用于AlGaN基DUV LED封裝的高反射鍍鋁DPC陶瓷基板

楊宇銘， 李 燕， 鄭懷文， 于 飛， 楊 華*， 伊曉燕， 王軍喜*， 李晉閩

(1. 中國科學院 半導體研究所 半導體照明研發(fā)中心， 北京 100083；2. 中國科學院大學 材料科學與光電技術學院， 北京 100049)

1 引 言

與汞燈相比，基于AlGaN材料的紫外發(fā)光二極管(UV LED)具有體積小、高效率、低能耗、安全環(huán)保、波長可調節(jié)等優(yōu)勢[1-2]，在殺菌消毒、除臭凈水、UV固化、光醫(yī)療、光催化、全光譜照明、新型顯示與健康照明等領域有著廣泛的應用[3-5]，并被寄希望以在未來完全替代汞燈。然而，目前大多數(shù)UV LED的外量子效率(EQE)仍低于6%，僅有少數(shù)報道獲得了高于10%的EQE[6-8]。UV LED極差的EQE很大程度上源于封裝工藝的限制帶來的低光提取效率(LEE)。在傳統(tǒng)白光LED封裝中大量使用的有機材料在UV波段表現(xiàn)出極差的透射率與可靠性，很難直接在UV LED，尤其是深紫外(DUV，λ≤300 nm)LED封裝中使用[9-10]。同時，DUV LED的自發(fā)熱現(xiàn)象也十分嚴重。這些因素使封裝后的DUV LED器件大多表現(xiàn)出極差的提取效率與可靠性，這極大地制約了DUV LED的發(fā)展。

直接鍍銅(DPC)陶瓷基板具有高導熱性和高圖形精度，可以提供與LED間的良好電接觸，可直接用于倒裝LED封裝[11]。目前Al2O3與AlN基DPC陶瓷基板已經(jīng)廣泛用于商業(yè)LED封裝。最近也有很多研究致力于通過改進DPC基板來提升UV LED的光效。Xu等人[12]通過增加基板內部的Cu金屬通孔數(shù)量降低了基板的熱阻。Pai等人[13]制作了高反射的Al金屬圍壩并將其粘合在陶瓷基板上。Sun等人[14]提出利用高嶺土懸浮液直接油墨書寫在平面DPC基板上構建壩。Yang等人[11]通過電鍍在DPC基板上制作了Ni金屬圍壩，形成了3DPC基板。但是現(xiàn)在還很少見到關于在DPC基板的焊盤表面金屬鍍層上進行改進的報道，而焊盤表面的金屬會對UV LED的光性能產(chǎn)生很大的影響。

當下常見的用于商業(yè)UV LED封裝的DPC陶瓷基板的Cu焊盤表面都鍍了Ni/Au金屬覆蓋層，以提高其可焊性和抗氧化性[15]。然而Au金屬在UV波段反射率極低，大部分的UV光都被吸收，這將極大地影響器件的光提取。而Al是常見金屬中在UV波段反射率最高的一種，在整個UV波段反射率始終超過80%，是UV光的理想反射器。有許多研究者已經(jīng)致力于將Al運用到UV LED芯片的電極中。Maeda等人[16]通過使用透明p-AlGaN接觸層和Ni/Al電極替代p-GaN接觸層和Ni/Au電極。Lobo等人[17]設計了一種p型電極結構，包括一個Pd歐姆接觸像素陣列和覆蓋在該陣列之上的Al反射層。還有許多研究組將Al金屬運用在全向反射器中[18-20]。然而，商業(yè)倒裝UV LED中使用的p-GaN層對DUV波段的光有強烈的吸收作用，只有極少的DUV光能夠達到電極反射鏡處。因此，這些芯片層級上的電極改進必須在使用了透明p-AlGaN接觸層的LED上才能產(chǎn)生顯著效果，而現(xiàn)在高質量的p-AlGaN是難以得到的，這限制了這條技術路線在DUV波段的發(fā)展和應用。

