LED晶圓厚度對(duì)其亮度的影響

任黎 魏萍

摘 要：提升LED晶圓亮度的方法主要有調(diào)整外延層結(jié)構(gòu)、改變生長外延時(shí)的工藝參數(shù)、調(diào)整ITO的厚度、改變SiO2厚度、倒裝結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)、光子晶體、ODR，DBR、調(diào)整芯片厚度、降低晶圓背面粗糙度、改變切割方式等。文章主要介紹小功率產(chǎn)品通過調(diào)整厚度從而實(shí)現(xiàn)亮度提升，同時(shí)驗(yàn)證厚度調(diào)整是否會(huì)對(duì)芯片的其他性能產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞：厚度;亮度提升;封裝;可靠性

目前，隨著LED的競爭日趨激烈，提高LED產(chǎn)品的亮度可以增加產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力。提高LED產(chǎn)品亮度的方法[1]主要有調(diào)整外延層結(jié)構(gòu)、改變生長外延時(shí)的工藝參數(shù)、調(diào)整ITO的厚度、改變SiO2厚度、倒裝結(jié)構(gòu)[2]、垂直結(jié)構(gòu)、光子晶體、ODR[3]，DBR，調(diào)整芯片厚度、降低晶圓背面粗糙度、改變切割方式[4]等。

1? ? LED產(chǎn)品亮度工藝

本文主要介紹提高LED產(chǎn)品亮度的一種方式：調(diào)整晶圓厚度。晶圓的厚度調(diào)整方向由目前加工工藝厚度向厚調(diào)整。晶圓的厚度增加之后，從光學(xué)角度來講，可以有效地提高LED的內(nèi)量子效應(yīng)。但一種工藝的實(shí)施不能僅考慮亮度，還需要考慮是否與其他工藝相匹配，不能產(chǎn)生不利的影響。調(diào)整產(chǎn)品的厚度之后，因?yàn)楹穸忍嵘谇懈畹倪^程中有可能導(dǎo)致晶圓無法切割開，從而導(dǎo)致整片報(bào)廢或者是一部分開裂一部分未開裂，影響產(chǎn)品的良率，因此厚度的調(diào)整只能在合理的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，并不是越厚越好。另外，還需考慮封裝效果與可靠性。

2? ? 試驗(yàn)過程

小功率芯片的厚度分為5組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)1厚度：80 μm;實(shí)驗(yàn)2厚度：90 μm;實(shí)驗(yàn)3厚度：100 μm;實(shí)驗(yàn)4厚度：110 μm;實(shí)驗(yàn)5厚度：120 μm。

2.1? 厚度調(diào)整實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)5組實(shí)驗(yàn)先進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)。當(dāng)5組不同厚度的晶圓經(jīng)過研磨拋光后達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需要的厚度后流轉(zhuǎn)至切割工序，在切割4組不同厚度的晶圓時(shí)，由切割工序的工藝人員進(jìn)行切割參數(shù)的調(diào)整，保證晶圓的順利切割。因?yàn)?0 μm是原有工藝，因此不需進(jìn)行切割工藝調(diào)整。

對(duì)其余4組進(jìn)行切割、裂片后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)厚度在110、120 μm時(shí)，芯片的外觀情況較差，晶圓部分無法劃裂開，并且芯片的外觀較差，120 μm的芯片外觀比110 μm的外觀差，甚至出現(xiàn)切到發(fā)光區(qū)的情況。在劃裂片后芯片是絕對(duì)不可以有切傷發(fā)光區(qū)的情況，否則會(huì)導(dǎo)致芯片無法使用。因?yàn)楫a(chǎn)品厚度太厚，激光劃片機(jī)在切割時(shí)炸裂的痕跡延伸較短未達(dá)到芯片分離的要求，因此，晶圓裂片時(shí)在受到外力的影響下，芯片無法按照切割痕跡進(jìn)行分離導(dǎo)致切傷發(fā)光區(qū)。

通過以上5組不同厚度的劃裂片實(shí)驗(yàn)可知，小功率晶圓的厚度最佳狀態(tài)是100 μm。

2.2? 亮度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)上述厚度調(diào)整實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證劃裂開的3組80、90、100 μm的晶圓進(jìn)行亮度對(duì)比實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)較多，因此數(shù)據(jù)只摘錄了其中的典型值。

通過表1中的數(shù)據(jù)可以看出，80 μm的亮度衰減為﹣19.44%，90 μm的亮度衰減為﹣16.20%，100 μm的亮度衰減為﹣12.08%。芯片從COT經(jīng)過研磨拋光后，COW的亮度會(huì)降低，會(huì)有一定程度的亮度衰減。芯片從COT到COW的亮度衰減值越小越好，厚度為100 μm的亮度衰減最小，因此亮度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證說明小功率晶圓的厚度最佳狀態(tài)是100 μm。

