CN102971877A - 用于倒装芯片led的基于硅树脂的反射底部填充和热耦合器 - Google Patents
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Abstract
在一个实施例中，倒装芯片LED通过从其n层和p层的底部表面延伸的高密度金柱而形成。金柱结合至底座电极。然后将底部填充材料模制以填充LED的底部和所述底座之间的空隙。所述底部填充包括硅树脂模塑料基本成分和按重量大约70%-80%的氧化铝（或其它合适的材料）。氧化铝具有比大多数为硅石的通常的硅树脂底部填充的热导率好的是其大约25倍的热导率。氧化铝是白色粉末。底部填充也可以包含按重量大约5%-10%的TiO2以增大反射率。LED光由反射的底部填充向上反射，并且底部填充高效地将热量传导至底座。底部填充还使光散射随机化，改善了光提取。分布的金柱和底部填充在生长衬底剥离工艺期间支撑LED层。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管（LED），具体地，涉及在LED和安装表面之间提供反射且热传导的底部填充。
背景技术
LED通常安装在底座晶片上，该底座晶片稍后被切割以分离出各个LED/底座（submount）。晶片的每个底座部分具有诸如通过超声结合而结合至LED上的电极的顶部电极。然后在LED下面注入诸如环氧树脂或硅树脂（silicone）之类的底部填充材料以提供机械支撑并且保护LED免于污染。
底座也具有通过金属图案电连接至LED电极的一组更加鲁棒的电极，其通常使用传统的焊料回流或其它手段（在将底座晶片切割之后）结合至印刷电路板。
已知的是，在LED的底部表面上提供大反射金属电极（如，银），从而由LED有源层向下发出的光被向上反射而不是由底座吸收。形成这种反射金属电极可能是复杂的。半导体表面的准备、银镜的淀积和图案化以及利用保护片（guard sheet）的封装（用于防止金属混杂或污染）可能是必须密切受到监控的非常复杂和精细的工艺。
LED可能产生大量的热量，并且热量可传导通过底座并且进入散热器。大多热量可通过LED金属电极传导至底座。硅树脂和环氧树脂底部填充材料是差的热导体。
所需要的是从底座的表面向上反射光并且增加来自LED的热量的去除的更好方式。
发明内容
在此描述的技术用于利用在LED和底座之间提供了良好热导率的反射底部填充形成倒装芯片LED。
为了形成LED自身，在生长衬底上生长传统的基于GaN的层（包括AlInGaN、InGaN等）或AlInGaP层。
然后，对于顶部p层不是非常传导性的基于GaN的LED，可以在p层的顶部表面上淀积例如ITO、AZO、ZnO、MZO、GZO、AMZO、ZIO或GMZO的透明导电氧化物（TCO）层以帮助扩展电流。也可以使用金的透明层。然后可以刻蚀TCO层、p层和有源层的部分以将n层的分布的各部分暴露。然后例如可以用铝、Pt或Ti填充开孔以与n层进行电接触。然后将金柱电镀到金属n接触（例如，铝）上使其具有一高度而使得n电极的最终厚度将会为大约与最终p电极厚度（下面讨论）相同的高度，如5微米。
然后例如将银或Pt的反射垫图案化在p层上的TCO层上，并且用金电镀垫以形成具有与在铝上形成的金柱相同的高度的金柱的高密度阵列。金柱可以具有大约50微米或更小的间隔，并且可以具有大约10微米或更大的直径。在某些实施例中，金柱可以具有30微米或更小的间隔，并且可以具有大于10微米的直径。
然后从晶片单一化LED并且将其安装在底座晶片的金属电极上。底座电极可以是金垫，并且可以通过将金柱超声焊接至底座阳极和阴极金垫来安装LED。
制备基于硅树脂的底部填充。传统的硅树脂模塑料（SMC，silicone molding compound）包含大约80%的 硅石（按重量）用于加强强度。在本发明的一个实施例中，用氧化铝 （A12O3）替换硅石 （或其一部分），其中使用公知的工艺制备氧化铝以在白光下使得氧化铝粉末是白的。这种氧化铝在商业上是可获得的。硅树脂和硅石具有差的热导率，而氧化铝具有好得多的热导率。加载有大约70-80%（按重量）氧化铝的硅树脂将具有良好的热导率。SMC含量的少量（例如，按重量的5-10%）可以是氧化钛（TiO2）、亮白粉末，以便将反射率增大至如96%一样高。含有氧化铝和TiO2的SMC不仅反射光而且相比于现有技术的银镜电极以更大的程度使得反射随机化。
