（材料学专业论文）分步电镀法制备fcleds用ausn凸点的研究.pdf

大连理工大学硕士论文 摘要 随着发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 芯片发光效率的不断提高，预计到 2 0 11 年，全球高亮度l e d ( h i g hb r i g h t n e s sl e d ，h b l e d ) 市场规模将高达9 0 亿美元， 白光l e d 固态照明也将在不久的将来成为现实。固态照明技术的发展对l e d 封装的光 学、热学、电学和机械结构等提出了更高的要求，为了有效降低封装热阻，提高出光效 率，必须采用全新的技术思路来进行封装设计。 因倒装能有效提高l e d 芯片的出光效率和散热能力，所以白光h b l e d 的倒装封 装是现阶段研究的热点。而倒装芯片技术中的重要一环是芯片凸点的制作，本文的工作 就主要集中于凸点制作这一方面。凸点材料选择a u - s n 共晶无铅钎料，以分步电镀a u 和s n 的方式来实现。出于对环境的保护，凸点的制备过程应实现无污染化，那么，传 统的含氰镀金液和含氟和铅的镀锡液必将被无毒无害的新镀液取代。 本文的工作致力于研究一种实用的稳定的无氰镀金液和一种稳定、无毒的镀锡液， 并通过系列实验确定各镀液适用的电镀工艺参数，最终实现电镀法制备a u s n 两层膜， 为电镀法制备a u - s n 共晶凸点打下基础。研究结果表明： ( 1 ) 获得了一种以氯金酸钠为主盐的稳定的无氰镀金液并确定了其适用的最佳工艺 参数；获得了一种以硫酸亚锡为主盐，以焦磷酸钾为络合剂并添加了抗坏血酸作为还原 剂的纯锡电镀液，同时确定了其最佳工艺参数。在此基础上成功制备了纯金和纯锡的凸 点。 ( 2 ) 电镀时，随着电镀温度的升高，镀层表面的晶粒( 或微凸体) 尺寸不断增大， 镀层表面粗糙度不断增加，镀层的生长速度不断增大。 ( 3 ) 在镀液成分、电镀温度、平均电流密度等电镀工艺参数相同的条件下，采用周 期换向方波脉冲比采用正向方波脉冲得到的金镀层内部更致密，表面平整度和镀层生长 速度也都有很大提高。 ( 4 ) 对镀金来说，当电流密度在0 5 2 5 a d m 2 范围内逐渐增大时，镀层表面粗糙度 先减小后增大，在2 0 a d m 2 时出现树枝晶。对于镀锡，当电流密度在0 2 - 3 0 a d m 2 范 围内逐渐增大时，镀层表面晶粒尺寸一直增大，未发现树枝晶的生长。 ( 5 ) 在t = 8 0 * c 、p h = 8 0 、j = 1 0 a d m 2 时，金镀层平均厚度与施镀时间之间存在良好 的线性关系；在t = 4 5 、p h - 8 0 、j = 1 0 a d m 2 时，s n 镀层平均厚度与施镀时间之间存 在良好的线性关系。 关键词：大功率发光二极管；倒装；金锡凸点；无氰电镀；电镀金；电镀锡 分步电镀法制备f c l e d s 用a u s n 凸点的研究 t h es t u d yo f s e q u e n t i a le l e c t r o p l a t i n ga u s nb u m p sf o rf c - l e d s a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fl u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c yo fl e d s ，i tw a se s t i m a t e dt h a tt h e d i m e n s i o n so fm a r k e to fw h o l eg l o b a lh b - l e d ( h i g hb r i g h t n e s sl e d h b l e d ) m a r k e tw i l l a m o u n tt o9b i l l i o nu sd o l l a r sb y2 011 ，a n dw h i t el i g h th b - l e ds o l i d - s t a t el i g h t i n gw i l l b e c a m et r u ei nt h en e a rf u t u r e h i g h e rr e q u i r e m e n t sw e r es u b m i t t e dt ot h eo p t i c s ，t h e r m o l o g y ， e l e c t r i c i t ya n dm e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h ep a c k a g i n go fl e d s i no r d e rt od e c r e a s et h e t h e r m a lr e s i s t a n c ea n di n c r e a s et h el u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c yo ft h ep a c k a g i n gs t r u c t u r e s ， t o t a l l yn e wd e s i g np r o p o s a lm u s tb ea p p l i e d 。 