1、引言
发光二极管(LED)作为新型的绿色照明光源，具有节能、高效、低碳、体积小、反应快、抗震性强等优点，可以为用户提供环保、稳定、高效和安全的全新照明体验，已经逐步发展成为成熟的半导体照明产业。
近年来，全球各个国家纷纷开始禁用白炽灯泡，LED将会迎来一个黄金的增长期。此外，近年来LED在电视机背光、手机、和平板电脑等方面的应用也迎来了爆发式的增长，LED具有广阔的应用发展前景。
2、倒装LED技术的发展及现状
倒装技术在LED领域上还是一个比较新的技术概念，但在传统IC行业中已经被广泛应用且比较成熟，如各种球栅阵列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)、晶片级芯片尺寸封装(WLCSP)等技术，全部采用倒装芯片技术，其优点是生产效率高、器件成本低和可靠性高。
倒装芯片技术应用于LED器件，主要区别于IC在于，在LED芯片制造和封装过程中，除了要处理好稳定可靠的电连接以外，还需要处理光的问题，包括如何让更多的光引出来，提高出光效率，以及光空间的分布等。
针对传统正装LED存在的散热差、透明电极电流分布不均匀、表面电极焊盘和引线挡光以及金线导致的可靠性问题，1998年，J.J.Wierer等人制备出了1W倒装焊接结构的大功率AlGaInN-LED蓝光芯片，他们将金属化凸点的AIGalnN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅载体上。
图1是他们制备得到的LED芯片的图片和截面示意图。他们的测试结果表明，在相同的芯片面积下，倒装LED芯片(FCLED)比正装芯片有着更大的发光面积和非常好的电学特性，在200-1000mA的电流范围，正向电压(VF)相对较低，从而导致了更高的功率转化效率。
图1 倒装结构的LED芯片图片和截面示意图
2006年，O.B.Shchekin等人又报道了一种新的薄膜倒装焊接的多量子阱结构的LED(TFFC-LED)。所谓薄膜倒装LED，就是将薄膜LED与倒装LED的概念结合起来。
在将LED倒装在基板上后，采用激光剥离(Laser lift-off)技术将蓝宝石衬底剥离掉，然后在暴露的N型GaN层上用光刻技术做表面粗化。
如图2所示，这种薄膜结构的LED可以有效地增加出光效率。但相对来说，这种结构工艺比较复杂，成本会相对较高。
图2 薄膜倒装LED芯片结构示意图
随着硅基倒装芯片在市场上销售，逐渐发现这种倒装LED芯片在与正装芯片竞争时，其成本上处于明显的劣势。
由于LED发展初期，所有封装支架和形式都是根据其正装或垂直结构LED芯片进行设计的，所以倒装LED芯片不得不先倒装在硅基板上，然后将芯片固定在传统的支架上，再用金线将硅基板上的电极与支架上的电极进行连接。
使得封装器件内还是有金线的存在，没有利用上倒装无金线封装的优势;而且还增加了基板的成本，使得价格较高，完全没有发挥出倒装LED芯片的优势。
为此，最早于2007年有公司推出了陶瓷基倒装LED封装产品。这一类型的产品，陶瓷既作为倒装芯片的支撑基板，也作为整体封装支架，实现整封装光源的小型化。
这一封装形式是先将倒装芯片焊接(Bonding)在陶瓷基板上，再进行荧光粉的涂覆，最后用铸模(Molding)的方法制作一次透镜，这一方法将LED芯片和封装工艺结合起来，降低了成本。
