倒装焊技术助力大功率高亮度LED

为什么要用覆晶LED覆晶焊技术支持的LED光源与传统封装光源相比，具有热阻低，电压低，大电流密度光效高的特点，综合研究表明覆晶LED光源在应用上有其独特的潜力和优势。

优点：（1）、高可靠性,最稳定的SMT锡制程，承受拉力是传统LED的数十倍。

（2）、低热阻(3014热阻为40℃/W,倒装为5.8℃/W)，高散热性，防止热量过高而烧坏晶片或荧光粉和封装胶。

（3）、无金线可实现多芯片的集成，特别是COB和高压LED灯源。

也有效的避免金线引起的各种风险，比如热膨胀使之断裂，外部冲击波或压力造成金钱断裂等优势。

（4）、导电面积大,内阻小，能承受大电流通过，减少因为内阻大引起的过大热量。

（5）、发光率高，发光角度大等优点。

（6）、封装工艺简化，降低封装成本，高提生产良率。

（7）、低光衰，不因为热引起的快速光衰，从而延长了芯片的寿命，是普通灯具的10倍以上一、结构优势??? 首先，相对于正装和垂直的芯片封装方式，覆晶封装没有金线存在，可以有效避免金线可能引起的各种风险。

下表为硅胶、金线、芯片的热膨胀系数值，其数量级的差距说明了硅胶热膨胀对金线的拉扯会造成可靠性的隐患。

?材料热膨胀系数??? 其次，覆晶焊采用金属与金属直接接触的方式，其大电流散热能力比传统封装更好。

如图为传统封装与覆晶封装在散热通道方面的区别，传统正装封装通过蓝宝石和固晶银胶散热，覆晶焊通过金属通道散热，传统封装的蓝宝石和固晶胶成为散热瓶颈。

下表所示的数值为蓝宝石、固晶胶、金属三者在导热系数大小，三者对比明显可以发现覆晶焊金属导热通道的巨大优势。

材料导热系数传统封装光源散热通道覆晶焊封装光源散热通道??? 最后，覆晶焊的封装不存在金线的焊线弧度，能够实现超薄型的平面封装。

传统封装方式金线的拉力仅10g左右，而覆晶焊的接触面推力达到500g以上，覆晶封装可以抵抗一定的表面挤压而不影响LED的光电性能，适合于狭小的应用空间内。

例如手机、摄像机、背光等领域。

LED倒装技术及工艺流程分析倒装技术的工艺流程主要包括以下几个步骤：1.准备工作：首先需要准备好所需的LED芯片、PCB板、胶水、连接线等材料和设备，搭建好倒装工作台，并确认好芯片的正负极。

