CN101859863B

CN101859863B - 蓝宝石基新型倒装结构及其用途

Info

Publication number: CN101859863B
Application number: CN2010101655835A
Authority: CN
Inventors: 王敏锐; 蔡勇; 张宝顺; 杨辉
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2030-05-07
Also published as: CN101859863A

Abstract

本发明揭示了一种蓝宝石基新型倒装结构，其特征在于：包括n电极导电转移基板、蓝宝石基光电器件基础芯片、引线及绝缘填充材料，其中用于与蓝宝石基光电器件基础芯片的n电极及电源分别相连的电极引线压焊区位于n电极导电转移基板高度方向上的两侧。特别是应用于光电器件后基础芯片的p电极加厚层倒装压焊区与第二引线压焊区分布在n电极导电转移基板两侧，分别独立与电源焊装；且基础芯片的n电极压焊区与第一引线压焊区之间采用引线电连接，而非采用倒装焊接。本发明的该蓝宝石基新型倒装结构及其应用能以相对较低的制造成本获得高效的散热性能，显著提高了发光二极管或激光器的性能，具有性能优越、产能高、成本节约的综合效益。

Description

蓝宝石基新型倒装结构及其用途

技术领域

本发明涉及一种半导体光电器件结构，尤其涉及一种大功率LED和激光器提升可靠性，降低生产成本的器件结构领域。

背景技术

光电器件是指光能和电能相互转换的一类器件。其种类众多，如发光二极管(LED)、太阳能电池、光电探测器、激光器(LD)等等。近年来，随着氮化镓基蓝光、绿光和紫外光LED技术的不断成熟，发光效率不断提高，LED应用价值越来越受到重视。LED作为一种光源有着众多的优点，如发光效能高、色彩饱度高、体积小、重量轻、基于氮化镓的LED无毒、无公害，属于绿色环保光源。因此，LED在照明领域有着巨大的应用价值。

目前，LED已经大量进入大屏幕显示、装饰照明、建筑照明、交通指示、LCD背光等市场，可是更大的市场在于普通照明，而LED还未能普及应用于这个庞大市场，这是由于现在的LED还不能满足普通照明的要求造成的。普通照明需要廉价、大功率的LED产品，可是现在的大功率LED技术还不成熟、大功率LED制造成本还很昂贵。

提升大功率LED性能的途径主要有两方面：1)提高LED器件的外量子效率，以提高芯片单位面积的出光量；2)加大芯片的面积，提高单颗芯片的光通量。目前LED的研究基本都集中在提高LED器件的外量子效率，从外延、芯片工艺到封装等方面提出了很多改进的技术措施，如：图形化蓝宝石衬底技术、非极化面生长技术、氮化镓自支撑衬底技术、芯片表面粗化技术、薄膜LED垂直芯片技术、倒装LED技术等等。这些技术的应用都可以有效提高LED芯片单位面积的出光量，有利于制造大功率LED器件。其中倒装LED技术(如图1所示)，可以实现将LED量子阱发光时产生的大量热量从离量子阱最近的p电极导出，无需像正装结构的LED(如图2所示)量子阱产生的热量需要通过低导热的蓝宝石衬底导出，能有效改善大功率LED散热，改善大功率LED的热可靠性，进而提高LED的寿命和发光效率，同时倒装结构中可通过加入反射电极增加LED的取光效率，因而能大大提升器件的性能，在众多大功率LED技术中广受关注。但是现有的倒装LED技术存在以下问题：

1.由于目前的倒装技术都是通过合金焊料或金-金键合，同时将LED的n型和p型电极倒装在电极转移基板的相应电极上，由于LED的n电极和p电极的间距一般在20微米以内，为了防止在倒装过程中出现n电极和p电极的短路，倒装过程中一般需要使用价格昂贵的倒装焊设备；

2.由于采用合金焊料或金-金键合时，容易在合金焊料中或是金-金键合区产生孔隙，影响器件倒装完后的散热性能，为了在倒装过程中尽量减小孔隙率，需要严格控制倒装工艺，造成工艺复杂，成品率控制困难。因此，能够把该项技术投入实际产品应用的并不多。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的旨在提供一种蓝宝石基新型倒装结构及其用途，通过器件结构的改善提高大功率光电器件的热可靠性，同时降低器件的制造成本。

