摩爾定律已死 倒裝技術(shù)燃起海茲定律的曙光

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2016-02-22

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　　2015年是LED產(chǎn)業(yè)很低潮的一年，尤其是中上游，經(jīng)歷了產(chǎn)能過剩，芯片與燈珠一個月一個價，跌跌不休讓芯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(shù)的人跟我一樣有一種不如歸去的感覺，車間照明，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后，我對這個行業(yè)又燃起了一線曙光，這也是我今天在封筆一年之后給大家的一個2016新年獻禮。

　　

2015年8月的WUPP會議

　　大學(xué)或研究所的時候，商業(yè)照明，如果是電子或半導(dǎo)體科系的學(xué)生一定會修固體物理或半導(dǎo)體物理，我們知道IC有摩爾定律，但是由于課程的編排，在化合物半導(dǎo)體這部分比較少著墨，所以很少人知道在化合物半導(dǎo)體里面的光電領(lǐng)域有一個LED海茲定律。

　　先看看IC的摩爾定律：

　　集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)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納米制程之后就有一點欲振乏力了，摩爾定律遭遇了一個嚴酷的考驗， led商業(yè)照明，恒光，科學(xué)家與半導(dǎo)體工程師都絞盡腦汁延長摩爾定律，在半導(dǎo)體技術(shù)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(guān)鍵時刻總是會有一個英雄來拯救，美國加州大學(xué)伯克利分校杰出講座教授胡正明教授就是半導(dǎo)體行業(yè)的救星，他發(fā)明了一種FinFET技術(shù)，可以將半導(dǎo)體制程線寬縮小到10納米到12納米的制程（柵極的線寬越窄，處理器的工作速率越快）。

　　詳細技術(shù)細節(jié)請看下圖所示，當別人絞盡腦汁利用曝光技術(shù)縮小線寬極限的時候，他首先解決晶體做薄后漏電的問題，反其道而行的向上發(fā)展，晶片內(nèi)構(gòu)從水平變成垂直。

　　這個技術(shù)不但延長了摩爾定律，也讓我們?nèi)祟愒谶@個電子資訊時代生活更快捷更便利。

　　

FinFET技術(shù)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(xiàn)在看似完美無缺，但是是以犧牲我們LED技術(shù)工作的成就來完成的，由于中國大陸瘋狂的擴產(chǎn)，2015年對化合物半導(dǎo)體與LED技術(shù)出身的我是失望的，由于上游產(chǎn)能過剩，同質(zhì)化競爭導(dǎo)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(xiàn)在讓我為所有曾經(jīng)努力貢獻LED事業(yè)的技術(shù)者，看看我們?nèi)绾胃淖兣c翻轉(zhuǎn)這個行業(yè)：

　　

海茲定律

　　1993年中村修二博士發(fā)明第一顆商業(yè)化藍光LED之后，LED開始進入全彩時代，但是當時的LED價格高，亮度不亮，技術(shù)資訊，所以應(yīng)用有限，經(jīng)過七年的摸索， 這個行業(yè)慢慢轉(zhuǎn)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(shù)與臺灣的正裝技術(shù)的競爭，最后因為激光切割的技術(shù)與ITO透明導(dǎo)電層技術(shù)的導(dǎo)入，正裝技術(shù)大獲全勝，LED進入背光時代。

　　2008年到2014年，是一個接力賽，照明方案，LED重心由臺灣慢慢轉(zhuǎn)移到中國大陸，一系列的技術(shù)都由臺灣工程師帶到大陸，圖形襯底PSS技術(shù)，半導(dǎo)體的自動化設(shè)備導(dǎo)入，濺鍍透明導(dǎo)電層（sputter ITO），星級酒店照明燈具，外延結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與外延成本的大幅降低（尤其是美國Veeco MOCVD設(shè)備的導(dǎo)入，讓臺灣工程師失去價值，當然也降低了大陸老板的人事與技術(shù)投入成本）以及反射電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等等，臺灣與大陸由分工關(guān)系變成競爭關(guān)系。

