CN102709425A - 一种具有金字塔阵列结构的led芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有金字塔阵列结构的LED芯片及其制造方法。一种具有金字塔阵列结构的LED芯片包括具有外延层的透明衬底、所述透明衬底顶部表面为金字塔阵列结构，透明衬底的底部为外延层，外延层的底部为芯片电极的正、负极，所述金字塔阵列结构由“V”字形沟槽阵列相互交错构成。本发明的芯片具有较大的比表面积，可大大增加汽化核心，有利于蒸发沸腾的过程中的汽化过程，使其具有优良的沸腾强化换热能力，其加工效率大大增高，加工工艺简单，成本低廉。

Description

一种具有金字塔阵列结构的LED芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及LED芯片领域，特别涉及一种具有金字塔阵列结构的LED芯片及其制造方法。

背景技术

当前，发光二极管（LED）因具有体积小、发光效率高，可靠性高，寿命长等优点已在照明等领域中获得了广泛应用。传统的LED芯片结构会使芯片的出光效率降低，能量损失加大，导致器件内积聚大量的热量，加速器件老化缩短器件的使用寿命。此外，传统垂直式或水平式芯片结构采用银浆或胶浆固晶，需另外用金相将电极引出，生产效率的，质量不稳定。为此，国内外研发人员采用共晶工艺得倒装芯片工艺去提高发光二极管的出光效率，减少能量损失。但是芯片的表面强化出光结构单一，导致LED芯片出光效率还是不高。表面强化出光结构在LED芯片强化出光方面的应用十分重要，但是目前实现的手段相对单一，微结构的加工主要依赖于光化学等腐蚀加工技术，却有受加工材料限制、加工效率低、环境污染、成本较高等问题。例如，热平版印刷术用于LCD、LED导光板的微结构加工，加工尺度可以达到数十纳米，但加工对象的选择具有局限性。激光束加工可以加工出深宽比较大的空间微结构，但无法加工发光或透明的材料，形状精度控制较困难。此外，利用AFM原子力技术可以在单晶硅表面上沿结晶面加工出深度为1 nm、宽度为28 nm的沟槽，但加工尺度范围有限，加工周期长。采用电子束（EB）在石英玻璃界面上能够加工出纳米级的圆锥阵列，但当加工尺度到亚微米级时，其形状精度无法控制。

发明内容

本发明的目的之一在于针对当前LED芯片出光效率不高，芯片表面强化出光结构单一的不足，提出一种具有金字塔阵列结构的LED芯片。此种芯片结构可具有更高的出光效率，稳定可靠，使用寿命长。

本发明的另一目的在于提出一种具有金字塔阵列结构的LED芯片的制造方法。此加工工艺简单高效，成本低廉，环保节能。此外，此制造方法精度高，容易控制，产品良品率高。

本发明采用的技术方案：

一种具有金字塔阵列结构的LED芯片，包括具有外延层的透明衬底、所述透明衬底顶部表面为金字塔阵列结构，透明衬底的底部为外延层，外延层的底部为芯片电极的正、负极，所述金字塔阵列结构由“V”字形沟槽阵列相互交错构成。

所述“V”字形沟槽的两边夹角为60°-100°，“V”字形沟槽深度为50-100um，两“V”字形沟槽间距为1-1.5倍槽宽。

所述“V”字形沟槽阵列相互交错的夹角为60°-120°。

所述透明衬底的厚度大于等于150um，透明衬底的材料为蓝宝石或碳化硅。

一种具有金字塔阵列结构的LED芯片的制造方法，所述金字塔阵列结构的制造方法包括如下步骤：

（1）将待加工的LED芯片固定在基板上；

（2）将固定好的基板安装在磨床上，进行校平调整后，采用“V”字形尖端的金刚石砂轮加工“V”字形沟槽阵列；

所述“V”字形沟槽阵列的加工，具体方法为：

开动磨床，利用显微镜进行金刚石砂轮与被加工表面的对刀；

在透明衬底顶部表面磨削出第一方向的“V”字形沟槽阵列，所述第一方向为垂直于透明衬底一个侧面的方向；然后将基板旋转角度θ，重复校平调整后，磨削出第二方向的“V”字形沟槽阵列；再将基板旋转角度θ，重复校平调整后，在透明衬底顶部表面磨削出第三方向的“V”字形沟槽阵列；重复上述方法，直到“V”字形沟槽阵列均匀分布在透明衬底顶部表面；

所述加工过程中加入冷冻液；

（3）对“V”字形沟槽阵列进行清洗及烘干处理，得到金字塔阵列结构。

所述金刚石砂轮的粒度为SD400或SD600，“V”字形尖端半径小于20um，“V”字形两边夹角60°-100。

所述清洗采用丙酮或酒精溶液。

所述“V”字形沟槽阵列相互交错夹角即基板旋转角度θ为60°-120°。

 

