用于大功率LED的钉头凸点封装技术一种有效的晶圆级凸点制作方案

作者：Shatil Haque, Lumileds Lighting

为手机中的数码相机提供闪光功能对大功率LED来说是一个挑战，同时也是一次机会。到2009年，尽管用于液晶显示器（LCD）和键盘背光的LED销售额下降将超过40%，但用于照相手机闪光功能的大功率LED却呈现相反地发展趋势，其年平均增长率预计高达87%。

采用这种LED作为闪光灯可在距离大于1m的范围内得到高品质的图像。在2003年，带有照相功能的手机销售量超过了单纯的数码相机。随着高分辨率（3百万到5百万像素），带有光学变焦和闪光功能照相手机的问世，单纯的数码相机将逐渐被照相手机所取代。高分辨率的传感器、通过光学变焦实现远距离拍照以及强制闪光功能都需要闪光灯的亮度比现有的氙闪光灯更高。目前照相手机中较好的LED闪光灯通过1A（4W）的脉冲可以在1m的距离产生60勒克司的照明度。而高分辨率的相机为了在日常或低亮度环境中得到高质量的图像，需要在2到3m的距离内达到30勒克司的照明度。

为了满足无铅要求，一种替代的方案是GGI技术。通过采用热压——加热并加压力——或热粘结工艺将金钉头凸点与基板/封装/芯片上的金键合区连接。4热压和芯片粘结技术已经在产业界使用好多年了，特别是LCD显示器驱动电路芯片，其引脚数很多，大部分采用这种方法粘结。但热压键合方法速度较慢，每个芯片完成粘结需要10到13秒，这无法满足高速热超声组装的要求。另外热压芯片粘结需要加热温度高于300℃，这么高的温度会损坏其他敏感芯片和类似于塑料、多层基板及树脂之类的封装材料。

近年来，通过改进GGI设备，已经有效地提高了凸点制作速度、缩短了热超声芯片粘结时间并且改进了制作工艺。目前，热超声GGI已经在SAW滤波器、硬盘驱动头、助听设备和RFID标签等应用中已经实现了大批量生产。然而钉头-凸点技术基本还停留在低功耗、低电流和低凸点数的应用中。在很小的区域内增加光输出量需要更高的功率和电流，这样会产生更多的光和热。目前使用的倒装芯片技术由焊料凸点实现，焊料互连的导电和导热性能都很差。其他的无铅焊料合金的导热性能比含铅合金更差。对于导电和导热应用来说，使用金都是一个更好的选择。金钉头凸点比焊料凸点更容易形成顶部平整的结构，这样可以缩短导热通路并且使较终产品的厚度更低。

图1所示的是相机闪光灯单元，高度只有1mm，引脚区域面积为2.0×1.6mm，当通过1 A（4 W）的脉冲，可在1m范围内可以产生60勒克斯的照明度。尽管金钉头凸点的物理性能已经符合要求，为了低成本、高产量地制造出可靠的产品，还需要针对工业界的大规模应用对相关的制造流程进行优化。同传统的焊料凸点倒装芯片封装相比，如果从制造角度考虑，GGI封装有几个明显的优点。 图2.钉头凸点与其他晶圆级凸点制作方法的成本比较。感谢Kulicke & Soffa公司。

在大功率LED的互连应用中，采用金基的互连比现有的焊料倒装芯片制作流程要短，也更为简洁。焊料倒装芯片封装在芯片倒装之前通常要涂助焊剂，之后进行高温再流。涂助焊剂的工艺需要精确控制，再流之后为了防止沾污光学器件表面，还必须将助焊剂清洗掉。而采用GGI组装的流程完全不需要使用助焊剂。钉头凸点的制作和热超声键合的温度在150～160℃之间，而且焊料凸点再流的温度在220～230℃之间。在封装的制作过程中，如果工艺的温度比较低可以在封装材料的选择上获得更大的自由度。目前研究中的各种无铅合金再流温度都要高于铅锡共晶合金。大部分的LED封装都是采用透明的树脂材料，它们很难承受无铅焊料再流的高温。如果采用金凸点，可以免去材料选择的挑战，其可制造性高，并且封装的可靠性要好，从而节省了封装的成本，也不需要开发使用无铅合金的新工艺流程...

全文请参阅《半导体科技》网站：“用于大功率LED的钉头凸点封装技术一种有效的晶圆级凸点制作方案”

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