LED生产流程非常详细知识讲解.docx

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LED生产流程非常详细知识讲解

LED生产流程非常详细

LED生产流程

LED芯片的制造工艺流程

外延生长的基本原理是：

在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有蓝宝石和、SiC、Si）上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。

目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。

　　MOCVD介绍：

　　金属有机物化学气相淀积（Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，简称MOCVD），1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。

该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备，主要用于GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。

　　LED芯片的制造工艺流程：

　　外延片→清洗→镀透明电极层→透明电极图形光刻→腐蚀→去胶→平台图形光刻→干法刻蚀→去胶→退火→SiO2沉积→窗口图形光刻→SiO2腐蚀→去胶→N极图形光刻→预清洗→镀膜→剥离→退火→P极图形光刻→镀膜→剥离→研磨→切割→芯片→成品测试。

　　其实外延片的生产制作过程是非常复杂的，在展完外延片后，下一步就开始对LED外延片做电极（P极，N极），接着就开始用激光机切割LED外延片（以前切割LED外延片主要用钻石刀），制造成芯片后，在晶圆上的不同位置抽取九个点做参数测试，如图所示：

　　1、主要对电压、波长、亮度进行测试，能符合正常出货标准参数的晶圆片再继续做下一步的操作，如果这九点测试不符合相关要求的晶圆片，就放在一边另外处理。

　　2、晶圆切割成芯片后，100%的目检（VI/VC），操作者要使用放大30倍数的显微镜下进行目测。

　　3、接着使用全自动分类机根据不同的电压，波长，亮度的预测参数对芯片进行全自动化挑选、测试和分类。

　　4、最后对LED芯片进行检查（VC）和贴标签。

芯片区域要在蓝膜的中心，蓝膜上最多有5000粒芯片，但必须保证每张蓝膜上芯片的数量不得少于1000粒，芯片类型、批号、数量和光电测量统计数据记录在标签上，附在蜡光纸的背面。

蓝膜上的芯片将做最后的目检测试与第一次目检标准相同，确保芯片排列整齐和质量合格。

这样就制成LED芯片（目前市场上统称方片）。

　　在LED芯片制作过程中，把一些有缺陷的或者电极有磨损的芯片，分捡出来，这些就是后面的散晶，此时在蓝膜上有一些不符合正常出货要求的晶片，也就自然成了边片或毛片等。

　　刚才谈到在晶圆上的不同位置抽取九个点做参数测试，对于不符合相关要求的晶圆片作另外处理，这些晶圆片是不能直接用来做LED方片，也就不做任何分检了，直接卖给客户了，也就是目前市场上的LED大圆片（但是大圆片里也有好东西，如方片）。

Sputter在辞典中意思为：

（植物）溅散。

此之所谓溅镀乃指物体以离子撞击时，被溅射飞散出。

因被溅射飞散的物体附著于目标基板上而制成薄膜。

在日光灯的插座附近常见的变黑现象，即为身边最赏见之例，此乃因日光灯的电极被溅射出而附著于周围所形成。

溅镀现象，自19世纪被发现以来，就不受欢迎，特别在放电管领域中尤当防止。

近年来被引用于薄膜制作技术效效佳，将成为可用之物。

薄膜制作的应用研究，当初主要为BellLab.及WesternElectric公司，于1963年制成全长10m左右的连续溅镀装置。

1966年由IBM公司发表高周波溅镀技术，使得绝缘物之薄膜亦可制作。

后经种种研究至今已达“不管基板的材料为何，皆可被覆盖任何材质之薄膜”目的境地。

而若要制作一薄膜，至少需要有装置薄膜的基板及保持真空状况的道具（内部机构）。

这种道具即为制作一空间，并使用真空泵将其内气体抽出的必要。

一、真空简介：

所谓真空，依JIS（日本工业标准）定义如下：

较大气压力低的压力气体充满的特定的空间状态。

真空区域大致划分及分子运动如下：

二、Sputter（磁控溅镀）原理：

1、Sputter溅镀定义：

在一相对稳定真空状态下，阴阳极间产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中正离子受阴极之负电位加速运动而撞击阴极上之靶材，将其原子等粒子溅出，此溅出之原子则沉积于阳极之基板上而形成薄膜，此物理现象即称溅镀。

而透过激发、解离、离子化……等反应面产生的分子、原子、受激态物质、电子、正负离子、自由基、UV光（紫外光）、可见光……等物质，而这些物质混合在一起的状态就称之为电浆（Plasma）。

