CN102479913A

CN102479913A - 一种高效高压垂直通孔键合式led芯片及其制作方法

Info

Publication number: CN102479913A
Application number: CN2010105661055A
Authority: CN
Inventors: 钟伟荣; 蔡凤萍; 李刚
Original assignee: SHANGHAI LANBAO PHOTOELECTRIC MATERIALS CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI LANBAO PHOTOELECTRIC MATERIALS CO Ltd
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-05-30

Abstract

本发明提供一种制作高效高压垂直通孔键合式LED芯片的结构和方法，该结构包含至少一芯片和一底板，所述芯片包括衬底和生长在一衬底表面的发光外延层，所述衬底具有第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；在所述衬底的第二表面形成一反射层，在该衬底第二表面形成的反射层上晶圆键合一散热性良好的底板；以及在所述第一表面上形成发光外延层，其中从所述发光外延层发射的光包括远离所述衬底方向传播的光以及向着所述衬底方向传播的光，向着所述衬底方向传播的光至少部分地透过所述衬底后被所述反射层反射。该发光外延层至少一个电极透过通孔和底板相连接。本发明还提供由该方法制作的高效高压垂直通孔键合式LED芯片。

Description

一种高效高压垂直通孔键合式LED芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及制作高效高压垂直通孔键合式LED芯片，以及制作该高效高压垂直通孔键合式LED芯片的结构。

背景技术

相比较传统的直流LED照明产品，高压LED产品不需要变压器件，不但节约了成本，且性能更稳定、电流密度更为均匀、发光效率也更高。发光效率提升与器件成本降低并重是LED核心技术发展的趋势。目前，外延芯片技术的提升使其成本比例迅速下降，但分立式芯片后端工艺和传统封装工艺成为成本瓶颈。另外，当LED器件效率＞100lm/W时，还面临着大尺寸LED芯片出光效率，封装散热问题。传统LED封装问题，如成本、结构，随着通用照明对LED光源设计、多功能使用提出更高要求，模组光源、具系统功能光源的需求迅速增加。大功率、集成化是LED芯片和光源发展的一种趋势。。

自1990年代LED白光被发现之后，它的发光效率快速增加，2010年突破100lm/W。它不需暖灯时间、反应速度快、体积小、用电量省、污染低、适合量产、可靠度高、且适用范围广，如交通号志、大型显示器或背光源、手机背光源、路灯照明等。LED也有其缺点需克服，输入LED的能量，大约20％会转换成光源，剩下80％都转成热能，产生热是很严重的问题，首先，温度升高时，发光强度会下降，而且寿命也会跟著下降。温度升高也会导致放射波长改变，产生色差，且伴随量子转换效率降低，导致发光强度就会下降，并且材料会膨胀，产品可靠性就会降低，使用年限也会降低。因此，散热是亟需解决的问题。

现在在照明方面，白光是最主要光源，比较4种主要光源，白炽灯泡、萤光灯管、卤素灯、LED能量分布，白炽灯泡大量以红外光的方式放射，所以在旁边可以感受到高温高热，但热不会在灯具本身，发光效率很低。萤光灯发光效率到达不错的境界，热能也均匀分布。LED的发光效率在20％左右，但本身发出的热能在80％左右，可以看出LED热能问题极待解决。

散热基本上有3种方式，一是传导式散热，二是对流式散热，三是辐射式散热。散热最主要问题点就在面积；而因辐射散热量非常小，所以最主要要讨论的散热方式在传导和对流两方面。

热模式奥姆定理ΔT＝QR，温差＝热流x热阻，热阻愈大，就有愈大的热产生在元件内。热阻之后来看热传递，热传递有垂直和水平方向，垂直方向相当于串连方式，串愈多热阻愈大，厚度相对要愈低。水平传递是并连方式，并连热阻数愈多，产生效果愈好。

降低LED热累积的方式有三种，一为改善发光效率，在芯片制作阶段，改善20％发光80％发热的能量配置，二为蓝宝石移除的垂直式LED，，三为封装基板采用高导热材料，和热膨胀系数匹配的材料，并且降低整个散热基板总热阻方式。

传统LED封装使用打线方式，但相对于金属，蓝宝石传热相当慢，所以热源会从金属线传导，但散热效果不佳。目前LED芯片端最新的散热技术为蓝宝石移除的垂直式LED，移除蓝宝石后的LED转贴至导热极佳的硅或金属基板上，大大增加散热性。但垂直式LED相较於传统水平式LED工艺繁琐，且移除蓝宝石后的LED芯片和转贴后的基板之间的热膨胀系数差异和附著性，对将来高功率LED长期使用是一个隐患。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术中的上述散热问题，提供一种高效高压垂直通孔键合式LED芯片，以及制作该高效高压垂直通孔键合式LED芯片的结构，其主要将LED芯片以晶圆键合方式形成一高散热底板，从而在芯片端改善热传和散热问题，该发光外延层的至少一个电极透过通孔和底板相连接。通孔金属除让电性导通外，同时可成为一种热通道，帮助LED芯片在大功率操作下散热。