s i n c et h ef l i pc h i p ( f c ) t e c h n o l o g yc o u l di m p r o v eb o t ho ft h el u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c y a n dh e a td i s s i p a t i o np o t e n t i a lo fl e d c h i p s ，f cp a c k a g i n gf o rw h i t el i g h th b l e dw a so n e o ft h eh o t s p o t so fr e s e a r c h h o w e v e r ，b u m p i n gw a so n ec r i t i c a ls t e pi nf ct e c h n o l o g y t h i s p a p e rw i l lf o c u so nt h eb u m p i n gp r o c e s s a u s ne u t e c t i cs o l d e rw a sc h o s e nf o rt h eb u m p s ， a n ds e q u e n t i a le l e c t r o p l a t i n gw a sa d o p t e dt om a n u f a c t u r et h eb u m p s t oa c h i e v eg r e e n m a n u f a c t u r i n g ，t r a d i t i o n a lc y a n i d eg o l de l e c t r o l y t e sa n dt i ns o l u t i o n sc o n t a i n i n gf l u o r i n ea n d l e a di nt h e mw i l lm u s tb er e p l a c e db yg r e e ns o l u t i o n si nt h en e a rf u t u r e as t a b l en o n - c y a n i d ee l e c t r o p l a t i n gs o l u t i o nf o rg o l da n dan o n - - t o x i cs o l u t i o nf o rt i n w e r ew o r k e do u ts e p a r a t e l y ，b e s i d e s ，t h ee l e c t r o p l a t i n gp r o c e s sa n dp a r a m e t e r sw e r ed e c i d e d f o rb o t ho ft h es o l u t i o n s o nt h i sb a s i s ，a u s nd o u b l e l a y e rs t r u c t u r ew a ss u c c e s s f u l l y p r e p a r e d 1 1 1 er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ： 1 as t a b l en o n - c y a n i d ee l e c t r o p l a t i n gs o l u t i o nf o ra uw a sd e v e l o p e d ，i tc a nb es t a b l e w h e nt h ep h = 6 9a n dt h ee l e c t r o p l a t i n gt e m p e r a t u r et = 1 3 c 9 0 c i tc o n s i s t e dc h i e f l yo f n a a u c h 2 h 2 0 ，n a 2 s 0 3 ，e t h y l e n e d i a m i n et e t r a c e t i ca c i d ( e d t a ) a ne l e c t r o l y t ef o rt i nw a s d e v e l o p e d ，t o o ，i t sc h i e fi n g r e d i e n t sw e r es n s 0 4 ，k 4 p 2 0 7 3 h 2 0a n dc 6 h 8 0 6 t h i se l e c t r o l y t e f o rt i nh a dt h eb e s tc o m b i n a t i o np r o p e r t yw h e ni t