LED生产流程非常详细样本.docx

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LED生产流程非常详细样本

LED生产流程

LED芯片制造工艺流程

外延生长基本原理是：

在一块加热至恰当温度衬底基片（重要有蓝宝石和、SiC、Si）上，气态物质InGaAlP有控制输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。

当前LED外延片生长技术重要采用有机金属化学气相沉积办法。

　　MOCVD简介：

　　金属有机物化学气相淀积（Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，简称MOCVD），1968年由美国洛克威尔公司提出来一项制备化合物半导体单品薄膜新技术。

该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体，是一种自动化限度高、价格昂贵、技术集成度高尖端光电子专用设备，重要用于GaN（氮化镓）系半导体材料外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片制造，也是光电子行业最有发展前程专用设备之一。

　　LED芯片制造工艺流程：

　　外延片→清洗→镀透明电极层→透明电极图形光刻→腐蚀→去胶→平台图形光刻→干法刻蚀→去胶→退火→SiO2沉积→窗口图形光刻→SiO2腐蚀→去胶→N极图形光刻→预清洗→镀膜→剥离→退火→P极图形光刻→镀膜→剥离→研磨→切割→芯片→成品测试。

　　其实外延片生产制作过程是非常复杂，在展完外延片后，下一步就开始对LED外延片做电极（P极，N极），接着就开始用激光机切割LED外延片（此前切割LED外延片重要用钻石刀），制导致芯片后，在晶圆上不同位置抽取九个点做参数测试，如图所示：

　　1、重要对电压、波长、亮度进行测试，能符合正常出货原则参数晶圆片再继续做下一步操作，如果这九点测试不符合有关规定晶圆片，就放在一边此外解决。

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

　　3、接着使用全自动分类机依照不同电压，波长，亮度预测参数对芯片进行全自动化挑选、测试和分类。

　　4、最后对LED芯片进行检查（VC）和贴标签。

芯片区域要在蓝膜中心，蓝膜上最多有5000粒芯片，但必要保证每张蓝膜上芯片数量不得少于1000粒，芯片类型、批号、数量和光电测量记录数据记录在标签上，附在蜡光纸背面。

蓝膜上芯片将做最后目检测试与第一次目检原则相似，保证芯片排列整洁和质量合格。

这样就制成LED芯片（当前市场上统称方片）。

　　在LED芯片制作过程中，把某些有缺陷或者电极有磨损芯片，分捡出来，这些就是背面散晶，此时在蓝膜上有某些不符合正常出货规定晶片，也就自然成了边片或毛片等。

　　刚才谈到在晶圆上不同位置抽取九个点做参数测试，对于不符合有关规定晶圆片作此外解决，这些晶圆片是不能直接用来做LED方片，也就不做任何分检了，直接卖给客户了，也就是当前市场上LED大圆片（但是大圆片里也有好东西，如方片）。

Sputter在辞典中意思为：

（植物）溅散。

此之所谓溅镀乃指物体以离子撞击时，被溅射飞散出。

因被溅射飞散物体附著于目的基板上而制成薄膜。

在日光灯插座附近常用变黑现象，即为身边最赏见之例，此乃因日光灯电极被溅射出而附著于周边所形成。

溅镀现象，自19世纪被发现以来，就不受欢迎，特别在放电管领域中尤当防止。

近年来被引用于薄膜制作技术效效佳，将成为可用之物。

薄膜制作应用研究，当时重要为BellLab.及WesternElectric公司，于1963年制成全长10m左右持续溅镀装置。

1966年由IBM公司刊登高周波溅镀技术，使得绝缘物之薄膜亦可制作。

后经种种研究至今已达“不论基板材料为什么，皆可被覆盖任何材质之薄膜”目境地。

而若要制作一薄膜，至少需要有装置薄膜基板及保持真空状况道具（内部机构）。

这种道具即为制作一空间，并使用真空泵将其内气体抽出必要。

一、真空简介：

所谓真空，依JIS（日本工业原则）定义如下：

较大气压力低压力气体布满特定空间状态。

真空区域大体划分及分子运动如下：

二、Sputter（磁控溅镀）原理：

1、Sputter溅镀定义：

在一相对稳定真空状态下，阴阳极间产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上之靶材，将其原子等粒子溅出，此溅出之原子则沉积于阳极之基板上而形成薄膜，此物理现象即称溅镀。

