CN101442099A - 一种低热阻发光二极管芯片的结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种低热阻发光二极管芯片的结构及其制作方法，包括完成电极制作的含p、n电极，半导体外延层和蓝宝石衬底的LED发光芯片，沉积在减薄后的蓝宝石衬底的底面的金属反光层，其特征在于，所述芯片进一步包括：(a)低热阻散热基片，其尺寸比LED发光芯片大；(b)低热阻散热基片上沉积的焊料，其还与金属反光层底面连接。低热阻散热基片为LED发光芯片面积的2到25倍。本发明可以增加LED发光芯片工作时散热通道的面积，显著降低LED发光芯片及其封装后器件的热阻，减少LED器件光衰和漏电流，提高器件寿命。

Description

一种低热阻发光二极管芯片的结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管芯片的制作方法，尤其涉及一种低热阻发光二极管芯片的结构及其制作方法，属于半导体光电器件领域。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)是一种固态的半导体光电器件，它可以直接把电转化为光，被称为人类照明的第四次革命。LED照明具有寿命长(10万小时以上)、高效节能、绿色环保、智能化等优势。LED目前在户内外全彩显示屏、手机背光源、交通信号灯、指示灯、特种照明、及景观照明等领域被广泛应用；随着LED发光效率的不断提高，高亮度GaN类LED在液晶显示器背光源、路灯照明、及通用照明等高端应用快速渗透。

GaN类高亮LED发光芯片的发光效率正以每年20％的速度递增，而其成本则以每年20％的速度快速递减。LED发光芯片发光效率的提升使得原本需要较大尺寸芯片(如13、14mil，mil，毫英寸，即25.4μm)的应用，如今用较小尺寸芯片(11mil)即可满足需求。但由于目前LED中70％以上的输入功率都转为热，对同样的输入功率(如20mA×3.4V)用较小尺寸芯片封装后，LED器件中的热阻变大，LED器件中一直存在的散热问题就更显突出。

散热问题解决不好对LED的出光效率、光色、及稳定性都有很大负面影响。首先，散热不好的LED器件可能使LED结温超过其能承受的限度(约120℃)，这时LED外延层中的位错等缺陷将快速繁衍，在发光区中形成大量非辐射复合中心，降低器件的注入效率与发光效率，这将使LED发光芯片发光强度出现不可恢复的永久性衰变。其次，LED结温的升高会使芯片发光波长变长，LED器件的主波长及发光颜色红移，显示效果发生偏色现象。最后，LED结温超过120℃时，将使同芯片接触的封装环氧树脂发生老化、黄化，降低LED器件的发光效率及寿命；尤其当封装环氧的温度超过其玻璃态转变温度时，还将发生明显的膨胀或收缩，可能使芯片电极与引线经受应力脱落损坏，造成LED器件永久性损坏。

传统的LED发光芯片结构一般如图1所示，包括蓝宝石衬底，外延层，N电极，及P电极。图2A给出了传统LED器件封装结构图，它一般由LED发光芯片、粘胶(导电银胶或绝缘导热胶)、固晶支架(一般为Al)、环氧树脂及金线构成。芯片中产生的热将沿蓝宝石衬底→粘胶→Al固晶支架→环氧树脂等环节散发到周边环境中。热量经介质向外传递时，在介质中形成的温度差ΔT与所传递热功率P_thermal的比值定义为热阻RΘ，即 $\mathrm{R\Θ}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{P_{\mathrm{thermal}}}(P_{\mathrm{thermal}}=(1-\mathrm{\η})\·V_f{I}_f)$ 类似于电阻，热阻RΘ由下公式给出：

