LED芯片及封裝技術研究

LED 芯片及封裝技術LED 已經(jīng)在照明及平板顯示背光市場有著廣泛的應用，LED 的產(chǎn)業(yè)鏈比較長，從上到下包括藍寶石生產(chǎn)、LED 外延芯片技術、熒光粉、檢測設備、LED 器件與模組等方面。本文就 LED 芯片及封裝技術做一個簡單的介紹提綱。一、LED 芯片簡介1.1 LED 芯片發(fā)光原理及簡單分類LED 芯片，也稱為 LED 發(fā)光芯片，是 LED 燈的核心組件，也就是指的 P-N結。其主要功能是：把電能轉化為光能，芯片的主要材料為單晶硅。半導體晶片由兩部分組成，一部分是 P 型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N 型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個 P-N 結。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P 區(qū)，在 P 區(qū)里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是 LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成 P-N 結的材料決定的。目前芯片主要分為低壓直流芯片和高壓直流芯片。其中，低壓直流芯片包括正裝結構芯片、垂直結構芯片以及三維(無金線)垂直結構芯片。高壓直流芯片包括正裝結構芯片。從襯底的角度看當前整個行業(yè)的技術路線，主流襯底是藍寶石與 SiC，Si 襯底是未來希望所在。芯片技術最主要的突破點就是提高 LM/W & LM/$?？赡芡黄泣c包括：1、大電流密度驅動芯片；2、三維垂直結構芯片；3、垂直結構高壓交直流芯片；4、綠光 IQE 提升(Green-Gap)；5、襯底：硅襯底、石墨襯底、GaN、AlN 及其他襯底。三維垂直結構芯片的最重要的優(yōu)勢是沒有電感效應。垂直結構高壓交直流芯片的優(yōu)勢主要是加大電流驅動、降低芯片的成本。高壓芯片會降低變壓部分的成本，交流芯片可降低整流部分的成本。另外也可通過在襯底上制作圖形以及將芯片外形異型化提高出光效率。1.2 LED 芯片的制作流程總的來說，LED 制作流程分為兩大部分： 首先在襯底上制作氮化鎵（GaN）基的外延片，這個過程主要是在金屬有機化學氣相沉積外延片爐(MOCVD) 中完成的。準備好制作 GaN 基外延片所需的材料源和各種高純的氣體之后，按照工藝的要求就可以逐步把外延片做好。常用的襯底主要有藍寶石、碳化硅和硅襯底，還有 GaAs、AlN 、ZnO 等材料。MOCVD 是利用氣相反應物（前驅物）及族的有機金屬和 族的 NH3 在襯底表面進行反應，將所需的產(chǎn)物沉積在襯底表面。通過控制溫度、壓力、反應物濃度和種類比例，從而控制鍍膜成分、晶相等品質(zhì)。MOCVD 外延爐是制作LED 外延片最常用的設備。然后是對 LED PN 結的兩個電極進行加工，電極加工也是制作 LED 芯片的關鍵工序，包括清洗、蒸鍍、黃光、化學蝕刻、熔合、研磨；然后對 LED 毛片進行劃片、測試和分選，就可以得到所需的 LED 芯片。如果芯片清洗不夠干凈，蒸鍍系統(tǒng)不正常，會導致蒸鍍出來的金屬層（指蝕刻后的電極）會有脫落，金屬層外觀變色，金泡等異常。蒸鍍過程中有時需用彈簧夾固定芯片，因此會產(chǎn)生夾痕（在目檢必須挑除） 。黃光作業(yè)內(nèi)容包括烘烤、上光阻、照相曝光、顯影等，若顯影不完全及光罩有破洞會有發(fā)光區(qū)殘多出金屬。芯片在前段工藝中，各項工藝如清洗、蒸鍍、黃光、化學蝕刻、熔合、研磨等作業(yè)都必須使用鑷子及花籃、載具等，因此會有芯片電極刮傷情形發(fā)生。1.3 LED 芯片生產(chǎn)中的關鍵環(huán)節(jié)LED 芯片生產(chǎn)中的關鍵環(huán)節(jié)包括 LED 襯底材料的生產(chǎn)、MOCVD 設備及使用等。