而透过激发、解离、离子化……等反映面产生分子、原子、受激态物质、电子、正负离子、自由基、UV光（紫外光）、可见光……等物质，而这些物质混合在一起状态就称之为电浆（Plasma）。

下图为Sputter溅镀模型（类似打台球模型）：

图一中母球代表被电离后气体分子，而红色各球则代表将被溅镀之靶材（Si、ITO&Ti等），图二则代表溅镀后被溅射出原子、分子等运动情形；即当被加速离子与表面撞击后，通过能量与动量转移过程（如图三），低能离子碰撞靶时，不能从固体表面直接溅射出原子，而是把动量转移给被碰撞原子，引起晶格点阵上原子链锁式碰撞。

这种碰撞将沿着晶体点阵各个方向进行。

同步，碰撞因在原子最紧密排列点阵方向上最为有效，成果晶体表面原子从邻近原子那里得到愈来愈大能量，如果这个能量不不大于原子结合能，原子就从固体表面从各个方向溅射出来。

图四为CPTF之Sputter磁控溅射设备简要模型：

电子在交互电场与磁场E×B作用下将气体电离后撞击靶材表面，使靶材原子或分子等溅射出来并在管面通过吸附、凝结、表面扩散迁移、碰撞结合形成稳定晶核。

然后再通过吸附使晶核长大成小岛，岛长大后互相联结聚结，最后形成持续状薄膜。

2、Sputter溅镀物理原理：

2.1、Sputter溅镀理论依照详解：

洛仑兹力：

实验和理论证明，在磁感强度为B磁场中，电荷为q、运动速度为带电粒子，所受磁场力为

此力普通称为洛伦兹力．此公式称为洛伦兹公式。

依照运动电荷在磁场中洛伦兹力公式，洛伦兹力大小为：

。

从公式可以看出，洛伦兹力大小不但和大小关于，并且取决于和之间夹角正弦。

当时，，。

此时，运动电荷不受磁力作用。

当时，，。

此时，运动电荷受到最大磁力作用。

洛伦兹力方向为：

服从右手螺旋法则。

运动电荷带电量正负不同，虽然在均相似状况下，洛伦兹力方向也不同。

当时，，即磁场力方向服从右手螺旋法则。

当时，，负号阐明磁场力方向在右手螺旋法则规定反方向。

始终运动方向垂直，故洛伦兹力对运动电荷永不做功,洛伦兹力公式是安培定律微观形式。

洛伦兹公式是洛伦兹在20世纪初一方面依照安培定律导出，之后从实验上得到了验证。

对载流导体在磁场中所受力，从微观上看，是导体中作定向运动电子受磁场力作用成果。

依照安培定律，和电流强度微观表达形式，

如右图中电流元受到安培力可改写为:

粒子速度平行于磁场方向分量所相应洛伦兹分力，将使粒子作匀速直线运动，两个分运动合成为螺旋线运动。

2.2、Sputter溅镀物理原理：

磁控溅射工作原理如下图所示；电子在电场E作用下，在飞向基板过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出Ar+和一种新电子，电子飞向基片，Ar+在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。

