LED芯片与封装技.docx

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LED芯片与封装技

编号

本科生毕业设计（论文）

题目：

LED芯片与封装技术研究

理学院光信息科学与技术专业

学号1302070214

学生姓名王刚

指导教师钱维莹副教授

二〇一一年六月

摘要

在21世纪，大功率LED照明技术的发展引起了国内外光源界大的普遍关注，现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。

本论文主要阐述了LED芯片制造与封装技术。

芯片制造方面，从半导体制造的角度分解芯片制造的流程，从衬底的角度分析芯片散热，以及外延表面粗化和图形衬底技术来改善出光效率；封装技术方面，初略介绍几种常见封装方法和LED封装流程，重点就封装材料对大功率LED散热和出光的影响，如芯片导热银胶、导热绝缘垫、散热基板等,并对高取光率封装的结构作了分析,本文旨在研究大功率LED是如何提高散热以及出光效率的。

关键词:

芯片制造；封装技术；散热；出光效率

ABSTRACT

Inthe21stcentury,thedevelopmentofhighpowerLEDlightingtechnologyathomeandabroadwerelightcausedwidespreadconcern,alreadybecamethepotentialandinfluentialahigh-techproducts.ThisthesismainlyexpoundstheLEDchipmanufacturingandpackagingtechnology.FromtheAngleofsemiconductormanufacturingprocess,thedecompositionchipmanufacturingfromtheperspectiveofthesubstrate,andtheextensionofthechipheatsurfacecoarseningandgraphicssubstratetoimprovethelightefficiency;EncapsulationintroducedbrieflyseveralcommonencapsulationtechnologyandLEDencapsulationprocess,withemphasisonthepackagingmaterialsforhighpowerLEDheatandoutputlightefficiency.Discussedthechipthermalsilverglue,thermalinsulationmat,thermalsubstrate,analyzesthehightakesuchasthestructureoflightratepackage,thispaperpointsouthighpowerLEDishowtoimprovetheefficiencyofheatandlight.

Keywords:

ChipManufacturing;EncapsulationTechnology;Heat;OutputLightEfficiency

目录

摘要I

ABSTRACTII

目录i

第一章绪论1

1.1照明发展史1

1.1.1传统光源1

1.1.2LED固体光源的发展1

1.1.3固体照明较传统照明优势2

1.2LED的基本信息3

第二章LED芯片制造技术5

2.1Si衬底LED芯片制造流程简介5

2.1.1 LED芯片是怎么制造的5

2.1.2图析芯片制造流程6

2.2LED芯片制造具体介绍7

2.3改善芯片的出光效率的关键技术10

2.3.1外延表面粗化提升出光效率10

2.3.2图形衬底技术提升出光效率10

2.4改善芯片散热的改进技术10

2.4.1碳化硅衬底改善LED芯片散热11

2.4.2键合技术 改善LED芯片散热11

2.4.3剥离工艺改善LED芯片散热11

2.5改善LED多项性能的垂直芯片结构11

第三章LED封装技术13

3.1LED封装作用13

3.2几种常见的封装类型13

3.2.1引脚式封装14

3.2.2表面贴装封装14

3.2.3功率型封装15

3.3LED封装工艺16

3.4芯片封装中的散热技术18

3.4.1LED高导热基板18

3.4.2高导热导电银胶20

3.4.3高热导率软性硅胶导热绝缘垫20

3.4.4整体散热方案20

3.5高取光率封装的结构20

第四章结论与展望23

参考文献24

致谢25

第一章绪论

1.1照明发展史

1.1.1传统光源

自古以来，灯光一直是人们赖以生存的照明手段，伴随着人类度过了数千年的漫漫长夜。

可以说，人类照明的历史应追溯到远古，照明的历史和人类文明同样久远，是人类文明的见证，也是人类文明发展、进步的动力。

最早的照明篝火，帮助人类战胜了黑暗，摆脱了日出而作，日落而息的束缚，也帮助人类把黑夜变成白天，赢得了时间，使人类逐步从蛮荒步入文明，为文明的发展立下了丰功伟绩。

篝火经历了三万年的时间帮助人类创造了原始文明，而油灯和蜡烛这人类的第二代照明器具则在3000年中，以十分之一于篝火的时间，使人类发展了千百倍于篝火文明的灿烂辉煌的中世纪文明。