本发明目的的实现，将通过以下概括的技术手段：

蓝宝石基新型倒装结构，其特征在于：包括n电极导电转移基板、蓝宝石基光电器件基础芯片、引线及绝缘填充材料，其中用于与蓝宝石基光电器件基础芯片的n电极及电源分别相连的电极引线压焊区位于n电极导电转移基板高度方向上的两侧。

进一步地，前述的蓝宝石基新型倒装结构，其中该n电极导电转移基板包括：第一引线压焊区、第二引线压焊区、导电转移基板基体、通光孔、引线压焊区间互连、引线、通光孔及电隔绝填充材料，其中所述第一引线压焊区与n电极同侧，而所述第二引线压焊区设于n电极导电转移基板背向n电极方向的另一侧，所述n电极通过引线、第一引线压焊区、引线压焊区间互连引至第二引线压焊区。

更进一步地，前述的蓝宝石基新型倒装结构，其中该n电极与n电极导电转移基板的第一引线压焊区之间通过键合的引线相连，所述引线包括金线、铝线、铜线、银线、铂金线、钯合金线或以上几种材料的复合材料；所述引线压焊区间互连包括贯通的金属通孔及导电的n电极导电转移基板材料。

进一步地，前述的蓝宝石基新型倒装结构，其中基础芯片n电极、n电极导电转移基板的第一引线压焊区、n电极导电转移基板、引线之间通过覆盖绝缘物实现绝缘保护。

进一步地，前述的蓝宝石基新型倒装结构，其中该蓝宝石基光电器件基础芯片包括蓝宝石衬底及自蓝宝石衬底一侧逐层覆盖的GaN缓冲层、n型GaN层、量子阱发光区、p型GaN层和帽层，所述量子阱发光区及p型GaN层的面积小于n型GaN层，相对蓝宝石衬底同侧的p电极和n电极分别设于p型GaN层及n型GaN层。

更进一步地，前述的蓝宝石基新型倒装结构，其中该p电极设有加厚层压焊区，且所述p电极加厚层压焊区与第二引线压焊区分布在n电极导电转移基板两侧，分别与电源相连。

本发明的另一个目的，也是本发明技术创新的动力：是将该倒装结构应用于光电器件中倒装型发光二极管或激光器的结构改良及制造工艺之中。

实施本发明的技术方案，较之于现有技术其优点简言之便是：该蓝宝石基新型倒装结构及其应用能以相对较低的制造成本和简化的制造工艺获得高效的散热性能，显著提高了发光二极管或激光器的性能，具有性能优越、产能高、成本节约的综合效益。

为使本发明所述的蓝宝石基新型倒装结构及其用途更易于理解其实质性特点及其所具的实用性，下面便结合附图对本发明一具体实施例作进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。

附图说明

图1是现有技术蓝宝石基倒装结构的剖面示意图；

图2是本发明蓝宝石基光电器件基础芯片结构的剖面示意图；

图3a是本发明一实施例倒装结构的外观俯视图；

图3b是图3a所示实施例的剖面示意图；

图4a是本发明另一实施例倒装结构的外观俯视图；

图4b是图4a所示实施例的剖面示意图。

具体实施方式

目前现有的倒装LED都需要使用价格昂贵的倒装焊设备，究其原因是这些设备可以提供很高的对准精度(几个微米～十几个微米)，可以保证压焊区的间距尽可能小，防止在倒装过程中出现n电极和p电极的短路。

为此，本发明设计了一种可以应用于LED或激光器的蓝宝石基新型倒装结构。如图3所示，在制备LED或激光器基础管芯的时候，制备厚度达到30μm-200μm的p电极加厚层压焊区22，LED或激光器基础芯片(即蓝宝石基光电器件基础芯片，以下简称基础芯片)的n电极23采用引线技术通过引线24引出到n电极导电转移基板25的第一种引线压焊区251，然后采用绝缘层26将引线24、LED或激光器基础芯片的n电极23、n电极转移基板的第一种引线压焊区251和p电极加厚层压焊区22填充进行电隔离，与外电源相连的第二引出压焊区254做在n电极导电转移基板25的另一侧，实现n电极外接电源的引线压焊区和p电极加厚层压焊区22在高度方向上的隔离。为此LED或激光器的倒装，只要使用合金焊料或金-金键合将LED或激光器的p型电极倒装在热沉上，由于p电极加厚层压焊区22和n电极外接电源引线压焊区(即第二引线压焊区)254分布在n电极导电转移基板的两侧，存在较大高度差，在倒装过程中不存在由于倒装位置不准，合金焊料外溢，使LED或激光器的p型电极和n型电极短路的问题，从而实现采用普通的回流炉就能实现LED或激光器的倒装，避免了使用价格昂贵的倒装焊设备，从而起到节约成本、提高成品率、增加产能的作用。

