【文章內(nèi)容簡介】 極管 LED 是可直接將電能轉(zhuǎn)化為光 信號 的發(fā)光器件，具有工作電壓低，耗電量小，發(fā)光效率高，響應(yīng)時間短 ， 結(jié)構(gòu)牢固，抗沖擊，耐振動，性能 穩(wěn)定可靠，重量輕，體積小，成本低等一系列特性 。 LED 的核心是由 p 型和 n 型半導(dǎo)體構(gòu)成的 pn 結(jié)管芯，當(dāng)注入 pn 結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時，就會發(fā)出可見光，紫外光或近紅外光。但 pn 結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個方向發(fā)射的 概 率 不 相同， pn 結(jié)管芯產(chǎn)生的光 能不可能全部 釋放出來， 因為 這 還 取決于半導(dǎo)體材料質(zhì)量、 LED 的內(nèi)、外部量子效率 的提高 、 管芯結(jié)構(gòu)及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料 。 由于芯片輸入功率的不斷提高，為獲得 LED 較佳的光電性能和可靠性，對封裝技術(shù)提出更高的要求。 LED 芯片 與 封裝 技術(shù) 向大電流 、 大 功率方向發(fā)展，光通量比 傳統(tǒng)形式的LED 大 1020 倍，因此，采用 先進(jìn)的 封裝技術(shù) 至 關(guān) 重要。功 率 型 LED 將倒裝 12 管芯倒裝焊接在具有焊料凸點的載體上，然后把完成倒裝焊接的載體裝入熱沉與管殼中進(jìn)行封裝。這種封裝對于取光效率，散熱性能，加大工作電流密度的設(shè)計都是最佳的 ，它 使其輸出光功率，外量子效率等性能優(yōu)異 、 輻射圖樣可控和光學(xué)效率最高 ， 將 LED 固體光源發(fā)展到一個新水平。 就標(biāo)準(zhǔn) SMT 工藝 而 言，焊膏倒裝芯片組裝工藝是最常見的，且已證明完全適合 SMT，可滿足以下要求： 一是要有高的取光效率，二是盡可能低的熱阻，三是延緩器件光衰 。其不足是由于散熱系統(tǒng)體積大，無法實現(xiàn)超小型化，不能滿足現(xiàn)代超小型產(chǎn)品的要求。 本項目應(yīng)用光電子技術(shù)、芯片倒裝焊接技術(shù)、片式器件制造技術(shù)、柔性板線路技術(shù)， 開發(fā)超薄型、高光效、低熱阻的功率型發(fā)光二極管，實現(xiàn)了功率型器件的超小型化。 ? 主要技術(shù)內(nèi)容： 本項目 的設(shè)計和 工藝 技術(shù)理念， 首先是 采用倒裝芯片 焊接技術(shù) ， 將倒裝的半導(dǎo)體芯片 粘結(jié) 在 基板 或 Si 材料的作業(yè)器件內(nèi)上，通過焊接在厚度很薄的柔性電路印制板上，采用透明度高、不易碳化變黃的材料 塑 封。其次，這種結(jié)構(gòu)增大 了管芯發(fā)光的 表面積 ， 提高了器件的 取光效率；具有 熱電分離的特點， 改善導(dǎo)熱性能 與降 低熱阻 、增強了散熱特性，因而可在較高的驅(qū)動電流下穩(wěn)定可靠的工作；延緩光衰現(xiàn)象和減小結(jié)構(gòu)尺寸。 （ 1）光電子技術(shù) —— 倒裝管芯 的 倒裝焊接 技術(shù) 傳統(tǒng)的 LED 芯片，電極剛好位于芯片的出光面，光從最上面的 P— GaN層中取出。 P— GaN 有限的電導(dǎo)率要求在 P— GaN 層表面現(xiàn)沉淀一層電流擴(kuò)散的金屬層。這個電流擴(kuò)散層由 Ni 和 Au 組成，會吸收部分光，從而降低芯片的出光效率。為減少發(fā)射光的吸收，電流擴(kuò)散層的厚度應(yīng)減少到幾百納米。厚度的減少反過來又限制了電流擴(kuò)散層在 P— GaN層表面均勻和可靠地擴(kuò)散大電流的能力。