可以用具有适当反射特性和热导率的其它材料来填充SMC。反射特性可以是材料是白的或者具有相对高的折射率。这种适当高的折射率大于硅树脂的折射率，如大于1.5。大于90%的底部填充的总反射率是优选的。底部填充的适当热导率是大于20 W/m/K。
安装在底座晶片上的LED于是可以经受模制工艺，其中加载有氧化铝以及可选的TiO2的SMC在压力下被强制填充到LED和底座之间的空隙中。然后将SMC固化，并且从模具去除底座晶片。然后诸如从生长衬底上去除过量的SMC。
然后可以例如通过激光剥离去除生长衬底，同时底部填充和金柱提供了对于薄LED层的机械支撑。
然后刻蚀暴露的n层表面以使其粗糙化从而用于增大光提取。
然后将底座晶片切割以分离出各单独的LED/底座。
与TCO层一起的许多分布的金柱跨越p层的后表面分布电流。对于AlInGaP LED，TCO层是可选的，可以在p层中的扩散金属区域上镀上金柱。用反射的SMC填充柱与柱之间的间隔，以使得来自有源层的任何向下的光被向上反射并且被随机化以用于增大光提取。柱的顶部也向上反射光。与许多金柱结合在一起，增大的热导率的SMC在LED和底座之间提供了良好的热传导路径。
以上仅是本发明的一个实施例，可以使用其它材料。
附图说明
图1是图示其上生长了LED层的现有技术晶片的一小部分的剖面视图。
图2图示对于GaN LED在p层上淀积的ITO层。
图3图示向下刻蚀穿通到n层并且涂覆有绝缘材料的开孔。
图4图示用铝（或其它适当的金属）填充的开孔。
图5图示用金镀以形成例如具有大约5微米的高度的柱的铝的区域。
图6图示在ITO层上图案化的银垫。
图7图示在银垫上镀的与铝上的金柱近似平坦的金柱。
图8图示在被切割后并且安装在底座晶片上的LED的一部分。
图9是将底座晶片上的三个LED浸入硅树脂模塑料（SMC）的简化示意视图，其中所述硅树脂模塑料包含具有良好反射率和热导率的粉末，如氧化铝粉末和可选的TiO2粉末，用于压缩模制底部填充以填充LED和底座晶片之间的空隙。
图10更加详细地图示当正在通过激光剥离去除生长衬底时的完整LED。模制的底部填充和金柱在激光剥离期间支撑LED层。
图11是图10的LED的底部视图，其图示接触n层和p层的金柱的图案。
图12是标识在用以形成图10的结构的工艺中使用的某些步骤的流程图。
相同或者等效的元件标有相同的附图标记。
具体实施方式
作为初步事项，在生长衬底上形成传统的LED。在所使用的示例中，LED是基于GaN的LED，如AlInGaN或InGaN LED，用于产生蓝色到绿色的光。本发明中可以使用的其它类型的LED包括AlInGaP LED，其可以产生红色到黄色范围内的光。
如图1中所示，对于通常的GaN LED，使用传统的技术在蓝宝石生长衬底12上生长相对厚的n型GaN层10（n层10）。相对厚的n层10通常包括低温成核层（nucleation layer）和一个或多个额外层以便为n型覆层（cladding layer）和有源层提供低缺陷的晶格结构。然后将一个或多个n型覆层（示出为包括在n层10中）形成在厚的n型层上，之后是有源层14、一个或多个p型覆层16以及更加重掺杂的p型接触层18（用以帮助金属欧姆接触的形成）。各材料的传导性可以是相反的。
将生长LED层作为步骤101示出在图12中。
然后可以将LED退火来激活p型掺杂剂以增大p层的传导性（步骤102）。
如图2中所示，在接触层18上淀积薄的传导的铟钛氧化物（ITO）层20（或者其它TCO层），以帮助在接触层18上扩展电流（图12中的步骤103）。厚度可以是40nm-100nm的量级，然而宽范围的厚度也是可接受的。淀积ITO层是公知的。取而代之，可以使用其它类型的透明传导层。ITO层20对于400nm左右的波长通常吸收低于2%的与其接触的LED光，并且对于40nm厚度而言具有大约50欧姆/方块的薄层电阻（sheet resistance）。相比之下，GaN n层10的薄层电阻为大约25欧姆/方块。由于p层是更加高传导的，因此这种ITO淀积步骤对于AlInGaP LED将是可选的。如果p层对于电极之间的间距是充分传导的，那么ITO淀积对于基于GaN的LED也可以是可选的。