下面分別做一下簡單介紹：1.3.1 LED 芯片襯底對于制作 LED 芯片來說，襯底材料的選用是首要考慮的問題。應該采用哪種合適的襯底，需要根據(jù)設備和 LED 器件的要求進行選擇。好的襯底材料應具備一下特點：1襯底與外延膜的結構匹配：外延材料與襯底材料的晶體結構相同或相近、晶格常數(shù)失配小、結晶性能好、缺陷密度低； 2襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配：熱膨脹系數(shù)的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數(shù)上相差過大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降，還會在器件工作過程中，由于發(fā)熱而造成器件的損壞； 3襯底與外延膜的化學穩(wěn)定性匹配：襯底材料要有好的化學穩(wěn)定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因為與外延膜的化學反應使外延膜質(zhì)量下降； 4材料制備的難易程度及成本的高低：考慮到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要，襯底材料的制備要求簡潔，成本不宜很高。襯底尺寸一般不小于 2 英寸。 當前用于 GaN 基 LED 的襯底材料比較多，但是能用于商品化的襯底目前只有兩種，即藍寶石和碳化硅襯底。其它諸如 GaN、Si、ZnO 襯底還處于研發(fā)階段，離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離，下面逐一介紹一下各種材料：氮化鎵： 用于 GaN 生長的最理想襯底是 GaN 單晶材料，可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量，降低位錯密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度。但是制備 GaN 體單晶非常困難，到目前為止還未有行之有效的辦法。 氧化鋅： ZnO 之所以能成為 GaN 外延的候選襯底，是因為兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結構相同、晶格識別度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續(xù)值小，接觸勢壘?。?。但是，ZnO 作為 GaN 外延襯底的致命弱點是在 GaN 外延生長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。目前，ZnO 半導體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質(zhì)量達不到器件水平和 P 型摻雜問題沒有得到真正解決，適合 ZnO 基半導體材料生長的設備尚未研制成功。 藍寶石： 用于 GaN 生長最普遍的襯底是 Al2O3。其優(yōu)點是化學穩(wěn)定性好，不吸收可見光、價格適中、制造技術相對成熟。導熱性差雖然在器件小電流工作中沒有暴露明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。 碳化硅： SiC 作為襯底材料應用的廣泛程度僅次于藍寶石。 SiC 襯底有化學穩(wěn)定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等優(yōu)點，但不足方面也很突出，如價格太高，晶體質(zhì)量難以達到 Al2O3 和 Si 那么好、機械加工性能比較差，另外，SiC 襯底吸收 380 納米以下的紫外光，不適合用來研發(fā) 380 納米以下的紫外LED。由于 SiC 襯底有益的導電性能和導熱性能，采用碳化硅襯底的導熱性能（碳化硅的導熱系數(shù)為 490W/(mK)）要比藍寶石襯底高出 10 倍以上。