sp hv a l u ew a s8 0 p u r eg o l da n dp u r et i n b u m p sw e r es u c c e s s f u l l yp r e p a r e d 2 t h eg r a i n ( m i n o rp a r t i c l e 、s i z ea n dt h er o u g h n e s so ft h ef i l ms u r f a c ei n c r e a s e d 、析t l lt h e i n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，s od i dt h eg r o w t hr a t eo ft h ed e p o s i t e df i l m s 3 i ft h eo t h e rp a r a m e t e r sw e r ef i x e d ，s u c ha se l e c t r o l y t e ，t e m p e r a t u r e ，c u r r e n td e n s i t y ， t h ef i l m se l e c t r o p l a t e db yt h ep e r i o d i cr e v e r s a lc u r r e n tw e r em u c hb e r e rt h a nt h eo n e s i i 大连理工大学硕士论文 e l e c t r o p l a t e db yt h ep u l s e dc u r r e n t t h ef o r m e rh a dh i g h e rc o m p a c t n e s s ，b e t t e rp l a n e n e s s ，a n d f a s t e rg r o w t hr a t e 4 a sf a ra se l e c t r o p l a t i n gg o l dw a sc o n c e m e d ，w h e np h = 8 0 ，t = 8 0 c ，卢0 5 - - 2 5 a d m z ， t h eh i g h e rt h ejw a s ，t h ef a s t e rt h ea uf i l m sg r o w t hr a t ew a s ，t h es u r f a c eo ft h ea ub u m p s b e c a m ec o a r s i n ga n dt h ed e n s i t yo ft h eb u m p sk e p tr e d u c i n g ，d e n t r i t e sw e r ef o r m e dw h e n j _ 2 。0 a d m 2 r e g a r dt oe l e c t r o p l a t i n gt i n ，w h e nj _ - 0 2 - 3 o a d m 2 ，t h es i z eo fm et i ng r a i n s k e p tg r o w i n g w h e nj i n c r e a s e d ，b u tn od e n t r i t ew a so b s e r v e d 5 w h e nt = 8 0 * c ，p h = 8 0 ，j = 1 0a d m 2 ，ag o o dl i n e rr e l a t i o n s h i pe x i g e db e t w e e nt h e g o l df i l mt h i c h n e s sa n dt h ed e p o s i t i n gt i m e s i m i l a r l y ，w h e nt = 4 5 ，p h = 8 0 ，j = - i 0a d m 2 ， ag o o dl i n e rr e l a t i o n s h i pe x i s t e db e t w e e nt h eg o l df i l mt h i c h n e s sa n dt h ed e p o s i t i n gt i m e k e yw o r d s ：h b - l e d s ；f l i pc h i p ；a u s nb u m p s ；n o n - - c y a n i d ee l e c t r o p l a t i n g ；e l e c t r o p l a t i n g g o l d ；e l e c t r o p l a t i n gt i n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者躲描霪 导师签名： 刎年月丘日 大连理工大学硕士论文 1绪论 1 1l e d 概述 自1 8 7 9 年e d i s o n 发明碳丝白炽灯，照明技术便进入了一个崭新的时代，荧光灯、 汞灯、高低压钠灯、金属卤化物灯、紧凑型荧光灯、高频无极荧光灯以及微波硫灯等新 光源层出不穷。