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LED芯片倒装工艺原理以及发展趋势解析
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灯具, 节能灯, LED照明, 日光灯, 荧光灯, ...
装晶片之所以被称为“倒装”是相对于传统的金属线键合连接方式(WireBonding)与植球后的工艺而言的。传统的通过金属线键合与基板连接的晶片电气面朝上,而倒装晶片的电气面朝下,相当于将前者翻转过来,故称其为“倒装晶片”。

倒装芯片的实质是在传统工艺的基础上,将芯片的发光区与电极区不设计在同一个平面这时则由电极区面朝向灯杯底部进行贴装,可以省掉焊线这一工序,但是对固晶这段工艺的精度要求较高,一般很难达到较高的良率。

倒装晶片所需具备的条件:

①基材材是硅;②电气面及焊凸在元件下表面;③组装在基板后需要做底部填充。

倒装芯片与与传统工艺相比所具备的优势:

通过MOCVD技术在兰宝石衬底上生长GaN基LED结构层,由P/N结髮光区发出的光透过上面的P型区射出。由于P型GaN传导性能不佳,为获得良好的电流扩展,需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni-Au组成的金属电极层。P区引线通过该层金属薄膜引出。为获得好的电流扩展,Ni-Au金属电极层就不能太薄。为此,器件的发光效率就会受到很大影响,通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素。但无论在什麼情况下,金属薄膜的存在,总会使透光性能变差。此外,引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响。采用GaNLED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题。

倒装LED芯片技术行业应用分析:

近年,世界各国如欧洲各国、美国、日本、韩国和中国等皆有LED照明相关项目推行。其中,以我国所推广的“十城万盏”计划最为瞩目。路灯是城市照明不可缺少的一部分,传统路灯通常采用高压钠灯或金卤灯,这两种光源最大的特点是发光的电弧管尺寸小,可以产生很大的光输出,并且具有很高的光效。但这类光源应用在道路灯具中,只有约40%的光直接通过玻璃罩到达路面,60%的光通过灯具反射器反射后再从灯具中射出。

因此目前传统灯具基本存在两个不足,一是灯具直接照射的方向上照度很高,在次干道可达到50Lx以上,这一区域属明显的过度照明,而两个灯具的光照交叉处的照度仅为灯下中心位置的照度的20%-40%,光分布均匀度低;二是此类灯具的反射器效率一般仅为50%-60%,因此在反射过程中有大量的光损失,所以传统高压钠灯或金卤灯路灯总体效率在70-80%,均匀度低,且有照度的过度浪费。另外,高压钠灯和金卤灯使用寿命通常小于6000小时,且显色指数小于30;LED有着高效、节能、寿命长(5万小时)、环保、显色指数高(>75)等显著优点,如何有效的将LED应用在道路照明上成为了LED及路灯厂家现时最热门的话题。一般而言,根据路灯的使用环境对LED的光学设计、寿命保障、防尘和防水能力、散热处理、光效等方面均有严格的要求。作为LED路灯的核心,LED芯片的制造技术和对应的封装技术共同决定了LED未来在照明领域的应用前景。

1)LED芯片的发光效率提升

LED芯片发光效率的提高决定着未来LED路灯的节能能力,随着外延生长技术和多量子阱结构的发展,外延片的内量子效率已有很大提高。要如何满足路灯使用的标准,很大程度上取决于如何从芯片中用最少的功率提取最多的光,简单而言,就是降低驱动电压,提高光强。传统正装结构的LED芯片,一般需要在p-GaN上镀一层半透明的导电层使电流分布更均匀,而这一导电层会对LED发出的光产生部分吸收,而且p电极会遮挡住部分光,这就限制了LED芯片的出光效率。而采用倒装结构的LED芯片,不但可以同时避开P电极上导电层吸收光和电极垫遮光的问题,还可以通过在p-GaN表面设置低欧姆接触的反光层来将往下的光线引导向上,这样可同时降低驱动电压及提高光强。另一方面,图形化蓝宝石衬底(PSS)技术和芯片表面粗糙化技术同样可以增大LED芯片的出光效率50%以上。PSS结构主要是为了减少光子在器件内全反射而增加出光效率,而芯片表面粗糙化技术可以减少光线从芯片内部发射到芯片外部时在界面处发生反射的光线损失。目前,LED芯片采用倒装结构和图形化技术,1W功率芯片白光封装后,5000K色温下,光效最高达到134lm/W。

