【導讀】本文提出了一種結合MEMS工藝的硅基LEO芯片封裝技術(shù)。文章首先討論了反射腔對LED芯片發(fā)光效率的影響，對反射腔的結構參數與LED發(fā)光效率之問(wèn)的關(guān)系進(jìn)行了詳細的分析，最后設計了封裝工藝流程。
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LED的發(fā)光強度和光束性能的影響，分析結果表明該反射腔可以提高芯片的發(fā)光效率和光束性能；討論了反射腔的結構參數與芯片發(fā)光效率之間的關(guān)系。最后設計r封裝的工藝流程。利用該封裝結構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。
圖1 LED T1或T1—3/4
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(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，將成為新一代照明光源，被人們公認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(chē)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應用，而其應用前景和應用領(lǐng)域還在被不斷的開(kāi)發(fā)和擴展。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(zhù)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(zhù)芯片發(fā)光功率的提高，以及應用領(lǐng)域的擴大，其原有的封裝結構無(wú)論是在散熱，還是在集成度上都不再撓滿(mǎn)足LED不斷發(fā)展的需要。伴隨著(zhù)電子封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，表面貼裝(SMT)封裝技術(shù)開(kāi)始成為L(cháng)ED封裝技術(shù)的主流，基于SMT技術(shù)封裝的器件稱(chēng)為SMD，表面貼裝的SMD—LED在集成度、散熱性和可靠性E都比以前的封裝結構有很大的提高。
（a）基于導線(xiàn)架的LED封裝 （b）LED芯片貼PEB板
圖2 SMD—LED
目前基于SMT的LED封裝主要用導線(xiàn)架(leadfame)和模塑料(mouldingcompound)形成的結構作為芯片的封裝基體，導線(xiàn)架起熱傳導和電極引線(xiàn)的作用：而模塑料作為支撐結構，其結構如圖2(a)所示。由于這種結構比較復雜，限制了它不能做得很小。因此對更小尺寸的封裝(如、SMD0603，SMl30402)，通常是將LED芯片直接貼裝在PEB板上.如圖2(b)。由于這種結構沒(méi)有反射腔，其發(fā)光效率很低；該結構存在的另一個(gè)問(wèn)題是PCB的導熱性能很差，例如FR4的導熱系數只有0.3W/k。這將會(huì )限制高亮度LED的工作功率。而隨著(zhù)電子產(chǎn)品集成度的不斷提高，對小尺寸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LED芯片發(fā)光效率的影響，對反射腔的結構參數與LED發(fā)光效率之問(wèn)的關(guān)系進(jìn)行了詳細的分析，最后設計了封裝工藝流程。[page]
硅基封裝的LED光學(xué)特性分析
MEMS技術(shù)是隨著(zhù)半導體和微電子技術(shù)的發(fā)展麗發(fā)展起來(lái)的一項新興的細微加工技術(shù)，加工尺寸從毫米到微米數量級，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(chēng)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(cháng)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)光強度提高了75%以上。
圖4 基于PCB板和硅基封裝LED光強分布
凹槽形成的反射腔對IED的發(fā)光特性起著(zhù)顯著(zhù)的改善，不同的反射腔形狀對LED的發(fā)光特性有幣同的影響。對圖3分析可得，反射腔的形狀主要由刪槽的開(kāi)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，求出各自對應情況下LED的光強，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)而為凹槽的足寸設計提供理論上的指導。
圖5 LED光強與反射角之間的關(guān)系
圖5為L(cháng)ED發(fā)射光與反射的反射角θ之間的關(guān)系，從圖中可看出當反射角為52度的時(shí)候反射光強取得最大。從理論上講，硅凹槽反射角應該設計為52度。但是，考慮到對(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)仿真分析結果可以計算。當反射角為54.7度的時(shí)候。LED的反射光強只比反射角為52度的時(shí)候小12%，而且光強分布也比較接近。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LED光強的影響也不是很大。