而真正引发照明技术发生质变的是发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ， l e d ) ，它是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的全固体冷光源发光器件，具有 工作电压低、耗电量小、发光效率高、响应时间短、光色纯，以及结构牢固、抗冲击、 耐振动、性能稳定可靠、重量轻、体积小、成本低等一系列特点【l 卅。 2 0 世纪5 0 年代，英国科学家在电致发光的实验中使用g a a s 发明了第一个具有现 代意义的l e d 。6 0 年代末，人们在g a a s 基体上使用磷化物发明了第一个可见红光l e d 。 随后，m o n s a n t o 公司和h p 公司推出了用g a a s p 制作的商用l e d 。早期g a a s pl e d 性 能很差，工作电流仅为2 0 m a ，发光效率仅为0 1 l m 何，仅为一般6 0 - - 1 0 0 w 白炽灯 ( 1 5 圳) 的1 1 5 0 ，而且只能发出波长为6 5 0 n m 的红光。 2 0 世纪7 0 年代上半期，l e d 发光效率达到l l m w ，发光颜色也扩展到绿色和黄色。 8 0 年代，g a a l a sl e d 的红光效率提高到了1 0 1 m w 。这一早期的重大技术突破使l e d 能够应用于室外信息发布以及汽车信号灯。g a a s 、a l p 的使用促使了第一代高亮度l e d ( h i g hb r i g h t n e s sl e d ，h b l e d ) 的诞生。首先出现的是红光h b l e d ，然后是黄光 h b l e d 和绿光h b l e d 。9 0 年代中期，n a k a m u r a 等【7 。8 】采用金属有机物化学气相沉积 ( m o c v d ) 的方法成功地制备出高亮度i n g a n a l g a n 双异质结蓝光l e d 和i n g a n 量 子阱结构紫外l e d 。g a n 基蓝光l e d 的出现及其发光效率的快速提高，使l e d 得以形 成三基色完备的发光体系，而这是研制白光l e d 的技术核心，再加上荧光磷技术，制 造任何颜色可见光l e d 成为可能。h p 公司光电部、l u m i l e d s 公司和p a n a s o n i c 公司经 l o 年的努力最终实现了内量子效率接近1 0 0 的a i l n g a pl e d ，l e d 的发光效率接近 2 5 1 m w 。此后，l t t m i l e d s 公司在p h i l i p sl i g h t i n g 公司的技术指导下生产了一系列大功率 l e d ，其中包括5 5 1 m w 红光、3 0 1 m w 绿光、1 0 1 m w 蓝光和荧光粉转换的2 5 1 m w 白 光l e d 。单管5 w 封装的1 1 0 1 m 白光l e d 的光输出和1 5 w 白炽灯的光输出相当，而 l e d 封装后的体积仅相当于白炽灯的1 ，功耗仅为其1 3 。用1 2 只1 1 0 1 m 的器件就可 以制成一只车前灯【i j 。 白光l e d 除具有其他颜色l e d 的优点外，还有一个显著优势就是，光谱中没有紫 外线和红外线，没有辐射，环保效益更佳，随着白光l e d 的功率和效率的不断提高， 分步l 乜镀法制备f c l e d s 刚a u s n 凸点的研究 l e d f 在从指示和显示领域向照明领域迈进，并将成为继白炽灯、荧光灯之后的新代 照明光源【2 5 】。 1 2l e d 的应用领域 目前，l e d 产品已经在多个领域有所应用，包括宇航、飞机、汽车、生活乍产、通 信、数码电子等，其产品遍及国民经济各个部门和干家万户。其主要包括大屏幕彩色显 示、照明灯具、激光器、多媒体显像、l c d 背景光源、探测器、交通信号灯、数字和文 字显示、图形识别、仪器仪表、光纤通信、卫星通信等领域。目前l e d 的主要应用领 域如图1 1 所示。 矿灯 m i n i n gl a m p s 瞄翮 交通信 似j t r a f f i cl i g h t s 路灯 s t r e e td a m p s 一矿霸 手机背光源 l c db a c k l i g h t s 图1 1l e d 主要应刚领域 汽车下头照明 h e a d l i g h t so f c a r s p i g i 1 ih em a i na p p l i c a t i o nf i e l d so fl e d s 1 2 1 l e d 照明 作为光源，l e d 的优势主要体现在三个方面，6 】： 新型、绿色、环保。l e d 工作电压低，不依靠灯丝发热获取光源，能量转化效率 接近1 0 0 ，不像白炽灯那样浪费太多的热量，不像荧光灯那样因消耗高能量而产生有 毒气体，也不像霓虹灯那样要求高电压而容易损坏，在相同照明效果下比传统光源节能 8 0 以上，光谱中没有紫外线和红外线，属丁二典型的绿色环保光源。 