干货| LED倒装技术及工艺
引言发光二极管（LED）作为新型的绿色照明光源，具有节能、高效、低碳、体积小、反应快、抗震性强等优点，可以为用户提供环保、稳定、高效和安全的全新照明体验，已经逐步发展成为成熟的LED照明照明产业。
近年来，全球各个guo jia纷纷开始禁用白炽灯泡，LED将会迎来一个黄金的增长期。此外，近年来LED在电视机背光、手机、和平板电脑等方面的应用也迎来了爆发式的增长，LED具有广阔的应用发展前景。
自从发明氮化镓（GaN）蓝光LED以来，通过蓝光激发黄色荧光粉为基础的白光LED为照明、背光和显示等提供了合适的白光解决方案，从而推动了蓝光LED芯片和相应的白光封装技术的快速发展，特别是最近几年来，LED技术的发展更是日新月异。
LED的技术发展，主要围绕如何提升LED发光效率、提高LED工作可靠性和降低LED产品的综合成本三个方面来进行的。
其中，LED封装器件的发光效率提升，主要从芯片和封装材料、外延层结构、芯片设计、芯片和封装制造工艺等多种途径着力，以提高最终LED器件的发光效率。
而LED器件的可靠性提高方面，需要从芯片和封装结构、材料和制造工艺入手，重点解决好LED器件的电连接、散热和材料稳定性及匹配问题。
成本方面，在LED技术发展、制造工艺和设备进步以及规模化效应的作用下，近年来LED器件成本下降非常快，从而极大地推动了LED的广泛应用和快速渗透。
LED蓝光芯片技术一直存在正装结构、垂直结构和倒装结构三个技术方向，三种结构各有其特点和优势。
其中倒装芯片结构的概念直接来自于硅集成电路，倒装芯片在硅集成电路中已经大量应用且非常成熟，倒装芯片结构直接采用金属凸点与基板连接，从而消除了用金线连接带来的断金线的失效问题，特别是在芯片具有较多I/O连接口的情况下，可靠性改善更加明显。
倒装芯片应用于LED后，除消除断线风险外，还使LED的散热效果明显改善，从而使大功率LED器件及模组光源的可靠性得到了显著提高。
此外，由于倒装结构不需要金线连接，因此在后封装和荧光粉涂敷方面具有明显的优势，适合在芯片制造阶段就直接完成封装过程，称为芯片级封装（部分公司甚至叫无封装），从而降低整体器件成本。
近两年来，倒装LED成为了技术发展的热门方向和重点方向，各个厂家纷纷投入人力物力进行研发，并已推出倒装LED器件产品。
本文将重点介绍倒装LED的发展状况，主要围绕倒装LED的制作流程，说明倒装LED在芯片和封装上的工艺特点，描述倒装LED在现在和未来的应用形式，并展望倒装LED的未来发展方向。
1、倒装LED结构和特点介绍
1.1 三种LED芯片结构的对比目前LED芯片的结构主要有三种：正装结构、倒装结构和垂直结构，见图1。
图1：正装、倒装和垂直结构芯片对比图
正装LED芯片在结构上，P和N的金属电极焊盘都在出光的一面，整个P型GaN表面的电连接通过透明导电薄膜来实现。由于透明导电膜层较薄，导电能力有限，在整个P型GaN表面存在电流分布不均的问题。
在应用时，需要将正装LED芯片通过固晶胶固定在支架或基板上，点亮过程中芯片产生的热量需要通过蓝宝石散出去，由于蓝宝石和固晶胶材料本身的散热特性就较差，使得器件整体的散热较差；
同时正装LED芯片还必须打金线实现电连接，器件的长期可靠性较差；
因此正装芯片适合应用于总体发热量不高的中小功率封装器件，目前主要应用于灯管、吸顶灯、球泡、射灯等室内照明灯具上。
由于正装LED的制作工艺简单且成熟，成本也相对较低，所以大多LED芯片厂商都采用此种结构，市场出货量也最大，典型的企业包括晶元光电（Epistar）、三安、日亚（Nichia）、首尔LED照明（Soul）、华灿等。