Al金屬及其合金也已經(jīng)被用于UV LED封裝中。例如，鋁合金在UV波段內可以提供比Au更高的反射率，因而已被用作UV LED封裝圍壩。此外，由Al制成的金屬基板已用于UV封裝多年，但由于金屬基板中存在有機物層，其相比陶瓷基板在穩(wěn)定性方面存在較多不足。在這種情況下，找到在DPC陶瓷基板封裝技術中利用Al金屬的優(yōu)秀光學性能的途徑志在必行。最直接的想法是使用Al金屬鍍層代替Ni/Au金屬鍍層。但是由于Al金屬表面覆蓋的氧化膜的影響，導致其與錫膏等焊料浸潤性極差，也不兼容共晶焊接工藝，無法直接與倒裝UV LED芯片實現(xiàn)電接觸。因此這種方案也是不可行的，需要進行進一步的研究，探索能夠兼顧光學性能和倒裝焊接工藝的基板焊盤設計方案。

在這項工作中，我們設計了一種鍍有雙層金屬覆蓋層的DPC陶瓷基板焊盤結構，它在Cu焊盤之上擁有一層完全覆蓋它的Ni/Au金屬覆蓋層和一層局部覆蓋Ni/Au金屬層的圖形化Al金屬覆蓋層，下層的Au在圖形化Al金屬層的窗口中暴露出來。在封裝過程中通過窗口中暴露出的Au金屬部分實現(xiàn)電接觸，而大面積的表面Al金屬則可以提供良好的漫反射。實驗結果表明，與傳統(tǒng)結構相比，這種新型的基板可以使DUV LED的光輸出功率(LOP)得到較大的提升，從而提升了芯片的功率效率(WPE)和EQE，同時還能保證芯片的熱學性能和可靠性不因結構的改變而下降。

2 實 驗

通過傳統(tǒng)DPC工藝制備出Cu焊盤表面鍍有Ni/Au金屬覆蓋層的AlN陶瓷基板。制備的基板為3535型號，即其尺寸為3.5 mm×3.5 mm?；逄沾珊?.5 mm，其上表面焊盤的直徑為2.6 mm。其制備過程如下：首先，在裸露的AlN陶瓷板上鉆兩個腔，每個空腔的直徑為90 μm。通過濺射將Ti/Cu種子層鍍在陶瓷基板表面和空腔內壁上。然后，將干膜光刻膠粘附在基板表面并進行曝光、顯影以形成電路圖案。隨后進行電鍍銅來填充空腔以獲得導電通路，并且將基板的表面電路加厚至70 μm從而形成Cu金屬焊盤。接下來，在Cu焊盤上蒸鍍Ni/Au覆蓋層，Au層的厚度為0.05 μm。最后，剝離干膜并蝕刻去除金屬籽晶層。制備得到的DPC陶瓷基板的結構如圖1 (b)所示。

圖1 (a)雙層金屬鍍層DPC陶瓷基板俯視圖；(b)傳統(tǒng)的DPC陶瓷基板；(c)蒸鍍圖形化的Al金屬層得到雙層金屬鍍層DPC陶瓷基板；(d)將LED芯片焊接在基板上；(e)將圍壩粘貼在基板上；(f)將石英玻璃粘貼在圍壩上。Fig.1 (a) Top view of the Al-plated DPC ceramic substrate； (b) Traditional DPC ceramic substrate； (c) Al-plated DPC ceramic substrate； (d) LED was soldered on the substrate； (e) Dam was pasted on the substrate； (f) Quartz glass was pasted on the dam.

