LED芯片及封装技术研究.docx

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LED芯片及封装技术研究

LED芯片与封装技术

LED已经在照明与平板显示背光市场有着广泛的应用，LED的产业链比拟长，从上到下包括蓝宝石生产、LED外延芯片技术、荧光粉、检测设备、LED器件与模组等方面。

本文就LED芯片与封装技术做一个简单的介绍提纲。

一、LED芯片简介

1.1LED芯片发光原理与简单分类

LED芯片，也称为LED发光芯片，是LED灯的核心组件，也就是指的P-N结。

其主要功能是：

把电能转化为光能，芯片的主要材料为单晶硅。

半导体晶片由两局部组成，一局部是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。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

目前芯片主要分为低压直流芯片和高压直流芯片。

其中，低压直流芯片包括正装结构芯片、垂直结构芯片以与三维（无金线）垂直结构芯片。

高压直流芯片包括正装结构芯片。

从衬底的角度看当前整个行业的技术路线，主流衬底是蓝宝石与SiC，Si衬底是未来希望所在。

芯片技术最主要的突破点就是提高LM/W&LM/$。

可能突破点包括：

1、大电流密度驱动芯片；2、三维垂直结构芯片；3、垂直结构高压交直流芯片；4、绿光IQE提升（Green-Gap）；5、衬底：

硅衬底、石墨衬底、GaN、AlN与其他衬底。

三维垂直结构芯片的最重要的优势是没有电感效应。

垂直结构高压交直流芯片的优势主要是加大电流驱动、降低芯片的本钱。

高压芯片会降低变压局部的本钱，交流芯片可降低整流局部的本钱。

另外也可通过在衬底上制作图形以与将芯片外形异型化提高出光效率。

1.2LED芯片的制作流程

总的来说，LED制作流程分为两大局部：

首先在衬底上制作氮化镓〔GaN〕基的外延片，这个过程主要是在金属有机化学气相沉积外延片炉（MOCVD）中完成的。

准备好制作GaN基外延片所需的材料源和各种高纯的气体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。

常用的衬底主要有蓝宝石、碳化硅和硅衬底，还有GaAs、AlN、ZnO等材料。

MOCVD是利用气相反响物〔前驱物〕与Ⅲ族的有机金属和Ⅴ族的NH3在衬底外表进展反响，将所需的产物沉积在衬底外表。

通过控制温度、压力、反响物浓度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。

MOCVD外延炉是制作LED外延片最常用的设备。

然后是对LEDPN结的两个电极进展加工，电极加工也是制作LED芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对LED毛片进展划片、测试和分选，就可以得到所需的LED芯片。

如果芯片清洗不够干净，蒸镀系统不正常，会导致蒸镀出来的金属层〔指蚀刻后的电极〕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芯片，因此会产生夹痕〔在目检必须挑除〕。

黄光作业内容包括烘烤、上光阻、照相曝光、显影等，假如显影不完全与光罩有破洞会有发光区残多出金属。

芯片在前段工艺中，各项工艺如清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨等作业都必须使用镊子与花篮、载具等，因此会有芯片电极刮伤情形发生。

1.3LED芯片生产中的关键环节

LED芯片生产中的关键环节包括LED衬底材料的生产、MOCVD设备与使用等。

下面分别做一下简单介绍：

LED芯片衬底

 对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。

应该采用哪种适宜的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进展选择。

好的衬底材料应具备一下特点：

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一样或相近、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响使外延膜质量下降；

4．材料制备的难易程度与本钱的上下：

考虑到产业化开展的需要，衬底材料的制备要求简洁，本钱不宜很高。

衬底尺寸一般不小于2英寸。

当前用于GaN基LED的衬底材料比拟多，但是能用于商品化的衬底目前只有两种，即蓝宝石和碳化硅衬底。

其它诸如GaN、Si、ZnO衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距离，下面逐一介绍一下各种材料：

氮化镓：

用于GaN生长的最理想衬底是GaN单晶材料，可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。

但是制备GaN体单晶非常困难，到目前为止还未有行之有效的方法。

氧化锌：

ZnO之所以能成为GaN外延的候选衬底，是因为两者具有非常惊人的相似之处。

两者晶体结构一样、晶格识别度非常小，禁带宽度接近〔能带不连续值小，接触势垒小〕。

但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中易分解和腐蚀。

目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有得到真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。

蓝宝石：

用于GaN生长最普遍的衬底是Al2O3。

其优点是化学稳定性好，不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟。

导热性差虽然在器件小电流工作中没有暴露明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。

碳化硅：

SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石。

SiC衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等优点，但不足方面也很突出，如价格太高，晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比拟差，另外，SiC衬底吸收380纳米以下的紫外光，不适合用来研发380纳米以下的紫外LED。

