led倒装技术.doc

LED芯片倒装技术 学院： 班别： 姓名： 学号：摘要 传统正装的LED 的蓝光芯片电极在芯片出光面上。由于p型GaN掺杂困难，当前普遍采用p型GaN上制备金属透明电极的方法，从而使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极要吸收30%40%的光，因此电流扩散层的厚度应减少到几百nm。厚度减薄反过来又限制了电流扩散层在p型GaN层表面实现均匀和可靠的电流扩散。因此，这种p型接触结构制约了LED芯片的工作电流。同时，这种结构的pn结热量通过蓝宝石衬底导出，由于蓝宝石的导热系统为35W/(m·K)（比金属层要差），因此导热路径比较长。这种LED芯片的热阻较大，而且这种结构的电极和引线也会挡住部分光线出光。 总之，传统正装的LED芯片对整个器件的出光效率和热性能而言不是最优的。为了克服正装的不足，美国Lumileds Lighting 公司发明了Flipchip（倒装芯片）技术。这种封装法首先制备具有适合共晶焊接的大尺寸LED芯片，同时制备相应尺寸的硅底板，并在其上制作共晶焊接电极的金导电层和引出导电层（超声波金丝球焊点）。然后，利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊在一起。目录一、 倒装结构的LED的制造过程.4二、 LED倒装芯片的优点.6三、 新的薄膜倒装焊接的多量子阱结构的LED.10四、 倒装LED芯片技术行业应用分析.16 LED芯片的发光效率提升.16 LED芯片的寿命和可靠性.17 芯片的结温和散热.17 芯片的ESD保护.18五、 实例介绍倒装芯片的稳定性.19六、 未来LED的芯片发展方向.22注释.23一、倒装结构的LED的制造过程 由于无须考虑欧姆接触层(电极)的透光性，其厚度可以增加到5Onm，从而可以改善注入电流扩散的问题，减少电流在它上面的压降。同时，由发光有效区发出的光被欧姆接触层反射回去.可以提高出光率。因此，这种倒装结构的LED的光效有明显的提高，而且其散热效果好，所以被普追应用在大功串白光LED中。它的制造过程如下：图1在外延片顶部的P型GaN: Mg上沉积厚度大于50nm的NiAu层，作为P型欧姆接触，因为它有足够的厚度，能将光反射回去，对提高出光率有利；采用掩膜有选择地刻蚀掉P型层和多量子阱有效发光层，露出N型区；经沉积刻蚀形成N型欧姆接触层；将有金属化凸点的AllnGaN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅级体(基体)上；将硅级体与管壳底盘进行电连接.然后封装在管充之中，管壳应有良好的光学特性，允许LED在大电流和高沮条件下工作。图2  大功串LED的封装结构剖面图如图所示，LED芯片是通过凸点倒装连接到硅基体或陶瓷基体上的.它们比蓝宝石有更好的散热性.通过它们再把热量传到起敬热作用的金属管座，能大大减少芯片与散热器之间的热阻，其热阻值仅为普通小功率LED的1/20-1/5，对提高LED的可靠性很有好处。二、 LED倒装芯片的优点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。相对传统正装LED芯片而言，倒装LED芯片具有比较突出的优：（1）在这种结构中，光是从蓝宝石衬底取出，而非从具有光吸收特性的Ni/Au电流扩散层取出。由于不从电流扩散层出光，这样不透光的电流扩散层可以加厚，以增加倒装芯片的电流密度。（2） 活性层中发出的向下的光可以被P电极反射，导致了光取出的增加。（3） 这种结构还可以将PN结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底（为145w/mk），这避免了在传统的正装结构中的由于蓝宝石衬底的低散热系数所导致的散热问题。（4） 可以通过增加P电极的厚度来增加电流的扩散，取代薄的Ni/Au接触，减少扩散阻抗。图3为LED芯片倒装过程实验结果表明：与传统AlGaInN-LED相比，倒装焊接LED（FCLED）有着相对大的发光面积和非常好的电学特性：在低开启电压下有着高的电流（200-1000mA），从而导致了更高的功率转化效率。同时FCLED的光取出效率比传统的LED的光取出效率高了1.6倍，比传统的小发光面积的LED（0.07mm2）的光输出量多了10倍。FCLED在蓝光波长范围内的外量子效率是21%，在200mA的时候的wall-plug效率在20%左右，在1A的时候，出光效率为400Mw.图4 图4给出了大发光面积（0.7mm2）的大功率FCLED和正装LED以及传统的小发光面积的LED（0.07mm2）的LUMENS-current图。测试条件是在直流电下，波长为515nm。传统的小发光面积LED的输出电流峰值为150Ma。它在高电流区发光受限制是因为芯片尺寸小以及封装造成的热阻大。图2中可以看出大功率的LED很容易就能够达到1A，并且没有明显的功率衰退。而与传统的正装结构相比较，倒装结构的LED的效率更高。在200mA的时候是光输出是1627lm/w.在1A的时候FCLED的光通量是48lm。扩散阻抗也有所改善。FCLED的开启电压是2.95V,而传统正装结构的是3.15V。 图5图5是正装结构和倒装结构的，在不同的波长下对应的外量子效应。（电流为35mA）。由于热阻不同造成的两者之间的差异，通过脉冲操作的方式减少。我们发现FCLED的外量子效率是正装结构的1.6倍。并且在驱动电流为25-1000mA的时候，他们之间的效率增加值是一个常数。 图6图6给出了倒装LED输出功率与电流的对应图。这个器件的外量子效率为21%在200mA的时候，开启电压是2.95V。在电流是1A的时候输出功率为400mW，开启电压为3.3V。低的开启电压和好的外量子效率导致了wall plug效率在200mA的时候是20%。同时老化测试结果表明，FCLED在经过1000h后只存在3%的衰退。三、 新的薄膜倒装焊接的多量子阱结构的LED在2006年，同样是Philips Lumileds Lighting公司的O. B. Shchekin等1人报道了一种新的薄膜倒装焊接的多量子阱结构的LED（TFFC-LED）。所谓薄膜倒装焊接LED，就是将薄膜LED与倒装LED的概念结合起来。