大功率LED芯片的封装（共晶焊）及倒装芯片（flip chip）

1、大功率LED芯片的封装（共晶焊）及倒装芯片（flip chip） 美国GREE公司的1W大功率芯片（L型电极），它的上下各有一个电极。其碳化硅（SiC）衬底的底层首先镀一层金属，如金锡合金（一般做芯片的厂家已镀好），然后在热沉上也同样镀一层金锡合金。将LED芯片底座上的金属和热沉上的金属熔合在一起，称为共晶焊接，如图1所示。 对于这种封装方式，一定要注意当led芯片与热沉一起加热时，二者接触要好，最好二者之间加有一定压力，而且二者接触面一定要受力均匀，两面平衡。控制好金和锡的比例，这样焊接效果才好。这种方法做出来的LED的热阻较小、散热较好、光效较高。 这种封装方式是上、下两面输入电流。如果与

2、热沉相连的一极是与热沉直接导电的，则热沉也成为一个电极。因此连接热沉与散热片时要注意绝缘，而且需要使用导热胶把热沉与散热片粘连好。使用这种LED要测试热沉是否与其接触的一极是零电阻，若为零电阻则是相通的，故与热沉相连加装散热片时要注意与散热片绝缘。 共晶点 加热温度也称为共晶点。温度的多少要根据金和锡的比例来定： ·AuSn（金80%，锡20%）：共晶点为282，加热时间控制在几秒钟之内。 ·AuSn（金10%，锡90%）：共晶点为217，加热时间控制在几秒钟之内。 ·AgSn（银3.5%，锡96.5%）：共晶点为232，加热时间控制在几秒钟之内。1、倒装（Fli

3、p chip） 1998年Lumileds公司封装出世界上第一个大功率LED（1W LUXOEN器件），使LED器件从以前的指示灯应用变成可以替代传统照明的新型固体光源，引发了人类历史上继白炽灯发明以来的又一场照明革命。1WLUXOEN器件使LED的功率从几十毫瓦一跃超过1000毫瓦，单个器件的光通 量也从不到1个lm飞跃达到十几个lm。大功率LED由于芯片的功率密度很高，器件的设计者和制造者必须在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计。 目前GaN基外延衬底材料有两大类：一类是以日本日亚化学为代表的蓝宝石；一类是美国CREE公司为代表的SiC衬底。传统的蓝宝石衬底GaN芯片结构， 电极刚

4、好位于芯片的出光面。在这种结构中，小部分p-GaN层和"发光"层被刻蚀，以便与下面的n-GaN层形成电接触。光从最上面的p-GaN层取出。 p-GaN层有限的电导率要求在p-GaN层表面再沉淀一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层由Ni和Au组成，会吸收部分光，从而降低芯片的出光效率。 为了减少发射光的吸收，电流扩展层的厚度应减少到几百纳米。厚度的减少反过来又限制了电流扩散层在p-GaN层表面均匀和可靠地扩散大电流的能力。因此这 种p型接触结构制约了LED芯片的工作功率。同时这种结构pn结的热量通过蓝宝石衬底导出 去，导热路径较长，由于蓝宝石的热导系数较金属低（为35W/mK

5、），因此，这种结构的LED芯片热阻会较大。此外，这种结构的p电极和引线也会挡住部分 光线，所以，这种正装LED芯片的器件功率、出光效率和热性能均不可能是最优的。为了克服正装芯片的这些不足，Lumileds公司发明了倒装芯片 （Flipchip）结构。在这种结构中，光从蓝宝石衬底取出，不必从电流扩散层取出。由于不从电流扩散层出光，这样不透光的电流扩散层可以加厚，增加 Flipchip的电流密度。同时这种结构还可以将pn结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底（为145W/mK），散热效果更优；而且在pn 结与p电极之间增加了一个反光层，又消除了电极和引线的挡光，因此这种结构具有电、光、热等

6、方面较优的特性。2、基于Flip chip的大功率LED热分析我们知道，表征系统热性能的一个主要参数是系统的热阻。热阻的定义为：在热平衡的条件下，两规定点（或区域）温度差与产生这两点温度差的热耗散功率之比。热阻符号：R或Rth；热阻单位：K/W或/W一般倒装型大功率LED表面贴装到金属线路板，也可以再安装外部热沉，增加散热效果。大功率LED芯片电极上焊接的数个BUMP（金球）与Si衬底上对应的BUMP通过共晶焊接在一起，Si衬底通 过粘接材料与器件内部热沉粘接在一起。为了有较好的出光效果，热沉上制作有一个聚光杯，芯片安放在杯的中央，热沉选用高导热系数的金属材料如铜或铝。3、衬底粘接材料对大功率

7、LED热特性的影响LED倒装芯片被粘在管座（器件内部热沉）里，可以通过三种方式：导热胶粘贴、导电型银浆粘贴和锡浆粘贴。导热胶的硬化温度一般低于150，甚至可以在室温下固化，但导热胶的热导率较小，导热特性较差。导电型银浆粘贴的硬化温度一般低于 200，既有良好的热导特性，又有较好的粘贴强度。锡浆粘贴的热导特性是三种方式中最优的，一般用于金属之间焊接，导电性能也非常优越。在大功率LED 器件的封装中，生产厂家容易忽略衬底粘接材料对器件热导特性的影响。其实衬底粘接材料在影响器件热导特性因素中是一个比较重要的因素，如果处理不好，将使得LED的热阻过大，导致在额定工作条件下器件的结温过高，导致器件的出光

8、效率下降、可靠性降低。当选用铅锡焊料63Sn/37Pb，=39W/mK， 同时其厚度等于20m时，RAttach等于0.026（K/W），即使其厚度为100m，RAttach也只等于0.131（K/W）；当选用热沉粘接胶Ablefilm5020K，=0.7W/mK，同时其厚度等于20m时， RAttach等于1.457（K/W），当其厚度为100m时，RAttach等于7.286（K/W）；当我们选用导电型芯片粘接胶 Ablebond84-1LMISR4，=2.5W/m?K，同时其厚度等于20m时，RAttach等于0.408（K/W），当其厚度为 100m时，RAttach等于2.041（K/W）。因此，选用不同的粘接材料对其热阻存在很大的影响，同时，在印刷或涂敷芯片粘接材料时，如何降低材料厚度也十分重要。4、小结LED芯片结温最高允许125，如果其最差工作环境温度为65，则对一个1W的大功率 LED来说，考虑到从大功率器件外部热沉的热阻一般为40（K/W），器件pn结至器件的热阻应小于20（K/W）。而对一个5W的大功率LED来说，如 果其最差工作环境温度为65，则从pn结至环境的热阻要小于12K/W才能保证芯片结温不超过125，而如果选用Ablefilm502