因 此這種 P 型接觸結(jié)構(gòu)制約了 LED 芯片工作功率。同時這種結(jié)構(gòu) PN結(jié)的熱量通過藍(lán)寶石襯底導(dǎo)出去，導(dǎo)熱路徑較長，由于藍(lán)寶石的熱導(dǎo)系數(shù)較金屬低（為 35W/Mk），因此，這種結(jié)構(gòu)的 LED 芯片熱阻會較大。此外，這種結(jié) 13 構(gòu)的 P 電極和引線也會擋住部分光線進(jìn)入器件封裝。為了提高器件功率，獲得高出光效率和優(yōu)良的熱特性，本項目采用 FLIP CHIP（倒裝芯片）倒裝焊接在10Z（ 35μ m）的柔性電路板上，兼顧 LED 的功率型和器件的超薄化。 正裝焊接示意圖 電極藍(lán)寶石硅熱沉焊膏電極μμ 14 Lumileds 功率型 SMD LED 結(jié)構(gòu)示意圖μ倒裝芯片柔性電路板錫焊球本項目產(chǎn)品倒裝焊接結(jié)構(gòu)示意圖 采用特制的柔性線路板（ FPC）替代原有的熱沉和引線框架基板，實現(xiàn)同一基板的多功能化，將 FLIP CHIP（倒裝芯片）倒裝焊接于復(fù)合基板上，因沒有了 P 電極和引線的阻礙，對提高亮度有一定的幫助 。 而且，電流流通的距離縮短，電阻減低，產(chǎn)生的熱量也相對降低。所以，當(dāng)此工藝應(yīng)用于 SMD LED 上，不但提高光輸出，更可以使產(chǎn)品整體體積縮小 ，擴(kuò)大產(chǎn)品的應(yīng)用市場。 ● 采用 FLIP CHIP，把 SiC 型或 GaN 型的芯片，倒裝在集內(nèi)熱沉與引線框架功能為一體的 FPC 上；通過芯片的倒裝技術(shù)（ FLIP CHIP）可以比傳統(tǒng)的 LED 芯片封裝技術(shù)得到更多的有效出光。 ● 同時采用沉金的 FPC 作為熱沉板，沉金光潔度好，具有良好的反射效果，增加了出光率。 ● 在倒裝芯片的藍(lán)寶石襯底部分與環(huán)氧樹脂導(dǎo)光結(jié)合面上加上一層特殊有機材料以改善芯片出光的折射率。 （ 2） 熱工控制 技術(shù) LED 正在向著高功率、高光通的方向發(fā)展，隨著單管輸入功率的增加， 產(chǎn)品 應(yīng)用中的熱工控制 技術(shù)和 散熱問題逐漸 突出。溫度可以影響 器件 的性能和可靠性，因此對于 產(chǎn)品 設(shè)計 的 熱工控制是非常關(guān)鍵的 技術(shù)， 合理的熱工控制 .可以 15 有效提高 其 光效、光通 量 和使用壽命。 LED 工作時產(chǎn)生的 熱阻 ，導(dǎo)致器件 輸出 的 光通量 與 輸入 的 電流 具有一定的關(guān)系 。 對于具有較低熱阻的 LED，光通量隨輸入電流的增長近似成線形關(guān)系 ，對于熱阻較高的 LED，光通量甚至?xí)S輸入電流的增長出現(xiàn)下降的情況 ； 高熱阻 LED 器 件中，熱量導(dǎo)致結(jié)溫 顯著 升高，結(jié)溫升高抑制了輸出光通的增加，與增加輸入電流帶來的光通量增加二者 相互 抵消。 因此， 合 理 的熱工控制和驅(qū)動電流選擇對于充分發(fā)揮 LED 的性 能非常 重要 。 散熱是器件制造中的一個關(guān)鍵問題，而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已無法成功地解決散熱問題。傳統(tǒng)的指示燈型 LED 封裝結(jié)構(gòu)，一般是用導(dǎo)電膠將芯片裝在中尺寸的反射杯中或載片臺上，由金絲完成器件的內(nèi)外連接合用環(huán)氧樹脂封裝面面，其熱阻高達(dá) 250~300℃ /W，新的功率型芯片若采用傳統(tǒng)式的 LED 封裝形式，將會因為散熱不良而導(dǎo)致芯片結(jié)溫度迅速上升和環(huán)氧碳化變黃，從而造成器件的加速光衰直致失效，甚至因為迅速的熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力造成開路面失效。