裝晶片之所以被稱為“倒裝”是相對於傳統的金屬線鍵合連接方式(WireBonding)與yu植zhi球qiu後hou的de工gong藝yi而er言yan的de。傳chuan統tong的de通tong過guo金jin屬shu線xian鍵jian合he與yu基ji板ban連lian接jie的de晶jing片pian電dian氣qi麵mian朝chao上shang，而er倒dao裝zhuang晶jing片pian的de電dian氣qi麵mian朝chao下xia，相xiang當dang於yu將jiang前qian者zhe翻fan轉zhuan過guo來lai，故gu稱cheng其qi為wei“倒裝晶片”。

 

daozhuangxinpiandeshizhishizaichuantonggongyidejichushang
，jiangxinpiandefaguangquyudianjiqubushejizaitongyigepingmianzheshizeyoudianjiqumianchaoxiangdengbeidibujinxingtiezhuang，keyishengdiaohanxianzheyigongxu，danshiduigujingzheduangongyidejingduyaoqiujiaogao，yibanhennandadaojiaogaodelianglv。

 

 

①基材材是矽
；②電氣麵及焊凸在元件下表麵
；③組裝在基板後需要做底部填充。

 

 

通過MOCVD技術在蘭寶石襯底上生長GaN基LED結構層，由P/N結髮光區發出的光透過上麵的P型區射出。由於P型GaN傳導性能不佳，為獲得良好的電流擴展，需要通過蒸鍍技術在P區表麵形成一層Ni-Au組成的金屬電極層。P區引線通過該層金屬薄膜引出。為獲得好的電流擴展

，Ni-Au金jin屬shu電dian極ji層ceng就jiu不bu能neng太tai薄bo。為wei此ci
，器qi件jian的de發fa光guang效xiao率lv就jiu會hui受shou到dao很hen大da影ying響xiang，通tong常chang要yao同tong時shi兼jian顧gu電dian流liu擴kuo展zhan與yu出chu光guang效xiao率lv二er個ge因yin素su。但dan無wu論lun在zai什shen麼麼情qing況kuang下xia，金jin屬shu薄bo膜mo的de存cun在zai
，總zong會hui使shi透tou光guang性xing能neng變bian差cha。此ci外wai，引yin線xian焊han點dian的de存cun在zai也ye使shi器qi件jian的de出chu光guang效xiao率lv受shou到dao影ying響xiang。采cai用yongGaNLED倒裝芯片的結構可以從根本上消除上麵的問題。

 

近年
，世界各國如歐洲各國
、美國、日本
、韓國和中國等皆有LED照明相關項目推行。其中
，以我國所推廣的“十城萬盞”jihuazuiweizhumu。ludengshichengshizhaomingbukequeshaodeyibufen，chuantongludengtongchangcaiyonggaoyanadenghuojinludeng
，zheliangzhongguangyuanzuidadetedianshifaguangdedianhuguanchicunxiao
，keyichanshenghendadeguangshuchu，bingqiejuyouhengaodeguangxiao。danzheleiguangyuanyingyongzaidaoludengjuzhong，zhiyouyue40%的光直接通過玻璃罩到達路麵

，60%的光通過燈具反射器反射後再從燈具中射出。

 

因此目前傳統燈具基本存在兩個不足，一是燈具直接照射的方向上照度很高，在次幹道可達到50Lx以上，這一區域屬明顯的過度照明，而兩個燈具的光照交叉處的照度僅為燈下中心位置的照度的20%-40%，光分布均勻度低；二是此類燈具的反射器效率一般僅為50%-60%，因此在反射過程中有大量的光損失，所以傳統高壓鈉燈或金鹵燈路燈總體效率在70-80%，均勻度低，且有照度的過度浪費。另外，高壓鈉燈和金鹵燈使用壽命通常小於6000小時，且顯色指數小於30

；LED有著高效
、節能、壽命長(5萬小時)、環保、顯色指數高(>75)等顯著優點，如何有效的將LED應用在道路照明上成為了LED及路燈廠家現時最熱門的話題。一般而言，根據路燈的使用環境對LED的光學設計
、壽命保障、防塵和防水能力、散熱處理、光效等方麵均有嚴格的要求。作為LED路燈的核心，LED芯片的製造技術和對應的封裝技術共同決定了LED未來在照明領域的應用前景。

 

 

LED芯片發光效率的提高決定著未來LED路lu燈deng的de節jie能neng能neng力li，隨sui著zhe外wai延yan生sheng長chang技ji術shu和he多duo量liang子zi阱jing結jie構gou的de發fa展zhan，外wai延yan片pian的de內nei量liang子zi效xiao率lv已yi有you很hen大da提ti高gao。要yao如ru何he滿man足zu路lu燈deng使shi用yong的de標biao準zhun

