叶国光:倒装技术燃起LED海兹定律的曙光

2015年是LED产业很低潮的一年,尤其是中上游,经历了产能过剩,芯片与灯珠一个月一个价,跌跌不休让芯片与灯珠的议价几乎是一个很痛苦的过程,相信很多从事LED技术的人跟我一样有一种不如归去的感觉,所以我封笔一年进行无言的抗议!

去年的秋天,当我在日本福冈参加2015年WUPP for wide bandgap Semiconductors论坛与2014年诺贝尔物理奖得主天野浩教授交流之后,我对这个行业又燃起了一线曙光,这也是我今天在封笔一年之后给大家的一个2016新年献礼。

2015年8月的WUPP会议

大学或研究所的时候,如果是电子或半导体科系的学生一定会修固体物理或半导体物理,我们知道IC有摩尔定律,但是由于课程的编排,在化合物半导体这部分比较少着墨,所以很少人知道在化合物半导体里面的光电领域有一个LED海兹定律。

先看看IC的摩尔定律:

集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18个月就翻一倍,微处理器的性能每隔18个月提高一倍,或价格下降一半。

如下图所示:这个定律在2010年20纳米制程之后就有一点欲振乏力了,摩尔定律遭遇了一个严酷的考验,科学家与半导体工程师都绞尽脑汁延长摩尔定律,在半导体技术上寻求突破?

微观的摩尔定律



巨观的摩尔定律

效能与速度的摩尔定律

关键时刻总是会有一个英雄来拯救,美国加州大学伯克利分校杰出讲座教授胡正明教授就是半导体行业的救星,他发明了一种FinFET技术,可以将半导体制程线宽缩小到10纳米到12纳米的制程(栅极的线宽越窄,处理器的工作速率越快)。

详细技术细节请看下图所示,当别人绞尽脑汁利用曝光技术缩小线宽极限的时候,他首先解决晶体做薄后漏电的问题,反其道而行的向上发展,晶片内构从水平变成垂直。

这个技术不但延长了摩尔定律,也让我们人类在这个电子资讯时代生活更快捷更便利。



FinFET技术示意图

回到我们的LED主题-海兹定律:

LED的价格每10年将为原来的1/10,输出流明则增加20倍,如下图所示。

这个定律到现在看似完美无缺,但是是以牺牲我们LED技术工作的成就来完成的,由于中国大陆疯狂的扩产,2015年对化合物半导体与LED技术出身的我是失望的,由于上游产能过剩,同质化竞争导致大家都不计成本的杀价。

期待市场供需平衡的一天,LED失去了方向,回望过去,也许LED还没有走到死胡同,现在让我为所有曾经努力贡献LED事业的技术者,看看我们如何改变与翻转这个行业:



海兹定律

1993年中村修二博士发明第一颗商业化蓝光LED之后,LED开始进入全彩时代,但是当时的LED价格高,亮度不亮,所以应用有限,经过七年的摸索, 这个行业慢慢转移到中国人手上。

如下图所示,2000年到2008年,LED进入第一个黄金时期,初期是由美国亮锐Luminled公司倒装技术与台湾的正装技术的竞争,最后因为激光切割的技术与ITO透明导电层技术的导入,正装技术大获全胜,LED进入背光时代。

2008年到2014年,是一个接力赛,LED重心由台湾慢慢转移到中国大陆,一系列的技术都由台湾工程师带到大陆,图形衬底PSS技术,半导体的自动化设备导入,溅镀透明导电层(sputter ITO),外延结构的优化与外延成本的大幅降低(尤其是美国Veeco MOCVD设备的导入,让台湾工程师失去价值,当然也降低了大陆老板的人事与技术投入成本)以及反射电极结构的优化等等,台湾与大陆由分工关系变成竞争关系。

而相比IC在2010年遇到的困境,有胡正明教授技术的突破让IC行业维持有序与健康的竞争。

2105年对LED来说可能是最低潮的一年,由于欧美日韩台湾的企业因为中国大陆非理性的杀价竞争,结果对LED产业产生了不如归去之感,他们对LED技术的投资几乎是九牛一毛,很多企业几乎都要脱手放弃这个鸡肋,所以自从2014年科锐宣布303流明瓦的技术发布之后,欧美日韩台湾企业就很少有声音了,相对的,中国大陆的企业就活跃多了,中国大陆的企业在2015年对海兹定律的贡献是以牺牲利润为目的来延长的,并不是像IC行业技术对行业的主导与贡献。

LED芯片技术的增长没有对海兹定律有多大的贡献,如果有贡献的话大约只有中国封装业的蚂蚁雄兵了。

中国大陆的封装行业在技术上投入不多,但是在成本上可以说花了很大的力气,硅胶国产化导致胶水成本的急速降低,大胆的老板不管LED寿命好不好用大电流over drive驱动灯珠大幅度降低成本,让LED器件的电流密度提高三倍(这也导致了芯片更过剩),合金线,镀钯铜线的使用让成本又降低了一定的比例,中国大陆有几家知名公司,为了突破正装极限?进料检验标准以电流与面积比来测试,10mil*30mil面积的芯片测试电流300毫安,如果电压大于3.4伏特就是不合格,这样的要求正装芯片是很难达到的,它需要牺牲外延的结构导致缺陷会更严重,所以这些公司的灯珠价格越卖越烂,最后只能用产量来维持她的地位。

我最后总结2008年到2014年的规律:

欧美日韩台湾是以技术进步来遵循海兹定律,中国大陆是以成本降低来贡献,但是2015年遇到了很大的瓶颈,欧美几乎不想玩了,台湾与韩国也跟进,中国大陆以牺牲利润,牺牲性能,牺牲寿命非理性杀价竞争来致敬海兹先生的伟大定律。

到了这个时候,大家已经没招数了,于是又开始搞一些高大上的名称了,LED的技术路线又再次被提起,倒装,硅衬底,氧化锌,CSP,氮化镓同质衬底?甚至激光与OLED都出现了。

虽然声音那么多,但是2015年最主流的声音还是倒装,这是LED产业链上中下游难得有的共识,大家也都看好2016年是倒装技术理性延迟海兹定律的一年,真的是这样吗?

