LED封装产品介绍和技术报告-(赵强)

加热 热超声覆晶焊
.
21
银浆固晶
• 优点
– 工艺简单和成熟 – 固化温度低 – 速度快 – 基板的平整度和粗糙度要求不高
• 缺点
– 银浆的传导率低
• 技术难点
– 银浆含量一致性的控制 – 芯片的对准和倾斜度的控制 – 银浆粘接的厚度 – 芯片的厚度
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22
共晶热压焊
• 优点
– 工艺简单 – 速度快 – 结合强度高
350
300
250
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150
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300
350
400
450
0
Time (s)
50
100
150
200
time (s)
Temperature (degC) Temp. (oC)
UHB-LED超高亮度发光二极管技术报告
------封装技术报告------
报告人：赵 强 2009年5月6日
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1
报告内容简介
发光二极管LED的市场分析 LED发光二极管介绍 封装测试技术介绍 Power-LED封装技术介绍
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2
发光二极管LED的市场分析
中国大陆巨大市场为全球LED产业带来无限商机，随着奥运会的成功举办、世博会、 亚运等大型国际性活动中LED项目的即将开展，将接连在道路照明、景观照明、全全 彩显示屏等应用面带来新的突破。 2008年我国芯片产值增长26%，达到19亿元；LED封装产值达到185亿元，较2007年 的168亿元增长10%；2008年我国应用产品产值已超过450亿元，LED全彩显示屏、 太阳能LED、景观照明、消费类电子背光、信号、指示等应用仍然是主要应用领域。 照明市场：2月初，ABI Research旗下研究分支机构NextGen Research 月初就指出， 全球固态照明(Solid State Lighting，SSL)市场年产值可望在2013年突破330亿美元。 根据NextGen的推估，LED市场当中的照明产品类别在2009—2013年期间的平均复 合年增率(CAGR)将逼近22%。LED渗透到照明市场的趋势将会持续到2009年，与之 前预测的35%的增长率相比，仍有17%的较低增长。 从长远来看，照明应用领域的前 景是乐观的 LED液晶背光市场：美国权威市场研究机构iSuppli日前发布的一项最新LED液晶背光 调查报告称：LED液晶背光在2008年下半年被越来越多的用作背光液晶电视领域的应 用市场，将在2009年成为半导体产业中为数不多的亮点。iSuppli预计2009年LED液 晶背光出货量将在2008年5100万美元的基础上增长到1.63亿美元，并预测2012年大 约14亿美元的液晶显示器将被用作液晶电视领域。 高亮度LED市场 ：2010年高亮度LED市场增长将开始恢复。从2008年到2013年，预 计复合平均年增长率为19.3%，在2013年，高亮度LED市场将会达到124亿美元。
过炉回流
• 优点:
– 有效控制焊料的挤出现象
– 适合高芯片密度封装
• 技术难点
– 基板表面光滑度要求高
– 回流焊工艺曲线需要优化
– 助焊剂含量控制适当.
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表面粗糙度的影响
370 um
光学显微镜下观察到的条纹状基板表面
焊料覆盖层也呈现条纹状
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28
助焊剂含量影响固晶质量
以上二个样品经过相同的回流焊工艺，只是助 焊剂含量不同，但有明显不同的固晶质量
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35
剪切测试及断面分析
失效模式
– 在焊料中间破坏
剪切测试装置
– 其它界面（强度高于客户要求）
– 其它界面（强度低于客户要求）
– 芯片损坏
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36
LED电学性能检测（I-V曲线）
LED
LED 尺寸
正向电压
正向电流, mA
@10/1µA Min.