白炽灯只持续垄断了半个世纪。

30年代初，汞灯和钠灯以比白炽灯明亮和节电的优势脱颖而出。

十年之后（1940年之后），荧光灯以更高的光效和更好的光色很快占领了照明的半壁江山。

70年代末，当时被称为是照明电器发展史上的一项重大技术创新的荧光灯交流电子镇流器问世了，接着1980年随着三基色稀土荧光粉的研制成功，欧洲市场上便出现了荧光灯家族的又一新成员---紧凑型荧光灯（俗称：

节能灯），由于使用与白炽灯同样方便，而且当其取代白炽灯使用时，可在大幅度降低能耗的同时，达到相同的光输出及光照效果，因此成为白炽灯的替代品。

迄今花甲之年的荧光灯家族繁茂，已经成为地球上最大的光明使用者并且仍在迅速发展。

荧光灯并不能完全满足人类发展的需求，继之而起的高压钠灯、各个系列的金属卤化物灯以及其它形形色色数以千计的不同品种、不同型号、不同功能、不同用途、五色缤纷、光彩夺目的光源和灯具把地球上人迹所至之处照耀得璀灿夺目，五光十色。

今天谁能想象没有灯光照明，人类社会将会在暗暗长夜中遭遇到什么情景。

1.1.2LED固体光源的发展

LED（LightEmittingDiode）的发展经历了一个漫长而曲折的历史过程。

1907年HenryJosephRound第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。

由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用;更难之处在于碳化硅与电致发光不能很好的适应，研究被摒弃了。

二十年代晚期BernhardGudden和RobertWichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的黄磷发光，再一次因发光暗淡而停止。

早期试验中，LED放置在液化氮里，需要进一步的操作与突破以便能高效率地在室温下工作。

二十世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用砷化镓半导体发明了第一个具有现代意义的LED，并于60年代面世。

第一只商用LED仅仅只能发出不可见的红外光，但迅速应用于感应与光电领域。

60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。

磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。

到70年代中期，磷化镓作为发光光源，随后就发出灰白绿光。

LED采用双层磷化镓芯片（一个红色另一个是绿色）能够发出黄色光。

就在此时，俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED。

但在70年代末，它能发出纯绿色的光。

80年代早期到中期对砷化镓，磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。

到20世纪90年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。

第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期，它再一次利用了金刚砂。

90年代中期，出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓LED。

超亮度蓝光芯片是白光LED的核心，在这个发光芯片上抹上荧光粉，然后荧光粉通过吸收来自芯片上的蓝色光源再转化为白光。

就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。

今天在LED市场上就能看到生产出来的新奇颜色，如浅绿色和粉红色。

最近开发的LED不仅能发射出纯紫外光而且能发射出真实的“黑色”紫外光。

由此可见，随着新的半导体材料的不断研究和发现，各式各样新奇的LED将展现在人们的面前，而由于大功率的LED器件的产生，使得早期LED只能应用于指示灯、早期的计算器显示屏和数码手表的格局被打破，LED照明成为可能。

现在随着LED芯片制造技术和封装技术的不断完善，固体照明开始出现在超亮度的领域，并将会在接下的一段时间继续下去，我们坚信LED照明将会在人类照明历史上留下浓墨重彩的一笔。

1.1.3固体照明较传统照明优势

LED的内在特征决定了它相对于传统照明灯具具有更多优点：

体积小：

LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻，易于通过二次光学设计达到特殊照明效果。

耗电量低：

LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近100%。

一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能80%以上。

使用寿命长：

有人称LED光源为长寿灯。

它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

高亮度、低热量：

LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。

环保：

LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。

光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源

坚固耐用：

LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。

灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏。

多变幻：

LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

技术先进：

与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品。

它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。

LED器件的发展，使其在前沿领域得到应用，如高亮度、低衰减和完美配光的RGB直插式椭圆形LED，高防护等级的户外型SMD，广色域、低衰减、高色温稳定性白色SMD。

