大功率發(fā)光芯片封裝結(jié)構(gòu)

1、大功率發(fā)光芯片封裝結(jié)構(gòu)1 前言隨著半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)的進(jìn)步以及人們對綠色照明技術(shù)的需求，新興的固體照（solid-state lighting，SSL）光源，特別是高亮度發(fā)光二極管（high-brightness light emitting diodes，HB-LED）引起了人們密切的關(guān)注和深入的研究：它具有發(fā)光效率高、使用壽命長、耐震動沖擊以及對環(huán)境友好等一系列優(yōu)點，而且不同光色的固體光源組成的照明系統(tǒng)可通過矩陣、網(wǎng)絡(luò)等實現(xiàn)照明亮度和光色的細(xì)微控制，得到豐富多彩的照明效果。固體照明光源被認(rèn)為是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈和高壓放電燈之后的第四代人工光源。在 LED 產(chǎn)業(yè)鏈中，襯底晶片及襯底生產(chǎn)

2、處于上游， LED 芯片設(shè)計及制造處于中游，而下游屬于LED 封裝與測試。對于用作通用照明的大功率LED，目前研發(fā)目標(biāo)之一是將單個LED 的發(fā)光量提高到1000 流明的水平，這除了需要增加芯片的面積并提高輸入功率外，還需要改善芯片封裝方法并提高固定設(shè)備的集成度，從而使LED 芯片結(jié)點與周圍環(huán)境間的熱阻降到10K/W 以下的水平。因此研發(fā)低熱阻、優(yōu)異光學(xué)特性、可靠性高而低成本的封裝是高亮度LED 進(jìn)入通用照明市場的關(guān)鍵技術(shù)之一，從某種意義上講，LED 的封裝是連接產(chǎn)業(yè)與市場的紐帶，只有封裝良好的產(chǎn)品才能贏得市場，為顧客接受，讓人類早日跨入半導(dǎo)體照明時代。2 LED 封裝的特點LED 是由數(shù)層很薄

3、的攙雜半導(dǎo)體材料在襯底（藍(lán)寶石或SiC 等）上通過MOCVD 法外延生長而成，其中一層帶過量的電子，另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”，當(dāng)有電流通過時，電子和空穴復(fù)合并以輻射光子的形式釋放出能量，從而直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光、紫外光或紅外光，圖1 是其發(fā)光原理示意圖。LED 作為半導(dǎo)體器件，其封裝技術(shù)基本上是在分立半導(dǎo)體器件的封裝技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展演化而來的，但是作為半導(dǎo)體發(fā)光器件，LED 的封裝又有自己的特點：LED 封裝不但要完成電信號的輸入輸出，保護(hù)芯片在正常的電流下工作，還得維持工作狀態(tài)下芯片的溫度不超過允許的范圍，這對于功率型LED 的封裝來說顯得尤為重要，因為當(dāng)芯片的結(jié)點溫度升高到一

4、定的水平后，會發(fā)生明顯的顏色漂移和發(fā)光效率下降等現(xiàn)象；LED 封裝結(jié)構(gòu)和材料要有利于提高出光效率，減少對芯片出射光的阻擋和吸收；另外還得盡量采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)封裝材料，從而降低生產(chǎn)成本，畢竟價格是LED 光源進(jìn)入通用照明市場的關(guān)鍵之一。圖 1. 半導(dǎo)體發(fā)光示意圖隨著發(fā)光半導(dǎo)體芯片設(shè)計與制造等技術(shù)的進(jìn)步，下游的封裝技術(shù)和產(chǎn)業(yè)也獲得了很大的發(fā)展。目前市場上已有不同引腳數(shù)目、不同封裝外形以及單芯片和多芯片組合等多種封裝形式，并且很多已經(jīng)形成了系列。按照芯片的電極觸點在封裝時與基板的位置，LED 的封裝可主要分為芯片正裝式封裝和倒裝式封裝。3 芯片正裝式封裝LED 芯片正裝式封裝是將芯片的電極觸點朝上，通

5、過引線鍵合方式實現(xiàn)器件的電氣互連，光線由芯片的正面出射，芯片底部通過導(dǎo)熱樹脂粘結(jié)在小尺寸的反光碗中或載片臺上，最后用環(huán)氧樹脂塑封而成。由于小型LED芯片散失的熱量不大，引腳數(shù)較少，而引線鍵合工藝很成熟且成本低廉，因此到目前為止，小功率LED 主要以引線鍵合的正裝式封裝為主。圖 2 為目前市場上可大批量提供的GaN 基正裝LED 芯片結(jié)構(gòu)示意圖，襯底為藍(lán)寶石。這種正裝LED 的出光效率受到下面兩個因素的制約：首先，由于P 型GaN 層導(dǎo)電率較低，需要在其表面覆蓋一層半透明的NiAu材料作為電流擴(kuò)展層，由于NiAu 是部分吸光材料，厚了會增加對光的吸收，太薄又不利于電流在擴(kuò)展層上的均勻性和大電流在