在溅射粒子中，中性靶原子或分子则淀积在基片上形成薄膜。

二次电子el一旦离开靶面，就同步受到电场和磁场作用。

为了便于阐明电子运动状况，可以近似以为：

二次电子在阴极暗区时，只受电场作用；一旦进入负辉区就只受磁场作用。

于是，从靶面发出二次电子，一方面在阴极暗区受到电场加速，飞向负辉区。

进入负辉区电子具备一定速度，并且是垂直于磁力线运动。

在这种状况下，电子由于受到磁场B洛仑兹力作用，而绕磁力线旋转。

电子旋转半圈之后，重新进入阴极暗区，受到电场减速。

当电子接近靶面时，速度即可降到零。

后来，电子又在电场作用下，再次飞离靶面，开始一种新运动周期。

电子就这样周而复始，跳跃式地朝着E（电场）×B（磁场）所指方向漂移（见下图）。

简称E×B漂移。

电子在正交电磁场作用下运动轨迹近似于一条摆线。

若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面作圆周运动。

二次电子在环状磁场控制下，运动途径不但很长，并且被束缚在接近靶表面等离子体区域内，在该区中电离出大量Ar+离子用来轰击靶材，从而实现了磁控溅射淀积速率高特点。

随着碰撞次数增长，电子e1能量消耗殆尽，逐渐远离靶面。

并在电场E作用下最后沉积在基片上。

由于该电子能量很低，传给基片能量很小，致使基片温升较低。

此外，对于e2类电子来说，由于磁极轴线处电场与磁场平行，电子e2将直接飞向基片，但是在磁极轴线处离子密度很低，因此e2电子很少，对基片温升作用极微。

综上所述，磁控溅射基本原理，就是以磁场来变化电子运动方向，并束缚和延长电子运动轨迹，从而提高了电子对工作气体电离几率和有效地运用了电子能量。

因而，使正离子对靶材轰击所引起靶材溅射更加有效。

同步，受正交电磁场束缚电子，又只能在其能量要耗尽时才沉积在基片上。

这就是磁控溅射具备“低温”，“高速”两大特点道理。

详细应用于Sputter磁控溅射中之情形如下图所示。

LED制作流程分为两大某些。

一方面在衬低上制作氮化镓（GaN）基外延片，这个过程重要是在金属有机化学气相沉积外延炉中完毕。

准备好制作GaN基外延片所需材料源和各种高纯气体之后，按照工艺规定就可以逐渐把外延片做好。

惯用衬底重要有蓝宝石、碳化硅和硅衬底，尚有GaAs、AlN、ZnO等材料。

MOCVD是运用气相反映物（前驱物）及Ⅲ族有机金属和Ⅴ族NH3在衬底表面进行反映，将所需产物沉积在衬底表面。

通过控制温度、压力、反映物浓度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。

MOCVD外延炉是制作LED外延片最惯用设备。

接下来是对LEDPN结两个电极进行加工，电极加工也是制作LED芯片核心工序，涉及清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对LED毛片进行划片、测试和分选，就可以得到所需LED芯片。

如果晶片清洗不够干净，蒸镀系统不正常，会导致蒸镀出来金属层（指蚀刻后电极）会有脱落，金属层外观变色，金泡等异常。

蒸镀过程中有时需用弹簧夹固定晶片，因而会产生夹痕（在目检必要挑除）。

黄光作业内容涉及烘烤、上光阻、照相曝光、显影等，若显影不完全及光罩有破洞会有发光区残多余金属。

晶片在前段制程中，各项制程如清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨等作业都必要使用镊子及花篮、载具等，因而会有晶粒电极刮伤情形发生。

基板（衬底）

磊晶制程

（扩散、溅射、

化学气相沉积）

磊晶片

清洗

蒸镀

黄光作业

化学蚀刻

熔合

研磨

切割

测试

单晶炉、切片机、磨片机等

外延炉（MOCVD）

清洗机

蒸镀机、电子枪

烘烤、上光阻、

照相曝光、显影

切割机

探针测试台

颗粒度检测仪

刻蚀机

减薄机、清洗机

大功率LED封装技术

导读：

大功率型LED应用面非常广,不同应用场合下对功率LED规定不同样。

依照功率大小,当前功率型LED分为普通功率LED和W级功率LED二种。

输入功率不大于1WLED（几十mW功率LED除外）为普通功率LED；输入功率等于或不不大于1WLED为W级功率LED。

而W级功率LED常用有二种构造形式,一种是单芯片W级功率LED,另一种是多芯片组合W级功率LED。

一、引言

        半导体发光二极管简称LED,从上世纪六十年代研制出来并逐渐走向市场化,其封装技术也是不断改进和发展。

LED由最早用玻璃管封装发展至支架式环氧封装和表面贴装式封装,使得小功率LED获得广泛应用。

从上世纪九十年代开始,由于LED外延、芯片技术上突破,四元系AlGaInP和GaN基LED相继问世,实现了LED全色化,发光亮度大大提高,并可组合各种颜色和白光。

