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通孔垂直结构的LED

导读: 2006 年 11 月报道,三星电子公司在 2008 年生产的液晶显示器将全部采用 LED 背光源。三星电子公司还将把 LED 背光源技术应用于液晶电视机之中。它在 2006 年 9 月推出了一款 40 英寸的液晶电视机产品。

1 . LED 背光源的最新产品和动态
  
        2006 年 11 月报道,三星电子公司在 2008 年生产的液晶显示器将全部采用 LED 背光源。三星电子公司还将把 LED 背光源技术应用于液晶电视机之中。它在 2006 年 9 月推出了一款 40 英寸的液晶电视机产品。
  
        2006 年 11 月报道, DELL 、 HP 明年 (2007)LED 背光源笔记本电脑( NB )开始出货,预计 2008 年 25% 的 NB 都将采用 LED 背光源。目前除了 DELL 之外,日系厂商如 SONY 、 TOSHIBA 等已推出采用 LED 背光源的 NB 。在 NB 用 LED 背光源逐渐成为市场主流。
  
        2006 年 11 月报道, 深圳帝光电子有限公司董事长宋恒毅认为,“ 从 2005 年开始,全球各个 TFT-LCD 厂商加大投入 LED 和液晶电视面板的产量,预计到 2008 年 LED 背光源液晶电视面板将占 30 %以上。 ”
  
       2006 年 9 月报道,台湾晶电总经理李秉杰指出,7 英寸 LED 面板中商机最为庞大的是车用产品部分, 2007 年可望正式进入 Design in 阶段,而 LED2007 年也将开始大量应用在笔记本电脑用面板背光源上,新晶电已准备好积极争取此一庞大商机。

2. 背景

       (A )半导体行业(包括 IC 和固体照明 SSL )的一种趋势
  
         半导体行业(包括 IC 和固体照明 SSL )的一种趋势是:芯片的结构的设计一方面要提高自身的性能,同时,要与下道工序(封装)的结构设计和最后的应用产品的需要相配合。
  
         半导体 IC 封装行业和 LED 背光源的趋势是:(1 )封装“已知是好的芯片( known good die )”;(2 )减少或不打金线;(3 )电子产品向薄和轻方向的发展。
  
         在 LED 封装工艺中, LED 都需要通过金线与外部电源相联接。 金线的不足之处如下:(1 )是良品率和可靠性降低的原因之一;( 2 )通常是将 LED 芯片封装后,再进行老化,这给封装产品带来无法确定芯片性能的不利因素,一旦封装产品的芯片不合格,这个封装产品就会不合格,在封装前对 LED 芯片进行老化非常重要;(3 )金线增加了 LED 的封装产品的厚度,阻碍产品向薄和轻方向的发展。

        (B)垂直结构 LED
  
         LED 芯片 有两种基本 结构,横向结构(Lateral )和垂直结构(Vertical )。横向结构 LED 芯片 的两个电极在 LED 芯片的同一侧,电流在 n- 和 p- 类型限制层中 横向流动 不等的距离。 垂直结构的 LED 芯片 的两个电极分别在 LED 外延层 的两侧,由于 图形化电极和全部的 p- 类型 限制层作为第二电极,使得电流几乎全部 垂直流过 LED 外延层,极少横向流动的电流 [“ 垂直结构的氮化镓基 LED”, 2006-6-1, 中国半导体照明网 ] 。

        垂直结构的 GaP 基 LED 芯片进入市场已有数年,以蓝宝石为衬底的垂直结构的 GaN 基 LED 芯片从 2005 年 11 月开始进入市场(SemiLeds )。

制造垂直结构 LED 芯片有两种基本方法: 剥离生长衬底和不剥离生长衬底 。

1. 生长在砷化镓生长衬底上的垂直结构 GaP 基 LED 芯片有两种结构:

• 不剥离导电砷化镓生长衬底 [ 中国电子科技集团第十三研究所,等 ] :在导电砷化镓生长衬底上层叠导电 DBR 反射层,生长 GaP 基 LED 外延层在导电 DBR 反射层上。 

