LED封裝技術(shù)

近年來,隨著生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展一日千里,令其發(fā)光亮度提高和壽命延長,加上生產(chǎn)成本大幅降低,迅速擴(kuò)大了LED應(yīng)用市場,如消費(fèi)產(chǎn)品、訊號系統(tǒng)及一般等,于是其全球市場規(guī)模快速成長.2003年全球LED市場約44.8億美元 (高亮度LED市場約27億美元),較2002年成長17.3% (高亮度LED市場成長47%),乘著手機(jī)市場繼續(xù)增長之勢,預(yù)測2004年仍有14.0%的成長幅度可期.{HotTag}

在產(chǎn)品發(fā)展方面,之研發(fā)則成為 廠商們之重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目.現(xiàn)時(shí)制造白光LED方法主要有四種:

一、藍(lán)LED+發(fā)黃光的螢光粉(如:YAG)

二、紅LED+綠LED+藍(lán)LED

三、紫外線LED+發(fā)紅/綠/藍(lán)光的螢光粉

四、藍(lán)LED+ZnSe單結(jié)晶基板

目前手機(jī)、數(shù)字相機(jī)、PDA等所使用之白光LED采用藍(lán)光單晶粒加YAG螢光而成.隨著手機(jī)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(kuò)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(High Power)LED市場將陸續(xù)顯現(xiàn).在技術(shù)方面,現(xiàn)時(shí)遇到最大挑戰(zhàn)是提升及保持亮度,若再增強(qiáng)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(yàn),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(jì)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(jì)

從芯片的演變歷程中發(fā)現(xiàn),各大LED生產(chǎn)商在上游磊晶技術(shù)上不斷改進(jìn),如利用不同的電極設(shè)計(jì)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(yùn)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(kuò)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.有一些高亮度上p-n兩個(gè)電極的位置相距拉近,令芯片發(fā)光效率及散熱能力提高.而最近已有的生產(chǎn),就是利用新改良的激光溶解(Laser lift-off)及金屬黏合技術(shù)(metal bonding),將LED磊晶晶圓從GaAs或GaN長晶移走,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(jì)

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(jì),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(yùn)而生.而且,在可攜式消費(fèi)產(chǎn)品市場急速的帶動下,大功率LED封裝體積設(shè)計(jì)也越小越薄以提供更闊的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jī)械性的互相接續(xù),及保護(hù)芯片不讓其受到機(jī)械、熱、潮濕及其它種種的外來沖擊.選擇封裝方法、材料和運(yùn)用機(jī)臺時(shí),須考慮到LED磊晶的外形、電氣/機(jī)械特性和固晶精度等因素.因LED有其光學(xué)特性,封裝時(shí)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(jī),因LED晶粒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,若晶粒在反射杯內(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(jī)擁有先進(jìn)的預(yù)先圖像辨識系統(tǒng)(PR System),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(jī)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(shí),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),先將晶粒焊接于一散熱基板(soubmount)或熱沉(heat sink)上,然后把整件晶粒連散熱基板再焊接于封裝器件上,這樣就可增強(qiáng)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,晶粒底部可以采用純錫(Sn)或金錫(Au-Sn)合金作接觸面鍍層,晶粒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(shí)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(diǎn),令共晶層固化并將LED緊固的焊于熱沉或基板上(圖6).選擇共晶溫度視乎晶粒、基板及器件材料耐熱程度及往后SMT回焊制程時(shí)的溫度要求.考慮共晶固晶機(jī)臺時(shí),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?dú)饣蚧旌蠚怏w裝置,有助于在共晶過程中作防氧化保護(hù).當(dāng)然和銀漿固晶一樣,要達(dá)至高精度的固晶,有賴于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋C(jī)械設(shè)計(jì)及高精度的馬達(dá)運(yùn)動,才能令焊頭運(yùn)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(jìn)行共晶焊接工藝時(shí)亦可加入助焊劑,這技術(shù)最大的特點(diǎn)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(jī)會.

覆晶(Flip Chip)焊接

覆晶焊接近年被積極地運(yùn)用于大功率LED制程中,覆晶方法把GaN LED晶粒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?yàn)殡娏髁魍ǖ木嚯x縮短,電阻減低,所以熱的產(chǎn)生也相對降低.同時(shí)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,不但提高光輸出,更可以使產(chǎn)品整體面積縮小,擴(kuò)大產(chǎn)品的應(yīng)用市場.

在覆晶LED技術(shù)發(fā)展上有兩個(gè)主要的方案:一是鉛錫球焊(Solder bump reflow)技術(shù);另一個(gè)是熱超聲(Thermosonic)焊接技術(shù).鉛錫球焊接已在IC封裝應(yīng)用多時(shí),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(Thermosonic flip chip)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(diǎn)溫度較鉛錫球和銀漿高,對固晶后的制程設(shè)計(jì)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(diǎn).熱超聲覆晶工藝經(jīng)過多年的研究及經(jīng)驗(yàn)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(jī)、引線焊接機(jī)、測試機(jī)、編帶機(jī))等自動化設(shè)備還全都依賴進(jìn)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(jìn)、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(shí)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(yàn)、制造工藝技術(shù)研究與驗(yàn)證、實(shí)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(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化研究與試驗(yàn),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(shí)施三步走的戰(zhàn)略,最終實(shí)現(xiàn)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(shí)間,對一些關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)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(jià)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ɑ樣機(jī)開發(fā).第二步,從本方案實(shí)施的第三年起,第一步中涉及到的前兩類設(shè)備重點(diǎn)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(jī)商業(yè)化(γ型機(jī))開發(fā).第三步,從本方案實(shí)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.

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