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半導體封裝之主要目的是為了確保半導體芯片和下層電路間之正確電氣和機械性的互相接續(xù),及保護芯片不讓其受到機械、熱、潮濕及其它種種的外來沖擊。選擇封裝方法、材料和運用機臺時,須考慮到LED磊晶的外形、電氣/機械特性和固晶精度等因素。因LED有其光學特性,封裝時也須考慮和確保其在光學特性上能夠滿足。
有共晶焊接和覆晶焊接兩種工藝。
共晶焊接技術zui關鍵是共晶材料的選擇及焊接溫度的控制。新一代的InGaN高亮度LED,如采用共晶焊接,晶粒底部可以采用純錫(Sn)或金錫(Au-Sn)合金作接觸面鍍層,晶粒可焊接于鍍有金或銀的基板上。當基板被加熱至適合的共晶溫度時(圖5),金或銀元素滲透到金錫合金層,合金層成份的改變提高溶點,令共晶層固化并將LED緊固的焊于熱沉或基板上(圖6)。選擇共晶溫度視乎晶粒、基板及器件材料耐熱程度及往后SMT回焊制程時的溫度要求。考慮共晶固晶機臺時,除高位置精度外,另一重要條件就是有靈活而且穩(wěn)定的溫度控制,加有氮氣或混合氣體裝置,有助于在共晶過程中作防氧化保護。當然和銀漿固晶一樣,要達至高精度的固晶,有賴于嚴謹?shù)臋C械設計及高精度的馬達運動,才能令焊頭運動和焊力控制恰到好處之余,亦無損高產(chǎn)能及高良品率的要求。
覆晶Flip Chip焊接近年被積極地運用于大功率LED制程中,覆晶方法把GaN LED晶粒倒接合于散熱基板上,因沒有了金線焊墊阻礙,對提高亮度有一定的幫助。因為電流流通的距離縮短,電阻減低,所以熱的產(chǎn)生也相對降低。同時這樣的接合亦能有效地將熱轉至下一層的散熱基板再轉到器件外面去。當此工藝被應用在SMD LED,不但提高光輸出,更可以使產(chǎn)品整體面積縮小,擴大產(chǎn)品的應用市場。
在覆晶LED技術發(fā)展上有兩個主要的方案:一是鉛錫球焊(Solder bump reflow)技術;另一個是熱超聲(Thermosonic)焊接技術。鉛錫球焊接(圖10)已在IC封裝應用多時,工藝技術亦已成熟,故在此不再詳述。
超高亮度LED的應用面不斷擴大,首*入特種照明的市場領域,并向普通照明市場邁進。由于LED芯片輸入功率的不斷提高,對這些功率型LED的封裝技術提出了更高的要求。功率型LED封裝技術主要應滿足以下兩點要求:
一是封裝結構要有高的取光效率,其二是熱阻要盡可能低,這樣才能保證功率LED的光電性能和可靠性。
半導體LED若要作為照明光源,常規(guī)產(chǎn)品的光通量與白熾燈和熒光燈等通用性光源相比,距離甚遠。因此,LED要在照明領域發(fā)展,關鍵是要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級。功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生長技術和多量子阱結構,雖然其內(nèi)量子效率還需進一步提高,但獲得高發(fā)光通量的zui大障礙仍是芯片的取光效率低?,F(xiàn)有的功率型LED的設計采用了倒裝焊新結構來提高芯片的取光效率,改善芯片的熱特性,并通過增大芯片面積,加大工作電流來提高器件的光電轉換效率,從而獲得較高的發(fā)光通量。除了芯片外,器件的封裝技術也舉足輕重。
關鍵的封裝技術工藝有: 散熱技術
傳統(tǒng)的指示燈型LED封裝結構,一般是用導電或非導電膠將芯片裝在小尺寸的反射杯中或載片臺上,由金絲完成器件的內(nèi)外連接后用環(huán)氧樹脂封裝而成,其熱阻高達250℃/W~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致芯片結溫迅速上升和環(huán)氧碳化變黃,從而造成器件的加速光衰直至失效,甚至因為迅速的熱膨脹所產(chǎn)生的應力造成開路而失效。
因此,對于大工作電流的功率型LED芯片,低熱阻、散熱良好及低應力的新的封裝結構是功率型LED器件的技術關鍵。可采用低阻率、高導熱性能的材料粘結芯片;在芯片下部加銅或鋁質(zhì)熱沉,并采用半包封結構,加速散熱;甚至設計二次散熱裝置,來降低器件的熱阻。在器件的內(nèi)部,填充透明度高的柔性硅橡膠,在硅橡膠承受的溫度范圍內(nèi)一般為-40℃~200℃,膠體不會因溫度驟然變化而導致器件開路,也不會出現(xiàn)變黃現(xiàn)象。零件材料也應充分考慮其導熱、散熱特性,以獲得良好的整體熱特性。
二次光學設計技術
為提高器件的取光效率,設計外加的反射杯與多重光學透鏡。
功率型LED白光技術
常見的實現(xiàn)白光的工藝方法有如下三種:
1藍色芯片上涂上YAG熒光粉,芯片的藍色光激發(fā)熒光粉發(fā)出540nm~560nm的黃綠光,黃綠光與藍色光合成白光。該方法制備相對簡單,效率高,具有實用性。缺點是布膠量一致性較差、熒光粉易沉淀導致出光面均勻性差、色調(diào)一致性不好;色溫偏高;顯色性不夠理想。
2RGB三基色多個芯片或多個器件發(fā)光混色成白光,或者用藍+黃綠色雙芯片補色產(chǎn)生白光。只要散熱得法,該方法產(chǎn)生的白光較前一種方法穩(wěn)定,但驅(qū)動較復雜,另外還要考慮不同顏色芯片的不同光衰速度。
3在紫外光芯片上涂RGB熒光粉,利用紫光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生三基色光混色形成白光。由于目前的紫外光芯片和RGB熒光粉效率較低,仍未達到實用階段。
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