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摘要：  目前手機、數(shù)字相機、PDA等所使用之白光LED采用藍光單晶粒加YAG螢光而成.隨著手機閃光燈、大中尺寸(NB、LCD-TV等)顯示屏光源模塊以至特殊用途照明系統(tǒng)之應(yīng)用逐漸增多.末來再擴展至用于一般照明系統(tǒng)設(shè)備，采用白光LED技術(shù)之大功率(High Power)LED市場將陸續(xù)顯現(xiàn).在技術(shù)方面，現(xiàn)時遇到最大挑戰(zhàn)是提升及保持亮度，若再增強其散熱能力，市場之發(fā)展深具潛力.

關(guān)鍵字：  LED，單晶粒，螢光，顯示屏，照明系統(tǒng)

近年來，隨著生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展一日千里，令其發(fā)光亮度提高和壽命延長，加上生產(chǎn)成本大幅降低，迅速擴大了LED應(yīng)用市場，如消費產(chǎn)品、訊號系統(tǒng)及一般等，于是其全球市場規(guī)?？焖俪砷L.2003年全球LED市場約44.8億美元 (高亮度LED市場約27億美元)，較2002年成長17.3% (高亮度LED市場成長47%)，乘著手機市場繼續(xù)增長之勢，預(yù)測2004年仍有14.0%的成長幅度可期.{HotTag}

在產(chǎn)品發(fā)展方面，之研發(fā)則成為 廠商們之重點開發(fā)項目.現(xiàn)時制造白光LED方法主要有四種:

一、藍LED+發(fā)黃光的螢光粉(如:YAG)

二、紅LED+綠LED+藍LED

三、紫外線LED+發(fā)紅/綠/藍光的螢光粉

四、藍LED+ZnSe單結(jié)晶基板

目前手機、數(shù)字相機、PDA等所使用之白光LED采用藍光單晶粒加YAG螢光而成.隨著手機閃光燈、大中尺寸(NB、LCD-TV等)顯示屏光源模塊以至特殊用途照明系統(tǒng)之應(yīng)用逐漸增多.末來再擴展至用于一般照明系統(tǒng)設(shè)備，采用白光LED技術(shù)之大功率(High Power)LED市場將陸續(xù)顯現(xiàn).在技術(shù)方面，現(xiàn)時遇到最大挑戰(zhàn)是提升及保持亮度，若再增強其散熱能力，市場之發(fā)展深具潛力.

ASM在研發(fā)及生產(chǎn)自動化光電組件封裝設(shè)備上擁有超過二十年經(jīng)驗，業(yè)界現(xiàn)行有很多種提升LED亮度方法，無論從芯片及封裝設(shè)計層面，至封裝工藝都以提升散熱能力和增加發(fā)光效率為目標.在本文中，就LED封裝工藝的最新發(fā)展和成果作概括介紹及討論.

芯片設(shè)計

從芯片的演變歷程中發(fā)現(xiàn)，各大LED生產(chǎn)商在上游磊晶技術(shù)上不斷改進，如利用不同的電極設(shè)計控制電流密度，利用ITO薄膜技術(shù)令通過LED的電流能平均分布等，使LED芯片在結(jié)構(gòu)上都盡可能產(chǎn)生最多的光子.再運用各種不同方法去抽出LED發(fā)出的每一粒光子，如生產(chǎn)不同外形的芯片;利用芯片周邊有效地控制光折射度提高LED取光效率，研制擴大單一芯片表面尺寸(>2mm2)增加發(fā)光面積，更有利用粗糙的表面增加光線的透出等等.有一些高亮度上p-n兩個電極的位置相距拉近，令芯片發(fā)光效率及散熱能力提高.而最近已有的生產(chǎn)，就是利用新改良的激光溶解(Laser lift-off)及金屬黏合技術(shù)(metal bonding)，將LED磊晶晶圓從GaAs或GaN長晶移走，并黏合到另一金屬基板上或其它具有高反射性及高熱傳導(dǎo)性的物質(zhì)上面，幫助大功率LED提高取光效率及散熱能力.