器件输入功率上有很大提高。

当前单芯片1W大功率LED已产业化并推向市场,台湾国联也已研制出10W单芯片大功率LED。

这使得超高亮度LED应用面不断扩大,一方面进入特种照明市场领域,并向普通照明市场迈进。

由于LED芯片输入功率不断提高,对这些功率型LED封装技术提出了更高规定。

功率型LED封装技术重要应满足如下二点规定：

一是封装构造要有高取光效率,其二是热阻要尽量低,这样才干保证功率LED光电性能和可靠性。

因此本文将重点对功率型LED封装技术作简介和阐述。

二、功率型LED封装技术现状

        由于功率型LED应用面非常广,不同应用场合下对功率LED规定不同样。

依照功率大小,当前功率型LED分为普通功率LED和W级功率LED二种。

输入功率不大于1WLED（几十mW功率LED除外）为普通功率LED；输入功率等于或不不大于1WLED为W级功率LED。

而W级功率LED常用有二种构造形式,一种是单芯片W级功率LED,另一种是多芯片组合W级功率LED。

1．国外功率型LED封装技术：

（1）普通功率LED

         依照报导,最早是由HP公司于1993年推出“食人鱼”封装构造LED,称“SuperfluxLED”,并于1994年推出改进型“SnapLED”,其外形如图1所示。

它们典型工作电流,分别为70mA和150mA,输入功率分别为0.1W和0.3W。

        Osram公司推出“PowerTOPLED”是采用金属框架PLCC封装构造,其外形图如图2所示。

之后其她某些公司推出各种功率LED封装构造。

其中一种PLCC-4构造封装形式,其功率约200~300mW,这些构造热阻普通为75~125℃/W。

总之,这些构造功率LED比原支架式封装LED输入功率提高几倍,热阻下降几倍。

（2）W级功率LED

       W级功率LED是将来照明核心某些,因此世界各大公司投入很大力量,对W级功率封装技术进行研究开发,并均已将所得新构造、新技术等申请各种专利。

单芯片W级功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出LuxeonLED,其构造如图3所示,依照报导,该封装构造特点是采用热电分离形式,将倒装芯片用硅载体直接焊接在热沉上,并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新构造和新材料,提高了器件取光效率并改进了散热特性。

可在较大电流密度下稳定可靠工作,并具备比普通LED低得多热阻,普通为14~17℃/W,既有1W、3W和5W产品。

该公司近期还报导［1］推出LuxeonIIILED产品,由于对封装和芯片进行改进,可在更高驱动电流下工作,在700mA电流工作50000小时后仍能保持70%流明,在1A电流工作0小时能保持50%流明。

        Osram公司于年推出单芯片“GoldenDragon”系列LED［2］,如图4所示,其构造特点是热沉与金属线路板直接接触,具备较好散热性能,而输入功率可达1W。

国内台湾UEC公司（国联）采用金属键合（MetalBonding）技术封装MB系列大功率LED［3］其特点是用Si代替GaAs衬底,散热好,并以金属黏结层作光反射层,提高光输出。

既有LED单芯片面积分别为：

0.3×0.3mm2、1×1mm2和2.5×2.5mm2芯片,其输入功率分别有0.3W、1W和10W,其中2.5×2.5mm2芯片光通量可达200lm,0.3W和1W产品正推向市场。

多芯片组合封装大功率LED,其构造和封装形式较多,这里简介几种典型构造封装形式：

①美国UOE公司于年推出多芯片组合封装Norlux系列LED［4］,其构造是采用六角形铝板作为衬底,如图5所示,铝层导热好,中央发光区某些可装配40只芯片,封装可为单色或多色组合,也可依照实际需求布置芯片数和金线焊接方式,该封装大功率LED其光通量效率为20lm/W,发光通量为100lm。

