CN102881799A - 一种高压led芯片及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压发光二极管(LED)芯片及其制作方法。该芯片的结构如下：承载基板的一面布有多个LED单元芯片互联的线路，LED单元芯片通过倒装的方式焊接在该面上；其中，所述的LED单元芯片之间至少有两个是通过所述的承载基板的第一面电极串联连接起来；绝缘衬底的另一面有两个或多个连接电极，两面的线路间通过通孔/金属填充相互连接。本发明还揭示了制造上述芯片的多种工艺方法。

Description

一种高压LED芯片及制作方法

技术领域

本发明揭示新型的具有良好散热性能和高可靠性的高压发光二极管芯片及制作方法，属于半导体电子技术领域。

背景技术

半导体照明是一项新兴技术，它具有绿色环保、节能安全等突出优点，是新一代照明的希望之星。发光二极管(LED)是一种将电能转化为光能的发光器件，广泛用于指示，显示，装饰，照明等诸多领域，并且，随着全球环境问题的日益突出，以及国家节能减排目标的落实，LED凭借其突出的节能环保特性得到了越来越广泛的应用，已拓展到包括车用大灯、LCD背光源等高端应用，近来已经开始进军通用照明市场。

然而，随着LED开始取代传统的白炽灯和荧光灯照明，几个问题体现出来：1)由于照明供电为220V，而普通LED照明芯片的电压为3～4V，因此降压损耗较大；2)由于照明需要功率较大，热量较为集中，LED照明芯片的散热是一个突出的问题；3)芯片加工成本较高。为解决散热问题，一种垂直结构LED芯片被提出，如图1所示。这种垂直结构LED芯片的问题在于互联比较困难，需要打金线，自动打金线设备非常昂贵，手动打金线设备效率非常低，因此生产成本高昂。不仅如此，这种垂直结构芯片不方便在芯片表面进行荧光粉涂覆。为解决低压芯片问题，一种高压LED芯片被提出来，如图2所示。这种高压LED芯片的问题在于芯片间的互联非常的不可靠，同时散热问题也没有得到有效的解决。

因此，需要一种LED芯片，同时解决散热、电极互联及生产成本的问题。

发明内容

本发明揭示几种不同结构的新型的具有高导热，电极互联方便，制造成本很低的高压LED芯片及其制作方法。本发明的高压LED芯片结构如下：绝缘的承载基板的一面有两个以上的电极，用于LED芯片单元之间的互联，并通过通孔/金属填充与另一面的电极相连。所述的另一面的电极与热沉上的两个电极通过键合等方式相连。所述的LED芯片单元与承载基板之间通过晶圆级(Wafer level)倒装键合(Flip-Chip Bonding)的方式相连。本发明所述的高压LED芯片的优势主要在于：1)通过高导热的承载基板解决LED的散热问题；2)通过承载基板上的布线和倒装键合的方式解决LED单元芯片之间的互联问题；3)通过晶圆级的加工解决生产成本问题。本发明还揭示一种制作上述高压LED芯片的工艺。工艺之一的步骤如下：

1)在衬底上生长出LED结构，形成LED晶圆，该衬底包括，但不限于，Al2O3，Si，SiC，GaN，等；LED晶圆上加工出同面电极的LED单元芯片。

2)在承载基板的一面加工出芯片之间的互联电极，其中该互联电极的形状与位置分别与LED单元芯片电极的形状与位置相匹配；在承载基板的另一面加工出与热沉连接的电极，承载基板两面的电极通过通孔/金属填充连接起来；承载基板的电极材料从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，金，银，铜，锡，铝，钨，等，它们的合金，以及它们的组合。

3)将承载基板加工有互联电极的一面与LED晶圆有LED单元芯片电极的一面键合起来，键合方式包括，但不限于，共晶键合，热压键合，植金球键合，等。

4)去除LED晶圆的衬底，其方法包括，但不限于，激光剥离，机械减薄，化学腐蚀，等。

5)将LED晶圆去除衬底的面形成粗化(Roughening)或织构化(Texturing)，其方法包括，但不限于，机械打磨，化学腐蚀，通过光刻或纳米压印图形化后进行等离子刻蚀，等