其中，该蓝宝石基光电器件基础芯片包括蓝宝石衬底及自蓝宝石衬底一侧逐层覆盖的GaN缓冲层、n型GaN层、量子阱发光区、p型GaN层和帽层，所述量子阱发光区及p型GaN层的面积小于n型GaN层，相对蓝宝石衬底同侧的p电极和n电极分别设于p型GaN层及n型GaN层。

结合附图进一步具体来看：

实施例一

如图3a、图3b所示，展现了一种新型上下电极形式的蓝宝石基倒装LED器件的结构图，图3a是俯视示意图，图3b是剖面示意图。蓝宝石基LED基础芯片包括：外延基底21，p电极加厚层压焊区22，n电极23，其中外延基底21还包括：蓝宝石衬底211，第一种半导体材料212，器件有源区或量子阱213，第二种半导体材料214。第一半导体材料212是n型GaN半导体，相应地第二种半导体材料214是p型GaN半导体。n电极转移基板25包括：Si转移基板252，转移基板上的第一电极引线压焊区251，转移基板上的第二电极引线压焊区254、Cu通孔互连253、通光孔255。采用引线键合方法通过金引线24，把蓝宝石基LED基础芯片上的n电极23与n电极转移基板上的第一电极引线压焊区251连接在一起，实现电连接。p电极加厚层压焊区22、n电极23、转移基板上的第一电极引线压焊区251、引线24和Si转移基板252之间采用绝缘材料PI进行电隔绝。将p电极加厚层压焊区倒装在散热板27上。当在n电极转移基板25上的第二电极引线压焊区254和蓝宝石基LED基础芯片上的p电极22或散热板上27加上偏置电压，电流顺序流经p电极加厚层压焊区22、p型GaN半导体214、器件有源区或量子阱213、第一种半导体材料212、n电极23、金引线24、第一电极引线压焊区251、Cu通孔互连253、第二电极引线压焊区254，在有源区或量子阱213处激发出光，光从蓝宝石面通过n电极转移基板的通光孔255射出。

实施例二

如图4a、图4b所示，展现了一种新型上下电极形式的蓝宝石基倒装激光器的结构图，图4a是俯视示意图，图4b是剖面示意图。蓝宝石基GaN激光器基础芯片包括：外延基底21，p电极及加厚层22，n电极23，其中外延基底21还包括：蓝宝石外延衬底211，第一种半导体材料212，器件有源区或量子阱和反射镜区213a，第二种半导体材料214。第一种半导体材料212是n型GaN半导体，相应地第二种半导体材料214是p型GaN半导体。n电极转移基板25包括：Si转移基板基体252，转移基板上的第一电极引线压焊区251，转移基板上的第二电极引线压焊区254、Cu通孔互连253、侧面通光孔255。采用引线键合方法通过金引线24，把蓝宝石基激光器基础芯片上的n电极23与n电极转移基板上的第一电极引线压焊区251连接在一起，实现电连接。p电极加厚层压焊区22、n电极23、转移基板上的第一电极引线压焊区251、引线24和Si转移基板252之间采用绝缘材料PI进行填充电隔绝。将p电极加厚层压焊区倒装在散热板上27上。当在n电极转移基板上的第二种电极引线压焊区254和蓝宝石基激光器基础芯片上的p电极22或散热板27上加上偏置电压，电流顺序流经p电极加厚层压焊区22、p型GaN半导体214、器件有源区或量子阱和反射镜区213a、第一种半导体材料212、n电极23、金引线24、第一电极引线压焊区251、Cu通孔互连253、第二电极引线压焊区254，在有源区或量子阱和反射镜区213处激发出光，从激光器有源区或量子阱和反射镜区213的端面及侧面通光孔255射出。

