnl,工作電壓3.2 V,完成課題規(guī)定的指標(biāo)。(維庫(kù)技術(shù)資料網(wǎng)http://www.dzsc.com/data 更多LED封裝技術(shù)可查看。)
表1為芯片光電性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果。
表1 芯片光電性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果
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(guò)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(guò)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(cè)試結(jié)果見(jiàn)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。
表2 藍(lán)光和白光LED封裝測(cè)試結(jié)果
4 結(jié)語(yǔ)
si襯底的CaN基LED制造技術(shù)是國(guó)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(shì):
第一,具有原創(chuàng)技術(shù)產(chǎn)權(quán),產(chǎn)品可銷(xiāo)往國(guó)際市場(chǎng),不受?chē)?guó)際專(zhuān)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(zhǎng),可承受的電流密度高。
第三,器件封裝工藝簡(jiǎn)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(jiǎn)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(lái)生產(chǎn)效率更高,因此成本低廉。
經(jīng)過(guò)三年的科技攻關(guān),課題申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利12項(xiàng)、實(shí)用新型專(zhuān)利7項(xiàng),該技術(shù)成功突破了美國(guó)、日本多年在半導(dǎo)體發(fā)光芯片(LED)方面的專(zhuān)利技術(shù)壁壘,打破了目前日本日亞公司壟斷藍(lán)寶石襯底和美國(guó)CREE公司壟斷SiC襯底半導(dǎo)體照明技術(shù)的局面,形成了藍(lán)寶石、SiC、Si襯底半導(dǎo)體照明技術(shù)方案三足鼎立的局面。因此采用si襯底GaN的LED產(chǎn)品的推出,對(duì)于促進(jìn)我國(guó)擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的半導(dǎo)體LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重大意義。
評(píng)論