LED封装产品介绍和技术报告-(赵强)

1,UHB-LED超高亮度发光二极管技术报告,报告人：赵强2009年5月6日,-封装技术报告-,2,报告内容简介,发光二极管LED的市场分析LED发光二极管介绍封装测试技术介绍Power-LED封装技术介绍,3,发光二极管LED的市场分析,中国大陆巨大市场为全球LED产业带来无限商机，随着奥运会的成功举办、世博会、亚运等大型国际性活动中LED项目的即将开展，将接连在道路照明、景观照明、全全彩显示屏等应用面带来新的突破。2008年我国芯片产值增长26%，达到19亿元；LED封装产值达到185亿元，较2007年的168亿元增长10%；2008年我国应用产品产值已超过450亿元，LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明、消费类电子背光、信号、指示等应用仍然是主要应用领域。照明市场：2月初，ABIResearch旗下研究分支机构NextGenResearch月初就指出，全球固态照明(SolidStateLighting，SSL)市场年产值可望在2013年突破330亿美元。根据NextGen的推估，LED市场当中的照明产品类别在20092013年期间的平均复合年增率(CAGR)将逼近22%。LED渗透到照明市场的趋势将会持续到2009年，与之前预测的35%的增长率相比，仍有17%的较低增长。从长远来看，照明应用领域的前景是乐观的LED液晶背光市场：美国权威市场研究机构iSuppli日前发布的一项最新LED液晶背光调查报告称：LED液晶背光在2008年下半年被越来越多的用作背光液晶电视领域的应用市场，将在2009年成为半导体产业中为数不多的亮点。iSuppli预计2009年LED液晶背光出货量将在2008年5100万美元的基础上增长到1.63亿美元，并预测2012年大约14亿美元的液晶显示器将被用作液晶电视领域。高亮度LED市场：2010年高亮度LED市场增长将开始恢复。从2008年到2013年，预计复合平均年增长率为19.3%，在2013年，高亮度LED市场将会达到124亿美元。,4,LED发光二极管介绍,人类照明历史可以划分为以下几个阶段,这是一场继微电子技术革命之后又一个基于半导体的技术革命！2003年，国家科技部会同有关部门共同组织实施“国家半导体照明工程”现在已经在国家成立了7个照明产业基地：上海，厦门，深圳，南昌，大连，石家庄，扬州。,远古古代20世纪21世纪,火,蜡烛,白炽灯,白光发光管,继爱迪生发明白炽灯后最伟大的光源革命！,发光二极管LED引起了照明革命,大功率LED，路灯,5,LED发光管是怎样练成的,Sapphire蓝宝石2-inch,6,III-族氮化物MOCVD生长是一门富含高科技的艺术,7,氮化物LED发光管的器件结构及发光机理,electrons,电子空穴复合发光,P欧姆接触,N欧姆接触,蓝宝石或碳化硅,直流低电压,8,实现白光LED的方法,红绿蓝三色混合白光,紫外光加三基色荧光粉,蓝光加黄色荧光粉,紫外光LED,蓝色荧光粉,绿色荧光粉,紅色荧光粉,蓝光LED,黄色荧光粉,蓝光LED,绿色荧光粉,紅色荧光粉,方法1,方法2,方法3,方法4,方法5,方法6,蓝光加黄色荧光粉，再加上红色LED,高效能及高显色性(CRI),多量子阱活化层,蓝光加红绿色荧光粉,高显色性，三原色发光效率不均匀，成本高,成本低，显色性不佳,显色性高，工艺控制困难,LED发光效率低，封装材料老化,9,AlInGaP红黄LED发光管的发展,发光效率迅速增长,十年间,增长了22倍,AlInGaPLED器件的基本结构,由于晶格常数匹配,高质量的(AlXGa1-x)0.5In0.5P可生长在GaAs衬底上,发光区,透明衬底的采用,器件结构的优化,背贴式封装,倒梯形结构的引进,10,AlInGaPLED红黄发光管的技术发展,生长在砷化镓GaAs上,移去GaAs,通过片子键合到GaP,GaAs吸收比1240/1.43=867nm更短波长的光,吸收红黄光,GaP只吸收比1240/2.27=546nm更短波长的光,不吸收红黄光,吸收型衬底LED,透明型衬底LED,11,AlInGaPLED发光管的技术发展,采用倒梯形结构状,可有效提高取光收集效率,同时由于采取背贴式封装,可工作于大电流,提高输出光通量,外量子效率高于50%(Lumileds),12,制造先进的大功率发光LED,大功率运行下的散热问题（输入）器件的抗静电性能器件的出光效率这些问题都与蓝宝石衬底有关蓝宝石衬底导热特性差而且它不导电,大功率制造中存在的几个关键问题：,芯片面积:1mm2,13,-高亮度LED的封装技术-,封装测试技术介绍,14