CN101281944A - 大功率led多层梯度材料散热通道的构造方法 - Google Patents

大功率led多层梯度材料散热通道的构造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101281944A
CN101281944A CNA2008100254498A CN200810025449A CN101281944A CN 101281944 A CN101281944 A CN 101281944A CN A2008100254498 A CNA2008100254498 A CN A2008100254498A CN 200810025449 A CN200810025449 A CN 200810025449A CN 101281944 A CN101281944 A CN 101281944A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
led
gan
deck
aln
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2008100254498A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101281944B (zh
Inventor
王敏锐
黄宏娟
张宝顺
杨辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Original Assignee
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS filed Critical Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority to CN2008100254498A priority Critical patent/CN101281944B/zh
Publication of CN101281944A publication Critical patent/CN101281944A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101281944B publication Critical patent/CN101281944B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Led Devices (AREA)
  • Led Device Packages (AREA)

Abstract

本发明提供大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法,其构造步骤为:1)制备GaN基LED芯片:对GaN基LED外延片进行干法刻蚀,形成L型,露出N-GaN层台面;在P-GaN层表面蒸发一层铟锡氧化物电流扩展层,再蒸发P、N电极,再在P、N电极上镀上纯金;2)制备Cu快速热扩散板:先制作L型的Cu板,磁控溅射一层Ti或Cr,作为粘附层;在Ti层上磁控溅射一层AlN,作为绝缘层;再蒸发一层薄金,镀上一层厚纯金;3)采用热压焊进行纯金键合,将LED芯片倒装在Cu快速热扩散板上。本发明采用高热导、热膨胀系数梯度变化的Au-Au-AlN-Ti多层材料构建LED至Cu快速热扩散板之间的散热通道,解决了大功率LED的散热问题,提高了器件的散热能力和稳定性。

