CN102931311B - 一种倒装led芯片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种倒装LED芯片的制作方法包括以下制作步骤：在P型欧姆接触层表面形成光反射层；形成N型电极形成区；形成绝缘介质膜；形成P型电极区和N型电极区；制作形成P型电极和N型电极，其中N型电极为阶梯结构，N型电极的下端穿过所述绝缘介质膜与N型层连接，N型电极的上端向P型电极的位置延伸，并且上端的N型电极与N型电极存在相同高度的或近似高度的共同锡焊面；P型电极和N型电极通过锡焊的方式固定在各自的PCB板上。本发明由于把倒装LED芯片的N型电极与N型电极设置相同高度的或近似高度的共同锡焊面，因而增加了LED芯片倒装工艺的封装良率，避免了电极虚焊或脱焊的情形发生。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED芯片的制作方法，尤其是涉及一种倒装LED芯片的制作方法。
背景技术
在蓝宝石衬底上制作的蓝、绿或紫光LED芯片的发光面为外延材料的生长表面，即P型表面。在LED的封装过程中，都把蓝宝石衬底面直接固定在散热板上。在LED的工作过程中，其发光区是器件发热的根源。由于蓝宝石衬底本身是一种绝缘体材料，且导热性能和GaN材料比较差，所以对这种正装的LED器件其工作电流都有一定的限制，以确保LED的发光效率和工作寿命。为改善器件的散热性能，人们设计了一种LED芯片结构，即倒装结构的LED芯片。
自从提出芯片的倒装设计之后，人们针对其可行性进行了大量的研究和探索。由于LED芯片设计的局限性，封装良率一直很低，原因如下：第一、N型电极区域相对小，很难与PCB板的相应区域对位；第二、N型电极位置比P型电极位置高很多，很容易造成虚焊、脱焊情形；第三、为制作N型电极，往往要人为地去掉很大一部分有源区，这样大大地减少了器件的发光面积，直接影响了LED发光效率。
如图1所示，利用MOCVD、VPE、MBE或LPE技术在衬底1上生长器件（如LED、LD等）结构，从上至下依次分别为衬底30、N型材料层31、发光区32、P型材料层33、P型电极34、P级焊锡层35、PCB板36以及散热板40。其中N型材料层31与散热板40之间还依次连接N型电极37、N级焊锡层38和PCB板39。
该传统的倒装LED芯片存在的技术缺陷如下：
1、在水平方向N型电极37所处位置与P型电极34相距较远，N型电极37对其下方的PCB板27的位置设计有苛刻的要求，影响到封装优良率。
2、N型电极37位置比P型电极34位置高很多，导致其与下方的PCB板39之间的间隙较大，在焊锡时很容易使得N级焊锡层38过长而造成虚焊或脱焊的发生。
3、为了使得N型电极37与其下方的PCB板39可以进行焊接，需要去掉很大一部分发光区，影响到LED芯片的发光效率。
发明内容
本发明设计了一种倒装LED芯片的制作方法，其解决了以下技术问题是：
（1）N型电极区域相对小，很难与PCB板的相应区域对位，会影响到封装效果和LED产品的优良率；
（2）N型电极位置比P型电极位置高很多，很容易造成虚焊、脱焊情形；
（3）为制作N型电极，往往要人为地去掉很大一部分有源区，这样大大地减少了器件的发光面积，直接影响了LED发光效率。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种倒装LED芯片的制作方法，LED芯片从下至上依次为衬底（1）、缓冲层（2）、N型层（3）、N型分别限制层（4）、有源区层（5）、P型分别限制层（6）、P型层（7）以及P型欧姆接触层（8），包括以下制作步骤：
步骤01、在P型欧姆接触层（8）表面形成光反射层（9）；
步骤02、形成N型电极形成区（12）；
步骤03、形成绝缘介质膜（13）；
步骤04、形成P型电极区（17）和N型电极区（18）；
步骤05、制作形成P型电极（21）和N型电极（22），其中N型电极（22）为阶梯结构，N型电极（22）的下端穿过所述绝缘介质膜（13）与所述N型层（3）连接，N型电极（22）的上端向P型电极（21）的位置延伸，并且上端的N型电极（22）与P型电极（21）存在相同高度的或近似高度的共同锡焊面；
步骤06、P型电极（21）和N型电极（22）通过锡焊的方式固定在各自的PCB板上；
步骤07、将所述衬底（1）蚀刻成上凹孔结构（26）和下凹孔结构（27）的组合体；
步骤08、对倒装LED芯片进行封装。
进一步，所述步骤01中光反射层（9）通过蒸镀或溅射方式附着在P型欧姆接触层（8）上。
