｜高功率LED固晶技術

摘要：以高功率LED取代白熾燈、水銀燈、鹵素燈等高耗能光源，提高能源利用效率已經是必然的趨勢。對高功率LED而言，如果沒有採用適當的散熱措施，很容易因熱量累積，產生亮度衰退、波長偏移、色度偏移、壽命減短等問題。目前低功率LED晶片固晶方式主要以銀膠做為接合固晶材料，但銀膠材料熱阻過高，無法滿足高功率LED照明應用之散熱需求。現有高功率LED之固晶接合主要是以Au-20Sn共晶固晶製程來解決，其接合層之散熱性與接合強度皆因使用金屬接合而有所提升。但因接合溫度過高（高達330 ℃）而晶片主動層接面（PN Junction）易產生破壞引致發光效率降低。

工研院機械所已創新開發一LED低溫固晶材料（ITRI-Bond），固晶溫度低於100 ℃，但能承受高操作溫度（250 ℃）。其固晶層熱阻1.4 ℃/W為銀膠固晶之2/5 （Au-Sn為1.6 ℃/W、銀膠為3.5 ℃/W），且其材料成本為金錫固晶之1/10，可取代國內封裝廠常用之銀膠及金錫固晶製程，能成功應用於高功率LED之封裝。

Abstract: Using the high-power LEDs to replace the traditional energy-wasting incandescent lamps, mercury lamps, halogen lamps to improve energy efficiency is an inevitable trend. High power LEDs without appropriate thermal management are easy to accumulate heat, and result in the brightness recession, wavelength/color shift, lifetime loss. At present, most of the low-power LED chip use silver epoxy as the die bond material. Since the heat resistance of epoxy is very high, the die attachment using silver paste cannot obtain desirable heat dissipation and bonding strength under high power LED application requirement. Using Au-20Sn solder can achieve requirement of high power LEDs, but the high bonding temperature(up to 330 ℃) is deleterious to the active layer of the LED chip itself.

ITRI-MSL has developed an innovative low temperature bonding material (ITRI-Bond). Its bonding temperature is only 100 ℃, but can sustain high operation temperature up to 250 ℃. The thermal resistance of the ITRI-Bond is 1.4 ℃/W, only two-fifths of silver paste (3.5 ℃/W). Therefore, ITRI-bond can effectively lower the damage caused by thermal stress. Furthermore, its cost is only one-tenth of Au-20Sn.  So, this material can replace traditional silver-paste and Au-Sn eutectic material to be applied to high-power LED package.

關鍵詞：高功率LED、固晶、銀膠、金錫合金、低溫接合

Keywords：High-Power LED, Die Attach, Silver Paste, Au-Sn Alloy, Low Temperature Bonding

前言
因應全球節約能源以及減少二氧化碳排放的需要，以及隨著LED出光效率的急遽提昇（如圖1），以高功率LED取代白熾燈、水銀燈、鹵素燈等高耗能光源，進入汽車頭燈、路燈等照明市場，提高能源利用效率已經是必然的趨勢。根據預測，在未來5年內高功率LED的CAGR（年均複合增長率）將達到20 %，從2011年全球市場46億美元增長到2012年的114億美元。

儘管LED的出光效率較高，具有耗電量低、元件壽命長、無汞、無須暖燈時間、反應速度快等優點，但其工作溫度不同於鎢絲白熾燈的動輒上千度，而是必須較貼近日常的環境溫度-50 ℃~80 ℃。過低的操作溫度會讓主動層接面（PN Junction）處附近的載子濃度過低，使得電子-電洞再結合（recombination）機率下降，連帶光通量也下降。操作溫度過高則會使得電子、電洞攜帶多餘的能量，能隙（energy gap）偏離材料本質能隙，導致主要發光波段之波長漂移；嚴重時，還會導致熱淬滅（thermal quench）效應，令電子-電洞的再結合完全不放光，而是產生聲子（phonons）（也就是所謂的熱）以維持能量守恆，進而使晶片溫度再上升，再產生更多的聲子，形成惡性循環。此外，LED晶片長時間處於高熱狀態時，更會使晶片中刻意設計的量子井結構內的原子因為熱而加速擴散，使量子井受到破壞形成缺陷，捕捉電子或電洞，妨礙進行再結合發光，而以產生聲子的方式來釋放能量，導致發光效率降低。因此，對高功率LED而言，如果沒有採用適當的散熱措施，很容易因熱量累積，產生亮度衰退、波長偏移、色度偏移、壽命減短等問題。

事實上，雖然目前市售照明使用的高功率LED其發光效率最高可達130 lm/W以上，每顆晶粒的輸入的功率也都有1Wヽ3Wヽ5W，甚至更高；但輸入的電能只有20 %~56 %轉化成光，其餘的全都以熱能形態出現。如果未能及時將熱能排出，則LED的溫度持續升高，光衰與壽命就會成為致命傷。未來除非電光轉化效率持續提高，否則LED照明高功率化與模組高密度化的持續發展將使得散熱問題越趨嚴重。

影響LED散熱能力的主要因素為封裝模式及使用材質。由封裝角度來看，固晶（die attach）材料是高功率LED模組散熱所面臨的第一道關卡，如圖2所示。如果固晶製程與材料選擇不當，導致熱阻（RΘ_J-S）過大，將會使晶片接面所產生的熱無法順利經由擴散而傳導出去，使晶片溫度急速上升。此外固晶後晶粒與基座的接合強度亦是封裝的重要考慮。