 
                                                                               图 1
• 剥离砷化镓生长衬底 [Lumileds 、晶元等 ] :图 1 展示晶元的垂直砷化镓基 LED 及工艺流程 [2006 中国(深圳)国际半导体照明论坛 ] :层叠反射层在 GaP 基 LED 外延层上 ,键合导电支持衬底,剥离砷化镓衬底。导电支持衬底包括,砷化镓衬底,磷化镓衬底,硅衬底,金属及合金等。

2. •  生长在蓝宝石上的垂直结构氮化镓 (GaN) 基 LED 的结构如图 2[2006 中国(深圳)国际半导体照明论坛 ] :
  
       制造垂直氮化镓基 LED 工艺流程:层叠反射层在氮化镓基 LED 外延层上 ,在反射层上键合导电支持衬底,剥离蓝宝石生长衬底。导电支持衬底包括,金属及合金衬底(SemiLeds ),硅衬底等。
                            
                                                                      图 2
3. 生长在硅片上的垂直 GaN 基 LED 有两种结构[2006 中国(深圳)国际半导体照明论坛 ] :

        • 不剥离硅生长衬底: 在导电 硅生长衬底上层叠金属反射层或导电 DBR 反射层,生长氮化镓基 LED 外延层在金属反射层或导电 DBR 反射层上。 
       • 剥离硅生长衬底:层叠金属反射层在氮化镓基 LED 外延层上,在金属反射层上键合导电支持衬底,剥离硅生长衬底 ( 晶能光电 , Shimei) 。
  
       横向结构和垂直结构的 LED 都需要通过金线与外部电源相联接,横向结构的 LED 需要至少两根金线,垂直结构的 LED 需要至少一根金线,从而与外界电源相连接,每根金线本身及其两个焊点是良品率和可靠性降低的原因之一,金线所占用的空间增大了垂直磷化镓基或垂直氮化镓基 LED 的封装产品的厚度。 而且,由于金线焊盘极小(通常为 100 微米左右),很难直接对 LED 芯片进行老化。通常是在封装后,再进行老化,这给封装带来无法确定芯片性能的不利因素,一旦封装的芯片不合格,这个封装产品就会不合格,并且难以返修,增加生产成本。特别是对于具有多个 LED 芯片的应用产品,例如 LED 背光源(通常包括几百个芯片)和 RGBLED 显示装置,在封装前对 LED 芯片进行老化尤其重要,可以极大的提高良品率和降低成本。

(C )通孔倒装焊横向结构氮化镓基 LED

                                                                            图 3
  为了解决 金线产生的问题, 带有金属化的硅支持衬底的 倒装焊横向结构氮化镓基 LED 已被提出,图 3 是结构示意图 [ 第二届超高亮度发光二极管 (LED) 和半导体照明产业发展与应用论坛, 2005 年 11 月,上海 ] 。
  
图 4 是 带有防静电二极管的金属化硅支持衬底的倒装焊横向结构氮化镓基 LED 结构示意图。
                       
                                                                         图 4
  但是,上述方法有两点特点 :( 1 )都是针对横向 结构 LED ;( 2 ) 都是针对氮化镓基 LED 。
  
       因此,对于 RGB 的 LED 器件,如果只有蓝光和绿光 LED 芯片不需要打金线,而红光 LED 芯片仍需要打金线,或者,只要有一个颜色的 LED 芯片需要打金线,则整个封装产品的厚度并不会降底,也无法在封装前对全部 LED 芯片进行老化 。上面提到的问题仍然存在。

(D ) 通孔垂直结构 LED
  
        本文介绍无需打金线的通孔垂直结构 GaP 基 LED 、 通孔垂直结构 GaN 基 LE D 、 和通孔垂直结构 ZnO 基 LED 。
  
        本文介绍的无需打金线的通孔垂直结构 LED 适用于需要剥离生长衬底的 垂直结构 LED,通孔垂直结构 LED 的结构和生产工艺流程对于 GaP 基 LED 、 GaN 基 LED ( 极化和非极化) 、ZnO 基 LED 是相同的,不同之处只是剥离生长衬底的方法,因此, 下面不再区分 GaP 基 LED 、 GaN 基 LED 、 ZnO 基 LED ,一概称为通孔垂直结构 LED 。  