　　而相比IC在2010年遇到的困境，有胡正明教授技術(shù)的突破讓IC行業(yè)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，由于歐美日韓臺灣的企業(yè)因為中國大陸非理性的殺價競爭，結(jié)果對LED產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了不如歸去之感，他們對LED技術(shù)的投資幾乎是九牛一毛，很多企業(yè)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(shù)發(fā)布之后，歐美日韓臺灣企業(yè)就很少有聲音了，相對的，中國大陸的企業(yè)就活躍多了，中國大陸的企業(yè)在2015年對海茲定律的貢獻是以犧牲利潤為目的來延長的，并不是像IC行業(yè)技術(shù)對行業(yè)的主導(dǎo)與貢獻。

　　LED芯片技術(shù)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(yè)的螞蟻雄兵了。

　　中國大陸的封裝行業(yè)在技術(shù)上投入不多，但是在成本上可以說花了很大的力氣，硅膠國產(chǎn)化導(dǎo)致膠水成本的急速降低，大膽的老板不管LED壽命好不好用大電流over drive驅(qū)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(dǎo)致了芯片更過剩），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面積的芯片測試電流300毫安，如果電壓大于3.4伏特就是不合格，這樣的要求正裝芯片是很難達到的，它需要犧牲外延的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致缺陷會更嚴重，所以這些公司的燈珠價格越賣越爛，最后只能用產(chǎn)量來維持她的地位。

　　我最后總結(jié)2008年到2014年的規(guī)律：

　　歐美日韓臺灣是以技術(shù)進步來遵循海茲定律，中國大陸是以成本降低來貢獻，工程照明，但是2015年遇到了很大的瓶頸，歐美幾乎不想玩了，臺灣與韓國也跟進，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(jīng)沒招數(shù)了，于是又開始搞一些高大上的名稱了，LED的技術(shù)路線又再次被提起，倒裝，硅襯底，氧化鋅，CSP，氮化鎵同質(zhì)襯底？甚至激光與OLED都出現(xiàn)了。

　　雖然聲音那么多，但是2015年最主流的聲音還是倒裝，這是LED產(chǎn)業(yè)鏈上中下游難得有的共識，大家也都看好2016年是倒裝技術(shù)理性延遲海茲定律的一年，真的是這樣嗎？

　　正裝與倒裝的結(jié)構(gòu)比較如下圖所示，由直觀來看，我們可以得到一個簡單的結(jié)論：倒裝表面上看似比正裝優(yōu)越，事實上也是如此：

　　在光萃取效率上看，由于正裝的發(fā)光面與電極是在同一個面，電極與焊線會遮擋部分發(fā)光面積，而倒裝結(jié)構(gòu)電極與發(fā)光不是同一個面，因此同樣尺寸的芯片倒裝的亮度會比正裝亮度高。

　　在器件的連結(jié)穩(wěn)定度上來看，正裝結(jié)構(gòu)需要做焊線制程，電極金屬與金線連結(jié)界面，金線弧線的應(yīng)力，在熱膨脹系數(shù)與金屬差距很大的硅膠或絕緣膠包覆下，在冷熱沖擊或嚴苛環(huán)境之下，會導(dǎo)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(wěn)定性，倒裝器件由于是芯片電極與基板線路直接貼合，器件的穩(wěn)定性會更好，尤其是在嚴苛的環(huán)境考驗之下。

　　在熱傳導(dǎo)效率上，正裝的發(fā)光層距離封裝熱沉基板太遠，除了導(dǎo)熱系數(shù)不是很好的120微米厚藍寶石外，還有10~20微米導(dǎo)熱系數(shù)很低的固晶膠，商業(yè)照明燈具，因此正裝器件在大電流密度驅(qū)動時會有很大的光衰減。

　　倒裝結(jié)構(gòu)剛好解決了這個問題，發(fā)光層距離熱沉基板只有幾個微米的距離，芯片電極與基板線路以高導(dǎo)熱材料連結(jié)，熱阻會比正裝結(jié)構(gòu)低90%以上，因此倒裝結(jié)構(gòu)在大電流密度驅(qū)動下，光衰非常小。