正装与倒装的结构比较如下图所示,由直观来看,我们可以得到一个简单的结论:倒装表面上看似比正装优越,事实上也是如此:

在光萃取效率上看,由于正装的发光面与电极是在同一个面,电极与焊线会遮挡部分发光面积,而倒装结构电极与发光不是同一个面,因此同样尺寸的芯片倒装的亮度会比正装亮度高。

在器件的连结稳定度上来看,正装结构需要做焊线制程,电极金属与金线连结界面,金线弧线的应力,在热膨胀系数与金属差距很大的硅胶或绝缘胶包覆下,在冷热冲击或严苛环境之下,会导致断线或虚焊拔电极的隐忧。

尤其是最近很多厂家为了降低成本,使用合金线或铜线,更加剧了正装器件的不稳定性,倒装器件由于是芯片电极与基板线路直接贴合,器件的稳定性会更好,尤其是在严苛的环境考验之下。

在热传导效率上,正装的发光层距离封装热沉基板太远,除了导热系数不是很好的120微米厚蓝宝石外,还有10~20微米导热系数很低的固晶胶,因此正装器件在大电流密度驱动时会有很大的光衰减。

倒装结构刚好解决了这个问题,发光层距离热沉基板只有几个微米的距离,芯片电极与基板线路以高导热材料连结,热阻会比正装结构低90%以上,因此倒装结构在大电流密度驱动下,光衰非常小。



正装器件结构与倒装器件结构比较图

很多人提CSP,因为CSP也是倒装技术的一种,就是取一个洋气的名字来炒炒概念,所以我把CSP当做倒装的一个应用产品,不再详细解释。

由最近的观察,量产的倒装技术目前就两条路线:锡膏回流焊技术与共金技术。

对低端与中小功率而言,锡膏回流焊技术是主流,对大功率技术而言,共金是主流,但是他们都各自有很大的缺点,导致到目前为止,这两个技术雷声大但是雨点也不大,跟正装技术竞争还是心有余而力不足。

锡膏回流焊技术设备投资相对较少,但是锡膏熔点低会衍生出很多意想不到的问题,首先由于锡膏固晶熔点低,锡膏很容易产生类似封装工艺的爬胶问题,所以对芯片的绝缘层要求很高,这导致了锡膏回流焊制程需要很复杂的芯片工艺制程。

如下图所示,芯片制程需要做很深的刻蚀,金属电极最好使用较厚的金锡合金,最后还需要将刻蚀的表面镀上很厚的绝缘层例如二氧化硅SiO2等薄膜。

这需要芯片厂投资很大的一笔钱购买设备,而工艺的复杂性导致这样的倒装芯片良率比较低,所以芯片价格会比正装芯片高出不少的比例。

而在封装端的工艺,除了芯片过宽的中间沟槽会导致在固晶时顶针砸破绝缘层导致漏电,锡膏熔点低容易爬胶导致器件短路,二次回流焊制程会让锡膏爬入芯片的缺陷,导致很多这样的倒装器件不适合后续组装灯具的高温制程,只能应用在低端产品跟正装的贴片器件或COB器件拼价格,最终进入低端杀价的死胡同。



锡膏回流焊使用的芯片剖面图,工艺确实有一定的复杂性

共金制程已经发展了十几年了,始终不是LED封装的技术主流,其原因主要是昂贵的共金设备投资,但是高昂的设备投资却只能有很低的产出,基板与芯片都需要很厚的金锡贵重金属导致成本更是居高不下,因为共金器件有很高的可靠性,早期路灯用的灯珠一定要用这样的制程,但是应用在其他产品,性价比太低几乎没有竞争力。

如下图所示,共金制程几乎只能用在最高端的大功率器件上。



大功率倒装共金制程器件

回想2015年,我开始不是很看好前述的倒装制程可以击败目前的正装器件,除了价格降价再降价,海兹定律看来已经快要终结了。

也是在2015年秋天,我有幸与2014年诺贝尔物理奖得主天野浩教授讨教这方面的困扰,他介绍了东京工业大学的本庄慶司教授给我认识。

本庄教授利用IC封装使用的异向导电胶材料,发明了一种高导热与导电性很好的特殊固晶胶水,它就是使用於LED倒装封装用的异向导电胶LEP,这种胶水连结封装基板与芯片电极后,可以达到垂直方向导电,横向绝缘的效果,原理如下图所示。

而且导热与导电效果非常良好,LEP异向导电胶封装制程相比锡膏回流焊与共金制程显得非常简约,简单就是美,不但倒装芯片工艺简单了,封装制程也简单了,倒装芯片良率上来了,封装的良率也大大提高,这样的倒装器件可以在高端与低端市场打败所有正装器件!

我似乎由两位教授那里看到了利用这样的倒装技术突破海兹定律停滞不前的曙光,给了我对LED这个行业的希望,也给广大的技术工作者找到了一个非常好的出路。(本文作者:广东德力光电有限公司叶国光博士)



天野浩教授(右二),LEP发明人本庄庆司教授(左一),中日机密科技邱总(左三)与笔者(右一)在日本福冈的WUPP会议



异向导电胶LEP倒装封装示意图

 


来源:阿拉丁

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