$\mathrm{R\Θ}=\frac{d}{\mathrm{\κS}},---\left(1\right)$

其中κ为热导率，S为热通道横截面积，d为热通道长度。由各介质的热导率(蓝宝石衬底：42W/m·K；粘胶：1～2.5W/m·K；Al支架：237W/m·K；环氧树脂：1～10W/m·K)，根据芯片尺寸及封装结构，便可用公式(1)确定各散热环节的热阻。图2B给出了LED发光芯片散热通道示意图及热流经过各散热介质的热阻值(11mil尺寸芯片结果)，可以看出，热阻最大的环节为芯片到粘胶(～400K/W)，相比其他环节(<25K/W)高出一个数量级以上，这是因为粘胶较低的热导率及较小的热通道面积所致。因而LED发光芯片中温度升高主要来源于粘胶环节的热阻，对于常用的20mA小电流(此时Vf约3.3V)输入，芯片中产生的热功率约为50mW，则由于粘胶环节400K/W的热阻，芯片中将升高20℃，加上其他散热环节的升温及环境温度，LED发光芯片中将超过50℃，这一温度虽然不会使LED发光芯片失效，但对其使用寿命、漏电等有不可忽略的影响。而对于100mA(Vf约3.8V)的大功率输入，芯片中产生的热功率约300mW，此时粘胶环节热阻将产生120℃的升温，这一升温将使LED发光芯片失效。

为解决LED封装器件的散热问题，现有技术主要从以下两方面进行改进：第一，在现有LED发光芯片结构基础上，更改、优化LED发光芯片封装工艺。如王派酋公开的发明专利200710096974.4、汤姆乔瑞等公布的实用新型专利CN01229222.2，他们都在传统的LED发光芯片的封装技术上进行了改进，主要是在一金属散热基板上制备印刷电路，印刷电路同所述基板间有绝缘层，然后将LED发光芯片放在所述印刷电路上，接通P、N电极。所述技术能在一定程度上减少LED封装器件的热阻，但由于印刷电路多包含散热性能不佳的塑料材质，上述技术制备的LED器件的热阻降低有限，并且工艺较复杂，增加成本。

第二种方案就是同时对LED发光芯片及其封装工艺的制作结构进行改进。目前主要存在大类：1.倒装焊芯片，即将芯片翻转焊接在散热性能更好的热沉上(如M.R.Krames等公开的美国发明专利：6,486,499)；2.以SiC为衬底材料的垂直结构(如J.A.Edmond公开的美国发明专利：4,918,497)。虽然上述两种方案都能有效改善LED器件的散热能力，但它们都存在技术工艺复杂，无法兼容现有大规模采用的LED发光芯片封装技术，良率难控制，成本高的问题。

针对上述技术不能兼容现有LED发光芯片封装技术的问题，中国发明专利200610118347.1则公开了一种LED发光芯片制作技术，以期降低LED器件的热阻。所述LED发光芯片的结构如图3所示，主要是在包括了P、N电极，外延层，减薄后的蓝宝石衬底的传统LED发光芯片基础上，在蓝宝石衬底上沉积金属反光层，在金属反光层上额外焊上一低热阻基座以达到所述的降低热阻的目的。但上述LED发光芯片结构并未降低在后续封装过程中带来的热阻。

发明内容

本发明针对LED器件的散热通道中，粘胶环节为散热瓶颈的实际情况，提出一种低热阻发光二极管芯片的结构及其制作方法，其通过增加发光芯片散热通道面积，而增加发光二极管芯片散热，降低发光二极管芯片热阻。

一种低热阻发光二极管芯片的结构，包括完成电极制作的含p、n电极，半导体外延层和蓝宝石衬底的LED发光芯片，沉积在减薄后的蓝宝石衬底的底面的金属反光层，其特征在于，所述芯片进一步包括：

(a)低热阻散热基片，其尺寸比LED发光芯片大；

(b)低热阻散热基片上沉积的焊料，其还与金属反光层底面连接。

如上所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于：低热阻散热基片的面积大小为LED发光芯片面积的2到25倍。

如上所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于：金属反光层为一层或多层金属薄膜，所述金属材料可为金属铝、金属银、金属铂或其合金。

如上所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于：低热阻散热基片为热导率是100-2000W/m·K的金属或陶瓷复合材料，包括金属铜片、金属铝片、铝合金片、氮化铝陶瓷片、氮化铝—氮化硼复合陶瓷片、金刚石或金刚石-金属复合材料；低热阻散热基片的顶视形状为正方形、长方形、圆形、椭圆形、三角形、菱形、六边形或带分支的叶形。

如上所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于：焊料为热导率是50-150W/m·K的金属或金属合金，包括金属锡、金—锡合金、锡—铜合金、锡—铜—镍合金、锡—银—铜合金或锡—银合金。

