基于MEMS的LED芯片封裝技術(shù)分析

[導(dǎo)讀]本文提出了一種基于MEMS的LED芯片封裝技術(shù)，利用體硅工藝在硅基上形成的凹槽作為封裝LED芯片的反射腔。分析了反射腔對(duì)LED的發(fā)光強(qiáng)度和光束性能的影響，分析結(jié)果表明該反射腔可以提高芯片的發(fā)光效率和光束性能；討論了反射腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)與芯片發(fā)光效率之間的關(guān)系。最后設(shè)計(jì)r封裝的工藝流程。利用該封裝結(jié)構(gòu)可以降低芯片的封裝尺，提高器件的發(fā)光效率和散熱特性。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，LED性能已經(jīng)得到了極大的進(jìn)步，由于它具有發(fā)光效率高，體積小，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，將成為新一代照明光源，被人們公認(rèn)為是繼白熾燈之后照明領(lǐng)域的又一次重大革命。目前LED已經(jīng)在照明、裝飾、顯示和汽車等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而其應(yīng)用前景和應(yīng)用領(lǐng)域還在被不斷的開發(fā)和擴(kuò)展。在LED的產(chǎn)業(yè)鏈中，封裝是十分重要的一個(gè)部分，它決定著LED芯片的光、熱、壽命和二次配光等特性。LED最初的封裝形式主要是如圖1的T1和T1—3／4。隨著芯片發(fā)光功率的提高，以及應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，其原有的封裝結(jié)構(gòu)無(wú)論是在散熱，還是在集成度上都不再撓滿足LED不斷發(fā)展的需要。伴隨著電子封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，表面貼裝(SMT)封裝技術(shù)開始成為L(zhǎng)ED封裝技術(shù)的主流，基于SMT技術(shù)封裝的器件稱為SMD，表面貼裝的SMD—LED在集成度、散熱性和可靠性E都比以前的封裝結(jié)構(gòu)有很大的提高。

目前基于SMT的LED封裝主要用導(dǎo)線架(leadfame)和模塑料(moulding compound)形成的結(jié)構(gòu)作為芯片的封裝基體，導(dǎo)線架起熱傳導(dǎo)和電極引線的作用：而模塑料作為支撐結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。由于這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，限制了它不能做得很小。因此對(duì)更小尺寸的封裝(如、SMD0603，SMl30402)，通常是將LED芯片直接貼裝在PEB板上．如圖2(b)。由于這種結(jié)構(gòu)沒(méi)有反射腔，其發(fā)光效率很低；該結(jié)構(gòu)存在的另一個(gè)問(wèn)題是PCB的導(dǎo)熱性能很差，例如FR4的導(dǎo)熱系數(shù)只有0．3W／k。這將會(huì)限制高亮度LED的工作功率。而隨著電子產(chǎn)品集成度的不斷提高，對(duì)小尺寸LED的封裝產(chǎn)晶需要越來(lái)越大。因此本文提出了一種結(jié)合MEMS工藝的硅基LEO芯片封裝技術(shù)。它具有封裝尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)解決了直接將芯片貼裝在PEB上而引起的發(fā)光效率低、熱阻高的缺點(diǎn)。文章首先討論了反射腔對(duì)LED芯片發(fā)光效率的影響，對(duì)反射腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)與LED發(fā)光效率之問(wèn)的關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后設(shè)計(jì)了封裝工藝流程。

1 硅基封裝的LED光學(xué)特性分析

MEMS技術(shù)是隨著半導(dǎo)體和微電子技術(shù)的發(fā)展麗發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興的細(xì)微加工技術(shù)，加工尺寸從毫米到微米數(shù)量級(jí)，甚至亞微米的微小尺寸：其加T藝主要分為表面工藝和體工藝?；诠杌捏w工藝又稱為體硅工藝，體硅工藝呵以在硅基體上形成高深寬比的凹稽。由于MEMS的加工尺寸很小，因此利用該技術(shù)形成的微小凹槽作為L(zhǎng)ED芯片封裝的反射腔(如圖3)，將會(huì)克服目前LED芯片直接封裝在PCB板上而引起發(fā)光效率低的問(wèn)題；同時(shí)由于硅具有良好的導(dǎo)熱特性，因此可以降低目前封裝中熱阻高的問(wèn)題，從而提高LED芯片的發(fā)光效率和可靠性。圖4(a)和(b)給出了當(dāng)LED芯片直接貼裝在PCB板上和貼裝在有凹槽的硅基上的發(fā)光特性。從圈中可以看出，LED貼裝在帶有凹槽的硅基上以后其發(fā)出光的發(fā)散性能得到了很大的改善，LED的發(fā)光強(qiáng)度提高了75％以上。

