CN102130244A - 一种基于金刚石薄膜的led散热基底及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于金刚石薄膜的散热基底，包括硅衬底、金刚石薄膜和过渡层，在硅衬底上制备金刚石薄膜具有硅上金刚石(DOS)结构，所述金刚石薄膜表面粗糙度在去除封端顶层和进行表面平坦化处理后为纳米量级并进行表面改性；过渡层为Ti薄膜，在制备金属凸点之前先沉积于表面改性后的金刚石薄膜上。本发明的优点是：采用导热率最高的金刚石薄膜来作为LED基底的散热层，形成硅上金刚石(DOS)结构，大大提高了散热的效率。同时在散热沉底上直接制作焊接用的金属凸点，减少热量的传输距离，利用热化学机械平坦化对金刚石表面进行表面改性及平坦化，改善表面粗糙度，激活表面的价健从而改善金刚石薄膜与金属凸点的粘附性，防止接触界面中间产生气泡等缺陷，形成的良好接触界面能够降低结热阻，提高散热效率。

Description

一种基于金刚石薄膜的LED散热基底及其制作方法

(一)技术领域

本发明涉及光电器件封装及材料的交叉技术领域，特别是一种基于金刚石薄膜的散热基底及其制作方法。

(二)背景技术

发光二极管(LED)是直接将电能转化成光能的发光元件，有着传统光源所不具备的诸多优点，例如：较好的驱动特性、较快的响应速度、较高的抗震能力、较长的使用寿命、绿色环保等优点。但是低发光率和高成本限制了其在照明领域的广泛应用，随着LED芯片制造技术和封装技术的不断发展，近年来LED一直沿着Haitz定律(LED界的Moore定律)不断的提高亮度，降低成本。人们开始关注LED照明的应用，并且将LED誉为第四代照明光源的最有力的竞争者。

作为21世纪最具前景的高技术领域之一，半导体LED照明技术发展正面临着严峻的挑战——高功率白光LED半导体照明应用及普及首先要解决高功率引起的散热难题。研究表明，高功率LED封装引起的散热问题成为影响LED发光芯片质量与寿命的关键问题。热量引起结温的升高，同时导致芯片的发光效率降低，芯片周围荧光粉的激射效率降低，严重影响芯片的光学性能，同时热应力的非均匀分布也容易降低器件的使用寿命和稳定性。尤其是当前LED芯片的多芯片组件(MCM)封装技术，模块间互相影响，高热阻会导致芯片失效等问题更加严重。

传统的蓝宝石衬底的GaN功率芯片为正装芯片，电极位于出光面上，从而大大限制了芯片的功率和出光率。这种结构的散热是由蓝宝石衬底导出去的，由于蓝宝石的导热率较低，导热路径长，使得这种结构的LED芯片的热阻很高。为了提高发光效率、减小光衰、提高芯片的可靠性，工业上采用主流的封装技术是LED flip-chip封装技术，而较为典型的LED flip-chip封装工艺是把芯片通过金凸点与硅基底焊接在一起，然后在硅基底上引出正负电极，在与管座、透镜封装成一体。这种封装需要与相应的散热基底(Al基底)相连接才能减少热阻，传统的硅基底热导率是Al和Cu的1/2-1/3，因此不利于散热。