下图为Sputter溅镀模型（类似打台球模型）：

图一中的母球代表被电离后的气体分子，而红色各球则代表将被溅镀之靶材（Si、ITO&Ti等），图二则代表溅镀后被溅射出的原子、分子等的运动情形；即当被加速的离子与表面撞击后，通过能量与动量转移过程（如图三），低能离子碰撞靶时，不能从固体表面直接溅射出原子，而是把动量转移给被碰撞的原子，引起晶格点阵上原子的链锁式碰撞。

这种碰撞将沿着晶体点阵的各个方向进行。

同时，碰撞因在原子最紧密排列的点阵方向上最为有效，结果晶体表面的原子从邻近原子那里得到愈来愈大的能量，如果这个能量大于原子的结合能，原子就从固体表面从各个方向溅射出来。

图四为CPTF之Sputter磁控溅射设备简要模型：

电子在交互电场与磁场E×B作用下将气体电离后撞击靶材表面，使靶材原子或分子等溅射出来并在管面经过吸附、凝结、表面扩散迁移、碰撞结合形成稳定晶核。

然后再通过吸附使晶核长大成小岛，岛长大后互相联结聚结，最后形成连续状薄膜。

2、Sputter溅镀物理原理：

2.1、Sputter溅镀理论根据详解：

洛仑兹力：

实验和理论证明，在磁感强度为B的磁场中，电荷为q、运动速度为的带电粒子，所受的磁场力为

此力通常称为洛伦兹力．此公式称为洛伦兹公式。

根据运动电荷在磁场中的洛伦兹力公式，洛伦兹力的大小为：

。

从公式可以看出，洛伦兹力的大小不仅和的大小有关，而且取决于和之间的夹角的正弦。

当时，，。

此时，运动电荷不受磁力作用。

当时，，。

此时，运动电荷受到最大磁力作用。

洛伦兹力的方向为：

服从右手螺旋法则。

运动电荷带电量的正负不同，即使在均相同的情况下，洛伦兹力的方向也不同。

当时，，即磁场力的方向服从右手螺旋法则。

当时，，负号说明磁场力的方向在右手螺旋法则规定的反方向。

始终运动方向垂直，故洛伦兹力对运动电荷永不做功,洛伦兹力公式是安培定律的微观形式。

洛伦兹公式是洛伦兹在20世纪初首先根据安培定律导出的，之后从实验上得到了验证。

对载流导体在磁场中所受的力，从微观上看，是导体中作定向运动的电子受磁场力作用的结果。

根据安培定律，和电流强度的微观表示形式，

如右图中电流元受到的安培力可改写为:

粒子速度平行于磁场方向的分量所对应的洛伦兹分力，将使粒子作匀速直线运动，两个分运动合成为螺旋线运动。

2.2、Sputter溅镀物理原理：

磁控溅射的工作原理如下图所示；电子在电场E作用下，在飞向基板过程中与氩原子发生碰撞，使其电离出Ar+和一个新的电子，电子飞向基片，Ar+在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。

在溅射粒子中，中性的靶原子或分子则淀积在基片上形成薄膜。

二次电子el一旦离开靶面，就同时受到电场和磁场的作用。

为了便于说明电子的运动情况，可以近似认为：

二次电子在阴极暗区时，只受电场作用；一旦进入负辉区就只受磁场作用。

于是，从靶面发出的二次电子，首先在阴极暗区受到电场加速，飞向负辉区。

进入负辉区的电子具有一定速度，并且是垂直于磁力线运动的。

在这种情况下，电子由于受到磁场B洛仑兹力的作用，而绕磁力线旋转。

电子旋转半圈之后，重新进入阴极暗区，受到电场减速。

当电子接近靶面时，速度即可降到零。

以后，电子又在电场的作用下，再次飞离靶面，开始一个新的运动周期。

电子就这样周而复始，跳跃式地朝着E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移（见下图）。

简称E×B漂移。

电子在正交电磁场作用下的运动轨迹近似于一条摆线。

若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面作圆周运动。

二次电子在环状磁场的控制下，运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，在该区中电离出大量的Ar+离子用来轰击靶材，从而实现了磁控溅射淀积速率高的特点。

随着碰撞次数的增加，电子e1的能量消耗殆尽，逐步远离靶面。

并在电场E的作用下最终沉积在基片上。

由于该电子的能量很低，传给基片的能量很小，致使基片温升较低。

另外，对于e2类电子来说，由于磁极轴线处的电场与磁场平行，电子e2将直接飞向基片，但是在磁极轴线处离子密度很低，所以e2电子很少，对基片温升作用极微。

综上所述，磁控溅射的基本原理，就是以磁场来改变电子的运动方向，并束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量。