这种结构完全消除了金线，同时散热效果明显改善，典型热阻<10℃/W，明显低于传统的K2形式的封装(典型10-20℃/W)。
随着倒装技术的进一步应用和发展，2012年开始，出现了可直接贴装(Direct Attach，DA)倒装芯片;随后几年，各个公司都开始研发和推出这一类型的倒装芯片。
该芯片在结构上的变化是，将LED芯片表面的P、N两个金属焊盘几何尺寸做大，同时保证两个焊盘之间的间距足够，这样使得倒装的LED芯片能够在陶瓷基板上甚至是PCB板上直接贴片了，使40mil左右的倒装芯片焊盘尺寸能够到达贴片机的贴片精度要求，简化了芯片倒装焊接工艺，降低了整体成本。
至目前为止(2014年中)倒装DA芯片已基本成熟，市场销售量逐步增加，未来将会成为大功率LED芯片的主流。
在直接贴装DA芯片基础上，2013年开始发展出了白光芯片(部分公司称为免封装或无封装)产品，如图6所示。它是在倒装DA芯片制造过程中同时完成了荧光粉的涂敷，应用时可在PCB上直接进行贴片，完全可以当作封装光源直接应用。
其优势是LED器件体积小，芯片直接贴片可以减少散热的界面，进一步降低了热阻，散热性能进一步提高。到目前为止，白光芯片仍然处于研发阶段，市场的应用还不成熟，需要大家共同努力，推动白光芯片技术和应用的发展。
图3 白光芯片与封装示意图
3、倒装LED芯片的制作工艺
倒装LED芯片的制作工艺流程，如图4所示，总体上可以分为LED芯片制作和基板制造两条线，芯片和基板制造完成后，将LED芯片倒装焊接在基板表面上，形成倒装LED芯片。
图4 倒装LED芯片工艺流程框图
3.1 蓝宝石衬底和GaN外延工艺技术
对于倒装芯片来说，出光面在蓝宝石的一侧，因此在外延之前，制作图形化的衬底(PSS)，将有利于蓝光的出光，减少光在GaN和蓝宝石界面的反射。因此PSS的图形尺寸大小、形状和深度等都对出光效率有直接的影响。在实际开发和生产中需要针对倒装芯片的特点，对衬底图形进行优化，使出光效率最高。
在GaN外延方面，由于倒装芯片出光在蓝宝石一侧，其各层的吸光情况与正装芯片有差异，因此需要对外延的缓冲层(Buffer)、N-GaN层、多层量子阱(MQW)和P型GaN层的厚度和掺杂浓度进行调整，使之适合倒装芯片的出光要求，提高出光效率，同时适合倒装芯片制造工艺的欧姆接触的需要。
3.2 倒装LED圆片制程工艺
倒装芯片与正装芯片的圆片制作过程大致相同，都需要在外延层上进行刻蚀，露出下层的N型GaN;然后在P和N极上分别制作出欧姆接触电极，再在芯片表面制作钝化保护层，最后制作焊接用的金属焊盘，其制作流程如图5所示。
图5 倒装LED圆片制作流程
与正装芯片相比，倒装芯片需要制作成电极朝下的结构。这种特殊的结构，使得倒装芯片在一些工艺步骤上有特殊的需求，如欧姆接触层必须具有高反射率，使得射向芯片电极表面的光能够尽量多的反射回蓝宝石的一面，以保证良好的出光效率。
倒装芯片的版图也需要根据电流的均匀分布，做最优化的设计。由于圆片制作工艺中，GaN刻蚀(Mesa刻蚀)、N型接触层制作、钝化层制作、焊接金属PAD制作都与正装芯片基本相同，这里就不详细讲述了，下面重点针对倒装芯片特殊工艺进行简单的说明。
在LED芯片的制作过程中，欧姆接触层的工艺是芯片生产的核心，对倒装芯片来说尤为重要。欧姆接触层既有传统的肩负起电性连接的功能，也作为反光层的作用，如图6所示。
