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引言
本文講述通過設(shè)計(jì)、制造和測試了一種高功率硅多芯片白LEDPKG。該封裝由鋁層涂層反射杯、微孔硅基和微透鏡組成。與最傳統(tǒng)的單片LEDPKG相比，多片白LEDPKG在成本、密度、尺寸、熱阻和光效率方面具有諸多優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過數(shù)值分析，采用簡單的MEMS技術(shù)制備了9mmX9mm、0.65mm尺寸的硅基多芯片LEDPKG。
基于多芯片發(fā)光二極管封裝，實(shí)現(xiàn)了晶圓級制造和封裝技術(shù)。它不僅可以解決傳統(tǒng)裝結(jié)構(gòu)的問題，而且可以極大地提高發(fā)光二極管封裝的光學(xué)性能。然而，對半導(dǎo)體制造工藝的大量研究，硅基發(fā)光二極管封裝具有陣列封裝可擴(kuò)展、熱阻小、可批量生產(chǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。在這項(xiàng)研究中，新的硅基多芯片封裝進(jìn)行了研究，并制作了厚度為0.65的9mm×9mm封裝陣列，確定了優(yōu)化的芯片間距。
本文的目的是實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化高效的白色LED封裝,通常綠色芯片的亮度要低于藍(lán)色和紅色芯片。所以2個(gè)綠色芯片排列在一個(gè)空腔中。鋁的視覺波長反射率較好（參考值超過80%）。涂在反射面上,但由于銅與硅相比具有優(yōu)越的熱特性，因此銅熱溝位于所有芯片的下方。圖1為基于硅制造技術(shù)的多片片白色LED封裝示意圖。
在圖2中，當(dāng)透鏡為內(nèi)切圓和周圓形狀時(shí)，光學(xué)損失分別發(fā)生了(a)和(b)的平均面積。對于內(nèi)切圓(a)，其空腔與透鏡之間的填充系數(shù)必須低于矩形透鏡，無論腔長度和透鏡直徑如何，其填充系數(shù)始終為0.785。包裝中的高填充系數(shù)可以通過降低光學(xué)損耗來提高LED的提取效率，對于周圓形的(b)，它也有一些缺點(diǎn)：首先，周圓的大小大于空腔的面積，由于其尺寸，LED包裝的填充系數(shù)減小。這意味著可以位于相同尺寸的芯片更少，它會導(dǎo)致整個(gè)LED封裝的亮度降低，是固態(tài)照明應(yīng)用的嚴(yán)重問題；其次，它必須具有較低的光學(xué)效率，通常，從LED芯片中提取的光在從LED封裝中提取之前，會在LED封裝中經(jīng)歷多次反射，在反射過程中，圖2中(b)部分位于透鏡和腔之間的區(qū)域有助于降低光學(xué)效率。
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圖2 圓形透鏡的光學(xué)損耗示意圖
為了具有較高的光學(xué)效率，我們優(yōu)化了反射器寬度、反射器厚度和芯片與芯片之間的距離，采用商業(yè)三維模擬方法進(jìn)行數(shù)值分析，選擇了反射器寬度5.9mm、反射器厚度0.38mm和芯片間距離0.9mm的程序，這個(gè)值被認(rèn)為是幾何限制。圖3、圖4為計(jì)算得到的仿真結(jié)果。
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圖3仿真結(jié)果是提取效率與中心間距離的關(guān)系
從溫度的角度來看，它是通量、波長、正向通道電壓、壽命等LED芯片效率的關(guān)鍵參數(shù)。通過熱阻參數(shù)估算芯片內(nèi)部溫度，在多片白色LED封裝的情況下，多個(gè)LED芯片排列在有限的空間內(nèi)。所以芯片陣列是更重要的參數(shù)與傳統(tǒng)的離散LED封裝相比，熱阻是指設(shè)備上的溫度升高與功耗的提高之比。
在傳統(tǒng)的單片機(jī)LED封裝情況下，通電的點(diǎn)是升高溫度的同一點(diǎn)，但在多片白LED封裝中，施加電能的點(diǎn)是升高的溫度點(diǎn)。因此，重新定義了多芯片封裝中的熱阻性，封裝上的消耗，芯片溫度升高。本文對紅、綠、綠、藍(lán)籌股分別采用0.9W、0.45W、0.45W和0.2W的功率，經(jīng)商用三維模擬程序的數(shù)值分析，紅芯片的熱阻最大，為6.2℃/W。
在參數(shù)研究中，選擇芯片對芯片的距離、封裝厚度、封裝寬度和熱界面材料(TIM)作為有效因素，根據(jù)光學(xué)提取效率設(shè)計(jì)結(jié)果，確定參數(shù)：芯片到芯片的距離為0.9mm，反射杯厚度為0.35mm，包裝寬度為9mm。經(jīng)過光學(xué)和熱分析，設(shè)計(jì)了厚度為9mmx9mm、厚度為0.7mm的硅基多芯片LED封裝。該包由1個(gè)腔內(nèi)的4個(gè)芯片（1個(gè)紅色，2個(gè)綠色，1個(gè)藍(lán)色）組成。2個(gè)綠色芯片平行連接?？偣灿?個(gè)口罩用于制造。在頂部電極上的陽極和陰極都選擇了金層，該層用于芯片模具的連接，除電極外，頂表面均涂有鋁層，以提高反射率。為實(shí)現(xiàn)硅基多芯片LED封裝的簡化制作工藝，該工藝包括兩種晶片工藝，一種是基底工藝，另一種是反射杯工藝。
基底襯底的制造從<100>硅片開始。第一步是使用ICP設(shè)備對底墊、溝槽和通孔進(jìn)行干蝕刻。切口深度分別為20微米、150微米和280微米（a、b、c）。通孔直徑為80um。采用氧化工藝在蝕刻的晶片上涂覆氧化物。此步驟使絕緣層變?yōu)?d)。鈦/金的一層被濺射出來作為種子層。在此沉積過程之后，銅是電鍍層，以進(jìn)行互連(e)。拋光工藝(f)后，在頂表面沉積鋁層，以提高反射率(g)。下一步是Al，Au層圖案過程。金屬層采用標(biāo)準(zhǔn)光刻法繪制圖案，并在Al/Au蝕刻溶液(h)中進(jìn)行濕式蝕刻。基底物過程的最后一步是Au/Sn圖案化過程。該過程用于與基底和反射杯基底的共晶粘合。
反射杯工藝從<100>硅片開始，其上有1500A厚度的氮化硅薄膜。第一步是使用THAH（四甲基氫氧化銨）溶液對硅（硅）進(jìn)行各向異性濕蝕刻。切口深度為350μm（a、b）。Ti/Au層被蒸發(fā)為共晶粘合層(c)。最后一步是提高反射率的金屬沉積過程。根據(jù)該具有反射率的沉積過程反射器，在所有波長下都實(shí)現(xiàn)了70%以上。這個(gè)結(jié)果如圖13所示。最后，圖14顯示了已實(shí)現(xiàn)的多芯片LED軟件包。
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結(jié)果
建立了由鋁涂層硅反射器、通孔直徑80um、散熱熱溝組成的多芯片LED封裝的新概念，作為適合固態(tài)照明應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，我們獲得了9mmx9mm與0.65厚的包裝。該封裝技術(shù)是采用簡單的晶圓級封裝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，在模擬中，該新型硅封裝的熱阻值約為4~5K/W，該結(jié)果可與其他高功率LED封裝相媲美。