圖1(b)～(f)顯示了增鍍了Al鍍層的雙層金屬鍍層DPC陶瓷基板的制備和封裝流程。實驗中所使用的LED為Photon Wave公司的280 nm DUV LED，LED的額定電流為20 mA，尺寸為530 μm×270 μm，其電極的尺寸為180 μm ×200 μm。首先在制備好的DPC AlN陶瓷基板的焊盤表面通過光刻與電子束蒸鍍(EB)的方法得到一層0.5 μm厚的圖形化的Al金屬層，Al層的表面粗糙，照射到Al表面的DUV光可以發(fā)生良好的漫反射。在Al金屬層的中心部分留有一個680 μm×400 μm大的窗口，該窗口略大于芯片尺寸，窗口中暴露出下層的Au金屬。接下來在這一窗口上點涂錫膏，將芯片的電極通過錫膏貼在焊盤上面，通過回流焊工藝進行固化。錫膏與Au金屬之間有極佳的可焊性，可以將芯片牢牢焊在基板上。然后，以相同的方式將陶瓷基板和六角形Al散熱器焊接在一起，以實現(xiàn)電互連和實驗過程中的散熱。在焊盤外圍使用固晶膠粘接高反射的Al合金圍壩，再在圍壩上沿粘接平面石英玻璃透鏡。最后，將帶有壩和透鏡的基板在130 ℃高溫下烘烤固化30 min，得到封裝好的LED器件。對沒有蒸鍍Al金屬層的商業(yè)DPC基板進行同樣的錫焊固晶、粘接圍壩、粘接石英透鏡步驟，作為對照組。圖2展示了焊接在這兩種基板上的LED的照片。用作表面鍍層的金屬Au、金屬Al和用作圍壩的Al合金在UV-可見光波段的反射率如圖3所示，Au金屬在280 nm處的反射率僅為約30%，而金屬Al在該波段反射率高達約90%，其合金材料在280 nm處反射率也有約50%。對兩組樣品分別進行光電性能和熱阻測試，從而分析鍍Al的DPC陶瓷基板對封裝器件的效率和可靠性帶來的影響。

圖2 將LED分別焊接在(a)傳統(tǒng)和(b)雙層金屬鍍層DPC陶瓷基板上Fig.2 LEDs soldered on (a) traditional DPC ceramic substrate and (b) Al-plated DPC ceramic substrate

圖3 金屬Au、金屬Al和Al合金在UV-可見光波段的反射率。Fig.3 UV-visible reflectance of Au, Al and Al alloy.

實驗中使用的錫膏是Earlysun的ES-1000 SnAgCu錫膏?；亓骱腹に囀褂昧薚ORCH的T200C回流焊機。封裝器件的光電性能測試結果由EVERFINE的HAAS-2000積分球提供。熱學測試結果由Mentor Graphics的T3Ster提供，實驗中使用的加熱電流和測試電流分別為40 mA和1 mA，通過T3Ster Master軟件分析熱阻測試數(shù)據(jù)。圖3中的反射率測試結果由Hitachi的UH4150分光光度計提供。

3 結果與討論

3.1 光學性能

兩組樣品在5～200 mA的正向輸入電流下的光電測試結果如圖4所示，實驗組和對照組分別標記為Group Al和Group Au，每組包含7個樣品，對每組樣品的測試結果取平均值并添加誤差棒。圖4 (a)展示了兩組樣品的I-P曲線，實驗組的平均LOP相比對照組得到了極大的提升。在20 mA正向輸入電流下，平均LOP由1.71 mW提升到2.03 mW，提升了18.7%；在40 mA正向輸入電流下，平均LOP達到最大提升，由3.20 mW提升到3.81 mW，提升了高達19.2%。當測試電流大于100 mA后，LOP的提升程度開始緩慢下降，但在200 mA的大電流下，LOP仍存在11.3%的提升，由10.26 mW提升到11.42 mW。隨著測試電流從20 mA增加到200 mA，實驗組中所有樣品的LOP都始終比對照組樣品更高，且兩組之間的差距始終大于組內偏差。因此可以斷定，LOP的提升是由DPC基板的改進帶來的。

圖4 分別使用傳統(tǒng)(Au)和雙層金屬鍍層(Al)DPC陶瓷基板封裝的兩組LED樣品的(a) I-P與(b) I-V曲線Fig.4 (a) I-P characteristics and (b) I-V characteristics of LEDs packaged by Al-plated DPC ceramic substrates (Group Al) and traditional DPC ceramic substrates (Group Au).