因此，使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效。

同时，受正交电磁场束缚的电子，又只能在其能量要耗尽时才沉积在基片上。

这就是磁控溅射具有“低温”，“高速”两大特点的道理。

具体应用于Sputter磁控溅射中之情形如下图所示。

LED制作流程分为两大部分。

首先在衬低上制作氮化镓（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炉中完成的。

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Ⅲ族的有机金属和Ⅴ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。

接下来是对LEDPN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。

如果晶片清洗不够干净，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晶片，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。

晶片在前段制程中，各项制程如清洗、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，因此会有晶粒电极刮伤情形发生。

基板（衬底）

磊晶制程

（扩散、溅射、

化学气相沉积）

磊晶片

清洗

蒸镀

黄光作业

化学蚀刻

熔合

研磨

切割

测试

单晶炉、切片机、磨片机等

外延炉（MOCVD）

清洗机

蒸镀机、电子枪

烘烤、上光阻、

照相曝光、显影

切割机

探针测试台

颗粒度检测仪

刻蚀机

减薄机、清洗机

大功率LED封装技术

导读：

大功率型LED的应用面非常广,不同应用场合下对功率LED的要求不一样。

根据功率大小,目前的功率型LED分为普通功率LED和W级功率LED二种。

输入功率小于1W的LED（几十mW功率LED除外）为普通功率LED；输入功率等于或大于1W的LED为W级功率LED。

而W级功率LED常见的有二种结构形式,一种是单芯片W级功率LED,另一种是多芯片组合的W级功率LED。

一、引言

        半导体发光二极管简称LED,从上世纪六十年代研制出来并逐步走向市场化,其封装技术也是不断改进和发展。

LED由最早用玻璃管封装发展至支架式环氧封装和表面贴装式封装,使得小功率LED获得广泛的应用。

从上世纪九十年代开始,由于LED外延、芯片技术上的突破,四元系AlGaInP和GaN基的LED相继问世,实现了LED全色化,发光亮度大大提高,并可组合各种颜色和白光。

器件输入功率上有很大提高。

目前单芯片1W大功率LED已产业化并推向市场,台湾国联也已研制出10W的单芯片大功率LED。

这使得超高亮度LED的应用面不断扩大,首先进入特种照明的市场领域,并向普通照明市场迈进。

由于LED芯片输入功率的不断提高,对这些功率型LED的封装技术提出了更高的要求。

功率型LED封装技术主要应满足以下二点要求：

一是封装结构要有高的取光效率,其二是热阻要尽可能低,这样才能保证功率LED的光电性能和可靠性。

所以本文将重点对功率型LED的封装技术作介绍和论述。

二、功率型LED封装技术现状

        由于功率型LED的应用面非常广,不同应用场合下对功率LED的要求不一样。

根据功率大小,目前的功率型LED分为普通功率LED和W级功率LED二种。

输入功率小于1W的LED（几十mW功率LED除外）为普通功率LED；输入功率等于或大于1W的LED为W级功率LED。

而W级功率LED常见的有二种结构形式,一种是单芯片W级功率LED,另一种是多芯片组合的W级功率LED。

1．国外功率型LED封装技术：

（1）普通功率LED

         根据报导,最早是由HP公司于1993年推出“食人鱼”封装结构的LED,称“SuperfluxLED”,并于1994年推出改进型的“SnapLED”,其外形如图1所示。

它们典型的工作电流,分别为70mA和150mA,输入功率分别为0.1W和0.3W。

        Osram公司推出“PowerTOPLED”是采用金属框架的PLCC封装结构,其外形图如图2所示。

之后其他一些公司推出多种功率LED的封装结构。

其中一种PLCC-4结构封装形式,其功率约200~300mW,这些结构的热阻一般为75~125℃/W。

总之,这些结构的功率LED比原支架式封装的LED输入功率提高几倍,热阻下降几倍。

（2）W级功率LED

       W级功率LED是未来照明的核心部分,所以世界各大公司投入很大力量,对W级功率封装技术进行研究开发,并均已将所得的新结构、新技术等申请各种专利。

单芯片W级功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LuxeonLED,其结构如图3所示,根据报导,该封装结构的特点是采用热电分离的形式,将倒装芯片用硅载体直接焊接在热沉上,并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料,提高了器件的取光效率并改善了散热特性。

