（机械电子工程专业论文）热超声倒装照明led热分析.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 l e d 固态照明具有广泛的应用前景，同时也存在发展的瓶颈，一 是发光效率还不高，二是随着功率的增加发热量大，影响发光效率及 寿命。倒装芯片的应用对出光效率的提高特别是散热处理达到了较好 的效果。针对l e d 固态照明的所面临的瓶颈一散热性能差，分别进 行了键合界面微观结构测试及热分析建模、凸点与胶层及键合界面的 散热性能分析，内容如下： 1 、利用扫描电镜及高精度透射电镜对其微观现象进行了实验研 究，发现在键合界面中a u a g 原子扩散层厚约2 0 0 n m ，形成了a u a g 无 限固溶体；a u a 1 原子扩散层厚约5 0 0 n m ，形成了一种金属间化合物 ( a u 4 a i ) 。超声振动产生的加速度为重力加速度的几万倍，其强烈的 机械效应在金属晶格间产生大量位错，这说明超声能改变了晶格结 构，原子扩散得以顺利进行，最终形成键合界面。 2 、基于传热理论，建立了照明l e d 有限元热传导方程组及热分析 模型。 3 、建立了照明l e d 仿真模型利用有限元软件针对键合界面物性及 厚度的变化研究了键合界面对l e d 器件散热性的影响，结果显示有一 定影响。 4 、分别对倒装l e d 芯片凸点的排布、数量、凸点缺陷对照明l e d 散热性的影响进行了研究。发现凸点的排布的优化能获得良好的散热 性能；凸点数量增加散热更好，但随着数量的增加对降温效果的影响 显著下降，由于各种限制因素特别是成本因素的存在，因此凸点数存 在一个最优值；凸点缺陷的研究表明其对器件热输出的影响非常大， 尤其边角部位出现缺陷时。 5 、在l e d 封装材料中粘接胶的热传导性能最差，本文分别针对其 热传导率的变化及热传导率一定的情况下胶层厚度的变化对器件热 输出的影响，结果显示他们之间有关系基本成线性关系。 关键词：l e d 照明，倒装，热分析，有限元，键合界面 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t l e ds o l i ds t a t el i g h t i n g ( s s l ) h a sag o o dp r o s p e c t s ，b u tt h e r ea r e s o m eb o t t l e n e c k s ，t h eo n ei st h a te f f i c i e n c yo fl i g h te m i t t i n gi sn o t e n o u g hf o rg e n e r a ll i g h t i n g ，t h eo t h e ri st o om u c hh e a tg e n e r a t e db y h i g h e rp o w e rw h i c he f f e c tt h ee f f i c i e n c ya n dl i f eo fl e d f i i p c h i p s a p p l y i n gi sg o o df o ri m p r o v e m e n to fe f f i c i e n c yo fl i g h te m i t t i n go f l e d a n de s p e c i a l l yf o rt h e r m a l m a n a g e m e n t h e r ea i m i n g a tt h e r m a l m a n a g e m e n tt e c h n i q u e ，t h em i c r os t r u c t u r eo fb o n d i n gi n t e r f a c ew a s t e s t e d , a n dh e a tf i e l do fd o w n w a r dp a c k a g ew a ss i m u l a t e db yf e m , o n w h i c ht h ee f f e c to fb o n d i n gi n t e r f a c e ，q u a n t i t yo fb u m p sa n di t sl a y o u t h a sb e e ns t u d i e df o rb e t t e rs o l u t i o no nc h i pt h e r m a lm a n a g e m e n t 1 b yu s i n gs e m a n dt e mt h em i c r o s c a l ep h e n o m e n a lw a ss t u d i e d , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i c k n e s so fa u a ga t o m i cd i f f u s i o ni n t e r f a c ew a s a b o u t2 0 0 r i m , a n di n t e r f a c ei sm a d eo fa nu n l i m i t e ds o l i ds o l u t i o