LED芯片倒装技术简述

连程杰 （浙江英特来光电科技有限公司，浙江 义乌322000）

路灯是城市照明不可缺少的一部分，传统路灯通常采用高压钠灯或金卤灯，这2种灯具的特点是电弧管尺寸小，可以产生很大的光输出，并且具有很高的光效，但光分布均匀度低，使用寿命短（6000h）。LED是继白炽灯、高强度放电灯和荧光灯之后的第4代光源，是一种将电能转化为光电的固体器件，其由一个PN结组成，为使其能控制电子系统，需要在LED芯片与其他电子组件、电源与接地线之间建立电气互连［1］。第一级互连通常是指芯片与塑料或陶瓷封装体之间的互连，该封装体随后被组装到印制电路板上。在上述过程中使用的是引线键合互连技术。在引线键合封装体中，芯片被封装用固晶胶粘接在载体基板上，其有源面朝上，然后使用金线或铝线来连接芯片上的每一个焊盘与封装载体上对应的键合焊盘。在应用引线键合互连技术所用的芯片是在兰宝石衬底上形成GaN基LED结构层，由P／N结髮光区发出的光透过其上的P型区射出。由于P型GaN传导性能不佳，为获得良好的电流扩展，需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni－Au组成的金属电极层，再将P区引线通过该层金属薄膜引出，但金属薄膜的存在会使透光性能变差。此外，引线焊点的存在也会使发光效率受到影响。为此，研究者进行了大量探索，最终应用LED倒装芯片及时解决了上述问题。下面，笔者对LED芯片倒装技术的发展历程、技术及其特点进行分析。

1 LED倒装芯片技术发展历程

该种技术早在20世纪60年代就已应用于IC行业中，美国IBM公司于20世纪60年代发明的可控塌陷芯片连接便是倒装芯片应用最重要的形式［2］。直到20世纪80年代末，倒装芯片才得以组装到硅或陶瓷基板上。由于半导体与基板的热膨胀系数不匹配，导致可控硅芯片连接的焊点热疲劳寿命低，这对芯片与底部基板的键合产生很大的冲击。如何减小有机基板与硅芯片之间的热膨胀系数差成为急需攻克的难题。1987年，日本日立公司通过填充树脂 （即底部填充胶）来匹配焊点的热膨胀系数，提高了焊点的热疲劳寿命［3］。近年来，芯片倒装技术逐步应用于LED行业中，与正装芯片相比，LED倒装芯片产品具有低电压、高亮度、高可靠性、高饱和电流密度等特点，具有很好的发展前景。

2 LED倒装芯片技术原理

倒装芯片是在传统工艺的基础上，将芯片的发光区与电极区不设计在同一个平面，也就是将电极区面即有源面朝向灯杯底部进行封装。在倒装芯片封装中，IC芯片的有源面朝下并组装在基板上［1］。在芯片有源面形成互连的形式有焊料凸点、接线柱金球焊接或导电胶凸点，他们分别通过融化、胶粘、热声或热压工艺形成与基板焊盘间的连接［2］。

3 LED倒装芯片技术的特点

3.1 可封装LED器件的尺寸小

使用倒装芯片的LED时，与传统正装芯片不同，在设计LED封装体体结构时，无需考虑引线的空间，可实现更小尺寸LED的封装，尤其是应用于显示屏的SMD产品，使用倒装芯片工艺的LED对高密高清、高像素点的显示屏是一大突破。

3.2 发光效率高

相比于正装结构的LED，使用倒装芯片LED的发光效率更高，具体分析如下［4］：①倒装芯片有源面即PN结在芯片底部，且在PN电极上方制备有发射率较高的反射层，光不经过电极而直接从透明蓝宝石衬底射出，避免了电极对光的吸收，提高了发光效率。②倒装芯片中蓝宝石与荧光粉和硅胶接触，蓝宝石的折射率为1.8，荧光粉折射率为1.7，硅胶折射率通常为1.4～1.5，空气的折射率1.0，其相互之间比较接近，不容易产生全反射，与正装结构LED相比，大大减少了全反射损耗的光量。③倒装芯片的PN电极采用高反射率的Ni／Ag／Au体系构成，其厚度在500nm以上，易于实现均匀的电流分布，从而提高了芯片本身的出光效率。④由于正装芯片与倒装芯片结构的设计不同，导致电流密度和电压的不同，对LED的光效有明显影响。举例来说，传统的正装大功率芯片通常电压在3.5V左右，而倒装结构芯片的电压大幅度降低至2.8～3.0V。因此，在同样光通量的情况下，由于电压的降低，倒装芯片的光效比正装芯片光效约提高16%～25%左右。

3.3 使用寿命长

众所周知，散热问题是LED照明领域需要重点解决的技术难题，其直接影响LED照明产品的寿命。正装结构LED底部是蓝宝石衬底，其上面及周围封装有环氧树脂，环氧树脂导热散热性能差，因而芯片产生的热量必须通过晶片底部的蓝宝石进行传导，而蓝宝石衬底的热导率低，不利于热量的导出，这就影响了LED的使用寿命。倒装结构LED可通过凸点与硅底板键合，由于硅的散热性能良好，芯片产生的热量可通过凸点很快地导入硅底板，通过硅底板直接由基板散出，从而大大提升了散热效果，最终提高了倒装结构LED的使用寿命。

3.4 可靠性强

正装芯片的PN电极均位于芯片上面，电极面积小，厚度薄，经焊线过程强大的冲击后，很容易被静电击穿而导致器件失效。倒装芯片可通过在硅衬底内置齐纳保护电路的方法，可以有效提高LED的抗静电能力，从而使倒装结构LED的可靠性更强。

3.5 产品优良率高

正装芯片LED的封装过程为固晶、焊线、封胶和测试分光的封装过程为固晶、焊线、封胶和测试分光，而倒装芯片结构LED的PN电极在其底部，封装过程中通过倒装焊直接连接PN电极与焊盘，实现芯片正负极与焊盘的结合，因而封装过程仅为倒装焊、封胶、测试分光。由此可见，倒装芯片的封装制程将固晶焊线两道简化为一道工序 （即倒装焊工序），简化了封装工艺，避免传统LED在焊线过程中出现的产品品质不良现象，提高了产品优良率。

4 结 语

倒装芯片具有优越的性能，同时，LED封装过程中简化了封装工艺，大大提高了产品优良率。今后应进一步加强研究，使LED朝更轻、更薄、更小和发光效率更高的方向发展。

［1］Wong C P，Lou S，Zhang Z.Flip the Chip ［J］.Science，2000，290：2269－2274.

［2］Davis E，Harding W，Schwartz R，et al.Solid Logic Technology：Verdatile High Performance MicroelectronicsIBM ［J］.Journal of Research ＆Development，1964，8：102－108.

［3］Nakano F，Soga T，Amagi S，Resin－Insertion Effect on Thermal Cycle Resis－tivity of Flip－Chip Mounted LSI Devices ［J］.Journal of Research ＆Development，1987，31.536－540.

［4］Daniel Lu，Wong C P.先进封装材料 ［M］.陈明祥，尚金堂译 .北京：机械工业出版社，2012.