进一步，所述步骤02中包括以下具体分步骤：
步骤021、在光反射层（9）表面涂敷第一光刻胶层（10）；
步骤022、倒装LED芯片一侧的第一光刻胶层（10）通过曝光或显影方式去除；
步骤023、利用干刻或化学腐蚀的方法，将暴露部分的N型分别限制层（4）、有源区层（5）、P型分别限制层（6）、P型层（7）、P型欧姆接触层（8）、光反射层（9）以及部分的N型层（3）去除并且形成N型电极形成区（12），使得整个倒装LED芯片形成阶梯结构；
步骤024、将倒装LED芯片另一侧剩余的第一光刻胶层（10）全部去除。
进一步，所述步骤03中的绝缘介质膜（13）通过镀膜的方式均匀地覆盖在阶梯结构的倒装LED芯片上表面。
进一步，所述步骤04中包括以下具体分步骤：
步骤041、在绝缘介质膜（13）表面涂敷第二光刻胶层（14）；
步骤042、通过曝光或显影方法，在阶梯结构的倒装LED芯片上下两端部分去除第二光刻胶层（14），并且形成两个绝缘介质膜暴露区（15）；
步骤043、通过干刻或化学腐蚀方法，将两个绝缘介质膜暴露区（15）覆盖的绝缘介质膜（13）去除，形成两个去除绝缘介质膜暴露区（16）；
步骤044、去除绝缘介质膜（13）上的所有剩余第二光刻胶层（14）后，在倒装LED芯片的阶梯上下两端分别形成P型电极区（17）和N型电极区（18）。
进一步，所述步骤05中包括以下具体分步骤：
步骤051、将步骤04得到阶梯结构的倒装LED芯片表面涂敷第三光刻胶层（19）；
步骤052、去除P型电极区（17）和N型电极区（18）上方的第三光刻胶层（19）以及去除P型电极区（17）和N型电极区（18）之间部分的第三光刻胶层（19），保留的部分第三光刻胶层（19）用于将来P型电极和N型电极之间形成隔离；
步骤053、将步骤052得到阶梯结构的倒装LED芯片表面制作一金属合金层（20）；
步骤054、去除步骤052中保留的部分第三光刻胶层（19）及其上方的金属合金层（20），最终形成P型电极（21）和N型电极（22）。
进一步，所述步骤07中P型电极（21）和N型电极（22）通过各自的PCB板与散热板（25）进行固定连接。
进一步，所述第一光刻胶层（10）、第二光刻胶层（14）以及第三光刻胶层（19）的涂布速度在2500-5000转/分，并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间，在烘箱里或铁板表面烘烤，烘烤时间分别为30分钟和2分钟。
进一步，所述绝缘介质膜（10）的厚度在150nm-450nm之间。
进一步，所述衬底（1）的材质为蓝宝石、碳化硅或GaN。
该倒装LED芯片的制作方法与传统的倒装LED芯片的制作方法相比，具有以下有益效果：
（1）本发明由于把倒装LED芯片的N型电极与N型电极设置相同高度的或近似高度的共同锡焊面，使得在锡焊时，两个电极焊锡厚度相同并且可以减少N型电极的焊锡厚度，因而增加了LED芯片倒装工艺的封装良率，避免了电极虚焊或脱焊的情形发生。
（2）本发明由于P型电极的N型电极为阶梯结构，无需去掉很大一部分发光区，因而减少制作N型欧姆接触的面积，增加发光区面积，以提高LED的发光效率。
（3）本发明由于P型电极的N型电极为阶梯结构，与N型电极连接的PCB板位置可以自由进行调整，提高了LED芯片封装结构的优良率。
（4）本发明由于将衬底由上凹孔结构和下凹孔结构组合而成，使得部分全反射光线以散射的形式射出，或者通过多次折射进入临界角射出，从而实现出光效率的提高。
附图说明
图1：传统倒装LED芯片的结构示意图；
图2：本发明中倒装LED裸芯片结构示意图；
图3：本发明中倒装LED裸芯片设置光反射层结构示意图；
图4：本发明方法中步骤021中的LED芯片结构示意图；
图5：本发明方法中步骤022中的LED芯片结构示意图；
图6：本发明方法中步骤023中的LED芯片结构示意图；
图7：本发明方法中步骤024中的LED芯片结构示意图；
图8：本发明方法中步骤03中的LED芯片结构示意图；
图9：本发明方法中步骤041中的LED芯片结构示意图；
图10：本发明方法中步骤042中的LED芯片结构示意图；
图11：本发明方法中步骤043中的LED芯片结构示意图；
图12：本发明方法中步骤044中的LED芯片结构示意图；
图13：本发明方法中步骤051中的LED芯片结构示意图；
图14：本发明方法中步骤052中的LED芯片结构示意图；
图15：本发明方法中步骤053中的LED芯片结构示意图；