藍寶石本身是熱的不良導體，并且在制作器件時底部需要使用銀膠固晶，這種銀膠的傳熱性能也很差。使用碳化硅襯底的芯片電極為 L 型，兩個電極分布在器件的表面和底部，所產(chǎn)生的熱量可以通過電極直接導出；同時這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。可以較好地解決功率型 GaN LED 器件的散熱問題，故在半導體照明技術領域占重要地位。但是相對于藍寶石襯底而言，碳化硅制造成本較高，實現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應的成本。硅襯底：目前有部分 LED 芯片采用硅襯底。硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，分別是 L 接觸（Laterial-contact,水平接觸）和 V 接觸（Vertical-contact，垂直接觸） ，以下簡稱為 L 型電極和 V 型電極。通過這兩種接觸方式，LED 芯片內(nèi)部的電流可以是橫向流動的，也可以是縱向流動的。由于電流可以縱向流動，因此增大了 LED 的發(fā)光面積，從而提高了 LED 的出光效率。因為硅是熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。 碳化硅襯底：碳化硅襯底（美國的 CREE 公司專門采用 SiC 材料作為襯底）的 LED 芯片電極是 L 型電極，電流是縱向流動的。采用這種襯底制作的器件的導電和導熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。上述襯底材料中，藍寶石襯底最常使用，GaN 基材料和器件的外延層主要生長在藍寶石襯底上。藍寶石襯底有許多的優(yōu)點：首先，藍寶石襯底的生產(chǎn)技術成熟、器件質(zhì)量較好；其次，藍寶石的穩(wěn)定性很好，能夠運用在高溫生長過程中；最后，藍寶石的機械強度高，易于處理和清洗。因此，大多數(shù)工藝一般都以藍寶石作為襯底。藍寶石作為襯底的 LED 芯片使用藍寶石作為襯底也存在一些問題，例如晶格失配和熱應力失配，這會在外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時給后續(xù)的器件加工工藝造成困難。藍寶石是一種絕緣體，常溫下的電阻率大于1011cm，在這種情況下無法制作垂直結構的器件；通常只在外延層上表面制作 n 型和 p 型電極，在上表面制作兩個電極，造成了有效發(fā)光面積減少，同時增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過程，結果使材料利用率降低、成本增加。由于 P 型 GaN 摻雜困難，當前普遍采用在 p 型 GaN 上制備金屬透明電極的方法，使電流擴散，以達到均勻發(fā)光的目的。但是金屬透明電極一般要吸收約 30%40%的光，同時 GaN 基材料的化學性能穩(wěn)定、機械強度較高，不容易對其進行刻蝕，因此在刻蝕過程中需要較好的設備，這將會增加生產(chǎn)成本。藍寶石的硬度非常高，在自然材料中其硬度僅次于金剛石，但是在 LED 器件的制作過程中卻需要對它進行減薄和切割（從 400nm 減到 100nm 左右） 。添置完成減薄和切割工藝的設備又要增加一筆較大的投資。藍寶石的導熱性能不是很好（在 100約為25W/（mK ） ） 。因此在使用 LED 器件時，會傳導出大量的熱量；特別是對面積較大的大功率器件，導熱性能是一個非常重要的考慮因素。藍寶石晶體是 LED 產(chǎn)業(yè)的上游原材料，在可預見的將來仍然會處于不可替代的地位。目前國際上主流的藍寶石晶體生長工藝是泡生法（KY 法） 、提拉法（CZ 法） 、導模法（ EFG 法） 、坩堝下降法和熱交換法（HEM 法）等。其中，泡生法生長工藝的 LED 襯底市場份額超過 50%，其他生長工藝法市場份額總計也只有 40%多。