在P型欧姆接触层的制作工艺中，要选择合适的欧姆接触材料，既要保证与P型GaN接触电阻要小，又要保证超高的反射率。此外，金属层厚度和退火工艺对欧姆接触特性和反射率的影响非常大，此工艺至关重要，其关系到整个LED的光效、电压等重要技术参数，是倒装LED芯片工艺中最重要的一环。
目前这层欧姆接触层一般都是用银(Ag)或者银的合金材料来制作，在合适的工艺条件下，可以获得稳定的高性能的欧姆接触，同时能够保证欧姆接触层的反射率超过95%。
图6 倒装芯片出光方向、散热通道、欧姆接触、反光层位置示意图
3.3 倒装LED芯片后段制程
与正装LED芯片一样，圆片工艺制程后，还包括芯片后段的工艺制程，其工艺流程如图7所示，主要包括研磨、抛光、切割、劈裂、测试和分类等工序。这里工序中，唯一有不同的是测试工序，其它工序基本与正装芯片完全相同，这里不再赘述。
图7 LED芯片后段工艺制程流程图
倒装芯片由于出光面与电极面在不同方向，因此在切割后的芯片点测时，探针在LED正面电极上扎针测量时，LED的光是从背面发出。要测试LED的光特性(波长、亮度、半波宽等)，必须从探针台的下面收光。
因此倒装芯片的点测机台与正装点测机台不同，测光装置(探头或积分球)必须放在探针和芯片的下面，而且芯片的载台必须是透光的，才能对光特性进行测试。
所以，倒装芯片的点测机台需要特殊制造或改造。
3. 4 基板工艺
3.4.1 基板材料及其布线工艺
倒装LED的基板主要起到支撑、连接的作用。目前倒装LED使用的基板主要有硅基板和陶瓷基板。硅基板主要是作为早期倒装芯片的基底，为了与能够与正装芯片用相同的封装形式。
硅基板的设计要根据倒装LED芯片的电极版图而制定，设计上硅基板上的电极要与芯片上电极相匹配。
同时为保证硅片表面布线层不受外界水汽和腐蚀环境的破坏，需要在硅片表面的金属布线层表面制作一层钝化保护层。在硅片表面布线和钝化层制作好后，为了实现LED芯片与硅基板的焊接，需要在硅基板表面制作与LED芯片电极对应的凸点金属。
硅基板的优点是利于集成，可将ESD、电源控制IC等在基板制作的阶段进行集成和整合。缺点是易碎，不能作为封装基材，还需要另外的外部封装支架，成本高。
陶瓷基板则是现在最流行的倒装LED基材，用于倒装LED陶瓷基板表面的金属布线主要采用DPC(Direct Plate Copper)工艺在完成。
DPC所制作的陶瓷基板能做到较细的线宽线距，能满足倒装LED芯片的精度需求。陶瓷基材对比起传统支架所用的PPA、PCT等塑胶材料，有高导热、耐高温、稳定性好等优点。
所以陶瓷在大功率的应用上有着巨大的优势，这点更有利于发挥倒装芯片大电流和高可靠性的特点。
3.4.2 基板金属凸点工艺
由于需要进行电性的连接，需要在基板上制作金属凸点，通过金属凸点与LED芯片的金属焊盘连接;当然也可以将金属凸点做在LED芯片的金属焊盘上，但比较少用，因为目前LED圆片还是以2寸为主，在LED圆片上加工凸点金属成本效益不高。
凸点材料选择通常要求其具有良好的重熔性能，由于其在重熔的过程中起到自对准及收缩的功能，有利于凸点的形成和焊接工艺。
根据材料的不同及应用的不同，金属凸点有多种制作方法，主要有以下几种：
(1) 钉头凸点法
钉头Au凸点的制作方法如图8。
先用电火花法在金线尖端形成球;
然后在加热、加压和超声的作用下，将Au球焊接到基板电极上;
接着将线夹抬起并水平移动;再对Au线加热并施加压力;
最后提起线夹将金线拉断，完成一个Au球。