随着性价比的提高，全彩LED显示屏已取代单双色显示屏成为户外显示屏的主流产品，在户外广告、信息显示、舞台背景、楼宇装饰、户外招牌，大尺寸液晶显示屏等领域大放异彩。

1.2LED的基本信息

LED，发光二极管，是一种直接将电转换为光的固态的半导体器件。

LED的心脏是半导体芯片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结不同材料（图1-1）决定的。

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如直接带隙的砷化镓GaAs、间接带隙（图1-2）的磷化镓GaP、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。

因此它具有一般P-N结的I-V特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。

除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、价带附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。

发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。

由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面几μm以内产生。

图1-1.不同材料的带隙宽度与晶格常量的关系图1-2.直接带隙与间接带隙

理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即λ≈1240/Eg（mm），式中Eg的单位为电子伏特（eV）。

若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。

本文将在第二章中通过对LED芯片制造流程，工艺的研究，探讨提升LED芯片的出光效率以及芯片的散热问题；将在第三章中通过对封装的流程及技术进行分析研究，从而提升LED的散热效果及出光问题。

第二章LED芯片制造技术

1993年世界上第一只GaN基蓝色LED问世以来，LED制造技术的发展令人瞩目。

目前国际上商品化的GaN基LED均是在蓝宝石衬底或SiC衬底上制造的。

但蓝宝石由于硬度高、导电性和导热性差等原因，对后期器件加工和应用带来很多不便，SiC同样存在硬度高且成本昂贵的不足之处，而价格相对便宜的Si衬底由于有着优良的导热导电性能和成熟的器件加工工艺等优势，因此Si衬底GaN基LED制造技术受到业界的普遍关注。

Si衬底的GaN基LED制造技术是国际上第三条LED制造技术路线，是LED三大原创技术之一，与前两条技术路线相比，具有三大优势：

第一，具有优良的性能，产品抗静电性能好，寿命长，可承受的电流密度高。

第二，器件封装工艺简单，芯片为上下电极，单引线垂直结构，在器件封装时只需单电极引线，简化了封装工艺，节约了封装成本。

第三，由于Si衬底比前两种技术路线使用的蓝宝石和SiC价格便宜得多，而且将来生产效率更高，因此成本低廉。

该技术成功突破了美国、日本多年在半导体发光芯片（LED）方面的专利技术壁垒，打破了目前日本日亚公司垄断蓝宝石衬底和美国CREE公司垄断SiC衬底半导体照明技术的局面，形成了蓝宝石、SiC、Si衬底半导体照明技术方案三足鼎立的局面。

因此采用Si衬底GaN的LED产品的推出，对于促进半导体LED照明产业的发展有着重大意义。

2.1Si衬底LED芯片制造流程简介

工艺流程：

在Si衬底上生长AlN缓冲层（bufferlayer）→生长n型GaN→生长InGaN/GaN多量子阱发光层→生长p型AlGaN层→生长p型GaN层→键合带Ag反光层并形成p型欧姆接触电极→剥离衬底并去除缓冲层→制作n型掺Si层的欧姆接触电极→合金→钝化→划片→测试→包装。

