倒裝技術燃起LED海茲定律的曙光

2015年是LED產業很低潮的一年，尤其是中上游，經歷了產能過剩，晶片與燈珠一個月一個價，跌跌不休讓晶片與燈珠的議價幾乎是一個很痛苦的過程，相信很多從事LED技術的人跟我一樣有一種不如歸去的感覺，所以我封筆一年進行無言的抗議！

去年的秋天，當我在日本福岡參加2015年WUPP for wide bandgap Semiconductors論壇與2014年諾貝爾物理獎得主天野浩教授交流之後，我對這個行業又燃起了一線曙光，這也是我今天在封筆一年之後給大家的一個2016新年獻禮。

2015年8月的WUPP會議

大學或研究所的時候，如果是電子或半導體科系的學生一定會修固體物理或半導體物理，我們知道IC有摩爾定律，但是由於課程的編排，在化合物半導體這部分比較少著墨，所以很少人知道在化合物半導體裡面的光電領域有一個LED海茲定律。

先看看IC的摩爾定律：

集成電路晶片上所集成的電路的數目，每隔18個月就翻一倍，微處理器的性能每隔18個月提高一倍，或價格下降一半。

如下圖所示：這個定律在2010年20納米製程之後就有一點欲振乏力了，摩爾定律遭遇了一個嚴酷的考驗，科學家與半導體工程師都絞盡腦汁延長摩爾定律，在半導體技術上尋求突破？

微觀的摩爾定律

巨觀的摩爾定律

效能與速度的摩爾定律

關鍵時刻總是會有一個英雄來拯救，美國加州大學伯克利分校傑出講座教授胡正明教授就是半導體行業的救星，他發明了一種FinFET技術，可以將半導體製程線寬縮小到10納米到12納米的製程（柵極的線寬越窄，處理器的工作速率越快）。

詳細技術細節請看下圖所示，當別人絞盡腦汁利用曝光技術縮小線寬極限的時候，他首先解決晶體做薄後漏電的問題，反其道而行的向上發展，晶片內構從水平變成垂直。

這個技術不但延長了摩爾定律，也讓我們人類在這個電子資訊時代生活更快捷更便利。

FinFET技術示意圖

回到我們的LED主題-海茲定律：

LED的價格每10年將為原來的1/10，輸出流明則增加20倍，如下圖所示。

這個定律到現在看似完美無缺，但是是以犧牲我們LED技術工作的成就來完成的，由於中國大陸瘋狂的擴產，2015年對化合物半導體與LED技術出身的我是失望的，由於上游產能過剩，同質化競爭導致大家都不計成本的殺價。

期待市場供需平衡的一天，LED失去了方向，回望過去，也許LED還沒有走到死胡同，現在讓我為所有曾經努力貢獻LED事業的技術者，看看我們如何改變與翻轉這個行業：

海茲定律

1993年中村修二博士發明第一顆商業化藍光LED之後，LED開始進入全彩時代，但是當時的LED價格高，亮度不亮，所以應用有限，經過七年的摸索， 這個行業慢慢轉移到中國人手上。

如下圖所示，2000年到2008年，LED進入第一個黃金時期，初期是由美國亮銳Luminled公司倒裝技術與台灣的正裝技術的競爭，最後因為雷射切割的技術與ITO透明導電層技術的導入，正裝技術大獲全勝，LED進入背光時代。

2008年到2014年，是一個接力賽，LED重心由台灣慢慢轉移到中國大陸，一系列的技術都由台灣工程師帶到大陸，圖形襯底PSS技術，半導體的自動化設備導入，濺鍍透明導電層（sputter ITO），外延結構的優化與外延成本的大幅降低（尤其是美國Veeco MOCVD設備的導入，讓台灣工程師失去價值，當然也降低了大陸老闆的人事與技術投入成本）以及反射電極結構的優化等等，台灣與大陸由分工關係變成競爭關係。