对于高功率引起的散热问题可以考虑从两个方面来解决，一是应用导热率高的新型材料；二是采用新的基底散热结构。目前人们已经开发出了基于不同材料的散热基底用于LED flip-chip结构封装，比如铝基底、陶瓷基底、铜基底、甚至开发氮化铝、氧化铋等基底，这些基底中一方面有些材料环境不友好、存在安全问题，如氧化铋；另一方面即使采用热导率接近400W/m·K的铜基底LED封装技术，但是器件集成兼容性较差，且随着功率的进一步提高，仍然无法满足高功率LED的散热问题。对散热基底结构进行改进以提高散热效率的方法也取得了一些进展。广东中山市刘崇儒的专利：平板散热式LED及其制作方法(CN101246940)，介绍了一种增大基底面积来提高散热效果的方法。但是这种方法在封装时采用导热率不是很高的环氧树脂或者硅胶，增加了结热阻，基底散热效率的提高有限。大连安得工贸有限公司金光阁、李晓晨等人的专利：开放式多层复式LED散热系统(CN101210670)，介绍了一种多层复式散热基底。此散热基底采用质轻而导热效果相对优良的金属板材制成开放式双层或多层的复式结构散热载体，散热载体的上层安装有相对较大的主散热片。层间选用多个具有高效热传导性能的导热管连结，导热管的受热部分及散热部分都埋置进入散热载体内。这种结构制作方法复杂，且必须保证导热管和散热管要有良好的接触，否则将大大降低此结构的散热性能。浙江省宁海县王其林的专利：一种利用气压和风洞的LED灯散热方法(CN101178171)，在此专利中介绍了一种利用LED灯壳体和壳体内的电路板、电源和恒流源上的散热板构成一个空气流通道，通过空气流通道中形成的空气流，将电路板、电源和恒流源工作时产生的热量随时带出壳体外，达到散热。此种散热结构制作过程复杂且由于空气的导热系数(0.023W/m·K)较小，故散热效果有限。本发明将采用导热率最高的金刚石(1000-2000W/m·K)作为基底散热材料，在硅衬底上形成基底DOS结构，将材料改进的方法和基底结构改进的方法结合起来，以提高基底的散热性能。

(三)发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种导热效率高，散热快，制作简单且与传统CMOS工艺兼容的基于金刚石薄膜的LED芯片散热基底及其制作方法。

本发明的技术方案：

一种基于金刚石薄膜的散热基底，包括硅衬底、金刚石薄膜和过渡层，在硅衬底上制备金刚石薄膜具有硅上金刚石(DOS)结构，所述金刚石薄膜表面粗糙度在去除封端顶层和进行表面平坦化处理后为纳米量级并进行表面改性；过渡层为Ti薄膜，其厚度为10nm～50nm，在制备金属凸点之前先沉积于表面改性后的金刚石薄膜上。

一种所述基于金刚石薄膜的散热基底的制作方法，包括以下步骤：

1)利用无籽晶生长过渡层的基础，在硅衬底上制备金刚石薄膜，形成硅上金刚石(DOS)结构；

2)对沉积好的金刚石薄膜，首先采用体积比为1∶3的Ar-O₂混合等离子体对表面进行刻蚀处理，去除最后生长的封端顶层金刚石薄膜，再利用超精密薄膜平坦化设备进行表面处理，实现表面粗糙度纳米量级，然后再二次采用Ar等离子体进行表面改性；

3)制备金属凸点之前，采用磁控溅射法沉积一层金属Ti薄膜作为过渡层；

4)采用刻蚀工艺或剥离工艺在过渡层上制作金属凸点。

所述制备金刚石薄膜的方法为微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)、热丝化学气象沉积法(HF-CVD)或直流辉光等离子体化学气相沉积法。

所述刻蚀工艺为先采用磁控溅射沉积金属薄膜，再光刻-刻蚀形成所需要的版图结构；所述剥离工艺为先光刻曝光，再沉积金属薄膜，最后去胶剥离形成需要的图形结构。

所述剥离工艺采用厚胶工艺，采用厚胶工艺制备金属凸点的方法如下：在DOS结构基础上沉积金属Ti薄膜，然后以厚胶限定电镀区域，电镀凸点金属之后，直接进行二次光刻形成所设定的金属版图，在光刻胶的保护下对金属Ti薄膜进行刻蚀，最后去胶形成带凸点的DOS结构LED倒装散热基底；所述凸点金属为由金、银、铝、钛和铜中任意两种或两种以上任意比例的金属组成的复合金属层，同时用来制作与LED发光芯片相对应的基底的P型电极和N型电极。

本发明的技术分析：

为了加强基底的散热功能，本发明选用导热率最高的金刚石作为LED封装基底的散热层。此结构的散热基底除了高导热金刚石薄膜的沉积之外，需要构建与LED芯片电极相对应的金属凸点。首先是通过金刚石薄膜的沉积工艺技术，一般采用MPCVD技术在硅衬底上沉积金刚石薄膜，并考虑到集成工艺的兼容性，制备出高性能的硅衬底上金刚石薄膜(Diamond on Silicon，缩写DOS)；随后采用刻蚀或者剥离两种工艺实现金属凸点的制备。在制备金属凸点的过程中由于制备的金刚石薄膜表面比较粗糙，为保证金刚石薄膜与金属凸点的良好接触，需对金刚石薄膜进行表面改性。采用热化学机械平坦化(TCMP)和等离子体表面处理技术来获得平坦的表面。并沉积一层过渡层Ti以保证金刚石薄膜与上述金属凸点的良好的粘附性。此DOS结构的散热基底能有效的提高散热效率同时降低热阻，改善散热效果。

