LED芯片倒装工艺原理以及发展趋势（下）
引言
倒装晶片之所以被称为“倒装”是相对于传统的金属线键合连接方式(Wire Bonding)与植球后的工艺而言 的。传统的通过金属线键合与基板连接的晶片电气面朝上，而倒装晶片的电气面朝下，相当于将前者翻转过来， 故称其为“倒装晶片”。
LED芯片的封装要求作为LED路灯的核心器件，LED芯片的性能需要通过LED封装工艺来实现光效、寿命、稳定性、光学设计、散热等能力的提升。由于芯片结构的不同，对应的封装工艺也有较大的差异。
光效提升
正装结构和垂直结构的芯片是GaN与荧光粉和硅胶接触，而倒装结构中是蓝宝石(sapphire)与荧光粉和硅胶接触。
GaN的折射率约为2.4，蓝宝石折射率为1.8，荧光粉折射率为1.7，硅胶折射率通常为1.4-1.5。
蓝宝石/(硅胶+荧光粉)和GaN/(硅胶+荧光粉)的全反射临界角分别为51.1-70.8°和36.7-45.1°，在封装结构中由蓝宝石表面射出的光经由硅胶和荧光粉界面层的全反射临界角更大，光线全反射损失大大降低。
同时，芯片结构的设计不同，导致电流密度和电压的不同，对LED的光效有明显的影响。如传统的正装芯片通常电压在3.5V以上，而倒装结构芯片，由于电极结构的设计，电流分布更均匀，使LED芯片的电压大幅度降低至2.8V-3.0V，因此，在同样光通量的情况，倒装芯片的光效比正装芯片光效约高16-25%左右。
可靠性提升
LED的可靠性由LED芯片、荧光粉、硅胶、支架、金线等材料共同决定，其中LED芯片产生的热量如不能快速导出，将直接影响LED芯片的结温和荧光粉、硅胶的可靠性。
目前荧光粉根据体系不同，耐高温能力也有较大的差别，通常荧光粉在100-120℃以上开始有衰减，因此如何降低LED芯片表面的温度成为提高LED可靠性的关键因素。
垂直结构芯片能够通过金属衬底将热量快速导出至支架中，芯片表面温度较低，正装芯片热量通过蓝宝石导出至支架中，由于蓝宝石导热率较低(约20W/mK)，热量无法快速导出，逐渐累积，对荧光粉的可靠性影响较大。
倒装结构的芯片的热量绝大部分向下通过金凸点快速导入至硅基板(导热率约120W/mK)中，再由硅基板导入支架中，而向上由于蓝宝石导热率低，只有小部分热量积累在蓝宝石中，实现热(向下导出)和光的分离(向上射出)设计，同时蓝宝石的表面温度较低，可以延长荧光粉的老化周期，大大提高LED的可靠性和寿命。
同时，由于倒装结构的良好散热设计，倒装1W芯片可以具有更好的L-I线性关系(见图3)和饱和电流容忍能力及大电流承受能力。倒装1W功率芯片可支持长期室温780mA大电流老化。
1W功率芯片安装的路灯实例分析照明效果
LED倒装芯片以其低电压(3.0V以下)、高光效(100-110lm/W)、高稳定性而逐渐被国内大多数灯具厂家应用于路灯照明中。现以一客户用倒装芯片安装的路灯为例对高压钠灯和LED路灯进行对比分析。
港前大道在改造前采用400W(顶灯)+150W(腰灯)高压钠灯路灯，每杆日耗电量为6.6度，改造后采用180W(顶灯)+60W(腰灯)LED路灯，每杆日耗电量为3.1度，道路照明质量完全达到城市道路照明标准CJJ-45-2006的要求，节能53%。
采用德国LM-1009道路专用窄视角亮度计，按道路照明亮度测量方法(测量仪器位于距离起始被测点60米处，仪器高度1.2米，沿车道中心线测量两灯杆间亮度最高和最低处，逐点测量)，改造前该路面最大照度为42Lx，最小照度为8Lx，平均照度30Lx，均匀度0.3;改造后该路面最大照度为23Lx，最小照度为12Lx，平均照度18Lx，均匀度0.75。
由于LED光源的显色性在70以上，亮度分布均匀，对目标的辨别能力远好于显色指数为23的高压钠灯，在道路照明的条件下(中间视觉)，适当降低白光LED的照度要求(降低1/3)，可以达到与高压钠灯同等的照明效果。此次在港前大道更换使用LED路灯后，路面总体均匀度、纵向均匀度、横向均匀度均达到了0.70以上，取得很好的照明效果。
未来LED的芯片发展方向
目前高功率的LED路灯主要通过“多颗芯片金线串并联”和“多颗LED通过PCB串并联”的方式来实现。
前者由于芯片之间需要进行光电参数的匹配，且多颗金线串并联封装的工艺不可靠性和低封装良率，一直未被广泛使用。而后者则需要对多颗LED进行严格的光电参数匹配，且光学设计困难。
因此，“芯片级”模组化产品是未来LED芯片的一个重要发展方向。芯片级LED模组，单颗芯片间通过基板内的电路实现串并联连接，解决传统模组集成依靠金线进行串并联的问题，大幅度提升产品良品率，极大地降低了整个封装流程的生产成本，严格控制集成模组芯片的各芯片间的参数差异，保证模组芯片长期使用的可靠性，同时模组芯片可以作为单元，进行串并联拼接，形成更大功率的模组。
利用倒装技术，可以在“芯片级”上实现不同尺寸、颜色、形状、功率的多芯片集成，实现超大功率模组产品，这是任何其它的芯片技术不能达到的优势。
