CN101834254A

CN101834254A - 发光组件及其制造方法

Info

Publication number: CN101834254A
Application number: CN201010163933A
Authority: CN
Inventors: 谢育仁; 范轩诚; 许政义; 黄崇桂; 林锦源
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2026-09-22

Abstract

本发明揭露一种适用于倒装芯片接合的发光元件及其制造方法，该发光元件包括具有多个微凸块的电极，用以直接接合于一基座上。该发光元件可与该基座形成一短距离接合，以提高发光元件的散热效率。

Description

发光组件及其制造方法

本申请是申请日为2006年9月22日且发明名称为“发光组件及其制造方法”的中国专利申请No.200610139632.1的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种发光元件，特别是涉及一种具有微凸块电极的发光元件。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode；LED)在高功率照明的运用上，除了须持续提升亮度外，散热问题是另一亟需解决的主要问题。当发光二极管光取出效率不佳时，无法穿出发光装置(发光二极管及其封装体)的光线会转换为热能。若无法有效将此热能导出发光装置，发光二极管在操作时温度会上升，因而造成元件可靠性问题。先前技艺为解决元件散热问题，提出许多方法。例如在以蓝宝石基板成长氮化镓系列的发光元件中，利用二次转移方式以激光光照射或以化学蚀刻方式移除导热性较差的蓝宝石基板，再结合一导热性较佳的硅基板，以改善晶粒本身的散热效果。另一改善方式为以倒装芯片接合(flip-chip bonding)取代传统的导线接合(wire bonding)。图1揭露一种现有的倒装芯片接合发光装置，包括一发光二极管10及一基座单元(submountunit)20，金球凸块24形成于第一接合垫22及第二接合垫23上，用以在一接合制程中将发光二极管10与基座单元20结合。金球凸块24以植金球(Goldstud bump)方式，逐一形成在第一接合垫22及第二接合垫23上，再利用热音波接合(thermosonic bonding)方式，将基座单元20上的金球凸块24与发光二极管10的电极15与16的接合面施以超音波(ultrasonic wave)，使接合面快速磨擦产生高热而熔融接合。一般金球直径约为50um左右，各金球尺寸必须相近，以避免在接合时，较低的金球无法接触到被接合面，而影响产品特性及接合成品率。另外，由于金球由金线以热音波方式，在金线前端熔融为球体后，黏着在基座上，金球尺寸受限于金线尺寸而无法进一步微缩，造成接合后的厚度仍大于20um，因此无法进一步降低发光二极管10与基座21间的热阻(thermal resistance)，因而限制了发光二极管10在高功率器件的应用。

因此，本发明提出一发光元件，可用于倒装芯片直接接合，无须额外植金球于基座上，具有接合面积广、接合距离短、导热性高、可靠性佳、及成本低的优点。

发明内容

本发明提出一发光元件，适用于以倒装芯片接合的方式直接接合至一基座上，包括具有多个微凸块的电极，且发光元件通过多个微凸块与基座形成一短距离接合，以提高发光元件的散热效率。

本发明的另一目的在提供一发光元件，包括一透明基板、一第一导电类型半导层形成于该透明基板上、一活性层形成于该第一导电类型半导层上、一第二导电类型半导层形成于该活性层上、一接触层形成于该第二导电类型半导层上、以及一电极，具有多个微凸块，形成于该接触层上，用以直接接合于一基座上。其中，该多个微凸块为一体成形于该电极上。

本发明的另一目的在提供一发光元件，包括一发光二极管、一基座及多个微凸块。该发光二极管包括一透明基板及至少一电极，该基座包括至少一接合垫，该等多个微凸块则介于电极及接合垫之间，且一体成形于电极或接合垫上。

