LED芯片及封装技术研究

LED 芯片及封装技术LED 已经在照明及平板显示背光市场有着广泛的应用，LED 的产业链比较长，从上到下包括蓝宝石生产、LED 外延芯片技术、荧光粉、检测设备、LED 器件与模组等方面。本文就 LED 芯片及封装技术做一个简单的介绍提纲。一、LED 芯片简介1.1 LED 芯片发光原理及简单分类LED 芯片，也称为 LED 发光芯片，是 LED 灯的核心组件，也就是指的 P-N结。其主要功能是：把电能转化为光能，芯片的主要材料为单晶硅。半导体晶片由两部分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N 型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个 P-N 结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是 LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成 P-N 结的材料决定的。目前芯片主要分为低压直流芯片和高压直流芯片。其中，低压直流芯片包括正装结构芯片、垂直结构芯片以及三维(无金线)垂直结构芯片。高压直流芯片包括正装结构芯片。从衬底的角度看当前整个行业的技术路线，主流衬底是蓝宝石与 SiC，Si 衬底是未来希望所在。芯片技术最主要的突破点就是提高 LM/W & LM/$。可能突破点包括：1、大电流密度驱动芯片；2、三维垂直结构芯片；3、垂直结构高压交直流芯片；4、绿光 IQE 提升(Green-Gap)；5、衬底：硅衬底、石墨衬底、GaN、AlN 及其他衬底。三维垂直结构芯片的最重要的优势是没有电感效应。垂直结构高压交直流芯片的优势主要是加大电流驱动、降低芯片的成本。高压芯片会降低变压部分的成本，交流芯片可降低整流部分的成本。另外也可通过在衬底上制作图形以及将芯片外形异型化提高出光效率。1.2 LED 芯片的制作流程总的来说，LED 制作流程分为两大部分： 首先在衬底上制作氮化镓（GaN）基的外延片，这个过程主要是在金属有机化学气相沉积外延片炉(MOCVD) 中完成的。准备好制作 GaN 基外延片所需的材料源和各种高纯的气体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。常用的衬底主要有蓝宝石、碳化硅和硅衬底，还有 GaAs、AlN 、ZnO 等材料。MOCVD 是利用气相反应物（前驱物）及族的有机金属和 族的 NH3 在衬底表面进行反应，将所需的产物沉积在衬底表面。通过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。MOCVD 外延炉是制作LED 外延片最常用的设备。然后是对 LED PN 结的两个电极进行加工，电极加工也是制作 LED 芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对 LED 毛片进行划片、测试和分选，就可以得到所需的 LED 芯片。如果芯片清洗不够干净，蒸镀系统不正常，会导致蒸镀出来的金属层（指蚀刻后的电极）会有脱落，金属层外观变色，金泡等异常。蒸镀过程中有时需用弹簧夹固定芯片，因此会产生夹痕（在目检必须挑除） 。黄光作业内容包括烘烤、上光阻、照相曝光、显影等，若显影不完全及光罩有破洞会有发光区残多出金属。芯片在前段工艺中，各项工艺如清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨等作业都必须使用镊子及花篮、载具等，因此会有芯片电极刮伤情形发生。1.3 LED 芯片生产中的关键环节LED 芯片生产中的关键环节包括 LED 衬底材料的生产、MOCVD 设备及使用等。下面分别做一下简单介绍：1.3.1 LED 芯片衬底对于制作 LED 芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和 LED 器件的要求进行选择。好的衬底材料应具备一下特点：1衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低； 2衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏； 3衬底与外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降； 4材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不宜很高。衬底尺寸一般不小于 2 英寸。 当前用于 GaN 基 LED 的衬底材料比较多，但是能用于商品化的衬底目前只有两种，即蓝宝石和碳化硅衬底。其它诸如 GaN、Si、ZnO 衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距离，下面逐一介绍一下各种材料：氮化镓： 用于 GaN 生长的最理想衬底是 GaN 单晶材料，可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。