no f a u a g ；t h i c k n e s s o fa u a li n t e r f a c ew a sa b o u t5 0 0 n m ，a n da n i n t e r - m e t a l l i cc o m p o u n d ( e g a u 4 a i ) w a sf o r m e d u l t r a s o n i cv i b r a t i o n o c c u r sh i g ha c c e l e r a t i o nw h i c hi sa b o u ts e v e r a lt e nt h o u s a n d st i m e sa s a c c e l e r a t i o no fg r a v i t y s t r o n gm e c h a n i c a le f f e c ta c t i v a t e sd i s l o c a t i o n sa t m e t a lc r y s t a ll a t t i c ed u r i n gb o n d i n gp r o c e s s ，w h i c hf o r m e dt h es o l d e ra n d i n c r e a s e da t o m i cd i f f u s i o n 2 l e dl i g h t i n gt h e r m a la n a l y z i n gn e e dh e a tt r a n s f e rt h e o r ya n d f i n i t ee l e m e n tm e t h o d b a s et h et h e o r ya n dm e t h o dt h et h e o r e t i c sm o d e l w a sc o n d u c t e d 3 t h es t i m u l a t i n gm o d e lo fl e dl i g h tw a ss e tu p 1 1 硷p h y s i c s p r o p e r t i e sw i l lc h a n g ea f t e rt h e r m o s o n i cb o n d i n g ，o f w h i c ht h ee f f e c tw a s s t u d i e dt ot h et h e r m a lm a n a g e m e n to f l e d 4 t h ee f f e c to f t h el a y o u t ，t h en u m b e ra n dd e f e c to f b u m p so f l e d f l i p c h i pt ot h e r m a lm a n a g e m e n to fl e dl i g h tw a sa n a l y z e db yu s i n g f e ms i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tb e t t e re f f e c to ft h e r m a l m a n a g e m e n t c a ng e ta f t e ro p t i m i z i n gl a y o u to f b u m p s ，a n da l s os h o wt h a t t h em o r eb u m pn u m b e ru s e dt h eb e t t e rt h e r m a lm a n a g e m e n tc a l lg e t , b u t 中南大学硕士学位论文 t h e r ei sab e s to p t i m a ln u m b e ra st h e r ea r es o l n eo t h e rl i m i t i n gf a c t o r s s u c ha ss t r u c t u r ea n dc o s t t h es t u d ys h o w st h a tb u m p sd e f e c tw i l l b a d l ya f f e c tt h e r m a lm a n a g e m e n to fl e dl i g h t , e s p e c i a l l ye f f e c to ft h e b u m p s d e f e c ta tc o m e r 5 t h et h e r m a lc o n d u c t i b i l i t yo fg l u eu s e di nl e d p a c k a g i n gi st h e l o w e s t ；t h i sp a p e rr e s p e c t i v e l ys t u d i e dt h e e f f e c to fc o n d u c t i b i l i t y c h a n g i n ga n dg l u et h i c k n e s sc h a n g i n gt ot h e r m a lm a n a g e m e n to fl e d l