本发明的低热阻发光二极管芯片的制作方法，包括在完成p、n电极制作、包含半导体外延层和蓝宝石衬底的LED外延片上，进一步实行以下制作步骤：(a)备一陪片，将所述LED外延片同陪片粘接，粘接面为外延层所在面；(b)将上述粘接有陪片的LED外延片的蓝宝石衬底减薄到目标厚度；(c)将上述减薄后的蓝宝石衬底清洗后，在蓝宝石表面沉积金属反光层；其特征在于：还包括(d)移除陪片，对上述蓝宝石衬底减薄的外延片进行划片、裂片；(e)备一低热阻散热基片，在其上沉积一层焊料；(f)将裂片后的LED发光芯片按一定间距放置到上述低热阻散热基片上；(g)对上述排好的LED发光芯片同低热阻散热基片进行焊接；(h)对上述焊有LED发光芯片的低热阻散热基片进行划/裂片操作。

如上所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：步骤(b)蓝宝石衬底减薄的目标厚度在30到100微米之间。

如上所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：步骤(c)中的金属反光层厚度在100到1000纳米之间，沉积方法为包括磁控溅射、直流溅射、电子束蒸发、热蒸发、脉冲激光沉积或电解电镀的薄膜制备方法。

如上所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，步骤(e)中所述低热阻散热基片厚度在30到300微米之间，步骤(h)后低热阻散热基片的面积大小为LED发光芯片面积的2到25倍。

如上所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：步骤(e)中在所述低热阻散热基片上沉积的焊料厚度在5到50微米之间，沉积方法采用包括磁控溅射、直流溅射、电子束蒸发、热蒸发或电解电镀的薄膜制备方法。

如上所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，步骤(f)中放置于低热阻散热基片上的LED发光芯片的排列间距，为同方向上的芯片尺寸的1.5到5倍大小，步骤(h)中以芯片间距的中心线为划片道。

本发明的有益效果是：本发明针对LED封装器件中的散热瓶颈为粘胶环节的现实情况，通过将尺寸较小的蓝宝石上生长的LED发光芯片焊接在一尺寸更大的低热阻散热基片上，最后成品低热阻散热基片的面积为所述LED发光芯片面积的2到25倍；在此之前一金属反光层需设置于蓝宝石衬底底面，避免所述低热阻散热基片的吸光。本发明增加了发光区热量的扩散通道，从而大幅度减小散热瓶颈粘胶环节的热阻，降低了LED发光芯片工作的结区温度。在不需要更改现有封装工艺的情形下，本发明有利于降低LED发光芯片的光衰及漏电流、提高LED封装器件的使用寿命。

本发明焊接的低热阻散热基片比LED发光芯片尺寸要大，这一点对降低后续封装的热阻有很好的作用，而专利200610118347.1则没有；因为粘胶环节散热的通道面积是和芯片的底面积相等的，面积越大热流通过的能力越强，即热阻越小。同时，本发明具体工艺需要做很多更改，因为本发明的LED发光芯片要由原本的2英寸外延片分开后重新焊接，而专利200610118347.1可以先在外延片上焊接再分开。虽然本发明工艺步骤有所增加，但工艺不难，而具有的有益效果却非常明显。

附图说明

图1，传统LED发光芯片结构剖面示意图；

图2A，LED发光芯片的传统封装剖面示意图；

图2B，LED器件热通道示意图及各环节热阻值；

图3，专利200610118347.1中的低热阻LED发光芯片结构剖面示意图；

图4，本发明实施例的低热阻LED发光芯片结构剖面示意图；

图5A～F为本发明实施例低热阻LED发光芯片的制作过程示意图。

图6，高温、大电流老化试验的光衰结果；

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明一种低热阻发光二极管芯片的结构及其制作方法做进一步的说明。