薄膜结构的LED，就是首先用准分子激光器移除蓝宝石衬底。然后在暴露的n型GaN层上用光刻技术做表面粗化。接着在有粗糙结构的n-GaN上制备了n型电极，通过导线与负极键合，最后将垂直结构的LED的P-GaN，连接到另外一个半导体上作为电极。这种薄膜结构的LED可以有效的增加光取出效率。倒装LED就是，将芯片倒装焊接到高热传导的热沉上。在倒装焊接结构中由于消除了生长衬底，连接导线和n电极的影响，导致了出光效率的增加。倒装结构LED（TFFC-LED）就是将这两者结合在一起。薄膜倒装LED结构如图7所示。这个结构是在传统的倒装结构LED的基础上发展的。实验结果表明：与传统的倒装结构（FC-LED）以及电流垂直注入的薄膜LED相比较，TFFC- LED具有高亮度和大的光输出效率。他们分别在蓝光，白光和绿光的情况下，比较了TFFC-LED，FC-LED和VTF-LED的性能。 图7（薄膜倒装结构的示意图以及工作状态下点亮后的显微图 ）蓝光测试结果表明：在驱动电流为1A的时候，TFFC-LED的输出功率为191mW/mm2,比传统的倒装结构的LED亮了两倍。封装后，在电流为350mA的时候，TFFC-LED的外量子效率是38%。加入YAG：Ge荧光粉覆盖后，得到的白光LED在电流为350mA的时候，得到的流明量为60lm/h，在20mA的时候是96lm/w.在电流为1A的时候的亮度为38 Mcd/m2。 上表是三种结构的LED的性能比较图。蓝光下，TFFC-LED的辐射是168mW/mm2,分别是垂直结构LED和倒装结构LED的1.2和2.3倍。封装后TFFC-LED的输出功率是750mW。比倒装结构LED和垂直结构LED的输出功率分别高了51%和15%。与倒装结构相比，造成垂直结构LED和倒装垂直结构LED性能优越性的主要原因，是由于在其n-型区域做了表面粗化所导致的。尽管垂直结构顶端电极接触可以优化，但是在高的光取出效率之间和低的开启电流之间，两者只可取其一。因为为了使得光取出效率更高，顶端电极就要越小越好。但是相反的，为了使得输入电流大，就要求更大的电流接触面积以防止电流拥挤。 图8图8给出了封装后的蓝光TFFC-LED的光输出功率和外量子效率与开启电流的对应图。光输出功率和器件的外量子效率分别是372mW和38%（350Ma）,以及875mW和31%（1000mA）。在未封装前，器件的光输出功率为600mW。 图9图9是经过YAG：Ce封装后的FC-LED和TFFCLED的光输出功率以及发光效率的对比图，由于表面结构粗化增加了光取出效率，TFFC-LED的光输出效率比传统的FC-LED高出了45%，在整个电流范围内。TFFC-LED白光灯在20mA时候的发光效率的峰值是96lm/W,在350mA是60lm/W,1000mA的时候是41lm/W。未封装的TFFC器件的lambertian光输出和输出光功率分别是118lm和1A。到2007年，Zhu等2做出了通过在倒装结构的LED中增加边反射层,来增加其出光效率的报道。图10中的a和b,分别是有边反射层和无边反射层的示意图。在图10未加反射层的LED中，逃出的光子还是有部分被n电极，焊接点所吸收。图8（b）是有反射层的FCLED。我们称之为SRLED。反射层由一个three-quarter-wavethick的低反射率的SiO2薄膜和一个高反射率的Ag薄膜。SiO2薄膜沉积在这个MESA的边缘。Ag薄膜在p-型欧姆接触和SiO2薄膜的上面。Ag薄膜，SiO2薄膜和边界表面形成了一个高/底/高的全反射率反射层。与传统的FCLED相比较，封装后的SRLED能够使得光输出量增加10.9%。 图10样品的I-V曲线图在图11a中看出。在电流是20mA的时候，SRLED的开启电压是3.22V,传统的倒装LED结构的开启电压是3.224V.这说明倾斜的边墙结构和边墙反射层不会导致LEDI-V曲线的退化。封装后的LEDs的光输出对电流特性的图片在图11（b）中给出。在注入电流为20mA的时候，SR LED的输出功率是6.10mW。相反的，传统的倒装结构LED的光输出效率是5.50Mw。SR LED的光输出效率比传统的倒装结构LED高了0.6Mw。这是由于SRLED特殊的结构所造成的。图11图12是SRLED的光输出图形。为了便于比较，没有边反射层的LED的光输出图象也在下图中给出。在测量的过程中，我们向这两个不同的结构中注入20mA。可以清晰的看见SRLED的电致发光谱，比传统的倒装结构的大。这也是由于边反射层做造成的。图12待添加的隐藏文字内容2四、 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。（一）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。（二） 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=40008000V)，同时节约封装成本，简化封装工艺，并提高产品可靠性。五、 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(见图3)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。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。六、 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。注释：1O.B.Shchekin J.E.Epler,T.A.Trottieretal. High performance thin-film flip-chipInGaNGaN light-emitting diodes. APPLIED PHYSICS  LETTERS.2006,071109-1-071109-3 2YanxuZhuChenXu,XiaoliDaetal. Enhanced output of flip-chip light-emitting diodes with a sidewall reflector. Solid-State Electronics,1007,51:674-67