2.倒装工艺：将LED芯片通过电镀方式倒装到PCB上，具体工艺步骤如下：a.选择合适的胶水：根据实际需求选择合适的胶水，一般选用导热胶水或者导热硅胶进行倒装。

b.PCB加工：将PCB板经过必要的加工，包括金手指加工、焊盘/焊针喷镀锡、背面铜箔除锡等。

c.胶水上料：将胶水注入到机械注胶机中，通过专用的胶嘴将胶水点涂在PCB的焊点位置上。

d.LED芯片贴附：将LED芯片按照正负极方向和间距要求贴附到胶水涂抹的位置上，保证LED芯片与焊盘对应。

可以通过自动定位系统或者手工进行贴附。

e.固化胶水：将贴附好的LED芯片的背面放到硅胶材料或者专用的固化设备中，进行胶水的固化。

f.焊接连接线：将连接线焊接到LED芯片的正负极，一般采用无铅焊接方式。

3.测试与包装：在完成倒装过程后，对LED芯片进行测试，检测其亮度、色彩等参数是否符合要求。

通过自动或者手动测试设备进行测试。

如果有不合格的芯片，需进行更换或修复。

最后，按照客户要求进行产品包装。

倒装技术相比传统的LED贴片技术有如下优势：1.提高亮度：倒装技术可以减少PCB与LED芯片之间的电阻，提高LED灯的亮度和显示屏的像素密度。

2.降低热阻：通过使用导热胶水或者导热硅胶，可以有效地将LED芯片的热量传导到PCB板上，降低LED芯片的工作温度，提高产品的可靠性和寿命。

3.减小尺寸：倒装技术可以使LED芯片直接贴附在PCB板上，减小了整体产品的体积和厚度。

4.提高可靠性：倒装技术可以减少LED与PCB之间的线路长度，减少线路电阻，提高了产品的抗电磁干扰能力和可靠性。

5.降低生产成本：倒装技术可以提高LED灯条和显示屏的制造效率，降低生产成本。

总之，LED倒装技术是一种先进的LED封装技术，通过倒装方法将LED芯片直接连接到PCB上，可以提高亮度、降低热阻、减小尺寸、提高可靠性等优势。

科技资讯2015 NO.22SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION工 业 技 术73科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 1 国内外技术发展及现状GaN基发光二极管(LED)作为新一代的环保型固态光源,已经成为产业界的关注焦点。

1992年,有“蓝光之父”之称的中村修二成功地制备出了Mg掺杂的p型GaN ,随后在1993及1995年采用InGaN/GaN异质结结构成功制备了高亮度的蓝光LED,并因此而斩获了2014年度的诺贝尔物理学奖。

目前,大功率、高亮度的白光LED已经成为了照明领域的发展热点。

白光LED发光效率虽然已经达到了170lm/W,但离其理论值250lm/W尚有一定的差距,因此进一步提高其发光效率成为功率型白光LED的一个关键技术问题。

一般来说,提高LED的发光效率有两种途径,分别是提高其内量子效率及光提取效率。

另一方面,如何提高散热能力成为了功率型LED器件发展的另一个关键技术[1]。

随着LED功率的增大,特别是固态照明技术发展的需求,对LED封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了新的、更高的要求。

由此可见,研究高取光效率、低热阻、高可靠性的封装技术是大功率LED走向实用及产业化的必经之路。

覆晶(Flip-Chip)技术,也称为倒晶封装法,是一种在IC封装技术领域成熟的芯片封装工艺。

因为能满足上述高性能封装的要求,基于覆晶技术的功率LED封装被认为是封装功率型高亮度LED的关键技术及发展趋势[3]。

在过去传统的水平及垂直式晶片结构中,正面电极的吸收及GaN-Air界面全反射临界角等因素会很大程度上影响光提取效率[2];另一方面,传统封装结构中,LED 芯片的热量需经由衬底蓝宝石(其热导率仅为38W/m.K)传导至导热基板,导热路径较长,从而芯片的热阻较大。

而采用覆晶技术形成的倒装结构,将蓝宝石衬底芯片进行倒置,芯片直接焊接在导热基板上,电极在底部与基板相互连接,也就避免了传统封装中芯片高低差带来的打线困难的问题。

封面目录打印订阅技术动态上海慕尼黑电子展专题业界访谈每月新品解决方案世界电子元器件2018年第3期41 / 58LG Innotek 今天称已成功开发可承受300摄氏高温的焊接工艺而不影响其性能的高光效、高光通量“新一代倒装芯片 LED 封装”，并将于1月开始进入量产。

这是克服现有倒装芯片 LED 封装的品质极限，并能够扩大其应用范围的创新性产品。

LG Innotek 利用最尖端半导体技术，开发了巨大提升产品可靠性高品质倒装芯片LED 封装。

以此实现了中功率及高功率下的高光效、高光速高级照明产品化。

倒装芯片 LED 可将芯片的电极直接贴在 PCB 线路板上面，无需使用电极连接线，因此不会发生断线且防热功能优异。

倒装芯片 LED 作为高功率 LED 光源约从 3 年前开始就一直受到 BLU (Back Light Unit) 业界的关注。

但市场上流通的现有 LED 封装是省略了发射性白树脂及工艺简单的CSP （Chip Scale Package:将半导体零件包装的面积缩小为芯片大小）形态，普遍只用于高功率 LED 光源，且暴露于高温时芯片与线路板的连接部位会融化而导致芯片位置偏移、亮度减少近10 % 的问题。

