CN101154697A - 发光二极管芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管芯片及其制造方法，该芯片包括：形成于蓝宝石衬底的外延晶片，其N型区域和P型区域上均覆盖有金属电极层，该金属电极层包括透明金属层和反射层，在金属电极层上具有凸点下金属层和金属凸点；适于倒装焊的底板，该底板上具有金属线路层和形成于该金属线路层上的凸点；其中，N型区域尽可能包围P型区域，N型区域及其上覆盖的金属电极层保持连通，P型区域被N型区域及其金属电极层分隔成若干区域；所述的P型区域上的金属凸点均匀分布在所述被分隔成的若干区域中。本发明通过对器件电极的优化设计，改善了电流分布情况，从而提高器件的性能和寿命，此外，电极上的倒装焊结合点强度和器件的传热性能也都得到改善。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管(LED)芯片的结构设计及其制造方法，特别涉及大功率倒装焊结构的发光二极管芯片的结构设计及其制造方法。
背景技术
传统的发光二极管LED晶粒的电极金属面向上，放置固定在一底板上。应用金线焊接(wire-bonding)工艺，把金线焊接在晶粒的电极金属层上并和底板相连。为改善电流分布和器件性能，在传统发光二极管晶粒上，正负电极金属层覆盖整个器件，同时在此电极层上制备引线焊接盘(wire-bonding pad)，用于金线焊接。由于发光二极管发光层在电极金属层以下，发出的光部分被电极金属层吸收，此种结构会影响器件的出光效率。
为了改善以上所述的发光二极管的出光效率，倒装焊结构被应用于发光二极管的制造中。在60年代倒装焊技术和可控塌陷凸点(C4)技术开发并获得应用。倒装焊技术是通过在芯片表面形成的焊球，使芯片翻转与底板形成连接，从而减小封装尺寸，满足电子产品的高性能、小外形的要求，使产品具有很好的电学性能和传热性能。目前，广泛使用的倒装焊发光二极管结构如图1所示，其中采用氮化镓作为发光器件，该发光器件由在蓝宝石(sapphire)基板1上形成氮化镓多层晶体层的外延晶片2制成。
由图1可以看出，与倒装焊在集成电路上的应用相似，现有的倒装焊发光二极管应用硅集成电路制成技术，在氮化镓晶片2的表面制备金属电极层3，并且在金属电极层3上制备金属凸点5，然后倒装焊接在底板4上对应的金属凸点6上面。其中，氮化镓晶片上的金属电极层材料3与硅集成电路技术中的材料相似，为改进出光效率，通常使用如铝、银等高反射材料作为金属电极层。尽管在氮化镓外延晶片上的金属电极层的制成工艺已经在硅集成电路技术中广泛应用，但是，对于大功率LED，由于输入电流大，器件对电流在金属电极层的均匀分布要求很高，因此，目前还存在以下缺陷：首先，现有的金属电极层的结构与设计对于大功率倒装焊LED器件，并不能够提供良好的电流与电压性能，导致器件金属电极层接触电阻大，工作电压过高。另一方面，随着芯片尺寸的增加，由于热匹配的原因，对导电金属层的机械黏附性要求亦增加，如何改善倒装焊LED金属电极层与焊接点的可靠性是需要解决的关键问题。此外，为使电流分布和散热性能够得到进一步改善，LED芯片倒装焊所在的底板亦需要改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可进一步改善电学性能和传热性能的大功率发光二极管芯片及其制造方法。由此克服传统倒装焊发光二极管所存在的上述问题。
上述发明目的是通过以下技术措施来实现的：
本发明的发光二极管芯片包括：
形成于蓝宝石衬底的外延晶片，其中，所述外延晶片包括N型区域和P型区域，在所述的N型区域和P型区域上均覆盖有金属电极层，在金属电极层上具有凸点下金属层和金属凸点；
适于倒装焊的底板，所述底板上具有金属线路层和形成于该金属线路层上的凸点，与所述P形区域和N型区域上的金属凸点相对应；
其特征在于：所述的N型区域尽可能包围P型区域，所述的N型区域及其上覆盖的金属电极层保持连通，P型区域被N型区域及其金属电极层分隔成若干区域；所述的P型区域上的金属凸点均匀分布在所述被分隔成的若干区域中。
本发明所述的大功率发光二极管芯片的制造方法包括以下步骤：
(a)根据设计图形和尺寸，在形成于蓝宝石衬底上的外延晶片中形成P型区域和N型区域，其中，所述的N型区域尽可能包围P型区域；
(b)在所述的P型区域和N型区域上沉积金属电极层，所述金属电极层包括透明金属层和金属反光层，由此形成所需的金属电极层的图形；