因此，對于大工作電流的功率型 LED 芯片，低熱阻、散熱良好及低應(yīng)力的新的封裝結(jié)構(gòu)是功率型 LED 器件的技術(shù)關(guān)鍵。 下面是功率型片狀 LED 的典型熱特性圖： 芯片 芯 片粘接 內(nèi) 部熱沉 內(nèi)部熱沉 金 屬線路板 金 屬線路板與金屬線路板 與 環(huán)境溫度內(nèi)部熱阻 外 部熱阻R Θ D i e R Θ A t t ach R Θ HCR Θ C B R Θ B o ar d R Θ BAR Θ CAR Θ JCPDTjTaTC 16 熱阻與熱導(dǎo)系數(shù)的關(guān)系曲線010203040500 1 2 3 4 5 6λ （ W / M k ）R（K/W） 根據(jù)熱阻的定義，可以得出如下公式： Tj=Rθ JA*PD+Ta RΘ JA= RΘ JC+ RΘ CA RΘ JC= RΘ Die + RΘ Attach + RΘ HC RΘ CA = RΘ CB + RΘ Board + RΘ BA Tj 、 Ta 分別對應(yīng) LED 器件 PN 結(jié)和器件周圍環(huán)境溫度； RΘ JA 是 LED 器件 PN 結(jié)到環(huán)境溫度之間的熱阻； PD 是器件的熱耗散功率，在此約等于器件的電輸入功率，即 PD=VF*VFO RΘ JC 是器件的內(nèi)部熱阻； RΘ CA 是器件的外部熱阻； RΘ Die 是倒裝芯片的熱阻； RΘ Attach是芯片 Si 襯底粘接焊料熱阻； RΘ HC 是器件內(nèi)部熱沉的熱阻； RΘ CB 是器件內(nèi)部熱沉與金屬線路板之間的接觸熱阻； RΘ Board是金屬線路板的熱阻； RΘ BA 是金屬線路板至環(huán)境溫度之間的熱阻。 由上述特性原理可知，要降低產(chǎn)品熱阻，可以通過降低器件的內(nèi)部熱阻即 17 倒裝芯片的熱阻、芯片 Si 襯底粘接焊料熱阻、器件內(nèi)部熱沉的熱阻來實現(xiàn)。本項目采用低熱阻的倒裝芯片、高導(dǎo)熱系數(shù)的 FPC 熱沉及高導(dǎo)熱系數(shù)的焊接材料，來降低器件的熱阻，提高片狀 LED 的出光效率和可靠性。 本項目采用在芯片下部加 FPC 板作為熱沉，在 FPC 的正面銅上沉金，其厚度為 10Z（ 35μ m），導(dǎo)熱系數(shù)為 315W/（ ） ,熱阻為 ℃ /W。 根據(jù)需要，可把 FPC 的背面（沉金），直接加上鋁基板上，實現(xiàn)二次散熱。 （ 3） 封裝工藝技術(shù) 管殼 的 封裝也是 發(fā)光管制造中 解決光衰問題 的 關(guān)鍵技術(shù) 之一。為此， 采用有效的散熱與 優(yōu) 化的封裝材料 ，傳統(tǒng) 的 LED 由光學(xué)透明的環(huán)氧樹脂封裝 ， 溫度升高到環(huán)氧樹脂玻璃轉(zhuǎn)換溫度時，環(huán)氧樹脂由剛性的、類似玻璃的固體材料轉(zhuǎn)換成有彈性的材料 ， 環(huán)氧樹脂透鏡變黃，引線框架也因氧化而玷污 。 新型有機包封材料具有許多特點，與環(huán)氧樹脂灌封材料相比，具有優(yōu)越得多的性能，包括抗高低溫變化、抗紫外線、抗老化、更快的固化速度、更優(yōu)的整體固化性能和對元器件、器壁和導(dǎo)線更優(yōu)異的粘接性，可有效防止水份的滲入，從而增強密封性能，特別適用于無外殼的電子器件的包封。由于使 用有機硅灌封材料，認(rèn)真 選擇凸點類型、焊劑、底部填充材料等組裝材料， 器件獲得較佳的光電性能和可靠性 。 本項目為增加器件的出光率，在倒裝芯片的藍(lán)寶石襯底部分與環(huán)氧樹脂導(dǎo)光結(jié)合面上加上一層特殊材料，以改善芯片出光的折射率。 