正裝器件結(jié)構(gòu)與倒裝器件結(jié)構(gòu)比較圖

　　很多人提CSP，因為CSP也是倒裝技術(shù)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(yīng)用產(chǎn)品，不再詳細解釋。

　　由最近的觀察，量產(chǎn)的倒裝技術(shù)目前就兩條路線：錫膏回流焊技術(shù)與共金技術(shù)。

　　對低端與中小功率而言，錫膏回流焊技術(shù)是主流，超市照明，對大功率技術(shù)而言，共金是主流，但是他們都各自有很大的缺點，綠色照明，導(dǎo)致到目前為止，這兩個技術(shù)雷聲大但是雨點也不大，跟正裝技術(shù)競爭還是心有余而力不足。

　　錫膏回流焊技術(shù)設(shè)備投資相對較少，工程照明，但是錫膏熔點低會衍生出很多意想不到的問題，首先由于錫膏固晶熔點低，錫膏很容易產(chǎn)生類似封裝工藝的爬膠問題，所以對芯片的絕緣層要求很高，這導(dǎo)致了錫膏回流焊制程需要很復(fù)雜的芯片工藝制程。

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

　　這需要芯片廠投資很大的一筆錢購買設(shè)備，而工藝的復(fù)雜性導(dǎo)致這樣的倒裝芯片良率比較低，所以芯片價格會比正裝芯片高出不少的比例。

　　而在封裝端的工藝，除了芯片過寬的中間溝槽會導(dǎo)致在固晶時頂針砸破絕緣層導(dǎo)致漏電，錫膏熔點低容易爬膠導(dǎo)致器件短路，二次回流焊制程會讓錫膏爬入芯片的缺陷，導(dǎo)致很多這樣的倒裝器件不適合后續(xù)組裝燈具的高溫制程，只能應(yīng)用在低端產(chǎn)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。

　錫膏回流焊使用的芯片剖面圖，工藝確實有一定的復(fù)雜性

　　共金制程已經(jīng)發(fā)展了十幾年了，始終不是LED封裝的技術(shù)主流，其原因主要是昂貴的共金設(shè)備投資，但是高昂的設(shè)備投資卻只能有很低的產(chǎn)出，基板與芯片都需要很厚的金錫貴重金屬導(dǎo)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制程，但是應(yīng)用在其他產(chǎn)品，性價比太低幾乎沒有競爭力。

　　如下圖所示，共金制程幾乎只能用在最高端的大功率器件上。

　大功率倒裝共金制程器件

　　回想2015年，我開始不是很看好前述的倒裝制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(jīng)快要終結(jié)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(yè)大學(xué)的本莊慶司教授給我認識。

　　本莊教授利用IC封裝使用的異向?qū)щ娔z材料，發(fā)明了一種高導(dǎo)熱與導(dǎo)電性很好的特殊固晶膠水，它就是使用於LED倒裝封裝用的異向?qū)щ娔zLEP，這種膠水連結(jié)封裝基板與芯片電極后，可以達到垂直方向?qū)щ姡瑱M向絕緣的效果，原理如下圖所示。

　　而且導(dǎo)熱與導(dǎo)電效果非常良好，3c認證，LEP異向?qū)щ娔z封裝制程相比錫膏回流焊與共金制程顯得非常簡約，簡單就是美，照明資質(zhì)，不但倒裝芯片工藝簡單了，封裝制程也簡單了，倒裝芯片良率上來了，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里看到了利用這樣的倒裝技術(shù)突破海茲定律停滯不前的曙光，給了我對LED這個行業(yè)的希望， led室內(nèi)照明，也給廣大的技術(shù)工作者找到了一個非常好的出路。

　天野浩教授（右二），LEP發(fā)明人本莊慶司教授（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

　　

異向?qū)щ娔zLEP倒裝封裝示意圖

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