上述两个实施例的详细说明可见，本发明提供了一种简化LED或激光器的倒装工艺、节约加工成本的新型LED或激光器的器件结构，其结构特征和核心原理是，利用n电极导电转移基板和引线键合技术，将先前已有的倒装方法采用的n电极和p电极同时焊接的工艺改变为先采用引线键合技术将LED或激光器的n电极引出到n电极导电转移基板上，通过n电极导电转移基板将n电极的引出压焊点转移基板的另一侧，使LED或激光器的n电极和p电极的外引线压焊点在上下位置上形成30μm以上的间距，然后通过回流炉和焊料将LED或激光器的p型电极倒装焊接在散热基板上。由于倒装过程中不存在n电极和p电极的同时焊接，无需精确对准，不需要采用高精度的倒装设备，降低了倒装LED或激光器的生产成本和工艺难度。其中引线键合的方法包括热压引线键合、热压超声键合、超声键合、钎焊引线键合等

除上述两个实施例的描述以外，需要之处的是该器件各部分所用材料具有多样性，例如基础芯片上的n电极和p电极及其加厚层、n电极导电转移基板的两个压焊区材料包括以下单一材料：Ti、Ag、Ni、Al、Au、Pt、Pd、Sn、In、Cr、Co、ITO、Cu、Fe、ATO、W、ZnO等，或其中几种材料的复合体或其中某种材料与其它材料的复合体。该n电极导电转移基板本身材料可以是透明材料或非透明材料，如Si、各种玻璃、PMMA和PI等有机物、PCB、Al₂O₃陶瓷、AlN陶瓷、SiC陶瓷、SiC、AlN、金刚石、金属或以上材料的复合结构等。该引线材料的可选范围包括Au线、Al线、铜线、银线、Pt线、Pd合金或以上几种材料的符合材料。

综上所述，对本发明蓝宝石基新型倒装LED或激光器结构的详细介绍，旨在加深对本发明实质结构及有益效果的理解，对保护范围不构成任何限制。但凡对于上述实施例进行的等同变换及等效替换，能够实现与本发明相同创作目的的技术方案，均落在本案请求保护的范围内。

Claims

1.蓝宝石基新型倒装结构，其特征在于：包括n电极导电转移基板和蓝宝石基光电器件基础芯片、引线及绝缘层，其中用于与蓝宝石基光电器件基础芯片的n电极及电源分别相连的第一电极引线压焊区和第二引线压焊区位于n电极导电转移基板高度方向上的两侧；所述n电极导电转移基板具有转移基板、转移基板上的第一电极引线压焊区、转移基板上的第二电极引线压焊区、Cu通孔互连和通光孔，所述第一引线压焊区与n电极同侧，而所述第二引线压焊区设于n电极导电转移基板背向n电极方向的另一侧，所述n电极通过引线、第一引线压焊区、引线压焊区间互连引至第二引线压焊区，

所述蓝宝石基LED基础芯片包括p电极加厚层压焊区，所述绝缘层将引线、蓝宝石基光电器件基础芯片的n电极、n电极转移基板的第一种引线压焊区和p电极加厚层压焊区填充进行电隔离，所述p电极加厚层压焊区与第二引线压焊区分布在n电极导电转移基板两侧，分别与电源相连，

所述n电极导电转移基板位于所述蓝宝石基光电器件基础芯片的电极一侧。

2.根据权利要求1所述的蓝宝石基新型倒装结构，其特征在于：所述基础芯片的n电极与n电极导电转移基板的第一引线压焊区之间通过压焊键合的引线相连，所述引线包括金线、铝线、铜线、银线、铂金线、钯合金线或以上几种材料的复合材料。

3.根据权利要求1所述的蓝宝石基新型倒装结构，其特征在于：所述蓝宝石基光电器件基础芯片包括蓝宝石衬底及自蓝宝石衬底一侧逐层覆盖的GaN缓冲层、n型GaN层、量子阱发光区、p型GaN层和帽层，所述量子阱发光区及p型GaN层的面积小于n型GaN层，相对蓝宝石衬底同侧的p电极和n电极分别设于p型GaN层及n型GaN层。

4.权利要求1所述的蓝宝石基新型倒装结构的用途，其特征在于：所述倒装结构适用于倒装型发光二极管或激光器。