泡生法的市場份額最高，同時也被無數(shù)國內(nèi)外實驗證明是質(zhì)量最優(yōu)、性價比最高的 LED 藍寶石生產(chǎn)工藝。泡生法的優(yōu)點是晶體品質(zhì)較高，成本較低。缺點是采用傳統(tǒng)的泡生爐，晶體質(zhì)量穩(wěn)定性取決于操作人員的技術水平，穩(wěn)定性較差，對人的依賴性較高。提拉法：日本的水平做得較高，但成本也很高。導模法：目前只有日本京瓷和并木生產(chǎn)的晶體可以用于襯底，國內(nèi)用導模法生產(chǎn)的藍寶石晶體，質(zhì)量上達不到行業(yè)使用要求。坩堝下降法：成本較低，但晶體品質(zhì)不高，且不事宜 4 英寸以上襯底的生產(chǎn)。熱交換法：還要進一步驗證，從現(xiàn)有市場供應情況看，熱交換法生產(chǎn)的LED 即晶體的市場份額還很小。目前泡生法長晶爐設備主要提供商是俄羅斯設備和烏克蘭設備，國內(nèi)也有多家泡生法藍寶石長晶爐設備企業(yè)，其風格基本類似于俄羅斯和烏克蘭設備。這些設備的問題在于：設備本身制造工藝比較粗糙、設備可靠性不高、同時自動化程度較低，其晶體生長技術很大程度上需要依賴技術人員的水平，否則做出來的產(chǎn)品穩(wěn)定性差別將會非常大，每個爐子之間質(zhì)量差異也大，位錯密度變化也較大。下表給出了目前全球幾家藍寶石長晶爐廠商技術對比：廠商名稱 長晶工藝GT Solar 熱交換法： 用鉬坩堝為加熱容器，成本比較高，A 向生長ARC Energy 熱交換法 ：使用鎢坩堝，成本較低，且可以多次使用；采用金屬發(fā)熱體，C 向生長香港科瑞斯特泡生法：泡生法的市場份額最高，同時也被無數(shù)國內(nèi)外實驗證明是質(zhì)量最優(yōu)性價比最高的 LED 藍寶石生產(chǎn)工藝。泡生法的優(yōu)點是晶體品質(zhì)較高，成本較低。確定是用傳統(tǒng)的泡生爐，晶體質(zhì)量穩(wěn)定性取決于操作人員的技術水平，穩(wěn)定性較差，對人依賴性較高。江蘇能建集團技術來自中科院上海光機所。設備有能量供應與控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、晶體生長室、真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)及其他附屬裝置組成，模擬高溫巖漿狀態(tài)下晶體的生長過程，制備藍寶石，擁有完全的自主知識產(chǎn)權。2010 年中國 LED 產(chǎn)業(yè)呈井噴發(fā)展之勢，導致作為 LED 產(chǎn)業(yè)上游原材料的藍寶石襯底嚴重缺貨，于是從 2010 年下半年開始，眾多資金投入藍寶石襯底的生產(chǎn)。下表給出了截至今年 8 月國內(nèi)已經(jīng)試產(chǎn)的藍寶石襯底項目及規(guī)劃引進的藍寶石長晶爐：項目名稱 項目落戶時間地點 試產(chǎn)時間 產(chǎn)品情況 規(guī)劃引進的爐子吉星新材料2010.10，江蘇揚中 2011.6.28 藍寶石晶體101.35 公斤一期引進藍寶石長晶爐 63 臺，總體規(guī)劃 300 臺中晶光電 2010.11，江蘇武進 2011.6.29 開工建設，建設期一年今年 8 月中旬設備到位晶橋光電 2011.1.15， 安徽合肥2011.6.14 藍寶石晶體93.5 公斤露笑集團 2011.1， 浙江諸暨 2011.4 完成設備安裝，5 月份投產(chǎn)第一批投資 3.7 億元 350 套生產(chǎn)設備全線下單訂購協(xié)鑫光電 2011.2，江蘇張家港 一期工程年底竣工一期項目擬引進藍寶石襯底長晶爐170 臺東晶電子 2011.2.24，浙江 今年 8 月小批量生產(chǎn)，年底量產(chǎn)出貨項目分二期建成，2012年完成一期投資，2013年底完成投資并全部投產(chǎn)藍寶石襯底長晶設備首批 5 月份到貨上城科技 2011.2 ，浙江海寧 9 月產(chǎn)品面世上海巴世瑪2011.3，江西宜春 五年內(nèi)建立 200 