垂直结构LED芯片采用上下电极结构，其基座是作为一个导电电极，电流沿上下电极纵向流动。在工艺上，垂直结构芯片先在蓝宝石衬底或SiC衬底上进行芯片工艺，再通过激光剥离技术将芯片转移到金属衬底上，实现垂直结构LED。
垂直结构芯片的散热较好，适合做大功率产品，但其生产工序中需要将衬底剥离，实现衬底的转移，该技术方向工艺复杂、成本较高，此外其还是需要打一根金线，未能彻底解决断线的可靠性问题；目前采用垂直结构典型的企业包括旭明（Semi LEDs）和科锐（Cree）。
倒装LED芯片结构与正装LED芯片相反，LED通过蓝宝石面出光，P和N金属电极通过倒装焊接工艺直接连接在基板上。LED芯片产生的热量直接通过大面积的金属电极散到基板上，热效果较好。且不需要打一根金线，彻底实现了无金线封装，可靠性高。
目前采用倒装LED技术典型的企业包括Philips Lumileds和晶科电子（APT）。
1.2、倒装LED结构的技术优势相对于正装和垂直LED结构，倒装结构具有较多的优势，如图2所示是倒装LED芯片与基板连接的示意图。从中可见，倒装LED结构在力、热、光、电等方面都具有明显的优势：
图2：倒装LED芯片与基板连接示意图
（1）实现了无金线的LED封装器件，防止了金线断裂失效，可靠性高：从前面三种LED芯片结构可见，正装和垂直结构的芯片都需要通过金线进行电性连接，而金线的存在则为LED的可靠性带来了风险。
在LED死灯的案例中，金线断裂占有最大的比例。金线断裂的因素很多，有可能硅胶、支架等封装材料热热膨胀系数不匹配，有可能是瞬间大电流导致的金线烧断等，所以金线的存在则会留有风险；而且金线的存在不利于LED产品的大电流使用。
而倒装结构的LED能够实现光源内部的无金线互联，减少了由于金线断裂导致LED死灯的可能性，提高了光源产品的大电流工作性能及其长期可靠性。
（2）直接通过大面积金属散热，无固晶胶，热阻低，散热效果好，可靠性高；
（3）正面无焊线PAD挡光，LED整体亮度高，光效高；
（4）大面积的金属电连接，由于散热效果好，在同等芯片面积的情况下，可以驱动到更大的电流，使LED器件的性价比(lm/$)提高。同时抗瞬间大电流冲击能力明显增强，适合瞬间大电流驱动的应用场合，如闪光灯应用。
（5）在多芯片LED集成和模组制作上倒装芯片具有明显的优势，如图3所示，给出了三种结构的多芯片LED模组的对比示意图。
从中可见，正装和垂直结构的LED模组中，存在大量的金线连接，如果有一根金线断裂，整个模组就会失效。而倒装芯片模组则完全克服了这种失效。
另外，由于模组光源功率很大，发热量很大，倒装芯片的散热优势能够很好的发挥出来。
此外，通过倒装芯片可以使芯片间排布更紧密，可以实现小尺寸和高密度的大功率封装模组，使得整体的封装尺寸变小，有利于整灯的光学、热学设计，有利于整灯的小型化，特别适合用于大功率、小角度投射型灯具，如投影仪灯、小角度射灯（Spotlight）等。
图3：三种结构的多芯片LED模组示意图
（6）在后封装制程上，倒装LED芯片由于无金线存在，可以使荧光粉涂敷工艺更加容易，简化封装制程。
可以在芯片制造过程完成封装工艺，实现芯片级封装（Chip Scale Package,CSP）。
可以类似集成电路的封装制程，一整个圆片或晶片一起封装，实现晶圆级封装（Wafer-Level Package，WLP)，从而垂直整合芯片和封装工艺，降低LED器件成本。
（7）倒装LED芯片结构有利于实现LED与其它集成电路IC的系统化集成。将硅基集成电路技术和倒装LED相结合，实现LED与多种IC的系统封装，形成系统化的LED光源。
