1、引言
發光二極管(LED)作為新型的綠色照明光源，具有節能、高效、低碳、體積小、反應快、抗震性強等優點，可以為用戶提供環保、穩定、高效和安全的全新照明體驗，已經逐步發展成為成熟的半導體照明產業。
近年來，全球各個國家紛紛開始禁用白熾燈泡，LED將會迎來一個黃金的增長期。此外，近年來LED在電視機背光、手機、和平板電腦等方面的應用也迎來了爆發式的增長，LED具有廣闊的應用發展前景。
2、倒裝LED技術的發展及現狀
倒裝技術在LED領域上還是一個比較新的技術概念，但在傳統IC行業中已經被廣泛應用且比較成熟，如各種球柵陣列封裝(BGA)、芯片尺寸封裝(CSP)、晶片級芯片尺寸封裝(WLCSP)等技術，全部采用倒裝芯片技術，其優點是生產效率高、器件成本低和可靠性高。
倒裝芯片技術應用于LED器件，主要區別于IC在于，在LED芯片制造和封裝過程中，除了要處理好穩定可靠的電連接以外，還需要處理光的問題，包括如何讓更多的光引出來，提高出光效率，以及光空間的分布等。
針對傳統正裝LED存在的散熱差、透明電極電流分布不均勻、表面電極焊盤和引線擋光以及金線導致的可靠性問題，1998年，J.J.Wierer等人制備出了1W倒裝焊接結構的大功率AlGaInN-LED藍光芯片，他們將金屬化凸點的AIGalnN芯片倒裝焊接在具有防靜電保護二極管(ESD)的硅載體上。
圖1是他們制備得到的LED芯片的圖片和截面示意圖。他們的測試結果表明，在相同的芯片面積下，倒裝LED芯片(FCLED)比正裝芯片有著更大的發光面積和非常好的電學特性，在200-1000mA的電流范圍，正向電壓(VF)相對較低，從而導致了更高的功率轉化效率。
圖1 倒裝結構的LED芯片圖片和截面示意圖
2006年，O.B.Shchekin等人又報道了一種新的薄膜倒裝焊接的多量子阱結構的LED(TFFC-LED)。所謂薄膜倒裝LED，就是將薄膜LED與倒裝LED的概念結合起來。
在將LED倒裝在基板上后，采用激光剝離(Laser lift-off)技術將藍寶石襯底剝離掉，然后在暴露的N型GaN層上用光刻技術做表面粗化。
如圖2所示，這種薄膜結構的LED可以有效地增加出光效率。但相對來說，這種結構工藝比較復雜，成本會相對較高。
圖2 薄膜倒裝LED芯片結構示意圖
隨著硅基倒裝芯片在市場上銷售，逐漸發現這種倒裝LED芯片在與正裝芯片競爭時，其成本上處于明顯的劣勢。
由于LED發展初期，所有封裝支架和形式都是根據其正裝或垂直結構LED芯片進行設計的，所以倒裝LED芯片不得不先倒裝在硅基板上，然后將芯片固定在傳統的支架上，再用金線將硅基板上的電極與支架上的電極進行連接。
使得封裝器件內還是有金線的存在，沒有利用上倒裝無金線封裝的優勢;而且還增加了基板的成本，使得價格較高，完全沒有發揮出倒裝LED芯片的優勢。
為此，最早于2007年有公司推出了陶瓷基倒裝LED封裝產品。這一類型的產品，陶瓷既作為倒裝芯片的支撐基板，也作為整體封裝支架，實現整封裝光源的小型化。
這一封裝形式是先將倒裝芯片焊接(Bonding)在陶瓷基板上，再進行熒光粉的涂覆，最后用鑄模(Molding)的方法制作一次透鏡，這一方法將LED芯片和封裝工藝結合起來，降低了成本。
這種結構完全消除了金線，同時散熱效果明顯改善，典型熱阻<10℃/W，明顯低于傳統的K2形式的封裝(典型10-20℃/W)。
