高亮度LED封裝工藝及方案

　　近年來(lái),隨著(zhù)LED生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展一日千里,令其發(fā)光亮度提高和壽命延長(cháng),加上生產(chǎn)成本大幅降低，迅速擴大了LED應用市場(chǎng)，如消費產(chǎn)品、訊號系統及一般照明等，于是其全球市場(chǎng)規?？焖俪砷L(cháng)。2003年全球LED市場(chǎng)約44.8億美元 (高亮度LED市場(chǎng)約27億美元),較2002年成長(cháng)17.3% (高亮度LED市場(chǎng)成長(cháng)47%),乘著(zhù)手機市場(chǎng)繼續增長(cháng)之勢,預測2004年仍有14.0%的成長(cháng)幅度可期。

　　在產(chǎn)品發(fā)展方面，白光LED之研發(fā)則成為 廠(chǎng)商們之重點(diǎn)開(kāi)發(fā)項目?，F時(shí)制造白光LED方法主要有四種：

　　一、藍LED+發(fā)黃光的螢光粉（如：YAG）
　　二、紅LED+綠LED+藍LED
　　三、紫外線(xiàn)LED+發(fā)紅/綠/藍光的螢光粉
　　四、藍LED+ZnSe單結晶基板

　　目前手機、數字相機、PDA等背光源所使用之白光LED采用藍光單晶粒加YAG螢光而成。隨著(zhù)手機閃光燈、大中尺寸（NB、LCD-TV等）顯示屏光源模塊以至特殊用途照明系統之應用逐漸增多。末來(lái)再擴展至用于一般照明系統設備，采用白光LED技術(shù)之大功率（High Power）LED市場(chǎng)將陸續顯現。在技術(shù)方面，現時(shí)遇到最大挑戰是提升及保持亮度，若再增強其散熱能力，市場(chǎng)之發(fā)展深具潛力。

　　ASM在研發(fā)及生產(chǎn)自動(dòng)化光電組件封裝設備上擁有超過(guò)二十年經(jīng)驗，業(yè)界現行有很多種提升LED亮度方法，無(wú)論從芯片及封裝設計層面，至封裝工藝都以提升散熱能力和增加發(fā)光效率為目標。在本文中，就LED封裝工藝的最新發(fā)展和成果作概括介紹及討論。

　　芯片設計

　　從芯片的演變歷程中發(fā)現，各大LED生產(chǎn)商在上游磊晶技術(shù)上不斷改進(jìn)，如利用不同的電極設計控制電流密度，利用ITO薄膜技術(shù)令通過(guò)LED的電流能平均分布等，使LED芯片在結構上都盡可能產(chǎn)生最多的光子。再運用各種不同方法去抽出LED發(fā)出的每一粒光子，如生產(chǎn)不同外形的芯片；利用芯片周邊有效地控制光折射度提高LED取光效率，研制擴大單一芯片表面尺寸（>2mm2）增加發(fā)光面積，更有利用粗糙的表面增加光線(xiàn)的透出等等。有一些高亮度LED芯片上p-n兩個(gè)電極的位置相距拉近，令芯片發(fā)光效率及散熱能力提高。而最近已有大功率LED的生產(chǎn)，就是利用新改良的激光溶解（Laser lift-off）及金屬黏合技術(shù)（metal bonding），將LED磊晶晶圓從GaAs或GaN長(cháng)晶基板移走，并黏合到另一金屬基板上或其它具有高反射性及高熱傳導性的物質(zhì)上面，幫助大功率LED提高取光效率及散熱能力。

　　封裝設計

　　經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，垂直LED燈（φ3mm、φ5mm）和SMD燈（表面貼裝LED）已演變成一種標準產(chǎn)品模式。但隨著(zhù)芯片的發(fā)展及需要，開(kāi)拓出切合大功率的封裝產(chǎn)品設計，為了利用自動(dòng)化組裝技術(shù)降低制造成本，大功率的SMD燈亦應運而生。而且，在可攜式消費產(chǎn)品市場(chǎng)急速的帶動(dòng)下，大功率LED封裝體積設計也越小越薄以提供更闊的產(chǎn)品設計空間。

　　為了保持成品在封裝后的光亮度，新改良的大功率SMD器件內加有杯形反射面，有助把全部的光線(xiàn)能一致地反射出封裝外以增加輸出流明。而蓋住LED上圓形的光學(xué)透鏡，用料上更改用以Silicone封膠，代替以往在環(huán)氧樹(shù)脂（Epoxy），使封裝能保持一定的耐用性。

　　封裝工藝及方案

　　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，及保護芯片不讓其受到機械、熱、潮濕及其它種種的外來(lái)沖擊。選擇封裝方法、材料和運用機臺時(shí)，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(xué)特性，封裝時(shí)也須考慮和確保其在光學(xué)特性上能夠滿(mǎn)足。

　　無(wú)論是垂直LED或SMD封裝,都必須選擇一部高精度的固晶機，因LED晶粒放入封裝的位置精準與否是直接影響整件封裝器件發(fā)光效能。如圖1示，若晶粒在反射杯內的位置有所偏差，光線(xiàn)未能完全反射出來(lái)，影響成品的光亮度。但若一部固晶機擁有先進(jìn)的預先圖像辨識系統（PR System），盡管品質(zhì)參差的引線(xiàn)框架，仍能精準地焊接于反射杯內預定之位置上。