然后在必要的情况下将ITO层20退火（步骤104）。
如图3中所示，为了使得LED为倒装芯片，例如使用反应离子刻蚀（RIE）将ITO层20、p层18/16和有源层14的区域22选择性地刻蚀掉，以露出n层10的一部分用于金属化（metallization）（步骤105）。以此方式，p接触和n接触将会在芯片的同一侧，并且可以直接电附连至底座接触垫。在所示配置的倒装芯片中，来自n金属接触的电流最初横向地流经n层。
然后将绝缘层24（例如，氧化硅或氮化硅）淀积在开孔的壁上，用于将金属与p层和有源层电绝缘。如果可以刻蚀铝以避免与p层和有源层的侧面接触，那么绝缘层是可选的。
如图4中所示，然后将铝26（或铝合金）溅射到开孔中以接触n层10，并且使用公知的技术去除任何过多的铝（步骤106）。可以使用其它合适的金属。
如图5中所示，将LED的顶部选择性地掩蔽，并且利用金电极将LED 晶片浸入在电镀溶液中，并且（经由n层10）将铝电偏置以利用金镀暴露的铝，直至形成具有大约5微米的高度的金柱28（步骤107）。其它高度也是适合的。用金镀铝是公知的工艺。可以使用铝和金之间的适当阻挡层。图11（稍后详细讨论）示出LED的底部表面上的金柱 28的一个适当图案。在一个实施例中，与n层电接触的金柱 28之间的间隔应当小于200微米。
如图6中所示，在ITO层20的区域上形成银垫30，其中要形成用于p接触层18的金柱（步骤108）。可以通过溅射银、接着掩蔽和刻蚀工艺来完成形成银垫30，或者可以使用掩蔽和剥离工艺。可以使用其它技术。银垫30可以被间隔分开小于大约50微米（如大约30微米），并且具有大约10-20微米的宽度。银用于最大的反射率，也可以使用其它更低反射的金属。
如图7中所示，在用金电镀银垫30的同时将ITO层20和银垫30电偏置（类似于步骤107），以将金柱32形成至近似与金柱 28的高度相等的高度（步骤109）。可以使用银和金之间的阻挡层，如TiW或TiWN。选择金柱32的间隔以使得跨越p接触层18的电流扩展电阻相对低，这是由于与ITO层20结合的金柱32的高密度可以旨在替换来自现有技术的大的银金属接触。跨域p接触层18的顶部的扩展电阻应当小于n层10的扩展电阻的三分之一。
如果LED是AlInGaP LED，则可以在没有ITO层的情况下使用通过Au/Zn 扩散对于p层的直接金属接触，并且于是可以用金镀Au/Zn区域以形成金柱32。以此方式，避免了通过ITO层的少量光吸收。
如图8中所示，单一化LED晶片（步骤110）以分离出各个LED，并且将各LED安装在通常为陶瓷晶片的底座晶片 40上（步骤111）。底座晶片 40上的金属电极42和44可以延伸通过晶片（以虚线轮廓示出了通孔），并且在底部接触垫46中终止以用于焊接至电路板。在一个实施例中，金属电极42和44是金，并且LED的金柱 28和32超声地焊接至电极42和44。
制备反射的并且具有良好热导率的新的基于硅树脂的底部填充。
将热导率定义为在稳定状态条件下由于单位温度梯度所引起的在与单位区域的表面垂直的方向上传输经过单位厚度的热的量。使用瓦特/米/开尔文（W/m/K）标示是用以表示热导率的常用方式，并且大多材料的热导率是容易从参考文献得到的。
传统的硅树脂模塑料（SMC）包含大约80%的硅石粉末（按重量）用于加强强度。在本发明的一个实施例中，用氧化铝（Al2O3）替换硅石（或者其一部分），其中使用已知的工艺制备氧化铝以在白光下使得氧化铝粉末为白色。这种氧化铝粉末可在商业上得到。硅树脂和硅石具有差的热导率，如1 W/m/K，而氧化铝具有良好的热导率，如25 W/m/K或以上。加载有大约80%（按重量）氧化铝的硅树脂将会具有大约20W/m/K的热导率。