6)通过光刻和刻蚀的办法将LED单元芯片和高压LED芯片进行隔离。

7)将承载基板以高压LED芯片为单位切割成单个芯片。

附图说明

图1揭示了在先的垂直结构LED芯片结构图；

其中101为n电极，102为n型半导体层，103为p型半导体层，104为p型电极，105为承载基板，106为金线。需要说明的是，n和p是可以互换的。

图2揭示了在先的高压LED芯片结构图；

其中201为LED单元芯片的电极，202为LED单元芯片，203为LED单元芯片隔离沟道填充物，204为LED芯片的衬底，205为互联电极。

图3揭示了本发明的高压LED芯片的第一个具体实施例；

其中301为LED单元芯片，302为LED单元芯片的电极，304为键合金属层，305为承载基板的第一面电极，306为承载基板主体，307为通孔/金属填充，308为承载基板的第二面电极。

图4揭示了本发明的高压LED芯片的封装具体实施例；

其中301为LED单元芯片，302为LED单元芯片的电极，304为键合金属层，305为承载基板的第一面电极，306为承载基板主体，307为通孔/金属填充，308为承载基板的第二面电极，400为整个上述的高压LED芯片，，409为高压LED芯片与封装热沉基板之间的键合金属，410为封装热沉基板上的电路布线，411为封装热沉基板

具体实施例

以下结合附图，对本发明实施例进行进一步说明。需要说明的是，下列各项描述只是说明本发明原理，而不是局限本发明与下列各项具体化实施例的描述。

图1揭示的是在先的垂直结构LED芯片。含有n型半导体层102和p型半导体层103的LED芯片分别镀上导电电极101和反射电极104，然后反射电极104被键合在承载基板105上，导电电极101通过打上金线106与承载基板的另一个电极相连。

图2揭示的是在先的高压LED芯片。首先在衬底204上生长出LED外延层，然后通过光刻和刻蚀的办法在外延层上隔离出LED单元芯片202，随后在单元芯片之间的隔离沟道里填充隔离材料203。由于隔离材料的热胀系数不同，并且填充完以后的平坦化工艺较难实现，因此沟道填充隔离材料203的表面并不平坦。最后在LED单元芯片202和沟道填充隔离材料203上分别镀上电极201和205。由于电极205的厚度不能太厚，加上隔离材料203的热胀系数不匹配和平坦化问题，电极205的可靠性较差。

图3揭示的是本发明的高压LED芯片的一个实施例。该高压LED芯片由以下部分组成：两个以上的LED单元芯片301，承载基板306，其中承载基板306的第一面上有LED单元芯片连接的布线电极305，布线电极305通过键合金属304与LED单元芯片301上的电极302键合在一起。承载基板306的第二面上有与封装热沉基板相连的键合电极308，布线电极305与键合电极308之间通过通孔/填充金属307相连。一种制作本发明中高压LED芯片实施例的工艺流程如下(参考附图3)：

1)在衬底上生长出LED结构，形成LED晶圆，该衬底包括，但不限于，Al2O3，Si，SiC，GaN，ZnO；其中，衬底的表面可以是平整的，也可以是粗化或图形化(Patterned Structure)的。

2)在LED晶圆上加工出同面电极的LED单元芯片301，其中电极材料302从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，镍，钛，钨，金，银，铜，锡，铝，它们的合金，以及它们的组合。

3)在承载基板306的一面加工出芯片之间的互联电极305，其中该互联电极305的形状与位置分别与LED单元芯片301电极302的形状与位置相匹配；在承载基板306的另一面加工出与热沉连接的电极305，承载基板305两面的电极305和308通过通孔/金属填充307连接起来；承载基板306的电极材料从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，金，银，铜，锡，铝，钨，它们的合金，以及它们的组合。

