尹 越, 田 婷, 劉志強(qiáng) , 王江華，伊?xí)匝?,梁 萌，閆建昌, 王軍喜, 李晉閩

(1.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所照明研發(fā)中心,北京 100083； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.北京第三代半導(dǎo)體材料與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心,北京 100083； 4.鶴壁市大華實(shí)業(yè)有限公司，河南 鶴壁 458000)

引言

隨著商業(yè)照明逐漸向大電流、高亮度、多集成方向發(fā)展，對(duì)高密度電流驅(qū)動(dòng)LED的關(guān)注與日俱增。為了突破傳統(tǒng)LED的限制，科研工作者提出了陣列式高壓交/直流LED的概念[1-5]。陣列式高壓交/直流LED是指在芯片制作過(guò)程中，通過(guò)多個(gè)LED微晶粒的串并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)交流高壓供電。與傳統(tǒng)封裝高壓LED相比，陣列式高壓LED更節(jié)省空間，大大減小了LED的封裝成本。在電流分布方面，高壓LED芯片能夠解決電流擁擠效應(yīng)，使電流分布更均勻，從而抑制光效下降[6]。高密度電流驅(qū)動(dòng)LED的最佳結(jié)構(gòu)為倒裝結(jié)構(gòu)，即將正裝結(jié)構(gòu)的芯片倒扣在高熱導(dǎo)率的支撐襯底上，從而改善LED的散熱性能。

共晶焊是倒裝LED常用的兩種封裝方法之一，是指在相對(duì)較低的溫度下共晶焊料發(fā)生共晶物熔合的現(xiàn)象。共晶物直接從固態(tài)變到液態(tài)，不經(jīng)過(guò)塑性階段[7]。共晶焊芯片屬于面面接觸，與傳統(tǒng)線焊技術(shù)和倒裝焊技術(shù)相比，能夠進(jìn)一步提高熱傳導(dǎo)效率及機(jī)械強(qiáng)度。此外，共晶焊芯片無(wú)需制作凸點(diǎn)，工藝復(fù)雜度得到降低。

本文介紹了共晶焊制作倒裝高壓LED的制作工藝，制備由10顆LED微晶粒串聯(lián)而成的共晶焊倒裝高壓LED，并且通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)、Trace-pro光模擬及ANSYS熱模擬，對(duì)共晶焊與倒裝焊高壓 LED 芯片的電學(xué)、光學(xué)及熱學(xué)性能進(jìn)行詳盡地分析比較。

1 實(shí)驗(yàn)概況

共晶焊倒裝HV LED的制作流程如圖1所示。首先使用ICP刻蝕暴露出n-GaN層用以制作N型接觸，然后在此基礎(chǔ)上，使用5 μm厚的光刻膠及900 nm厚的SiO2作為掩膜，刻蝕至藍(lán)寶石襯底層來(lái)隔離各個(gè)LED微晶粒，實(shí)現(xiàn)微晶粒間的電隔離。隨后制作P型反射電極，選用電子束蒸發(fā)法沉積Ni/Ag/Pt/Au(厚度為7/4 000/500/2 000 ?)，金屬薄膜覆蓋整個(gè)p-GaN層，從而最大限度地提高光提取。蒸鍍后為了形成良好的歐姆接觸，在550 ℃空氣氣氛下對(duì)反射電極進(jìn)行5 min的熱退火。之后對(duì)PECVD沉積1 μm 的SiO2層對(duì)芯片進(jìn)行鈍化處理，從而防止后續(xù)N電極與P電極之間的短路。隨后制作PN加厚電極Cr/Pt/AuSn(厚度為100/400/20 000 ?)。在我們的LED芯片中，P、N電極的高度差在1.9 μm左右，為了保險(xiǎn)起見，N電極延伸至p-GaN層上，與P電極之間使用鈍化層隔離開來(lái)，P加厚電極的目的是將P電極引出，使得P、N電極高度處于同一平面。這種結(jié)構(gòu)對(duì)N電極的面積無(wú)特殊要求，僅需要考慮電流擴(kuò)展問(wèn)題。芯片制作完成后便是倒裝支撐襯底的制作。基板制作完成后，采用共晶焊技術(shù)將兩者鍵合，采用的焊料是AuSn (金80%，錫20%)。至此，共晶焊倒裝HV LED器件制作完成。

圖1 共晶焊倒裝HV LED 工藝流程示意圖Fig.1 The fabrication process of eutectic high voltage flip-chip LEDs (HV FC LEDs)

為了驗(yàn)證共晶焊倒裝HV LED的性能，我們采用倒裝焊LED與之進(jìn)行對(duì)比，具體工藝流程如圖2所示。首先進(jìn)行ICP刻蝕暴露出n-GaN層、深刻蝕隔離以及P型歐姆接觸的制作。接著制作N電極，N電極選用Cr/Pt/Au(厚度為100/400/14 400 ?)。之后PECVD沉積500 nm的SiO2層對(duì)芯片進(jìn)行鈍化處理，避免雜質(zhì)原子的吸附，從而減少LED的漏電流。最后對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行減薄劃裂。倒裝焊的工藝流程一般包括倒裝基板金屬化、金屬凸點(diǎn)的制作以及芯片倒裝三個(gè)步驟。Cr/Pt/Au(厚度為100/400/14 400 ?)金屬體系作為互連電極被蒸發(fā)在AlN陶瓷基板上。電極制作完成后，采用植球機(jī)在電極表面植金球，金球直徑為75 μm。LED芯片及Sub-mount制作完成后，采用超聲倒裝焊技術(shù)將兩者鍵合[8, 9]。至此，倒裝焊高壓 LED器件制作完成。