本发明的另一目的在提供一发光元件的制造方法，包括提供一发光二极管包括一透明基板及至少一电极，形成多个微凸块于该电极上，其中，该多个微凸块为一体成形于该电极上。

附图说明

图1为一示意图，显示依先前技艺所示的一发光元件；

图2为一示意图，显示依本发明所示的一发光元件；

图3为一示意图，显示依本发明所示的另一实施例；

图4为一示意图，显示依本发明所示的又一实施例；

图5为一示意图，显示依本发明所示的又一实施例；

图6为一示意图，显示依本发明所示的一电极上视图；

图7为一示意图，显示依本发明所示的另一电极上视图；

图8为依本发明所测得的电流与发光量的效能曲线图。

简单符号说明

10、30、50、60、70：发光单元；

20、40：基座单元；

11、31：透明基板；

21、41：基座；

12、32、62、72：发光叠层；

121、321、621、721：第一导电类型半导体层；

122、322、622、722：活性层；

123、323、623、723：第二导电类型半导体层；

13、33、63、73：第一接触层；

14、34、64、74：第二接触层；

15、35、65、75、85、95：第一电极；

16、36、66、76、86、96：第二电极；

22、42：第一接合垫；

23、43：第二接合垫；

24：金球凸块；

37：电极垫层。

具体实施方式

请参考图2，依本发明的一发光元件包括一发光二极管30及一基座单元40。发光二极管30包括一透明基板31，包括至少一种材料选自于Al₂O₃、GaN、Glass、GaP、SiC、及CVD钻石所构成的材料群组、一发光叠层32形成于透明基板31上，发光叠层32受电压驱动时会发出光线，该光线的颜色取决于发光叠层32的材料，例如(Al_zGa_1-z)_0.5In_0.5P系列的材料可视z值发出红、黄、或绿色的光线；Al_xIn_yGa_(1-x-y)N系列的材料则可视x、y的组成发出蓝或紫色的光线、一第一接触层33、一第二接触层34、一第一电极35、及一第二电极36。发光叠层32包括一第一导电类型半导体层321、一活性层(active layer)322、及一第二导电类型半导体层323，第一导电类型半导体层321可为n型或p型半导体层，第二导电类型半导体层323的导电类型与第一导电类型相反，其中部份的第二导电类型半导体层323及活性层322被蚀刻移除以裸露部份的第一导电类型半导体层321。第一接触层33形成于裸露的第一导电类型半导体层321上，第二接触层34形成于第二导电类型半导体层323上，第一接触层33及第二接触层34用以分别与第一导电类型半导体层321及第二导电类型半导体层323形成欧姆接触(ohmic contact)，第一接触层33或第二接触层34包括一种材料选自于BeAu、ZnAu、SiAu、及GeAu所构成的材料群组。第一电极35形成于第一接触层33之上，第二电极36则形成于第二接触层34之上。在一实施例中，发光二极管30还包括一电极垫层37形成于第二接触层34与第二电极36之间，以使第二电极36与第一电极35的上表面实质上在同一水平面上。第一电极35或第二电极36包括至少一种材料选自于金、银、铝、及铜所构成的材料群组，电极垫层37的材料可为相同于第二电极或第二接触层或其它金属材料。第一电极35及第二电极36表面具有多个微凸块，当直接接合于一基座单元40，例如为印刷电路板(printed circuit board；PCB)时，用以提供多个电流通道，使电流通过多个微凸块传导至基座上。直接接合的方式可利用如热音波接合(thermosonic bonding)的方式，以直接接合于一基座单元40。基座单元40包括一基座41、以及一第一接合垫42与一第二接合垫43形成于基座41上，用以分别与第一电极35及第二电极36接合；基座41包括一导热良好的材料，包括至少一种材料选自于硅、SiC、AlN、CuW、Cu、及CVD钻石所构成的材料群组；第一接合垫42或第二接合垫43包括一金属或合金材料，例如金、银、铝、或锡合金。于一实施例中，多个微凸块可以现有的光刻及蚀刻方式进行图案化并蚀刻一部份深度的电极层以形成多个微凸块，多个微凸块为一体成形于电极上。微凸块的厚度为0.3～20um，形状则可为多边形、圆形、或长条形；微凸块的尺寸例如多边形的最小边长、圆形直径、或长条形的短边长介于1um至250um。于本发明的一优选实施例中，极小的微凸块厚度为0.3um，于接合后，可提供一短接合距离以大幅降低发光二极管30与基座单元40间的热阻，并具有可接受的剪变强度(shear strength)，以维持良好的接合。于另一实施例中，如图3所示，电极55及56为多个彼此分离的微凸块，可以现有的光刻及蚀刻方式形成，或者可以选择性地以电镀或薄膜成长方式形成。