隨著倒裝技術的進一步應用和發展，2012年開始，出現了可直接貼裝(Direct Attach，DA)倒裝芯片;隨后幾年，各個公司都開始研發和推出這一類型的倒裝芯片。
該芯片在結構上的變化是，將LED芯片表面的P、N兩個金屬焊盤幾何尺寸做大，同時保證兩個焊盤之間的間距足夠，這樣使得倒裝的LED芯片能夠在陶瓷基板上甚至是PCB板上直接貼片了，使40mil左右的倒裝芯片焊盤尺寸能夠到達貼片機的貼片精度要求，簡化了芯片倒裝焊接工藝，降低了整體成本。
至目前為止(2014年中)倒裝DA芯片已基本成熟，市場銷售量逐步增加，未來將會成為大功率LED芯片的主流。
在直接貼裝DA芯片基礎上，2013年開始發展出了白光芯片(部分公司稱為免封裝或無封裝)產品，如圖6所示。它是在倒裝DA芯片制造過程中同時完成了熒光粉的涂敷，應用時可在PCB上直接進行貼片，完全可以當作封裝光源直接應用。
其優勢是LED器件體積小，芯片直接貼片可以減少散熱的界面，進一步降低了熱阻，散熱性能進一步提高。到目前為止，白光芯片仍然處于研發階段，市場的應用還不成熟，需要大家共同努力，推動白光芯片技術和應用的發展。
圖3 白光芯片與封裝示意圖
3、倒裝LED芯片的制作工藝
倒裝LED芯片的制作工藝流程，如圖4所示，總體上可以分為LED芯片制作和基板制造兩條線，芯片和基板制造完成后，將LED芯片倒裝焊接在基板表面上，形成倒裝LED芯片。
圖4 倒裝LED芯片工藝流程框圖
3.1 藍寶石襯底和GaN外延工藝技術
對于倒裝芯片來說，出光面在藍寶石的一側，因此在外延之前，制作圖形化的襯底(PSS)，將有利于藍光的出光，減少光在GaN和藍寶石界面的反射。因此PSS的圖形尺寸大小、形狀和深度等都對出光效率有直接的影響。在實際開發和生產中需要針對倒裝芯片的特點，對襯底圖形進行優化，使出光效率最高。
在GaN外延方面，由于倒裝芯片出光在藍寶石一側，其各層的吸光情況與正裝芯片有差異，因此需要對外延的緩沖層(Buffer)、N-GaN層、多層量子阱(MQW)和P型GaN層的厚度和摻雜濃度進行調整，使之適合倒裝芯片的出光要求，提高出光效率，同時適合倒裝芯片制造工藝的歐姆接觸的需要。
3.2 倒裝LED圓片制程工藝
倒裝芯片與正裝芯片的圓片制作過程大致相同，都需要在外延層上進行刻蝕，露出下層的N型GaN;然后在P和N極上分別制作出歐姆接觸電極，再在芯片表面制作鈍化保護層，最后制作焊接用的金屬焊盤，其制作流程如圖5所示。
圖5 倒裝LED圓片制作流程
與正裝芯片相比，倒裝芯片需要制作成電極朝下的結構。這種特殊的結構，使得倒裝芯片在一些工藝步驟上有特殊的需求，如歐姆接觸層必須具有高反射率，使得射向芯片電極表面的光能夠盡量多的反射回藍寶石的一面，以保證良好的出光效率。
倒裝芯片的版圖也需要根據電流的均勻分布，做最優化的設計。由于圓片制作工藝中，GaN刻蝕(Mesa刻蝕)、N型接觸層制作、鈍化層制作、焊接金屬PAD制作都與正裝芯片基本相同，這里就不詳細講述了，下面重點針對倒裝芯片特殊工藝進行簡單的說明。
在LED芯片的制作過程中，歐姆接觸層的工藝是芯片生產的核心，對倒裝芯片來說尤為重要。歐姆接觸層既有傳統的肩負起電性連接的功能，也作為反光層的作用，如圖6所示。
在P型歐姆接觸層的制作工藝中，要選擇合適的歐姆接觸材料，既要保證與P型GaN接觸電阻要小，又要保證超高的反射率。此外，金屬層厚度和退火工藝對歐姆接觸特性和反射率的影響非常大，此工藝至關重要，其關系到整個LED的光效、電壓等重要技術參數，是倒裝LED芯片工藝中最重要的一環。
