LED芯片倒裝技術(shù)簡述

連程杰 （浙江英特來光電科技有限公司，浙江 義烏322000）

路燈是城市照明不可缺少的一部分，傳統(tǒng)路燈通常采用高壓鈉燈或金鹵燈，這2種燈具的特點(diǎn)是電弧管尺寸小，可以產(chǎn)生很大的光輸出，并且具有很高的光效，但光分布均勻度低，使用壽命短（6000h）。LED是繼白熾燈、高強(qiáng)度放電燈和熒光燈之后的第4代光源，是一種將電能轉(zhuǎn)化為光電的固體器件，其由一個PN結(jié)組成，為使其能控制電子系統(tǒng)，需要在LED芯片與其他電子組件、電源與接地線之間建立電氣互連［1］。第一級互連通常是指芯片與塑料或陶瓷封裝體之間的互連，該封裝體隨后被組裝到印制電路板上。在上述過程中使用的是引線鍵合互連技術(shù)。在引線鍵合封裝體中，芯片被封裝用固晶膠粘接在載體基板上，其有源面朝上，然后使用金線或鋁線來連接芯片上的每一個焊盤與封裝載體上對應(yīng)的鍵合焊盤。在應(yīng)用引線鍵合互連技術(shù)所用的芯片是在蘭寶石襯底上形成GaN基LED結(jié)構(gòu)層，由P／N結(jié)髮光區(qū)發(fā)出的光透過其上的P型區(qū)射出。由于P型GaN傳導(dǎo)性能不佳，為獲得良好的電流擴(kuò)展，需要通過蒸鍍技術(shù)在P區(qū)表面形成一層Ni－Au組成的金屬電極層，再將P區(qū)引線通過該層金屬薄膜引出，但金屬薄膜的存在會使透光性能變差。此外，引線焊點(diǎn)的存在也會使發(fā)光效率受到影響。為此，研究者進(jìn)行了大量探索，最終應(yīng)用LED倒裝芯片及時解決了上述問題。下面，筆者對LED芯片倒裝技術(shù)的發(fā)展歷程、技術(shù)及其特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 LED倒裝芯片技術(shù)發(fā)展歷程

該種技術(shù)早在20世紀(jì)60年代就已應(yīng)用于IC行業(yè)中，美國IBM公司于20世紀(jì)60年代發(fā)明的可控塌陷芯片連接便是倒裝芯片應(yīng)用最重要的形式［2］。直到20世紀(jì)80年代末，倒裝芯片才得以組裝到硅或陶瓷基板上。由于半導(dǎo)體與基板的熱膨脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致可控硅芯片連接的焊點(diǎn)熱疲勞壽命低，這對芯片與底部基板的鍵合產(chǎn)生很大的沖擊。如何減小有機(jī)基板與硅芯片之間的熱膨脹系數(shù)差成為急需攻克的難題。1987年，日本日立公司通過填充樹脂 （即底部填充膠）來匹配焊點(diǎn)的熱膨脹系數(shù)，提高了焊點(diǎn)的熱疲勞壽命［3］。近年來，芯片倒裝技術(shù)逐步應(yīng)用于LED行業(yè)中，與正裝芯片相比，LED倒裝芯片產(chǎn)品具有低電壓、高亮度、高可靠性、高飽和電流密度等特點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。

2 LED倒裝芯片技術(shù)原理

倒裝芯片是在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，將芯片的發(fā)光區(qū)與電極區(qū)不設(shè)計(jì)在同一個平面，也就是將電極區(qū)面即有源面朝向燈杯底部進(jìn)行封裝。在倒裝芯片封裝中，IC芯片的有源面朝下并組裝在基板上［1］。在芯片有源面形成互連的形式有焊料凸點(diǎn)、接線柱金球焊接或?qū)щ娔z凸點(diǎn)，他們分別通過融化、膠粘、熱聲或熱壓工藝形成與基板焊盤間的連接［2］。

3 LED倒裝芯片技術(shù)的特點(diǎn)

3.1 可封裝LED器件的尺寸小

使用倒裝芯片的LED時，與傳統(tǒng)正裝芯片不同，在設(shè)計(jì)LED封裝體體結(jié)構(gòu)時，無需考慮引線的空間，可實(shí)現(xiàn)更小尺寸LED的封裝，尤其是應(yīng)用于顯示屏的SMD產(chǎn)品，使用倒裝芯片工藝的LED對高密高清、高像素點(diǎn)的顯示屏是一大突破。