凹槽形成的反射腔對(duì)IED的發(fā)光特性起著顯著的改善，不同的反射腔形狀對(duì)LED的發(fā)光特性有幣同的影響。對(duì)圖3分析可得，反射腔的形狀主要由刪槽的開口尺寸L，凹槽的深度h和發(fā)射角θ決定。利用TIacepro軟件建立如圖3所示的模型，分別改變L、h和θ的值，求出各自對(duì)應(yīng)情況下LED的光強(qiáng)，就可以分析出反射腔的形狀與LED發(fā)光特性之間的關(guān)系。進(jìn)而為凹槽的足寸設(shè)計(jì)提供理論上的指導(dǎo)。

圖5為L(zhǎng)ED發(fā)射光與反射的反射角θ之間的關(guān)系，從圖中可看出當(dāng)反射角為52度的時(shí)候反射光強(qiáng)取得最大。從理論上講，硅凹槽反射角應(yīng)該設(shè)計(jì)為52度。但是，考慮到對(duì)（100）硅進(jìn)行腐蝕的時(shí)候，其（111）面和（100）面會(huì)自動(dòng)形成一個(gè)54.7度的角，而通過(guò)仿真分析結(jié)果可以計(jì)算。當(dāng)反射角為54.7度的時(shí)候。LED的反射光強(qiáng)只比反射角為52度的時(shí)候小12%，而且光強(qiáng)分布也比較接近。因此在腐蝕凹槽的時(shí)候可以直接采用硅的（100）面和（111）面形成角度作為反射角，這可以極大的簡(jiǎn)化加工工藝，降低制造成本，而且對(duì)LED光強(qiáng)的影響也不是很大。

圖6(a)和(b)分別給出了反射腔的深度h和開口L與LED光強(qiáng)的關(guān)系，從圖中可得，反射腔的深度越深，光強(qiáng)越大；開12t越小，光強(qiáng)越火。但是在反射角確定的情況一F，深度和開r_l的寬度是相互制約的。當(dāng)深度一定的時(shí)候，開口越小，則槽的底部會(huì)越小、，而槽的底部受芯片尺寸的約束。因此開口有一個(gè)極限最小值。隅理，當(dāng)開幾一定的時(shí)候，深度越深，底部幾寸越小，罔此深度有一個(gè)檄大值，所以在設(shè)計(jì)槽的K寸的時(shí)候應(yīng)該結(jié)合芯片的尺寸進(jìn)行綜合考慮。本文中所采用的芯片尺寸為0 4x0 4 x 0 15mm。

2 工藝流程設(shè)計(jì)

基于MEMS的LED芯片封裝主要包括兩個(gè)大的部分，第一個(gè)部分是加工帶有反射腔的硅基體；第二部分是LED芯片的貼片、引線等通用工藝。由于該封裝結(jié)構(gòu)的第二個(gè)部分和標(biāo)準(zhǔn)的LED封裝工藝相同，因此本文卡要詳細(xì)的介紹第一部分的主要工藝流程(如圖7)。

首先準(zhǔn)備一片具有(100)晶向的硅片(a)；通過(guò)熱氧化在硅的表面形成層二氧化硅；光刻二氧化硅，形成需要的開口尺寸和形狀(b)；用KOH腐蝕硅基體形成需要的凹槽，通過(guò)腐蝕液的濃度和腐蝕時(shí)間控制槽的深度(c)：除占表面殘余的二氧化硅；對(duì)硅基進(jìn)行背碰腐蝕，生成通孔(d)；利用電鍍的方法在通孔內(nèi)沉積金屬導(dǎo)電材料(e)；在硅的表面濺射會(huì)屬層作為反射面，光刻金屬表面和引線區(qū)，形成封裝電極(f)。接下來(lái)就可以進(jìn)行LED的貼片等后續(xù)工藝。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于MEMS工藝的LED芯片封裝技術(shù)，利用Tracepro軟件仿真分析了反射腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)LED光強(qiáng)的影響，通過(guò)分析指出。利用各向異性腐蝕硅形成的角度作為反射腔的反射角，可以改善LED芯片的反光性能和發(fā)光效率。仿真結(jié)果顯示反射腔的深度越大，則反射效率越高，腔的開口越小，反射效率越高。文章最后給出該封裝結(jié)構(gòu)的工藝流程設(shè)汁。通過(guò)分析表明，基于MEMS工藝LED封裝技術(shù)可以降低器件的封裴尺寸，提高發(fā)光效率。