i g h t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e l a t i o n sb e t w e e n t h e ma r eb a s i c a l l yl i n e a r k e yw o r d s ：l e ds o l i ds t a t el i g h t i n g ( s s l ) ，f l i p c h i p ，t h e r m a l a n a l y s i s ，f e m , b o n d i n gi n t e r f a c e 1 i i 原创性声明 本人声明，所成交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名；醚日期；銎塑u 月三二日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：醯导师签名：芝丛型羔日期：盟年l 月 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着新一代半导体材料氮化镓的突破，高亮度蓝、绿色发光二极管尤其是白 色发光二极管( l e d ) 的问世，半导体技术的发展继引发微电子革命后又在孕育一 场新的产业革命一照明革命。白色l e d 光源有望成为继白炽灯、荧光灯和 高强度气体放电灯之后的第四代光源。深入认识l e d 固态照明在照明领域中的 应用并研究解决其在应用中所遭遇的瓶颈是我们面临的新课题。 1 1l e d 发展与前景 l e d 从其名称就可知是一种二极管，其用途是发光。详细说来l e d 是利用 化合物材料制成p n 结的光电器件。 在市场需求与技术进步的推动之下，l e d 技术的提升越来越快应用也越来越 广。第一批产品出现于1 9 6 8 年，m o n s a n t o 公司将其作为指示灯泡，h e w l e t t - p a c k a r d 公司则首次用于电子显示设备。早期所用的材料c r a a s p 只能发红光( p = 6 5 0 m ) ， 在驱动电流2 0 m a 时，光通量只有千分之几流明，发光效率只有o 1 l m w ，只能做 指示灯。2 0 世纪7 0 年代技术进步很快，材料研究不断深入，引入了h 和p ，使 颜色扩大到绿色( p = 5 5 0 r i m ) 、黄色( p = 5 9 0 r i m ) 和橙色( p = 6 1 0 n m ) ，发光 效率达到l l m w 。8 0 年代g a a i a s 的l e d 的红、黄光效率提高到1 0 1 m w 。 2 0 世纪9 0 年代初期，惠普公司光电部、l u m i l e d sl i g h t i n g 公司和松下公司 就已经掌握了如何用金属有机化学汽相沉积法在g a a s 衬底上外延生长a i i n g a p 的工艺。合金有序化、受主原子的氢钝化、g 4 ，结排列，以及把氧掺入含铝器件 层中都是相当复杂的，这些问题耗费了近l o 年的时间才得以解决。最终实现了 内量子效率接近1 0 0 的a i i n g a p 发光二极管，a i i n g a p 材料在可见光谱区产生 红光和橙光。几乎每个注入到器件中的电子空穴对都产生一个光子，因此如何 使在半导体发光二极管内形成的光子到达二极管外就成了一种挑战。首先是如 何防止光被窄带隙( o 8 7 n m ) g a a s 衬底吸收。研究中最成功的还是通过蚀刻法强 力除去g a a s 衬底，采用芯片接合法取代g a p 的技术。采用该技术研制的发光 器件的发光效率为2 5 1 m w ，几乎是带红色滤光的灯泡发光效率的1 0 倍。每支 发光二极管的光通量为几个l m ，由它们组成的发光二极管阵列首先被制成了汽 车上的停车灯、红色交通信号灯以及单色室外信号标志。然而光通量为3l m 的 发光二极管的应用仍很有限【1 - 4 。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 继a i i n g a p 的发展后，9 0 年代后期n i c h i a 化学公司( 日本德岛) 和名古 屋大学( 日本名古屋市) 的研究人员掌握了使用金属有机化学汽相沉积技术在 蓝宝石衬底上外延生长a l i n o a n 的复杂工艺。a l i n o a n 材料的带隙比a l i n o a p 的宽，可以覆盖高能量的蓝光和绿光波段。合金有序化、受主原子的氢钝化、 ( 3 4 ，结排列，以及把氧掺入含铝器件层再次成为相当复杂的问题。a i l n g a n 材料 系并不像a l i n o a p 材料系那样为人们所熟悉。a l i n c r a n 绿光元件在标准的工作 电流下内量子效率停留在4 0 - 5 0 ，而蓝光器件的内量子效率为6 0 - 8 0 。通 过利用透明的蓝宝石衬底，以及人眼对绿光比对蓝光或红光更敏感的特点，人 们已经制造出几个流明的绿光l e d 。这种l e d 和红光a i i n g a p 发光二极管、近 流明级的蓝光l e d 组合起来，就可完全由固体光源制作大型全色信号标志。蓝 光a l i n c r a n 发光二极管产生的光子和荧光粉的发光将一部分蓝光光子转变为其 互补色黄色。