少量（例如，按重量的5-10%）的氧化铝可以用更亮的白色粉末氧化钛 （TiO2）替代，以将反射率增大至与96%一样高。大于大约90%的SMC的反射率是令人满意的。包含氧化铝和TiO2的SMC不仅反射光，而且使得反射随机化。也可以将助粘剂和溶剂添加至SMC以修正固化特性和粘度。SMC的热膨胀系数可以与LED的接近，从而在最差情况条件下（如，在AuSn or AgSn 焊料回流的期间），在SMC和管芯的热膨胀中几乎不存在差异。
可以使用除了氧化铝以外的具有更高热导率的粉末。反射特性可以是材料为白色或者具有相对高的折射率。这种适当高的折射率高于硅树脂的折射率，如高于1.5。材料的适当热导率高于20 W/m/K。适当的材料可以包括如AlN、AlON、硫化钡、钛酸钡、钛酸铝、三氧化锆、GGG、PLZT、PZT、 SiAlON、金刚石、碳化硅、蓝宝石、含有重金属氧化物的某些玻璃、SiON、钛酸锶、氧化钛、YAG、硒化锌、硫化锌、碲化锌和其组合。平均的颗粒尺寸可以是大约5微米或者更小，包括纳米颗粒。
就发明人所知， 硅树脂模塑料（SMC）之前尚未被用作（除了发明人以外）LED中的底部填充，或者被公开地披露为用于LED的底部填充。在优选实施例中，出于下列原因将SMC用作底部填充。SMC尤其适用于衬底上的LED的晶片级底部填充的模制工艺（压缩或转印模制）。SMC在最初（在模制工艺之前）是可以以粉末或者小片形式用于底部填充模制工艺的固体材料，其简化了对于材料的处理。SMC中的标准填充物是SiO2，其在形成上呈现为大约80-90%（按重量）。可以通过用TiO2替换填充物（SiO2）中的一些以调适SMC的构成从而获得高反射率白色，或者通过用A12O3、金刚石石墨和其它这种材料替换填充物（SiO2）中的一些来改善热导率和/或反射率，或者以某些组合同时改善这两者。
SMC相比于其它常用的底部填充材料具有至少四个主要的优点。首先，SMC具有低的杨氏模量，并且在热膨胀期间在LED管芯上产生低的均匀应力。第二，SMC可以非常大量地加载有固体材料以将热膨胀系数（CTE）减少得与常用金属（如，铜和金）的热膨胀系数接近，使得在热循环期间减小了跨越管芯的差异应力。第三，SMC随着时间相对于高强度蓝LED光和高温的组合是非常稳定的。并且第四，SMC具有非常低的玻璃转变温度（室温以下），这意味着在LED光的通常工作范围上，在CTE中没有变化。
相比于任何环氧树脂或环氧树脂模塑料，SMC具有非常低的玻璃转变温度（Tg=-10C）。环氧树脂模塑料的最佳样品的Tg是大约Tg=210C，而对于液态环氧树脂为大约（150C-170C）。通常，通过在某一回流温度下使用焊料膏将LED封装附连至电路板。对于没有Pb的焊料，其可以从250C 到320C变化。在焊料回流期间，非SMC底部填充材料从其Tg以下到达其Tg以上。当回流温度到达Tg以上时，聚合物从固体阶段变换到塑性阶段，这导致热膨胀系数（CTE）的增大，因而，使用这种非SMC材料作为底部填充的LED经受了显著的变形。这种变形可以大到足以使诸如管芯之类的LED组件和任何金属附件塑性地变形。塑性变形不会在LED返回到室温之后回到其原始状态，使得将LED置于减小工作可靠性的风险下。这对于对底部填充热膨胀非常敏感的薄膜LED（总的器件厚度是大约5um）尤其是属实的，这是由于其可能对薄膜LED造成致命损伤（破裂）。由于SMC的Tg在-10C以下并且加载了固体的SMC具有低的CTE，因此SMC底部填充在达到回流温度以上时不会显著地改变其热特性（回流期间从Tg以下到以上不存在转变）。因而，SMC底部填充没有形成经底部填充的LED结构的任何显著变形。
将详细说明上面总结的SMC的优点，使用SMC的第一优点是固化材料的相对低的杨氏和体积模量，这允许在瓷片（tile）上的LED之上模制SMC之后更加快速地去除LED周围的材料，并且还允许热膨胀和收缩期间LED上非常小的应力。
SMC的第二个优点是其低粘度以及与许多填充物材料的兼容性。将诸如氧化铝、硅石、金刚石和石墨之类的填充物材料添加至硅树脂以减小CTE并且增大诸如反射率和颜色之类的额外特性。在期望白色关闭状态LED颜色和/或填充物材料反射率可以增大系统效率的系统中，使用白色的材料。在LED和周围区域之间的对比度是重要的并且其它颜色可用于关闭状态美观或其它目的的情况下，使用黑色的材料。
