Монтаж светодиодов методом перевернутых кристаллов
Для светодиодов с двумя верхними контактами, например InGaN/GaN, выращенных на сапфировых подложках, используют два типа монтажа: с нормальным расположением кристаллов (эпитаксиаль- ный слои сверху) и с перевернутыми кристаллами. Монтаж методом перевернутых кристаллов (флип-чип-монтаж), при котором кристалл
Таблица 9.2. Показатели преломления и диапазоны прозрачности некоторых диэлектриков — антиотражающих покрытий
крепится при помощи паяных столбиков-выводов, гораздо дороже обычного монтажа светодиодов, когда пластины верхних контактов развариваются проволочками. Достоинство монтажа светодиодов с перевернутыми кристаллами заключается в том, что металлические контакты кристаллов не мешают выводу света, излучаемого активной областью.
В светодиодах с нормальным расположением кристаллов большая площадь верхнего контакта р-типа приводит к равномерному распределению тока по активной области, но одновременно с этим она препятствует выводу света. Последнюю проблему можно решить с помощью монтажа методом перевернутых кристаллов. Это особенно важно при проектировании мощных светодиодов.
AdachiS. andОе К. «Chemicaletchingcharacteristicsof(001) GaAs»]. Electrochem. Soc.130, 2427 (1983).
Billeb A., Grieshaber W., Stocker D., Schubert E.F., and Karlicek R.F.Jr. «Mi- crocavity effects in GaN epitaxial layers» Appl. Phys. Lett.70, 2790 (1997).
Carr W. N. and Pittman G. E. «One-Watt GaAs p-n-junction infrared source» Appl. Phys. Lett.3, 173(1963).
Casey Jr. H. C. and Panish M. B. Heterostructure Lasers Part A: Fundamental Principles pp. 46, 47, and 175 (Academic Press, San Diego, 1978).
Franklin A. R. and Newman R. «Shaped electroluminescent GaAs diodes» J. Appl.
Fujii Т., Gao Y., Sharma R., Hu E. L., DenBaars S. P., and Nakamura S. «Increase in the extraction efficiency of GaN-based light-emitting diodes via surface roughening» AppL Phys. Lett.84, 855 (2004).
Gao Y., Fujii Т., Sharma R., Fujito K., DenBaars S. P., Nakamura S., and Hu E. L. «Roughening hexagonal surface morphology on laser lift-off (LLO) N-face
GaN with simple photo-enhanced chemical wet etching» Jpn. J. Appl. Phys. 43,L 637 (2004).
Haerle V. «Naturally textured GaN surface» China Hi-Tech Fair (CHTF) Shenzhen, China, October 12-17 (2004).
Haitz R. «Light-emitting diode with diagonal faces» US Patent 5,087,949 (1992).
Hoefler G.E., Vanderwater D.A., DePevere D.C., Kish P. A., Camras M.D., Steranka P.M., and Tan l.-H. «Wafer bonding of 50-mm diameter GaP to AlGalnP-GaP light-emitting diode wafers» Appl. Phys. Lett.69, 803 (1996).
loffe Institute (Saint Petersburg, Russia) database on compound semiconductors available at www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/(2002).
Kim O. K. and Bonner W. A. «Infrared reflectance and absorption of n-type InP» I Electron. Mater12, 827 (1983).
Kish P. A. and Fletcher R. M. «AlGalnP light-emitting diodes» in High Brightness Light-Emitting Diodes edited by G. B. Stringfeliow and M. G. Craford, Semiconductors and Semimetals 48 (Academic, San Diego, 1997).
Kish P.A., Steranka P.M., DePevere D.C., Vanderwater D.A., Park K.G., Kuo C.P., Osentowski T.D., Peanasky M.J., Yu J.G., Fletcher R.M., Steigerwald D. A., Craford M. G., and Robbins VM. «Very high-efficiency semiconductor wafer-bonded transparent-substrate (Ala:Gai_x)o sluo sP/GaP light-emitting diodes» Appl. Phys. Lett.64, 2839 (1994).
Kish P. A., Vanderwater D. A., Peanasky M.J., Ludowise M.J., Hummel S. G., and Rosner S.J. «Low-resistance ohmic conduction across compound semiconductor wafer-bonded interfaces» Appl. Phys. Lett.67, 2060 (1995).
Knox R. S. Theory of Excitons (Academic Press, New York, 1963).