②LaninaCeramics公司于年推出采用公司独有金属基板上低温烧结陶瓷（LTCC-M）技术封装大功率LED阵列［5］,有二种产品：

一种为7元LED阵列,光通量为840lm,功率为21W。

另一种是134元LED阵列,光通量为360lm,功率134W。

由于LTCC-M技术是将LED芯片直接连接到密封阵列配备封装盒上,因而工作温度可达250℃。

③松下公司于年推出由64只芯片组合封装大功率白光LED［6］,光通量可达120lm,采用散热性能优良衬底,把这些芯片封装在2cm2面积中,其驱动电流可达8W,这种封装中每1W输入功率其温升仅为1.2℃。

④日亚公司于年推出号称是全世界最亮白光LED,其光通量可达600lm,输出光束为1000lm时,耗电量为30W,最大输入功率为50W,提供展览白光LED模块发光效率达33lm/W。

关于多芯片组合大功率LED,许多公司依照实际市场需求,不断开发诸多新构造封装新产品,其开发研制速度是非常快。

2．国内功率型LED封装技术

     国内LED普通产品后工序封装能力应当是很强,封装产品品种较齐全,据初步预计,全国LED封装厂超过200家,封装能力超过200亿只/年,封装配套能力也是很强,但是诸多封装厂为私营公司,当前来看规模偏小。

     国内功率型LED封装,早在上世纪九十年代就开始,某些有实力后封装公司,当时就开始开发并批量生产,如“食人鱼”功率型LED。

国内大学、研究所很少对大功率LED封装技术开展研究,信息产业部第13研究所对功率型LED封装技术开展研究工作,并获得较好研究成果,详细开发出功率LED产品。

    国内有实力LED封装公司（外商投资除外）,如佛山国星、厦门华联等几种公司,很早就开展功率型LED研发工作,并获得较好效果。

如“食人鱼”和PLCC封装构造产品,均可批量生产,并已研制出单芯片1W级大功率LED封装样品。

并且还进行多芯片或多器件组合大功率LED研制开发,并可提供某些样品供试用。

对大功率LED封装技术研究开发,当前国家尚未正式支持投入,国内研究单位很少介入,封装公司投入研发力度（人力和财力）还很不够,形成国内对封装技术开发力量薄弱局面,其封装技术水平与国外相比尚有相称差距。

三、功率型LED产业化核心封装技术

       半导体LED要作为照明光源,常规产品光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比,距离甚远。

因而,LED要在照明领域发展,核心要将其发光效率、光通量提高至既有照明光源级别。

功率型LED所用外延材料采用MOCVD外延生长技术和多量子阱构造虽然其外量子效率还需进一步提高,但获得高发光通量最大障碍仍是芯片取光效率低。

既有功率型LED设计采用了倒装焊新构造来提高芯片取光效率,改进芯片热特性,并通过增大芯片面积,加大工作电流来提高器件光电转换效率,从而获得较高发光通量。

除了芯片外,器件封装技术也举足轻重。

核心封装技术工艺有：

1、散热技术

      老式批示灯型LED封装构造,普通是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸反射杯中或载片台上,由金丝完毕器件内外连接后用环氧树脂封装而成,其热阻高达250~300℃/W,新功率型芯片若采用老式式LED封装形式,将会由于散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄,从而导致器件加速光衰直至失效,甚至由于迅速热膨胀所产生应力导致开路而失效。

因而,对于大工作电流功率型LED芯片,低热阻、散热良好及低应力新封装构造是功率型LED器件技术核心。

采用低电阻率、高导热性能材料粘结芯片；在芯片下部加铜或铝质热沉,并采用半包封构造,加速散热；甚至设计二次散热装置,来减少器件热阻。

在器件内部,填充透明度高柔性硅橡胶,在硅橡胶承受温度范畴内（普通为-40℃~200℃）,胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路,也不会浮现变黄现象。

