LED倒装技术及工艺流程分析

　　发光二极管（LED）作为新型的绿色照明光源，具有节能、高效、低碳、体积小、反应快、抗震性强等优点，可以为用户提供环保、稳定、高效和安全的全新照明体验，已经逐步发展成为成熟的半导体照明产业。

　　近年来，全球各个国家纷纷开始禁用白炽灯泡，LED将会迎来一个黄金的增长期。此外，近年来LED在电视机背光、手机、和平板电脑等方面的应用也迎来了爆发式的增长，LED具有广阔的应用发展前景。

　　2、倒装LED技术的发展及现状

　　倒装技术在LED领域上还是一个比较新的技术概念，但在传统IC行业中已经被广泛应用且比较成熟，如各种球栅阵列封装（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）、晶片级芯片尺寸封装（WLCSP）等技术，全部采用倒装芯片技术，其优点是生产效率高、器件成本低和可靠性高。

　　倒装芯片技术应用于LED器件，主要区别于IC在于，在LED芯片制造和封装过程中，除了要处理好稳定可靠的电连接以外，还需要处理光的问题，包括如何让更多的光引出来，提高出光效率，以及光空间的分布等。

　　针对传统正装LED存在的散热差、透明电极电流分布不均匀、表面电极焊盘和引线挡光以及金线导致的可靠性问题，1998年，J.J.Wierer等人制备出了1W倒装焊接结构的大功率AlGaInN-LED蓝光芯片，他们将金属化凸点的AIGalnN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅载体上。

　　图1是他们制备得到的LED芯片的图片和截面示意图。他们的测试结果表明，在相同的芯片面积下，倒装LED芯片（FCLED）比正装芯片有着更大的发光面积和非常好的电学特性，在200-1000mA的电流范围，正向电压（VF）相对较低，从而导致了更高的功率转化效率。

　　图1 倒装结构的LED芯片图片和截面示意图

　　2006年，O.B.Shchekin等人又报道了一种新的薄膜倒装焊接的多量子阱结构的LED（TFFC-LED）。所谓薄膜倒装LED，就是将薄膜LED与倒装LED的概念结合起来。

　　在将LED倒装在基板上后，采用激光剥离（Laser lift-off）技术将蓝宝石衬底剥离掉，然后在暴露的N型GaN层上用光刻技术做表面粗化。

　　如图2所示，这种薄膜结构的LED可以有效地增加出光效率。但相对来说，这种结构工艺比较复杂，成本会相对较高。

　　图2 薄膜倒装LED芯片结构示意图　　随着硅基倒装芯片在市场上销售，逐渐发现这种倒装LED芯片在与正装芯片竞争时，其成本上处于明显的劣势。

　　由于LED发展初期，所有封装支架和形式都是根据其正装或垂直结构LED芯片进行设计的，所以倒装LED芯片不得不先倒装在硅基板上，然后将芯片固定在传统的支架上，再用金线将硅基板上的电极与支架上的电极进行连接。

　　使得封装器件内还是有金线的存在，没有利用上倒装无金线封装的优势；而且还增加了基板的成本，使得价格较高，完全没有发挥出倒装LED芯片的优势。

　　为此，最早于2007年有公司推出了陶瓷基倒装LED封装产品。这一类型的产品，陶瓷既作为倒装芯片的支撑基板，也作为整体封装支架，实现整封装光源的小型化。

　　这一封装形式是先将倒装芯片焊接（Bonding）在陶瓷基板上，再进行荧光粉的涂覆，最后用铸模（Molding）的方法制作一次透镜，这一方法将LED芯片和封装工艺结合起来，降低了成本。

　　这种结构完全消除了金线，同时散热效果明显改善，典型热阻<10℃/W，明显低于传统的K2形式的封装（典型10-20℃/W）。

　　随着倒装技术的进一步应用和发展，2012年开始，出现了可直接贴装（Direct Attach，DA）倒装芯片；随后几年，各个公司都开始研发和推出这一类型的倒装芯片。

　　该芯片在结构上的变化是，将LED芯片表面的P、N两个金属焊盘几何尺寸做大，同时保证两个焊盘之间的间距足够，这样使得倒装的LED芯片能够在陶瓷基板上甚至是PCB板上直接贴片了，使40mil左右的倒装芯片焊盘尺寸能够到达贴片机的贴片精度要求，简化了芯片倒装焊接工艺，降低了整体成本。

　　至目前为止（2014年中）倒装DA芯片已基本成熟，市场销售量逐步增加，未来将会成为大功率LED芯片的主流。

　　在直接贴装DA芯片基础上，2013年开始发展出了白光芯片（部分公司称为免封装或无封装）产品，如图6所示。它是在倒装DA芯片制造过程中同时完成了荧光粉的涂敷，应用时可在PCB上直接进行贴片，完全可以当作封装光源直接应用。