Krames M. R., Ochiai-Hoicomb M., H5fler G. E., Carter-Coman C., Chen E. I., Tan I.-H., Grillot P, Gardner N.F., Chui H.C., Huang J.-W., Stockman S.A., Kish P. A., Craford M.G., Tan T.S., Kocot C.P., Hueschen M., Posselt J., Lob В., Sasser G., and Collins D. «High-power truncated-inverted-pyramid (Ala;Gai_j;)o,5lno,5P/GaP light-emitting diodes exhibiting > 50% external quantum efficiency» Appl. Phys. Lett.75, 2365 (1999).
Loebner E. E. «The future of electroluminescent solids in display applications» Proc. IEEE61, 837 (1973).
NichiaCorporation. Визуальный осмотр поверхности микросхемы GaN-СД показал, что она белая, т.е. диффузная (2005).
O’Shea J.J., Camras М.D., Wynne D., and Hoefler G.E. «Evidence for voltage drops at misaligned wafer-bonded interfaces of AlGalnP light-emitting diodes by electrostatic force microscopy» J. Appl. Phys.90, 4791 (2001).
Osram Opto Semiconductors Corporation, Regensburg, Germany «Osram Opto enhances brightness of blue InGaN-LEDs» Press Release (January 2001).
Palik E. D. Handbook of Optical Constants of Solids (Academic Press, San Diego, 1998).
Pankove J. I. Optical Processes in Semiconductors» p. 75 and section on Urbach tail (Dover, New York, 1971).
Schmid W., Eberhard P., Jager R., King R., Joos J., and Ebeling K. «45% quantum- efficiency light-emitting diodes with radial outcoupling taper» Proc. SPIE 3938, 90 (2000).
Schmid W., Scherer M., Jager R., Strauss P., Streubel K., and Ebeling K. «Efficient light-emitting diodes with radial outcoupling taper at 980 and 630 nm emission wavelength» Proc. SPIE4278, 109 (2001).
Schmid W., Scherer M., Karnutsch C., Plobl A., Wegleiter W., Schad S., Neu- bert В., and Streubel K. «High-efficiency red and infrared light-emitting diodes using radial outcoupling taper» IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 8, 256 (2002).
Schnitzer 1., Yablonovitch E., Caneau C., Gmitter T.J., and Scherer A. «30% external quantum efficiency from surface-textured, thin-film light-emitting diodes» Appl. Phys. Lett.63, 2174 (1993).
Schubert E. F., Goebel E. O., Horikoshi Y., Ploog K., and Queisser H. J. «Alloy broadening in photoluminescence spectra of AlGaAs» Phys. Rev. S30, 813 (1984).
Schubert E.F., Goepfert I.D., Grieshaber W., and Redwing J.M. «Optical properties of Si-doped GaN» Appl. Phys. Lett.71,.921 (1997).
Sinzinger S. and Jahns J. Microoptics (Wiley-VGH, New York, 1999).
Stocker D.A., Schubert E.F., and Redwing J.M. «Crystallographic wet chemical etching of GaN» Appl. Phys. Lett.73, 2654 (1998a).
Stocker D.A., Schubert E.F., Grieshaber W., Boutros K.S., and Redwing J.M. «Facet roughness analysis for InGaN/GaN lasers with cleaved facets» Appl. Phys. Lett.73, 1925 (1998b).
Stocker D. A., Schubert E.F., and Redwing J.M. «Optically pumped InGaN/GaN lasers with wet-etched facets» Appl. Phys. Lett.77, 4253 (2000).
Swaminathan V. and Macrander A. T. Materials Aspects of GaAs and InP Based Structures» (Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1991).
Urbach F. «The long-wavelength edge of photographic sensitivity of the electronic absorption of solids» Phys. Rev.92, 1324 (1953).
Walukiewicz W., Lagowski J., Jastrzebski L., Rava P., Lichtensteiger M., Gatos C. H., and Gatos H. C. «Electron mobility and free-carrier absorption in InP; determination of the compensation ratio» J. Appl. Phys.51, 2659 (1980).
Wiley J. D. and DiDomenico Jr. M. «Free-carrier absorption in n-type GaP» Phys. Rev. В 1, 1655 (1970).
Windisch R., Schoberth S., Meinlschmidt S., Kiesel P., Knobloch A., Heremans P., Dutta В., Borghs G., and Doehler G.H. «Light propagation through textured surfaces» J. Opt. A: Pure Appl. Opt.1,512 (1999).