近年来，全球各个guo jia纷纷开始禁用白炽灯泡，LED将会迎来一个黄金的增长期。此外，近年来LED在电视机背光、手机、和平板电脑等方面的应用也迎来了爆发式的增长，LED具有广阔的应用发展前景。
自从发明氮化镓（GaN）蓝光LED以来，通过蓝光激发黄色荧光粉为基础的白光LED为照明、背光和显示等提供了合适的白光解决方案，从而推动了蓝光LED芯片和相应的白光封装技术的快速发展，特别是最近几年来，LED技术的发展更是日新月异。
LED的技术发展，主要围绕如何提升LED发光效率、提高LED工作可靠性和降低LED产品的综合成本三个方面来进行的。
其中，LED封装器件的发光效率提升，主要从芯片和封装材料、外延层结构、芯片设计、芯片和封装制造工艺等多种途径着力，以提高最终LED器件的发光效率。
而LED器件的可靠性提高方面，需要从芯片和封装结构、材料和制造工艺入手，重点解决好LED器件的电连接、散热和材料稳定性及匹配问题。
成本方面，在LED技术发展、制造工艺和设备进步以及规模化效应的作用下，近年来LED器件成本下降非常快，从而极大地推动了LED的广泛应用和快速渗透。
LED蓝光芯片技术一直存在正装结构、垂直结构和倒装结构三个技术方向，三种结构各有其特点和优势。
其中倒装芯片结构的概念直接来自于硅集成电路，倒装芯片在硅集成电路中已经大量应用且非常成熟，倒装芯片结构直接采用金属凸点与基板连接，从而消除了用金线连接带来的断金线的失效问题，特别是在芯片具有较多I/O连接口的情况下，可靠性改善更加明显。
倒装芯片应用于LED后，除消除断线风险外，还使LED的散热效果明显改善，从而使大功率LED器件及模组光源的可靠性得到了显著提高。
此外，由于倒装结构不需要金线连接，因此在后封装和荧光粉涂敷方面具有明显的优势，适合在芯片制造阶段就直接完成封装过程，称为芯片级封装（部分公司甚至叫无封装），从而降低整体器件成本。
近两年来，倒装LED成为了技术发展的热门方向和重点方向，各个厂家纷纷投入人力物力进行研发，并已推出倒装LED器件产品。
本文将重点介绍倒装LED的发展状况，主要围绕倒装LED的制作流程，说明倒装LED在芯片和封装上的工艺特点，描述倒装LED在现在和未来的应用形式，并展望倒装LED的未来发展方向。
1、倒装LED结构和特点介绍
1.1 三种LED芯片结构的对比目前LED芯片的结构主要有三种：正装结构、倒装结构和垂直结构，见图1。
图1：正装、倒装和垂直结构芯片对比图
正装LED芯片在结构上，P和N的金属电极焊盘都在出光的一面，整个P型GaN表面的电连接通过透明导电薄膜来实现。由于透明导电膜层较薄，导电能力有限，在整个P型GaN表面存在电流分布不均的问题。
在应用时，需要将正装LED芯片通过固晶胶固定在支架或基板上，点亮过程中芯片产生的热量需要通过蓝宝石散出去，由于蓝宝石和固晶胶材料本身的散热特性就较差，使得器件整体的散热较差；
同时正装LED芯片还必须打金线实现电连接，器件的长期可靠性较差；
因此正装芯片适合应用于总体发热量不高的中小功率封装器件，目前主要应用于灯管、吸顶灯、球泡、射灯等室内照明灯具上。
由于正装LED的制作工艺简单且成熟，成本也相对较低，所以大多LED芯片厂商都采用此种结构，市场出货量也最大，典型的企业包括晶元光电（Epistar）、三安、日亚（Nichia）、首尔LED照明（Soul）、华灿等。
垂直结构LED芯片采用上下电极结构，其基座是作为一个导电电极，电流沿上下电极纵向流动。在工艺上，垂直结构芯片先在蓝宝石衬底或SiC衬底上进行芯片工艺，再通过激光剥离技术将芯片转移到金属衬底上，实现垂直结构LED。