本发明的有益效果：

（1）本发明提出的具有金字塔阵列强化出光结构的LED芯片能有效减少光线在芯片内部因全反射而造成的吸收，可使大量光线射出，从而提升出光效率；

（2）相比光刻，化学腐蚀等工艺，本发明的制造方法不会产生有毒害的腐蚀液，环保安全。

（3）本发明的制造方法无需对芯片衬底进行减薄操作，工艺简洁，设备简单，成本低廉，生产效率高。

附图说明

图1是本发明一种具有金字塔阵列结构的LED芯片的轴测图；

图2是本发明的金刚石砂轮截面图；

图3（a）是本发明中“V”字形沟槽阵列相互交错夹角为θ=90°；

（b）是“V”字形沟槽阵列夹角为θ=90的芯片表面俯视图；

图4（a）是本发明中“V”字形沟槽阵列相互交错夹角为θ=120°；

（b）是“V”字形沟槽阵列相互交错夹角为θ=120°的芯片表面俯视图；

图5（a）是本发明中“V”字形沟槽阵列相互交错夹角为θ=60°；

（b）“V”字形沟槽阵列相互交错夹角为θ=60°的芯片表面俯视图；

图6是本发明的加工示意图。

图中示出：

1--正极、2--负极、3--外延层、4--透明衬底、5--金刚石砂轮。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明采用AMART-B818数控磨床加工，采用如图2所示的金刚石砂轮5磨削“V”字形沟槽，其中α是金刚石砂轮5尖端两侧面的夹角，θ是基板旋转的角度，即“V”字形沟槽阵列相互交错夹角。

如图1所示，一种具有金字塔阵列结构的LED芯片，包括具有外延层3的透明衬底4、所述透明衬底4顶部表面为金字塔阵列结构，透明衬底4的底部为外延层3，外延层3的底部为芯片电极的正极1、芯片电极的负极2，所述金字塔阵列结构由“V”字形沟槽阵列相互交错构成。

所述“V”字形沟槽的两边夹角为60°-100°，图中所示为60°，“V”字形沟槽深度为50-100um，图1中所示为沟槽深度为50um，间距为60um，两“V”字形沟槽间距为1-1.5倍槽宽。

所述“V”字形沟槽阵列相互交错的夹角为60°-120°，图1中所示为90°。

所述透明衬底4的厚度大于等于150um，透明衬底4的材料为蓝宝石或碳化硅。

实施例1：

一种具有金字塔阵列结构的LED芯片的制造方法，所述金字塔阵列结构的制造方法包括如下步骤：

（1）固晶，将分好档的待加工的LED芯片进行表面质量检查，剔除有缺陷的芯片，所选用的透明衬底4为150um，透明衬底4材料为蓝宝石的LED芯片。将待加工芯片利用共晶工艺的相关工序固定在基板上，如图6所示。

（2）基板安装与校平，将固晶好的基板安装在AMART-B818数控磨床上，利用百分表进行校平调整。机床上选用粒度为SD400的“V”形尖端的金刚石砂轮5，“V”形两边夹角为α=60°，尖端半径16um。

（3）“V”字形沟槽阵列加工，

开动机床，利用显微镜进行砂轮与被加工表面的对刀；在透明衬底4表面垂直于透明衬底4一个侧面的方向磨削出第一个方向的“V”字形沟槽阵列，沟槽深度为50um，间距为60um；将基板旋转θ=90°如图3（a）所示，重复第二步的校平步骤，完成后沿垂直第一个方向“V”字形沟槽阵列的方向磨削出第二个方向的“V”字形沟槽阵列，沟槽深度为50um，间距为60um，加工过程需加开冷却液；

多次重复上述方法，直到“V”字形沟槽阵列均匀分布在透明衬底4顶部表面。

（4）对加工好的“V”字形沟槽阵列结构的LED芯片强化出光结构进行检查，在超声波容器中用酒精清洗10分钟，清洗好后进行烘干处理得到一种具有金字塔阵列结构的LED芯片如图3（b）所示。

实施例2：

一种具有金字塔阵列结构的LED芯片的制造方法，所述金字塔阵列结构的制造方法包括如下步骤：

（1）固晶，将分好档的待加工的LED芯片进行表面质量检查，剔除有缺陷的芯片。将待加工芯片利用共晶工艺固定在基板上，如图6所示。所选用的透明衬底4为250um，透明衬底4材料为碳化硅。

（2）基板安装与校平，将固好晶圆的夹具安装在AMART-B818数控磨床上，利用百分表进行校平调整。机床上选用粒度为SD600的“V”形尖端的金刚石砂轮5，“V”形两边夹角为α=90°，尖端半径19um。

（3）“V”字形沟槽阵列加工。

开动机床，利用显微镜进行砂轮与被加工表面的对刀；在透明衬底4顶部磨削出第一个方向的“V”字形沟槽阵列，所述第一方向垂直于透明衬底一个侧面，沟槽深度为80um，间距为100um；将基板旋转θ=60°如图5（a）所示，重复第二步的校平步骤，完成后沿与第一个方向“V”字形沟槽阵列成60°的方向磨削出第二个方向的“V”字形沟槽阵列，将基板旋转60°，重复第二步的校平步骤，完成后沿与第二方向“V”字形沟槽阵列成60°的方向磨削出第三个方向，