人眼看到这种蓝光和黄光的混合是一种不鲜明的白色。 表1 1 列出了l e d 的发展情况。 表1 1 时间颜色 光效0 m w ) 1 9 6 8 生 红色 o 1 1 2 0 世纪7 0 年代绿色 l 2 0 世纪8 0 年代红色、黄色 1 0 2 0 世纪9 0 年代绿、蓝色 2 0 全色 1 0 2 0 0 0 焦橙、红色l o o 绿色 5 0 最近几年以来，随着技术的发展大功率l e d 开始走上市场，从而广大业者 开始瞄上l e d 照明。l u m i l e c l sl i g h t i l l g 公司在p h i l i p sl i g h t i n g ( 新泽西州s o m e r s e t 公司的技术指导下生产了一系列大功率l e d ，显示了照明业的潜力。在1 2 w 输 入功率下，l u m i l e d s 公司生产的l u x e o n 型器件工作的功率电平比传统的5 m m 指示灯l e d 高2 0 倍，发光效率高出5 0 ，寿命可达几万小时。目前市场上出 售的器件不仅有红光和橙光a l i n g a pl e d ，而且还有绿光、蓝光和白光a n n g a n l e d 。随着技术的发展及市场需求的推动，l e d 封装技术也由传统的t 1 结构 到反射式及发展至近来的芯片倒装( f l i pc h i p ) ，大大改善了芯片封装的稳定性、 出光效率及l e d 散热性( 见图1 1 ) 。封装的热敏电阻由指示灯l e d 的3 0 0 f l w 降到1 5 d w 以下。热敏电阻的降低使工程技术人员将2 0 倍能量泵浦到器件中， 获得输出为5 5l n l 红光、3 0l n l 绿光、1 0l l n 蓝光或荧光粉转换蓝光器件用的2 5l t n 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 的白光。下一代产品将是给出i1 0l m 白光的5 w 封装的单管，这种光输出和1 5 w 白炽灯的光输出相当，而封装体积仅相当于白炽灯的1 ，功耗仅为1 3 。1 2 个 l l ol m 的器件足以制成一只汽车用的前灯。这种前灯并非传统的6 v 汽车前灯， 而是冷光蓝色高强度等效放电的超亮度前灯。每只单色绿光5 wl e d 的光通量 超过1 3 0l m 。两只这样的光源即可以替代传统的8 i n - 1 2 i n1 5 0 w 交通信号灯，可 节约9 0 的能源。由红光、绿光、蓝光组合的这些光源的发光效率可与液晶显 示屏电视机和监视器的背照明应用的冷阴极荧光灯相比，而且具有体积小和窄 谱带光色的特点。随着发光二极管技术的持续发展，特别是大功率白光l e d 的 发展，l e d 固体照明无疑将应用于更广泛的领域，并将继续对传统的照明光源 提出挑战。 图1 - i 倒装l e d ( f l i pc h i p ) 与正装l e d ( f a c eu p ) 对比图 美国能源部曾经预测，到2 0 1 0 年，美国将有5 5 的白炽灯和荧光灯被半导 体灯所替代，每年节约电费可达3 5 0 亿美元，半导体灯将形成5 0 0 亿美元的大 产业。正因为l e d 技术发展的潜力及优良的特点( 见1 3l e d 的特点) ，面对 半导体照明市场的良好前景和巨大诱惑，很多国家及公司企业对发展l e d 照明 的热情空前高涨并相继制定l e d 照明发展规划。可以说全球打响了半导体照明 产业的争夺战。 近年来，美国、日本、欧盟、韩国等相继推出国家半导体照明计划，以加 大研究开发力度。比如日本投资5 0 亿日元推行“2 1 世纪光计划”，提出2 0 0 6 年就要用半导体灯大规模替代传统白炽灯：美国能源部设立了由1 3 个国家重点 实验室、公司和大学参加的“半导体照明国家研究项目”，计划用1 0 年时间， 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 耗资5 亿美元开发半导体照明；欧盟则委托6 个大公司和两所大学，于2 0 0 0 年 7 月启动了“彩虹计划”；我国台湾也在组织实施相关计划，设立了由1 6 个生 产科研和大学参加的“2 1 世纪照明光源开发计划”。 与此同时，世界三大照明工业巨头通用电气、飞利浦、奥斯拉姆集团都已 经启动大规模商用开发计划，纷纷与半导体公司合作或进行并购，成立半导体 照明企业，并提出要在2 0 1 0 年前，使半导体灯发光效率再提高8 倍，价格降低 1 0 0 倍。 l e d 照明技术的发展在节约能源方面数字是非常惊人的( 见l e d 特点) 。 预计2 0 1 0 年我国发电量将达到2 7 万亿度，照明用电量约3 0 0 0 亿度；如果2 0 1 0 年半导体照明进入三分之一的照明市场，可节电3 0 ，即年节电1 0 0 0 亿度，这 就至少相当于一个三峡工程的发电量。 节能、环保将是未来社会工业发展的主流，发展半导体照明不仅有利于解 决能源危机和环保问题，带动传统产业，而且将会大大改善人们的生活质量。 鉴于我国能源储量并不高，而随着我国经济的高速发展，对能源的需求越 来越大，能源缺口日益增大，我国能源危机日益凸显，而能源在任何一个国家 中都处于战略地位，能源危机将对国家的安全形成严重的威胁，因此凡能节约 能源的任何技术进步对我国来说意义都非常重大。 因此我国也己于2 0 0 3 年6 月正式实施了国家半导体照明工程。 