寿命氏。l e d 为全固体冷光源，环氧树脂封装，抗震动，使用寿命可达6 1 0 万 小时，为普通白炽灯的1 0 倍。 大连理工大学硕士论文 变幻多，应用灵活。l e d 组合光色变幻多端，可实现丰富多彩的动态变化效果及 各种图像。还可以做成点、线、面等各种形式的轻薄短小产品，而且l e d 的控制非常 方便，通过调节电流就可随意调光。 人的眼睛最习惯和适应白光，所以白光h b l e d 的研发是当前最前沿的技术，也是 l e d 真正走向照明应用的关键。白光l e d 与其他常用光源的性能比较见表1 1 。 表1 1白光l e d 与其他光源的性能比较 t a b 1 1 t h em a i np e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no f w h i t e - l i g h tl e d sa n do t h e rl i g h ts o u r c e s 兰竺兰兰兰竺! 竺三竺皇竺! !竺望兰竺苎竺兰! 兰竺竺空孟! ! 金属卤素灯 1 0 02 2 0 不易极高低 3 0 0 0 霓虹灯 5 0 0 较高高高宜室内 镁氖灯 1 6 w m2 2 0 较好较高较好 日光灯4 1 0 0 2 2 0 不易较高低 冷阴极 1 5 w m 需逆变较好较低较好 钨丝灯 1 5 - 2 0 02 2 0 不宜高低 节能灯 3 1 5 02 2 0 不宜调光 低 低 l e d 灯极低 蒜1 2 2 2 - 3 0 v ) 6 v 多种形式极低极高 3 0 0 0 5 0 0 0 1 0 万 如图1 2 所示为不同白光光源光输出随时间的变化规律。可以看出，不同光源的光 输出均随使用时间的延长而劣化，但白光h b l e d 有着最低的光输出劣化，足见其性能 的优异【l 】o 甜瓣曲) 图1 2 不同自光光源随时间的劣化规律 f i g 1 2 t h el i g h td e t e r i o r a t i o no fd i f f e r e n tw h i t e l i g h ts o u r c e sw i t ha g e 铷瑚 姗一一 分步电镀法制备f c l e d s 用a u s n 凸点的研究 但从目前来看，白光h b l e d 在照明领域的应用还存在着光效低、成本高、难以自 动化量产等问题，各国都亟待有新的突破。但随着l e d 管芯光效的迅速提高和l e d 封 装与灯具制造工艺的进一步改进，一些经济和技术上的障碍将逐步被消除。 1 2 2l e d 显示 由于半导体技术的逐步成熟和完善，加上其本身具有的很多优点，如亮度高、工作 电压低、功耗小、易于集成、寿命长、性能稳定，其发展前景极为广阔，已日趋在固体 显示器中占主导地位。 l e d 显示屏具有视角大、亮度高、色彩艳丽的特点。我国的l e d 显示屏设计和生 产技术水平已基本上与国际同步，特别是近年来全彩色l e d 显示屏、2 5 6 级高度视频控 制、集群无线控制、多级群控等方面均已达到国际先进水平。l e d 显示屏控制专用大规 模集成电路也己由国内企业开发完成，并已应用到生产中。l e d 显示屏将以其突出的优 势成为平板显示的主流产品之一，并在社会经济的愈多领域得到广泛应用。例如，证券 交易、金融信息显示、机场航班动态信息显示、体育场馆和展览会信息显示等。 1 3l e d 产业现状及发展趋势 l e d 产业链包括外延片生产、芯片生产、芯片封装以及产品应用等四个环节，涉及 材料、器件结构、光学设计、封装工艺、电源电路、灯具选用、照明效果与视觉匹配等 多个技术领域。专家预言，半导体照明产业将是2 1 世纪最大、最活跃、最引人瞩目的 新技术领域的焦点之一，在经济竞争及国家安全方面具有极其重要的意义【3 】。 1 3 1国际l e d 技术现状和发展趋势 日本、美国、德国的公司掌握了目前国际上最先进的高亮度l e d 外延生长和芯片、 封装、白光和应用技术，并且各有不同的特点，但都利用各自原创性核心专利在世界范 围内设立了专利网，仅与g a n 相关的专利就有4 0 0 0 多项。欧盟、美国、日本、韩国和 中国台湾等不断加大投入，鼓励科研机构与企业重点研发半导体照明高端技术与新产 品，抢占行业制高点。美国g e 、荷兰p h i l i p 、德国o s r a m 等跨国照明生产商，均与 上游半导体企业合作组建半导体照明公司，力争在2 0 1 0 年前，将l e d 发光效率再提高 8 倍、价格降低9 9 。目前，l e d 新产品的开发日新月异：美国g e 公司研制出光通量 3 2 1 m 、发光效率2 2 1 m w 的紫外激发白光l e d ；日本日亚近期展示了光通量1 0 0 0 1 m 、 发光效率3 3 1 m w 的白光l e d ，实验室水平发光效率已达到7 4 1 m w 。预计2 0 1 2 年美国 大连理工大学硕士论文 公司的l e d 光效可达1 5 0 1 m w 。有科学家预测，按照目前的技术水平和发展趋势，半 导体照明灯普通市场启动时间约在未来5 1 0 年间【l 】。 