但是制备 GaN 体单晶非常困难，到目前为止还未有行之有效的办法。 氧化锌： ZnO 之所以能成为 GaN 外延的候选衬底，是因为两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格识别度非常小，禁带宽度接近（能带不连续值小，接触势垒小） 。但是，ZnO 作为 GaN 外延衬底的致命弱点是在 GaN 外延生长的温度和气氛中易分解和腐蚀。目前，ZnO 半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件水平和 P 型掺杂问题没有得到真正解决，适合 ZnO 基半导体材料生长的设备尚未研制成功。 蓝宝石： 用于 GaN 生长最普遍的衬底是 Al2O3。其优点是化学稳定性好，不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟。导热性差虽然在器件小电流工作中没有暴露明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。 碳化硅： SiC 作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石。 SiC 衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等优点，但不足方面也很突出，如价格太高，晶体质量难以达到 Al2O3 和 Si 那么好、机械加工性能比较差，另外，SiC 衬底吸收 380 纳米以下的紫外光，不适合用来研发 380 纳米以下的紫外LED。由于 SiC 衬底有益的导电性能和导热性能，采用碳化硅衬底的导热性能（碳化硅的导热系数为 490W/(mK)）要比蓝宝石衬底高出 10 倍以上。蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶，这种银胶的传热性能也很差。使用碳化硅衬底的芯片电极为 L 型，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。可以较好地解决功率型 GaN LED 器件的散热问题，故在半导体照明技术领域占重要地位。但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。硅衬底：目前有部分 LED 芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是 L 接触（Laterial-contact,水平接触）和 V 接触（Vertical-contact，垂直接触） ，以下简称为 L 型电极和 V 型电极。通过这两种接触方式，LED 芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了 LED 的发光面积，从而提高了 LED 的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。 碳化硅衬底：碳化硅衬底（美国的 CREE 公司专门采用 SiC 材料作为衬底）的 LED 芯片电极是 L 型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。上述衬底材料中，蓝宝石衬底最常使用，GaN 基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。蓝宝石作为衬底的 LED 芯片使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作 n 型和 p 型电极，在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于 P 型 GaN 掺杂困难，当前普遍采用在 p 型 GaN 上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约 30%40%的光，同时 GaN 基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在 LED 器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从 400nm 减到 100nm 左右） 。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。蓝宝石的导热性能不是很好（在 100约为25W/（mK ） ） 。因此在使用 LED 器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。蓝宝石晶体是 LED 产业的上游原材料，在可预见的将来仍然会处于不可替代的地位。目前国际上主流的蓝宝石晶体生长工艺是泡生法（KY 法） 、提拉法（CZ 法） 、导模法（ EFG 法） 、坩埚下降法和热交换法（HEM 法）等。