圖4 (b)展示了樣品的I-V曲線，所有樣品的電壓均在約150 mA處達到飽和。在相同的電流下，實驗組的平均電壓略低于對照組，但其差距始終保持在1.5%以內，且兩組之間的差距小于組內偏差。因此可以認為這是芯片質量造成的誤差，且不會對LED的光學及熱學性能產(chǎn)生足夠的影響。

通過以上數(shù)據(jù)計算了每個樣品的WPE與EQE，來表征兩組樣品的效率。LED的WPE定義為LED的LOP與輸入功率之比，即

ηpower=P/IV，

(1)

式中：P表示LED的LOP，I和V分別表示LED的驅動電流和工作電壓。

EQE定義為單位時間內發(fā)射到LED外部的光子數(shù)與單位時間內注入LED的電子-空穴對數(shù)之比，為內量子效率(IQE)和LEE的乘積，即

ηext=ηintηextraction=(P/hν)/(I/e)，

(2)

式中：h、ν和e分別表示普朗克常數(shù)、LED發(fā)射的光的頻率以及基本電荷。

實驗用的芯片具有相同的IQE，因此可以用EQE的提升來表示LEE的提升，EQE增強系數(shù)等于LEE增強系數(shù)。兩組樣品的平均WPE和EQE分別表示在圖5 (a)和(b)中。由于較高的LOP，實驗組器件的WPE得到了較大的提升。在20 mA的正向輸入電流下，相比對照組樣品，實驗組樣品的平均WPE從1.47%提升至1.76%，WPE增強系數(shù)達到了1.20。同時，20 mA下的平均EQE從對照組的1.95%提升至實驗組的2.32%，EQE增強系數(shù)達到了1.19。在200 mA的大電流下，EQE增強系數(shù)仍高達1.11。顯然，通過使用雙層金屬鍍層DPC陶瓷基板可以提高DUV LED的效率，這歸因于光學性能的極大提升。

圖5 分別使用傳統(tǒng)(Au)和雙層金屬鍍層(Al)DPC陶瓷基板封裝的兩組LED樣品的(a) WPE與(b) EQE曲線Fig.5 (a) WPE and (b) EQE of LEDs packaged by Al-plated DPC ceramic substrates (Group Al) and traditional DPC ceramic substrates (Group Au)

圖6顯示了使用DPC陶瓷基板封裝后的LED器件的幾種典型光路。對于使用傳統(tǒng)DPC陶瓷基板封裝的樣品，只有向上方發(fā)射或散射的光線①～③能夠提取出樣品。而由于Au層對UV光的嚴重吸收，在石英玻璃表面產(chǎn)生的反射光線④，在圍壩表面發(fā)生漫反射而向下方反射的光線⑤，以及大量的直接出射到基板焊盤上的光線⑥等向其他方向發(fā)射或散射的光線，都會被焊盤表面的Au金屬吸收而無法提取出樣品。但是，在鍍了Al金屬層后，這些光線在Al金屬層表面將會發(fā)生漫反射，從而得以出射至樣品外部，成功得到收集利用。這解釋了實驗組器件LOP得到極大提升的原因。

圖6 分別使用(a)傳統(tǒng)和(b)鍍Al的雙層金屬鍍層DPC陶瓷基板封裝的LED的典型光路Fig.6 Several typical optical paths of LEDs packaged with (a) traditional DPC ceramic substrates and (b) Al-plated DPC ceramic substrates.

建立了使用這兩種基板封裝的LED封裝體的模型，使用光學射線追跡仿真軟件進行仿真，兩模型唯一的差別是基板焊盤表面是否具有Al反射層。仿真得到的光路圖如圖7 (a)和(b)所示，圖中顯示的光線數(shù)為實際仿真光線的1‰?？梢钥吹剑瑘D7 (a)所示的傳統(tǒng)DPC陶瓷基板中大部分入射到基板焊盤上的光都終止在焊盤表面的Au層上，而圖7 (b)所示的鍍Al DPC陶瓷基板中入射到焊盤表面Al層上的光卻幾乎全部被反射。兩種基板封裝的LED出光面處的光分布如圖7(c)和(d)所示，傳統(tǒng)基板封裝的LED提取效率較低且光線在中心部分較為集中，而鍍Al基板封裝的LED提取效率相比傳統(tǒng)基板有較大提升，LEE增強系數(shù)達到1.24，與實驗結果有較好的一致性，可以作為實驗結果的良好驗證。