发明的一个方面，提供一种制作高效高压垂直通孔键合式LED芯片的结构和方法，该结构包含至少一芯片和一底板，所述芯片包括衬底和生长在一衬底表面的发光外延层；所述衬底具有第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；在所述衬底的第二表面形成一反射层，在该衬底第二表面形成的反射层上晶圆键合一散热性良好的底板；以及在所述第一表面上形成发光外延层，其中从所述发光外延层发射的光包括远离所述衬底方向传播的光以及向着所述衬底方向传播的光，向着所述衬底方向传播的光至少部分地透过所述衬底后被所述反射层反射。

根据本发明的另一个方面，该发光外延层的至少一个电极透过通孔和底板相连接。通孔金属可使芯片垂直上下各成正负极，减少封装打线数量，增加出光面积和效率；通孔金属或合金含反射与不反射二种，反射型通孔金属可避免光的吸收，有效增加出光。该发光外延层可以制作成单一LED管芯与数个LED管芯使其串联、并联或串并联成可承受高电压(交/直流)电源的芯片。

采用本发明提供的制作LED芯片的结构，可以使得依该结构制得的LED芯片中，在取光方向的电极面积减少，减少封装打线数量，增加出光面积和效率；且发光外延层发射的向着衬底方向传播并从衬底背面出射的光被直接地、牢固地附着在衬底背面的反射层反射为从衬底正面出射，借此能够有效地利用上述向着衬底方向传播的光，提高LED芯片的整体出光效率。更重要地，在此反射层之后，以高压晶圆键合方式形成的高散热底板，通孔金属除让电性导通外，同时可成为一种热通道，帮助LED芯片在大功率操作下散热，从而增加LED的发光效率和延长使用寿命。

附图说明

结合在说明书中并构成说明书一部分的附图用于说明本发明的具体实施方式，并与上述总体说明和下述实施方式的详细说明一起对本发明的原理进行说明。

图1是显示根据本发明的第一实施例的LED芯片的衬底与其第一表面上形成发光外延层后的结构示意图；

图2是显示对根据本发明的第一实施例的LED芯片完成数个独立管芯后的结构示意图；

图3是显示对根据本发明的第一实施例的LED芯片的衬底第二表面上形成反射层后的结构示意图；

图4是显示在如图3所示的反射层后，以高压晶圆键合的方式形成高散热底板后的结构示意图；

图5是显示对根据本发明的第一实施例的LED芯片，使其部份电极欲和底板接合的地方曝露出来后的结构示意图；。

图6是显示对根据本发明的第一实施例的LED芯片，电极完成且部份电极透过通孔和底板连接的结构示意图。

图7是显示对根据本发明的第一实施例的LED芯片，剖面侧视和正视示意图。

图8是显示对根据本发明的第二实施例的LED芯片，剖面侧视和正视示意图。

图9是显示对根据本发明的第三实施例的LED芯片示意图。

具体实施方式

下面将参照附图说明本发明的具体实施例。

根据本发明的第一实施例制作LED芯片的结构包括以下步骤：

图1是显示根据本发明的第一实施例的LED芯片的衬底1与其第一表面11上形成发光外延层2，该发光外延层是本领域技术人员熟知的用于LED的发光结构，例如IIIV族化合物半导体发光结构等。其所发射的光包括远离该衬底方向传播的光以及向着该衬底1方向传播的光，并且向着衬底方向传播的光至少部分地透过衬底1。

图2是显示对根据本发明的第一实施例的LED芯片，利用熟知的半导体工艺技术，制作成数个独立LED管芯於衬底1上。

图3是显示对根据本发明的第一实施例的LED芯片的衬底第二表面12上形成反射层3。反射层3可以是金属层或合金层，单层或多层，全反射膜(DBR)，DBR加金属层或合金层。

图4显示在如图3所示的反射层3后，以高压晶圆键合的方式形成高散热底板4；此晶圆键合的方式是在真空小於一个大气压的环境下，以高压的方式配合适当的温度＜350℃，将一散热性良好的底板4形成於反射层3上。此散热性良好的底板4是可以是导电导热材料与导电不导热材料，如钼，铝，镍，铜，铜钨，硅等。该散热性良好的底板4厚度在50um～200um。衬底1第二表面12上形成的反射层3与底板4连接可以直接键合或通过键合层键合或通过粘接层粘接，材料可以是金属材料，合金材料，非金属材料，有机材料，可以是单层结构，多层结构。