Description

大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法
技术领域
本发明涉及大功率LED器件的制作工艺,尤其涉及大功率LED散热通道的多层梯度材料及构造方法。
背景技术
早期的氮化镓基白光LED封装采用正装形式,热沉通过连接层和蓝宝石层相连。LED有源区产生的热经由n-GaN层、蓝宝石衬底和连接层传导到热沉。由于蓝宝石的热导率仅为30W/m.k,厚度为100微米左右,形成很大的热阻。采用正装形式的LED封装散热形式只能适用于小功率LED。
为了解决大功率LED的散热问题,出现了垂直结构LED和倒装形式的LED结构。垂直结构LED采用激光剥离技术将蓝宝石衬底层去除,并在去除蓝宝石的凹坑中沉积n电极,形成垂直型LED。有源区的热量经由n-GaN层和连接层直接传导到热沉。由于去除了低热导率的蓝宝石层,LED的热导出性能得到了很大的提高,完全可以达到大功率LED的快速散热要求。但是,由于LED去除了蓝宝石支撑层,在制备过程中容易出现GaN外延层的开裂等一系列的问题,工艺非常复杂,降低了成品率,另外蓝宝石的刻蚀速度慢、成本高,这些工艺手段都极大的增加了生产成本。倒装式LED则是近几年采用较多的一种形式。采用倒装焊技术,使用连接层将离有源区最近的p电极倒扣焊接在快速热扩散板上,通过快速热扩散板增大散热表面,采用二次连接将快速扩散板中的热量迅速的导出到热沉中,最后通过热沉导出到环境中。由于热量无需从较厚的n-GaN层和Al2O3层导出,极大的减小了热阻。Lumileds公司采用倒装技术开发了LuxeonTM系列封装技术,其热阻小至8~15℃/W,适用于功率为1~5W的LED的散热,但是仍无法满足用于10W以上大功率LED散热的需求(2~3℃/W)。究其原因在于,目前倒装式LED的P电极通过20%Au-80%Sn共晶和SiO2绝缘层连接片内快速散热板,然后通过连接层将热量导出到热沉上。由于20%Au-80%Sn的共晶合金的热导率仅为53W/m.k,以1mm2的连接层面积计算,热阻高达0.5℃/W,绝缘层SiO2的热导率为1.1W/m.K,厚度0.2微米,热阻为0.2℃/W,加上快速导热板的热阻及各层之间的界面热阻,目前的倒装工艺未能满足大功率LED的高效散热需求。
为此,LED行业正致力于热阻小于3℃/W的高效散热倒装式LED封装技术的研发。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足,提供一种大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法,旨在有效大功率LED的散热问题,提高大功率LED倒装芯片的散热能力和可靠稳定性,大幅降低封装热阻和热失配。
本发明的目的通过以下技术方案来实现:
大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法,采用高热导、热膨胀系数梯度变化的Au-Au-AlN-Ti多层材料构建LED至Cu快速热扩散板之间的散热通道,包括以下步骤:
首先,制备GaN基LED芯片:采用感应耦合等离子刻蚀(ICP)或离子束刻蚀(IBE)设备对GaN基LED外延片进行干法刻蚀,形成L型,露出N-GaN层台面,其中刻蚀掩膜层为光刻胶或SiO2;在P-GaN层表面蒸发一层铟锡氧化物(ITO)电流扩展层;再利用磁控溅射或电子束蒸发P、N电极;最后利用电镀技术在P、N电极上镀上厚的纯金;其结构为L型结构,P、N电极在同一个面上,倒装封装后从蓝宝石这面出光;
然后,制备Cu快速热扩散板:先制作L型的Cu板,采用磁控溅射一层Ti或Cr,作为粘附层;在Ti或Cr层上磁控溅射一层AlN,作为绝缘层,其中AlN薄膜不仅有很高的电阻率(1010Ω·cm),而且热导率较高(200W/m.K);再采用磁控溅射或电子束蒸发一层薄金;最后采用电镀技术镀上一层厚纯金;其结构与LED芯片结构一样为L型,目的是与倒装芯片匹配焊接;
制备好LED芯片和Cu快速热扩散板后,将LED芯片倒装在Cu快速热扩散板上,采用纯金作为连接层,进行纯金热压键合;实现LED的P电极与Cu快速热扩散板进行连接,在LED与Cu快速热扩散板之间构造出Au-Au-AlN-Ti材料结构的散热通道。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在:
本发明采用高热导、热膨胀系数梯度变化的Au-Au-AlN-Ti多层材料构建LED至Cu快速热扩散板之间的散热通道,Au-Au-AlN-Ti高效散热梯度材料封装大功率LED,通过纯金的键合,使得LED芯片倒装焊接在Cu快速热扩散板上。从而,使LED有源区至Cu快速热扩散板之间的片内热阻小于3℃/W,有效解决了10W以上大功率LED的高效散热问题,大幅降低了封装热阻和热失配,显著提高了器件的散热能力和稳定性,产生了极好的经济效益,值得在LED行业推广应用。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明:
图1:本发明倒装芯片结构示意图。
图中各附图标记的含义见下表:
  附图标记   含义   附图标记 含义   附图标记 含义
  1   蓝宝石   2   N-GaN层   3   SiO2掩膜层
4 P-GaN层 5   ITO电流扩展层 6 纯金层
  附图标记 含义   附图标记 含义   附图标记 含义
  7   Cu热扩散板   8   Ti粘附层   9   AlN绝缘层
  10   纯金层
具体实施方式
本发明采用高热导、热膨胀系数梯度变化的Au-Au-AlN-Ti多层材料制备LED至Cu快速热扩散板之间的散热通道,大幅降低封装热阻和热失配,提高器件的散热能力和稳定性。
下面对纯金键合倒装LED芯片的制备工艺方法进行详细说明:
首先,采用ICP(感应耦合等离子刻蚀)或IBE(离子束刻蚀)设备对GaN基LED外延片进行干法刻蚀,形成L型,露出N-GaN层2台面,其中刻蚀掩膜层3为光刻胶或SiO2
露出N-GaN层2台面后,在P-GaN层4表面蒸发一层ITO(铟锡氧化物)电流扩展层5;再利用磁控溅射或电子束蒸发P、N电极。
最后利用电镀技术在P、N电极表面镀上厚的纯金层6。
接着制备L型的Cu板,采用磁控溅射一层Ti 8,作为粘附层;在Ti层8上磁控溅射一层AlN 9,作为绝缘层。
再采用磁控溅射或电子束蒸发一层薄金,采用电镀技术镀上一层厚纯金10。
最后采用热压焊进行纯金键合,将LED芯片倒装在Cu快速热扩散板上,制备出Au-Au-AlN-Ti材料结构的散热通道。
可见,本发明采用Au-Au-AlN-Ti高效散热梯度材料构建散热通道,将大功率LED与Cu快速热扩散板进行纯金热压键合焊接。如图1所示,大功率LED芯片的外延结构从衬底往上依次为蓝宝石衬底1、N-GaN层2、发光层和P-GaN层4,LED芯片结构为L型结构,通过刻蚀方式使N-GaN层2露出来,引出N电极和P电极,并在P、N电极之间生长一层隔离层,同时P、N电极加厚。而Cu热扩散板7的结构也为L型结构,并在表面依次制备Ti层8、AlN层9和Au层10。再通过纯金热压键合,实现LED芯片与Cu快速热扩散板的倒装焊接。由于,在纯金键合的倒装LED芯片中,其倒装焊接时采用了高热导率、热膨胀系数梯度变化的Au、AlN、Ti材料,形成一个高效散热通道,从而,使LED芯片与Cu快速热扩散板以最大面积和最短距离接触,使得LED有源区的热量能更快的传导出去,保证了器件性能的稳定,同时避免了热应力失配导致芯片损坏的可能。
综上所述,本发明技术方案设计新颖,采用Au-Au-AlN-Ti高效散热梯度材料封装大功率LED,通过纯金的键合,使得LED芯片倒装焊接在Cu快速热扩散板上,使LED有源区到Cu快速热扩散板之间的片内热阻小于3℃/W,解决了10W以上大功率LED的高效散热问题,显著提高器件的散热能力和稳定可靠性,更好地推动大功率LED的实用化,促进产业的升级发展。
以上仅是本发明的具体应用范例,对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案,均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (4)