，很hen大da程cheng度du上shang取qu決jue於yu如ru何he從cong芯xin片pian中zhong用yong最zui少shao的de功gong率lv提ti取qu最zui多duo的de光guang，簡jian單dan而er言yan，就jiu是shi降jiang低di驅qu動dong電dian壓ya，提ti高gao光guang強qiang。傳chuan統tong正zheng裝zhuang結jie構gou的deLED芯片
，一般需要在p-GaN上鍍一層半透明的導電層使電流分布更均勻，而這一導電層會對LED發出的光產生部分吸收，而且p電極會遮擋住部分光

，這就限製了LED芯片的出光效率。而采用倒裝結構的LED芯片，不但可以同時避開P電極上導電層吸收光和電極墊遮光的問題，還可以通過在p-GaN表麵設置低歐姆接觸的反光層來將往下的光線引導向上

，這樣可同時降低驅動電壓及提高光強。(見圖1)另一方麵

，圖形化藍寶石襯底(PSS)技術和芯片表麵粗糙化技術同樣可以增大LED芯片的出光效率50%以上。PSSjiegouzhuyaoshiweilejianshaoguangzizaiqijianneiquanfansheerzengjiachuguangxiaolv
，erxinpianbiaomiancucaohuajishukeyijianshaoguangxiancongxinpianneibufashedaoxinpianwaibushizaijiemianchufashengfanshedeguangxiansunshi。muqian，LED芯片采用倒裝結構和圖形化技術，1W功率芯片白光封裝後，5000K色溫下
，光效最高達到134lm/W。

 

 

散熱問題是功率型白光LED需重點解決的技術難題，散熱效果的優劣直接關係到路燈的壽命和節能效果。LED是靠電子在能帶間躍遷產生光的，其光譜中不含有紅外部分
，所以LED的熱量不能靠輻射散發。如果LED芯片中的熱量不能及時散發出去，會加速器件的老化。一旦LED的溫度超過最高臨界溫度(跟據不同外延及工藝，芯片溫度大概為150℃)，往往會造成LED永久性失效。有效地解決LED芯片的散熱問題，對提高LED路(lu)燈(deng)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)壽(shou)命(ming)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。要(yao)做(zuo)到(dao)這(zhe)一(yi)點(dian)，最(zui)直(zhi)接(jie)的(de)方(fang)法(fa)莫(mo)過(guo)於(yu)提(ti)供(gong)一(yi)條(tiao)良(liang)好(hao)的(de)導(dao)熱(re)通(tong)道(dao)讓(rang)熱(re)量(liang)從(cong)結(jie)往(wang)外(wai)散(san)出(chu)。在(zai)芯(xin)片(pian)的(de)級(ji)別(bie)上(shang)，與(yu)傳(chuan)統(tong)正(zheng)裝(zhuang)結(jie)構(gou)以(yi)藍(lan)寶(bao)石(shi)襯(chen)底(di)作(zuo)為(wei)散(san)熱(re)通(tong)道(dao)相(xiang)比(bi)，垂(chui)直(zhi)及(ji)倒(dao)裝(zhuang)焊(han)芯(xin)片(pian)結(jie)構(gou)有(you)著(zhe)較(jiao)佳(jia)的(de)散(san)熱(re)能(neng)力(li)。垂(chui)直(zhi)結(jie)構(gou)芯(xin)片(pian)直(zhi)接(jie)采(cai)用(yong)銅(tong)合(he)金(jin)作(zuo)為(wei)襯(chen)底(di)
，有(you)效(xiao)地(di)提(ti)高(gao)了(le)芯(xin)片(pian)的(de)散(san)熱(re)能(neng)力(li)。倒(dao)裝(zhuang)焊(han)(Flip-Chip)技術通過共晶焊將LED芯片倒裝到具有更高導熱率的矽襯底上(導熱係數約120W/mK
，傳統正裝芯片藍寶石導熱係數約20W/mK)，芯片與襯底間的金凸點和矽襯底同時提高了LED芯片的散熱能力，保障LED的熱量能夠快速從芯片中導出。

 

 

另外，抗靜電釋放(ESD)能力是影響LED芯片可靠性的另一因素。藍寶石襯底的藍色芯片其正負電極均位於芯片上麵
，間距很小；對於InGaN/AlGaN/GaN雙異質結，InGaN活化簿層厚度僅幾十納米
，對靜電的承受能力有限，很容易被靜電擊穿，使器件失效。為了防止靜電對LED芯片的損害，一方麵可以采用將生產設備接地和隔離人體靜電等生產管理方法