(c)在所述的金属电极层上制备凸点下金属层和凸点，其中，所述的N型区域以及其上覆盖的金属电极层保持连通，P型区域被N型区域及其上覆盖的金属电极层分隔成若干区域；所述的P型区域上的金属凸点均匀分布在所述被分隔成的若干区域中；
(d)根据上述设计的凸点图形，将步骤(c)得到的晶片倒装焊至一底板上，其中，所述底板具有相应于所述LED晶片的金属线路层和凸点。
在本发明的优选实施方式中，P型区域被N型区域及其金属电极层均匀地分隔成若干区域，并且在每个分隔区域中分布一个金属凸点。
在本发明的优选实施方式中，被N型区域及其金属电极层分隔的P型区域上面覆盖的金属电极层与N型区域上覆盖的金属电极层相距的最短距离小于350微米。
在本发明的优选实施方式中，所述的N型区域及其金属电极层的宽度在15至60微米之间。并且，P型区域和N型区域之间具有一沟道，该沟道的宽度为2微米至10微米之间。所述沟道可通过刻蚀的方法获得，去除P型及N型等外延材料层直至透明的氧化铝单晶(蓝宝石衬底Sapphire)露出。
在本发明的优选实施方式中，P型区域上的金属电极层宽度是N型区域上的金属电极层宽度的10～35倍。
本发明利用倒装焊LED器件的优势，根据发光二极管功率和尺寸需要，其中的发光二极管的设计单元图形还可以重复，以扩大器件尺寸获得更大功率LED。根据本发明设计制造的器件面积能够从0.3×0.3平方毫米至20×20平方毫米。当使用上述方法设计大于1×1平方毫米LED时，每一单元之间的P型与N型外延材料层需要完全刻蚀除去。刻蚀宽度为3～200微米之间。
为了改善电极性能，减小电极电阻导致的压降，提高倒装焊器件反射出光效率，根据本发明的发光二极管芯片的P型与N型区域的金属电极层可采用半导体硅集成技术中所用的具有高光反射率及高导电率的材料，如铝(Al)、银(Ag)、铂(Pt)、金(Au)、锌(Zn)、铜(Cu)、钛(Ti)或者其相应的合金等，该反射层的厚度为200纳米至2微米。在P型GaN外延材料与反射电极层之间以及在N型GaN外延材料与反射电极层之间均具有透明金属层，该透明金属层的材料可使用透明合金材料如Ni/Au、ZnO、ITO(氧化铟锡合金)等，以改善电极电阻。
本发明中所述的凸点下金属层和金属凸点的材料可使用倒装焊技术通常使用的多种材料，如Au、Ni、Sn/Pb、Sn/Au、Sn/Cu、Sn/Ag/Cu等。
在本发明的优选实施方案中，P型区域中的凸点下金属层和凸点的面积大于P型区域面积的30％，以改善传热和导电效率。此外，P型区域中的凸点下金属层的高度在0.5微米至10微米。
本发明中P型区域的凸点下金属层和凸点的横截面形状优选为长条形、长椭圆形、长方形等，其长宽比在1.3～3.5之间。本发明中的N型区域的凸点下金属层和凸点的横截面形状优选为圆形、短椭圆形。
本发明中所述的倒装焊底板上的凸点与上述LED芯片上的凸点设计相似，倒装焊底板上的凸点下金属层及凸点需要与LED芯片上的凸点下金属层位置对应、面积相近，设计形状亦相似。但底板尺寸大于LED芯片尺寸，以便为正、负极线焊接(wire bonding)提供焊接空间。
本发明中所述底板的材料可以使用硅、陶瓷、铝、铜、印刷电路板等，所述底板上的金属互连线路可使用铝、银等高光反射率的材料，该金属互连线路层覆盖底板的主要表面，以改善LED封装后的出光效率。所述底板的设计厚度在75微米至2500微米之间。
在本发明所述的发光二极管芯片的制造方法中，所述步骤(a)中的P型区域和N型区域可采用蚀刻工艺而形成，根据晶片工艺要求和互连金属线路情况，按照工艺过程需要，设计相应的光刻工艺掩膜版。掩膜版的设计参数要与相关工艺要求、图形设计相匹配。在所述步骤(c)中可采用电镀、化学镀、溅射等工艺完成所述金属凸点的制备，所述凸点的材料可以选用金、铜和镍等。在所述步骤(d)中，LED芯片与底板可通过回流焊或超声热压焊等工艺进行焊接，如使用回流焊工艺，凸点材料为锡基焊料，焊接后LED芯片与底板之间的凸点高度的优选范围在10～60微米之间。如使用超声热压焊工艺，凸点材料为金、铜、镍、银等材料，则凸点高度的优选范围在2～30微米之间。
本发明相对于现有技术具有以下优点：
由于本发明采用新的发光二极管(LED)器件设计和工艺技术，用以制造大功率倒装焊发光二极管，并且确定了大功率发光二极管LED中P型电极层与N型电极层尺寸和图形的优化设计，因此，根据本发明的设计方法可优化器件性能。通过对器件电极的优化设计，改善了电流分布情况，提高了器件性能和寿命。采用新的电极工艺技术改进电极上倒装焊结合点的强度，从而提高器件可靠性。此外，使用本发明的工艺技术和器件结构，可降低器件在大电流下的工作电压。通过采取新的倒装焊凸点的工艺制备方法，改善器件的传热性能。