图1中的标记：1-蓝宝石衬底，2-外延层，3-N电极，4-P电极；

图2A中的标记：5-LED发光芯片，6-粘胶，7-环氧树脂，8-固晶支架，9-金线；

图3中的标记：10-低热阻基座，11-金属反光层；

图4中的标记：12-焊料，13-低热阻散热基片；

图5A中的标记：14-石蜡，15-陪片；

以上所使用附图为示意图，不是按照正常比例绘制，但不会影响本技术领域人员理解本发明的特征及有益效果。

图4所示的本发明实施例低热阻LED发光芯片结构包括：

(1)低热阻散热基片13，其组成材料可以是金属铜(热导率401W/m·K)，金属铝(热导率237W/m·K)，金属金(热导率317W/m·K)，氮化铝陶瓷基片(热导率180-270W/m·K)，氮化铝—氮化硼复合陶瓷片(Al_0.75B_0.25N，热导率110W/m·K)，金刚石(热导率1000-2000W/m·K)，金刚石—铜复合材料(热导率100-200W/m·K)等热导率大于100W/m·K的低热阻材料，厚度在30到300微米之间；

(2)焊料12，其材料可为热导率大于50W/m·K的金属或合金，如金属锡(热导率66.7W/m·K)、金—锡合金(Au_0.8Sn_0.2，热导率57W/m·K)、锡—铜合金(Sn_99.3Cu_0.7，热导率65W/m·K)、锡—银—铜合金(Sn_95.5Ag_3.8Cu_0.7，热导率约60W/m·K)、锡—银合金(Sn_96.5Ag_3.5，热导率78W/m·K)，所述厚度在5到50微米之间；

(3)金属反光层11，为单层或多层金属，可采用金属铝、金属银、金属铂，所述厚度在100到1000纳米之间；

(4)减薄后的蓝宝石衬底1，目标厚度在30到200微米之间；

(5)包含有源区量子阱InGaN/GaN等多层结构的外延层2；

(6)LED发光芯片金属N电极3，P电极4，它可以是Ti/Al，Ti/Al/Ti/Au，Cr/Ni/Al，Cr/Ni/Au等多层金属结构。

图5A～F给出了本发明实施例低热阻LED发光芯片的制作过程，具体步骤包含：

步骤一，陪片15粘接，陪片15可选大小合适的硅片、蓝宝石衬底片、石英玻璃片、或陶瓷片。如图5A所示，将陪片15与完成P电极4、N电极3，包含外延层2和蓝宝石衬底1的LED外延片，通过石蜡14进行粘接；

步骤二，蓝宝石衬底1减薄，如图5B所示，采用机械研磨、抛光的方法将蓝宝石衬底1减薄到80微米厚；

步骤三，将减薄后的蓝宝石衬底1在丙酮、酒精中分别进行5到10分钟的超声清洗，再用去离子水冲净，氮气枪吹干，以去除蓝宝石衬底1表面的沾污；

步骤四，如图5C所示，通过电子束蒸发在上述减薄后的蓝宝石衬底1表面，依次沉积100纳米厚的Ag和400纳米厚的Al，作为金属反光层11；

步骤五，加热熔化石蜡14，移除陪片15，将沉积了金属反光层11的所述LED外延片在石蜡熔剂中超声洗净粘接石蜡14；

步骤六，按照所需LED发光芯片尺寸，对上述LED外延片进行激光划片、裂片，制造出LED发光芯片，如图5D所示；

步骤七，如图5E所示，备一厚度为100微米的铜片作为低热阻散热基片13。在低热阻散热基片13上采用磁控溅射沉积一层厚度10微米的Sn_99.3Cu_0.7合金作为焊料12；

步骤八，将步骤六中如图5D所示的LED发光芯片通过助焊剂粘接到步骤7中如图5E所示的低热阻散热基片13上，并且使芯片间保持某一固定间距，所述固定间距可为芯片尺寸的1.5到5倍之间；

步骤九，采用热压焊接或超声焊接，对上述排好的LED发光芯片同低热阻散热基片13进行焊接；

步骤十，以芯片间距的中心线为划片道，用激光划片机和裂片机、或者金刚石工具，对上述焊有LED发光芯片的低热阻散热基片13进行划/裂片操作，制作出如图5F所示的，本发明实施例所述的低热阻LED发光芯片。它包括了低热阻散热基片13、金属焊料12、金属反光层11、减薄的蓝宝石衬底1及其上的外延层2、N电极3、P电极4。

上述仅为用来说明本发明的优选实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。即凡按照本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