3.2 發(fā)光效率高

相比于正裝結(jié)構(gòu)的LED，使用倒裝芯片LED的發(fā)光效率更高，具體分析如下［4］：①倒裝芯片有源面即PN結(jié)在芯片底部，且在PN電極上方制備有發(fā)射率較高的反射層，光不經(jīng)過電極而直接從透明藍(lán)寶石襯底射出，避免了電極對光的吸收，提高了發(fā)光效率。②倒裝芯片中藍(lán)寶石與熒光粉和硅膠接觸，藍(lán)寶石的折射率為1.8，熒光粉折射率為1.7，硅膠折射率通常為1.4～1.5，空氣的折射率1.0，其相互之間比較接近，不容易產(chǎn)生全反射，與正裝結(jié)構(gòu)LED相比，大大減少了全反射損耗的光量。③倒裝芯片的PN電極采用高反射率的Ni／Ag／Au體系構(gòu)成，其厚度在500nm以上，易于實(shí)現(xiàn)均勻的電流分布，從而提高了芯片本身的出光效率。④由于正裝芯片與倒裝芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不同，導(dǎo)致電流密度和電壓的不同，對LED的光效有明顯影響。舉例來說，傳統(tǒng)的正裝大功率芯片通常電壓在3.5V左右，而倒裝結(jié)構(gòu)芯片的電壓大幅度降低至2.8～3.0V。因此，在同樣光通量的情況下，由于電壓的降低，倒裝芯片的光效比正裝芯片光效約提高16%～25%左右。

3.3 使用壽命長

眾所周知，散熱問題是LED照明領(lǐng)域需要重點(diǎn)解決的技術(shù)難題，其直接影響LED照明產(chǎn)品的壽命。正裝結(jié)構(gòu)LED底部是藍(lán)寶石襯底，其上面及周圍封裝有環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱散熱性能差，因而芯片產(chǎn)生的熱量必須通過晶片底部的藍(lán)寶石進(jìn)行傳導(dǎo)，而藍(lán)寶石襯底的熱導(dǎo)率低，不利于熱量的導(dǎo)出，這就影響了LED的使用壽命。倒裝結(jié)構(gòu)LED可通過凸點(diǎn)與硅底板鍵合，由于硅的散熱性能良好，芯片產(chǎn)生的熱量可通過凸點(diǎn)很快地導(dǎo)入硅底板，通過硅底板直接由基板散出，從而大大提升了散熱效果，最終提高了倒裝結(jié)構(gòu)LED的使用壽命。

3.4 可靠性強(qiáng)

正裝芯片的PN電極均位于芯片上面，電極面積小，厚度薄，經(jīng)焊線過程強(qiáng)大的沖擊后，很容易被靜電擊穿而導(dǎo)致器件失效。倒裝芯片可通過在硅襯底內(nèi)置齊納保護(hù)電路的方法，可以有效提高LED的抗靜電能力，從而使倒裝結(jié)構(gòu)LED的可靠性更強(qiáng)。

3.5 產(chǎn)品優(yōu)良率高

正裝芯片LED的封裝過程為固晶、焊線、封膠和測試分光的封裝過程為固晶、焊線、封膠和測試分光，而倒裝芯片結(jié)構(gòu)LED的PN電極在其底部，封裝過程中通過倒裝焊直接連接PN電極與焊盤，實(shí)現(xiàn)芯片正負(fù)極與焊盤的結(jié)合，因而封裝過程僅為倒裝焊、封膠、測試分光。由此可見，倒裝芯片的封裝制程將固晶焊線兩道簡化為一道工序 （即倒裝焊工序），簡化了封裝工藝，避免傳統(tǒng)LED在焊線過程中出現(xiàn)的產(chǎn)品品質(zhì)不良現(xiàn)象，提高了產(chǎn)品優(yōu)良率。

4 結(jié) 語

倒裝芯片具有優(yōu)越的性能，同時，LED封裝過程中簡化了封裝工藝，大大提高了產(chǎn)品優(yōu)良率。今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)研究，使LED朝更輕、更薄、更小和發(fā)光效率更高的方向發(fā)展。

［1］Wong C P，Lou S，Zhang Z.Flip the Chip ［J］.Science，2000，290：2269－2274.

［2］Davis E，Harding W，Schwartz R，et al.Solid Logic Technology：Verdatile High Performance MicroelectronicsIBM ［J］.Journal of Research ＆Development，1964，8：102－108.

［3］Nakano F，Soga T，Amagi S，Resin－Insertion Effect on Thermal Cycle Resis－tivity of Flip－Chip Mounted LSI Devices ［J］.Journal of Research ＆Development，1987，31.536－540.

［4］Daniel Lu，Wong C P.先進(jìn)封裝材料 ［M］.陳明祥，尚金堂譯 .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.