此外，本发明采用包括透明金属层和反射层的多层金属构成的电极，从而为倒装焊LED器件提供良好的出光效率。
在本发明中为配合倒装焊LED器件的设计，改进器件性能，本发明提供了底板的设计和制造工艺。
附图说明
下面将结合附图和具体实施方式对发明进行进一步详细说明。其中：
图1为现有技术中的倒装焊LED芯片及其底板沿纵向的截面示意图。
图2a～2g为根据本发明的七种倒装焊LED芯片的P型与N型区域及电极金属层的图形设计。
图3a～3c为在LED晶片上使用设计图形制备P型、N型区域电极层和凸点下金属层的工艺过程的示意图。
图4a为LED晶片倒装焊在硅底板上时沿纵向的截面示意图。
图4b为图4a中所示的LED晶片倒装焊在硅底板上时的俯视图。
具体实施方式
本实施方式采用透明的氧化铝单晶(即蓝宝石衬底Sapphire)上生长的GaN系外延晶片制备倒装焊用LED芯片，其工艺过程如图3a至3c所示，对于本实施方式中的LED芯片及其制造过程现具体说明如下：
首先，在蓝宝石衬底1上生长GaN系外延晶片，按照P型、N型区域的设计图形和尺寸，使用刻蚀工艺形成设计需要的P型区域7和N型区域8，其纵向截面示意图如图3a所示。本领域技术人员可以理解，符合本发明构思的设计图形可以有多种变化形式，例如，图2a至2g中示出了七种符合本发明构思的图形设计。刻蚀工艺中的光刻掩膜版可按照有关参数和设计图形进行制作。
其次，在上述步骤形成的P型区域7和N型区域8沉积透明金属层11和金属反光层12，然后使用刻蚀和浮脱工艺在P型与N型区域上形成所需的金属电极层图形，如图3b所示。
再次，通过金属沉积工艺，在上述步骤形成的金属反光层12上制备凸点下金属层13。随后在凸点下金属层13上采用电镀工艺制备凸点，为此，需要进行电镀中使用的光胶制备过程，根据设计凸点的高度，光刻胶需要达到一定厚度要求。本实施方式中选用Au作为凸点材料，通过设计的光刻胶掩模版，形成电镀凸点的光刻胶图形。通过控制有关电镀工艺参数，形成2～10微米高的Au凸点14，15，如图3c所示。
在本实施方式中，在LED晶片P型区域中凸点下金属层13和电镀Au凸点14的面积大于P型区域面积的30％。并且，经电镀获得的P型区域Au凸点14及其凸点下金属层的横截面形状为长椭圆形，其长宽比在1.3～3.5。而N型区域Au凸点15的横截面为圆形。电镀完成后去除光刻胶和电镀导电层。
最后，在完成上述电镀工艺过程之后，通过研磨减薄蓝宝石底板，通过切割形成LED芯片，将该LED晶片倒装焊在硅底板上时沿纵向的截面示意图如图4a所示。由图中可知，作为倒装焊底板的硅晶片16上形成有金属线路层17及Au凸点18。其中，Au凸点高度在5～20微米之间。使用倒装焊焊接机器，通过超声热压的方式完成LED晶片在硅底板上的焊接。图4b是倒装焊完成之后的俯视图，由图4b中可知，LED晶片19焊接于硅底板16上，在硅底板上留有焊盘20供金线焊接。
由图3a至3c可以看出，根据本实施方式的倒装焊发光二极管芯片包括形成于蓝宝石衬底1上的外延晶片，其中包括N型区域8和P型区域7，在N型区域8和P型区域7上均覆盖有包括透明金属层11和金属反光层12的金属电极层，在金属反光层12上具有凸点下金属层13，在凸点下金属层13之上相应地设有P型区域的金属凸点14和N型区域的金属凸点15；根据本实施例的设计图形如图2a至2g所示，N型区域8及其上覆盖的金属电极层保持连通，N型区域8尽可能包围P型区域7，并且将P型区域7均匀地分隔成8个区域，P型区域7的金属凸点14均匀分布在所述的8个分隔区域中；本实施方式中的P型区域7的金属凸点14的横截面呈长椭圆形。P型区域7上面覆盖的金属电极层22与N型区域8的金属电极层21相距的最短距离小于350微米。N型区域8及其金属电极层的宽度在15至60微米之间，P型区域7上的金属电极层宽度是N型区域上的金属电极层宽度的10～35倍，P型区域7和N型区域8之间具有通过刻蚀方法获得的沟道，去除P型及N型外延材料层使透明的氧化铝单晶(蓝宝石衬底)露出，该沟道的宽度为2微米至10微米之间。P型区域7中的凸点下金属层和凸点的横截面积大于P型区域面积的30％，P型区域中的凸点下金属层的高度为在0.5微米至10微米，凸点高度为2～10微米。
在本实施方式中，凸点下金属层13和凸点14、15均由Au制成。
本实施方式中的倒装焊底板16为硅晶片，其中，具有金属线路层17和形成于该金属线路层上的Au凸点18，金属线路层17和Au凸点18与P形区域7和N型区域8上所制备的凸点下金属层13和金属凸点14，15相对应。