2.1.1 LED芯片是怎么制造的

图2-1LED芯片制造流程

1.衬底材料的生长或者购买衬底

2.LED结构的MOCVD生长

3.芯片的加工

4.Wafer的切割

5.LED器件的封装（如图2-1）

2.1.2图析芯片制造流程

1.衬底片2.清洗3.N区光刻4.N区刻蚀

8.P电极腐蚀7.P电极光刻6.P电极蒸发5.去胶

9.N电极蒸发10.N剥离11.N退火12.P压焊点光刻

16.钝化层光刻15钝化层淀积14.P压焊点剥离13.P压焊点蒸发

17.钝化层刻蚀18.钝化层去胶19.中道终测检验20.减薄

22.测试分拣21.划片

2.2LED芯片制造具体介绍

1.衬底片

在目前市面上，一般有三种常见的衬底材料，他们分别是蓝宝石（Al2O3）衬底、硅（Si）衬底和碳化硅（SiC）衬底。

关于衬底材料的评价

　1．衬底与外延膜的结构匹配：

外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低；

2．衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：

热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏；

3．衬底与外延膜的化学稳定性匹配：

衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降；

　　4．材料制备的难易程度及成本的高低：

考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不宜很高。

衬底尺寸一般不小于2英寸。

2.清洗

晶圆清洗是半导体制造典型工序中最常应用的加工步骤，专门用于清除Si表面的微粒、金属和有机污染物等。

半导体制造工艺中清洗设备包括超声波清洗机，刷洗器，旋转喷淋器，溢流清洗器。

3.N区光刻

使N区的光刻胶曝光

光刻是整体概念，它包括以下几个过程

1.旋涂光刻胶2.前烘3.曝光（光刻板掩膜）4.显影5.坚膜6.腐蚀7.去胶

TOPview

SEMview

4.N区刻蚀

广义上来讲，刻蚀成了通过溶液、反应离子或其它机械方式来剥离、去除材料的一种统称，成为微加工制造的一种普适叫法。

刻蚀最简单最常用分类是：

干法刻蚀和湿法刻蚀。

湿法刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：

磨片、抛光、清洗、腐蚀

优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低

缺点是：

钻刻严重、对图形的控制性较差，不能用于小的特征尺寸；会产生大量的化学废液。

干法刻蚀方式很多，一般有：

溅射与离子束铣蚀，等离子刻蚀（PlasmaEtching），高压等离子刻蚀，高密度等离子体（HDP）刻蚀，反应离子刻蚀（RIE）。

另外，化学机械抛光CMP，剥离技术等等。

5.去胶

除去没有被曝光的PR胶

6.P电极蒸发

蒸发是利用真空泵将沉积室抽成“真空”，然后用高熔点材料制成的坩埚将淀积材料加热,蒸发,淀积于芯片上。

目前常用的蒸发有两种：

电子束蒸发和热阻蒸发。

制模过程包括下述几个物理阶段：

（1）淀积材料蒸发或升华为气态

（2）原子（分子）从蒸发源输运到芯片上

（3）蒸气粒子在基片上淀积并重新排列形成薄膜

7.P电极光刻

覆盖PR胶，进行曝光，形成P电极

8.P电极腐蚀

9.N电极蒸发

在n区淀积金属电极

10.N剥离

除去光刻后仍被PR胶覆盖的区域

11.N退火

使得N电极更加致密，连接性更好

12.P压焊点光刻

13.P压焊点蒸发

在P区淀积电极

14.P压焊点剥离

除去光刻后仍被PR胶覆盖的区域

15.钝化层淀积

表面钝化工艺就是在半导体器件表面覆盖保护介质膜，以防止表面污染的工艺。

16.钝化层光刻

17.钝化层刻蚀

18.钝化层去胶

19.中道终测检验

20.减薄

为了更有效的散热和降低结温，可通过减薄衬底或去掉原来用于生长外延层的衬底

21.划片

单块IC必须从衬底上分离出来，利用划片锯（切割刀）或划线剥离技术将晶片分离成单个芯片。

划片方法有两种：

一是最早出现的划片法和钻石划线法，这是工业界开发出的第一代划片技术。

此法要求晶片在精密工作台上精确定位，然后用钻石划片器或金刚石划线器在X和Y方向按图案规则划片，实际上是沿着75~250um宽的空白边界划片。

划片器或划线器在晶片表面划出了一道浅痕,实际是划断了晶片的晶向组织。

之后从工作台上取下划好的晶片,将其反置放在一个柔性支撑垫上，用圆柱滚筒向其施加压力，使晶片顺着划痕处断开，芯片得以成功分离。

这一切必须以对单个芯片损坏最小的要求完成。

另一个使锯片法（切割法）。

厚晶片的出现使得锯片法（切割法）成为划片工艺的首选。

锯片机（切割机）由可自动旋转的精密工作台，高速空气静压电主轴（最高转速达60,000rpm），自动划痕定位系统，自动对准对刀和位置辅正装置系统CCDCamera，显示监控系统和工业控制计算机等组成。