美国市场调研公司b c cr e s e a r c h 最近的l e d 市场预测报告中指出，随着移动通信 设备市场逐渐饱和，l e d 市场正在进入缓慢增长期。预计未来5 年内，年均增长率将保 持在1 0 2 左右。但随着l e d 在照明、汽车头灯和背光源等新兴领域的应用，到2 0 11 年世界l e d 市场将达到1 0 6 亿美元，年出货量约为8 8 亿个【lo l 。 美国能源部的研究报告分析，到2 0 1 0 年美国将有5 5 的白炽灯和荧光灯被半导体 灯替代，每年节约电费可达3 5 0 亿美元，半导体灯有望形成5 0 0 亿美元的大产业。 1 3 2 国内l e d 技术现状和发展趋势 我国自“八五”期间就十分关注l e d 的发展，通过“8 6 3 ”科技攻关，高技术创新、 产业化资金重点支持，已取得一些研发成果和诸多专利，但白光l e d 核心技术研发及 产业化情况与发达国家尚有一定的差距。 历经多年的发展，我国l e d 产业已经初步形成珠江三角洲、长江三角洲、东南地 区、北京与大连等北方地区四大区域，每一区域基本都形成了比较完整的产业链。总体 而言，我国的l e d 产业格局是南方产业化程度较高，而北方依托众多高校和科研机构 产品研发实力较强。我国照明领域的l e d 产业已具备一定的技术和产业基础，国内蓝 光芯片指标也已达到国外中档产品水平。l e d 封装技术与国外差距不大，在国际市场上 已占有相当大的份额，并且国内的封装技术有可能取得关键技术突破，形成自主知识产 权；另外，我国具有劳动力的优势，有能力承接国际半导体照明产业的转移。 中国的电子制造业正在迅速发展，国内的手机、汽车等产业是l e d 发展的巨大推 动力，而且随国家半导体照明工程的发展，国内l e d 产业具有广阔的发展前景。 1 4 高亮度l e d ( h b - l e d ) 市场应用前景 目前市场调查机构s t r a t e g i e su n l i m i t e d 在台湾新竹举办的“b l u e2 0 0 7 研讨会 上， 预估全球h b l e d 市场在接下来的1 3 年内将从原先较缓的成长幅度，扩大到2 0 11 年 时的复合成长率( c o m p o u n da n n u a lg r o w t hr a t e ，c a g r ) ，拥有1 6 7 的高幅度，届 时全球h b l e d 市场规模将高达9 0 亿美元。l e d 照明市场的产品在2 0 11 年有望达到 1 0 亿美元，其中白光h b l e d 在2 0 11 年的市场占有率将超过6 0 。在车用领域部分， 在2 0 0 7 年春上市的l e x u sl s6 0 0 h 采用了n i c h i a 超高亮度l e d 用于车头灯的光源后， 陆续会有更多的车款采用。a u d ir 8 也会采用美国l u m i l e d s 与德国o s r a m 的l e d 产品， 在2 0 0 8 年可望会有新车款采用l e d 的车头灯。另外，b m w 的部分车型也采用了h e l l a 供应的车用l e d 照明元件【1 1 1 2 】。 分步电镀法制备f c l e d s 用a u s n 凸点的研究 据估计，照明消耗约占整个电力消耗的1 5 ，各国半导体照明计划的首要目标是降 低照明用电，从而节省能源。美国、日本等国家和中国台湾地区对l e d 照明效益进行 了预测：如果美国5 5 的白炽灯及5 5 的日光灯被l e d 取代，每年可节省3 5 0 亿美元 电费，减少7 5 5 亿吨c 0 2 排放量；日本1 0 0 白炽灯换成l e d ，可节约1 - 2 座核电站的 发电量，每年能节省1 0 亿公升以上的原油消耗；台湾地区2 5 的白炽灯及1 0 0 的日光 灯被l e d 取代，每年可节省1 1 0 亿度电：中国如果在2 0 1 0 年l e d 照明能够进入1 3 的 照明市场，每年就可以节约1 0 0 0 亿度电，比三峡电站的发电量还要多【1 , 6 - 7 , 1 3 j 。 1 5h b - l e d 的封装 l e d 封装的功能主要包括：机械保护，以提高可靠性；加强散热，以降低芯片结温， 提高l e d 性能；光学控制，提高出光效率，优化光束分布；供电管理，包括交流直流 转变，以及电源控制等。 1 5 1h b - l e d 的封装方式 l e d 的核心部分是p - n 结，p - n 结发出的光子是非定向的，各个方向发射的几率相 同，因此，l e d 的出光效率并非1 0 0 ，它与封装内部结构和封装材料有很大关系【l 】。 l e d 封装先后经历了支架式( l a m pl e d ) 、贴片式( s m dl e d ) 和功率式( h i g hp o w e r l e d ) 等发展阶段。随着芯片功率的不断提高，特别是固态照明技术的发展，对l e d 封装的光学、热学、电学和机械结构等提出了更高的要求。为了有效降低封装热阻，提 高出光效率，必须采用全新的技术思路来进行h b l e d 的封装设计。 对于使用蓝宝石衬底的g a n 系列l e d ，其p 极和n 极是依次生长在基体上的。