，另一方麵可以在LED芯片中加入齊納保護電路。在應用到路燈領域中，傳統芯片結構ESDHBM最高約為2000V，通常需要在封裝過程中通過金線並聯一顆齊納芯片以提高ESD防護能力
，不僅增加封裝成本和工藝難度
，可靠性也有較大的風險。通過在矽襯底內部集成齊納保護電路的方法
，可以大大提高LED芯片的抗靜電釋放能力(ESDHBM=4000~8000V)
，同時節約封裝成本，簡化封裝工藝
，並提高產品可靠性。

 

 

LED路燈通常為60-200W左右

，目前主要采取兩種方式來實現
，一種是通過“多顆芯片金線串並聯的模組”和“多顆LED通過PCB串並聯”的方式來實現高瓦數。無論哪種實現方式

，均要求在封裝過程中通過焊線(Wire-bonding)的方式實現芯片與支架的電路連接，而焊接過程中瓷嘴對LED的芯片的衝擊是導致LED漏電
、虛焊等主要原因，傳統正裝和垂直結構LED，電極位於芯片的發光表麵
，因此焊線過程中瓷嘴的正麵衝擊極易造成發光區和電極金屬層等的損傷

，在LED芯片采取倒裝結構中，電極位於矽基板上

，焊線過程中不對芯片進行衝擊，極大地提高封裝可靠性和生產良率。

 

 

作為LED路燈的核心器件
，LED芯片的性能需要通過LED封裝工藝來實現光效、壽命
、穩定性、光學設計
、散熱等能力的提升。由於芯片結構的不同
，對應的封裝工藝也有較大的差異。

 

 

正裝結構和垂直結構的芯片是GaN與熒光粉和矽膠接觸，而倒裝結構中是藍寶石(sapphire)與熒光粉和矽膠接觸。GaN的折射率約為2.4，藍寶石折射率為1.8

，熒光粉折射率為1.7，矽膠折射率通常為1.4-1.5。藍寶石/(矽膠+熒光粉)和GaN/(矽膠+熒光粉)的全反射臨界角分別為51.1-70.8°和36.7-45.1°，在(zai)封(feng)裝(zhuang)結(jie)構(gou)中(zhong)由(you)藍(lan)寶(bao)石(shi)表(biao)麵(mian)射(she)出(chu)的(de)光(guang)經(jing)由(you)矽(gui)膠(jiao)和(he)熒(ying)光(guang)粉(fen)界(jie)麵(mian)層(ceng)的(de)全(quan)反(fan)射(she)臨(lin)界(jie)角(jiao)更(geng)大(da)，光(guang)線(xian)全(quan)反(fan)射(she)損(sun)失(shi)大(da)大(da)降(jiang)低(di)。同(tong)時(shi)，芯(xin)片(pian)結(jie)構(gou)的(de)設(she)計(ji)不(bu)同(tong)
，導(dao)致(zhi)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)和(he)電(dian)壓(ya)的(de)不(bu)同(tong)
，對(dui)LED的光效有明顯的影響。如傳統的正裝芯片通常電壓在3.5V以上，而倒裝結構芯片
，由於電極結構的設計
，電流分布更均勻，使LED芯片的電壓大幅度降低至2.8V-3.0V
，因此
，在同樣光通量的情況
，倒裝芯片的光效比正裝芯片光效約高16-25%左右。

 

 

LED的可靠性由LED芯片、熒光粉
、矽膠、支架、金線等材料共同決定，其中LED芯片產生的熱量如不能快速導出

，將直接影響LED芯片的結溫和熒光粉
、矽膠的可靠性。目前熒光粉根據體係不同，耐高溫能力也有較大的差別，通常熒光粉在100-120℃以上開始有衰減，因此如何降低LED芯片表麵的溫度成為提高LED可ke靠kao性xing的de關guan鍵jian因yin素su。垂chui直zhi結jie構gou芯xin片pian能neng夠gou通tong過guo金jin屬shu襯chen底di將jiang熱re量liang快kuai速su導dao出chu至zhi支zhi架jia中zhong，芯xin片pian表biao麵mian溫wen度du較jiao低di
，正zheng裝zhuang芯xin片pian熱re量liang通tong過guo藍lan寶bao石shi導dao出chu至zhi支zhi架jia中zhong，由you於yu藍lan寶bao石shi導dao熱re率lv較jiao低di(約20W/mK)，熱量無法快速導出，逐漸累積，對熒光粉的可靠性影響較大。倒裝結構的芯片的熱量絕大部分向下通過金凸點快速導入至矽基板(導熱率約120W/mK)中，再由矽基板導入支架中

