LED芯片設(shè)計及封裝設(shè)計成果概覽

　　目前手機、數(shù)字相機、PDA等背光源所使用之白光LED采用藍光單芯片加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(yīng)用逐漸增多。末來再擴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(HighPower)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(shè)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(shè)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(biāo)。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(shè)計

　　從芯片的演變歷程中發(fā)現(xiàn)，各大LED生產(chǎn)商在上游外延技術(shù)上不斷改進，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(Laserlift-off)及金屬黏合技術(shù)(metalbonding)，將LED外延晶圓從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外延的外形、電氣/機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，因LED芯片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。如圖1 示，若芯片在反射杯內(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(yù)先圖像辨識系統(tǒng)(PRSystem)，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)，先將芯片焊接于一散熱基板(soubmount) 或熱沉(heatsink)上，然后把整件芯片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，芯片底部可以采用純錫(Sn)或金錫(Au- Sn)合金作接觸面鍍層，芯片可焊接于鍍有金或銀的基板上。當(dāng)基板被加熱至適合的共晶溫度時(圖5)，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)。選擇共晶溫度視乎芯片、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?？紤]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(dāng)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(shè)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(FlipChip)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GaNLED芯片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 SMDLED，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(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(Solderbumpreflow)技術(shù);另一個是熱超聲(Thermosonic)焊接技術(shù)。鉛錫球焊接(圖10)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(Thermosonicflipchip)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(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、引線焊接機、測試機、編帶機)等自動化設(shè)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(shè)備作為發(fā)展的基礎(chǔ)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(shè)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(shè)備、材料、制造及應(yīng)用聯(lián)合體。

　　為在短時間內(nèi)掌握并提高設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備研制與工藝試驗、LED產(chǎn)品制造工藝技術(shù)研究與驗證、實現(xiàn)工藝技術(shù)與工藝設(shè)備成套供應(yīng)為已任。凡參與該示范建設(shè)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)LED生產(chǎn)設(shè)備商品化和本土化(詳見設(shè)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(shè)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(chǔ)且具有性價比優(yōu)勢的普通設(shè)備則利用市場競爭原則，采取準(zhǔn)入制擇優(yōu)配套(通過制訂標(biāo)準(zhǔn));對于部分難度較大、短期內(nèi)國產(chǎn)化不了的設(shè)備，國家應(yīng)安排攻關(guān)，并完成生產(chǎn)型?樣機開發(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(shè)備重點解決生產(chǎn)工藝的適應(yīng)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(yīng)能力，攻關(guān)類設(shè)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(shè)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(shè)備能夠滿足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求并具備批量供應(yīng)能力。