目前這層歐姆接觸層一般都是用銀(Ag)或者銀的合金材料來制作，在合適的工藝條件下，可以獲得穩定的高性能的歐姆接觸，同時能夠保證歐姆接觸層的反射率超過95%。
圖6 倒裝芯片出光方向、散熱通道、歐姆接觸、反光層位置示意圖
3.3 倒裝LED芯片后段制程
與正裝LED芯片一樣，圓片工藝制程后，還包括芯片后段的工藝制程，其工藝流程如圖7所示，主要包括研磨、拋光、切割、劈裂、測試和分類等工序。這里工序中，唯一有不同的是測試工序，其它工序基本與正裝芯片完全相同，這里不再贅述。
圖7 LED芯片后段工藝制程流程圖
倒裝芯片由于出光面與電極面在不同方向，因此在切割后的芯片點測時，探針在LED正面電極上扎針測量時，LED的光是從背面發出。要測試LED的光特性(波長、亮度、半波寬等)，必須從探針臺的下面收光。
因此倒裝芯片的點測機臺與正裝點測機臺不同，測光裝置(探頭或積分球)必須放在探針和芯片的下面，而且芯片的載臺必須是透光的，才能對光特性進行測試。
所以，倒裝芯片的點測機臺需要特殊制造或改造。
3. 4 基板工藝
3.4.1 基板材料及其布線工藝
倒裝LED的基板主要起到支撐、連接的作用。目前倒裝LED使用的基板主要有硅基板和陶瓷基板。硅基板主要是作為早期倒裝芯片的基底，為了與能夠與正裝芯片用相同的封裝形式。
硅基板的設計要根據倒裝LED芯片的電極版圖而制定，設計上硅基板上的電極要與芯片上電極相匹配。
同時為保證硅片表面布線層不受外界水汽和腐蝕環境的破壞，需要在硅片表面的金屬布線層表面制作一層鈍化保護層。在硅片表面布線和鈍化層制作好后，為了實現LED芯片與硅基板的焊接，需要在硅基板表面制作與LED芯片電極對應的凸點金屬。
硅基板的優點是利于集成，可將ESD、電源控制IC等在基板制作的階段進行集成和整合。缺點是易碎，不能作為封裝基材，還需要另外的外部封裝支架，成本高。
陶瓷基板則是現在最流行的倒裝LED基材，用于倒裝LED陶瓷基板表面的金屬布線主要采用DPC(Direct Plate Copper)工藝在完成。
DPC所制作的陶瓷基板能做到較細的線寬線距，能滿足倒裝LED芯片的精度需求。陶瓷基材對比起傳統支架所用的PPA、PCT等塑膠材料，有高導熱、耐高溫、穩定性好等優點。
所以陶瓷在大功率的應用上有著巨大的優勢，這點更有利于發揮倒裝芯片大電流和高可靠性的特點。
3.4.2 基板金屬凸點工藝
由于需要進行電性的連接，需要在基板上制作金屬凸點，通過金屬凸點與LED芯片的金屬焊盤連接;當然也可以將金屬凸點做在LED芯片的金屬焊盤上，但比較少用，因為目前LED圓片還是以2寸為主，在LED圓片上加工凸點金屬成本效益不高。
凸點材料選擇通常要求其具有良好的重熔性能，由于其在重熔的過程中起到自對準及收縮的功能，有利于凸點的形成和焊接工藝。
根據材料的不同及應用的不同，金屬凸點有多種制作方法，主要有以下幾種：
(1) 釘頭凸點法
釘頭Au凸點的制作方法如圖8。
先用電火花法在金線尖端形成球;
然后在加熱、加壓和超聲的作用下，將Au球焊接到基板電極上;
接著將線夾抬起并水平移動;再對Au線加熱并施加壓力;
最后提起線夾將金線拉斷，完成一個Au球。
對超聲功率、超聲時間、焊接壓力等工藝參數調整，可改變凸點的特性，如金凸點形狀，機械性能等。這一方法工藝簡單、容易實現、成本低，但其效率較低。