对超声功率、超声时间、焊接压力等工艺参数调整，可改变凸点的特性，如金凸点形状，机械性能等。这一方法工艺简单、容易实现、成本低，但其效率较低。
图8 钉头凸点过程
(2) 溅射丝网印刷法
溅射丝网印刷法的制作流程如图9所示。
先在基板上溅射上一层种层;
接着用光刻腐蚀的方法，使种层只保留凸点所在位置的金属;
接着通过丝网印刷，在凸点位置上保有锡膏;
最后通过回流工艺，形成锡球凸点。
溅射丝网印刷法所制作的凸点精度由模板决定。
图9 溅射丝网印刷法过程
(3) 电镀凸点法
电镀凸点法的制作流程如图10所示。
先在基板上溅射种层(Seed Layer)并完整涂上厚光刻胶;
接着进行曝光，开出凸点位置;
然后进行整体电镀，在开窗口的位置镀上金属;
最后去掉光刻胶及种层;则得到金属凸点。
如果是一些共晶焊料，如SnPb，则还需要进行回流形成合金。
图10 电镀凸点法过程
金属凸点的制作，最重要的是凸点厚度(即高度)的控制;对于合金凸点，还需要精确控制合金凸点的组分，因为合金组分直接决定了金属凸点的熔点，对于后面的焊接工艺至关重要。
对于金凸点，还需通过工艺控制，精确控制凸点的硬度，以便在后面的倒装焊接工序中能够控制凸点的变形程度。
3.5 倒装焊接工艺
要实现倒装芯片，LED芯片需要焊接到基板表面。而实现倒装LED芯片与基板间的焊接，常用的是金属与金属之间的共晶焊接工艺。
目前行业内的共晶工艺一般有以下几种：
(1) 点助焊剂与焊料进行共晶回流焊;
(2) 使用金球键合的超声热压焊工艺;
(3) 金锡合金的共晶回流焊工艺。
其中第一种锡膏回流焊在目前器件的SMT贴片用得较多。目前在LED行业内，后两种焊接工艺使用较多，主要是倒装LED芯片目前还主要倒装在硅基或陶瓷基板上。
共晶回流焊主要针对的是PbSn、纯Sn、SnAg等焊接金属材料。这些金属的特点是回流温度相对较低。这一方法的特点是工艺简单、成本低，但其回流温度较低，不利于二次回流。
超声热压焊工艺是将LED芯片和基板加热到一定温度后，在LED芯片上加上一定的压力，使凸点产生一定的变形，增大接触面积，然后在接触界面加上一定的超声功率。在热和超声摩擦的作用下使得芯片和基板上的金属能够发生键合。
目前金对金焊接(Gold to gold bonding)都采用这种方式焊接，这种焊接形成的键合连接十分稳固保证了大电流的稳定使用和长期工作的可靠。
金锡合金的共晶回流焊工艺是利用金锡合金(20%的锡)在280℃以上温度时为液态，当温度慢慢下降时，会发生共晶反应，形成良好的连接。金锡共晶的优点是其共晶温度高于二次回流的温度，一般为290~310℃，整个合金回流时间较短，几分钟内即可形成牢固的连接，操作方便，设备简单;而且金锡合金与金或银都能够有较好的结合。
上面三种焊接工艺中，第一和第三种工艺都需要首先通过贴片机用锡膏或助焊剂将LED芯片贴在基板表面，然后再进行回流焊接。由于倒装LED芯片尺寸较小，对贴片机的精度的要求一般。贴片精度直接决定了芯片焊接后的对准情况。
第二种方法超声热压焊工艺需要采用专用的焊接机，对焊接机的要求较高，除对准精度要求外，还需对基板和LED芯片固晶头的温度精确控制，对固晶头压力和超声功率精确控制，因此这种专用焊接设备往往比较昂贵，相对来说工艺成本也会较高。
4、倒装LED的应用及发展趋势
倒装LED芯片由于其体积小、易于集成，在各个领域都能够实现广泛的应用。在倒装芯片这一技术平台上，能开发出多种产品。
4.1、陶瓷基LED光源
