LED倒裝技術及工藝流程分析

　　1、引言

　　發光二極體（LED）作為新型的綠色照明光源，具有節能、高效、低碳、體積小、反應快、抗震性強等優點，可以為用戶提供環保、穩定、高效和安全的全新照明體驗，已經逐步發展成為成熟的半導體照明產業。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/325347.htm

　　近年來，全球各個國家紛紛開始禁用白熾燈泡，LED將會迎來一個黃金的增長期。此外，近年來LED在電視機背光、手機、和平板電腦等方面的應用也迎來了爆發式的增長，LED具有廣闊的應用發展前景。

　　2、倒裝LED技術的發展及現狀

　　倒裝技術在LED領域上還是一個比較新的技術概念，但在傳統IC行業中已經被廣泛應用且比較成熟，如各種球柵陣列封裝（BGA）、晶片尺寸封裝（CSP）、晶片級晶片尺寸封裝（WLCSP）等技術，全部採用倒裝晶片技術，其優點是生產效率高、器件成本低和可靠性高。

　　倒裝晶片技術應用於LED器件，主要區別於IC在於，在LED晶片製造和封裝過程中，除了要處理好穩定可靠的電連接以外，還需要處理光的問題，包括如何讓更多的光引出來，提高出光效率，以及光空間的分布等。

　　針對傳統正裝LED存在的散熱差、透明電極電流分布不均勻、表面電極焊盤和引線擋光以及金線導致的可靠性問題，1998年，J.J.Wierer等人製備出了1W倒裝焊接結構的大功率AlGaInN-LED藍光晶片，他們將金屬化凸點的AIGalnN晶片倒裝焊接在具有防靜電保護二極體(ESD)的矽載體上。

　　圖1是他們製備得到的LED晶片的圖片和截面示意圖。他們的測試結果表明，在相同的晶片面積下，倒裝LED晶片（FCLED）比正裝晶片有著更大的發光面積和非常好的電學特性，在200-1000mA的電流範圍，正向電壓（VF）相對較低，從而導致了更高的功率轉化效率。

　　圖1 倒裝結構的LED晶片圖片和截面示意圖

　　2006年，O.B.Shchekin等人又報導了一種新的薄膜倒裝焊接的多量子阱結構的LED（TFFC-LED）。所謂薄膜倒裝LED，就是將薄膜LED與倒裝LED的概念結合起來。

　　在將LED倒裝在基板上後，採用雷射剝離（Laser lift-off）技術將藍寶石襯底剝離掉，然後在暴露的N型GaN層上用光刻技術做表面粗化。

　　如圖2所示，這種薄膜結構的LED可以有效地增加出光效率。但相對來說，這種結構工藝比較複雜，成本會相對較高。

　　圖2 薄膜倒裝LED晶片結構示意圖

　　隨著矽基倒裝晶片在市場上銷售，逐漸發現這種倒裝LED晶片在與正裝晶片競爭時，其成本上處於明顯的劣勢。

　　由於LED發展初期，所有封裝支架和形式都是根據其正裝或垂直結構LED晶片進行設計的，所以倒裝LED晶片不得不先倒裝在矽基板上，然後將晶片固定在傳統的支架上，再用金線將矽基板上的電極與支架上的電極進行連接。

　　使得封裝器件內還是有金線的存在，沒有利用上倒裝無金線封裝的優勢；而且還增加了基板的成本，使得價格較高，完全沒有發揮出倒裝LED晶片的優勢。

　　為此，最早於2007年有公司推出了陶瓷基倒裝LED封裝產品。這一類型的產品，陶瓷既作為倒裝晶片的支撐基板，也作為整體封裝支架，實現整封裝光源的小型化。

　　這一封裝形式是先將倒裝晶片焊接（Bonding）在陶瓷基板上，再進行螢光粉的塗覆，最後用鑄模（Molding）的方法製作一次透鏡，這一方法將LED晶片和封裝工藝結合起來，降低了成本。

　　這種結構完全消除了金線，同時散熱效果明顯改善，典型熱阻<10℃/W，明顯低於傳統的K2形式的封裝（典型10-20℃/W）。

　　隨著倒裝技術的進一步應用和發展，2012年開始，出現了可直接貼裝（Direct Attach，DA）倒裝晶片；隨後幾年，各個公司都開始研發和推出這一類型的倒裝晶片。

　　該晶片在結構上的變化是，將LED晶片表面的P、N兩個金屬焊盤幾何尺寸做大，同時保證兩個焊盤之間的間距足夠，這樣使得倒裝的LED晶片能夠在陶瓷基板上甚至是PCB板上直接貼片了，使40mil左右的倒裝晶片焊盤尺寸能夠到達貼片機的貼片精度要求，簡化了晶片倒裝焊接工藝，降低了整體成本。