4)将承载基板306加工有互联电极305的一面与LED晶圆有LED单元芯片电极302的一面键合起来，键合方式包括，但不限于，共晶键合(Eutecticbonding)，热压键合(Thermal compressive bonding)，粘连键合(Adhesivebonding)，植金球键合(Gold Stud Bumping)。

5)去除LED晶圆的衬底，其方法包括，但不限于，激光剥离，机械减薄，化学腐蚀。

6)将LED晶圆去除衬底的面形成粗化(Roughening)或织构化(Texturing)，其方法包括，但不限于，机械研磨，化学腐蚀，通过光刻或纳米压印图形化后进行等离子刻蚀。

7)通过光刻和刻蚀的办法将LED单元芯片和高压LED芯片进行隔离。

8)将承载基板以高压LED芯片为单位切割成单个芯片，其中切割方法包括，但不限于，激光切割，刀具切割，线切割，等。

第二种制作本发明中高压LED芯片实施例的工艺流程如下：

1)在衬底上生长出LED结构，形成LED晶圆，该衬底包括，但不限于，Al2O3，Si，SiC，GaN，ZnO；其中，衬底的表面可以是平整的，也可以是粗化或图形化(Patterned Structure)的。

2)在LED晶圆上加工出同面电极的LED单元芯片301，其中电极材料302从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，镍，钛，钨，金，银，铜，锡，铝，它们的合金，以及它们的组合。

3)在承载基板306的一面加工出芯片之间的互联电极305，其中该互联电极305的形状与位置分别与LED单元芯片301电极302的形状与位置相匹配；在承载基板306的另一面加工出与热沉连接的电极305，承载基板305两面的电极305和308通过通孔/金属填充307连接起来；承载基板306的电极材料从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，金，银，铜，锡，铝，钨，它们的合金，以及它们的组合。

4)通过光刻和刻蚀的办法将LED单元芯片301和高压LED芯片进行隔离。

5)将承载基板306加工有互联电极305的一面与LED晶圆有LED单元芯片电极302的一面键合起来，键合方式包括，但不限于，共晶键合(Eutecticbonding)，热压键合(Thermal compressive bonding)，粘连键合(Adhesivebonding)，植金球键合(Gold Stud Bumping)。

6)将LED晶圆的衬底减薄，其方法包括，但不限于，机械研磨，机械抛光，化学腐蚀。

7)将LED晶圆衬底的面形成粗化(Roughening)或织构化(Texturing)，其方法包括，但不限于，机械研磨，化学腐蚀，通过光刻或纳米压印图形化后进行等离子刻蚀。

8)将承载基板以高压LED芯片为单位切割成单个芯片，其中切割方法包括，但不限于，激光切割，刀具切割，线切割。

第三种制作本发明中高压LED芯片实施例的工艺流程如下：

1)在衬底上生长出LED结构，形成LED晶圆，该衬底包括，但不限于，Al2O3，Si，SiC，GaN，ZnO；其中，衬底的表面可以是平整的，也可以是粗化或图形化(Patterned Structure)的。

2)在LED晶圆上加工出同面电极的LED单元芯片301，其中电极材料302从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，镍，钛，钨，金，银，铜，锡，铝，它们的合金，以及它们的组合。

3)在承载基板306的一面加工出芯片之间的互联电极305，其中该互联电极305的形状与位置分别与LED单元芯片301电极302的形状与位置相匹配；在承载基板306的另一面加工出与热沉连接的电极305，承载基板305两面的电极305和308通过通孔/金属填充307连接起来；承载基板306的电极材料从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，金，银，铜，锡，铝，钨，它们的合金，以及它们的组合。

4)通过光刻和刻蚀的办法将LED单元芯片301和高压LED芯片进行隔离。

5)将LED晶圆的衬底减薄，其方法包括，但不限于，机械研磨，机械抛光，化学腐蚀。

6)将承载基板306加工有互联电极305的一面与LED晶圆有LED单元芯片电极302的一面键合起来，键合方式包括，但不限于，共晶键合(Eutecticbonding)，热压键合(Thermal compressive bonding)，粘连键合(Adhesivebonding)，植金球键合(Gold Stud Bumping)。