　　其优势是LED器件体积小，芯片直接贴片可以减少散热的界面，进一步降低了热阻，散热性能进一步提高。到目前为止，白光芯片仍然处于研发阶段，市场的应用还不成熟，需要大家共同努力，推动白光芯片技术和应用的发展。

　　图3 白光芯片与封装示意图

　　3、倒装LED芯片的制作工艺

　　倒装LED芯片的制作工艺流程，如图4所示，总体上可以分为LED芯片制作和基板制造两条线，芯片和基板制造完成后，将LED芯片倒装焊接在基板表面上，形成倒装LED芯片。

　　图4 倒装LED芯片工艺流程框图　　3.1、蓝宝石衬底和GaN外延工艺技术

　　对于倒装芯片来说，出光面在蓝宝石的一侧，因此在外延之前，制作图形化的衬底（PSS），将有利于蓝光的出光，减少光在GaN和蓝宝石界面的反射。因此PSS的图形尺寸大小、形状和深度等都对出光效率有直接的影响。在实际开发和生产中需要针对倒装芯片的特点，对衬底图形进行优化，使出光效率最高。

　　在GaN外延方面，由于倒装芯片出光在蓝宝石一侧，其各层的吸光情况与正装芯片有差异，因此需要对外延的缓冲层（Buffer）、N-GaN层、多层量子阱（MQW）和P型GaN层的厚度和掺杂浓度进行调整，使之适合倒装芯片的出光要求，提高出光效率，同时适合倒装芯片制造工艺的欧姆接触的需要。

　　3.2、倒装LED圆片制程工艺

　　倒装芯片与正装芯片的圆片制作过程大致相同，都需要在外延层上进行刻蚀，露出下层的N型GaN；然后在P和N极上分别制作出欧姆接触电极，再在芯片表面制作钝化保护层，最后制作焊接用的金属焊盘，其制作流程如图5所示。

　　图5 倒装LED圆片制作流程

　　与正装芯片相比，倒装芯片需要制作成电极朝下的结构。这种特殊的结构，使得倒装芯片在一些工艺步骤上有特殊的需求，如欧姆接触层必须具有高反射率，使得射向芯片电极表面的光能够尽量多的反射回蓝宝石的一面，以保证良好的出光效率。

　　倒装芯片的版图也需要根据电流的均匀分布，做最优化的设计。由于圆片制作工艺中，GaN刻蚀（Mesa刻蚀）、N型接触层制作、钝化层制作、焊接金属PAD制作都与正装芯片基本相同，这里就不详细讲述了，下面重点针对倒装芯片特殊工艺进行简单的说明。

　　在LED芯片的制作过程中，欧姆接触层的工艺是芯片生产的核心，对倒装芯片来说尤为重要。欧姆接触层既有传统的肩负起电性连接的功能，也作为反光层的作用，如图9所示。

　　在P型欧姆接触层的制作工艺中，要选择合适的欧姆接触材料，既要保证与P型GaN接触电阻要小，又要保证超高的反射率。此外，金属层厚度和退火工艺对欧姆接触特性和反射率的影响非常大，此工艺至关重要，其关系到整个LED的光效、电压等重要技术参数，是倒装LED芯片工艺中最重要的一环。

　　目前这层欧姆接触层一般都是用银（Ag）或者银的合金材料来制作，在合适的工艺条件下，可以获得稳定的高性能的欧姆接触，同时能够保证欧姆接触层的反射率超过95%。

　　图6 倒装芯片出光方向、散热通道、欧姆接触、反光层位置示意图

　　3.3、倒装LED芯片后段制程

　　与正装LED芯片一样，圆片工艺制程后，还包括芯片后段的工艺制程，其工艺流程如图7所示，主要包括研磨、抛光、切割、劈裂、测试和分类等工序。这里工序中，唯一有不同的是测试工序，其它工序基本与正装芯片完全相同，这里不再赘述。

　　图7 LED芯片后段工艺制程流程图

　　倒装芯片由于出光面与电极面在不同方向，因此在切割后的芯片点测时，探针在LED正面电极上扎针测量时，LED的光是从背面发出。要测试LED的光特性（波长、亮度、半波宽等），必须从探针台的下面收光。

　　因此倒装芯片的点测机台与正装点测机台不同，测光装置（探头或积分球）必须放在探针和芯片的下面，而且芯片的载台必须是透光的，才能对光特性进行测试。

　　所以，倒装芯片的点测机台需要特殊制造或改造。