可在较大的电流密度下稳定可靠的工作,并具有比普通LED低得多的热阻,一般为14~17℃/W,现有1W、3W和5W的产品。

该公司近期还报导［1］推出LuxeonIIILED产品,由于对封装和芯片进行改善,可在更高的驱动电流下工作,在700mA电流工作50000小时后仍能保持70%的流明,在1A电流工作20000小时能保持50%的流明。

        Osram公司于2003年推出单芯片的“GoldenDragon”系列LED［2］,如图4所示,其结构特点是热沉与金属线路板直接接触,具有很好的散热性能,而输入功率可达1W。

我国台湾UEC公司（国联）采用金属键合（MetalBonding）技术封装的MB系列大功率LED［3］其特点是用Si代替GaAs衬底,散热好,并以金属黏结层作光反射层,提高光输出。

现有LED单芯片面积分别为：

0.3×0.3mm2、1×1mm2和2.5×2.5mm2的芯片,其输入功率分别有0.3W、1W和10W,其中2.5×2.5mm2芯片光通量可达200lm,0.3W和1W产品正推向市场。

多芯片组合封装的大功率LED,其结构和封装形式较多,这里介绍几种典型的结构封装形式：

①美国UOE公司于2001年推出多芯片组合封装的Norlux系列LED［4］,其结构是采用六角形铝板作为衬底,如图5所示,铝层导热好,中央发光区部分可装配40只芯片,封装可为单色或多色组合,也可根据实际需求布置芯片数和金线焊接方式,该封装的大功率LED其光通量效率为20lm/W,发光通量为100lm。

②LaninaCeramics公司于2003年推出采用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷（LTCC-M）技术封装的大功率LED阵列［5］,有二种产品：

一种为7元LED阵列,光通量为840lm,功率为21W。

另一种是134元LED阵列,光通量为360lm,功率134W。

由于LTCC-M技术是将LED芯片直接连接到密封阵列配置的封装盒上,因此工作温度可达250℃。

③松下公司于2003年推出由64只芯片组合封装的大功率白光LED［6］,光通量可达120lm,采用散热性能优良的衬底,把这些芯片封装在2cm2的面积中,其驱动电流可达8W,这种封装中每1W输入功率其温升仅为1.2℃。

④日亚公司于2003年推出号称是全世界最亮的白光LED,其光通量可达600lm,输出光束为1000lm时,耗电量为30W,最大输入功率为50W,提供展览的白光LED模块发光效率达33lm/W。

有关多芯片组合的大功率LED,许多公司根据实际市场需求,不断开发很多新结构封装的新产品,其开发研制的速度是非常快。

2．国内功率型LED封装技术

     国内LED普通产品的后工序封装能力应该是很强的,封装产品的品种较齐全,据初步估计,全国LED封装厂超过200家,封装能力超过200亿只/年,封装的配套能力也是很强的,但是很多封装厂为私营企业,目前来看规模偏小。

     国内功率型LED的封装,早在上世纪九十年代就开始,一些有实力的后封装企业,当时就开始开发并批量生产,如“食人鱼”功率型LED。

国内的大学、研究所很少对大功率LED封装技术开展研究,信息产业部第13研究所对功率型LED封装技术开展研究工作,并取得很好的研究成果,具体开发出功率LED产品。

    国内有实力的LED封装企业（外商投资除外）,如佛山国星、厦门华联等几个企业,很早就开展功率型LED的研发工作,并取得较好的效果。

如“食人鱼”和PLCC封装结构的产品,均可批量生产,并已研制出单芯片1W级的大功率LED封装的样品。

而且还进行多芯片或多器件组合的大功率LED研制开发,并可提供部分样品供试用。

对大功率LED封装技术的研究开发,目前国家尚未正式支持投入,国内研究单位很少介入,封装企业投入研发的力度（人力和财力）还很不够,形成国内对封装技术的开发力量薄弱的局面,其封装的技术水平与国外相比还有相当的差距。

三、功率型LED产业化关键的封装技术

       半导体LED要作为照明光源,常规产品的光通量与白炽灯和荧光灯等通用性光源相比,距离甚远。

因此,LED要在照明领域发展,关键要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。

功率型LED所用的外延材料采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构虽然其外量子效率还需进一步提高,但获得高发光通量的最大障碍仍是芯片的取光效率低。

现有的功率型LED的设计采用了倒装焊新结构来提高芯片的取光效率,改善芯片的热特性,并通过增大芯片面积,加大工作电流来提高器件的光电转换效率,从而获得较高的发光通量。