图16：本发明方法中步骤054中的LED芯片结构示意图；
图17：本发明方法中步骤06中的LED芯片结构示意图；
图18：本发明LED芯片的结构示意图。
附图标记说明：
1—衬底；2—缓冲层；3—N型层；4—N型分别限制层；5—有源区层；6—P型分别限制层；7—P型层；8—P型欧姆接触层；9—光反射层；10—第一光刻胶层；11—N型电极形成开口；12—N型电极形成区；13—绝缘介质膜；14—第二光刻胶层；15—绝缘介质膜暴露区；16—去除绝缘介质膜暴露区；17—P型电极区；18—N型电极区；19—第三光刻胶层；20—金属合金层；21—P型电极；22—N型电极；23—PCB板；24—PCB板；25—散热板；26—上凹孔结构；27—下凹孔结构；
30—衬底；31—N型材料层；32—发光区；33—P型材料层；34—P型电极；35—P级焊锡层；36—PCB板；37—N型电极；38—N级焊锡层；39—PCB板；40—散热板。
具体实施方式
下面结合图2至图18，对本发明做进一步说明：
如图2所示，衬底1是载体，一般是蓝宝石、碳化硅或GaN等材料。缓冲层2是一个过度层，在此基础上生长高质量的N, P, 量子阱等其它材料。LED由pn结构成，缓冲层2、N型层3层、N型分别限制层4，P型分别限制层6以及P型层7是为了形成制作LED所需的P和N型材料。有源区层5是LED的发光区，光的颜色由有源区的结构决定。P型欧姆接触层8是材料生长的最后一层，这一层的载流子搀杂浓度较高，目的是为制作较小的欧姆接触电阻。P型金属欧姆接触层不是由生长形成的，而是通过蒸镀或溅射等方法形成的，目的之一是制作器件的电极，目的之二是为了封装打线用。
如图3所示，通过蒸镀、溅射或其它薄膜制作方法，在P型欧姆接触层8表面形成一层或多层薄膜（如ITO、银镜、镍金、合金或半金属等），用于制作发光二极管的光反射层9。
如图4所示，在图3结构的表面涂布第一光刻胶层10（正胶或负胶），涂布速度在2500-5000转/分，并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间，在烘箱里或铁板表面烘烤，烘烤时间分别为30分钟和2分钟。
如图5所示，倒装LED芯片一侧的第一光刻胶层10通过曝光或显影方式去除，用于形成N型电极形成区12。
如图6所示，利用干刻或化学腐蚀的方法，将暴露部分的N型分别限制层4、有源区层5、P型分别限制层6、P型层7、P型欧姆接触层8、光反射层9以及部分的N型层3去除并且形成N型电极形成区12，使得整个倒装LED芯片形成阶梯结构。
如图7所示，将倒装LED芯片另一侧剩余的第一光刻胶层10全部去除。
如图8所示，利用PECVD或其它镀膜技术，在图7所示的结构表面制备一层绝缘介质膜13，厚度在100nm-500nm之间。绝缘介质膜13通过镀膜的方式均匀地覆盖在阶梯结构的倒装LED芯片上表面。
如图9所示，在绝缘介质膜13表面涂敷第二光刻胶层14。涂布速度在2500-5000转/分，并对涂布温度控制90摄氏度-100摄氏度之间，在烘箱里或铁板表面烘烤，烘烤时间分别为30分钟和2分钟。
如图10所示，通过曝光或显影方法，在阶梯结构的倒装LED芯片上、下两端部分去除第二光刻胶层14，并且形成两个绝缘介质膜暴露区15，用于制作P型电极区17和N型电极区18。
如图11所示，通过干刻或化学腐蚀方法，将两个绝缘介质膜暴露区15覆盖的绝缘介质膜13去除，形成两个去除绝缘介质膜暴露区16。
如图12所示，去除绝缘介质膜13上的所有剩余第二光刻胶层14后，在倒装LED芯片的阶梯上下两端分别形成P型电极区17和N型电极区18。
如图13所示，将图12中得到阶梯结构的倒装LED芯片表面涂敷第三光刻胶层19。
如图14所示，去除P型电极区17和N型电极区18上方的第三光刻胶层19以及去除P型电极区17和N型电极区18之间部分的第三光刻胶层19，保留的部分第三光刻胶层19用于将来P型电极和N型电极之间形成隔离。
如图15所示，将图14中得到阶梯结构的倒装LED芯片表面制作一金属合金层20；
如图16所示，去除图14中保留的部分第三光刻胶层19及其上方的金属合金层20，最终形成P型电极21和N型电极22。
图17所示，N型电极22为一阶梯结构，N型电极22的下端穿过绝缘介质膜13并且与N型层3连接，N型电极22的上端向P型电极21的位置延伸，并且上端的N型电极22与P型电极21存在相同高度的或近似高度的共同锡焊面。P型电极21和N型电极22通过锡焊的方式固定在各自的PCB板上。并且P型电极21和N型电极22通过各自的PCB板与散热板25进行固定连接。