倒装晶片之所以被称为“倒装”是相对于传统的金属线键合连接方式(Wire Bonding)与植球后的工艺而言 的。传统的通过金属线键合与基板连接的晶片电气面朝上，而倒装晶片的电气面朝下，相当于将前者翻转过来， 故称其为“倒装晶片”。
LED芯片的封装要求作为LED路灯的核心器件，LED芯片的性能需要通过LED封装工艺来实现光效、寿命、稳定性、光学设计、散热等能力的提升。由于芯片结构的不同，对应的封装工艺也有较大的差异。
光效提升
正装结构和垂直结构的芯片是GaN与荧光粉和硅胶接触，而倒装结构中是蓝宝石(sapphire)与荧光粉和硅胶接触。
GaN的折射率约为2.4，蓝宝石折射率为1.8，荧光粉折射率为1.7，硅胶折射率通常为1.4-1.5。
蓝宝石/(硅胶+荧光粉)和GaN/(硅胶+荧光粉)的全反射临界角分别为51.1-70.8°和36.7-45.1°，在封装结构中由蓝宝石表面射出的光经由硅胶和荧光粉界面层的全反射临界角更大，光线全反射损失大大降低。
同时，芯片结构的设计不同，导致电流密度和电压的不同，对LED的光效有明显的影响。如传统的正装芯片通常电压在3.5V以上，而倒装结构芯片，由于电极结构的设计，电流分布更均匀，使LED芯片的电压大幅度降低至2.8V-3.0V，因此，在同样光通量的情况，倒装芯片的光效比正装芯片光效约高16-25%左右。
可靠性提升
LED的可靠性由LED芯片、荧光粉、硅胶、支架、金线等材料共同决定，其中LED芯片产生的热量如不能快速导出，将直接影响LED芯片的结温和荧光粉、硅胶的可靠性。
目前荧光粉根据体系不同，耐高温能力也有较大的差别，通常荧光粉在100-120℃以上开始有衰减，因此如何降低LED芯片表面的温度成为提高LED可靠性的关键因素。
垂直结构芯片能够通过金属衬底将热量快速导出至支架中，芯片表面温度较低，正装芯片热量通过蓝宝石导出至支架中，由于蓝宝石导热率较低(约20W/mK)，热量无法快速导出，逐渐累积，对荧光粉的可靠性影响较大。
倒装结构的芯片的热量绝大部分向下通过金凸点快速导入至硅基板(导热率约120W/mK)中，再由硅基板导入支架中，而向上由于蓝宝石导热率低，只有小部分热量积累在蓝宝石中，实现热(向下导出)和光的分离(向上射出)设计，同时蓝宝石的表面温度较低，可以延长荧光粉的老化周期，大大提高LED的可靠性和寿命。
同时，由于倒装结构的良好散热设计，倒装1W芯片可以具有更好的L-I线性关系(见图3)和饱和电流容忍能力及大电流承受能力。倒装1W功率芯片可支持长期室温780mA大电流老化。
1W功率芯片安装的路灯实例分析照明效果
LED倒装芯片以其低电压(3.0V以下)、高光效(100-110lm/W)、高稳定性而逐渐被国内大多数灯具厂家应用于路灯照明中。现以一客户用倒装芯片安装的路灯为例对高压钠灯和LED路灯进行对比分析。
港前大道在改造前采用400W(顶灯)+150W(腰灯)高压钠灯路灯，每杆日耗电量为6.6度，改造后采用180W(顶灯)+60W(腰灯)LED路灯，每杆日耗电量为3.1度，道路照明质量完全达到城市道路照明标准CJJ-45-2006的要求，节能53%。
采用德国LM-1009道路专用窄视角亮度计，按道路照明亮度测量方法(测量仪器位于距离起始被测点60米处，仪器高度1.2米，沿车道中心线测量两灯杆间亮度最高和最低处，逐点测量)，改造前该路面最大照度为42Lx，最小照度为8Lx，平均照度30Lx，均匀度0.3;改造后该路面最大照度为23Lx，最小照度为12Lx，平均照度18Lx，均匀度0.75。
由于LED光源的显色性在70以上，亮度分布均匀，对目标的辨别能力远好于显色指数为23的高压钠灯，在道路照明的条件下(中间视觉)，适当降低白光LED的照度要求(降低1/3)，可以达到与高压钠灯同等的照明效果。此次在港前大道更换使用LED路灯后，路面总体均匀度、纵向均匀度、横向均匀度均达到了0.70以上，取得很好的照明效果。
未来LED的芯片发展方向
目前高功率的LED路灯主要通过“多颗芯片金线串并联”和“多颗LED通过PCB串并联”的方式来实现。
前者由于芯片之间需要进行光电参数的匹配，且多颗金线串并联封装的工艺不可靠性和低封装良率，一直未被广泛使用。而后者则需要对多颗LED进行严格的光电参数匹配，且光学设计困难。
因此，“芯片级”模组化产品是未来LED芯片的一个重要发展方向。芯片级LED模组，单颗芯片间通过基板内的电路实现串并联连接，解决传统模组集成依靠金线进行串并联的问题，大幅度提升产品良品率，极大地降低了整个封装流程的生产成本，严格控制集成模组芯片的各芯片间的参数差异，保证模组芯片长期使用的可靠性，同时模组芯片可以作为单元，进行串并联拼接，形成更大功率的模组。
利用倒装技术，可以在“芯片级”上实现不同尺寸、颜色、形状、功率的多芯片集成，实现超大功率模组产品，这是任何其它的芯片技术不能达到的优势。
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