将导热率最好的金刚石材料应用于LED封装基底的散热层，首先将其沉积在硅衬底上，形成DOS结构即能够增大金刚石膜与LED上金属凸点的接触面积，又可以克服金刚石又硬又脆不能独立作为散热基底的缺点。随后应用表面处理技术在提高表面平整度的同时打开金刚石表面的价健，改善与金属凸点的接触界面的特性，防止产生微小气泡等缺陷，导致结热阻的增大。同时加强金属凸点和金刚石膜的粘附性，提高芯片的可靠性。最后就是金属凸点的制作，选用刻蚀或者剥离两种技术在DOS结构上制作金属凸点，可以很好的和传统的CMOS工艺兼容。

本发明中金刚石的生长具体的分为三个步骤首先是先在“镜面”硅衬底上生长一层类金刚石膜的过渡层，然后在类金刚石过渡层表面上形成高密度且均匀的形核点，客服了宏观缺陷成核法形核密度低且不均匀的缺点。最后一步就是在高密度金刚石形核点上生长金刚石薄膜。

本发明的优点是：采用了导热率最高的金刚石薄膜来作为LED基底的散热层，形成硅上金刚石(DOS)结构，大大提高了散热的效率。同时在散热沉底上直接制作焊接用的金属凸点，减少热量的传输距离。采用ICP等离子体刻蚀或者RIE等方法来刻蚀金刚石表面，利用热化学机械平坦化(TCMP)对金刚石表面进行表面改性及平坦化，改善表面粗糙度，激活表面的价健从而改善金刚石薄膜与金属凸点的粘附性，防止接触界面中间产生气泡等缺陷，形成的良好接触界面能够进一步的降低结热阻，提高散热效率。

(四)附图说明

下面参照附图和具体的实施例来详细描述本发明的散热基底的结构和制造方法。

图1是DOS结构的剖面图，其中：

a)表面未经处理的硅上金刚石(DOS)结构(底层为硅衬底)，

b)表面经过处理的硅上金刚石(DOS)结构(底层为硅衬底)。

图2是DOS结构上金属凸点形成的流程图，其中：

a)DOS结构上沉积一层金属Ti薄膜，

b)以厚光刻胶限定电镀区域，

c)电镀金属凸点，

d)二次以光刻胶定义金属版图，

e)刻蚀Ti制作金属版图。

图3是本发明实施例1的散热基底应用于倒装LED(FC-LED)的结构剖面图。

图4是本发明实施例2的散热基底应用于薄膜倒装LED(thin film flip-chip简称TFFC-LED)的结构剖面图。

(五)具体的实施方式

下面参照图三和图四就本发明的两种实施例进行详细的说明。

实施例1

图3是实施例1使用DOS结构作为散热基底的FC-LED结构剖面图，下面就其制作过程作具体说明。

实施例1中的LED是传统的以蓝宝石为衬底的GaN发光二极管。在蓝宝石衬底上生长外延层，此外延层一般包括三层：上层为n-GaN薄膜、下层为p-GaN薄膜，中间层为LED发光活化层；在外延层的p-GaN上沉积复合金属层作为发光反射层和电极；刻蚀掉部分p型外延层和发光活化层，直到露出n型层，再暴露的n型GaN层上沉积铝基n电极接触；在p型和n型电极上制作供焊接用的金属凸点。

用于倒装LED结构的散热基底由以下几个步骤制作完成：

1)在硅衬底表面上沉积金刚石薄膜形成DOS结构；

2)用等离子体刻蚀技术和热化学机械平坦化对沉积的金刚石薄膜进行表面改性和平坦化；

3)在金刚石薄膜上沉积一层大约为5nm厚的Ti金属层，作为粘附层；

4)在Ti层上利用蒸镀，溅射或电镀的方式沉积Al/Ti/Ag多层金属膜，并根据LED芯片的电极设置制作相对应的p型和n型基底电极，p型基底电极比n型基底电极大；

5)在此多层金属膜上通过光刻掩膜、刻蚀或剥离工艺完成金属凸点的制作。

最后，将制作好的LED结构面朝散热基底倒扣在散热基底上，使LED上的p电极、n电极与散热基底上的p电极、n电极对应接合，然后对接合处加热、加压、超声使得金属凸点可靠连接，最后完成引线键合的制作，这样就形成了一个FC-LED结构的制作。