除了芯片外,器件的封装技术也举足轻重。

关键的封装技术工艺有：

1、散热技术

      传统的指示灯型LED封装结构,一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上,由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成,其热阻高达250~300℃/W,新的功率型芯片若采用传统式的LED封装形式,将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄,从而造成器件的加速光衰直至失效,甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。

因此,对于大工作电流的功率型LED芯片,低热阻、散热良好及低应力的新的封装结构是功率型LED器件的技术关键。

采用低电阻率、高导热性能的材料粘结芯片；在芯片下部加铜或铝质热沉,并采用半包封结构,加速散热；甚至设计二次散热装置,来降低器件的热阻。

在器件的内部,填充透明度高的柔性硅橡胶,在硅橡胶承受的温度范围内（一般为-40℃~200℃）,胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路,也不会出现变黄现象。

零件材料也应充分考虑其导热、散热特性,以获得良好的整体热特性。

2、二次光学设计技术

为提高器件的取光效率,设计外加的反射杯与多重光学透镜。

3、功率型LED白光技术

常见的实现白光的工艺方法有如下三种：

1）蓝色芯片上涂上YAG荧光粉,芯片的蓝色光激发荧光粉发出典型值为500nm~560nm的黄绿光,黄绿光与蓝色光合成白光。

该方法制备相对简单,效率高,具有实用性。

缺点是布胶量一致性较差、荧光粉易沉淀导致出光面均匀性差、色调一致性不好；色温偏高；显色性不够理想。

2）RGB三基色多个芯片或多个器件发光混色成白光；或者用蓝+黄绿色双芯片补色产生白光。

只要散热得法,该方法产生的白光较前一种方法稳定,但驱动较复杂,另外还要考虑不同颜色芯片的不同光衰速度。

3）在紫外光芯片上涂RGB荧光粉,利用紫光激发荧光粉产生三基色光混色形成白光。

但目前的紫外光芯片和RGB荧光粉效率较低,环氧树脂在紫外光照射下易分解老化。

我司目前已采用方法1）和2）进行白光LED产品的批量生产,并已进行了W级功率LED的样品试制。

积累了一定的经验和体会,我们认为照明用W级功率LED产品要实现产业化还必须解决如下技术问题：

①粉涂布量控制：

LED芯片+荧光粉工艺采用的涂胶方法通常是将荧光粉与胶混合后用分配器将其涂到芯片上。

在操作过程中,由于载体胶的粘度是动态参数、荧光粉比重大于载体胶而产生沉淀以及分配器

精度等因素的影响,此工艺荧光粉的涂布量均匀性的控制有难度,导致了白光颜色的不均匀。

②芯片光电参数配合：

半导体工艺的特点,决定同种材料同一晶圆芯片之间都可能存在光学参数（如波长、光强）和电学（如正向电压）参数差异。

RGB三基色芯片更是这样,对于白光色度参数影响很大。

这是产业化必须要解决的关键技术之一。

③根据应用要求产生的光色度参数控制：

不同用途的产品,对白光LED的色坐标、色温、显色性、光功率（或光强）和光的空间分布等要求就不同。

上述参数的控制涉及产品结构、工艺方法、材料等多方面因素的配合。

在产业化生产中,对上述因素进行控制,得到符合应用要求、一致性好的产品十分重要。

4、测试技术与标准

随着W级功率芯片制造技术和白光LED工艺技术的发展,LED产品正逐步进入（特种）照明市场,显示或指示用的传统LED产品参数检测标准及测试方法已不能满足照明应用的需要。

国内外的半导体设备仪器生产企业也纷纷推出各自的测试仪器,不同的仪器使用的测试原理、条件、标准存在一定的差异,增加了测试应用、产品性能比较工作的难度和问题复杂化。

我国光学光电子行业协会光电子器件分会行业协会根据LED产品发展的需要,于2003年发布了“发光二极管测试方法（试行）”,该测试方法增加了LED色度参数的规定。

但LED要往照明业拓展,建立LED照明产品标准是产业规范化的重要手段。

5、筛选技术与可靠性保证

由于灯具外观的限制,照明用LED的装配空间密封且受到局限,密封且有限的空间不利于LED散热,这意味着照明LED的使用环境要劣于传统显示、指示用LED产品。

另外,照明LED处于大电流驱动下工作,这就对其提出更高的可靠性要求。

在产业化生产中,针对不同的产品用途,制定适当的热老化、温度循环冲击、负载老化工艺筛选试验,剔除早期失效品,保证产品的可靠性很有