1.大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法,其特征在于:采用高热导、热膨胀系数梯度变化的Au-Au-AlN-Ti多层材料构建LED至Cu快速热扩散板之间的散热通道,具体包括以下步骤——
①制备GaN基LED芯片:先对GaN基LED外延片进行干法刻蚀,形成L型,露出N-GaN层台面;在P-GaN层表面蒸发一层铟锡氧化物电流扩展层,再利用磁控溅射或电子束蒸发P、N电极,再在P、N电极上镀上纯金;
②制备Cu快速热扩散板:先制作L型的Cu板,磁控溅射一层Ti或Cr,作为粘附层;在Ti层上磁控溅射一层AlN,作为绝缘层;继而,再蒸发一层薄金,镀上一层厚纯金;
③制备好LED芯片和Cu快速热扩散板后,将LED芯片倒装在Cu快速热扩散板上,进行纯金热压键合;从而,在LED与Cu快速热扩散板之间构造出Au-Au-AlN-Ti材料结构的散热通道。
2.根据权利要求1所述的大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法,其特征在于:步骤①中,采用感应耦合等离子刻蚀或离子束刻蚀设备对GaN基LED外延片进行干法刻蚀,形成L型,露出N-GaN层台面,其中刻蚀掩膜层为光刻胶或SiO2
3.根据权利要求1所述的大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法,其特征在于:步骤②,在L型的Cu板磁控溅射一层Ti或Cr,作为粘附层;在Ti层上磁控溅射一层AlN,作为绝缘层;采用磁控溅射或电子束蒸发一层薄金,采用电镀镀上一层厚纯金。
4.根据权利要求1所述的大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法,其特征在于:步骤③,采用纯金作为连接层,进行纯金热压键合,使LED的P电极与Cu快速热扩散板连接。
CN2008100254498A 2008-04-30 2008-04-30 大功率led多层梯度材料散热通道的构造方法 Expired - Fee Related CN101281944B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2008100254498A CN101281944B (zh) 2008-04-30 2008-04-30 大功率led多层梯度材料散热通道的构造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2008100254498A CN101281944B (zh) 2008-04-30 2008-04-30 大功率led多层梯度材料散热通道的构造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101281944A true CN101281944A (zh) 2008-10-08
CN101281944B CN101281944B (zh) 2010-06-02

Family

ID=40014304

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2008100254498A Expired - Fee Related CN101281944B (zh) 2008-04-30 2008-04-30 大功率led多层梯度材料散热通道的构造方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101281944B (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102479760A (zh) * 2010-11-24 2012-05-30 岑尚仁 具氮化铝薄膜的热扩散元件及其制作方法
CN103078040A (zh) * 2011-08-22 2013-05-01 Lg伊诺特有限公司 发光器件封装件和光装置
CN103378220A (zh) * 2012-04-23 2013-10-30 比亚迪股份有限公司 一种高压发光二极管芯片及其制备方法
CN103730431A (zh) * 2014-01-07 2014-04-16 宝钢金属有限公司 一种大功率阵列led芯片表面散热结构及制作方法
CN105242335A (zh) * 2015-10-26 2016-01-13 江苏新广联科技股份有限公司 Led面板灯用扩散板的制备方法
CN106159075A (zh) * 2016-09-05 2016-11-23 江苏新广联半导体有限公司 一种具有低热阻绝缘层结构的倒装led芯片及制作方法
CN115084348A (zh) * 2022-07-14 2022-09-20 山西中科潞安紫外光电科技有限公司 一种提升芯片可靠性的方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4906256B2 (ja) * 2004-11-10 2012-03-28 株式会社沖データ 半導体複合装置の製造方法
CN1731592A (zh) * 2005-08-26 2006-02-08 杭州士兰明芯科技有限公司 倒装焊结构发光二极管及其制造方法
CN100499189C (zh) * 2006-09-05 2009-06-10 武汉迪源光电科技有限公司 纯金Au的合金键合LED倒装芯片的制备方法

