大功率发光二极管（LED）正在酝酿针对日常消费市场的大规模量产，这将把固态照明（SSL）带入光明的未来。尽管其市场份额还小于传统的照明器件，但据预测，到2007年LED的市场份额将快速增长到19%。1要实现这样的增长目标需要发光二极管继续提高亮度和发光效率，与此同时还要降低运行期间的照明成本。最初的产品研究和测试结果表明采用热超声金-金键合技术的金钉头-凸点倒装芯片组装方法对大功率LED应用来说比较合适。
为手机中的数码相机提供闪光功能对大功率LED来说是一个挑战，同时也是一次机会。到2009年，尽管用于液晶显示器（LCD）和键盘背光的LED销售额下降将超过40%，但用于照相手机闪光功能的大功率LED却呈现相反地发展趋势，其年平均增长率预计高达87%。2采用这种LED作为闪光灯可在距离大于1m的范围内得到高品质的图像。在2003年，带有照相功能的手机销售量超过了单纯的数码相机。随着高分辨率（3百万到5百万像素），带有光学变焦和闪光功能照相手机的问世，单纯的数码相机将逐渐被照相手机所取代。高分辨率的传感器、通过光学变焦实现远距离拍照以及强制闪光功能都需要闪光灯的亮度比现有的氙闪光灯更高。目前照相手机中最好的LED闪光灯通过1A（4W）的脉冲可以在1m的距离产生60勒克司的照明度。而高分辨率的相机为了在日常或低亮度环境中得到高质量的图像，需要在2到3m的距离内达到30勒克司的照明度。
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图1.采用LED的相机闪光灯单元
（Lumileds GGI Photoflash
Unit），该单元将被保护的发
光二极管通过GGI组装到陶瓷
基板上。
为了满足无铅要求，一种替代的方案是GGI技术。通过采用热压——加热并加压力——或热粘结工艺将金钉头凸点与基板/封装/芯片上的金键合区连接。4热压和芯片粘结技术已经在产业界使用好多年了，特别是LCD显示器驱动电路芯片，其引脚数很多，大部分采用这种方法粘结。但热压键合方法速度较慢，每个芯片完成粘结需要10到13秒，这无法满足高速热超声组装的要求。另外热压芯片粘结需要加热温度高于300℃，这么高的温度会损坏其他敏感芯片和类似于塑料、多层基板及树脂之类的封装材料。
近年来，通过改进GGI设备，已经有效地提高了凸点制作速度、缩短了热超声芯片粘结时间并且改进了制作工艺。目前，热超声GGI已经在SAW滤波器、硬盘驱动头、助听设备和RFID标签等应用中已经实现了大批量生产。然而钉头-凸点技术基本还停留在低功耗、低电流和低凸点数的应用中。
在很小的区域内增加光输出量需要更高的功率和电流，这样会产生更多的光和热。目前使用的倒装芯片技术由焊料凸点实现，焊料互连的导电和导热性能都很差。其他的无铅焊料合金的导热性能比含铅合金更差。对于导电和导热应用来说，使用金都是一个更好的选择。金钉头凸点比焊料凸点更容易形成顶部平整的结构，这样可以缩短导热通路并且使最终产品的厚度更低。图1所示的是相机闪光灯单元，高度只有1mm，引脚区域面积为2.0
×1.6mm，当通过1 A（4 W）的脉冲，可在1m范围内可以产生60勒克斯的照明度。
尽管金钉头凸点的物理性能已经符合要求，为了低成本、高产量地制造出可靠的产品，还需要针对工业界的大规模应用对相关的制造流程进行优化。同传统的焊料凸点倒装芯片封装相比，如果从制造角度考虑，GGI封装有几个明显的优点。
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图2.钉头凸点与其他晶圆级
凸点制作方法的成本比较。
感谢Kulicke & Soffa公司。
在大功率LED的互连应用中，采用金基的互连比现有的焊料倒装芯片制作流程要短，也更为简洁。焊料倒装芯片封装在芯片倒装之前通常要涂助焊剂，之后进行高温再流。涂助焊剂的工艺需要精确控制，再流之后为了防止沾污光学器件表面，还必须将助焊剂清洗掉。而采用GGI组装的流程完全不需要使用助焊剂。
钉头凸点的制作和热超声键合的温度在150～160℃之间，而且焊料凸点再流的温度在220～230℃之间。在封装的制作过程中，如果工艺的温度比较低可以在封装材料的选择上获得更大的自由度。
目前研究中的各种无铅合金再流温度都要高于铅锡共晶合金。
大部分的LED封装都是采用透明的树脂材料，它们很难承受无铅焊料再流的高温。如果采用金凸点，可以免去材料选择的挑战，其可制造性高，并且封装的可靠性要好，从而节省了封装的成本，也不需要开发使用无铅合金的新工艺流程。
金互连的导热能力陡哂诤噶虾辖穑虼瞬捎媒鹜沟愕腖ED允许的工作温度要高于现有的LED封装。这样整个器件的最高允许工作温度不是由器件的互连而是