臺泡生法晶體生長爐施科特光電2011.3.14，江蘇昆山 9 月份投產(chǎn)，預計年底可產(chǎn)出 72萬片計劃 500 臺藍寶石晶體生長爐香港青樸國際2011.3.15，江蘇連云港今年將投建 3 臺長晶爐，2012 年投建27 臺，目標為 500臺皓天光電 2011.4.28，貴州貴陽 預計今年 10 月份 與 GT Solar 簽訂投產(chǎn)，年底產(chǎn)量不低于 100 萬片2.189 億美金的采購合同康藍光電 2011.5.22，安徽蕪湖唐山銳晶 2011.5.28，河北唐山 建設期 24 個月 將引進藍寶石長晶爐、晶片切磨拋等先進生產(chǎn)設備，主要生產(chǎn)藍寶石單晶等產(chǎn)品南京高精傳動2011.5.31，安徽合肥 預計 2012 年底試投產(chǎn)規(guī)劃投資 400 臺LED 藍寶石襯底長晶體制造設備無錫斯達新能源科技2011.6.2，江蘇沛縣 今年 7 月底開工建設，9 月進行設備安裝調(diào)試，年底投產(chǎn)年底前一期 8 臺LED 藍寶石長晶爐中賽光晶 2011.6.10，江蘇宜春 晶體項目四川德勝集團2011.6，青海浙江昀豐 2011.7，浙江1.3.2 LED 外延片生長設備 MOCVDLED 芯片制作過程中另外一個關鍵環(huán)節(jié)就是 MOCVD 的設備與應用，下面做一個簡單介紹：1、生產(chǎn)效率和成本概況國際上 MOCVD 技術已經(jīng)相當成熟，主流設備從 2003 年 6-8 片機、2004 年 12 片機、 2005 年 15 片機、2006 年的 21-24 片機，目前已經(jīng)達到42、45、49 片機(一次可裝載 49 片 2 英寸的襯底生長外延) 。外延爐容量的不斷擴大讓 LED 外延片生產(chǎn)商的單位生產(chǎn)成本快速大幅下降。目前，量產(chǎn)企業(yè)對單批產(chǎn)能的最低要求是在 30 片以上。國產(chǎn)設備目前為 6 片機，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本差距甚遠。2、價格及產(chǎn)值概況生產(chǎn)型 MOCVD 設備的售價高達 10002000 萬元（根據(jù)機型，6 片機 70 萬美元左右，9 片機 100 萬美元左右） ，加上相關配套設備設施，一條產(chǎn)線 LED 生產(chǎn)線需要投入 4000 多萬元。若新采購設備為 45 片機生產(chǎn)藍光芯片，按 3 爐/天計算，年產(chǎn) 4 .9 萬片左右，收入 4800 萬元，投入產(chǎn)出基本為 1:1。3、生產(chǎn)過程工藝復雜，參數(shù)眾多，優(yōu)良率與均勻性是關鍵外延片生長過程工藝復雜，參數(shù)眾多，培養(yǎng)專業(yè)操作人員需時間較長。一個最簡單的 GaN 藍光 LED 單量子阱結構，其生長工藝包括：高溫烘烤、緩沖層、重結晶、n-GaN、阱層、疊層及 p-GaN 等，工藝步驟達幾十步，每一步需調(diào)整的工藝參數(shù)共有 20 多個，各參數(shù)之間存在比較微妙的關系，工藝編輯人員需根據(jù)工藝要求，對各個參數(shù)進行逐一調(diào)整，必要時還要進行計算，如升溫速度、升壓速度、生長速率控制、載氣與氣源配比等。如何根據(jù)工藝需要自動對參數(shù)進行檢查，減輕工藝人員的工作量，是值得研究的新興課題。每個外延芯片、生產(chǎn)批次與系統(tǒng)之間的關系，能確保良好的均勻性以及優(yōu)良率，尤其在芯片廠商擴產(chǎn)時，還能維持相同的優(yōu)良率與均勻性就顯的特別關鍵。4、4 英寸 MOCVD 設備將成為主流現(xiàn)階段臺灣外延廠商在技術上已經(jīng)具備生產(chǎn) 4 英寸和 6 英寸的能力，但是出于成本的考慮，多數(shù)臺灣廠家還是以 2 英寸的 MOVCD 設備為生產(chǎn)主線；大部分歐美與韓國廠商則早已使用 4 英寸 MOVCD 設備。 