圖7 光學射線追跡仿真結果。(a)傳統(tǒng)DPC陶瓷基板封裝LED的仿真光路圖；(b)鍍Al DPC陶瓷基板封裝LED的仿真光路圖；(c)傳統(tǒng)DPC陶瓷基板封裝LED出光面處的光分布；(d)鍍Al DPC陶瓷基板封裝LED出光面處的光分布。Fig.7 Simulation results of optical ray-tracing. (a) Light path diagram of traditional DPC ceramic substrate package LED; (b) Light path diagram of Al-plated DPC ceramic substrate package LED; (c) Light distribution of traditional DPC ceramic substrate package LED; (d) Light distribution of Al-plated DPC ceramic substrate package LED.

3.2 熱模型與熱阻

在大于100 mA的電流下，隨著電流的增加，平均LOP和EQE的提升幅度有所減小，這很可能是受到了熱效應的影響。DUV LED封裝的熱損耗功率約為總功率的98%，這會對LED的光學特性產(chǎn)生極大的影響[12]。

圖8顯示了樣品的熱模型與其主要散熱途徑。進行測試時的總熱阻為：

Rth=Rth-chip+Rth-solder1+Rth-ceramic+
Rth-solder2+Rth-Al plate，

(3)

圖8 DPC陶瓷基板封裝的倒裝UV LED的熱模型與主要散熱途徑Fig.8 Thermal model and main heat transfer path of flip-chip LED packaged by DPC ceramic substrate.

式中：Rth-chip、Rth-solder1、Rth-ceramic、Rth-solder2和Rth-Al plate分別表示熱源到芯片電極的熱阻、芯片焊接點的熱阻、DPC陶瓷基板的熱阻、基板和Al散熱器間焊接點的熱阻以及六角Al散熱器的熱阻。

我們選取了一些樣品進行瞬態(tài)熱阻測試，將所挑選的典型樣品按照封裝時固晶步驟中所點涂的錫膏的量依次分成3組，錫膏量最少的記為Group 1，最多的記為Group 3，余下的一組則為Group 2。每組有2個樣品，分別由鍍Al的DPC陶瓷基板和傳統(tǒng)的DPC陶瓷基板封裝。這6個樣本分別記錄為Al.1、Au.1、Al.2、Au.2、Al.3和Au.3，對每組樣品進行瞬態(tài)熱阻測試和分析。測得的積分結構函數(shù)曲線如圖9 (a)所示，可以看出芯片焊接點熱阻Rth-solder1是影響總熱阻Rth的主要因素。通過圖9 (a)讀取出每個樣品的Rth和Rth-solder1，樣品Al.1、Au.1、Al.2、Au.2、Al.3和Au.3的Rth分別約為73，72，77，78，81，77 K/W，而它們的Rth-solder1則分別約為27，27，32，30，36，31 K/W，結果如圖9(b)所示。

圖9 (a)被測樣品的積分結構函數(shù)圖； (b)樣品的總熱阻Rth與芯片焊接處熱阻Rth-solder1。Fig.9 (a) Integral structure functions; (b) Total thermal resistance Rth and thermal resistance of die attach Rth-solder1 of the 6 samples.