其中，泡生法生长工艺的 LED 衬底市场份额超过 50%，其他生长工艺法市场份额总计也只有 40%多。泡生法的市场份额最高，同时也被无数国内外实验证明是质量最优、性价比最高的 LED 蓝宝石生产工艺。泡生法的优点是晶体品质较高，成本较低。缺点是采用传统的泡生炉，晶体质量稳定性取决于操作人员的技术水平，稳定性较差，对人的依赖性较高。提拉法：日本的水平做得较高，但成本也很高。导模法：目前只有日本京瓷和并木生产的晶体可以用于衬底，国内用导模法生产的蓝宝石晶体，质量上达不到行业使用要求。坩埚下降法：成本较低，但晶体品质不高，且不事宜 4 英寸以上衬底的生产。热交换法：还要进一步验证，从现有市场供应情况看，热交换法生产的LED 即晶体的市场份额还很小。目前泡生法长晶炉设备主要提供商是俄罗斯设备和乌克兰设备，国内也有多家泡生法蓝宝石长晶炉设备企业，其风格基本类似于俄罗斯和乌克兰设备。这些设备的问题在于：设备本身制造工艺比较粗糙、设备可靠性不高、同时自动化程度较低，其晶体生长技术很大程度上需要依赖技术人员的水平，否则做出来的产品稳定性差别将会非常大，每个炉子之间质量差异也大，位错密度变化也较大。下表给出了目前全球几家蓝宝石长晶炉厂商技术对比：厂商名称 长晶工艺GT Solar 热交换法： 用钼坩埚为加热容器，成本比较高，A 向生长ARC Energy 热交换法 ：使用钨坩埚，成本较低，且可以多次使用；采用金属发热体，C 向生长香港科瑞斯特泡生法：泡生法的市场份额最高，同时也被无数国内外实验证明是质量最优性价比最高的 LED 蓝宝石生产工艺。泡生法的优点是晶体品质较高，成本较低。确定是用传统的泡生炉，晶体质量稳定性取决于操作人员的技术水平，稳定性较差，对人依赖性较高。江苏能建集团技术来自中科院上海光机所。设备有能量供应与控制系统、传动系统、晶体生长室、真空系统、水冷系统及其他附属装置组成，模拟高温岩浆状态下晶体的生长过程，制备蓝宝石，拥有完全的自主知识产权。2010 年中国 LED 产业呈井喷发展之势，导致作为 LED 产业上游原材料的蓝宝石衬底严重缺货，于是从 2010 年下半年开始，众多资金投入蓝宝石衬底的生产。下表给出了截至今年 8 月国内已经试产的蓝宝石衬底项目及规划引进的蓝宝石长晶炉：项目名称 项目落户时间地点 试产时间 产品情况 规划引进的炉子吉星新材料2010.10，江苏扬中 2011.6.28 蓝宝石晶体101.35 公斤一期引进蓝宝石长晶炉 63 台，总体规划 300 台中晶光电 2010.11，江苏武进 2011.6.29 开工建设，建设期一年今年 8 月中旬设备到位晶桥光电 2011.1.15， 安徽合肥2011.6.14 蓝宝石晶体93.5 公斤露笑集团 2011.1， 浙江诸暨 2011.4 完成设备安装，5 月份投产第一批投资 3.7 亿元 350 套生产设备全线下单订购协鑫光电 2011.2，江苏张家港 一期工程年底竣工一期项目拟引进蓝宝石衬底长晶炉170 台东晶电子 2011.2.24，浙江 今年 8 月小批量生产，年底量产出货项目分二期建成，2012年完成一期投资，2013年底完成投资并全部投产蓝宝石衬底长晶设备首批 5 月份到货上城科技 2011.2 ，浙江海宁 9 月产品面世上海巴世玛2011.3，江西宜春 五年内建立 200 台泡生法晶体生长炉施科特光电2011.3.14，江苏昆山 9 月份投产，预计年底可产出 72万片计划 500 台蓝宝石晶体生长炉香港青朴国际2011.3.15，江苏连云港今年将投建 3 台长晶炉，2012 年投建27 台，目标为 500台皓天光电 2011.4.28，贵州贵阳 预计今年 10 月份 与 GT Solar 签订投产，年底产量不低于 100 万片2.189 亿美金的采购合同康蓝光电 2011.5.22，安徽芜湖唐山锐晶 2011.5.28，河北唐山 建设期 24 个月 将引进蓝宝石长晶炉、晶片切磨抛等先进生产设备，主要生产蓝宝石单晶等产品南京高精传动2011.5.31，安徽合肥 预计 2012 年底试投产规划投资 400 台LED 蓝宝石衬底长晶体制造设备无锡斯达新能源科技2011.6.2，江苏沛县 今年 7 月底开工建设，9 月进行设备安装调试，年底投产年底前一期 8 台LED 蓝宝石长晶炉中赛光晶 2011.6.10，江苏宜春 晶体项目四川德胜集团2011.6，青海浙江昀丰 2011.7，浙江1.3.2 LED 外延片生长设备 MOCVDLED 芯片制作过程中另外一个关键环节就是 MOCVD 的设备与应用，下面做一个简单介绍：1、生产效率和成本概况国际上 MOCVD 技术已经相当成熟，主流设备从 2003 年 6-8 片机、2004 年 12 片机、 2005 年 15 片机、2006 年的 21-24 片机，目前已经达到42、45、49 片机(一次可装载 49 片 2 英寸的衬底生长外延) 。外延炉容量的不断扩大让 LED 外延片生产商的单位生产成本快速大幅下降。目前，量产企业对单批产能的最低要求是在 30 片以上。国产设备目前为 6 片机，生产效率和生产成本差距甚远。