　　一般低功率LED器件（如指示設備和手機鍵盤(pán)的照明）主要是以銀漿固晶，但由于銀漿本身不能抵受高溫，在提升亮度的同時(shí)，發(fā)熱現象也會(huì )產(chǎn)生，因而影響產(chǎn)品。要獲得高品質(zhì)高功率的LED，新的固晶工藝隨之而發(fā)展出來(lái)，其中一種就是利用共晶焊接技術(shù)，先將晶粒焊接于一散熱基板（soubmount）或熱沉（heat sink）上，然后把整件晶粒連散熱基板再焊接于封裝器件上，這樣就可增強器件散熱能力，令發(fā)光功率相對地增加。至于基板材料方面，硅（Silicon）、銅（Copper）及陶瓷（Ceramic）等都是一般常用的散熱基板物料。

　　共晶焊接

　　技術(shù)最關(guān)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?？珊附佑阱冇薪鸹蜚y的基板上。當基板被加熱至適合的共晶溫度時(shí)（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(diǎn)，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(shí)的溫度要求?？紤]共晶固晶機臺時(shí)，除高位置精度外，另一重要條件就是有靈活而且穩定的溫度控制，加有氮氣或混合氣體裝置，有助于在共晶過(guò)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(lài)于嚴謹的機械設計及高精度的馬達運動(dòng)，才能令焊頭運動(dòng)和焊力控制恰到好處之余，亦無(wú)損高產(chǎn)能及高良品率的要求。

　　進(jìn)行共晶焊接工藝時(shí)亦可加入助焊劑，這技術(shù)最大的特點(diǎn)是無(wú)須額外附加焊力，故此不會(huì )因固晶焊力過(guò)大而令過(guò)多的共晶合金溢出，減低LED產(chǎn)生短路的機會(huì )。

　　覆晶(Flip Chip)焊接

　　覆晶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(méi)有了金線(xiàn)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(shí)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(chǎng)。

　　在覆晶LED技術(shù)發(fā)展上有兩個(gè)主要的方案：一是鉛錫球焊（Solder bump reflow）技術(shù)；另一個(gè)是熱超聲（Thermosonic）焊接技術(shù)。鉛錫球焊接（圖10）已在IC封裝應用多時(shí)，工藝技術(shù)亦已成熟，故在此不再詳述。

　　針對低成本及低線(xiàn)數器件的生產(chǎn)，熱超聲覆晶（Thermosonic flip chip）技術(shù)（圖11）尤其適用于大功率LED焊接。以金做焊接的接口，由于金此物本身熔點(diǎn)溫度較鉛錫球和銀漿高，對固晶后的制程設計方面更有彈性。此外，還有無(wú)鉛制程、工序簡(jiǎn)單、金屬接位可靠等優(yōu)點(diǎn)。熱超聲覆晶工藝經(jīng)過(guò)多年的研究及經(jīng)驗累積，已掌握最優(yōu)化的制程參數，而且在幾大LED生產(chǎn)商已成功地投入量產(chǎn)。
足生產(chǎn)線(xiàn)使用外，其余大量的（如芯片粘片機、引線(xiàn)焊接機、測試機、編帶機）等自動(dòng)化設備還全都依賴(lài)進(jìn)口。

　　發(fā)展我國LDD裝備業(yè)的具體建議方案

　　建議國家在支持LED技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，把材料與工藝設備作為發(fā)展的基礎和原動(dòng)力加以支持。在發(fā)展LED技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的過(guò)程中，建議我國走“引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng )新、提高”的道路。具體方案如下：在國家支持下，通過(guò)國家、LED生產(chǎn)企業(yè)和設備及材料制造業(yè)三方聯(lián)合，建立具有孵化器功能的中國LED設備、材料、制造及應用聯(lián)合體。

　　為在短時(shí)間內掌握并提高設備制造水平，帶動(dòng)我國中高檔LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建議由聯(lián)合體共同籌措資金（國家50%,設備研制單位15%，芯片制造與封裝技術(shù)研究單位15%，LED芯片制造與封裝企業(yè)20%）建設一條完整的LED芯片制造與封裝示范生產(chǎn)線(xiàn)。該示范線(xiàn)以解決設備研制與工藝試驗、LED產(chǎn)品制造工藝技術(shù)研究與驗證、實(shí)現工藝技術(shù)與工藝設備成套供應為已任。凡參與該示范建設的單位，有權無(wú)償使用該生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化研究與試驗，特別是LED產(chǎn)品生產(chǎn)單位，可優(yōu)先優(yōu)惠得到相關(guān)研究與產(chǎn)業(yè)化成果。

　　針對該示范線(xiàn)，實(shí)施三步走的戰略，最終實(shí)現LED生產(chǎn)設備商品化和本土化（詳見(jiàn)設備國產(chǎn)化方案表二）。第一步：利用兩年左右的時(shí)間，對一些關(guān)鍵設備進(jìn)行國產(chǎn)化（國家給予一定的獎金支持）；對于國內已經(jīng)具有一定基礎且具有性?xún)r(jià)比優(yōu)勢的普通設備則利用市場(chǎng)競爭原則，采取準入制擇優(yōu)配套（通過(guò)制訂標準）；對于部分難度較大、短期內國產(chǎn)化不了的設備，國家應安排攻關(guān)，并完成生產(chǎn)型ɑ樣機開(kāi)發(fā)。第二步，從本方案實(shí)施的第三年起，第一步中涉及到的前兩類(lèi)設備重點(diǎn)解決生產(chǎn)工藝的適應性、生產(chǎn)效率、可靠性、外觀(guān)及成本等問(wèn)題，具備國內配套及批量供應能力，攻關(guān)類(lèi)設備完成生產(chǎn)型樣機商業(yè)化（γ型機）開(kāi)發(fā)。第三步，從本方案實(shí)施的第五年起，第一及第二步中涉及到的所有設備具備國際競爭能力，除滿(mǎn)足國內需求外，要占領(lǐng)一定的國際市場(chǎng)；攻關(guān)設備能夠滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求并具備批量供應能力。