圖8 釘頭凸點過程
(2) 濺射絲網印刷法
濺射絲網印刷法的制作流程如圖9所示。
先在基板上濺射上一層種層;
接著用光刻腐蝕的方法，使種層只保留凸點所在位置的金屬;
接著通過絲網印刷，在凸點位置上保有錫膏;
最后通過回流工藝，形成錫球凸點。
濺射絲網印刷法所制作的凸點精度由模板決定。
圖9 濺射絲網印刷法過程
(3) 電鍍凸點法
電鍍凸點法的制作流程如圖10所示。
先在基板上濺射種層(Seed Layer)并完整涂上厚光刻膠;
接著進行曝光，開出凸點位置;
然后進行整體電鍍，在開窗口的位置鍍上金屬;
最后去掉光刻膠及種層;則得到金屬凸點。
如果是一些共晶焊料，如SnPb，則還需要進行回流形成合金。
圖10 電鍍凸點法過程
金屬凸點的制作，最重要的是凸點厚度(即高度)的控制;對于合金凸點，還需要精確控制合金凸點的組分，因為合金組分直接決定了金屬凸點的熔點，對于后面的焊接工藝至關重要。
對于金凸點，還需通過工藝控制，精確控制凸點的硬度，以便在后面的倒裝焊接工序中能夠控制凸點的變形程度。
3.5 倒裝焊接工藝
要實現倒裝芯片，LED芯片需要焊接到基板表面。而實現倒裝LED芯片與基板間的焊接，常用的是金屬與金屬之間的共晶焊接工藝。
目前行業內的共晶工藝一般有以下幾種：
(1) 點助焊劑與焊料進行共晶回流焊;
(2) 使用金球鍵合的超聲熱壓焊工藝;
(3) 金錫合金的共晶回流焊工藝。
其中第一種錫膏回流焊在目前器件的SMT貼片用得較多。目前在LED行業內，后兩種焊接工藝使用較多，主要是倒裝LED芯片目前還主要倒裝在硅基或陶瓷基板上。
共晶回流焊主要針對的是PbSn、純Sn、SnAg等焊接金屬材料。這些金屬的特點是回流溫度相對較低。這一方法的特點是工藝簡單、成本低，但其回流溫度較低，不利于二次回流。
超聲熱壓焊工藝是將LED芯片和基板加熱到一定溫度后，在LED芯片上加上一定的壓力，使凸點產生一定的變形，增大接觸面積，然后在接觸界面加上一定的超聲功率。在熱和超聲摩擦的作用下使得芯片和基板上的金屬能夠發生鍵合。
目前金對金焊接(Gold to gold bonding)都采用這種方式焊接，這種焊接形成的鍵合連接十分穩固保證了大電流的穩定使用和長期工作的可靠。
金錫合金的共晶回流焊工藝是利用金錫合金(20%的錫)在280℃以上溫度時為液態，當溫度慢慢下降時，會發生共晶反應，形成良好的連接。金錫共晶的優點是其共晶溫度高于二次回流的溫度，一般為290~310℃，整個合金回流時間較短，幾分鐘內即可形成牢固的連接，操作方便，設備簡單;而且金錫合金與金或銀都能夠有較好的結合。
上面三種焊接工藝中，第一和第三種工藝都需要首先通過貼片機用錫膏或助焊劑將LED芯片貼在基板表面，然后再進行回流焊接。由于倒裝LED芯片尺寸較小，對貼片機的精度的要求一般。貼片精度直接決定了芯片焊接后的對準情況。
第二種方法超聲熱壓焊工藝需要采用專用的焊接機，對焊接機的要求較高，除對準精度要求外，還需對基板和LED芯片固晶頭的溫度精確控制，對固晶頭壓力和超聲功率精確控制，因此這種專用焊接設備往往比較昂貴，相對來說工藝成本也會較高。
4、倒裝LED的應用及發展趨勢
倒裝LED芯片由于其體積小、易于集成，在各個領域都能夠實現廣泛的應用。在倒裝芯片這一技術平臺上，能開發出多種產品。
4.1、陶瓷基LED光源