以上通过具体实施方式对本发明进行了描述，并非是对本发明的保护范围的限定。本领域普通技术人员应当理解，在不偏离本发明的精神和范畴的情况下，可进行各种变化或变型，例如，根据本发明设计的发光二极管芯片的实际设计图形可以具有多种变化，所有这些变化或变型应该被认为均为本发明的权利要求的保护范围所涵盖。
Claims (14)
1.发光二极管芯片，包括：
形成于蓝宝石衬底的外延晶片，所述外延晶片包括N型区域和P型区域，在所述的N型区域和P型区域上均覆盖有金属电极层，在金属电极层上具有凸点下金属层和金属凸点；
适于倒装焊的底板，所述底板上具有金属线路层和形成于该金属线路层上的凸点，与所述P形区域和N型区域上的金属凸点相对应；
其特征在于，所述的N型区域尽可能包围P型区域，所述的N型区域及其上覆盖的金属电极层保持连通，P型区域被N型区域及其金属电极层分隔成若干区域；所述的P型区域上的金属凸点均匀分布在所述被分隔成的若干区域中。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述P型区域被N型区域及其金属电极层均匀地分隔成若干区域，并且在每个分隔区域中分布一个金属凸点。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述被N型区域及其金属电极层分隔的P型区域上面覆盖的金属电极层与N型区域上覆盖的金属电极层相距的最短距离小于350微米。
4.根据权利要求3所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述的N型区域及其金属电极层的宽度在15至60微米之间。
5.根据权利要求3所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述的P型区域和N型区域之间具有一沟道，该沟道的宽度为2微米至10微米之间。
6.根据权利要求4所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述P型区域上的金属电极层宽度是N型区域上的金属电极层宽度的10～35倍。
7.根据权利要求3所述的发光二极管芯片，其特征在于，P型区域中的凸点下金属层和凸点的横截面积大于P型区域面积的30％。
8.根据权利要求3所述的发光二极管芯片，其特征在于，P型区域中的凸点下金属层的高度在0.5微米至10微米。
9.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，P型与N型区域的金属电极层的材料选自铝、银、铂、金、锌、铜、钛或者其相应的合金。
10.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，P型与N型区域的金属电极层具有双层结构，即包括透明金属层和反射层，其中，所述透明金属层位于所述的外延晶片与反射层之间。
11.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，P型区域的凸点下金属层和凸点的横截面形状为长条形、长椭圆形或长方形，其长宽比在1.3～3.5之间；N型区域的凸点下金属层和凸点的横截面形状为圆形或短椭圆形。
12.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，包括多个重复的发光二极管设计单元图形。
13.根据权利要求12所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述的每一单元之间的P型与N型外延材料层完全被刻蚀除去，其刻蚀宽度为3～200微米之间。
14.发光二极管芯片的制造方法，包括以下步骤：
(a)根据设计图形和尺寸，在形成于蓝宝石衬底的外延晶片中形成P型区域和N型区域，其中，所述的N型区域尽可能包围P型区域；
(b)在所述的P型区域和N型区域上沉积金属电极层，所述金属电极层包括透明金属层和金属反光层，由此形成所需的金属电极层的图形；
(c)在所述的金属电极层上制备凸点下金属层和凸点，其中，所述的N型区域以及其上覆盖的金属电极层保持连通，P型区域被N型区域及其上覆盖的金属电极层分隔成若干区域；所述的P型区域上的金属凸点均匀分布在所述被分隔成的若干区域中；
(d)根据上述设计的凸点图形，将步骤(c)得到的晶片倒装焊至一底板上，其中，所述底板具有相应于所述LED晶片的金属线路层和凸点。
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