传 统正装金线键合l e d 封装示意图如图1 3 所示。在出光效率方面，占组件大部分发光角 度的上方发光面将会由于电极的挡光而损失一定的光通量，而且下方发光的利用率几乎 为零。在散热效率方面，正装芯片所产生的热能仅能通过金线和背面蓝宝石基板传导至 外界，而蓝宝石的导热率只有大约3 5 w ( m x k ) t 1 4 】，远不能满足芯片的散热需要，从而制 约了器件的注入功率。另外，白光l e d 大多利用蓝光l e d 激发y a g 荧光体来实现， 其发光特性受温度的影响程度很大，当温度超过5 0 ，色度即会大幅偏移，颜色变差。 因此，对于白光l e d 来说，散热设计和优化是很重要的问题。 一6 一 人迩理j ：人学硕卜论文 幽1 3 传统l e d 金线键合封装示意矧 f i g 1 3 t h es c h e m eo ft r a d i t i o n a ll e d sb o n d e db yg o l dw i r e s 倒装芯片l e d ( f c l e d ) 封装示意图如图1 4 所示。倒装：芯片技术以j 下面朝下的 方式将芯片焊接到散热性能良好的衬底上，并以高反射电极取代原本的透明电极( t c l ) ， 使光自蓝宝石一面射出。传统的萨装l e d ：匿片只能利用芯片内从f 面出射的约5 0 的 光能，而f c l e d 通过反射电极将向下出射的光反射向上，使其也得到利用，这使得芯 片的出光效率在理论上讲增加了近一倍! 而且町以在衬底上再增加一层反射层，使得向 下的光得到更完全的反射，进一步提高大功率l e d 器件的出光效率 2 , 6 , 1 3 l 。f c l e d 所 产生的热可以透过足够多的接合凸点( b u m p s ) 传导至高导热性的衬底上，这些材料的导 热率一般高达1 4 0 4 0 0 w ( m x k l ，远火于蓝宝石，所以散热得到了更好的保证。并且， 通过增大衬底面积、在芯片和衬底之间添加散热材料辅助凸点散热，还可更进一步改善 散热问题，提高器件的司靠性。 层 l 刽1 4 倒装芯片l e d 封装示意幽 f i g 1 4 t h es c h e m eo ff c l e d sb o n d e db ys o l d e rb u m p s 分步电镀法制备f c l e d s 用a u s n 凸点的研究 传统的正装芯片一般采用植金球凸点或金线键合进行焊接。单个芯片动辄有着近2 0 个凸点，而每一个凸点都需要单独植，生产效率低。而f c l e d 技术可以以晶圆( w a f e r ) 为单位一次性电镀所有凸点，并以整个晶圆为单位进行焊接，从而有效地提高了生产效 率，降低了生产成本。表1 2 列出了倒装芯片和引线键合技术的比较【1 8 。2 0 1 。然而，实际 上因为凸点制备技术的相对不成熟，倒装芯片技术的优势还没有显现出来。所以，晶片 凸点制作是焊料凸点倒装芯片技术的核心。晶片凸点的制作方法将在后文详述。 表1 2 倒装芯片和引线键合技术的比较 t a b 1 2 c o m p a r i s o no ff l i pc h i pa n dw i r eb o n d i n g 倒装芯片引线键合 优点高密度成熟的技术 多i o 数目已存在基础设施 高性能对新器件具有灵活性 噪声控制 对新的键合图形具有灵活性 轻薄外形 与表面安装技术( s m t ) 兼容 面阵列技术 j 、器中 二弓i 脚 自对准 缺点晶片凸点制作问题i o 数目有限 检测和老化问题项部滴胶包封 下填料包封问题 包封后返修困难 1 5 2f c - l e d 用a u - s n 凸点 在电子和光电子封装中，芯片连接主要起到三大主要作用：导电、导热和机械连接。 因此，在选择芯片连接凸点的材料时就需要考虑凸点材料的一系列特性，包括可焊性、 熔化温度、杨氏模量、热膨胀系数、泊松比、蠕变速率以及抗腐蚀性等多种性f l 皂t 2 1 1 ，只 有选择合适的钎料才能保证封装的可靠性，否则整个器件就有可能因为过热或连接处机 械强度不够而过早失效【2 2 j 。 使用低成本的s n p b 焊料作为连接材料已有多年的历史，在过去的十几年中，全世 界的电子制造商每年都要消耗掉几万吨的p b ，这个数量约占全世界范围内p b 消耗总量 的7 【2 3 1 。虽然s n - p b 钎料加速了焊料凸点制作倒装芯片、球栅阵列( b a l lg r i da r r a y ， b g a ) 和芯片级封装技术的进步【l 引，但在过去的几年中，人们越来越认识到p b 对环境 和人类健康的危害【2 4 1 ，公众情绪和政治气氛对p b 的使用施加了越来越大的压力，国际上 大连理工大学硕士论文 早已颁布了一系列文件来限制铅在电子产品中的使用。欧盟报废电子电气设备指令 ( w e e e ) 和关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令( r o h s ) 对含铅标 准等进行了细致规定，指令指出电子产品的含铅量不能超过1 0 0 0 p p m ，这意味着传统的 s n p b 钎料将在不久的将来全面禁止使用，钎料无铅化已是大势所趋。 