　　至目前為止（2014年中）倒裝DA晶片已基本成熟，市場銷售量逐步增加，未來將會成為大功率LED晶片的主流。

　　在直接貼裝DA晶片基礎上，2013年開始發展出了白光晶片（部分公司稱為免封裝或無封裝）產品，如圖6所示。它是在倒裝DA晶片製造過程中同時完成了螢光粉的塗敷，應用時可在PCB上直接進行貼片，完全可以當作封裝光源直接應用。

　　其優勢是LED器件體積小，晶片直接貼片可以減少散熱的界面，進一步降低了熱阻，散熱性能進一步提高。到目前為止，白光晶片仍然處於研發階段，市場的應用還不成熟，需要大家共同努力，推動白光晶片技術和應用的發展。

　　圖3 白光晶片與封裝示意圖

　　3、倒裝LED晶片的製作工藝

　　倒裝LED晶片的製作工藝流程，如圖4所示，總體上可以分為LED晶片製作和基板製造兩條線，晶片和基板製造完成後，將LED晶片倒裝焊接在基板表面上，形成倒裝LED晶片。

　　圖4 倒裝LED晶片工藝流程框圖

　　3.1、藍寶石襯底和GaN外延工藝技術

　　對於倒裝晶片來說，出光面在藍寶石的一側，因此在外延之前，製作圖形化的襯底（PSS），將有利於藍光的出光，減少光在GaN和藍寶石界面的反射。因此PSS的圖形尺寸大小、形狀和深度等都對出光效率有直接的影響。在實際開發和生產中需要針對倒裝晶片的特點，對襯底圖形進行優化，使出光效率最高。

　　在GaN外延方面，由於倒裝晶片出光在藍寶石一側，其各層的吸光情況與正裝晶片有差異，因此需要對外延的緩衝層（Buffer）、N-GaN層、多層量子阱（MQW）和P型GaN層的厚度和摻雜濃度進行調整，使之適合倒裝晶片的出光要求，提高出光效率，同時適合倒裝晶片製造工藝的歐姆接觸的需要。

　　3.2、倒裝LED圓片製程工藝

　　倒裝晶片與正裝晶片的圓片製作過程大致相同，都需要在外延層上進行刻蝕，露出下層的N型GaN；然後在P和N極上分別製作出歐姆接觸電極，再在晶片表面製作鈍化保護層，最後製作焊接用的金屬焊盤，其製作流程如圖5所示。

　　圖5 倒裝LED圓片製作流程

　　與正裝晶片相比，倒裝晶片需要製作成電極朝下的結構。這種特殊的結構，使得倒裝晶片在一些工藝步驟上有特殊的需求，如歐姆接觸層必須具有高反射率，使得射向晶片電極表面的光能夠儘量多的反射回藍寶石的一面，以保證良好的出光效率。

　　倒裝晶片的版圖也需要根據電流的均勻分布，做最優化的設計。由於圓片製作工藝中，GaN刻蝕（Mesa刻蝕）、N型接觸層製作、鈍化層製作、焊接金屬PAD製作都與正裝晶片基本相同，這裡就不詳細講述了，下面重點針對倒裝晶片特殊工藝進行簡單的說明。

　　在LED晶片的製作過程中，歐姆接觸層的工藝是晶片生產的核心，對倒裝晶片來說尤為重要。歐姆接觸層既有傳統的肩負起電性連接的功能，也作為反光層的作用，如圖9所示。

　　在P型歐姆接觸層的製作工藝中，要選擇合適的歐姆接觸材料，既要保證與P型GaN接觸電阻要小，又要保證超高的反射率。此外，金屬層厚度和退火工藝對歐姆接觸特性和反射率的影響非常大，此工藝至關重要，其關係到整個LED的光效、電壓等重要技術參數，是倒裝LED晶片工藝中最重要的一環。

　　目前這層歐姆接觸層一般都是用銀（Ag）或者銀的合金材料來製作，在合適的工藝條件下，可以獲得穩定的高性能的歐姆接觸，同時能夠保證歐姆接觸層的反射率超過95%。

　　圖6 倒裝晶片出光方向、散熱通道、歐姆接觸、反光層位置示意圖

　　3.3、倒裝LED晶片後段製程

　　與正裝LED晶片一樣，圓片工藝製程後，還包括晶片後段的工藝製程，其工藝流程如圖7所示，主要包括研磨、拋光、切割、劈裂、測試和分類等工序。這裡工序中，唯一有不同的是測試工序，其它工序基本與正裝晶片完全相同，這裡不再贅述。

　　圖7 LED晶片後段工藝製程流程圖

　　倒裝晶片由於出光面與電極面在不同方向，因此在切割後的晶片點測時，探針在LED正面電極上扎針測量時，LED的光是從背面發出。要測試LED的光特性（波長、亮度、半波寬等），必須從探針臺的下面收光。

　　因此倒裝晶片的點測機臺與正裝點測機臺不同，測光裝置（探頭或積分球）必須放在探針和晶片的下面，而且晶片的載臺必須是透光的，才能對光特性進行測試。

　　所以，倒裝晶片的點測機臺需要特殊製造或改造。