技術(shù) | LED芯片的三種封裝結(jié)構(gòu)

發(fā)布時(shí)間：2024-07-30
發(fā)布者：湖南創(chuàng)斯特電子科技有限公司
來源：湖南創(chuàng)斯特電子科技有限公司
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一、正裝LED芯片

01 正裝LED芯片結(jié)構(gòu)

LED正裝芯片是最早出現(xiàn)的芯片結(jié)構(gòu)，該結(jié)果中從上至下依次為：電極、P型半導(dǎo)體層、發(fā)光層、N型半導(dǎo)體層和襯底，該結(jié)構(gòu)中PN結(jié)處產(chǎn)生的熱量需要經(jīng)過藍(lán)寶石襯底才能傳導(dǎo)到熱沉，藍(lán)寶石襯底較差的導(dǎo)熱性能導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能較差，從而降低了芯片的發(fā)光效率和可靠性。

02 正裝LED芯片的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

該結(jié)構(gòu)簡單、制作工藝相對成熟；

缺點(diǎn)：

（1）正裝結(jié)構(gòu)LED的p、n電極在LED的同一側(cè)，電流需橫向流過n-GaN層，導(dǎo)致電流發(fā)生擁擠，局部產(chǎn)生大量熱，限制了驅(qū)動電流；

（2）藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱性差，嚴(yán)重阻礙了熱量的散失；

（3）溫度和濕度等因素可能導(dǎo)致電極金屬遷移，隨著芯片尺寸縮小，正負(fù)電極間距減小，可能會有短路的問題出現(xiàn)。

03 正裝LED芯片的分類

正裝芯片有多種分類方式，可以按照發(fā)光顏色、芯片功率、應(yīng)用范圍等進(jìn)行分類。為更好的闡述正裝LED芯片的結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)芯片功率將芯片分為小功率芯片、中功率芯片、大功率芯片三類。

04 正裝LED芯片的制備流程

小功率芯片：

小功率芯片的結(jié)構(gòu)相對簡單，制作工藝也相對簡單，通常采用三次光刻制程，分別是MESA光刻、ITO光刻、PAD光刻，詳細(xì)流程如下：

中功率芯片：

中功率芯片通常會采用5次光刻制程，在小功率的3次光刻工藝的基礎(chǔ)上增加了電流阻擋層（CBL）光刻、鈍化（PV）光刻，具體工藝流程如下：

也可以采用先ITO后MESA的工藝流程，這有利于芯片良率的提升，詳細(xì)流程如下：

中功率芯片在研磨后通常會背鍍上高發(fā)射率的DBR。DBR可以顯著提高芯片點(diǎn)測亮度，對封裝后的亮度也有一定的提升。

大功率芯片：

大功率芯片通常也是采用中功率的5次光刻制程，但是背鍍層會由原來的DBR改為ODR（全方位反射層）。

05 正裝LED芯片應(yīng)用現(xiàn)狀

藍(lán)寶石襯底的正裝結(jié)構(gòu)LED以工藝簡單、成本相對較低，一直是GaN基LED的主流結(jié)構(gòu)。目前，多數(shù)企業(yè)為節(jié)約生產(chǎn)與研發(fā)成本，仍采用這種結(jié)構(gòu)。

二、LED倒裝芯片

01 倒裝LED芯片結(jié)構(gòu)

倒裝芯片結(jié)構(gòu)從上到下依次為藍(lán)寶石襯底、N型半導(dǎo)體發(fā)光層、P型半導(dǎo)體層和電極，與正裝芯片結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)中PN結(jié)處產(chǎn)生的熱量不經(jīng)過襯底即可直接傳導(dǎo)到熱沉；倒裝結(jié)構(gòu)中，p電極和n電極均處于底面，避免了對出射光的遮擋，提高了出光效率。

02 倒裝LED芯片的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

（1）沒有通過藍(lán)寶石散熱，從芯片PN極上的熱量通過金絲球焊點(diǎn)傳到Si熱沉，Si是散熱的良導(dǎo)體，其散熱效果遠(yuǎn)好于藍(lán)寶石的散熱，可以通過大電流使用；

（2）尺寸可以做到更小，密度更高，同時(shí)光學(xué)更容易匹配；

（3）散熱功能提升，使芯片的壽命得到了提升；

（4）抗靜電能力也會提升；

（5）為后續(xù)的封裝工藝打下基礎(chǔ)；

（6）電極之間距離較遠(yuǎn)，可以減小電極金屬遷移導(dǎo)致的短路風(fēng)險(xiǎn)。

03 倒裝LED芯片的制備工藝

倒裝LED芯片的制備工藝流程如下圖所示：

04 倒裝LED應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，由于地制造設(shè)備和成本要求較高，做此類芯片的廠商還相對較少。因此，在市場應(yīng)用雖還不是很廣泛，但具有非常廣闊的前景。

三、垂直LED芯片

01 垂直LED芯片結(jié)構(gòu)

采用高熱導(dǎo)率的襯底（Si、Ge、Cu等襯底）取代藍(lán)寶石襯底，極大地提高了芯片的散熱。

02 垂直LED芯片優(yōu)缺點(diǎn)

（1）目前，現(xiàn)有的所有顏色的垂直結(jié)構(gòu)LED：紅光LED、綠光LED、藍(lán)光LED及紫外光LED，都可以制成通孔垂直結(jié)構(gòu)；

（2）所有的制造工藝都是在芯片（wafer）水平進(jìn)行；

（3）由于無需打金線與外界電源相聯(lián)結(jié)，采用通孔垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的封裝厚度降低；

（4）抗靜電能力強(qiáng)；

（5）可以采用較大直徑的通孔/金屬填充塞和多個(gè)的通孔/金屬填充塞進(jìn)一步提高襯底的散熱效率。

03 結(jié)構(gòu)芯片制備工藝

制備GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED的工藝主要分成以下幾個(gè)步驟：表面處理、臺面蝕刻、鈍化層沉積等步驟，具體流程如下所示：

04 垂直LED的應(yīng)用現(xiàn)狀

垂直結(jié)構(gòu)的藍(lán)光芯片是正裝的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，這種芯片是將傳統(tǒng)藍(lán)寶石襯底的芯片倒過來鍵合在導(dǎo)熱能力較好的硅襯底或金屬等襯底上，在將藍(lán)寶石襯底激光剝離。這種結(jié)構(gòu)的芯片解決了散熱的問題，但由于工藝復(fù)雜，生產(chǎn)合格率較低，目前發(fā)展不溫不火。