7)将LED晶圆衬底的面形成粗化(Roughening)或织构化(Texturing)，其方法包括，但不限于，机械研磨，化学腐蚀，通过光刻或纳米压印图形化后进行等离子刻蚀。

8)将承载基板以高压LED芯片为单位切割成单个芯片，其中切割方法包括，但不限于，激光切割，刀具切割，线切割。

图4揭示的是本发明的高压LED芯片用于封装的一个实施例。封装热沉基板411上布有平面导线410，其中封装热沉基板材料从下面一组材料中选出，该组材料包括，铝基板，铝合金基板，铜基板，Al2O3基板，AlN基板。高压LED芯片400通过键合电极308与封装热沉基板411上的平面导线410通过键合金属409键合在一起，其中键合方法包括，共晶键合(Eutectic bonding)，热压键合(Thermalcompressive bonding)，粘连键合(Adhesive bonding)，植金球键合(Gold StudBumping)。

Claims (9)

1.一种高压LED芯片，包括：

两个及以上数量的LED单元芯片；其中，所述的LED单元芯片的两个电极在同一表面上；

安装所述LED单元芯片的承载基板；其中，所述的承载基板的第一面具有两个以上的电极，各电极之间相互绝缘；其中，所述的承载基板的第二面具有两个电极，所述的两个电极之间相互绝缘；其中所述的承载基板第二面的电极与第一面中的部分电极通过通孔/金属填充互相连接；

所述的LED单元芯片电极分别与所述的承载基板第一面上的电极键合；其中，所述的LED单元芯片之间至少有两个是通过所述的承载基板的第一面电极串联连接起来。

2.权利要求1的高压LED芯片，其中，所述的LED单元芯片之间的相互连接为全部串联，或者部分串联和部分并联。

3.权利要求1的高压LED芯片，其中，所述的LED单元芯片包含原始生长衬底，其中，所述的原始生长衬底包括Al2O3，SiC，Si，GaN，ZnO；或者，所述的LED单元芯片包含去除原始生长衬底后的薄膜晶片。

4.权利要求1的高压LED芯片，其中，所述的承载基板的材料包括AlN，Al2O3，Si，所述材料的单晶、多晶、陶瓷材料，带绝缘包层的金属片。

5.权利要求1的高压LED芯片，其中，连接承载基板两面电极的所述的通孔/金属填充的数量是一个或多个；其中，所述的通孔/金属填充的截面积具有平方微米到平方毫米量级。

6.权利要求1的高压LED芯片，其中，所述的承载基板上的电极材料从一组材料中选出，该组材料包括：铜，银，金，铝，锡，包括它们的合金，以及它们的组合。

7.权利要求1的高压LED芯片，其中所述的通孔/金属填充的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于：铜，铝，金，银，钨，锡，包括它们的合金，以及它们的组合。

8.一种高压LED芯片的制造方法，包括：

在LED晶圆上加工出所述的LED芯片单元；

在所述承载基板的第一面上形成所述LED芯片单元之间的互联线路，在所述承载基板的第二面形成电极，并通过通孔/金属填充将它们电连接起来；

通过晶圆键合的方式键合所述的LED晶圆和所述的承载基板；

去除所述LED晶圆的原始衬底，其中去除方法包括，但不限于，化学腐蚀、机械减薄、激光剥离，等；

切割所述的承载基板为单个的高压LED芯片。

9.一种高压LED芯片的制造方法，包括：

在LED晶圆上加工出所述的LED芯片单元；

在所述承载基板的第一面上形成所述LED芯片单元之间的互联线路，在所述承载基板的第二面形成电极，并通过通孔/金属填充将它们电连接起来；

通过晶圆键合的方式键合所述的LED晶圆和所述的承载基板；

切割所述的承载基板为单个的高压LED芯片。

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