Windisch R., Dutta В., Kuijk M., Knobloch A., Meinlschmidt S., Schoberth S., Kiesel P., Borghs G., Doehler G. H., and Heremans P. «40% efficient thin-film surface textured light-emitting diodes by optimization of natural lithography» IEEE Trans. Electron Dev.47, 1492 (2000).
Windisch R., Rooman C.; Kuijk M., Borghs G., and Heremans P. «Impact of texture-enhanced transmission on high-efficiency surface-textured light-emitting diodes» Appl. Phys. Lett.79, 2315 (2001).
Windisch R., Rooman C., Dutta В., Knobloch A., Borghs G., Doehler G.H., and Heremans P. «Light-extraction mechanisms in high-efficiency surface- textured light-emitting diodes» IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 8, 248 (2002).
1. Панков Ж. И. Оптические процессы в полупроводниках.—М.: Мир, 1973.
2. Бонч-Бруевич В. Л., Звягин И. П., Кайпер Г., Миронов А. Г., Эндерлайн Р., Эссер Б. Электронная теория неупорядоченных полупроводников. — М.: Наука, 1981. 310 с.
3. Яссиевич И. Н. и др., ФТП.
4. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников.—М.: Наука, 1977, 1988 (2-е изд.), гл. 18.
5. Юнович А.Э. Оптические явления в полупроводниках. — М.: Изд-во МГУ, 1988 (часть 1); 1991 (часть 2).
6. Сайт ФТИ им. А. Ф. Иоффе (параметры полупроводниковых соединений) www.ioffe.rssi.ru/SyA/NSM/Semicond/(2002).
7. Narulcawa Y., Narita J., Sakamoto Т., Deguchi К., Yamada Т., Т. Mukai // Jap. Journ. Appl. Phys., 2006. Vol. 45, № 41. P. L1084-L1086.
8. Сайт фирмы «Крии» http://www.cree.com/press/press_detail.asp?i=l150834 953712.
9. Коган Л. М. Светодиодные осветительные приборы // Светотехника, 2002. №5. С. 16-20.
10. Кудряшов В. е., Туркин А. Н., Юнович А. Э., Ковалев А. Н., Маняхин Ф. И. // ФТП. 1999. Т. 33, №4. С. 445-450.
11. Бадгутдинов М. Л., Юнович А. Э. // ФТП. 2008. Т.42, №4.
Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с. – ISBN 978-5-9221-0851-5.
Источник
SamsPcbGuide, часть 14: Технологии — Микроразварка и технология Chip-On-Board
В этой самоизоляционной статье я расскажу о разварке проволочных микровыводов (англ. wire bonding). В контексте печатных плат речь пойдёт о технологии монтажа кристаллов на печатную плату (англ. chip-on-board, COB). Обязательно смотрите видео по ссылкам, микроразварка — это очень красиво!
Разварка обеспечивает электрическое соединение кристалла с выводами корпуса (при корпусировании микросхемы), либо напрямую с проводниками печатной платы (технология COB). Альтернативный способ электрического соединения – это перевёрнутый монтаж кристалла (англ. flip-chip), как в конструкции самого корпуса, так и непосредственно на печатную плату (рис. 1).
Монтаж с использованием микропроволочных выводов появился следом за первыми интегральными схемами в начале 1960-ых годов и успешно используется до сих пор. Перевёрнутый монтаж – это современная технология, возникшая в ответ на требования повышения количества выводов, увеличения быстродействия и снижения габаритов. Однако она имеет ряд конструкционных ограничений, связанных с обеспечением надёжности (подробно об этом я писал здесь), и является технологически более сложной.
В этой статье не будет подробно рассматриваться классификация и теория различных методов разварки – это очень объёмный материал, выходящий за рамки обсуждаемого вопроса. Дело в том, что за свою продолжительную историю технология присоединения микропроволочных выводов развивалась в направлениях повышения стабильности, надёжности, скорости процесса сборки, расширения возможностей оборудования по созданию сварочных петель сложной формы и высокой плотности монтажа (рис. 2). Разнообразие задач и отсутствие универсальной технологии привело в процессе поиска к разработке различных методов разварки. Рассмотрим кратко основные моменты. Несмотря на разнообразие методов, общим для всех принципом является то, что сварное соединение образуется в результате давления и нагрева контактирующих поверхностей до высокой температуры до образования межатомных соединений (чаще всего это интерметаллиды). В зависимости от метода нагрева разварка делится на следующие основные типы: термокомпрессионная (внешний нагрев), ульразвуковая (трение при ультразвуковом импульсе), термозвуковая (сочетание внешнего нагрева и ультразвукового импульса) и контактная (импульсный нагрев при протекании электрического тока) сварки. Основные материалы микропроволочных выводов – алюминий, золото, медь. Медь используют вместо золота для снижения стоимости, но она более жёсткая, а также быстро окисляется на воздухе, что осложняет процесс сварки, и требует более сложного оборудования, создающего в зоне разварки инертную среду (азот или формовочный газ). Высокая же проводимость меди является драйвером для замены алюминия в разварке силовых приборов, несмотря на более сложный техпроцесс.