由于SiC衬底有益的导电性能和导热性能，采用碳化硅衬底的导热性能〔碳化硅的导热系数为490W/（m·K）〕要比蓝宝石衬底高出10倍以上。

蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶，这种银胶的传热性能也很差。

使用碳化硅衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器件的外表和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。

可以较好地解决功率型GaNLED器件的散热问题，故在半导体照明技术领域占重要地位。

但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造本钱较高，实现其商业化还需要降低相应的本钱。

硅衬底：

目前有局部LED芯片采用硅衬底。

硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触〔Laterial-contact,水平接触〕和V接触〔Vertical-contact，垂直接触〕，以下简称为L型电极和V型电极。

通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。

由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。

因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。

碳化硅衬底：

碳化硅衬底〔美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底〕的LED芯片电极是L型电极，电流是纵向流动的。

采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。

上述衬底材料中，蓝宝石衬底最常使用，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。

蓝宝石衬底有许多的优点：

首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。

因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。

蓝宝石作为衬底的LED芯片使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。

蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上外表制作n型和p型电极，在上外表制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、本钱增加。

由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。

但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进展刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产本钱。

蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进展减薄和切割〔从400nm减到100nm左右〕。

添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。

蓝宝石的导热性能不是很好〔在100℃约为25W/〔m·K〕〕。

因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。

蓝宝石晶体是LED产业的上游原材料，在可预见的将来仍然会处于不可替代的地位。

目前国际上主流的蓝宝石晶体生长工艺是泡生法〔KY法〕、提拉法〔CZ法〕、导模法〔EFG法〕、坩埚下降法和热交换法〔HEM法〕等。

其中，泡生法生长工艺的LED衬底市场份额超过50%，其他生长工艺法市场份额总计也只有40%多。

泡生法的市场份额最高，同时也被无数国内外实验证明是质量最优、性价比最高的LED蓝宝石生产工艺。

泡生法的优点是晶体品质较高，本钱较低。

缺点是采用传统的泡生炉，晶体质量稳定性取决于操作人员的技术水平，稳定性较差，对人的依赖性较高。

提拉法：

日本的水平做得较高，但本钱也很高。

导模法：

目前只有日本京瓷和并木生产的晶体可以用于衬底，国内用导模法生产的蓝宝石晶体，质量上达不到行业使用要求。

坩埚下降法：

本钱较低，但晶体品质不高，且不事宜4英寸以上衬底的生产。

热交换法：

还要进一步验证，从现有市场供给情况看，热交换法生产的LED即晶体的市场份额还很小。

目前泡生法长晶炉设备主要提供商是俄罗斯设备和乌克兰设备，国内也有多家泡生法蓝宝石长晶炉设备企业，其风格根本类似于俄罗斯和乌克兰设备。

这些设备的问题在于：

设备本身制造工艺比拟粗糙、设备可靠性不高、同时自动化程度较低，其晶体生长技术很大程度上需要依赖技术人员的水平，否如此做出来的产品稳定性差异将会非常大，每个炉子之间质量差异也大，位错密度变化也较大。

下表给出了目前全球几家蓝宝石长晶炉厂商技术比照：

厂商名称

长晶工艺

GTSolar

热交换法：

用钼坩埚为加热容器，本钱比拟高，A向生长

ARCEnergy

热交换法：

使用钨坩埚，本钱较低，且可以屡次使用；采用金属发热体，C向生长

某某科瑞斯特

泡生法：

泡生法的市场份额最高，同时也被无数国内外实验证明是质量最优性价比最高的LED蓝宝石生产工艺。

泡生法的优点是晶体品质较高，本钱较低。

确定是用传统的泡生炉，晶体质量稳定性取决于操作人员的技术水平，稳定性较差，对人依赖性较高。

某某能建集团

技术来自中科院某某光机所。

设备有能量供给与控制系统、传动系统、晶体生长室、真空系统、水冷系统与其他附属装置组成，模拟高温岩浆状态下晶体的生长过程，制备蓝宝石，拥有完全的自主知识产权。

2010年中国LED产业呈井喷开展之势，导致作为LED产业上游原材料的蓝宝石衬底严重缺货，于是从2010年下半年开始，众多资金投入蓝宝石衬底的生产。

下表给出了截至今年8月国内已经试产的蓝宝石衬底项目与规划引进的蓝宝石长晶炉：

项目名称

项目落户时间地点

试产时间

产品情况

规划引进的炉子

吉星新材料

，某某扬中

蓝宝石晶体公斤

一期引进蓝宝石长晶炉63台，总体规划300台

中晶光电

，某某武进

开工建设，建设期一年

今年8月中旬设备到位

晶桥光电

，某某某某

蓝宝石晶体公斤

露笑集团