6、P 型GaN 表面擴(kuò)展的可靠性，不得不綜合考慮；其次，芯片產(chǎn)生的熱量大部分需通過導(dǎo)熱性差的藍(lán)寶石襯底再傳遞到熱沉上，這不利于熱量的迅速散失，從而限制了芯片發(fā)光效率和輸入功率的提高?；谶@兩個影響因素和芯片面積的不斷增大以及輸入功率的不斷提高，功率型LED 倒裝式封裝逐漸發(fā)展起來。圖2 正裝LED 芯片結(jié)構(gòu)示意圖4 倒裝芯片(Flip Chip)式封裝LED 倒裝式封裝是將LED 芯片的電極觸點朝下，直接貼裝到硅載體或PCB 基板上，中間通過焊料/導(dǎo)電膠互連，然后粘貼到熱沉上，外面采用棱鏡塑封而成，芯片產(chǎn)生的光束通過透明的藍(lán)寶石襯底出射。此封裝結(jié)構(gòu)中采用的倒裝型LED 芯片是在外延半導(dǎo)體上形成高

7、反射率的金屬層，比如Ag 和Al，它既充當(dāng)半導(dǎo)體的電接觸層，又充當(dāng)光反射層。對470520nm 波長的光，0.12 微米厚的Ag 和Al 的反射率可分別達(dá)到96%和84%，圖3是倒裝LED 芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3 倒裝封裝的LED 芯片倒裝型 LED 由于采用的是厚而不透明的金屬接觸層作為電流擴(kuò)展層，因而與正裝型LED 相比，它能夠在大的工作電流下工作并保持很高的可靠性，同時，封裝到底板上后，由于芯片的激發(fā)區(qū)更靠近熱沉，元件產(chǎn)生的熱量能很快從導(dǎo)電金屬層通過焊料傳遞到熱沉而散失掉，有利于保持較高的發(fā)光效率。因此，目前大多數(shù)功率型 LED(輸入功率1W)均采用倒裝型封裝結(jié)構(gòu)，這也是未來通用半導(dǎo)體照

8、明的希望。美國 Lumileds 公司的LUXEON 系列LED 是倒裝型大功率LED 封裝的代表，如圖4 所示。該封裝結(jié)構(gòu)采用的是熱電分離的形式：芯片倒裝焊接在具有焊料凸點的硅載體上，然后把完成倒裝焊接的硅載體裝入熱沉與管殼中，通過鍵合引線實現(xiàn)電互連；硅載體與熱沉之間采用很薄的一層導(dǎo)熱樹脂連接形成導(dǎo)熱通道，其封裝熱阻只有410K/W，不到常規(guī)f5mm LED 的十分之一；設(shè)計良好的反射杯和光學(xué)透鏡使輻射圖案可控和光學(xué)效率最高；為了提高金絲互連可靠性，器件內(nèi)部填充有性能穩(wěn)定的硅橡膠，能有效的吸收熱沖擊條件下(-40120fC)產(chǎn)生的應(yīng)力，最后將封裝好的芯片通過焊料焊接到導(dǎo)熱性能優(yōu)良的金屬基PC

9、B 板上。 LUXEON 系列LED 由于采用了上述新型封裝結(jié)構(gòu)和材料，使其從熱、光和電的角度都達(dá)到了較佳的水平，這也是目前市場上大功率LED 單芯片封裝的主流形式。圖 4 LUXEON 系列LED 封裝結(jié)構(gòu)示意圖除了LUXEON 這種單芯片封裝方法外，2003 年，Lamina Ceramics 公司推出了自己的專利封裝技術(shù)多層低溫陶瓷金屬基燒結(jié)(LTCC-M)技術(shù)，生產(chǎn)出集成度很高的LED 陣列，如圖5 所示。通過倒裝封裝工藝，該多芯片組裝器件的發(fā)光亮度在840cd/in2 以上，流明效率超過40lm/W，而使用壽命長達(dá)10 年，并且能在高達(dá)250fC的環(huán)境下正常工作。美國UOE 公司研制的NORLUX 系列大功率LED 也為多芯片組合封裝結(jié)構(gòu)，見圖6。NORLUX 采用六角形鋁基金屬線路板作為熱沉，直徑為1.25 英寸，發(fā)光區(qū)位于其中央部位，可根據(jù)所需輸出光功率的大小在金屬線路板上排列多達(dá)40 個超高亮度倒裝型LED 芯片，包括AlGaInN 和AlGaInP，它們的發(fā)射光可為單色、彩色（RGB）