Ось проволоки при разварке может быть ориентирована параллельно – это разварка типа «клин» (англ. wedge bond), или перпендикулярно – это разварка типа «шарик» (англ. ball bond) (рис. 3). У петли чаще всего две точки контакта, поэтому по типу сварочных точек методы разварки делятся на «шарик-клин» и «клин-клин». Наиболее распространены ультразвуковая сварка алюминиевой проволокой типа «клин-клин» (видео) и термозвуковая сварка золотой/медной проволокой типа «шарик-клин» (видео). В последнем случае для формирования шарика используется оплавление кончика проволоки искровым разрядом (видео), что только добавляет эпичности и красоты в процесс разварки. Для силовых приборов используются алюминиевые и золотые ленты (видео с шикарным звуковым сопровождением).
Ключевыми параметрами при ультразвуковой/термозвуковой разварке являются усилие сварки, мощность и продолжительность ультразвукового импульса. Их сочетание для заданной установки разварки, конкретной проволоки (диаметр, жесткость), конкретного разварочного инструмента, конкретных параметрах контактной площадки (размер, материал) должно обеспечивать повторяемость процесса разварки с гарантируемыми параметрами надёжности соединения. Напрямую контролируемыми параметрами являются внешний вид, усилие на отрыв (англ. pull test) и усилие на сдвиг (англ. shear test) (рис. 4), косвенно – сбои при термоциклировании и других испытаниях в составе изделия.
Подбор параметров является в некотором роде магической процедурой, но тут есть ряд рекомендаций. В целом, выполняется он методом научного тыкапоставноки эксперимента (англ. design of experiment, DOE), то есть последовательным перебором параметров в некотором диапазоне. Отталкиваться в этом поиске можно от опубликованных результатов по оптимизации параметров (например, статьи [1, 2]), от рекомендаций производителя оборудования и, конечно, от наработанного опыта. Далее выполняются тестовые разварки для каждого набора параметров с последующим контролем внешнего вида и усилий на отрыв/сдвиг. Для контроля внешнего вида вполне достаточно увеличения x100 с возможностью измерения линейных размеров (рис. 5), для измерения усилий на отрыв/сдвиг применяются специализированное оборудование (для лабораторных задач можно, например, использовать граммометр с крючком, а сдвиг выполнять вручную и исследовать форму разрушения на увеличениях x100…200 и более). Для оценки внешнего вида важно насмотреться на как можно большее количество микрофотографии красивых и некрасивых точек разварки (вот здесь и здесь, например, есть несколько хороших микрофотографий с описанием), потому что по моему опыту есть корреляция между красотой разварки и её качеством. Кроме того, с опытом появляется понимание того, как при наладке параметров их варьировать, чтобы получить требуемый результат (не хватает усилия при сварке или же слишком большая мощность), то есть перебор становится всё более осознанным и направленным. В своё время мне очень помогло прочтение статей с теорий формирования сварки и влияния параметров на её качество [3, 4]. И ещё вот этих не менее прекрасных статей [5, 6], где авторы (памятники таким ставить) исследовали формирование петли с помощью высокоскоростной камеры. А так, количество прочитанных статей добить до 100, количество разваренных и оторванных перемычек до 10000 и магии в этом процессе станет несколько меньше. Всё ещё очень от установки, конечно, зависит – я в упорной борьбе выжимал максимум из белорусского автомата ЭМ-4450.