垂直结构芯片的散热较好，适合做大功率产品，但其生产工序中需要将衬底剥离，实现衬底的转移，该技术方向工艺复杂、成本较高，此外其还是需要打一根金线，未能彻底解决断线的可靠性问题；目前采用垂直结构典型的企业包括旭明（Semi LEDs）和科锐（Cree）。
倒装LED芯片结构与正装LED芯片相反，LED通过蓝宝石面出光，P和N金属电极通过倒装焊接工艺直接连接在基板上。LED芯片产生的热量直接通过大面积的金属电极散到基板上，热效果较好。且不需要打一根金线，彻底实现了无金线封装，可靠性高。
目前采用倒装LED技术典型的企业包括Philips Lumileds和晶科电子（APT）。
1.2、倒装LED结构的技术优势相对于正装和垂直LED结构，倒装结构具有较多的优势，如图2所示是倒装LED芯片与基板连接的示意图。从中可见，倒装LED结构在力、热、光、电等方面都具有明显的优势：
图2：倒装LED芯片与基板连接示意图
（1）实现了无金线的LED封装器件，防止了金线断裂失效，可靠性高：从前面三种LED芯片结构可见，正装和垂直结构的芯片都需要通过金线进行电性连接，而金线的存在则为LED的可靠性带来了风险。在LED死灯的案例中，金线断裂占有最大的比例。金线断裂的因素很多，有可能硅胶、支架等封装材料热热膨胀系数不匹配，有可能是瞬间大电流导致的金线烧断等，所以金线的存在则会留有风险；而且金线的存在不利于LED产品的大电流使用。
而倒装结构的LED能够实现光源内部的无金线互联，减少了由于金线断裂导致LED死灯的可能性，提高了光源产品的大电流工作性能及其长期可靠性。
（2）直接通过大面积金属散热，无固晶胶，热阻低，散热效果好，可靠性高；
（3）正面无焊线PAD挡光，LED整体亮度高，光效高；
（4）大面积的金属电连接，由于散热效果好，在同等芯片面积的情况下，可以驱动到更大的电流，使LED器件的性价比(lm/$)提高。同时抗瞬间大电流冲击能力明显增强，适合瞬间大电流驱动的应用场合，如闪光灯应用。
（5）在多芯片LED集成和模组制作上倒装芯片具有明显的优势，如图3所示，给出了三种结构的多芯片LED模组的对比示意图。
从中可见，正装和垂直结构的LED模组中，存在大量的金线连接，如果有一根金线断裂，整个模组就会失效。而倒装芯片模组则完全克服了这种失效。
另外，由于模组光源功率很大，发热量很大，倒装芯片的散热优势能够很好的发挥出来。
此外，通过倒装芯片可以使芯片间排布更紧密，可以实现小尺寸和高密度的大功率封装模组，使得整体的封装尺寸变小，有利于整灯的光学、热学设计，有利于整灯的小型化，特别适合用于大功率、小角度投射型灯具，如投影仪灯、小角度射灯（Spotlight）等。
图3：三种结构的多芯片LED模组示意图
（6）在后封装制程上，倒装LED芯片由于无金线存在，可以使荧光粉涂敷工艺更加容易，简化封装制程。
可以在芯片制造过程完成封装工艺，实现芯片级封装（Chip Scale Package,CSP）。
可以类似集成电路的封装制程，一整个圆片或晶片一起封装，实现晶圆级封装（Wafer-Level Package，WLP)，从而垂直整合芯片和封装工艺，降低LED器件成本。
（7）倒装LED芯片结构有利于实现LED与其它集成电路IC的系统化集成。将硅基集成电路技术和倒装LED相结合，实现LED与多种IC的系统封装，形成系统化的LED光源。
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