目前行業內多家公司均已推出倒裝無金線的陶瓷基LED光源產品，在LED芯片倒裝在陶瓷基板上后，整片陶瓷基板去做熒光粉涂敷，然后用模具Molding一次透鏡，這兩步封裝工藝都是整片一起完成的，最后再進行切割、測試分類和卷帶包裝步驟，直接形成了陶瓷基無金線封裝光源產品，其工藝步驟如圖11所示。
這種封裝方法，封裝過程和芯片制造過程結合在一起，因此稱為芯片級封裝;同時封裝是整片一起完成的，不是單顆操作的，因此也稱為晶片級封裝(Wafer Level Package)。
圖11 陶瓷基無金線封裝工藝步驟
目前陶瓷基倒裝光源產品成為了倒裝LED芯片應用的主流，國際上Philips Lumileds、Cree、三星等公司都已大量推出和銷售倒裝陶瓷基光源產品，臺灣新世紀、臺積電，國內晶科電子、德豪潤達、天電等公司也已推出同類產品，在市場上的接受度越來越高，特別是在高端的室外照明更是成為了首要的選擇。
4.2 柔性基板光源
現在市面上出現了新型的LED光源，這種光源的結構中，使用柔性基板代替陶瓷基板作為倒裝芯片的支撐，見圖12。這種結構中，最主要的是用聚酰亞胺(Polyimide)等材料代替陶瓷作為支撐，用銅片作為導電和導熱的材料。
倒裝芯片通過共晶焊接與柔性基板的銅片相連接，最后經過噴粉、Molding、切割、測試包裝等相同工序，則得到最終的與陶瓷基光源相同的光源。
圖12 柔性基板光源示意圖
由于與倒裝芯片接觸的為金(或銀)，與陶瓷基相同，所以倒裝芯片上并不需要做任何改變，而且能保證焊接的性能不變。基板上部的金屬透過通孔的銅與下部的焊盤進行連接，保證了熱量直接在金屬中進行傳導，保持優秀的導熱性能。
但柔性基板也有其缺點。一是柔性基板太軟，需要對制作流程中的工藝進行修改，目前還沒有成熟的匹配工藝;二是受限于其結構，光源焊盤既是電性通道也是散熱通道，不能夠做到熱電分離。這樣會對燈具廠商提出一些燈具設計的額外要求。
現在國內外很多公司已經投入大量人力物力進行柔性基板的研發，其優勢的價格比陶瓷基板便宜，但目前基板和封裝工藝都還不成熟，預計不久的將來會有倒裝柔性基板產品推出。
4.3 白光芯片
現在LED業界最熱門的技術就是以倒裝LED芯片為核心的白光芯片。白光芯片是目前最適合倒裝LED芯片的一種封裝形式。
白光芯片的結構如圖13，最終結構是在倒裝芯片外部包覆上一層熒光膠，芯片發出的藍光經過熒光膠轉換成白光。
白光芯片的最大特點就是小，其尺寸僅比芯片略大，是真正的芯片級封裝(CSP，Chip Scale Package)——封裝體面積與芯片面積之比小于1.4倍。
白光芯片具有以下的優點：
1) 封裝體積小，方便設計整合Lens;
2) 直接貼裝，無需基板，方便應用;
3) 散熱直接，熱阻低，可靠性高;
4) 高密度集成，光色均勻性好;
5) 封裝結構簡單，制作成本低。
應用上，白光芯片可以對3535產品進行直接替換，也可利用其易貼裝的特點，制作出高光密度的光源(如COB)，見圖13。在某些需要尺寸限制更大的領域中，如直下式背光，手機背光等，能有更大的發展空間。
圖13 白光芯片與白光芯片COB
5、結論
倒裝LED與正裝LED相比，具有高光效、高可靠性和易于集成的特點，使倒裝LED得到越來越廣泛的應用。將倒裝LED技術與芯片級封裝技術相結合，能更進一步提高白光LED光源的競爭力。
隨著芯片技術與封裝技術日益成熟，客戶對倒裝LED的認識加深，倒裝LED將會有一個更遠大的前程，將會在市場上占有更大的份額。