項目的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點論述 常規(guī) 的 LED 封裝是將管芯粘結(jié)或燒結(jié)在引線架上，管芯的正極通過球形接觸點與金絲，鍵合為內(nèi)引線與一條管腳相連，負(fù)極通過反射杯和引線架的另一管腳相連，然后其頂部用環(huán)氧樹脂包封。 18 本項目 LED 芯片和封裝不再沿 用 傳統(tǒng)的設(shè)計理念與制造生產(chǎn)模式， 首先，為 增加芯片的 光輸出， 采用 FLIP CHIP 芯片， 而且更關(guān)注 項目的技術(shù)創(chuàng)新： 增強 功率型片狀 LED 內(nèi)部 發(fā)光效 率，改進(jìn) 散熱 性能，解決散熱 問題 ， 同時采用獨特 FPC 作為熱沉和引線框架的集成體，減少了產(chǎn)品的面積和厚度，為實現(xiàn)超薄型功率器件提供了基礎(chǔ)。 ? 關(guān)鍵技術(shù) 1. 如何可靠地將 FLIP CHIP 芯片焊接在 FPC 熱沉上 2. 如何解決獨特的塑封工藝 3. 如何解決功率型片狀 LED 的熱工及光學(xué)特性。 ? 創(chuàng)新點論述 1．主要結(jié)構(gòu)創(chuàng)新 常見 FLIP CHIPLED 封裝 采用傳統(tǒng) PCB 板或 FE合金作為引線框架，采用銅或硅襯底作為內(nèi)熱沉，體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；本項目 采用正反雙面銅鉑焊盤均沉金的 FPC 作為內(nèi)熱沉和引線框架的集成體，替代原引線框架及 PCB 板，減少了產(chǎn)品的體積和厚度：體積減少約 1/4，厚度減少 215μ m。填充了國內(nèi)空白，拓展了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，為項目成功提供了技術(shù)保障。 2. 生產(chǎn)工藝創(chuàng)新 （ 1） 采用新穎的基板 —— 柔性電路板的制造技術(shù)，替代普通環(huán)氧樹脂覆銅板及引線框架，實現(xiàn)了產(chǎn)品厚度的超薄化，采用熱沉基板以提升產(chǎn)品的散熱性 （ 2） 采用 FLIP CHIP 獨特的裝焊接工藝，研究焊接的最佳溫度曲線及不同焊膏材質(zhì)，實現(xiàn)片式 LED 產(chǎn)品的高出光效率和良好散熱性。 3. 使用效果創(chuàng)新 本項目開發(fā)多種功率的系列化產(chǎn)品，以適應(yīng)不同領(lǐng)域客戶的需求。 項目產(chǎn)品基板厚度為 35μ m，產(chǎn)品具有總厚度薄、散熱性好、發(fā)光效 19 率高、不易在大電流下發(fā)熱的優(yōu)點，使產(chǎn)品能適應(yīng)電子信息產(chǎn)品體積小型化和功率化的趨勢。 且采用柔性電路板作為基板，耐熱性好，隔熱效果好，可供軍工和高溫等特殊環(huán)境下使用。以柔性電路板為基板的多芯片功率型 SMD LED，可要據(jù)需求進(jìn)行二次散熱設(shè)置，形成獨特的綠色環(huán)保的照明單元，可廣泛應(yīng)用于各種不同類型的照明需求。 ? 項目存在的技術(shù)難題 倒裝芯片的成功實現(xiàn)包含設(shè)計、工藝、設(shè)備與材料 等 諸多因素。只有對 每一個因素都加以認(rèn)真考慮和 研究 才能夠促進(jìn)工藝和技術(shù)的不斷完善和進(jìn)步，才能滿足應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Φ寡b芯片技術(shù)產(chǎn)品不斷增長的需要。 （ 1）微切劃技術(shù)：為與熱沉、柔性電路基板相匹配，將芯片加工成型的微切工藝技術(shù)研究，將直接影響項目產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力。 （ 3） 柔性印制板線路設(shè)計制造技術(shù)：設(shè)計出能替代環(huán)氧樹脂覆銅板作為基板及替代硅襯底