零件材料也应充分考虑其导热、散热特性,以获得良好整体热特性。

2、二次光学设计技术

为提高器件取光效率,设计外加反射杯与多重光学透镜。

3、功率型LED白光技术

常用实现白光工艺办法有如下三种：

1）蓝色芯片上涂上YAG荧光粉,芯片蓝色光激发荧光粉发出典型值为500nm~560nm黄绿光,黄绿光与蓝色光合成白光。

该办法制备相对简朴,效率高,具备实用性。

缺陷是布胶量一致性较差、荧光粉易沉淀导致出光面均匀性差、色调一致性不好；色温偏高；显色性不够抱负。

2）RGB三基色各种芯片或各种器件发光混色成白光；或者用蓝+黄绿色双芯片补色产生白光。

只要散热得法,该办法产生白光较前一种办法稳定,但驱动较复杂,此外还要考虑不同颜色芯片不同光衰速度。

3）在紫外光芯片上涂RGB荧光粉,运用紫光激发荧光粉产生三基色光混色形成白光。

但当前紫外光芯片和RGB荧光粉效率较低,环氧树脂在紫外光照射下易分解老化。

我司当前已采用办法1）和2）进行白光LED产品批量生产,并已进行了W级功率LED样品试制。

积累了一定经验和体会,咱们以为照明用W级功率LED产品要实现产业化还必要解决如下技术问题：

①粉涂布量控制：

LED芯片+荧光粉工艺采用涂胶办法普通是将荧光粉与胶混合后用分派器将其涂到芯片上。

在操作过程中,由于载体胶粘度是动态参数、荧光粉比重不不大于载体胶而产生沉淀以及分派器

精度等因素影响,此工艺荧光粉涂布量均匀性控制有难度,导致了白光颜色不均匀。

②芯片光电参数配合：

半导体工艺特点,决定同种材料同一晶圆芯片之间都也许存在光学参数（如波长、光强）和电学（如正向电压）参数差别。

RGB三基色芯片更是这样,对于白光色度参数影响很大。

这是产业化必要要解决核心技术之一。

③依照应用规定产生光色度参数控制：

不同用途产品,对白光LED色坐标、色温、显色性、光功率（或光强）和光空间分布等规定就不同。

上述参数控制涉及产品构造、工艺办法、材料等多方面因素配合。

在产业化生产中,对上述因素进行控制,得到符合应用规定、一致性好产品十分重要。

4、测试技术与原则

随着W级功率芯片制造技术和白光LED工艺技术发展,LED产品正逐渐进入（特种）照明市场,显示或批示用老式LED产品参数检测原则及测试办法已不能满足照明应用需要。

国内外半导体设备仪器生产公司也纷纷推出各自测试仪器,不同仪器使用测试原理、条件、原则存在一定差别,增长了测试应用、产品性能比较工作难度和问题复杂化。

国内光学光电子行业协会光电子器件分会行业协会依照LED产品发展需要,于年发布了“发光二极管测试办法（试行）”,该测试办法增长了LED色度参数规定。

但LED要往照明业拓展,建立LED照明产品原则是产业规范化重要手段。

5、筛选技术与可靠性保证

由于灯具外观限制,照明用LED装配空间密封且受到局限,密封且有限空间不利于LED散热,这意味着照明LED使用环境要劣于老式显示、批示用LED产品。

此外,照明LED处在大电流驱动下工作,这就对其提出更高可靠性规定。

在产业化生产中,针对不同产品用途,制定恰当热老化、温度循环冲击、负载老化工艺筛选实验,剔除初期失效品,保证产品可靠性很有必要。

6、静电防护技术

蓝宝石衬底蓝色芯片其正负电极均位于芯片上面,间距很小；对于InGaN/AlGaN/GaN双异质结,InGaN活化簿层仅几十nm,对静电承受能力很小,极易被静电击穿,使器件失效。

因而,在产业化生产中,静电防范与否得当,直接影响到产品成品率、可靠性和经济效益。

静电防范技术有如下几种：

①生产、使用场合从人体、台、地、空间及产品传播、堆放等实行防范,手段有防静电服装、手套、手环、鞋、垫、盒、离子电扇、检测仪器等。

②芯片上设计静电保护线路。

③LED上装配保护器件。

厦门华联电子有限公司长期从事半导体LED及其他光电子器件研制、生产。

当前在功率LED方面,已