通过下面一个简单的试验验证本发明的有益效果，在11mil尺寸LED发光芯片制作的划/裂片过程中，特意划出了一些数颗芯片在一起的结构，包括1×1(即共1颗)、1×2(即共2颗)、1×3(即共3颗)、2×2(即共4颗)的结构。然后将这些数颗连在一起的芯片按图2A所示的传统封装工艺进行封装，但封装过程中只给其中一颗芯片接通电源，而其他芯片只是用于增加工作芯片的散热通道。对所述芯片封装后，在50℃、30mA条件下进行高温、大电流老化试验。图6显示了所述老化试验的光衰结果(发光区大小同为11mil尺寸，但蓝宝石面积分别为1、2、3、4颗11mil芯片大小的LED发光芯片封装后)，可以看出连在一起的芯片越多，即所工作的LED发光芯片散热面积越大，高温老化试验的光衰越小。上述简单试验相当于增加了工作芯片的蓝宝石衬底的面积，增加了散热。本发明提出了将LED发光芯片通过金属焊料12焊在一尺寸更大的低热阻散热基片13上，由于所述低热阻散热基片13热导率大于蓝宝石，所以本发明的能达到有益效果是比上述试验更佳的。

Claims (10)

1、一种低热阻发光二极管芯片的结构，包括完成电极制作的含p、n电极，半导体外延层和蓝宝石衬底的LED发光芯片，沉积在减薄后的蓝宝石衬底的底面的金属反光层，其特征在于，所述芯片进一步包括：

(a)低热阻散热基片，其尺寸比LED发光芯片大；

(b)低热阻散热基片上沉积的焊料，其还与金属反光层底面连接。

2、如权利要求1所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于：金属反光层为一层或多层金属薄膜，所述金属材料可为金属铝、金属银、金属铂或其合金。

3、如权利要求1所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于：低热阻散热基片为热导率是100-2000W/m·K的金属或陶瓷复合材料，包括金属铜片、金属铝片、铝合金片、氮化铝陶瓷片、氮化铝—氮化硼复合陶瓷片、金刚石或金刚石-金属复合材料；低热阻散热基片的顶视形状为正方形、长方形、圆形、椭圆形、三角形、菱形、六边形或带分支的叶形。

4、如权利要求1所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于：焊料为热导率是50-150W/m·K的金属或金属合金，包括金属锡、金—锡合金、锡—铜合金、锡—铜—镍合金、锡—银—铜合金或锡—银合金。

5、如权利要求1所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于：低热阻散热基片的面积大小为LED发光芯片面积的2到25倍。

6、上述权利要求1～5中任意一种低热阻发光二极管芯片的制作方法，包括在完成p、n电极制作、包含半导体外延层和蓝宝石衬底的LED外延片上，进一步实行以下制作步骤：(a)备一陪片，将所述LED外延片同陪片粘接，粘接面为外延层所在面；(b)将上述粘接有陪片的LED外延片的蓝宝石衬底减薄到目标厚度；(c)将上述减薄后的蓝宝石衬底清洗后，在蓝宝石表面沉积金属反光层；其特征在于：还包括(d)移除陪片，对上述蓝宝石衬底减薄的外延片进行划片、裂片；(e)备一低热阻散热基片，在其上沉积一层焊料；(f)将裂片后的LED发光芯片按一定间距放置到上述低热阻散热基片上；(g)对上述排好的LED发光芯片同低热阻散热基片进行焊接；(h)对上述焊有LED发光芯片的低热阻散热基片进行划/裂片操作。

7、如权利要求6所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：步骤(b)蓝宝石衬底减薄的目标厚度在30到100微米之间。

8、如权利要求6所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，步骤(e)中所述低热阻散热基片厚度在30到300微米之间，步骤(h)后低热阻散热基片的面积大小为LED发光芯片面积的2到25倍。

9、如权利要求6所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：步骤(e)中在所述低热阻散热基片上沉积的焊料厚度在5到50微米之间，沉积方法采用包括磁控溅射、直流溅射、电子束蒸发、热蒸发或电解电镀的薄膜制备方法。

10、如权利要求6所述的低热阻发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，步骤(f)中放置于低热阻散热基片上的LED发光芯片的排列间距，为同方向上的芯片尺寸的1.5到5倍大小，步骤(h)中以芯片间距的中心线为划片道。

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