多次重复上述加工方法，直到“V”字形沟槽阵列均匀分布在透明衬底顶部表面。

所述加工过程需加开冷却液。

（4），对加工好的“V”字形沟槽阵列的LED芯片强化出光结构进行检查，在超声波容器中用丙酮溶液清洗15分钟，清洗好后进行烘干处理得到具有金字塔阵列结构的LED芯片如图5（b）所示。

实施例3：

一种具有金字塔阵列结构的LED芯片的制造方法，所述金字塔阵列结构的制造方法包括如下步骤：

（1）固晶。将分好档的待加工的LED芯片进行表面质量检查，剔除有缺陷的芯片。将待加工芯片利用共晶工艺固定在基板上，如图6所示。所选用的透明衬底4为200um，透明衬底4材料为蓝宝石。

（2）基板安装与校平。将固晶好的基板安装在AMART-B818数控磨床上，利用百分表进行校平调整。机床上选用粒度为SD400的“V”形尖端的金刚石砂轮5，“V”形两边夹角为α=100°，尖端半径10um。

（3）“V”字形沟槽阵列加工。

开动机床，利用显微镜进行砂轮与被加工表面的对刀；在透明衬底4顶部磨削出第一个方向的“V”字形沟槽阵列，沟槽深度为100um，间距为60um，所述第一个方向垂直于透明衬底的一个侧面；将基板旋转θ=120°如图4（a）所示，重复第二步的校平步骤，完成后磨削出第二个方向的“V”字形沟槽阵列，沟槽深度为100um，间距为115um；再将基板旋转θ=120°，重复校平步骤，完成第三个方向的“V”字形沟槽阵列磨削，沟槽深度为100um，间距为60um，重复上述加工步骤，直到 “V”字形沟槽阵列均匀分布在透明衬底顶部表面；

加工过程需加开冷却液。

（4）对加工好的“V”字形沟槽阵列的LED芯片强化出光结构进行检查，在超声波容器中用丙酮溶液清洗20分钟，清洗好后进行烘干处理得到具有金字塔阵列结构的LED芯片如图4（b）所示。

该方法所制备的LED芯片表面强化出光结构具有金字塔状阵列，该结构能有效减少光线在芯片内部因全反射所造成的吸收，可使大量光线射出，从而提升出光效率，同时加工方法无污染，工艺简单，成本低，效率高。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有金字塔阵列结构的LED芯片，其特征在于，包括具有外延层的透明衬底、所述透明衬底顶部表面为金字塔阵列结构，透明衬底的底部为外延层，外延层的底部为芯片电极的正、负极，所述金字塔阵列结构由“V”字形沟槽阵列相互交错构成。

2.根据权利要求1所述的一种具有金字塔阵列结构的LED芯片，其特征在于，所述“V”字形沟槽的两边夹角为60°-100°，“V”字形沟槽深度为50-100um，两“V”字形沟槽间距为1-1.5倍槽宽。

3.根据权利要求2所述的一种具有金字塔阵列结构的LED芯片，其特征在于，所述“V”字形沟槽阵列相互交错的夹角为60°-120°。

4.根据权利要求3所述的一种具有金字塔阵列结构的LED芯片，其特征在于，所述透明衬底的厚度大于等于150um，透明衬底的材料为蓝宝石或碳化硅。

5.权利要求1-4之一所述的一种具有金字塔阵列结构的LED芯片的制造方法，其特征在于，所述金字塔阵列结构的制造方法包括如下步骤：

（1）将待加工的LED芯片固定在基板上；

（2）将固定好的基板安装在磨床上，进行校平调整后，采用“V”字形尖端的金刚石砂轮加工“V”字形沟槽阵列；

所述“V”字形沟槽阵列的加工，具体方法为：

开动磨床，利用显微镜进行金刚石砂轮与被加工表面的对刀；

在透明衬底顶部表面磨削出第一方向的“V”字形沟槽阵列，所述第一方向为垂直于透明衬底一个侧面的方向；然后将基板旋转角度θ，重复校平调整后，磨削出第二方向的“V”字形沟槽阵列；再将基板旋转角度θ，重复校平调整后，在透明衬底顶部表面磨削出第三方向的“V”字形沟槽阵列；重复上述方法，直到“V”字形沟槽阵列均匀分布在透明衬底顶部表面；

所述加工过程中加入冷冻液；

（3）对“V”字形沟槽阵列进行清洗及烘干处理，得到金字塔阵列结构。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述金刚石砂轮的粒度为SD400或SD600，“V”字形尖端半径小于20um，“V”字形两边夹角60°-100。

7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述清洗采用丙酮或酒精溶液。

8.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述基板旋转角度θ为60°-120°。

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