Теперь вернёмся к печатным платам и некоторым особенностям их проектирования по технологии COB. Технология применяется для снижения стоимости или при микроминиаютиризации, создании многокристальных модулей и сборок (в частности, светодиодных). На рис. 6 приведено изображение из одной из презентаций Wurth Electronics по данной теме с рекомендациями по проектированию. Представленные ограничения на размеры могут служить в качестве ориентира, дополнительно рекомендуется использовать 3D-модель разварочного инструмента для проверки доступности всех КП во избежание проблем уже по факту. Важно обратить внимание, что в зоне разварки на печатной плате снята маска, чтобы не создавать помех рабочей плоскости разварочного инструмента. Зону под кристаллом лучше не использовать под трассировку, а разместить там монтажную площадку (как на рисунке), особенно если основание кристалла имеет потенциал или требуется монтаж на проводящий клей для повышения теплоотвода. Монтаж кристалла на маску возможен, особенно в случае дальнейшего компаундирования кристалла. Монтаж кристалла может также осуществляться в вырез в печатной плате (англ. pcb cavity) с расположением КП в том же топологическом слое или уровнем выше.
Следующий нюанс, касающийся трассировки, заключается в рекомендации ориентировать КП на печатной плате по направлению разварочных петель для золотой проволоки. Обоснованность её я понял только при написании программы разварки. Суть в том, что вторая точка варки образуется на краю капилляра (рис. 7), а при написании программы указывается его центр, что при больших углах приводит к необходимости учитывать это и смещать расположение точки в программе. Иными словами, так удобней, но это не является принципиальным ограничением, и удобство трассировки имеет более высокий приоритет.
По поводу финишного покрытия печатных плат в отрасли имеется консенсус: для разварки алюминиевой проволокой достаточно ENIG, для золотой проволоки – ENEPIG или гальваническое золото (рис. 8). Почему нельзя использовать более дешёвый и доступный ENIG для разварки золотой проволокой? Ответ, который удавалось найти, заключается в том, что дрейф никеля приводит к деградации сварного соединения со значительным снижением его надёжности. А в ENEPIG палладий служит барьерным слоем, который препятствует этому дрейфу. Для отладочных образцов использовать ENIG вполне допустимо, тем более что параметры разварки при прочих равных для этих покрытий близки. ENEPIG же прямо указывается как рекомендуемое покрытие во многих источниках, по нему приводятся данные по испытаниям на надёжность [7, 8].
Большое внимание также уделяется проблеме образования нежелательных интерметаллидов Au-Al («пурпурная чума» и другие страшные слова), которые возникают при разварке золотой проволокой на алюминиевые КП кристалла или алюминиевой проволокой на ENIG. Вопрос этот достаточно сложный и для полного его понимания необходимых знаний химии у меня, к сожалению, нет. Вывод такой, что разварка в системе Au-Al является потенциальным источником сбоев, особенно при высоких температурах, и должна тщательно испытываться на надёжность. Максимизация усилия на отрыв как одна из стратегий, так как прочность сварки и долговременная надёжность связаны (более тонкий интерметаллический слой с большей площадью покрытия).
Слабым местом разварки «шарик-клин» на ENEPIG из-за тонкого слоя золота является вторая точка сварки. Задача получения качественной разварки осложняется также загрязнением КП после этапа поверхностного монтажа компонентов на печатную плату. Существуют два метода повышения надёжности: с укреплением бампом после сварки (англ. security bump/ball, SB) и c предварительным бампированием (англ. ball stich on ball, BSOB, или stand-off stich, SOS) (рис. 9). Дополнительным параметром оптимизации в этих технологиях является смещение бампа относительно точки сварки [9, 10]. По собственному опыту могу сказать, что для COB себя хорошо показала BSOB. Кстати, BSOB хороша ещё тем, что позволяет ставить вторую точку сварки на кристалл (англ. reverse bonding) и осуществлять разварку между кристаллами напрямую в многокристальных сборках. Буду рад, если в комментариях поделитесь своим опытом применения SB/BSOB и ENIG/ENEPIG.
И напоследок практический совет, может быть, кому-то будет полезно. Разварочные капилляры (а они недешёвые и поставка долгая), бывает, наглухо забиваются золотом. В случае, когда канал невозможно прочистить даже нихромовой проволокой, инструмент всё ещё рано списывать. Поможет «царская водка» – и инструмент как новый.
Сейчас появилось свободное время, поэтому планирую дополнить в адаптированном виде этой и предыдущей публикацией очередной релиз полной версии #SamsPcbGuide! Решил сделать самоизоляционную противовирусную скидку на полную версию – #сидидомаичитай, так сказать. Постепенно начинаю работу над калькулятором #SamsPcbCalc. Также прошу написать в комментариях, какие темы из нераскрытых интересно было бы рассмотреть. И, как всегда, буду благодарен за конструктивную критику и обратную связь. Всем удачи, народ, здоровья родным-любимым и продуктивного карантина!
Источник