封裝設(shè)計

經(jīng)過多年的發(fā)展，垂直LED燈(φ3mm、φ5mm)和SMD燈(表面貼裝LED)已演變成一種標準產(chǎn)品模式.但隨著芯片的發(fā)展及需要，開拓出切合大功率的封裝產(chǎn)品設(shè)計，為了利用自動化組裝技術(shù)降低制造成本，大功率的SMD燈亦應(yīng)運而生.而且，在可攜式消費產(chǎn)品市場急速的帶動下，大功率LED封裝體積設(shè)計也越小越薄以提供更闊的產(chǎn)品設(shè)計空間.

為了保持成品在封裝后的光亮度，新改良的大功率SMD器件內(nèi)加有杯形反射面，有助把全部的光線能一致地反射出封裝外以增加輸出流明.而蓋住LED上圓形的光學透鏡，用料上更改用以Silicone封膠，代替以往在環(huán)氧樹脂(Epoxy)，使封裝能保持一定的耐用性.

封裝工藝及方案

半導(dǎo)體封裝之主要目的是為了確保半導(dǎo)體芯片和下層電路間之正確電氣和機械性的互相接續(xù)，及保護芯片不讓其受到機械、熱、潮濕及其它種種的外來沖擊.選擇封裝方法、材料和運用機臺時，須考慮到LED磊晶的外形、電氣/機械特性和固晶精度等因素.因LED有其光學特性，封裝時也須考慮和確保其在光學特性上能夠滿足.

無論是垂直LED或SMD封裝，都必須選擇一部高精度的固晶機，因LED晶粒放入封裝的位置精準與否是直接影響整件封裝器件發(fā)光效能，若晶粒在反射杯內(nèi)的位置有所偏差，光線未能完全反射出來，影響成品的光亮度.但若一部固晶機擁有先進的預(yù)先圖像辨識系統(tǒng)(PR System)，盡管品質(zhì)參差的引線框架，仍能精準地焊接于反射杯內(nèi)預(yù)定之位置上.

一般低功率LED器件(如指示設(shè)備和手機鍵盤的照明)主要是以銀漿固晶，但由于銀漿本身不能抵受高溫，在提升亮度的同時，發(fā)熱現(xiàn)象也會產(chǎn)生，因而影響產(chǎn)品.要獲得高品質(zhì)高功率的LED，新的固晶工藝隨之而發(fā)展出來，其中一種就是利用共晶焊接技術(shù)，先將晶粒焊接于一散熱基板(soubmount)或熱沉(heat sink)上，然后把整件晶粒連散熱基板再焊接于封裝器件上，這樣就可增強器件散熱能力，令發(fā)光功率相對地增加.至于基板材料方面，硅(Silicon)、銅(Copper)及陶瓷(Ceramic)等都是一般常用的散熱基板物料.

共晶焊接

技術(shù)最關(guān)鍵是共晶材料的選擇及焊接溫度的控制.新一代的InGaN高亮度LED，如采用共晶焊接，晶粒底部可以采用純錫(Sn)或金錫(Au-Sn)合金作接觸面鍍層，晶?？珊附佑阱冇薪鸹蜚y的基板上.當基板被加熱至適合的共晶溫度時金或銀元素滲透到金錫合金層，合金層成份的改變提高溶點，令共晶層固化并將LED緊固的焊于熱沉或基板上(圖6).選擇共晶溫度視乎晶粒、基板及器件材料耐熱程度及往后SMT回焊制程時的溫度要求.考慮共晶固晶機臺時，除高位置精度外，另一重要條件就是有靈活而且穩(wěn)定的溫度控制，加有氮氣或混合氣體裝置，有助于在共晶過程中作防氧化保護.當然和銀漿固晶一樣，要達至高精度的固晶，有賴于嚴謹?shù)臋C械設(shè)計及高精度的馬達運動，才能令焊頭運動和焊力控制恰到好處之余，亦無損高產(chǎn)能及高良品率的要求.

進行共晶焊接工藝時亦可加入助焊劑，這技術(shù)最大的特點是無須額外附加焊力，故此不會因固晶焊力過大而令過多的共晶合金溢出，減低LED產(chǎn)生短路的機會.

覆晶(Flip Chip)焊接

覆晶焊接近年被積極地運用于大功率LED制程中，覆晶方法把GaN LED晶粒倒接合于散熱基板上，因沒有了金線焊墊阻礙，對提高亮度有一定的幫助.因為電流流通的距離縮短，電阻減低，所以熱的產(chǎn)生也相對降低.同時這樣的接合亦能有效地將熱轉(zhuǎn)至下一層的散熱基板再轉(zhuǎn)到器件外面去.當此工藝被應(yīng)用在，不但提高光輸出，更可以使產(chǎn)品整體面積縮小，擴大產(chǎn)品的應(yīng)用市場.