制作照明模块及完成品时，在部分工艺温度高达250度以上的情况下，以现有倒装芯片 LED 封装与反射性白色树脂很难保障照明的品质。

此次 LG Innotek 开发的“高品质倒装芯片 LED 封装”即使在 250~300 度的高温下，芯片与线路板的连接部位也不会融化，能够稳定实现220 lm/W 级别的高光效。

公司解释称，照明企业可以使用该倒装芯片 LED 封装放心制作灯泡、管道、平板型的高级照明，无需担心发光质量。

LG Innotek 独自设计了封装内部结构与工艺，并改良了现有倒装芯片装配技术，开发了倒装芯片 LED 封装。

芯片内部结构也使用独创技术重新进行了设计，以使防热性能最大化。

同时 LG Innotek 将重点放在了高品质，仅可靠性测试就进行了 6,000 小时以上。

共晶焊倒装高压LED的制备及性能分析尹越;田婷;刘志强;王江华;伊晓燕;梁萌;闫建昌;王军喜;李晋闽【摘要】使用共晶焊替代倒装焊,制备了由10颗LED微晶粒串联而成的共晶焊倒装高压LED.随后通过芯片外观对比及相关光电性能测试证实,共晶焊倒装高压LED 在1W电注入下光功率相比倒装焊高压LED可提升10.5％,并且光效下降现象得到缓解.同时,ANSYS热模拟结果表明:共晶焊倒装结构芯片具有更好的散热特性,适合于大电流驱动.【期刊名称】《照明工程学报》【年(卷),期】2019(030)001【总页数】6页(P26-31)【关键词】共晶焊;LED;高压;倒装结构;性能表征【作者】尹越;田婷;刘志强;王江华;伊晓燕;梁萌;闫建昌;王军喜;李晋闽【作者单位】中国科学院半导体研究所照明研发中心,北京100083;中国科学院大学,北京100049;北京第三代半导体材料与应用工程技术研究中心,北京 100083;中国科学院半导体研究所照明研发中心,北京100083;中国科学院大学,北京100049;北京第三代半导体材料与应用工程技术研究中心,北京 100083;中国科学院半导体研究所照明研发中心,北京100083;中国科学院大学,北京100049;北京第三代半导体材料与应用工程技术研究中心,北京 100083;鹤壁市大华实业有限公司,河南鹤壁458000;中国科学院半导体研究所照明研发中心,北京100083;中国科学院大学,北京100049;北京第三代半导体材料与应用工程技术研究中心,北京 100083;中国科学院半导体研究所照明研发中心,北京100083;中国科学院大学,北京100049;北京第三代半导体材料与应用工程技术研究中心,北京 100083;中国科学院半导体研究所照明研发中心,北京100083;中国科学院大学,北京100049;北京第三代半导体材料与应用工程技术研究中心,北京 100083;中国科学院半导体研究所照明研发中心,北京100083;中国科学院大学,北京100049;北京第三代半导体材料与应用工程技术研究中心,北京 100083;中国科学院半导体研究所照明研发中心,北京100083;中国科学院大学,北京100049;北京第三代半导体材料与应用工程技术研究中心,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TM923引言随着商业照明逐渐向大电流、高亮度、多集成方向发展，对高密度电流驱动LED 的关注与日俱增。

LED倒装封装结构的优势本文对比研究了垂直结构LED 和倒装结构LED 随着电流增大的光输出变化规律，并且与普通正装LED 进行了比较，得出了倒装结构LED具有更好的抗大电流冲击稳定性和光输出性能。