3 . 通孔垂直结构的 LED 的优势

通孔垂直结构的 LED 的优势如下。
• 现有的所有种类的垂直结构 LED (包括垂直结构 GaP 基 LED 、垂直结构 GaN 基 LE D 、 和垂直结构 ZnO 基 LED ,即,现有的所有颜色的垂直结构 LED :红 (R) 光 LED 、绿 (G) 光 LED 、蓝( B )光 LED 及紫外光 LED ),都可以制成通孔垂直结构的 LED ,因此通孔垂直结构的 LED 有极大的应用市场。
• 所有的制造工艺都是在晶片( wafer )水平进行的。
• 由于无需打金线与外界电源相联结,采用通孔垂直结构的 LED 芯片的封装的厚度降低。因此,可以用于制造超薄型的器件,如背光源等。
• 由于无需打金线,良品率和可靠性均提高。
• 在封装前进行老化,对老化后合格的芯片进行封装,降低生产成本。特别是对 chip-on-board (COB) 形式的 器件,可以极大的提高良品率和降低生产成本。
• 抗静电能力高,特别是 带有防静电二极管的通孔垂直结构的 LED 。
• 采用较大直径的通孔 / 金属填充塞和多个的通孔 / 金属填充塞,进一步提高金属化的支持衬底的散热效率。这一特点对大功率 LED 尤其重要。
•  对于蓝光 LED, 易于涂布荧光粉,避免产生光环。

4. 通孔垂直结构的 LED : 带有防静电二极管

(A ) 带有防静电二极管的通孔垂直结构的 LED 的一种结构。
  
        图 5 展示带有防静电二极管的通孔垂直结构的 LED 的第一个例子。
  通孔垂直结构的 LED 电流的流动方向如下:外部电源的第二极 ------ 第二电极 ------ 通孔 / 金属填充塞 2 ------ 金属层 2------ 反射 / 欧姆 / 键合层 ------ GaP 或 GaN 或 ZnO 基外延层 ------ 优化图形的电极 ------ 半通孔 / 金属填充塞 ------ 金属层 1------- 通孔 / 金属填充塞 1 ------ 第一电极 ------ 外部电源的第一极。
      
                                                                                 图5
        与图形化电极电联接的半通孔 / 金属填充塞可以多于一个,特别是对于大功率大尺寸的 LED 。
  
       与外界电源相联接的方法: 通孔垂直结构的 LED 芯片老化后,通过回流焊 (Reflow) 或共晶焊( Eutectic )将 通孔垂直结构的 LED 芯片的第一电极和第二电极与封装管座或热沉或 PCB 板等焊接在一起。外界电源通过封装管座或热沉或 PCB 板,等直接与 通孔垂直结构的 LED 芯片的第一电极和第二电极电联接。 通孔垂直结构的 LED 芯片优势如下:( 1 )回流焊或共晶焊提高 通孔垂直结构的 LED 芯片的热导率;( 2 )回流焊或共晶焊缓冲由于 LED 芯片与封装管座或热沉或 PCB 板等的热涨系数的不同带来的应力;( 3 )降低接触电阻。

(B )制造带有防静电二极管的通孔垂直结构的 LED 的 生产工艺
       
        可以采用不同的生产工艺流程制造带有防静电二极管的通孔垂直结构的 LED 。 
      
 
  图 a :准备 LED 外延片和带有防静电二极管的金属化的硅支持衬底。 LED 外延片:包括 GaP 基 LED 外延片 、 GaN 基 LED 外延片(极化和非极化) 、 ZnO 基 LED 外延片、或其他半导体器件的外延片。生长衬底 材料 : 对于 GaP 基 LED 、 GaN 基 LED 、 ZnO 基 LED 、或其他半导体器件 ,采用不同的 生长衬底,例如, GaAs 生长衬底, GaP 生长衬底,蓝宝石生长衬底,碳化硅生长衬底, ZnO 生长衬底,硅生长衬底,复合 GaN 基生长衬底,复合 ZnO 基生长衬底,等。
  
        图 b :键合 LED (或其他半导体器件)的外延片和 带有防静电二极管的金属化的硅支持衬底。 键合的方法包括导电胶、金属熔融、金属扩散,等 [LumiLeds ,晶元光电,等 ] 。 
      
  
         图 c :剥离生长衬底, 直到第一类型限制层 暴露。剥离的方法因不同的生长衬底而异。例如,剥离 GaAs 生长衬底、 GaP 生长衬底、 ZnO 生长衬底、硅生长衬底、复合 GaN 基生长衬底、复合 ZnO 基生长衬底等,可采用不同的方法。
 