图18所示，将衬底1蚀刻成上凹孔结构26和下凹孔结构27的组合体。上凹孔结构26的各个凹孔直径大于都下凹孔结构27各个凹孔的直径。本发明由于将衬底由上凹孔结构和下凹孔结构组合而成，使得部分全反射光线以散射的形式射出，或者通过多次折射进入临界角射出，从而实现出光效率的提高。并且上凹孔结构和下凹孔结构还可以增加散热效果。
此时，倒装LED芯片封装完成。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种倒装LED芯片的制作方法，LED芯片从下至上依次为衬底（1）、缓冲层（2）、N型层（3）、N型分别限制层（4）、有源区层（5）、P型分别限制层（6）、P型层（7）以及P型欧姆接触层（8），包括以下制作步骤：
步骤01、在P型欧姆接触层（8）表面形成光反射层（9）；所述步骤01中光反射层（9）通过蒸镀或溅射方式附着在P型欧姆接触层（8）上；
步骤02、形成N型电极形成区（12）；所述步骤02中包括以下具体分步骤：步骤021、在光反射层（9）表面涂敷第一光刻胶层（10）；
步骤022、倒装LED芯片一侧的第一光刻胶层（10）通过曝光或显影方式去除；步骤023、利用干刻或化学腐蚀的方法，将暴露部分的N型分别限制层（4）、有源区层（5）、P型分别限制层（6）、P型层（7）、P型欧姆接触层（8）、光反射层（9）以及部分的N型层（3）去除并且形成N型电极形成区（12），使得整个倒装LED芯片形成阶梯结构；
步骤024、将倒装LED芯片另一侧剩余的第一光刻胶层（10）全部去除；
步骤03、形成绝缘介质膜（13）；所述步骤03中的绝缘介质膜（13）通过镀膜的方式均匀地覆盖在阶梯结构的倒装LED芯片上表面；
步骤04、形成P型电极区（17）和N型电极区（18）；所述步骤04中包括以下具体分步骤：步骤041、在绝缘介质膜（13）表面涂敷第二光刻胶层（14）；步骤042、通过曝光或显影方法，在阶梯结构的倒装LED芯片上、下两端部分去除第二光刻胶层（14），并且形成两个绝缘介质膜暴露区（15）；步骤043、通过干刻或化学腐蚀方法，将两个绝缘介质膜暴露区（15）覆盖的绝缘介质膜（13）去除，形成两个去除绝缘介质膜暴露区（16）；步骤044、去除绝缘介质膜（13）上的剩余所有第二光刻胶层（14）后，在倒装LED芯片的阶梯上下两端分别形成P型电极区（17）和N型电极区（18）；
步骤05、制作形成P型电极（21）和N型电极（22），其中N型电极（22）为阶梯结构，N型电极（22）的下端穿过所述绝缘介质膜（13）与所述N型层（3）连接，N型电极（22）的上端向P型电极（21）的位置延伸，并且上端的N型电极（22）与P型电极（21）存在相同高度的共同锡焊面；所述步骤05中包括以下具体分步骤：
步骤051、将步骤04得到阶梯结构的倒装LED芯片表面涂敷第三光刻胶层（19）；步骤052、去除P型电极区（17）和N型电极区（18）上方的第三光刻胶层（19）以及去除P型电极区（17）和N型电极区（18）之间部分的第三光刻胶层（19），保留的部分第三光刻胶层（19）用于将来P型电极和N型电极之间形成隔离；步骤053、将步骤052得到阶梯结构的倒装LED芯片表面制作一金属合金层（20）；步骤054、去除步骤052中保留的部分第三光刻胶层（19）及其上方的金属合金层（20），最终形成P型电极（21）和N型电极（22）；
步骤06、P型电极（21）和N型电极（22）通过锡焊的方式固定在各自的PCB板上；
步骤07、将所述衬底（1）蚀刻成上凹孔结构（26）和下凹孔结构（27）的组合体；所述步骤07中P型电极（21）和N型电极（22）通过各自的PCB板与散热板（25）进行固定连接；
步骤08、对倒装LED芯片进行封装。
2.根据权利要求1所述倒装LED芯片的制作方法，其特征在于：所述第一光刻胶层（10）、第二光刻胶层（14）以及第三光刻胶层（19）的涂布速度在2500-5000转/分，并把涂布温度控制在90摄氏度-100摄氏度之间，在烘箱里或铁板表面烘烤，烘烤时间分别为30分钟和2分钟。
3.根据权利要求1所述倒装LED芯片的制作方法，其特征在于：所述绝缘介质膜（10）的厚度在150nm-450nm之间。
4.根据权利要求1所述倒装LED芯片的制作方法，其特征在于：所述衬底（1）的材质为蓝宝石、碳化硅或GaN。
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