白光发光二极管(LED)因其节能、环保、可靠性高和设计灵活等优点在照明领域得到广泛开发和应用。

为了满足日益增长的照明需求，较大输出功率LED的研发和技术改进得到了广泛开展。

1、正装封装结构的缺陷目前，商业化的LED很多采用金线将芯片的PN结与支架正负极连接的正装封装结构。

然而，随着输出功率的不断提高，制约大功率LED发展的光衰较大和光淬灭等失效问题相继涌现。

淬灭失效的主要原因是金线断裂。

在金线引线连接过程中，受到金纯度、键合温度、金线弯曲度、焊接机精度和键合工艺等多重因素影响，造成金线断开而淬灭。

其次，混合荧光粉的硅胶涂覆在芯片表面，起到光转化作用和保护金线等双重作用，当芯片通电后温度上升，由于硅胶热胀冷缩等原因将对金线和焊点产生冲击，焊点脱焊，造成淬灭。

光衰较大失效的主要原因是硅胶的黄化或透过率降低。

正装结构LED p、n电极在LED 的同一侧，电流须横向流过n-GaN层，导致电流拥挤，局部发热量高，限制了驱动电流;其次，由于蓝宝石衬底导热性差，严重阻碍了热量的散失。

在长时间使用过程中，因为散热不好而导致的高温，影响到硅胶的性能和透过率，从而造成较大的光输出功率衰减。

因此，为了改善正装封装LED的金线易断裂和散热不好等问题，业内研究者们相继发明了垂直结构LED和倒装结构LED。

相较于正装LED，垂直结构采用高热导率的衬底(Si、Ge和Cu等衬底)取代蓝宝石衬底，在很大程度上提高散热效率;垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，通过n电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，横向流动的电流极少，可以避免局部高温。

但是目前垂直结构制备工艺中，蓝宝石剥离工艺较难，制约了产业化发展进程。

而另一项发明的倒装结构LED，因其可以集成化、批量化生产，制备工艺简单，性能优良，逐渐得到了照明行业的广泛重视。

倒装焊技术在大功率LED光源上的应用摘要：将倒装焊技术应用于大功率LED光源生产，产品的可靠性测试结果表现优异。

常温大电流测试结果：1000mA恒流驱动，点亮1688小时的光衰减仅0.8%；高温高湿环境下350mA驱动，点亮1688小时的光衰减仅1.6%，室温下350mA驱动，6000小时的光衰减几乎为0。

此种倒装焊技术支持的LED 光源（品名易星）与传统封装光源相比，具有热阻低，电压低，大电流密度光效高的特点，电流从350mA提高到700mA，亮度提升1.78倍。

SEM和X-ray 对比显示易星光源的Au电极接触紧密，接触层无孔洞散热面积更大，导热率优于AuSn共晶焊倒装光源。

综合研究表明倒装LED光源在应用上有其独特的潜力和优势。

关键词：倒装焊、无金线、大功率、易星1、引言随着全球绿色产业的发展，固态照明（Solide State Lighting）在照明行业中正吸引着越来越多的目光。

LED（light emitting diode）具有高效、节能、长寿命、环保等优点，被视为21世纪照明的新光源[1-3]。

白光LED光源的效率经过数年的发展，已经超越了绝大部门传统光源，且商业化白光LED光源仍然处在光效持续提升，价格不断降低。

在LED发展的过程中，各种LED新技术不断涌现，其中采用正装芯片、垂直芯片、倒装芯片的三种封装技术占据市场主流[4-6]。

但是，由于大功率商业照明逐渐向大电流、高亮度、多集成方向发展的需要，带金线的正装芯片、垂直芯片封装技术存在着一些不可避免的劣势，如金线虚焊、浪涌冲击、耐大流能力不足、封装硅胶热胀冷缩造成金线断裂、制程中金线影响良率等问题[7-10]。

本文阐述倒装焊无金线封装技术的工艺步骤，测试了芯片级（Chip level）封装的易星（E-star）光源的性能参数，获得在大电流、高温高湿环境下光衰的优异表现能力。

同时对比倒装与传统封装在克服上述金线问题的优势，分析了Au-Au倒装焊接与AuSn共晶焊倒装在可靠性、导热能力方面的区别[11-12]。

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。

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。