请续参考图4，依本发明的又一实施例，一发光元件包括一发光二极管60及一基座单元40。发光二极管60包括一透明基板31，透明基板31上具有一第一区域a、一第二区域b、及一沟槽区c；一发光叠层62大致上形成于透明基板31上的第一区域a及第二区域b，发光叠层依序包括一第一导电类型半导体层621、一活性层(active layer)622、及一第二导电类型半导体层623，位于第一区域a及第二区域b的发光叠层62以第一导电类型半导体层621相连接；一第一接触层63形成于位于第一区域a的第二导电类型半导体层623上、一第二接触层64形成于位于第二区域b的第二导电类型半导体层623上；一第一电极65形成于第一接触层63之上、及一第二电极66形成于第二接触层64之上。由于第一电极65下方的发光叠层62并未移除，故第一电极65与第二电极66可保持在同一水平面上。其中，第一电极65及第二电极66包括多个微凸块，当直接接合于一基座单元40时，用以提供多个电流通道，使电流通过多个微凸块传导至基座上；直接接合的方式可利用如热音波接合(thermosonic bonding)的方式，以直接接合于一基座单元40；该多个微凸块可以现有的光刻及蚀刻方式进行图案化并蚀刻一部份深度的电极层以形成微凸块，多个微凸块为一体成形于电极上。微凸块的厚度为0.3～20um，形状则可为多边形、圆形、或长条形；微凸块的尺寸例如多边形的最小边长、圆形直径、或长条形的短边长介于1～250um。于一优选实施例中，极小的微凸块厚度为0.3um，于接合后，可提供一短接合距离以大幅降低热阻，并具有可接受的剪变强度(shear strength)，以维持良好的接合。于另一实施例中，第一电极65及第二电极66可为多个彼此分离的微凸块，可以现有的光刻及蚀刻方式形成，或者可以选择性地以电镀或薄膜成长方式形成。

请续参考图5，依本发明的又一实施例，一发光二极管70包括一透明基板31，透明基板31上具有一第一区域a、一第二区域b、及一沟槽区c；一发光叠层72大致上形成于透明基板31上的第一区域a及第二区域b，发光叠层72依序包括一第一导电类型半导体层721、一活性层(active layer)722、及一第二导电类型半导体层723；其中，第二导电类型半导体层723表面具有凹凸形状，且位于第一区域a及第二区域b的发光叠层72以第一导电类型半导体层721相连接；一第一接触层73及一第二接触层74顺应第二导电类型半导体层723的表面形状，分别地形成于第一区域a及第二区域b的第二导电类型半导体层723上；以及一第一电极75及一第二电极76顺应第一接触层73及第二接触层74的表面形状，分别地形成于第一接触层73及第二接触层74上，使第一电极75及第二电极76表面形成多个微凸块，当直接接合于一基座单元40时，用以提供多个电流通道，将电流通过多个微凸块传导至基座上。直接接合的方式可利用如热音波接合(thermosonic bonding)的方式，以直接接合于一基座单元40。于一实施例中，第二导电类型半导体层723的凹凸形状，以现有的光刻蚀刻方式形成；第一电极75及第二电极76的形成，先依序沉积一顺应于第二导电类型半导体层的接触层的电极层于第二导电类型半导体层上，再以现有的方式，例如光刻蚀刻方式或剥离(lift-off)法将位于沟槽区的接触层及电极层移除。其中，第一电极75及第二电极76的微凸块厚度介于0.3～20um，微凸块的形状可为多边形、圆形、或长条形，其尺寸例如多边形的最小边长、圆形直径、或长条形的短边长为介于1um～250um。于一优选实施例中，极小的微凸块厚度为0.3um，于接合后，可提供一短接合距离以大幅降低热阻，并具有可接受的剪变强度(shearstrength)以维持良好的接合。于另一实施例，第二导电类型半导体层为平整表面，而接触层具有凹凸表面，后续的电极层顺应接触层的表面形状覆盖于接触层上，使电极表面具有微凸块的形状。

本发明的另一实施例亦可运用前述图2及图3所揭露的发明原理，将多个微凸块形成于基座单元40的第一接合垫42及第二接合垫43上，仍可逹到相同的接合效果。

图6及图7为本案依本发明所揭露的电极实施例。如图6及图7所示，第一电极(85及95)或第二电极(86及96)上的多个微凸块为圆形或长条形，且为一阵列排列。为获取较佳的接合效果，可调整微凸块的尺寸及其排列方式或增加接合面积(即微凸块表面积总和)，但随着接合面积增加，电极平整度的要求随的提高，以避免因微凸块厚度不均或晶粒应力造成弯曲现象等因素，造成部份凹陷区域接合不良。接合面积占电极围绕的区域面积比值为介于5％至50％。