,主要内容,LED的封装工艺流程材料的选择固晶工艺制程银浆共晶热压焊回流焊覆晶焊固晶质量的评估失效分析方法白光LED和荧光粉LED透镜的压模成型结论,15,高亮度LED产品,增強亮度及发光效率最佳的散熱性,LED封裝,16,LED的封装工艺流程,-银浆AuSn共晶焊Au超声覆晶焊,固晶,焊线,涂敷荧光粉/硅胶,透镜放置/透镜硅胶成型,分割，测试,芯片的测试分类,17,材料的选择,芯片蓝光LED:InGaN在藍寶石、碳化硅或硅基上红光LED:InAlGaP在磷化鎵基上基板陶瓷(AlN,Al2O3)带胶杯的引线框架帶絕緣層金属基板粘结材料银浆AuSn共晶焊料Au凸点,银浆,AuSn共晶焊料,18,基板材料的特性和选择,选择依据导热性能热膨胀性能（CTE）成本反射镀层Au/Ag陶瓷,19,粘接材料和固晶方式,材料特性,GaN,藍寶石,物料,Cu,正视图,1mm,3m,Q=1W,h=10204W/m2.oC,材料特性对LED散热性能的影响具有不同导热性的银浆AuSn焊料,(20um),20,固晶制程对传热的影响,粘接材料的传导性能粘接层的厚度粘接质量(强度、接触面积、平整性)固晶方式和粘接材料的选择工作电流、工作功率传热效率成本工艺制程良率,Rth=L/kxA,21,芯片,固晶封装技术,共晶热压,共晶回流,超声覆晶,加热,压力,芯片,Au凸点,基板,带有共晶焊料层的芯片,过炉回流,钎剂涂敷,芯片放置,Au凸点种植,热超声覆晶焊,银浆,基板,固化,银浆,芯片放置,银浆涂敷,超声振动,带有共晶焊料层的芯片,加热,芯片放置,压力,22,银浆固晶,优点工艺简单和成熟固化温度低速度快基板的平整度和粗糙度要求不高缺点银浆的传导率低技术难点银浆含量一致性的控制芯片的对准和倾斜度的控制银浆粘接的厚度芯片的厚度,23,共晶热压焊,优点工艺简单速度快结合强度高技术难点芯片和基板的平整度和粗糙度基板材料承受温度基板上的芯片密度,带有共晶焊料层的芯片,加热,压力,焊料熔化时施加压力,24,粗糙度对焊接强度的影响,不润湿区域,表面粗糙度范围:0.5m,表面粗糙度范围:1.1m,表面粗糙度范围:1.75m,LEDAuSn焊料层厚度2um,原子力显微镜下观察到的粗糙表面,25,共晶焊键合机理,Si,Ni,Ti,Au80Sn20,(Au,Ag)5Sn,(Au,Ni)Sn,(Ni,Au)3Sn2,Ag,Cu,芯片上AuSn结构,AuSn和Ag反应后的层状结构,熔化的AuSn和基体上的Au或Ag反应形成Au(或Ag)Sn的金属键化合物焊料成份发生变化，熔点增加焊料凝固基体温度的降低也加快凝固,26,一些需要考虑的问题,焊料厚度焊料量反应后，成份变化少，处于液相的时间长芯片倾斜，对准差解决方法：加快凝固速度,27,回流焊,优点:有效控制焊料的挤出现象适合高芯片密度封装技术难点基板表面光滑度要求高回流焊工艺曲线需要优化助焊剂含量控制适当,带有共晶焊料层的芯片,过炉回流,焊料熔化时无施加外力,28,表面粗糙度的影响,焊料覆盖层也呈现条纹状,370um,光学显微镜下观察到的条纹状基板表面,29,助焊剂含量影响固晶质量,以上二个样品经过相同的回流焊工艺，只是助焊剂含量不同，但有明显不同的固晶质量,30,回流焊工艺曲线的控制因素,助焊剂活化区,助焊剂分解、释放气泡，Sn和Ni容易反应区,Au-Sn反应区,控制晶粒尺寸,焊料铺展范围内小空洞的形成区,必要但须适当,快速,不损伤芯片的最高温度,适当,31,高温区加热速度的影响,左图的样品从240C加热到焊料熔化温度是2分钟，而右图需时4分钟。固晶结果明显不一样。,32,优化工艺曲线后焊接强度显著提高,剪切强度1.94kg,剪切强度750g,0.5mmdie,33,热超声覆晶焊,基板,LED,压力,Au凸点,(,),加热,超声振动,焊盘,在基板上种植的Au凸点,Au凸点种植,热超声覆晶焊,34,优点无需焊线散热性能好增加发光率技术难点工艺流程较复杂高精度的凸点种植和固晶工艺有效的能量传递成本,覆晶焊,35,固晶质量的评估,外表光学检测固晶的位置精度剪切试验断面分析正向电压和反向电流的测试X-射线检测，X-ray声学显微镜测试，C-SAM剖面和扫描电子显微镜分析,36,剪切测试及断面分析,失效模式在焊料中间破坏其它界面（强度高于客户要求）其它界面（强度低于客户要求）芯片损坏,37,LED电学性能检测（I-V曲线）,正向电压，Vf取决于LED质量低电阻，高效率固晶后Vf可允许改变值（0.10.2V）在5V下测试反向电流，IR小于1A或10A,失效,通过,38,X-射线检测,带有小空洞的芯片焊接,无空洞的芯片焊接,带有大空洞的芯片焊接,39,声学显微镜检测，C-SAM,无损对缺陷的高敏感性浸没在水中