共晶焊高壓LED的制備過(guò)程中，我們使用的共晶焊設(shè)備為HYBOND公司的UDB141半自動(dòng)共晶貼片機(jī)。而在倒裝焊高壓LED的制備過(guò)程中，我們采用EB方法來(lái)實(shí)現(xiàn)倒裝基板的金屬化，采用PALOMAR 8000全自動(dòng)晶圓植球機(jī)實(shí)現(xiàn)金屬凸點(diǎn)的制作，采用臺(tái)灣旭東機(jī)械工業(yè)有限公司的FC001實(shí)現(xiàn)倒裝焊工藝。

圖2 倒裝HV LED芯片工藝流程示意圖Fig.2 The fabrication process of traditional high voltage flip-chip LEDs (HV FCLEDs)

2 結(jié)果與分析

1)芯片外觀。兩種LED芯片的示意圖如圖3所示，其具體參數(shù)可參照表1。共晶焊HV LED的有效出光面積為1.09 mm2，是倒裝焊高壓LED的110%。倒裝焊LED的金球凸點(diǎn)在壓焊后直徑擴(kuò)展為100 μm左右，所以微晶粒N電極的尺寸只有超過(guò)100 μm，才能避免漏電的產(chǎn)生，這導(dǎo)致了過(guò)多有源區(qū)的損失。并且由于電極設(shè)計(jì)不合理，倒裝焊LED電流分布非常不均勻。此外，由于倒裝微晶粒的大小限制，每顆微晶粒僅有一個(gè)N pad與倒裝基板通過(guò)金球連接，連接可靠性會(huì)影響整個(gè)倒裝高壓芯片。共晶焊高壓LED的面面連接很好地解決了相關(guān)問(wèn)題，因此它的有效出光面積得到了提升。此外，共晶焊高壓LED相比倒裝焊高壓LED，側(cè)壁長(zhǎng)度更短，其側(cè)壁出光面積是倒裝焊高壓LED的87.8%。

2)光提取模擬。我們使用Trace-pro光學(xué)追跡軟件對(duì)倒裝焊高壓LED及共晶焊倒裝HV LED的光提取進(jìn)行了模擬。在建模過(guò)程中，我們忽略電極形貌及外延質(zhì)量的差異，所建模型如圖4所示。從光提取照片可以看出，與倒裝焊高壓LED相比，共晶焊結(jié)構(gòu)的倒裝HV LED光提取效率低了1.3%，這主要?dú)w因于此結(jié)構(gòu)側(cè)壁出光面積略小。

圖3 兩種LED芯片的結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.3 Comparison of the structures of the two kinds of LED chips

表1 倒裝焊高壓芯片與共晶焊高壓芯片參數(shù)對(duì)比Table 1 Parameters comparison of the traditional and eutectic-high voltage flip-chips

圖4 倒裝焊高壓LED及共晶焊倒裝HV LED 所建模型和光提取模擬Fig.4 The model and light-output simulation for traditional-and eutectic-high voltage flip-chips

圖5 倒裝焊及共晶焊高壓LED的伏安特性曲線及光強(qiáng)分布圖Fig.5 The I-V characteristic curve and light intensity mapping for traditional-and eutectic-high voltage flip-chips

3)光電特性分析。我們通過(guò)伏安特性曲線對(duì)封裝后的倒裝焊及共晶焊高壓LED進(jìn)行了光電特性分析，結(jié)果如圖5所示。倒裝高壓LED的開啟電壓基本上等于16顆微晶粒開啟電壓之和，在20 mA注入電流下，其單顆微晶粒的工作電壓為3.1 V，總電壓為49.8 V。共晶焊倒裝HV LED的伏安特性顯示，在20 mA注入電流下，共晶焊倒裝HV LED的工作電壓為30.0 V。

為了探索電極設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)LED光學(xué)特性的影響，我們使用LED光形分布量測(cè)儀對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的光強(qiáng)分布進(jìn)行了檢測(cè)。圖5給出了兩種芯片在1 W電注入功率下的光強(qiáng)分布照片。從光強(qiáng)分布圖可以看出，共晶焊高壓LED光強(qiáng)分布均勻，而倒裝焊高壓LED光強(qiáng)分布較為不均勻。由此可以推斷，共晶焊高壓LED具有比較均勻的電流擴(kuò)展，幾乎無(wú)電流擁擠效應(yīng)。而倒裝HV LED存在很明顯的電流擁擠效應(yīng)，電流擁擠現(xiàn)象出現(xiàn)在N電極邊緣，這說(shuō)明n-GaN的電流擴(kuò)展存在一定的問(wèn)題，問(wèn)題的主要原因在于n-GaN層方阻與Ni/Ag電極電阻差異過(guò)大。