目前行业内多家公司均已推出倒装无金线的陶瓷基LED光源产品，在LED芯片倒装在陶瓷基板上后，整片陶瓷基板去做荧光粉涂敷，然后用模具Molding一次透镜，这两步封装工艺都是整片一起完成的，最后再进行切割、测试分类和卷带包装步骤，直接形成了陶瓷基无金线封装光源产品，其工艺步骤如图11所示。
这种封装方法，封装过程和芯片制造过程结合在一起，因此称为芯片级封装;同时封装是整片一起完成的，不是单颗操作的，因此也称为晶片级封装(Wafer Level Package)。
图11 陶瓷基无金线封装工艺步骤
目前陶瓷基倒装光源产品成为了倒装LED芯片应用的主流，国际上Philips Lumileds、Cree、三星等公司都已大量推出和销售倒装陶瓷基光源产品，台湾新世纪、台积电，国内晶科电子、德豪润达、天电等公司也已推出同类产品，在市场上的接受度越来越高，特别是在高端的室外照明更是成为了首要的选择。
4.2 柔性基板光源
现在市面上出现了新型的LED光源，这种光源的结构中，使用柔性基板代替陶瓷基板作为倒装芯片的支撑，见图12。这种结构中，最主要的是用聚酰亚胺(Polyimide)等材料代替陶瓷作为支撑，用铜片作为导电和导热的材料。
倒装芯片通过共晶焊接与柔性基板的铜片相连接，最后经过喷粉、Molding、切割、测试包装等相同工序，则得到最终的与陶瓷基光源相同的光源。
图12 柔性基板光源示意图
由于与倒装芯片接触的为金(或银)，与陶瓷基相同，所以倒装芯片上并不需要做任何改变，而且能保证焊接的性能不变。基板上部的金属透过通孔的铜与下部的焊盘进行连接，保证了热量直接在金属中进行传导，保持优秀的导热性能。
但柔性基板也有其缺点。一是柔性基板太软，需要对制作流程中的工艺进行修改，目前还没有成熟的匹配工艺;二是受限于其结构，光源焊盘既是电性通道也是散热通道，不能够做到热电分离。这样会对灯具厂商提出一些灯具设计的额外要求。
现在国内外很多公司已经投入大量人力物力进行柔性基板的研发，其优势的价格比陶瓷基板便宜，但目前基板和封装工艺都还不成熟，预计不久的将来会有倒装柔性基板产品推出。
4.3 白光芯片
现在LED业界最热门的技术就是以倒装LED芯片为核心的白光芯片。白光芯片是目前最适合倒装LED芯片的一种封装形式。
白光芯片的结构如图13，最终结构是在倒装芯片外部包覆上一层荧光胶，芯片发出的蓝光经过荧光胶转换成白光。
白光芯片的最大特点就是小，其尺寸仅比芯片略大，是真正的芯片级封装(CSP，Chip Scale Package)——封装体面积与芯片面积之比小于1.4倍。
白光芯片具有以下的优点：
1) 封装体积小，方便设计整合Lens;
2) 直接贴装，无需基板，方便应用;
3) 散热直接，热阻低，可靠性高;
4) 高密度集成，光色均匀性好;
5) 封装结构简单，制作成本低。
应用上，白光芯片可以对3535产品进行直接替换，也可利用其易贴装的特点，制作出高光密度的光源(如COB)，见图13。在某些需要尺寸限制更大的领域中，如直下式背光，手机背光等，能有更大的发展空间。
图13 白光芯片与白光芯片COB
5、结论
倒装LED与正装LED相比，具有高光效、高可靠性和易于集成的特点，使倒装LED得到越来越广泛的应用。将倒装LED技术与芯片级封装技术相结合，能更进一步提高白光LED光源的竞争力。
随着芯片技术与封装技术日益成熟，客户对倒装LED的认识加深，倒装LED将会有一个更远大的前程，将会在市场上占有更大的份额。
