共晶材料的選擇及焊接溫度的控制 高亮度LED封裝工藝及方案

隨著手機(jī)閃光燈、大中尺寸（NB、LCD-TV等） LED顯示屏光源模塊以至特殊用途照明系統(tǒng)之應(yīng)用逐漸增多。末來再擴(kuò)展至用于一般照明系統(tǒng)設(shè)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(qiáng)其散熱能力，市場之發(fā)展深具潛力。

近年來,隨著LED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(kuò)大了LED應(yīng)用市場，如消費產(chǎn)品、訊號系統(tǒng)及一般照明等，于是其全球市場規(guī)模快速成長。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(jī)市場繼續(xù)增長之勢,預(yù)測2004年仍有14.0%的成長幅度可期。

芯片設(shè)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(jìn)，如利用不同的電極設(shè)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(kuò)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LED芯片上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。而最近已有大功率LED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長晶基板移走，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(dǎo)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(yīng)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(shè)計也越小越薄以提供更闊的產(chǎn)品設(shè)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(xué)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(dǎo)體封裝之主要目的是為了確保半導(dǎo)體芯片和下層電路間之正確電氣和機(jī)械性的互相接續(xù)，及保護(hù)芯片不讓其受到機(jī)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(jī)臺時，須考慮到LED磊晶的外形、電氣/機(jī)械特性和固晶精度等因素。因LED有其光學(xué)特性，封裝時也須考慮和確保其在光學(xué)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(jī)，因LED晶粒放入封裝的位置精準(zhǔn)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(jī)擁有先進(jìn)的預(yù)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(zhǔn)地焊接于反射杯內(nèi)預(yù)定之位置上。

一般低功率LED器件（如指示設(shè)備和手機(jī)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(qiáng)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(dāng)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。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(jī)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(hù)。當(dāng)然和銀漿固晶一樣，要達(dá)至高精度的固晶，有賴于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋C(jī)械設(shè)計及高精度的馬達(dá)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(jìn)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(jī)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(dāng)此工藝被應(yīng)用在SMD LED，不但提高光輸出，更可以使產(chǎn)品整體面積縮小，擴(kuò)大產(chǎn)品的應(yīng)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(yīng)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)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(shè)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(jī)、引線焊接機(jī)、測試機(jī)、編帶機(jī)）等自動化設(shè)備還全都依賴進(jìn)口。