2.3? 不同封裝形式光通量對(duì)比

將80、90、100 μm的芯片挑選相同的波長段、亮度段、電壓段，并且控制到最嚴(yán)格的狀態(tài)，確保各個(gè)厚度之間封裝芯片的電性能基本一致。波長段范圍控制在0.5 nm，亮度段范圍控制在1 mW，電壓段范圍控制在0.05 V。將抓取的上述3種不同厚度的樣品分別進(jìn)行貼片式封裝與直插式封裝。貼片式封裝與直插式封裝如圖1—2所示。

對(duì)比3組不同厚度的貼片式封裝結(jié)果，發(fā)現(xiàn)100 μm的光通量最高。對(duì)比3組不同厚度的直插式封裝結(jié)果，發(fā)現(xiàn)100 μm的光通量最高。具體如表2所示，數(shù)據(jù)均為各項(xiàng)光電參數(shù)的平均值。

通過不同封裝形式光通量對(duì)比可知，小功率晶圓的厚度最佳狀態(tài)是100 μm。

2.4? 可靠性驗(yàn)證

對(duì)80、90、100 μm 3組不同厚度的產(chǎn)品分別進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)，可靠性結(jié)果分別如表3—5和圖3—5所示。

通過對(duì)比80、90、100 μm 3組不同厚度產(chǎn)品的可靠性結(jié)果可知，3組厚度的可靠性結(jié)果基本一致，說明產(chǎn)品厚度的改變并未對(duì)其可靠性產(chǎn)生影響。

3? ? 結(jié)果與討論

為了提升產(chǎn)品的亮度進(jìn)而改變產(chǎn)品的厚度，在對(duì)產(chǎn)品調(diào)整厚度的同時(shí)，不能因厚度的調(diào)整影響切割裂片后的產(chǎn)品良率、亮度情況、成品燈珠的光通量、產(chǎn)品的可靠性，因此對(duì)切割、亮度、不同封裝形式的光通量、可靠性4個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比。

（1）將產(chǎn)品的厚度由原始工藝的80 μm調(diào)整至90、100、110、120 μm，通過4組的劃裂片情況可知，厚度為80、90、100 μm的產(chǎn)品在經(jīng)過劃裂后外觀無問題，滿足工藝要求。厚度為110 μm的產(chǎn)品在經(jīng)過劃裂片后外觀較差，晶圓部分劃不開。厚度為120 μm的產(chǎn)品在經(jīng)過劃裂片后外觀出現(xiàn)切傷發(fā)光區(qū)的問題，部分晶圓劃不開。出現(xiàn)切傷發(fā)光區(qū)的問題主要是由于晶圓太厚導(dǎo)致激光穿透晶圓后無法完全炸裂，激光切割后晶圓的上下炸裂長度無法滿足工藝要求因此無法裂開，導(dǎo)致晶圓在裂片的過程中沒有按照切割痕跡進(jìn)行裂開，而是靠外力無方向地裂開。

經(jīng)過厚度調(diào)整的5組實(shí)驗(yàn)可知，厚度為90、100 μm可以滿足厚度調(diào)整實(shí)驗(yàn)的需求，而110、120 μm的厚度無法滿足實(shí)驗(yàn)需求。

（2）對(duì)80、90、100 μm 3種厚度進(jìn)行了亮度對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明100 μm厚度的亮度衰減最小。

（3）對(duì)80、90、100 μm 3種厚度進(jìn)行了貼片式封裝和直插式封裝實(shí)驗(yàn)，兩種不同封裝形式的結(jié)果表明100 μm厚度的光通量最大。

（4）對(duì)80、90、100 μm 3種厚度進(jìn)行了可靠性實(shí)驗(yàn)，可靠性實(shí)驗(yàn)表明3種厚度的可靠性基本一致，厚度對(duì)產(chǎn)品的可靠性無影響。

通過以上4組對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以得知，100 μm厚度的產(chǎn)品亮度高、光通量大、可靠性好，因此，可以將產(chǎn)品厚度由80 μm調(diào)整至100 μm。本文僅對(duì)小功率產(chǎn)品進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，未對(duì)中功率產(chǎn)品、大功率產(chǎn)品進(jìn)行厚度調(diào)整實(shí)驗(yàn)，對(duì)這兩種產(chǎn)品的厚度調(diào)整實(shí)驗(yàn)后續(xù)需要進(jìn)一步的完善，使整個(gè)產(chǎn)品體系更完整。

[參考文獻(xiàn)]

[1]高偉，鄒德恕，郭偉玲，等.AlGaInP發(fā)光二極管的全方位反射鏡研究[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2008（28）：537-539.

[2]WIERER J J，STEIGERWALD D A，KRAMESETAL M R. High-power AlGaInN flip-chip light-emitting diodes[J].Applied Physics Letters，2001（22）：3379-3381.

[3]GESSMANN T H，SCHUBER E F.High-efficiency AlGaInP light-emitting diodes for solid-state lighting applications[J].Journal of Applied Physics，2004（5）：2203-2216.

[4]王賢洲.不同切割方式對(duì)GaN基LED芯片外量子效率影響的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.