2)LED芯片的寿命和可靠性

芯片的结温和散热

散热问题是功率型白光LED需重点解决的技术难题,散热效果的优劣直接关系到路灯的寿命和节能效果。LED是靠电子在能带间跃迁产生光的,其光谱中不含有红外部分,所以LED的热量不能靠辐射散发。如果LED芯片中的热量不能及时散发出去,会加速器件的老化。一旦LED的温度超过最高临界温度(跟据不同外延及工艺,芯片温度大概为150℃),往往会造成LED永久性失效。有效地解决LED芯片的散热问题,对提高LED路灯的可靠性和寿命具有重要作用。要做到这一点,最直接的方法莫过于提供一条良好的导热通道让热量从结往外散出。在芯片的级别上,与传统正装结构以蓝宝石衬底作为散热通道相比,垂直及倒装焊芯片结构有着较佳的散热能力。垂直结构芯片直接采用铜合金作为衬底,有效地提高了芯片的散热能力。倒装焊(Flip-Chip)技术通过共晶焊将LED芯片倒装到具有更高导热率的硅衬底上(导热系数约120W/mK,传统正装芯片蓝宝石导热系数约20W/mK),芯片与衬底间的金凸点和硅衬底同时提高了LED芯片的散热能力,保障LED的热量能够快速从芯片中导出。

芯片的ESD保护

另外,抗静电释放(ESD)能力是影响LED芯片可靠性的另一因素。蓝宝石衬底的蓝色芯片其正负电极均位于芯片上面,间距很小;对于InGaN/AlGaN/GaN双异质结,InGaN活化簿层厚度仅几十纳米,对静电的承受能力有限,很容易被静电击穿,使器件失效。为了防止静电对LED芯片的损害,一方面可以采用将生产设备接地和隔离人体静电等生产管理方法,另一方面可以在LED芯片中加入齐纳保护电路。在应用到路灯领域中,传统芯片结构ESDHBM最高约为2000V,通常需要在封装过程中通过金线并联一颗齐纳芯片以提高ESD防护能力,不仅增加封装成本和工艺难度,可靠性也有较大的风险。通过在硅衬底内部集成齐纳保护电路的方法,可以大大提高LED芯片的抗静电释放能力(ESDHBM=4000~8000V),同时节约封装成本,简化封装工艺,并提高产品可靠性。

3)实例介绍倒装芯片的稳定性

LED路灯通常为60-200W左右,目前主要采取两种方式来实现,一种是通过“多颗芯片金线串并联的模组”和“多颗LED通过PCB串并联”的方式来实现高瓦数。无论哪种实现方式,均要求在封装过程中通过焊线(Wire-bonding)的方式实现芯片与支架的电路连接,而焊接过程中瓷嘴对LED的芯片的冲击是导致LED漏电、虚焊等主要原因,传统正装和垂直结构LED,电极位于芯片的发光表面,因此焊线过程中瓷嘴的正面冲击极易造成发光区和电极金属层等的损伤,在LED芯片采取倒装结构中,电极位于硅基板上,焊线过程中不对芯片进行冲击,极大地提高封装可靠性和生产良率。

LED芯片的封装要求

作为LED路灯的核心器件,LED芯片的性能需要通过LED封装工艺来实现光效、寿命、稳定性、光学设计、散热等能力的提升。由于芯片结构的不同,对应的封装工艺也有较大的差异。

光效提升

正装结构和垂直结构的芯片是GaN与荧光粉和硅胶接触,而倒装结构中是蓝宝石(sapphire)与荧光粉和硅胶接触。GaN的折射率约为2.4,蓝宝石折射率为1.8,荧光粉折射率为1.7,硅胶折射率通常为1.4-1.5。蓝宝石/(硅胶+荧光粉)和GaN/(硅胶+荧光粉)的全反射临界角分别为51.1-70.8°和36.7-45.1°,在封装结构中由蓝宝石表面射出的光经由硅胶和荧光粉界面层的全反射临界角更大,光线全反射损失大大降低。同时,芯片结构的设计不同,导致电流密度和电压的不同,对LED的光效有明显的影响。如传统的正装芯片通常电压在3.5V以上,而倒装结构芯片,由于电极结构的设计,电流分布更均匀,使LED芯片的电压大幅度降低至2.8V-3.0V,因此,在同样光通量的情况,倒装芯片的光效比正装芯片光效约高16-25%左右。

