3、封装技术

封装技术路线主要有如下图所示的正装结构、垂直结构和倒装结构三种:

①正装结构封装 主要是蓝宝石衬底的LED封装,属于最早期、最成熟的封装技术。但是,因为蓝宝石是热和电的不良导体,通常只在外延层的上表面制作N型和P型两个电极,造成了出光面的有效出光面积减少,同时需增加光刻和刻蚀工序,使材料利用率降低,成本增加。由于P型GaN掺杂困难,普遍采用在P型GaN上制备金属透明电极来扩散电流,以达到均匀发光。但是透明电极一般要吸收约30%~40%的出射光。蓝宝石的导热性能不好并且制作器件时需在底部使用银胶固晶,这种银胶的传热性能也很差。商业化的LED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,随着功率不断提高,光衰较大和光淬灭等失效问题相继涌现,因此,正装封装结构不适合大功率LED器件。

②倒装结构封装 LED是温度的敏感器件,芯片温度越高越不利。为改进蓝宝石衬底的LED正装封装的上述缺点,可采用倒装封装。首先,倒装芯片的蓝宝石衬底作为出光面,没有电极和电流扩上层遮挡出射光和吸收光,还可方便地在导热层进行反射处理,无需正装结构时在外延层附加反射工艺,这些在总体理论上可使外量子效率提高30%左右;其次,外延层以及其上表面的两个电极倒装直接接触散热材料,热传输距离短,散热面积大,更利于热传导,大大提高芯片的散热能力,降低了PN结温,从而降低了载流子的非辐射复合几率,提高了辐射复合几率,从而使内量子效率、发光效率提高,同时也在寿命过程中降低了光效衰退速度而延长有效寿命,而且散热能力增强使得产品大电流冲击的稳定性提高,也使蓝宝石衬底的LED器件的功率上限可以提高;再次,倒装结构可采用无金线封装,解决了因金线虚焊或接触不良引起的不亮、闪烁等问题,提高产品寿命;倒装安装使用过程更加快捷方便,避免安装造成的品质问题或隐患等。倒装结构虽然有这么多优点,但是增加了固晶在精度方面的要求,不利于提高良品率。

③垂直结构封装 对于散热好及导电性好的衬底材料例如碳化硅衬底或硅衬底,原理上来说,可以采用正装或倒装结构,但这样就白白浪费了本身其导热性和导电性良好的优势。因此,这些材料的衬底都采用了垂直结构封装,即两个电极分布在外延层的上表面和衬底的底部,电流呈纵向流动,流动中自然扩散到整个芯片,同时所产生的热量通过底部电极直接导走,使PN结温度低,从而降低了载流子的非辐射复合几率,提高了辐射复合几率,使内量子效率、发光效率提高,同时也在寿命过程中降低了光效衰退速度而延长有效寿命,而且衬底的导热性和导电性好,使得产品受大电流冲击的稳定性提高,有利于大功率LED器件制作;由于出光面不需要电流扩散层,因此,光不会被电流扩散层的材料所部分吸收,又提高了出光效率,外量子效率高。但垂直结构的缺点是出光面需采用一条金线封装,会遮挡部分光和减小发光面积,并且有一定的金线虚焊或接触不良引起的不亮、闪烁等问题,还有外延层需依靠衬底导热散热,这两点在原论上要比倒装(无金线和外延层直接紧贴热沉的方式)结构差一些。因此,倒装与垂直结构各有优势,但无论如何,垂直结构比正装结构有较大优势。

作者简介

李自力,教授级高级工程师,广东省市场监管局缺陷产品管理中心主持日常工作副主任(广东质检院电器部副部长)。2018年获《中国标准创新贡献三等奖》,牵头制定了11项照明国家标准,作为国际IEC智能照明标准专家组成员参与国际IEC标准制定,参加国家重点研发计划和“863”科研项目评审,并参与全国CCC照明指定实验室核查。