1 2l e d 发光原理、特性与结构 1 、l 印发光原理 发光二极管的核心部分是由p 型半导体和i t _ 型半导体组成的晶片，在p 型 半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为p - n 结。在某些半导体材料的p n 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会放出与电子和空穴的能量差相 对应的能量h “h 为普朗克常数。1 r 为频率) 而发出光，该能量差相当于半导体材 料的带隙能量eg ( ev ) ，其与发光波长m n m ) 的关系为a , = 1 2 4 0eg ( 见图 1 - 2 ) 。从而把电能直接转换为光能。p n 结加反向电压，少数载流子难以注入， 故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 l e d 。当它处于正向工作状态时( 即两端加上正向电压) ，电流从l e d 阳极 流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电 流有关。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 半导体材料能带隙图 2 、l e d 的热学特性 l e d 的光学参数与p n 结结温有很大的关系。一般工作在小电流i f 1 0 m a ， 或者1 0 - , , 2 0m a 长时间连续点亮l e d 温升不明显。若环境温度较高，l e d 的主 波长或砷就会向长波长漂移，b o 也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对 l e d 的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。 l e d 的主波长随温度关系可表示为x p ( t ) - - x 0 ( t o ) + a t g x 0 1 n m 由式可知，每当结温升高1 0 ( 2 ，则波长向长波漂移l n m ，且发光的均匀性、 一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位 面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、 确保l e d 长期工作。 3 、l e d 的结构 ( 1 ) 传统结构t 1 ( 图l - 6 ) 最先研发成功投放市场的封装结构，品种数量繁多，技术成熟度较高，封 装内结构与反射层仍在不断改进。 ( 2 ) 倒装结构( 图1 7 ) 随着功率型超高亮度l e d 发展，提高出光效率与改善散热能力的需要越来 越突出，而正结构的引线是从上面引出，阻挡了光线输出，同时有源层在上面 也热沉距离远而中间隔着热导率较低的蓝宝石，导致散热性能差，因些研究人 员研究出了此结构。 ( 3 ) 表面贴装封装( s m d ) 结构 与一般s m d 元件相同。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图l _ 6 传统结构t l 图l - 7 倒装结构 1 3 照明l e d 的特点、产业现状 1 、照明l e d 的特点 与传统的照明光源相比较，l e d 照明光源有以下显著的优点： ( 1 ) 效率高：按一般光效定义的l e d 的发光效率并不算高，但由于l e d 的 光谱几乎全部集中于可见光区域，效率可达到8 0 9 0 ，而自炽灯的可见光转 换效率仅为l o 2 0 。 ( 2 ) 能耗小：单体l e d 的功率一般在0 0 5 1 0 w 。 ( 3 ) 光色纯，光线质量高：单一颜色l e d 的光谱狭窄，谱线单一集中在可见光 波段。 ( 4 ) 寿命长：单体l e d 在1 0 m a 电流时，典型的正向偏压为2 v 。通常需串联 限流电阻或用电流源。它的寿命可超过1 0 0 0 0 0 h 。 ( 5 ) 可靠、耐用：没有传统灯泡的钨丝、玻壳等易损部件，维护费用低廉。 ( 6 ) 安全：单体工作电压为l1 5 5 v ，工作电流为2 0 7 0 m a 。 ( 7 ) 响应快：响应时间为纳秒级，白炽灯的响应时间为毫秒级。 ( 8 ) 无污染、全固态：其废弃物不像荧光灯含汞。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 9 ) 应用灵活：体积小，便于造型，可做成点、线、面等各种形式。 ( 1 0 ) 控制灵活：通过控制电路很容易调控亮度，实现多样的动态变化效果。 2 、照明l 印应用 ( 1 ) 特殊工作照明和军事运用：由于l e d 光源具有抗震性、耐候性、密 封性好，以及热辐射低，体积小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外 作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中。 ( 2 ) 交通信号灯：因为彩色l e d 不需要现在套在白炽灯外的红黄绿灯罩， 因此出光率比传统交通灯更高且节能。航标灯采用l e d 作光源已有多年。道路 交通信号灯在近几年来取得了长足的进步，技术发展较快，应用发展迅猛。 ( 3 ) 显示屏：应用于各种大型的广告或告示牌，应用已成规模，可望有较 稳定的增长。 ( 4 ) 车用灯：因u d 具优良的性能特点，包含汽车内部的仪表板、音响 指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯，头灯等均在逐 步采用l e d 显示。 ( 5 ) 灯饰：正在逐步推广中，预计会单独形成一种产业 ( 6 ) 背光源：主要是液晶l c d 显示器上用的背光，包括笔记本，各种显 示仪表，尤其是手机，已有许多产品进入生产、应用阶段。 ( 7 ) 通用照明：未来发展方向与研究重点。 3 、照明l e o 产业现状 国际l e d 行业领先公司有德国0 s r a m 光电子公司、美国c r e e 公司、美国 l u m i l e d s 公司、日本日亚公司n i c h i a 等，技术力量非常雄厚。 目前，在我国有已经批准的上海、大连、南昌、厦门以及深圳等几个产业 化基地。2 0 0 5 年6 月，深圳“国家半导体照明工程产业化基地”在宝安区光明高 新技术园区奠基挂牌。2 0 0 4 年通过科技部产业化基地批准的南昌市，计划以“一 区”( 南昌国家高新技术产业开发区) 、“一校( 南昌大学) 为基本框架，集中 力量新建两个国家级工程技术研究中心。最早被科技部批准成为产业化基地的 厦门市将光电产业作为新型产业给予政策和资金等方面的倾斜支持。另外，中 国台湾作为全球第二大l e d 产业基地，而厦门正是台湾企业产业转移的最佳目 的地之一。目前在厦门大型光电企业中，有三分之一来自台湾，落户厦门火炬 高新区的大型l e d 企业中就有自台湾明达、趋动等。粗略计算5 大产业基地的 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 目标，到2 0 1 0 年，整个中国l e d 产业将超过1 5 0 0 亿元的规模。 1 4 照明l e d 需解决的问题及研究现状 1 、需解决的问题 l e d 照明发展应用过程中出现了一些无法回避的问题，主要集中在以下几 方面： ( 1 ) 、出光效率不高。一般来说，高质量l e d 的内量子效率可以达到9 9 以上，而它的外量子效率却非常有限。这是由于c e x ( 光子逃逸率) 非常低的 缘故。目前，高亮度l e d 的外量子效率水平为：双异质结l e d 不到1 0 ，多量 子阱l e d 为1 0 3 5 。造成这种情况的原因是多方面的，包括晶格缺陷对光的 吸收、衬底对光的吸收以及光在出射过程中，由于全反射造成的损失等。这就 要求提高l e d 的量子效率。 ( 2 ) 、单个l e d 功率小。芯片光能输出只占输入能量的1 5 ，而其8 5 都 转化为热能，使得芯片热流密度达1 0 6 w m 2 。如果没有良的散热条件，芯片温度 将非常高，从l e d 的热特性可知这将严重影响l e d 的正常使用。因此目前照明 l e d 由于受到芯片散热条件的限制，因而其尺寸受到限制，进而限制了发光功 率提高。在一定照度要求的情况下，需要采用l e d 的数量就越多，其成本也就 越高，这也是制约l e d 向照明市场发展的关键。 因此发光效率特别是光提取效率低和散热能力差是大功率l e d 面临的主要 技术瓶颈。怎么提高每瓦流明，怎么改善散热，从而降低成本，保证高的输出 效率及长的使用寿命成了各大相关研究机构重点研究突破的方向。 2 、研究现状 l u m i l e d s 公司采用倒装结构( f l i p c h i p ) 代替传统的t - 1 结构。传统的正装 结构l e d 二极管p 电极上键合焊点和引线对光线的遮挡影响光提取效率，大约 3 0 n 的光被p 电极吸收。传统结构封装时上面通常涂敷一层环氧树脂，环氧树 脂导热能力差，而且下面衬底( 蓝宝石) 也是热的不良导体，前后两方面都造 成散热的难题，影响器件的性能参数和可靠性。而采用倒装结构，光由透明的 蓝宝石衬底发出。避免了电极对光线的吸收；散热方面，有源面更接近于散热 体，将l e d 芯片通过凸点倒装连接到硅基上，以硅作为芯片与散热片的过渡导 热体，实现低热阻，同时减小了热应力对器件可靠性的影响。倒装结构有效地 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 解决了p 电极对光的吸收和散热问题，使大电流、大功率的l e d 成为可能。较 之传统的正装结构，倒装结构可将l e d 的光效提高7 0 。虽然如此，但要达到 l e d 通用照明的目的，目前的功率水平显然远远不够。提升单盏灯的功率水平 有两条途径，一是增加l e d 数，二是增加单个l e d 的功率。l e d 数直接影响 到灯的价格成本并增加结构尺寸及复杂程度，因此并非好的出路。那么增加单 个l e d 的功率就成了目前最有效的解决途径。但随着功率的增加，所产生的热 也随之显著增加，这些增加的热如何处理又成了一个现实而迫切的问题。据美 国能源部l e d 照明发展指导计划报告【5 】，提升单个l e d 功率在热方面的突破 有两种途径，一是在材料耐热性能方面着手提升相关热敏感材料的工作温度； 二是在散热技术方面进行突破，这两种方法到底孰胜孰劣目前还不清楚，也许 两方面都提升才是最好的解决方案。 