  在预定的位置蚀刻半导体外延层和反射 / 欧姆 / 键合层 ,直到 金属化的硅支持衬底上的第一电极暴露,形成第一半通孔。
  
        图 d :在第一半通孔中形成保护层。 
        
 
  图 e : 蚀刻保护层直到金属化的硅支持衬底上的第一电极暴露,形成第二半通孔。
  
        图 f :在第二半通孔中形成金属塞,金属塞与硅支持衬底上的第一电极电连接。在第一类型限制层上形成图形化电极,图形化电极与金属塞电连接。

      (C )带有防静电二极管的通孔垂直结构的 LED 的其它结构

        图 6 展示带有防静电二极管的通孔垂直结构的 LED 的第二个例子。 图 6 展示的第二个例子与图 5 展示的第一个例子的不同之处在于: 半通孔 / 金属填充塞层叠在支持衬底中的通孔 / 金属填充塞 1 上,生产工艺略有不同。
         
 
  图 6 展示的 通孔垂直结构的 LED 电流的流动方向如下:外部电源的第二极 ------ 第二电极 ------ 通孔 / 金属填充塞 2 ------ 金属层 ------ 反射 / 欧姆 / 键合层 ------ GaP 或 GaN 或 ZnO 基外延层 ------ 优化图形的电极 ------ 半通孔 / 金属填充塞 ------- 通孔 / 金属填充塞 1 ------ 第一电极 ------ 外部电源的第一极。
  
        当带有防静电二极管的通孔垂直结构的 LED 与外界电源相联接时,有两种选择:( 1 )通过回流焊或共晶焊将第一电极和第二电极分别与外界电源的两极相联接,因此,无需打金线;( 2 )也可以通过在 优化图形电极 上打金线与外界电源的一极相联接,第二电极与外界电源的另一极相联接。
5. 通孔垂直结构的 LED :不 带有防静电二极管
  
       图 7 展示通孔垂直结构的 LED 的一个例子。 
      
        图 7 展示的通孔垂直结构的 LED 与 图 5-6 展示的不同之处是 金属化的 支持衬底中没有内建防静电二极管。由于没有内建防静电二极管,金属化支持衬底的材料 包括 氮化铝衬底、陶瓷衬底、硅衬底等。 LED 外延层 10 生长在生长衬底上,通过反射 / 欧姆 / 键合层 12 与 金属化支持衬底 11 键合在一起。剥离生长衬底和缓冲层(图 7 中没有画出生长衬底和缓冲层,因为生长衬底和缓冲层已剥离),对于不同的生长衬底,剥离的方法不同,第一类型限制层暴露,分别层叠电流扩散层和 优化图形的电极于其上 。

6.通孔垂直结构的 LED 芯片的封装

(A )封装前老化通孔垂直结构的 LED 芯片
  
       通孔垂直结构的 LED ,特别是大功率通孔垂直结构的 LED ,第一电极和第二电极的面积远大于常规的打线焊盘的 100 微米的尺寸,例如,对于一个 1 毫米 x 1 毫米的通孔垂直结构的 LED,其第一电极和第二电极可以分别为 1 毫米 x 0.5 毫米 和 1 毫米 x 0.45 毫米 , 因此, 很容易在封装前进行老化。

(B ) 通孔垂直结构的 LED 芯片的散热
  
       通孔垂直结构的 LED 产生的热量通过高热导率的反射 / 欧姆 / 键合层、金属层、硅支持衬底 / 通孔 / 金属填充塞、第一和第二电极传导出去,不难计算出,通孔垂直结构的 LED 芯片的热阻很小。在计算中,保护层(图 7-8 中紫色区域)为 75x75 微米,略去反射 / 欧姆 / 键合层中的银层的热阻,金属填充塞为铜并且占有硅支持衬底的 60% 的面积,总热阻见表 1 。
  
       为了比较不同结构的芯片的热阻,在下面的表 1-3 中,只考虑芯片及固晶层的热阻,没有考虑热沉、PCB、电路板的热阻。因为不同的 LED 芯片可以用相同的热沉、 PCB 、电路板。 
      