而相比IC在2010年遇到的困境，有胡正明教授技術的突破讓IC行業維持有序與健康的競爭。

2105年對LED來說可能是最低潮的一年，由於歐美日韓台灣的企業因為中國大陸非理性的殺價競爭，結果對LED產業產生了不如歸去之感，他們對LED技術的投資幾乎是九牛一毛，很多企業幾乎都要脫手放棄這個雞肋，所以自從2014年科銳宣布303流明瓦的技術發布之後，歐美日韓台灣企業就很少有聲音了，相對的，中國大陸的企業就活躍多了，中國大陸的企業在2015年對海茲定律的貢獻是以犧牲利潤為目的來延長的，並不是像IC行業技術對行業的主導與貢獻。

LED晶片技術的增長沒有對海茲定律有多大的貢獻，如果有貢獻的話大約只有中國封裝業的螞蟻雄兵了。

中國大陸的封裝行業在技術上投入不多，但是在成本上可以說花了很大的力氣，矽膠國產化導致膠水成本的急速降低，大膽的老闆不管LED壽命好不好用大電流over drive驅動燈珠大幅度降低成本，讓LED器件的電流密度提高三倍（這也導致了晶片更過剩），合金線，鍍鈀銅線的使用讓成本又降低了一定的比例，中國大陸有幾家知名公司，為了突破正裝極限？進料檢驗標準以電流與面積比來測試，10mil*30mil面積的晶片測試電流300毫安，如果電壓大於3.4伏特就是不合格，這樣的要求正裝晶片是很難達到的，它需要犧牲外延的結構導致缺陷會更嚴重，所以這些公司的燈珠價格越賣越爛，最後只能用產量來維持她的地位。

我最後總結2008年到2014年的規律：

歐美日韓台灣是以技術進步來遵循海茲定律，中國大陸是以成本降低來貢獻，但是2015年遇到了很大的瓶頸，歐美幾乎不想玩了，台灣與韓國也跟進，中國大陸以犧牲利潤，犧牲性能，犧牲壽命非理性殺價競爭來致敬海茲先生的偉大定律。

到了這個時候，大家已經沒招數了，於是又開始搞一些高大上的名稱了，LED的技術路線又再次被提起，倒裝，矽襯底，氧化鋅，CSP，氮化鎵同質襯底？甚至雷射與OLED都出現了。

雖然聲音那麼多，但是2015年最主流的聲音還是倒裝，這是LED產業鏈上中下游難得有的共識，大家也都看好2016年是倒裝技術理性延遲海茲定律的一年，真的是這樣嗎？

正裝與倒裝的結構比較如下圖所示，由直觀來看，我們可以得到一個簡單的結論：倒裝表面上看似比正裝優越，事實上也是如此：

在光萃取效率上看，由於正裝的發光面與電極是在同一個面，電極與焊線會遮擋部分發光面積，而倒裝結構電極與發光不是同一個面，因此同樣尺寸的晶片倒裝的亮度會比正裝亮度高。

在器件的連結穩定度上來看，正裝結構需要做焊線製程，電極金屬與金線連結介面，金線弧線的應力，在熱膨脹係數與金屬差距很大的矽膠或絕緣膠包覆下，在冷熱衝擊或嚴苛環境之下，會導致斷線或虛焊拔電極的隱憂。

尤其是最近很多廠家為了降低成本，使用合金線或銅線，更加劇了正裝器件的不穩定性，倒裝器件由於是晶片電極與基板線路直接貼合，器件的穩定性會更好，尤其是在嚴苛的環境考驗之下。

在熱傳導效率上，正裝的發光層距離封裝熱沉基板太遠，除了導熱係數不是很好的120微米厚藍寶石外，還有10~20微米導熱係數很低的固晶膠，因此正裝器件在大電流密度驅動時會有很大的光衰減。

倒裝結構剛好解決了這個問題，發光層距離熱沉基板只有幾個微米的距離，晶片電極與基板線路以高導熱材料連結，熱阻會比正裝結構低90%以上，因此倒裝結構在大電流密度驅動下，光衰非常小。