可靠性提升

LED的可靠性由LED芯片、荧光粉、硅胶、支架、金线等材料共同决定,其中LED芯片产生的热量如不能快速导出,将直接影响LED芯片的结温和荧光粉、硅胶的可靠性。目前荧光粉根据体系不同,耐高温能力也有较大的差别,通常荧光粉在100-120℃以上开始有衰减,因此如何降低LED芯片表面的温度成为提高LED可靠性的关键因素。垂直结构芯片能够通过金属衬底将热量快速导出至支架中,芯片表面温度较低,正装芯片热量通过蓝宝石导出至支架中,由于蓝宝石导热率较低(约20W/mK),热量无法快速导出,逐渐累积,对荧光粉的可靠性影响较大。倒装结构的芯片的热量绝大部分向下通过金凸点快速导入至硅基板(导热率约120W/mK)中,再由硅基板导入支架中,而向上由于蓝宝石导热率低,只有小部分热量积累在蓝宝石中,实现热(向下导出)和光的分离(向上射出)设计,同时蓝宝石的表面温度较低,可以延长荧光粉的老化周期,大大提高LED的可靠性和寿命。同时,由于倒装结构的良好散热设计,倒装1W芯片可以具有更好的L-I线性关系(见下图)和饱和电流容忍能力及大电流承受能力。倒装1W功率芯片可支持长期室温780mA大电流老化。

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1W功率芯片安装的路灯实例分析照明效果

LED倒装芯片以其低电压(3.0V以下)、高光效(100-110lm/W)、高稳定性而逐渐被国内大多数灯具厂家应用于路灯照明中。现以一客户用倒装芯片安装的路灯为例对高压钠灯和LED路灯进行对比分析。港前大道在改造前采用400W(顶灯)+150W(腰灯)高压钠灯路灯,每杆日耗电量为6.6度,改造后采用180W(顶灯)+60W(腰灯)LED路灯,每杆日耗电量为3.1度,道路照明质量完全达到城市道路照明标准CJJ-45-2006的要求,节能53%。采用德国LM-1009道路专用窄视角亮度计,按道路照明亮度测量方法(测量仪器位于距离起始被测点60米处,仪器高度1.2米,沿车道中心线测量两灯杆间亮度最高和最低处,逐点测量),改造前该路面最大照度为42Lx,最小照度为8Lx,平均照度30Lx,均匀度0.3;改造后该路面最大照度为23Lx,最小照度为12Lx,平均照度18Lx,均匀度0.75。

由于LED光源的显色性在70以上,亮度分布均匀,对目标的辨别能力远好于显色指数为23的高压钠灯,在道路照明的条件下(中间视觉),适当降低白光LED的照度要求(降低1/3),可以达到与高压钠灯同等的照明效果。此次在港前大道更换使用LED路灯后,路面总体均匀度、纵向均匀度、横向均匀度均达到了0.70以上,取得很好的照明效果。

未来LED的芯片发展方向

目前高功率的LED路灯主要通过“多颗芯片金线串并联”和“多颗LED通过PCB串并联”的方式来实现。前者由于芯片之间需要进行光电参数的匹配,且多颗金线串并联封装的工艺不可靠性和低封装良率,一直未被广泛使用。而后者则需要对多颗LED进行严格的光电参数匹配,且光学设计困难。因此,“芯片级”模组化产品是未来LED芯片的一个重要发展方向。芯片级LED模组,单颗芯片间通过基板内的电路实现串并联连接,解决传统模组集成依靠金线进行串并联的问题,大幅度提升产品良品率,极大地降低了整个封装流程的生产成本,严格控制集成模组芯片的各芯片间的参数差异,保证模组芯片长期使用的可靠性,同时模组芯片可以作为单元,进行串并联拼接,形成更大功率的模组。利用倒装技术,可以在“芯片级”上实现不同尺寸、颜色、形状、功率的多芯片集成,实现超大功率模组产品,这是任何其它的芯片技术不能达到的优势。
文章内容仅供参考 (投稿) (8/18/2014)
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