大功率l e d 封装的散热闯题，国际上已有一些相关研究，m a 瞅等于 2 0 0 1 年论述了关于大功率l e d 器件级和系统级封装过程中的热问题，着重比较 了采用不同芯片材料以及键合技术对l e d 散热性能的影响【6 】；在2 0 0 4 年通过 有限元分析和实验得到关于l e d 芯片级封装过程中的一些关键性热问题【7 ， 8 】。 作者针对散热技术问题而就发光二极管倒装后进行热分析，探寻封装形式 与构造包括凸点排布及数量、粘接层材料及厚薄等的变化对芯片热场分布产生 的影响，并对电路与热路必经的键合界面的微观结构进行了实验观察分析，为 芯片散热问题提供解决方向。 1 5 课题来源及论文内容安排 本课题来源于国家自然科学基金项目“半导体照明发光二极管的热超声倒 装键合机理与散热性能分析”( 项目编号t5 0 5 7 5 2 2 9 ) 。 本论文的内容安排如下： 第一章：绪论，概述了l e d 的原理、特点、现状、应用和发展等，讲述了 本课题的来源及论文的内容安排。 第二章；倒装l e d 键合界面微结构电镜实验研究，发现了热超声作用后在 界面存在原子扩散层及位错堆积现象。针对因金属微结构变化导致的倒装l e d 键合界面物性变化对l e d 器件散热性的影响进行了分析，发现键合界面影响不 容匆视。 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第三章：照明l e d 热分析建模，首先从传热理论根据研究实际选择传统理 论，建立了l e d 物理模型并得出热路模型，在传统理论的基础上用有限元方法 推导出了传热方程组，最后用有限元软件进行求解。 第四章：键合界面对l e d 器件散热性影响研究，结果显示键合界面对器件 散热性有一定的影响。倒装芯片凸点对l e d 器件散热性影响研究及优化，分别 针对凸点排布、数量及凸点缺陷利用有限元仿真软件进行了仿真分析，获得了 一系列结果。封装粘接胶对l e d 器件散热性影响研究，从仿真结果中得到了粘 接胶物性及胶层厚度变化的影响。 第五章：全文总结。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章照明l e d 键合界面实验研究 第二章照明l e d 键合界面实验研究 在微电子封装中作为目前最普遍、最重要的一种芯片互连技术，键合技术 白上世纪6 0 年代以来，一直在不断的发展。目前已发展到热超声倒装键合。键 合界面在经过机械及热超声场作用下宏观上发生了塑性变形并形成焊接，那么 在微观上发生了什么变化，对该处物质的物理特性产生什么样的影响，鉴于在 目前随着微电子技术高速发展芯片目益趋向高密度且微型化，工作负荷却不断 增大带来的越来越高的电流密度及热流密度，怎么样提高电路与热路的输送性 能已成为各有关研究机构与企业的研究重点的情况下，作为电路与热路必经的 键合界面在前述两个问题上有何答案也引起了广大科研工作者的重视并开始对 超声键合的机理进行系统性的研究，但总体说来，对超声键合的界面形成机理 尚缺乏系统阐明，不少与核心机理有关的重要现象，较多停留在定性的描述及 局部的理解与掌握上，需要作进一步的系统研究。本文作者根据项目整体性的 要求进行了对键合界面微观现象的实验，获得了不少有益的实验成果，最后针 对键合界面物性的变化对l e d 器件的影响进行分析。 2 1 热超声倒装键合技术 键合是最普遍、最重要的芯片互连技术( 图2 - 1 是引线键合工艺示意图， 图2 2 为热超声覆晶键合技术示意图) ，通常采用热压、热超声、和超声方法 进行。热超声键合采用加热加压加超声，由于加超声可降低热压温度，提高键 合强度，有利于器件的成品率提高，热超声键合已取代了热压键合 3 8 1 ，成为 了最广泛的键合方法。热超声键合是利用超声能量，压力、以及热能的相互作 用，实现芯片i 0 端口之间的互连( 如图2 - 2 ) 。热超声倒装连接工艺的主要特 性是凸点制作工艺简单，连接效率高，可靠性好，并且是一种无铅的绿色焊接， 成本低，是当前芯片封装领域中极其具有发展潜力的一种新型工艺。键合是半 导体后封装中关键一步，键合系统失效对器件长期使用的可靠性影响很大，在 半导体器件的失效模式分布中，键合系统失效约占1 4 l 3 3 9 。自上 世纪6 0 十年代以来，键合技术一直在不断的发展。键合劈刀的不断改进和超声 焊接系统变革，引线键合焊点直径由1 0 0 多微米以上减小到目前的5 5 微米。在 超声焊接系统与工艺研究方面，主要研究外部条件，如超声波的频率，振动轨 迹，振幅，压力的大小，键合时的温度等，对键合性能的影响。普通超声焊的频 中南大学硕士学位论文第二章照明l e d 键合界面实验研究 率为2 7 k h z 到4 0 k h z 9 ，而在键合中，一般的超声波的频率为6 0 k h z ，正在研 究更高频率的焊接特性，如3 3 0 k h z - 6 0 0 k b z 的焊接特性 1 0 ，甚至有的达到了 9 8 0 k h z 1 1 。频率提高，振幅减小，有利于减小焊点直径，但频率高，效率减 低，低频时，易于产生和控制高能量级。改变超声振动轨迹能改变键合时间与 质量 1 2 ，超声波的振动轨迹有线性的，椭圆或圆、矩形或正方形三种，实验 表明复杂振动( 即椭圆或矩形) 在更短的时间和更小的振幅也能键合成功，结 点的质量也更好 1 3 】，符合现代芯片对键合的工艺要求，但其机理有待研究。 