检测,工艺参数没有选择好时，呈现出没有结合的现象,C-SAM检测,Missingbumpwasnotobserved,40,剖面分析,LED芯片,Si基板,CrosssectionsofpackagesafterTSflipchipbonding,良好的焊接,41,结合界面处存在间隙，与C-SAM测试结果吻合,AubondPad,Aubump,基板,LED,Au,Nonebondingareawasconfirmedbycrosssectionexamination,剖面分析,Crosssectionline,42,化学腐蚀后的焊接界面检测,焊线,覆晶焊,金属间化合物，IMC,使用有选择性的腐蚀液去掉金属层，显示焊接效果,43,不同分析方法的比较,44,失效分析流程图,剪切力，断裂路径，失效模式,诊断问题,文献浏览,基本理解,破坏性分析,剪切或拉拔测试,界面非破坏性检测,结合面积，金属间化合物分布形式（连续，非连续）,腐蚀,剖面分析,SEM/EDX检测,IMC成分，连接机制,细致分析,有限元模拟,应力应变分布,结论,失效原因，改善方案,合理使用示意图,芯片无损测试,XPS,TEM,等等,深入研究,C-SAM,X-射线,结合质量,45,实现白光LED的方法,红绿蓝三色混合白光,紫外光加三基色荧光粉,蓝光加黄色荧光粉,紫外光LED,蓝色荧光粉,绿色荧光粉,紅色荧光粉,蓝光LED,黄色荧光粉,蓝光LED,绿色荧光粉,紅色荧光粉,方法1,方法2,方法3,方法4,方法5,方法6,蓝光加黄色荧光粉，再加上红色LED,高效能及高显色性(CRI),多量子阱活化层,蓝光加红绿色荧光粉,高显色性，三原色发光效率不均匀，成本高,成本低，显色性不佳,显色性高，工艺控制困难,LED发光效率低，封装材料老化,46,应用荧光粉的不同方法,传统的混合法:颜色不均匀,涂层保护膜:均匀性好，荧光粉热稳定性是关键,远离的荧光粉涂层:浓度,厚度均匀性好，反光层设计较复杂,荧光贴,增加均匀性,减少分类,47,IDEALcompress:压模机,Ni-PdLF,CuLF,48,硅胶压模成型,优点:减少界面，减少空洞,高良率,高出光率压模成型质量尺寸精度变化小于20m表面粗糙度:Ra0.2mm芯片和透镜偏差100m无剩余硅胶留在焊盘上均匀混和、无气泡、无杂质污染、无界面裂纹,49,LED封装的应用,陶瓷基板材料,带胶杯的引线框架,4”x4”,50,BottomCavity,TopMold,Topmoldstandby,InputIndexer,LeadFrame,BottomCavity,TopMold,FilmsuckedinsidecavitySubstrateindexedandreadytoloadTopmoldmovestoloading/unloadingposition,Loading,BottomCavity,TopMold,TopmoldmovesupwithloadedsubstrateDispensertipmovesintodispense,BottomCavity,TopMold,TopmoldmovesdownVacuumappliedtoevacuateentrappedair,Vacuum,1,2,3,4,Film,51,BottomCavity,BottomCavity,Topmoldmovesuptoseparatemoldedstripfromfilm.Airblowisusedtolevitatefilm.Filmisreplenished.,Topmoldmovesdowntoloading/unloadingposition.Readytounloadmoldedstrip,Topmoldmovestofullclampedposition.Siliconeiscured.,TopMold,TopMold,Outputindexerunloadsmoldedstrip.Topmoldgoingtostandbyandreadyfornextcycle,Airblow,Filmisreplenished,5,6,7,8,BottomCavity,TopMold,BottomCavity,TopMold,Unloading,OutputIndexer,52,压模成型,53,LED透镜的压模成型,聚焦在顶层,聚焦在内层,全景图,高透明度,Rq:1218nmRa:1015nm,无空洞的均匀的硅胶透镜,透镜表面的光滑度,剖面图,54,结论,在高亮度LED产品中，银浆、共晶热压焊、回流焊和覆晶焊是几种有效的封装技术为了提高固晶质量，在材料的选择、工艺参数的优化、固晶机理的理解上需作仔细的研究和全面