  作为比较,图 9 和表 2 给出以硅为支持衬底的垂直结构的 LED 的热阻。
        
 
              
  通孔垂直 LED 的热阻只有以硅为支持衬底的垂直结构的 LED 的热阻的 71% 。
  
       作为比较 ,图 10 和表 3 给出正装 LED/ 共晶焊的 LED 的热阻。 
      
      
 
  通孔垂直 LED 的热阻只有正装 LED/ 共晶焊 LED 的热阻的33% 。

(C ) 通孔垂直结构的 LED 芯片的封装

(1 )封装在 SMD 类型的支架中
  
         一个或多个通孔垂直结构的 LED 通过回流焊或共晶焊封装在 SMD 类型的支架中。例如,每个 SMD 类型的支架中封装一个通孔垂直结构的 LED (图 11 ),或者,红色、绿色、和蓝色的通孔垂直结构的 LED 封装在同一个 SMD 类型的支架中(图 12 ),等。
  图 11 和图 12 中的红、绿、蓝色长方形分别代表红、绿、蓝色通孔垂直结构的 LED ,白色长方形分别代表正极和负极。正极和负极之间的距离可以小到 40-50 微米。正极和负极的另一端可以在 SMD 类型的支架的侧面或底面(图中未画出)。
         
 
(2 )封装在热沉或 PCB 或电路板上(COB )
  
        (2.1) 通孔垂直结构的 LED 封装在热沉或 PCB 或电路板上
  
         图 13-14 展示通孔垂直结构的 LED 通过回流焊或共晶焊直接封装在热沉或 PCB 或电路板上。图 13 展示一个通孔垂直结构的 LED 的正、负极 ( 分别用红色和黑色表示 ) 分别与热沉或 PCB 或电路板上的正、负极 ( 分别用红色和黑色表示 ) 电联接。外界电源与电路板上的“ + ”和“ - ”极相联接。
          
        也可以是多个通孔垂直结构的 LED 直接封装在同一个热沉或 PCB 或电路板上。
  
        图 14 展示两个通孔垂直结构的 LED 串联在电路板的表面上。外界电源与电路板上的“ + ”和“ - ”极相联接。
       
 
  多个(甚至数百个或更多,取决于应用的需要)通孔垂直结构的 LED 通过回流焊或共晶焊直接封装在带有电路的板上(或热沉或 PCB 等),可以是串联、并联或串 / 并联混合。另外,电路也可以层叠在热沉或 PCB 或电路板的内部或背面。
  
       (2.2) 通孔垂直结构的 LED 封装在热沉或 PCB 或电路板的凹槽中。
  
           图 15-17 展示多个通孔垂直结构的 LED 封装在热沉或 PCB 或电路板的凹槽中。凹槽可以有不同的形状(例如圆形和方形)和深度。电路板的厚度取决于应用(例如,小至数百微米,大至数毫米)。电路板的材料可以是金属 / 合金、 PC B 、硅片、陶瓷片及其组合等。

 

 
    (2.3) 通孔垂直结构的 RGBLED 封装在热沉或 PCB 或电路板上的凹槽中。 
  
          图 18-20 展示多个 通孔垂直结构的 RGBLED 封装在热沉或 PCB 或电路板上的凹槽中。图 18 中,红、绿、蓝色长方形分别代表红、绿、蓝色 通孔垂直结构的 LED ,带有“ + ”和“ - ”的白色长方形分别代表正极和负极。红、绿、蓝色通孔垂直结构的 LED 层叠在一个凹槽中,每种颜色的 LED 是分别控制的。电极电路即可以层叠在电路板的背面,也可以层叠在电路板的表面或内部(图 18 中未显示)。
          
              
          图 19 中,红、绿、蓝色 LED 是共阳极控制的(也可以是共阴极控制)。白色长方形分别代表正极和负极。电极电路层叠在电路板的内部或背面。
  
         图 20 展示每个通孔垂直结构的 LED 封装在一个凹槽中,电路板上的多个 LED 通过串 / 并联,形成 RGB 显示的另一个例子。
         
 
  红、绿、蓝色长方形分别代表红、绿、蓝色 LED 。每个凹槽中层叠一个通孔垂直结构的 LED 。白色长方形分别代表正极和负极。电极电路层叠在电路板的内部或背面。

 

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