數(shù)據(jù)表明，Group 1和2中實驗組與對照組的Rth和Rth-solder1都相差不大，而且Group 2中兩樣品的Rth和Rth-solder1均比Group 1大4 K/W。因此可以判斷，Rth-solder1幾乎完全提供了Rth的增加。然而，Group 3相對于Group 2，Au.3的Rth和Rth-solder1均不再增加，但Al.3的Rth-solder1卻增加了4 K/W，導致其Rth也隨之增加了4 K/W。由此看出，錫膏的量對樣品的熱阻產(chǎn)生直接影響，且錫膏的量越多，實驗組與對照組之間的熱阻差越大。這是因為Al金屬表面與錫膏的不浸潤，導致固化后的錫膏被局限在Al金屬層的窗口中，無法向覆蓋了Al金屬的部分擴展，從而使焊接層的厚度隨著錫膏的增多而增加，其熱阻Rth-solder1也就隨之增大。而對于沒有鍍Al層的對照組基板，其上的錫膏可以在Au金屬層上擴散平鋪，如圖2 (a)所示，因此固化后的錫膏厚度在增加到一定程度之后不再增加，取而代之的是其固化后錫膏的表面積會隨錫膏的量增大。由于Al.3的熱阻較大，導致了其在高電流下EQE下降較快，相比對照組的提升幅度減小。

由熱測試結果可知，實驗組樣品的熱阻上升是由封裝工藝過程中錫膏的量過多而引入的。只要在封裝工藝中控制錫膏的量在一定的范圍內，就可以消除這一影響，得到和對照組熱阻相近的樣品(如樣品Al.1)。

3.3 可靠性

使用EVERFINE的DJ5000 LED Aging Tester對上述的6個樣品進行老化試驗，在20 mA的驅動電流下老化了160 h。老化過程中各組樣品LOP的變化如圖10所示，對結果進行了歸一化處理。在120 h時Au.3的LOP就已經(jīng)衰減到了初始的70%，Au.2的LOP也在160 h后衰減到了初始值的92%。Au.3可以被認為已經(jīng)失效，推測失效可能是由于電極的退化所致，而電極的退化則可能是由于在較高的結溫下電極中的Au和焊料中的Sn之間的熱膨脹系數(shù)差異較大所造成的[21]。因此認為Au.3的失效主要是由于熱阻引起的結溫過高。這說明對于對照組來說，焊接點熱阻Rth-solder1對器件的壽命有直接的影響，器件的Rth-solder1越大，壽命越短。而Au.1不僅沒有衰減，LOP反而有所上升，在160 h老化后達到了初始值的107%。這可能與摻雜劑Mg的激活引起的p-GaN中空穴濃度的增加有關[22]，而不是封裝方面的影響。然而，與對照組不同，實驗組的3個樣品雖然熱阻差別較大，但其歸一化LOP卻始終非常接近，與初始值相比都沒有產(chǎn)生較明顯的變化，在老化期間內始終保持穩(wěn)定。老化160 h后，樣品Al.1、Al.2和Al.3的歸一化LOP分別為102%、104%和104%。因此，與樣品Au.2和Au.3相比，樣品Al.2和Al.3的Rth-solder1更大，卻具有更好的可靠性。這一現(xiàn)象一般認為是反常規(guī)的。這很可能是由于實驗組在相同電流下的WPE較大，因此在工作電壓下工作時，實驗組器件產(chǎn)生的總熱量比對照組小很多，即使散熱能力較差，其作用在LED芯片上的熱能仍小于對照組。因此，在工作電流下，使用雙層金屬鍍層DPC陶瓷基板封裝的LED樣品雖然平均熱阻較高，反而卻獲得了更好的可靠性和更長的壽命。

圖10 六組LED樣品在老化期間的歸一化LOPFig.10 Normalized LOP of the 6 samples during the aging period

4 結 論

本文設計并制備了一種帶有高反射Al金屬鍍層的雙層金屬鍍層DPC陶瓷基板，用于DUV LED的封裝。實驗結果顯示，使用了這種封裝基板的LED器件的LOP提升了19.2%，其WPE增強系數(shù)達1.20，EQE增強系數(shù)達1.19，均得到了極大的提升。此外，在焊接層較薄時，器件的熱阻并不會明顯增加，同時產(chǎn)生的熱量卻減少，從而使其工作電流下的可靠性得到提升。這些結果為通過封裝來提升DUV LED的出光效率提出了一種新的可行的途徑。