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102479760A (zh) * 2010-11-24 2012-05-30 岑尚仁 具氮化铝薄膜的热扩散元件及其制作方法
CN103078040B (zh) * 2011-08-22 2016-12-21 Lg伊诺特有限公司 发光器件封装件和光装置
CN103078040A (zh) * 2011-08-22 2013-05-01 Lg伊诺特有限公司 发光器件封装件和光装置
USRE48858E1 (en) 2011-08-22 2021-12-21 Suzhou Lekin Semiconductor Co., Ltd. Light emitting device package and light unit
US9634215B2 (en) 2011-08-22 2017-04-25 Lg Innotek Co., Ltd. Light emitting device package and light unit
CN103378220A (zh) * 2012-04-23 2013-10-30 比亚迪股份有限公司 一种高压发光二极管芯片及其制备方法
CN103730431A (zh) * 2014-01-07 2014-04-16 宝钢金属有限公司 一种大功率阵列led芯片表面散热结构及制作方法
CN103730431B (zh) * 2014-01-07 2018-08-17 宝钢金属有限公司 一种大功率阵列led芯片表面散热结构及制作方法
CN105242335B (zh) * 2015-10-26 2017-07-04 江苏新广联科技股份有限公司 Led面板灯用扩散板的制备方法
CN105242335A (zh) * 2015-10-26 2016-01-13 江苏新广联科技股份有限公司 Led面板灯用扩散板的制备方法
CN106159075A (zh) * 2016-09-05 2016-11-23 江苏新广联半导体有限公司 一种具有低热阻绝缘层结构的倒装led芯片及制作方法
CN115084348A (zh) * 2022-07-14 2022-09-20 山西中科潞安紫外光电科技有限公司 一种提升芯片可靠性的方法
CN115084348B (zh) * 2022-07-14 2022-11-04 山西中科潞安紫外光电科技有限公司 一种提升芯片可靠性的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN101281944B (zh) 2010-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101281944B (zh) 大功率led多层梯度材料散热通道的构造方法
US7736945B2 (en) LED assembly having maximum metal support for laser lift-off of growth substrate
CN101150156B (zh) 发光元件及其制造方法
CN101308838B (zh) 一种高导通电压倒装led集成芯片及制造方法
CN102664227B (zh) 半导体发光二极管器件及其形成方法
CN102332521A (zh) 具有点状分布n电极的氮化镓基发光二极管及其制备方法
CN106981550A (zh) 一种易封装易散热倒装高压led芯片
CN101794849A (zh) 一种SiC衬底GaN基LED的湿法腐蚀剥离方法
KR100916366B1 (ko) 반도체 발광소자용 지지기판 및 이를 이용한 수직구조의 반도체 발광소자 제조 방법
CN103618042B (zh) 一种半导体发光二极管芯片
CN109994586A (zh) 密封的半导体发光器件
CN103579447A (zh) 一种倒装结构发光二极管及其制备方法
CN105742450A (zh) 照射出特定平面几何图形光斑的led芯片的制备方法及结构
CN106409997A (zh) Led芯片及其形成方法
CN107579139B (zh) 一种垂直结构半导体器件的制造方法
CN101465302B (zh) 一种发光二极管芯片制造方法
CN100414704C (zh) 平面倒装led集成芯片及制造方法
TW201547053A (zh) 形成發光裝置的方法
CN102544274A (zh) 晶片衬底结合结构、发光器件和用于制造发光器件的方法
CN100463241C (zh) 准垂直混合式N型高掺杂GaN LED倒装芯片的制备方法
CN103779473B (zh) Led芯片及其制作方法、led发光器件
CN203589085U (zh) 一种半导体发光二极管芯片
CN102185046A (zh) 垂直结构氮化镓基led的制作方法
CN104854718B (zh) 具有集成的热沉的热管理结构
CN102064249B (zh) 一种新型氮化镓led芯片电极结构的制作方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: SUZHOU INSTITUTE OF NANO-TECH AND NANO-BIONICS(SIN

Free format text: FORMER OWNER: SUZHOU NANO TECHNIQUE + NANO BIONIC RESEARCH INST.

Effective date: 20100908

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
COR Change of bibliographic data

Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 215125 NO.398, RUOSHUI ROAD, GAOJIAO DISTRICT, DUSHUHU, INDUSTRIAL PARK, SUZHOU CITY, JIANGSU PROVINCE TO: 215123 NO.398, RUOSHUI ROAD, INDUSTRIAL PARK, SUZHOU CITY, JIANGSU PROVINCE

TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20100908

Address after: 215123 Suzhou Industrial Park, Jiangsu, if waterway No. 398

Patentee after: Suzhou Institute of Nano-Tech and Bionics (SINANO), Chinese Academy of Sciences

Address before: 215125 Jiangsu city of Suzhou province Dushu Lake Industrial Park No. 398 waterway if higher education

Patentee before: Suzhou Nano Technique & Nano Bionic Research Inst.

C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20100602

Termination date: 20140430