2、价格及产值概况生产型 MOCVD 设备的售价高达 10002000 万元（根据机型，6 片机 70 万美元左右，9 片机 100 万美元左右） ，加上相关配套设备设施，一条产线 LED 生产线需要投入 4000 多万元。若新采购设备为 45 片机生产蓝光芯片，按 3 炉/天计算，年产 4 .9 万片左右，收入 4800 万元，投入产出基本为 1:1。3、生产过程工艺复杂，参数众多，优良率与均匀性是关键外延片生长过程工艺复杂，参数众多，培养专业操作人员需时间较长。一个最简单的 GaN 蓝光 LED 单量子阱结构，其生长工艺包括：高温烘烤、缓冲层、重结晶、n-GaN、阱层、叠层及 p-GaN 等，工艺步骤达几十步，每一步需调整的工艺参数共有 20 多个，各参数之间存在比较微妙的关系，工艺编辑人员需根据工艺要求，对各个参数进行逐一调整，必要时还要进行计算，如升温速度、升压速度、生长速率控制、载气与气源配比等。如何根据工艺需要自动对参数进行检查，减轻工艺人员的工作量，是值得研究的新兴课题。每个外延芯片、生产批次与系统之间的关系，能确保良好的均匀性以及优良率，尤其在芯片厂商扩产时，还能维持相同的优良率与均匀性就显的特别关键。4、4 英寸 MOCVD 设备将成为主流现阶段台湾外延厂商在技术上已经具备生产 4 英寸和 6 英寸的能力，但是出于成本的考虑，多数台湾厂家还是以 2 英寸的 MOVCD 设备为生产主线；大部分欧美与韩国厂商则早已使用 4 英寸 MOVCD 设备。 市场预期一旦 4 英寸外延片材料成本大幅崩落（目前 4 英寸外延片的成本价格约为 2 寸外延片的四倍） ，2 英寸的 MOCVD 设备将逐渐被 4 英寸所取代。AIXTRON 与 SemiLEDs 在 2009 年 5 月就合作开发出 6 寸蓝光 LED 芯片，在6x6 寸 AIX 2800G4 HT MOCVD 反应炉的结构上，产量增加约 30%（相较于传统42x2-inch 的架构） ，不但均匀性较好，也减少了边缘效应(edge effect)。不过就现阶段而言，大多数的困难仍然在于 6 寸的基板价格偏高与外延片切割技术的挑战。MOCVD 设备市场情况：1、设备供应商概况目前国际上实力最为雄厚的 MOCVD 系统制造商有 :德国 Aixtron 公司、美国的 Vecoo 公司。因为 MOCVD 系统最关键的问题就是保证材料生长的均匀性和重复性，因此不同厂家的 MOCVD 系统最主要的区别在于反应室结构。 Aixtron采用行星反应(Planetary Reactor)，Veeco 采用 TurboDisc 反应室。 Vecoo 市占率由 2009 年的 31窜升至 42，而 Aixtron 则由原本 62萎缩至 55，合计市占高达 97。其余设备商如应用材料、周星（Jusung）与大阳日酸株式会社则仅占极小的出货比例。 德国 AIXTRON 公司目前，AIXTRON 公司最先进的独特的行星转盘技术应用在大型 G4 2800HT 42*2”以及 Thomas Swan(1999 年被 AIXTRON 收购) CCS Crius 30*2” MOCVD 系统，使得 AIXTRON 的 MOCVD 设备被公认为世界上技术和商业价值最完美的结合。 美国 VEECO 公司美国维易科精密仪器有限公司主打机型 45 片机 K465 已经销售超过 100 台，至今 K 系列 MOCVD 产品全球销售超过 200 台。80%的世界顶尖 LED 企业已经采用 K465 型号的 MOCVD，截止到目前，VEECO 于中国地区大有斩获，累计MOCVD 出货已达 85 台。VEECO 的 MOCVD 主要有以下优势： 首先，它是量产型机器，能有效提高量产的时间，减少清洗和维护的时间和次数。因为开仓清洗过程需要从高达 1000 摄氏度的温度冷却后清洗，然后再将温度升高至 1000 摄氏度，需要浪费不少的时间。 第二，自动化程度高，减少人为操作。例如可自动化导入，机械手在生产完成后可自动更换蓝宝石等，属于量产型的设计。 第三，保护设备投资，防止落伍。避免将来由于新的设备出现，造成旧设备的落伍。通过计划与客户充分沟通，新的设备与旧的设备联系在一起，提升产品的良率。今年以来由于 MOCVD 机台供不应求的状况，使得 VEECO 在这段期间取得了相对有利的市场地位，尤其在中国市场大有斩获。中国地区的成长相较去年成长将近 80%。根据了解，由于 VEECO 开始透过委外代工来增加产能，目前产能规模直追产业龙头 AIXTRON，因此明年 MOCVD 机台供给不足的瓶颈将可望获得解决。 其他厂家主要包括日本酸素(NIPPON Sanso)和日新电机(Nissin Electric)等，其市场基本限于日本国内。此外，日亚公司和丰田合成的设备主要是自己研发，其 GaN-MOCVD 设备不在市场上销售，仅供自用。从设备性能上来讲，日亚公司设备生产的材料质量和器件性能上，要优于AIXTRON 和 EMCORE(已经被 VEECO 收购)的设备。按生产能力计算，2006 年 GaN 型 MOCVD 设备在全球市场的主要分布为：中国台湾地区 48%，美国 15%，日本