市場預期一旦 4 英寸外延片材料成本大幅崩落（目前 4 英寸外延片的成本價格約為 2 寸外延片的四倍） ，2 英寸的 MOCVD 設備將逐漸被 4 英寸所取代。AIXTRON 與 SemiLEDs 在 2009 年 5 月就合作開發(fā)出 6 寸藍光 LED 芯片，在6x6 寸 AIX 2800G4 HT MOCVD 反應爐的結構上，產(chǎn)量增加約 30%（相較于傳統(tǒng)42x2-inch 的架構） ，不但均勻性較好，也減少了邊緣效應(edge effect)。不過就現(xiàn)階段而言，大多數(shù)的困難仍然在于 6 寸的基板價格偏高與外延片切割技術的挑戰(zhàn)。MOCVD 設備市場情況：1、設備供應商概況目前國際上實力最為雄厚的 MOCVD 系統(tǒng)制造商有 :德國 Aixtron 公司、美國的 Vecoo 公司。因為 MOCVD 系統(tǒng)最關鍵的問題就是保證材料生長的均勻性和重復性，因此不同廠家的 MOCVD 系統(tǒng)最主要的區(qū)別在于反應室結構。 Aixtron采用行星反應(Planetary Reactor)，Veeco 采用 TurboDisc 反應室。 Vecoo 市占率由 2009 年的 31竄升至 42，而 Aixtron 則由原本 62萎縮至 55，合計市占高達 97。其余設備商如應用材料、周星（Jusung）與大陽日酸株式會社則僅占極小的出貨比例。 德國 AIXTRON 公司目前，AIXTRON 公司最先進的獨特的行星轉盤技術應用在大型 G4 2800HT 42*2”以及 Thomas Swan(1999 年被 AIXTRON 收購) CCS Crius 30*2” MOCVD 系統(tǒng)，使得 AIXTRON 的 MOCVD 設備被公認為世界上技術和商業(yè)價值最完美的結合。 美國 VEECO 公司美國維易科精密儀器有限公司主打機型 45 片機 K465 已經(jīng)銷售超過 100 臺，至今 K 系列 MOCVD 產(chǎn)品全球銷售超過 200 臺。80%的世界頂尖 LED 企業(yè)已經(jīng)采用 K465 型號的 MOCVD，截止到目前，VEECO 于中國地區(qū)大有斬獲，累計MOCVD 出貨已達 85 臺。VEECO 的 MOCVD 主要有以下優(yōu)勢： 首先，它是量產(chǎn)型機器，能有效提高量產(chǎn)的時間，減少清洗和維護的時間和次數(shù)。因為開倉清洗過程需要從高達 1000 攝氏度的溫度冷卻后清洗，然后再將溫度升高至 1000 攝氏度，需要浪費不少的時間。 第二，自動化程度高，減少人為操作。例如可自動化導入，機械手在生產(chǎn)完成后可自動更換藍寶石等，屬于量產(chǎn)型的設計。 第三，保護設備投資，防止落伍。避免將來由于新的設備出現(xiàn)，造成舊設備的落伍。通過計劃與客戶充分溝通，新的設備與舊的設備聯(lián)系在一起，提升產(chǎn)品的良率。今年以來由于 MOCVD 機臺供不應求的狀況，使得 VEECO 在這段期間取得了相對有利的市場地位，尤其在中國市場大有斬獲。中國地區(qū)的成長相較去年成長將近 80%。根據(jù)了解，由于 VEECO 開始透過委外代工來增加產(chǎn)能，目前產(chǎn)能規(guī)模直追產(chǎn)業(yè)龍頭 AIXTRON，因此明年 MOCVD 機臺供給不足的瓶頸將可望獲得解決。 其他廠家主要包括日本酸素(NIPPON Sanso)和日新電機(Nissin Electric)等，其市場基本限于日本國內(nèi)。此外，日亞公司和豐田合成的設備主要是自己研發(fā)，其 GaN-MOCVD 設備不在市場上銷售，僅供自用。從設備性能上來講，日亞公司設備生產(chǎn)的材料質(zhì)量和器件性能上，要優(yōu)于AIXTRON 和 EMCORE(已經(jīng)被 VEECO 收購)的設備。按生產(chǎn)能力計算，2006 年 GaN 型 MOCVD 設備在全球市場的主要分布為：中國臺灣地區(qū) 48%，美國 15%，日本