上述倒装结构中散热基底的金刚石厚度约为100微米，散热基底上的多层金属一般选用散热性能好的金属铝、银或金来制作。这种结构将LED产生的热量直接通过金属凸点导给散热性能非常好的金刚石薄膜，以完成散热，故能显著提高了系统的散热性能。

实施例2

图4是实施例2使用DOS作为散热基底的TFFC-LED结构的剖面图，下面就此结构作具体说明。

薄膜倒装LED结构(TFFC-LED)，就是将薄膜LED与倒装LED结合起来。用准分子激光器将传统的LED衬底蓝宝石移除；在暴露的n型GaN层上用光刻胶技术做表面粗糙化；接着在有粗糙结构的n-GaN上制备了n型电极，通过导线与散热基底上的n型电极键合，最后将垂直结构的LED的p-GaN，连接到散热基底的另外一个电极上。

用于薄膜倒装LED结构的散热基底的制作方法与实施例1中相同。

将制作好的薄膜LED倒装焊接到制作好的散热衬底上。倒装焊接结构将电极直接焊接到散热基底上，LED产生的热量是通过金属凸点直接导给散热基底上的金刚石薄膜，由于采用了高导热率的金刚石薄膜作为散热层。所以能够显著提高这种结构中的散热性能。

Claims (5)

1.一种基于金刚石薄膜的散热基底，其特征在于：包括硅衬底、金刚石薄膜和过渡层，在硅衬底上制备金刚石薄膜具有硅上金刚石(DOS)结构，所述金刚石薄膜表面粗糙度在去除封端顶层和进行表面平坦化处理后为纳米量级并进行表面改性；过渡层为Ti薄膜，其厚度为10nm～50nm，在制备金属凸点之前先沉积于表面改性后的金刚石薄膜上。

2.一种如权利要求1所述基于金刚石薄膜的散热基底的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

1)利用无籽晶生长过渡层的基础，在硅衬底上制备金刚石薄膜，形成硅上金刚石(DOS)结构；

2)对沉积好的金刚石薄膜，首先采用体积比为1∶3的Ar-O₂混合等离子体对表面进行刻蚀处理，去除最后生长的封端顶层金刚石薄膜，再利用超精密薄膜平坦化设备进行表面处理，实现表面粗糙度纳米量级，然后再二次采用Ar等离子体进行表面改性；

3)制备金属凸点之前，采用磁控溅射法沉积一层金属Ti薄膜作为过渡层；

4)采用刻蚀工艺或剥离工艺在过渡层上制作金属凸点。

3.根据权利要求2所述基于金刚石薄膜的散热基底的制作方法，其特征在于：所述制备金刚石薄膜的方法为微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)、热丝化学气象沉积法(HF-CVD)或直流辉光等离子体化学气相沉积法。

4.根据权利要求2所述基于金刚石薄膜的散热基底的制作方法，其特征在于：所述刻蚀工艺为先采用磁控溅射沉积金属薄膜，再光刻-刻蚀形成所需要的版图结构；所述剥离工艺为先光刻曝光，再沉积金属薄膜，最后去胶剥离形成需要的图形结构。

5.根据权利要求2所述基于金刚石薄膜的散热基底的制作方法，其特征在于：所述剥离工艺采用厚胶工艺，采用厚胶工艺制备金属凸点的方法如下：在DOS结构基础上沉积金属Ti薄膜，然后以厚胶限定电镀区域，电镀凸点金属之后，直接进行二次光刻形成所设定的金属版图，在光刻胶的保护下对金属Ti薄膜进行刻蚀，最后去胶形成带凸点的DOS结构LED倒装散热基底；所述凸点金属为由金、银、铝、钛和铜中任意两种或两种以上任意比例的金属组成的复合金属层，同时用来制作与LED发光芯片相对应的基底的P型电极和N型电极。

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