，而向上由於藍寶石導熱率低，隻有小部分熱量積累在藍寶石中，實現熱(向下導出)和光的分離(向上射出)設計，同時藍寶石的表麵溫度較低，可以延長熒光粉的老化周期，大大提高LED的可靠性和壽命。同時，由於倒裝結構的良好散熱設計
，倒裝1W芯片可以具有更好的L-I線性關係(見下圖)和飽和電流容忍能力及大電流承受能力。倒裝1W功率芯片可支持長期室溫780mA大電流老化。

 

LED倒裝芯片以其低電壓(3.0V以下)、高光效(100-110lm/W)、高穩定性而逐漸被國內大多數燈具廠家應用於路燈照明中。現以一客戶用倒裝芯片安裝的路燈為例對高壓鈉燈和LED路燈進行對比分析。港前大道在改造前采用400W(頂燈)+150W(腰燈)高壓鈉燈路燈，每杆日耗電量為6.6度，改造後采用180W(頂燈)+60W(腰燈)LED路燈，每杆日耗電量為3.1度，道路照明質量完全達到城市道路照明標準CJJ-45-2006的要求，節能53%。采用德國LM-1009道路專用窄視角亮度計，按道路照明亮度測量方法(測量儀器位於距離起始被測點60米處，儀器高度1.2米
，沿車道中心線測量兩燈杆間亮度最高和最低處，逐點測量)
，改造前該路麵最大照度為42Lx，最小照度為8Lx，平均照度30Lx

，均勻度0.3
；改造後該路麵最大照度為23Lx，最小照度為12Lx，平均照度18Lx
，均勻度0.75。

 

由於LED光源的顯色性在70以上，亮度分布均勻
，對目標的辨別能力遠好於顯色指數為23的高壓鈉燈，在道路照明的條件下(中間視覺)，適當降低白光LED的照度要求(降低1/3)，可以達到與高壓鈉燈同等的照明效果。此次在港前大道更換使用LED路燈後，路麵總體均勻度
、縱向均勻度
、橫向均勻度均達到了0.70以上
，取得很好的照明效果。

 

 

目前高功率的LED路燈主要通過“多顆芯片金線串並聯”和“多顆LED通過PCB串並聯”的(de)方(fang)式(shi)來(lai)實(shi)現(xian)。前(qian)者(zhe)由(you)於(yu)芯(xin)片(pian)之(zhi)間(jian)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)光(guang)電(dian)參(can)數(shu)的(de)匹(pi)配(pei)，且(qie)多(duo)顆(ke)金(jin)線(xian)串(chuan)並(bing)聯(lian)封(feng)裝(zhuang)的(de)工(gong)藝(yi)不(bu)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)低(di)封(feng)裝(zhuang)良(liang)率(lv)，一(yi)直(zhi)未(wei)被(bei)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)。而(er)後(hou)者(zhe)則(ze)需(xu)要(yao)對(dui)多(duo)顆(ke)LED進行嚴格的光電參數匹配，且光學設計困難。因此
，“芯片級”模組化產品是未來LED芯片的一個重要發展方向。芯片級LED模mo組zu，單dan顆ke芯xin片pian間jian通tong過guo基ji板ban內nei的de電dian路lu實shi現xian串chuan並bing聯lian連lian接jie

，解jie決jue傳chuan統tong模mo組zu集ji成cheng依yi靠kao金jin線xian進jin行xing串chuan並bing聯lian的de問wen題ti
，大da幅fu度du提ti升sheng產chan品pin良liang品pin率lv，極ji大da地di降jiang低di了le整zheng個ge封feng裝zhuang流liu程cheng的de生sheng產chan成cheng本ben，嚴yan格ge控kong製zhi集ji成cheng模mo組zu芯xin片pian的de各ge芯xin片pian間jian的de參can數shu差cha異yi，保bao證zheng模mo組zu芯xin片pian長chang期qi使shi用yong的de可ke靠kao性xing，同tong時shi模mo組zu芯xin片pian可ke以yi作zuo為wei單dan元yuan，進jin行xing串chuan並bing聯lian拚pin接jie

，形xing成cheng更geng大da功gong率lv的de模mo組zu。利li用yong倒dao裝zhuang技ji術shu，可ke以yi在zai“芯片級”上實現不同尺寸、顏色、形狀、功率的多芯片集成，實現超大功率模組產品，這是任何其它的芯片技術不能達到的優勢。