此工艺使用了两种技术，且每种技术都用锯片（刀片）从上面划过。

对于薄的晶片，锯片（刀片）降低到晶片的表面划出一条深入1/3晶片厚度的浅槽。

芯片分离方法仍沿用划片法和钻石划线法中所述的圆柱滚轴施压完成。

22.测试分拣

主要对电压、波长、亮度进行测试，对于能符合标准参数的晶圆片再继续做下一步的操作，如果这九点测试不符合测试参数的晶圆片，就放在一边另外处理。

晶圆切割成芯片后，100%的目检（VI/VC），操作者要使用放大30倍数的显微镜下进行目测。

接着使用全自动分类机根据不同的电压，波长，亮度的预测参数对芯片进行全自动化挑选、测试和分类。

最后对LED芯片进行检查（VC）和贴标签。

芯片区域要在蓝膜的中心，蓝膜上最多有5000粒芯片，但必须保证每张蓝膜上芯片的数量不得少于1000粒，芯片类型、批号、数量和光电测量统计数据记录在标签上，附在蜡光纸的背面。

蓝膜上的芯片将做最后的目检测试与第一次目检标准相同，确保芯片排列整齐和质量合格。

这样就制成LED芯片（目前市场上统称为方片）。

在LED芯片制作过程中，通过目检时把一些表面有缺陷的或者电极有磨损的芯片，分拣出来，这些芯片就在市场上称为散晶。

而大圆片在全自动分拣过程中留在蓝膜上那些不符合正常出货要求的芯片，就是市场上称为珠毛片或边片等。

前面谈到在晶圆上的不同位置抽取九个点做参数测试，对于不符合测试参数要求的晶圆片作另外处理（要返回生产部门，经过清洗，重新做电极加以利用）。

不过这种晶圆片也可切割成芯片，不做任何分拣，直接当作大圆片在市场上销售。

对符合测试参数要求的晶圆片，经过激光机切割成芯片，如果不做任何目测和分拣的话，也可以当作大圆片来销售。

2.3改善芯片的出光效率的关键技术

2.3.1外延表面粗化提升出光效率

由于半导体材料和空气折射率差异很大，对没有封装的半导体发光芯片，针对单面发射平滑表面，由于非常强烈的内表面全反射导致芯片的外量子效率非常低。

如半导体材料氮化镓的折射率2.5，空气的折射率为1，其内全反射临界角（从法线方向到界面方向）为23°，忽略背面和边缘出光，大约只有4%的光可以从芯片正面射出。

虽然反射回去的光可以再反射回来，来回往复，再加上一部分光从侧面射出，其总的出光效率相比内量子效率仍非常低（约15%）。

所以，芯片的出光效率几乎决定了半导体照明芯片的发光效率。

通过化学腐蚀等方法使外延表面形成某种光学微结构（所谓粗化或图形），来减少全内反射的光，从而提升出光效率。

粗化外延表面即粗化p－GaN表面可以通过电化学腐蚀光滑p－GaN表面,或外延生长粗糙p－GaN获得。

实验证明表面光学微结构能大幅提升LED的出光效率。

通过降低p－GaN生长温度已成功实现了p－GaN层的无序粗化，提高GaN基蓝光芯片输出功率约50%，也解决了漏电参数不稳定，重复性差，并实现了批量生产。

用粗化制成的正装大功率芯片其发光效率已达到近60lm/W（350mA驱动，白色发光二极管）。

2.3.2图形衬底技术提升出光效