LED三种典型封装结构

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LED正装芯片是最早出现的芯片结构，也是小功率芯片中普遍使用的芯片结构。该结构，电极在上方，从上至下材料为：P-GaN，发光层，N-GaN，衬底。所以，相对倒装来说就是正装。

为了避免正装芯片中因电极挤占发光面积从而影响发光效率，芯片研发人员设计了倒装结构，即把正装芯片倒置，使发光层激发出的光直接从电极的另一面发出(衬底最终被剥去，芯片材料是透明的)，同时，针对倒装设计出方便LED封装厂焊线的结构，从而，整个芯片称为倒装芯片(Flip Chip)，该结构在大功率芯片较多用到。

倒装技术并不是一个新的技术，其实很早之前就存在了。倒装技术不光用在LED行业，在其他半导体行业里也有用到。目前LED芯片封装技术已经形成几个流派，不同的技术对应不同的应用，都有其独特之处。

LED倒装芯片的优点

一：没有通过蓝宝石散热，可通大电流使用;

二：尺寸可以做到更小，光学更容易匹配;

三：散热功能的提升，使芯片的寿命得到了提升;

四：抗静电能力的提升;

五：为后续封装工艺发展打下基础。

什么是LED倒装芯片

       据了解，倒装芯片之所以被称为“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“倒装芯片”。

倒装LED芯片，通过MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长GaN基LED结构层，由P/N结发光区发出的光透过上面的P型区射出。由于P型GaN传导性能不佳，为获得良好的电流扩展，需要通过蒸镀技术在P区表面形成一层Ni- Au组成的金属电极层。P区引线通过该层金属薄膜引出。为获得好的电流扩展，Ni-Au金属电极层就不能太薄。为此，器件的发光效率就会受到很大影响，通常要同时兼顾电流扩展与出光效率二个因素。但无论在什麼情况下，金属薄膜的存在，总会使透光性能变差。此外，引线焊点的存在也使器件的出光效率受到影响。 采用GaN LED倒装芯片的结构可以从根本上消除上面的问题。

在倒装芯片的技术基础上，有厂家发展出了LED倒装无金线芯片级封装。什么是LED倒装无金线芯片级封装

       倒装无金线芯片级封装，基于倒装焊技术，在传统LED芯片封装的基础上，减少了金线封装工艺，省掉导线架、打线，仅留下芯片搭配荧光粉与封装胶使用。作为新封装技术产品，倒装无金线芯片级光源完全没有因金线虚焊或接触不良引起的不亮、闪烁、光衰大等问题。相比于传统封装工艺，芯片级光源的封装密度增加了16倍，封装体积却缩小了80%，灯具设计空间更大。倒装无金线芯片凭借更稳定的性能、更好的散热性、更均匀的光色分布、更小的体积，受到越来越多LED灯具企业和终端产品应用企业的青睐。（传说中的CSP如图下图）

LED倒装芯片普及的难点：

1、倒装LED技术目前在大功率的产品上和集成封装的优势更大，在中小功率的应用上，成本竞争力还不是很强。

2、倒装LED颠覆了传统LED工艺，从芯片一直到封装，这样会对设备要求更高，就拿封装才说，能做倒装芯片的前端设备成本肯定会增加不少，这就设置了门槛，让一些企业根本无法接触到这个技术。

正装 、倒装、垂直 LED芯片结构三大流派，其中正装和倒装又都可称为横向结构。于是LED芯片有两种基本结构，横向结构（Lateral）和垂直结构（Vertical）。

• 横向结构LED芯片（正装和倒装）的两个电极在LED芯片的同一侧，电流在n-和p-类型限制层中横向流动不等的距离。正装结构由于p，n电极在LED同一侧，容易出现电流拥挤现象，而且热阻较高，而垂直结构则可以很好的解决这两个问题，可以达到很高的电流密度和均匀度。未来灯具成本的降低除了材料成本，功率做大减少LED颗数显得尤为重要，垂直结构能够很好的满足这样的需求。这也导致垂直结构通常用于大功率LED应用领域，而正装技术一般应用于中小功率LED。而倒装技术也可以细分为两类，一类是在蓝宝石芯片基础上倒装，蓝宝石衬底保留，利于散热，但是电流密度提升并不明显;另一类是倒装结构并剥离了衬底材料，可以大幅度提升电流密度。
• 垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，由于图形化电极和全部的p-类型限制层 作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向流动的电流，可以改善平面结构的电流分布问题，提高发光效率，也可以解决P极的遮光问题， 提升LED的发光面积。
  

为了提高发光效率，人们开始进行其它衬底代替GaAs吸收衬底的研究。其中一种方法就是用对可见光透明的GaP衬底取代GaAs衬底（TS） ，即用键合技术将长有厚GaP窗口层的外延层结构粘接在GaP衬底上，并腐蚀掉GaAs衬底，其发光效率可提高一倍以上，同时GaP的透明特性使得发光面积大增。然而，该工艺存在合格率低、使用设备复杂、制造成本高的缺点。近年来，台湾开始进行了 倒装衬底AlGaInP红光芯片的制作研究，由于工艺适于批量化生产，且制造成本低，引起人们的广泛兴趣。

垂直芯片结构及工艺

本文介绍了我公司进行的AlGaInP红光垂直结构超高亮度LED芯片制作方法。首先进行MOCVD外延，再以高热导率Si、SiC、金属等材料作为衬底，将LED外延层粘接在其上并制成芯片。其结构为:工艺制作先在高热导率材料表面上蒸镀Au层作为反射镜面和粘接层， 并通过加热加压将LED外延层与高热导率衬底材料粘在一起， 再用选择腐蚀的方法将原GaAs衬底腐蚀剥离掉，再经蒸镀、刻蚀、表面粗化等工艺制成以高热导率材料为衬底的LED芯片。由于Au薄膜对红光、对黄光有非常高的反射率，并且可反射所有入射角度的光（q a90°） ，因而可使出光效率提高接近3倍。DBR 及金属反射层的反射率计算和测试结果 (a)DBR 结构计算的法向反射谱

（q=0°）(b)金属反射层反射谱（q=0°~90°）

LED 性能测试结果

表1：相同有源区结构不同衬底12mil红光LED芯片参数比较（I＝20mA条件下测量）

表1为12mil尺寸管芯，不同衬底红光LED芯片的光电性能测试结果。从表中可以看到20mA测试电流下，虽然镜面衬底LED芯片电压略有所提升，从 1.9V升至1.92V（如图3） ，但是其亮度提高了3倍，其主要原因是镜面衬底自身高的反射率且可反射各个角度入射的光，另外表面粗化有效的减弱光在材料内部的多次反射，折射及吸收，给光子提供了更多的出射机会；而镜面衬底LED电压的提高主要是由于粗化后芯片表面粗糙度增大，影响电流的传输，同时粘接层也使电 压有所上升。

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三种LED封装结构