由LED本身的结温决定，而正是结温直接与输出光强有关。
成本和产能
由于钉头凸点的制作是个串行过程，因此其成本取决于凸点的制作速度和每个晶圆上的凸点数目。目前制造商已经优化了针对钉头凸点制作的键合机，凸点制作的速度和准确性都得到了提高，有些高速键合机制作凸点的速度可达20到30bps。新一代的钉头凸点键合机可以集成在生产线上连续运行，并且可以保证制作凸点的位置精度（
±3σ下
±3.5祄）和凸点的高度偏差（扁平凸点情况，
±3σ下
±3.0祄）。
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表1.可靠性测试。
凸点制作速度的提高和使用该方法很高的成品率，进一步降低了钉头凸点在大规模量产中的成本。设备制造商已经开发了成本分析模型，主要根据设备折旧、设备占用面积、设备运行成本和设备维护几个方面进行估算，可以根据客户的具体情况进行单独的成本模型估算。图2所示的例子就是特定应用条件下不同凸点制作方法的成本比较。考虑到每片晶圆上凸点数目、凸点高度和要加工的晶圆数目几个因素，钉头凸点可以作为一种低成本的互连选择。
凸点制作流程控制
为了保证制作工艺的运转良好，需要对钉头凸点的一些关键参数进行严密监控。这些关键参数包括凸点的尺寸和行装、凸点的位置精度以及凸点的剪切强度。同样，对组装过程也需要进行严格控制。
凸点的尺寸和形状：凸点的几何尺寸可根据应用的需要进行调整。凸点的位置、尺寸和形状的测试标准通常由基板和芯片压焊区的位置决定。简单的热学模型计算可以保证凸点的设计符合产品的散热要求，凸点尺寸和形状的监测标准包括可接受的凸点尺寸范围、钉头高度和凸点高度几项，引线线尾的高度和弯曲角度也需要标明。对凸点尺寸和形状的监控要求在一个设计良好的样品检测平台完成可靠性高的光学检验。光学扫描是一种快速的检测方法，通常其精度可达
±1祄，并可以在多种凸点级别测量凸点阵列的高度。
图3所示为单个钉头凸点的光学扫描测试结果，可以得到水平方向上的尺寸、凸点顶部到肩部的高度以及整个凸点相对于基板的高度。对多个凸点的反复扫描可以得到用于工艺控制的监控数据。
凸点位置精确性：与焊料凸点不同，钉头凸点的制作工艺不是自对准的，因此最初的位置控制非常关键。对凸点位置精确性的控制可以保证产品的电学性能和成品率。基板金属化工艺中的一些问题，例如图形偏离或不适当的基准金属层，都可能导致键合机对版图识别的误差并出现凸点错位。
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图3.用于尺寸监控的钉头凸
点尺寸和高度扫描。
凸点剪切：钉头凸点连接的稳定程度取决于在凸点与基板键合位置金扩散层的质量。然而仅有凸点剪切数据还无法保证成功的凸点制作。对剪切失效后失效模式的视觉检验也非常关键，并且剪切后断口位置应该出现金扩散的痕迹。如果断口位置没有扩散的迹象则表明该凸点的连接很差，并可能导致可靠性问题。
热-机械应力测试
大功率LED在消费电子产品中的应用还需要通过一系列的可靠性测试而不允许有失效发生，这些测试的信息列于表1。LED的使用环境还要求一些特殊的测试，包括机械冲击、振动和在水泥地面上完成摔落测试。通过热、热-机械和截面检测可以为LED和基板的可靠连接提供充分证据。
结论
金钉头凸点为大功率LED的封装提供了较好的解决方案，可以满足很多现有方法无法实现的要求：100%无铅封装；保证LED的结温，可以在脉冲、大功率或连续条件下运行；与SMT组装兼容，并可承受3次无铅焊料的再流温度。
参考文献
1.“High Brightness LED Market Review and Forecast,”Strategies Unlimited, Report OM-26, July 2003.
2.“Report: LED revenue to fall 41% by 2009,”EE Times, 2005/12/05.
3. Packaging of High-power LEDs Using Au Stud Bump Interconnects," S. Haque, M. Ng, G. Abrahamse, F. Wall, S. Rudaz, P. Martin, SMTA 2005 Emerging Technologies, September 2005.
4. L. K. Cheah et al.,“Gold to Gold Thermosonic Flip Chip Bonding,”Proc. HDI 2001, pp. 165 - 175, April 2001.
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