蓝光LED
14mil
> 2.3V
20
2.8
大功率蓝光 LED (1W)
➢ 现在已经在国家成立了7个照明产业基地：上海，厦门，深圳，南昌，大连，
石家庄，扬州。
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4
LED 发光管是怎样练成的
Sapphire 蓝宝石
2-inch
衬底材料 生长或购 买衬底
芯片加工
LED结构 MOCVD生长
芯片切割
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器件封装
5
III-族氮化物MOCVD生长是一门富含高科技的艺术
P型层生长
量子阱生长
金焊球
静电保护
Si基板
• 技术难点
– 工艺流程较复杂
• 高精度的凸点种植和固晶工艺
• 有效的能量传递
– 成本
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固晶质量的评估
• 外表光学检测 • 固晶的位置精度 • 剪切试验 • 断面分析 • 正向电压和反向电流的测试 • X-射线检测，X-ray • 声学显微镜测试，C-SAM • 剖面和扫描电子显微镜分析
剪切强度 750g
.0.5 mm die
剪切强度 1.94kg
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热超声覆晶焊
Au凸点种植
热超声覆晶焊
压力
超声振动 (((( LED
Au凸点
基板 加热
)))) 焊盘
在基板上种植的Au凸点
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覆晶焊
• 优点
– 无需焊线 – 散热性能好 – 增加发光率
光 GaN N极金属化层
反光层
透明Al2O3 P极金属化层
成本低，显色性不佳
显色性高，工艺控制 困难黄Βιβλιοθήκη 荧光粉绿色荧光粉 紅色荧光粉
Cup
蓝光 LED
蓝光 LED
紫外光 加三基色荧光粉
LED 发光效率低， 封装材料老化
蓝色荧光粉 绿色 荧光粉 紅色荧光粉 紫外光 LED
方法5 方法6
蓝光加黄色荧光粉，再加上红色LED
高效能及高显色性(CRI)
多量子阱活化层
N型层生长
众多核心技 术所在
.
6
氮化物LED发光管的器件结构及发光机理
electrons
N 欧姆接 触
P 欧姆接触
直流低电压
电子空穴 复合发光
蓝宝石或碳化硅
电能
光源
.
7
实现白光LED的方法
方法1
方法2
方法3
方法4
红绿蓝三色混合白光
高显色性，三原色发光 效率不均匀，成本高
蓝光 加 黄色 荧光粉 蓝光 加 红绿色 荧光粉
.
29
回流焊工艺曲线的控制因素
温度 (oC)
350
不损伤芯片的最高温度
Au-Sn反应区
300 助焊剂分解、释放气泡， 适当
Sn和Ni容易反应区 250
快速
200 必要但须适当
150
控制晶粒尺寸, 焊料铺展 范围内小空洞的形成区
100
助焊剂活化区
50
0
0
100
200
300
400
时间 (s)
.
30
高温区加热速度的影响
不润湿区域
.
原子力显微镜下观察 到的粗糙表面
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共晶焊键合机理
Si
Ni, Ti
Au80Sn20
芯片上 AuSn结构
• 熔化的 AuSn 和基体上的 Au
或 Ag 反应 • 形成 Au (或Ag) Sn 的金属键
化合物
(Ni, Au)3Sn2 (Au, Ni)Sn (Au, Ag)5Sn
Ag
• 焊料成份发生变化，熔点增 加
固晶方式和粘接材料的选择
– 工作电流、工作功率 – 传热效率 – 成本 – 工艺制程良率
.
20
银浆 共晶热压 共晶回流
超声覆晶
固晶封装技术
银浆
芯片
基板 银浆涂敷
压力
芯片放置
带有共晶焊料层的芯片
固化
加热 芯片放置
助焊剂 基板
带有共晶焊料层的芯片
过炉回流
钎剂涂敷
Au凸点
基板
芯片放置
超声振动
压力
芯片
Au凸点种植
• 基板
芯片
– 陶瓷 (AlN, Al2O3)
基板
– 带胶杯的引线框架
– 帶絕緣層金属基板
• 粘结材料
– 银浆 银浆
– AuSn共晶焊料
– Au凸点
AuSn共晶焊料
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17
基板材料的特性和选择
• 选择依据 – 导热性能 – 热膨胀性能（CTE） – 成本
• 反射镀层 – Au/Ag – 陶瓷
反射层
反射率
热阻 (oC/w)
7.1
强化银 浆
78.7
AuSn焊 料
78.3
3.7
3.3
1 mm
Q = 1W
3µm
正视图
GaN 藍寶石 物料 (20um)
Cu
h = 10204 W/m2.oC
.
19
固晶制程对传热的影响
• 粘接材料的传导性能 • 粘接层的厚度
Rth = L / k x A
• 粘接质量(强度、接触面积、平整性)
(Reflector) (Reflectivity)
Au
40 – 90%
Ag
>90%
白色 Al2O3
>80%
材料
GaN Al2O3
Si AlN Cu Al Ag