图5是显示对根据本发明的第一实施例的LED芯片，利用激光穿孔与腐蚀的方式，使其部份电极欲和底板接合的地方曝露出来。

图6是显示对根据本发明的第一实施例的LED芯片，利用熟知的半导体工艺技术，完成电极5，6制作，使各独立LED管芯得以串联、并联或串并联成可承受高电压(交/直流)电源的芯片。且部份电极6透过通孔可使芯片垂直上下各成正负极，减少封装打线数量，增加出光面积和效率；通孔金属或合金含反射与不反射二种，反射型可充份收集侧光回到芯片中来。

图7是显示对根据本发明的第一实施例的LED芯片，完成所有工艺后的剖面侧视和正视示意图。

下面说明根据本发明的第二实施例。如图8，和第一实施例的LED芯片的差异，本发明的第二实施例在於形成单一LED管芯於衬底1上，透过较多数量的通孔金属，使在低电压大功率LED应用上相较於传统结构获得较佳的散热效果和发光效率。

下面说明根据本发明的第三实施例。如图9，本发明的第三实施例是将衬底1研磨抛光至某一厚度后，在衬底1的第二表面12上制作图形化结构，后续工艺和本发明的第一实施例相同。

其他的优点和变型对本领域技术人员来说是容易想到的。因此，本发明就广泛的方面而言，并不局限于这里显示和描述的具体细节和典型实施例。在不脱离所附的权利要求及其等同概念所定义的总的发明构思的宗旨和范围的情况下，可进行各种变形。

Claims

1.一种制作高效高压垂直通孔键合式LED芯片，其特征在于：

所述结构包括至少一芯片和一底板，所述芯片包括衬底和生长在一衬底表面的发光外延层，所述衬底具有第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；在所述衬底的第二表面形成一反射层，在该衬底第二表面形成的反射层上晶圆键合一散热性良好的底板；以及在所述第一表面上形成发光外延层，其中从所述发光外延层发射的光包括远离所述衬底方向传播的光以及向着所述衬底方向传播的光，向着所述衬底方向传播的光至少部分地透过所述衬底后被所述反射层反射。该发光外延层至少一个电极透过通孔和底板相连接。本发明还提供由该方法制作的高效高压垂直通孔键合式LED芯片。

2.如权利要求1所述的制作高效高压垂直通孔键合式LED芯片，其特征在于：

所述衬底，可以是透明与不透明，导电与不导电、如硅、碳化硅、氧化铝等。

3.如权利要求1所述的制作高效高压垂直通孔键合式LED芯片，其特征在于：

所述衬底的第一表面和第二表面，可以是平面、图形，或纳米结构、光子晶体等。

所述衬底的第二表面，可以是抛光与不抛光。

4.如权利要求1所述的制作高效高压垂直通孔键合式LED芯片，其特征在于：

所述底板，可以是导电导热与导电不导热，如钼、铝、镍、铜、铜钨、硅等。

5.如权利要求1所述的制作高效高压垂直通孔键合式LED芯片，其特征在于：

在衬底第二表面与底板之间，或衬底第二表面与键合层，或衬底第二表面与粘接层之间设置至少有一反射层，反射层可以是金属层或合金层、单层或多层、全反射膜(DBR)、DBR加金属层或合金层。

6.如权利要求1所述的制作高效高压垂直通孔键合式LED芯片，其特征在于：

衬底第二表面上形成的反射层与底板连接可以直接键合或通过键合层键合或通过粘接层粘接，材料可以是金属材料、合金材料、非金属材料、有机材料，可以是单层结构、多层结构。

7.如权利要求1所述的制作高效高压垂直通孔键合式LED芯片，其特征在于：

该发光外延层的至少一个电极透过通孔和底板相连接。通孔金属可使芯片垂直上下各成正负极，减少封装打线数量，增加出光面积和效率；通孔金属或合金含反射与不反射二种，反射型通孔金属可避免光的吸收，有效增加出光。通孔金属除让电性导通外，同时可成为一种热通道，帮助LED芯片在大功率操作下散热。

8.如权利要求1所述的制作高效高压垂直通孔键合式LED芯片，其特征在于：

该发光外延层可以制作成单一LED管芯与数个LED管芯使其串联、并联或串并联成可承受高电压(交/直流)电源的芯片。