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(shí)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(gè)月一個(gè)價(jià),，跌跌不休讓芯片與燈珠的議價(jià)幾乎是一個(gè)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(jìn)行無言的抗議,！
去年的秋天,，當(dāng)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(jiǎng)得主天野浩教授交流之后，我對(duì)這個(gè)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(gè)2016新年獻(xiàn)禮,。
2015年8月的WUPP會(huì)議
大學(xué)或研究所的時(shí)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(huì)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(gè)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(gè)月就翻一倍,，微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，或價(jià)格下降一半,。
如下圖所示：這個(gè)定律在2010年20納米制程之后就有一點(diǎn)欲振乏力了,，摩爾定律遭遇了一個(gè)嚴(yán)酷的考驗(yàn)， 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(shí)刻總是會(huì)有一個(gè)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(xì)技術(shù)細(xì)節(jié)請(qǐng)看下圖所示,，當(dāng)別人絞盡腦汁利用曝光技術(shù)縮小線寬極限的時(shí)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(gè)技術(shù)不但延長了摩爾定律，也讓我們?nèi)祟愒谶@個(gè)電子資訊時(shí)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(jià)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(gè)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(kuò)產(chǎn),，2015年對(duì)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(jì)成本的殺價(jià),。
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(xiàn)LED事業(yè)的技術(shù)者，看看我們?nèi)绾胃淖兣c翻轉(zhuǎn)這個(gè)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(lán)光LED之后,，LED開始進(jìn)入全彩時(shí)代,，但是當(dāng)時(shí)的LED價(jià)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(gè)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(jìn)入第一個(gè)黃金時(shí)期,，初期是由美國亮銳Luminled公司倒裝技術(shù)與臺(tái)灣的正裝技術(shù)的競爭，最后因?yàn)榧す馇懈畹募夹g(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(jìn)入背光時(shí)代。
2008年到2014年,，是一個(gè)接力賽,，照明方案，LED重心由臺(tái)灣慢慢轉(zhuǎn)移到中國大陸,，一系列的技術(shù)都由臺(tái)灣工程師帶到大陸,，圖形襯底PSS技術(shù)，半導(dǎo)體的自動(dòng)化設(shè)備導(dǎo)入,，濺鍍透明導(dǎo)電層（sputter ITO）,，星級(jí)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(tái)灣工程師失去價(jià)值,，當(dāng)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(tái)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(duì)LED來說可能是最低潮的一年,，由于歐美日韓臺(tái)灣的企業(yè)因?yàn)橹袊箨懛抢硇缘臍r(jià)競爭,，結(jié)果對(duì)LED產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了不如歸去之感,，他們對(duì)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(gè)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(tái)灣企業(yè)就很少有聲音了，相對(duì)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(duì)海茲定律的貢獻(xiàn)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(duì)行業(yè)的主導(dǎo)與貢獻(xiàn),。
LED芯片技術(shù)的增長沒有對(duì)海茲定律有多大的貢獻(xiàn),，如果有貢獻(xiàn)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(dòng)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(jìn)料檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到的,，它需要犧牲外延的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致缺陷會(huì)更嚴(yán)重,，所以這些公司的燈珠價(jià)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(tái)灣是以技術(shù)進(jìn)步來遵循海茲定律,，中國大陸是以成本降低來貢獻(xiàn)，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(tái)灣與韓國也跟進(jìn),，中國大陸以犧牲利潤,，犧牲性能，犧牲壽命非理性殺價(jià)競爭來致敬海茲先生的偉大定律,。
到了這個(gè)時(shí)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(shí),，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(gè)簡單的結(jié)論：倒裝表面上看似比正裝優(yōu)越,，事實(shí)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(gè)面，電極與焊線會(huì)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(gè)面,，因此同樣尺寸的芯片倒裝的亮度會(huì)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(yán)苛環(huán)境之下，會(huì)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(huì)更好，尤其是在嚴(yán)苛的環(huán)境考驗(yàn)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(yuǎn)，除了導(dǎo)熱系數(shù)不是很好的120微米厚藍(lán)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(dòng)時(shí)會(huì)有很大的光衰減,。
倒裝結(jié)構(gòu)剛好解決了這個(gè)問題,，發(fā)光層距離熱沉基板只有幾個(gè)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(huì)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(dòng)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?yàn)镃SP也是倒裝技術(shù)的一種,，就是取一個(gè)洋氣的名字來炒炒概念，所以我把CSP當(dāng)做倒裝的一個(gè)應(yīng)用產(chǎn)品,，不再詳細(xì)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(duì)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(duì)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(diǎn),，綠色照明,，導(dǎo)致到目前為止，這兩個(gè)技術(shù)雷聲大但是雨點(diǎn)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(duì)較少，工程照明,，但是錫膏熔點(diǎn)低會(huì)衍生出很多意想不到的問題,，首先由于錫膏固晶熔點(diǎn)低，錫膏很容易產(chǎn)生類似封裝工藝的爬膠問題,，所以對(duì)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(jià)格會(huì)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(huì)導(dǎo)致在固晶時(shí)頂針砸破絕緣層導(dǎo)致漏電，錫膏熔點(diǎn)低容易爬膠導(dǎo)致器件短路，二次回流焊制程會(huì)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(jià)格，最終進(jìn)入低端殺價(jià)的死胡同,。
錫膏回流焊使用的芯片剖面圖,，工藝確實(shí)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?yàn)楣步鹌骷泻芨叩目煽啃裕缙诼窡粲玫臒糁橐欢ㄒ眠@樣的制程,，但是應(yīng)用在其他產(chǎn)品,，性價(jià)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(jià)格降價(jià)再降價(jià),，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(jiǎng)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(rèn)識(shí)。
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(dá)到垂直方向?qū)щ�,，橫向絕緣的效果，原理如下圖所示,。
而且導(dǎo)熱與導(dǎo)電效果非常良好,，3c認(rèn)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(duì)LED這個(gè)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(gè)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(jī)密科技邱總（左三）與筆者（右一）在日本福岡的WUPP會(huì)議
異向?qū)щ娔zLEP倒裝封裝示意圖
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