硅衬底灯饰LED芯片主要制造工艺解析(2)

1.3关键技术及创新性

用Si作GaN发光二极管衬底，虽然使LED的制造成本大大降低，也解决了专利垄断问题，然而与蓝宝石和SiC相比，在Si衬底上生长GaN更为困难，因为这两者之间的热失配和晶格失配更大，Si与GaN的热膨胀系数差别也将导致GaN膜出现龟裂，晶格常数差会在GaN外延层中造成高的位错密度;另外Si衬底LED还可能因为Si与GaN之间有0.5V的异质势垒而使开启电压升高以及晶体完整性差造成p型掺杂效率低，导致串联电阻增大，还有Si吸收可见光会降低LED的外量子效率。因此，针对上述问题，深入研究和采用了发光层位错密度控制技术、化学剥离衬底转移技术、高可靠性高反光特性的p型GaN欧姆电极制备技术及键合技术、高出光效率的外延材料表面粗化技术、衬底图形化技术、优化的垂直结构芯片设计技术，在大量的试验和探索中，解决了许多技术难题，最终成功制备出尺寸1mm×1mm，350mA下光输出功率大于380mW、发光波长451nm、工作电压3.2V的蓝色发光芯片，完成课题规定的指标。采用的关键技术及技术创新性有以下几个方面。

(1)采用多种在线控制技术，降低了外延材料中的刃位错和螺位错，改善了Si与GaN两者之间的热失配和晶格失配，解决了GaN单晶膜的龟裂问题，获得了厚度大于4μm的无裂纹GaN外延膜。

(2)通过引入AIN，AlGaN多层缓冲层，大大缓解了Si衬底上外延GaN材料的应力，提高了晶体质量，从而提高了发光效率。

(3)通过优化设计n-GaN层中Si浓度结构及量子阱/垒之间的界面生长条件，减小了芯片的反向漏电流并提高了芯片的抗静电性能。

(4)通过调节p型层镁浓度结构，降低了器件的工作电压;通过优化p型GaN的厚度，改善了芯片的取光效率。

(5)通过优化外延层结构及掺杂分布，减小串联电阻，降低工作电压，减少热产生率，提升了LED的工作效率并改善器件的可靠性。

(6)采用多层金属结构，同时兼顾欧姆接触、反光特性、粘接特性和可靠性，优化焊接技术，解决了银反射镜与p-GaN粘附不牢且接触电阻大的问题。

(7)优选了多种焊接金属，优化焊接条件，成功获得了GaN薄膜和导电Si基板之间的牢固结合，解决了该过程中产生的裂纹问题。

(8)通过湿法和干法相结合的表面粗化，减少了内部全反射和波导效应引起的光损失，提高LED的外量子效率，使器件获得了较高的出光效率。

(9)解决了GaN表面粗化深度不够且粗化不均匀的问题，解决了粗化表面清洗不干净的难题并优化了N电极的金属结构，在粗化的N极性n-GaN表面获得了低阻且稳定的欧姆接触。

2、Si衬底LED封装技术

2.1技术路线

采用蓝光LED激发YAG/硅酸盐/氮氧化物多基色体系荧光粉，发射黄、绿、红光，合成白光的技术路线。

工艺流程：在金属支架/陶瓷支架上装配蓝光LED芯片(导电胶粘结工艺)→键合(金丝球焊工艺)→荧光胶涂覆(自动化图形点胶/自动喷射工艺)→Si胶封装(模具灌胶工艺)→切筋→测试→包装。

2.2主要封装工艺

Si衬底的功率型GaN基LED封装采用仿流明的支架封装形式，其外形有朗柏型、矩形和双翼型。其制作过程为：使用导热系数较高的194合金金属支架，先将LED芯片粘接在金属支架的反光杯底部，再通过键合工艺将金属引线连接LED芯片与金属支架电极，完成电气连接，最后用有机封装材料(如Si胶)覆盖芯片和电极引线，形成封装保护和光学通道。这种封装对于取光效率、散热性能、加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点包括：热阻低(小于10℃/W)，可靠性高，封装内部填充稳定的柔性胶凝体，在-40～120℃范围，不会因温度骤变产生的内应力，使金丝与支架断开，并防止有机封装材料变黄，引线框架也不会因氧化而沾污;优化的封装结构设计使光学效率、外量子效率性能优异。

2.3关键技术及创新性

功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，现有的Si衬底的功率型GaN基LED芯片设计采用了垂直结构来提高芯片的取光效率，改善了芯片的热特性，同时通过增大芯片面积，加大工作电流来提高器件的光电转换效率，从而获得较高的光通量，也因此给功率型LED的封装设计、制造技术带来新的课题。功率LED封装重点是采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题。为达到封装技术要求，在大量的试验和探索中，分析解决相关技术问题，采用的关键技术和创新性有以下几点。

(1)通过设计新型陶瓷封装结构，减少了全反射，使器件获得高取光效率和合适的光学空间分布。

(2)采用电热隔离封装结构和优化的热沉设计，以适合薄膜芯片的封装要求。

(3)采用高导热系数的金属支架，选用导热导电胶粘结芯片，获得低热阻的良好散热通道，使产品光衰≤5%(1000h)。

(4)采用高效、高精度的荧光胶配比及喷涂工艺，保证了产品光色参数可控和一致性。

(5)多层复合封装，降低了封装应力，实施SSB键合工艺和多段固化制程，提高了产品的可靠性。

(6)装配保护二极管，使产品ESD静电防护提高到8000V。 (责任编辑：admin)