4)光輸出功率及外量子效率的下降特性。隨后，我們對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的光輸出功率(LOP)特性進(jìn)行了對(duì)比，如圖6(a)所示。在1 W電注入功率下，共晶焊倒裝高壓 LED的光輸出功率為340.6 mW，相比倒裝焊HV LED提高了10.5%，這主要?dú)w因于共晶焊LED更均勻的電流擴(kuò)展特性。同時(shí)，共晶焊倒裝HV LED具有更好的飽和特性，光特性的飽和來(lái)源于熱效應(yīng)的積累，說(shuō)明共晶焊HV LED具有更好的散熱特性。此外，我們還對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的外量子效率(EQE)及峰值波長(zhǎng)隨電流密度的變化進(jìn)行了表征，如圖6(b)所示。從歸一化的外量子效率曲線中可以明顯觀察到，在1 000 mA/mm2注入電流密度(J)下，共晶焊高壓 LED的外量子效率只下降了26.2%，而倒裝焊高壓LED的外量子效率下降了32.2%。

圖6 倒裝焊及共晶焊倒裝HV LED 的LOP及發(fā)光效率下降特性Fig.6 LOP curves and efficiency droop characteristics for traditional-and eutectic-high voltage flip-chips

5)熱分布模擬。進(jìn)一步，我們使用有限元模擬分析方法對(duì)這兩種LED 進(jìn)行了熱模擬，芯片的產(chǎn)熱功率均設(shè)定為0.7 W。表2為模擬中所用材料的熱導(dǎo)率及厚度。芯片產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)到管殼再到散熱體，最終通過(guò)對(duì)流或輻射釋放到環(huán)境中。管殼選用半徑為2 mm的銅制圓柱體，散熱體為半徑10 mm的鋁基板。倒裝結(jié)構(gòu)中采用導(dǎo)熱陶瓷作為倒裝基板，其尺寸為1.6 mm×1.6 mm×0.4 mm。邊界條件為：與空氣的對(duì)流系數(shù)為15，環(huán)境溫度為25 ℃。

模擬中所用的倒裝焊LED器件的結(jié)構(gòu)模型如圖7(a)所示，右下角是倒裝芯片與基板之間的側(cè)視圖。整個(gè)LED系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布如圖7(b)所示。從模擬結(jié)果來(lái)看，倒裝焊HV LED的最高溫度為89.3 ℃。

圖8(a)是共晶焊倒裝LED系統(tǒng)的模型，右下角是倒裝芯片與基板之間的側(cè)視圖。可以看到，共晶焊倒裝芯片屬于面面接觸。圖8(b)顯示了共晶焊倒裝LED系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布。系統(tǒng)最高溫度為85.4 ℃，比倒裝焊HV LED的最高溫度低3.9 ℃，證實(shí)了共晶焊倒裝LED具有更好的散熱特性。

表2 模擬中所用材料的熱導(dǎo)率及厚度Table 2 Thermal conductivity and material thickness for simulation

圖7 倒裝焊倒裝高壓 LED系統(tǒng)模型和溫度場(chǎng)分布Fig.7 The model and temperature field distribution for traditional high voltage flip-chips

圖8 共晶焊倒裝HV LED系統(tǒng)模型和溫度場(chǎng)分布Fig.8 The model and temperature field distribution for eutectic high voltage flip-chip

圖9給出了倒裝焊以及共晶焊倒裝基板表面的溫度分布。倒裝焊高壓 LED中，芯片與基板通過(guò)32個(gè)Au凸點(diǎn)連接。從圖9(a)中可以看到，倒裝焊基板的溫度場(chǎng)分布不均勻，凸點(diǎn)位置的溫度相對(duì)更高。相對(duì)倒裝基板四周而言，基板中心位置的溫度更高，說(shuō)明中心位置的熱量更難釋放出去。然而，共晶焊倒裝HV LED中，芯片與基板通過(guò)金屬電極連接。倒裝基板表面溫度分布均勻，見圖9(b)，說(shuō)明面面接觸增加了LED的散熱通道，從而提高了倒裝芯片的散熱能力，使其更適合于大電流的操作。

圖9 倒裝焊和共晶焊HV LED倒裝基板表面溫度分布Fig.9 Flip-chip surface temperature mapping for the traditional-and eutectic-high voltage flip-chips

3 結(jié)論

我們對(duì)共晶焊工藝進(jìn)行了探索，制備了由10顆LED微晶粒串聯(lián)而成的共晶焊倒裝高壓 LED。通過(guò)與倒裝焊高壓LED的性能對(duì)比，證實(shí)共晶焊倒裝高壓LED在1 W電注入下光功率提升10.5%，光效下降現(xiàn)象得到進(jìn)一步的緩解。同時(shí)，ANSYS熱模擬結(jié)果表明共晶焊倒裝結(jié)構(gòu)由于面面接觸，與點(diǎn)面接觸的倒裝焊高壓LED相比，增加了散熱通道，具有更好的散熱特性，更適合大電流驅(qū)動(dòng)。