正裝器件結構與倒裝器件結構比較圖

很多人提CSP，因為CSP也是倒裝技術的一種，就是取一個洋氣的名字來炒炒概念，所以我把CSP當做倒裝的一個應用產品，不再詳細解釋。

由最近的觀察，量產的倒裝技術目前就兩條路線：錫膏回流焊技術與共金技術。

對低端與中小功率而言，錫膏回流焊技術是主流，對大功率技術而言，共金是主流，但是他們都各自有很大的缺點，導致到目前為止，這兩個技術雷聲大但是雨點也不大，跟正裝技術競爭還是心有餘而力不足。

錫膏回流焊技術設備投資相對較少，但是錫膏熔點低會衍生出很多意想不到的問題，首先由於錫膏固晶熔點低，錫膏很容易產生類似封裝工藝的爬膠問題，所以對晶片的絕緣層要求很高，這導致了錫膏回流焊製程需要很複雜的晶片工藝製程。

如下圖所示，晶片製程需要做很深的刻蝕，金屬電極最好使用較厚的金錫合金，最後還需要將刻蝕的表面鍍上很厚的絕緣層例如二氧化矽SiO2等薄膜。

這需要晶片廠投資很大的一筆錢購買設備，而工藝的複雜性導致這樣的倒裝晶片良率比較低，所以晶片價格會比正裝晶片高出不少的比例。

而在封裝端的工藝，除了晶片過寬的中間溝槽會導致在固晶時頂針砸破絕緣層導致漏電，錫膏熔點低容易爬膠導致器件短路，二次回流焊製程會讓錫膏爬入晶片的缺陷，導致很多這樣的倒裝器件不適合後續組裝燈具的高溫製程，只能應用在低端產品跟正裝的貼片器件或COB器件拼價格，最終進入低端殺價的死胡同。

錫膏回流焊使用的晶片剖面圖，工藝確實有一定的複雜性

共金製程已經發展了十幾年了，始終不是LED封裝的技術主流，其原因主要是昂貴的共金設備投資，但是高昂的設備投資卻只能有很低的產出，基板與晶片都需要很厚的金錫貴重金屬導致成本更是居高不下，因為共金器件有很高的可靠性，早期路燈用的燈珠一定要用這樣的製程，但是應用在其他產品，性價比太低幾乎沒有競爭力。

如下圖所示，共金製程幾乎只能用在最高端的大功率器件上。

大功率倒裝共金製程器件

回想2015年，我開始不是很看好前述的倒裝製程可以擊敗目前的正裝器件，除了價格降價再降價，海茲定律看來已經快要終結了。

也是在2015年秋天，我有幸與2014年諾貝爾物理獎得主天野浩教授討教這方面的困擾，他介紹了東京工業大學的本庄慶司教授給我認識。

本庄教授利用IC封裝使用的異嚮導電膠材料，發明了一種高導熱與導電性很好的特殊固晶膠水，它就是使用於LED倒裝封裝用的異嚮導電膠LEP，這種膠水連結封裝基板與晶片電極後，可以達到垂直方嚮導電，橫向絕緣的效果，原理如下圖所示。

而且導熱與導電效果非常良好，LEP異嚮導電膠封裝製程相比錫膏回流焊與共金製程顯得非常簡約，簡單就是美，不但倒裝晶片工藝簡單了，封裝製程也簡單了，倒裝晶片良率上來了，封裝的良率也大大提高，這樣的倒裝器件可以在高端與低端市場打敗所有正裝器件！

我似乎由兩位教授那裡看到了利用這樣的倒裝技術突破海茲定律停滯不前的曙光，給了我對LED這個行業的希望，也給廣大的技術工作者找到了一個非常好的出路。

（本文作者：廣東德力光電有限公司葉國光博士）

天野浩教授（右二），LEP發明人本庄慶司教授（左一），中日機密科技邱總（左三）與筆者（右一）在日本福岡的WUPP會議

異嚮導電膠LEP倒裝封裝示意圖