在覆晶LED技術(shù)發(fā)展上有兩個主要的方案:一是鉛錫球焊(Solder bump reflow)技術(shù);另一個是熱超聲(Thermosonic)焊接技術(shù).鉛錫球焊接已在IC封裝應(yīng)用多時，工藝技術(shù)亦已成熟，故在此不再詳述.

針對低成本及低線數(shù)器件的生產(chǎn)，熱超聲覆晶(Thermosonic flip chip)技術(shù)(圖11)尤其適用于大功率LED焊接.以金做焊接的接口，由于金此物本身熔點溫度較鉛錫球和銀漿高，對固晶后的制程設(shè)計方面更有彈性.此外，還有無鉛制程、工序簡單、金屬接位可靠等優(yōu)點.熱超聲覆晶工藝經(jīng)過多年的研究及經(jīng)驗累積，已掌握最優(yōu)化的制程參數(shù)，而且在幾大LED生產(chǎn)商已成功地投入量產(chǎn).

足生產(chǎn)線使用外，其余大量的(如芯片粘片機、引線焊接機、測試機、編帶機)等自動化設(shè)備還全都依賴進口.

發(fā)展我國LDD裝備業(yè)的具體建議方案

建議國家在支持LED技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，把材料與工藝設(shè)備作為發(fā)展的基礎(chǔ)和原動力加以支持.在發(fā)展LED技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的過程中，建議我國走"引進、消化、吸收、創(chuàng)新、提高"的道路.具體方案如下:在國家支持下，通過國家、LED生產(chǎn)企業(yè)和設(shè)備及材料制造業(yè)三方聯(lián)合，建立具有孵化器功能的中國LED設(shè)備、材料、制造及應(yīng)用聯(lián)合體.

為在短時間內(nèi)掌握并提高設(shè)備制造水平，帶動我國中高檔LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建議由聯(lián)合體共同籌措資金(國家50%，設(shè)備研制單位15%，芯片制造與封裝技術(shù)研究單位15%，LED芯片制造與封裝企業(yè)20%)建設(shè)一條完整的LED芯片制造與封裝示范生產(chǎn)線.該示范線以解決設(shè)備研制與工藝試驗、制造工藝技術(shù)研究與驗證、實現(xiàn)工藝技術(shù)與工藝設(shè)備成套供應(yīng)為已任.凡參與該示范建設(shè)的單位，有權(quán)無償使用該生產(chǎn)線進行相關(guān)產(chǎn)品、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化研究與試驗，特別是LED產(chǎn)品生產(chǎn)單位，可優(yōu)先優(yōu)惠得到相關(guān)研究與產(chǎn)業(yè)化成果.

針對該示范線，實施三步走的戰(zhàn)略，最終實現(xiàn)商品化和本土化(詳見設(shè)備國產(chǎn)化方案表二).第一步:利用兩年左右的時間，對一些關(guān)鍵設(shè)備進行國產(chǎn)化(國家給予一定的獎金支持);對于國內(nèi)已經(jīng)具有一定基礎(chǔ)且具有性價比優(yōu)勢的普通設(shè)備則利用市場競爭原則，采取準入制擇優(yōu)配套(通過制訂標準);對于部分難度較大、短期內(nèi)國產(chǎn)化不了的設(shè)備，國家應(yīng)安排攻關(guān)，并完成生產(chǎn)型ɑ樣機開發(fā).第二步，從本方案實施的第三年起，第一步中涉及到的前兩類設(shè)備重點解決生產(chǎn)工藝的適應(yīng)性、生產(chǎn)效率、可靠性、外觀及成本等問題，具備國內(nèi)配套及批量供應(yīng)能力，攻關(guān)類設(shè)備完成生產(chǎn)型樣機商業(yè)化(γ型機)開發(fā).第三步，從本方案實施的第五年起，第一及第二步中涉及到的所有設(shè)備具備國際競爭能力，除滿足國內(nèi)需求外，要占領(lǐng)一定的國際市場;攻關(guān)設(shè)備能夠滿足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)要求并具備批量供應(yīng)能力.