图8为传统金球接合与本发明的直接接合的效能曲线比较。于本发明的实施例中，电极的微凸块为直径10um的圆形，呈一阵列排列，并占总电极面积约为5％(约相同于金球接触面积)。由图中曲线可知，发光量(flux)大致与通过电流呈正比，但随电流增加，发光量会逐渐呈现饱和。应用传统金球接合结构的发光元件，其饱和电流约为0.7安培(A)，最大发光量约为50流明(lm)，而依本发明直接接合结构的发光元件所测得的饱和电流约为1.2安培(A)，最大发光量约为75流明(lm)，提高约50％。下表则为所测得的热阻值比较，由下表可知，依本发明发光元件与基座单元间的热阻远低于传统发光元件基座单元间的热阻。综上所述，本发明具有达致低热阻及高亮度的进步功效。

接合方式	V_f[V]	I_f[A]	ΔT[K]	热阻[℃/W]
接合方式	V_f[V]	I_f[A]	ΔT[K]	热阻[℃/W]	金球接合	0.35	2.25	30.4	38.6
Au-Au直接接合	0.35	2.26	15.6	19.7	金球接合	0.35	2.25	30.4	38.6

本发明所列举的各实施例仅为用以说明本发明，并非用以限制本发明的范围。任何人对本发明所作的任何修饰或变更皆不脱离本发明的权利要求。

Claims

1.一种发光元件，包括：

透明基板；

第一导电类型半导层，形成于该透明基板上；

活性层，形成于该第一导电类型半导层上；

第二导电类型半导层，形成于该活性层上；

接触层，形成于该第二导电类型半导层上，并与该第二导电类型半导层形成欧姆接触；以及

单层电极，具有多个微凸块，形成于该接触层上，用以于该发光元件经由该多个微凸块接合于基座上时，该多个微凸块提供多个电流通道，

其中该多个微凸块与该单层电极为一体成形于该接触层上。

2.如权利要求1所述的发光元件，其中该多个微凸块的厚度介于0.3～20微米。

3.如权利要求1所述的发光元件，其中该多个微凸块的形状包括圆形、长条形、多边形、或其组合。

4.如权利要求1所述的发光元件还包括基座，且该单层电极的该多个微凸块以热音波接合方式接合于该基座上。

5.一种发光元件，包括：

发光二极管，包括至少一单层电极；

基座，包括至少一接合垫；以及

多个微凸块，介于该单层电极及该接合垫之间，用以于该发光二极管经由该多个微凸块接合于该基座上时，该多个微凸块提供多个电流通道，

其中该多个微凸块与该单层电极为一体成形于该发光二极管上。

6.如权利要求5所述的发光元件，其中该多个微凸块的厚度介于0.3～20微米。

7.如权利要求5所述的发光元件，其中该多个微凸块的形状包括圆形、长条形、多边形、或其组合。

8.如权利要求5所述的发光元件，其中该多个微凸块的材料包括至少一种材料选自于金、银、铝、及铜所构成的材料群组。

9.如权利要求5所述的发光元件，其中该发光二极管还包括：

透明基板；

第一导电类型半导层，形成于该透明基板上；

活性层，形成于该第一导电类型半导层上，用以在偏压下发出光线；

第二导电类型半导层，形成于该活性层上；以及

接触层，形成于该第二导电类型半导层上，并与该第二导电类型半导层形成欧姆接触，

其中，该单层电极形成于该接触层上。

10.一种发光元件的制造方法，包括以下步骤：

提供发光二极管包括透明基板及至少一单层电极；

提供基座包括至少一接合垫；以及

形成多个微凸块于该发光二极管或该基座上，

其中该多个微凸块与该单层电极或该接合垫为一体成形于该发光二极管或该基座上。

11.如权利要求10所述的制造方法，还包括

倒装芯片接合该发光二极管至该基座。

12.如权利要求11所述的制造方法，其中该倒装芯片接合方式包括热音波接合。

13.如权利要求10所述的制造方法，其中该多个微凸块的厚度介于0.3～20微米。

14.如权利要求10所述的制造方法，其中该多个微凸块包括圆形、长条形、多边形、或其组合。

15.如权利要求10所述的发光元件，其中该多个微凸块的材料包括至少一种材料选自于金、银、铝、及铜所构成的材料群组。