在键合中，压力的控制对键合的成功是至关重要的，特别由于芯片集成度进一 步提高，引线直径进一步减小，引线的振动和生产速度的加块，不但会产生很 大的接触应力，导致零件的损坏 1 4 ，而且强度较低，易造成提前断线，因此， 必须对引线键合过程中的力加以控制，在引线键合中，温度的选取也是一个因 素，由于温度不仅影响引线接触过程中的粘塑性，而且影响原子扩散过程中新 相的形成，至今温度对键合过程中的孔洞消失过程的影响，对新相产生的影响 机理尚在研究中，特别是温度对键合后键合界面产生的内应力的影响，严重制 约着芯片的使用寿命和可靠性，一般现代超声波的键合温度在1 0 0 - 1 5 0 之 间。 图2 - i 引线键合工艺 圉2 - 2 热超声覆晶键合技术 中南大学硕士学位论文第二章照明l e d 键合界面实验研究 2 2 实验材料、手段 ，由于倒装芯片凸点制作及互连金属材料都相同，因此本次实验采用的芯片 ( 由a s m 公司提供) 大小为1 x l m m ，有8 个用金丝球键合机焊上去的金凸点，球 直径约为9 0 u r n 。芯片上焊盘材料为铝。每个焊盘上镀有1 0 0i lm 见方的铝倒装 的基板是镀有一层银的铜片，如图2 3 所示。 图2 - 3 倒装芯片蕊镀铬铜片 ( 1 ) 热声倒装键合实验平台( 图2 - 4 ) 。机台工作参数范围为：频率6 0 k h z ， 功率0 5w ，键合时间2 0 “5 0 0m s ，键合压力0 3 0 1 2n ，工作温度为室温 4 0 0 。c 。 图2 - 4 集成热声覆晶实验平台 ( 2 ) p s v - 4 0 0 - 1 2 高频( i 5 m h z ) 扫描式激光多普勒测振仪：振速范围：+ 一l o 米秒，频率范围：o 一1 m h z ( 可扩展到3 0 m h z ) ，扫描角度；x ：+ 2 0 中南大学硕士学位论文第二章照明l e d 键合界面实验研究 度，y ：+ 一2 0 度，成像系统：7 2 倍，扫描点数：1 - - 5 1 2 5 1 2 点( 2 6 万) ， f f t ：6 4 0 0 线( 1 2 8 0 0 线可选) ，测距：o 一3 0 米，测量结果以s v d 、木u n i 或 a s c i i 格式保存；其功能为测量高频振动速度，测量高频振动位移，测量高频振 动加速度及模态分析。 这里利用此测振仪对超声振动进行实时监测( 如图2 5 ) ，对键合过程超声 振动特性进行实时分析，与超声能驱动电信号可进行同步分析。 ( 3 ) 扫描电镜k y k y 2 8 0 0 f i n d e r l o o ，其主要参数为：分辨率为4 5 r i m ，放大 倍数为1 5 x 2 5 0 ，0 0 0 x ，试样尺寸：m 6 0 m m ( 最大) 这里用于检测界面原子 扩散及新物质成分( 如图2 - 6 ) 。 图2 - 5 教光多普勒测振系统 图2 - 6 扫描电镜 ( 4 ) 键合界面的纵向微结构特性测试采用f 3 0 型场发射透射电镜( f e d 带有s t e m 模式( 如图2 7 ) ，该透射电镜是目前国际一流的电子显微镜，代表 了当今世界电子显微学的最高、最新水准，其技术参数如下： 1 4 中南大学硕士学位论文第二章照明l e d 键合界面实验研究 点分辨率：0 2 0 5 咖； 线分辨率：0 1 0 2 咖； 信息分辨率：0 1 5n n l 。 s t e m 模式分辨率：0 2 01 1 2 1 1 5 能量分辨率：e d a x 一1 3 0 8e v ；e e l s 一0 8e v 。 分析元素范围：e d a ) 【：b u ，e e l s ：h u 。 放大倍数：5 l 一1 ，0 0 0 ，0 0 0 。 图2 - 7 透射电镜f 3 0h r t e m ( 5 ) ，微键合点透射电镜样品制作采南g a t a n6 9 1 高精度离子定点减薄仪 ( 如图2 - 8 ) 。 图2 - 8 离子减薄仪g a t a n6 9 1 2 3 实验过程、结果与分析 中南大学硕士学位论文 第二章照明l e d 键合界面实验研究 2 3 1 制作流程 l 、扫描电镜实验流程 扫描电镜，其主要作用为观察物体表面微观形貌，有些也同时具备检测界面 原子扩散及新物质成分功能。其实验流程如下： l i扫描电镜观测 图2 - 9 扫描电铣实验流程 该流程中关键的步骤为试样制作与研磨，作试样时要考虑你所要观察的部 位然后确定样品的形状及样品在试样块中摆放位置，处理好了在研磨时才能较 方便的磨到所需观察的部位。而研磨时要时刻留意是否磨到待观察部位，不然 很可能就磨得太过而造成试样报废。 2 、透射电镜实验流程 透射电镜，观察物体内部微观结构，能得到原子排列图像，有些高档透射电 同时具备扫描电镜的功能，能进行能谱分析。 由于透射电镜对所观察试样有很高的要求，要求试样直径不超过3 m m ，待观 察区域厚度通常为1 0 0 n m 以下，因此试样的制作过程比较复杂，而且如果待观 1 6 中南大学硕士学位论文第二章照明l e d 键合界面实验研究 测区为某一特定区域，那么制样技术要求更高，因为减薄时减薄区域并不能随 心所欲想减哪就能减哪，而是带有一定的随机性，因此制样难度非常高。所以 在进行样品制作及试样制作时要充分考虑到这一点。以下是透射电镜试样制作 的流程： 把薄片涂薄胶( 电镜用环氧树酯胶) 叠起 来成2 x