8 0 w t a u 2 0 w t s n 共晶钎料成分不含铅，环境友好，加上其优良的力学性能而成 为一种倍受青睐的无铅钎料。金锡平衡相图如图1 。5 所示。之所以选择共晶成分，是因 为共晶成分合金凝固温度范围小，流动性好，可以作为许多微机电系统( m e m s ) 和微 系统( m s ) 应用中的固态键合以及真空密封结构。共晶键合是一种最常用的晶片倒装 过程【2 5 1 。 w e i g h t p e r c e n tt i n 图1 5 金锡平衡相图 f i g 1 5e q u i l i b r i u mp h a s ed i a g r a mo fg o l da n dt i n 从相图中可以看出，a u 和s n 有两个共晶成分点，一种是富a u 的8 0 w t a u 2 0 w t s n 共晶成分，熔点2 7 8 ；另一种是富s n 的1 0 w t a u 9 0 w t s n 共晶成分，熔点为2 1 7 。 富锡的共晶合金质地较脆，甚至在回流以后冷却至室温的过程中都有可能出现裂纹，因 此1 0 w t a u 9 0 w t s n 共晶焊料的应用受到了限错l j t 2 6 2 7 】。而8 0 w t a u 2 0 w t s n 共晶成 分合金因其优异的力学性能受到研究者的广泛重视【2 9 - 3 1 1 。8 0 w t a u 2 0 w t s n 由于金含 量很高( 8 0 ) ，焊接时氧化程度低，因此可以实现免助焊剂焊接【3 2 】，这是它最引人瞩目 的特点之一，而这一特点对电子，尤其是光电子器件封装又是最重要的。因为光电子元 器件在封装过程中一定要防止元器件受到污染以免对其发光性能造成恶劣影响。另外 分步电镀法制备f c l e d s 用a u s n 凸点的研究 8 0 w t a u - 2 0 w t s n 共晶钎料还有很多其他的优点：屈服强度高；导热性能好( 导热系数 为5 7 w ( m 。豳，而导热性能好的材料尤其适用于大功率器件的封装【2 7 】；润湿性能好【3 3 】； 电迁移现象不明剧3 4 】；抗腐蚀性能好；焊接接头强度高；没有明显的热疲劳【2 9 】；抗蠕变 性能好【3 0 和有良好的持久强度【2 8 】，由于其独特的力学性能可以提供高可靠性的焊接接头 【3 7 】。8 0 w t a u 2 0 w t s n ( 2 7 8 ) 相对于其他硬钎料，如9 6 8 5 w t a u - 3 1 5 w t s i ( 3 6 3 ) 和8 8 w t a u 1 2 w t g e ( 3 5 6 ) 有相对较低的熔化温度，这就使得8 0 w t a u - 2 0 w t s n 钎料在不能使用高熔点钎料的场合又显示了自己的优势【2 1 7 1 。另外，用8 0 w t a u - 2 0 w t s n 共晶钎料封装的元器件能够承受在后续封装中低熔点钎料( 钎焊温度一般在2 6 0 左右) 的组装，而自身不熔化【3 4 1 。 1 5 3f c - l e d 用a u s n 凸点的制备 图1 6 所示为一片晶圆。每一片晶圆在投入使用之前都要被切割成小的芯片。目前 最成熟的晶片凸点制作方法是蒸发晶片凸点制作工艺，它已被i b m 公司完善了3 0 多年， 这里只做一简单介绍。蒸发工艺需要通过金属掩膜来定义出金属的蒸镀位置与形状，如 图1 7 所示。在蒸发凸点的同时有大量金属被蒸镀在掩膜上，部分金属穿过掩膜的开口 部位在晶圆上形成凸点。这种方法设备费用高，又需要特殊的掩膜，加上金属的浪费， 因此总体制作费用较高。 图1 6晶圆片照片【3 6 】 f i g 1 6 ap i c t u r eo f aw a f e r 毋、萋翳 l 图1 7 蒸法晶片凸点制作示意图 f i g 1 7b u m p i n gt e c h n o l o g yb ye v a p o r a t i n g 第二种最成熟的方法是电镀，是一种湿法凸点制造工艺。如图1 8 所示为电镀凸点 的制作工艺过程。首先在整个晶片表面溅射金属，在金属薄膜上涂覆一定厚度的光刻胶 ( p h o t o s e n s i t i v er e s i s t ，p r ) ，使用掩膜确定凸点的图形。然后将晶片作为阴极放入电镀 槽中进行凸点的电镀，为了得到预定高度的凸点，在电镀时要让电镀钎料的高度超过光 大连理上人学硕十论文 刻胶一定的高度，以形成蘑菇型顶部。电镀完成后去除光刻胶，剥离多余的金属薄膜， 然后对晶片进行回流( r e f l o w ) ，熔化的钎料在表面张力的作用下形成球形焊料凸点。 这利方法目前非常流行，因为它能以任意组分电镀焊料。电镀法制备凸点价格低廉，设 备简单，且能节省原材料。 ( a ) 已形威垒属导电s l 基板 ( b ) 以光阻定义欲电镀区域 ( c ) 蒸镀电镀导电金属层 ( d ) 再以厚光阻定义欲凸点电渡区域 ( e ) 制备凸点垒属层 ( 曲回流电镀凸点得钎料球 ( f ) 剥除光阻与剥离导电金属层 匿瑟、t 匿三l w k w 燃懑| l 圈”