使用SMC作为LED的底部填充的第三个优点在于其对于蓝色LED发出的蓝色光子和LED经常暴露到的高温的组合的非常高的稳定性。没有其它的底部填充材料的组对于高能量蓝色光子如同SMC一样稳定。通常，当使用环氧树脂底部填充时，在LED（包括薄膜LED）的外围附近存在显著的聚合物退化。LED的主要优点之一是长寿命，并且直到现在，底部填充尤其是在倒装芯片 LED的可靠性中是关键的最弱环节之一。SMC使得倒装芯片 LED进入完全新的可靠性级别，使得更高温度工作和更高电流工作成为可能，这两者均显著地改善每美元度量的LED流明。
第四个优点在于SMC的低玻璃转变温度向管芯提供了非常稳定的均匀压力，防止了作为薄膜LED的最高可靠性风险的破裂。
于是，将SMC用作LED的底部填充（无论是否加载有TiO2 或A12O3）被认为是新颖的并且是非显而易见的。
图9是底座晶片 40的一部分的简化示意图，其示出经历压缩模制工艺从而用SMC 52（其包含氧化铝和可选的TiO2）填充LED 50和底座晶片 40之间的空隙（步骤112）的三个LED 50。可以将SMC 52作为液体或干粉淀积到模具54凹口中。如果使用干粉，则加热模具54以将粉末溶化。然后使得底座晶片 40抵压模具54并且被下压以压缩SMC 52而使得SMC 52填充LED下面的所有空隙并且将所有的空气推出去。通常，在模具/晶片的外围周围存在密封部分（seal）。代之压缩模制，可以使用注入模制（injection molding），尽管注入模制可能对精细的金柱施加更多的力量。
然后依据所使用的硅树脂的类型，诸如通过冷却、加热或UV光来固化（硬化）SMC 52，并且从模具54去除底座晶片 40。然后可以通过微珠喷砂去除诸如生长衬底12上的过量SMC 52（步骤113）。
图10图示底座晶片 40上的经历可选的用于去除生长衬底12（步骤114）的激光剥离工艺的一个完整LED 55。在激光剥离工艺中，准分子激光能量56在n层10的表面处破坏GaN键，并且释放的气压将生长衬底12推离n层10。在激光剥离期间，在LED层上存在高压，并且分布的金柱28/32和SMC 52机械地支持LED层。LED层通常小于50微米厚度。然后诸如通过粘性条（adhesive sheet）去除脱层的生长衬底12。
然后刻蚀暴露的n层10以去除任何表面损伤并且可选地使层粗糙化以增加光提取（步骤115）。
光线58示出为由LED 55的有源层14发出，并且由于SMC 52中的氧化铝和/或TiO2颗粒而以分散的角度总体向上被反射。光在由氧化铝和TiO2粉末充分反射之前可以实际上进入SMC 52某个小的距离。金柱32的顶部也将反射光。LED 55产生的热量经由SMC 52、金柱28/32和底座电极42/44有效地耦合至底座晶片 40。
在上面提供的示例中，SMC 52是大约5微米厚，并且可以在LED 55和底座电极42/44之间导致仅仅0.25 K/W的热阻。LED 55具有大约1mm2的底部表面区域。
在将LED 阵列安装在底座晶片 40上的同时，也可以对LED 阵列进行其它晶片级工艺，如透镜的晶片规模模制。也可以在LED上淀积磷光体，用于将蓝色LED光转换为白光。
然后将底座晶片 40切割以分离出各单独的LED/底座（步骤116）。图10可以图示分离的LED/底座。然后可以将底部的底座电极46焊接到金属芯散热器电路板。
图11是示出其中经由金柱 28和铝使得与n层10进行电接触的被刻蚀掉的区域的单个LED 55的后视图。中心区域是在p接触层18上形成ITO层20并且在ITO层20上分布金柱32的地方。底座表面上的金属电极42/44一般与暴露的n层10和p接触层18的形状一致。层的传导性可以是相反的。
器件无需是倒装芯片，而是可以为金属柱接触底部n或p层并且用所公开的底部填充互连至底座的垂直器件（其具有顶部电极）。可以用引线或带式结合进行对于管芯的顶部电极的电接触。
图12中的许多步骤是可选的，或者仅仅是示例。
尽管已经示出和描述了本发明的特定实施例，然而对于本领域技术人员显而易见的是，可以在不脱离此发明的情况下在其更宽广的方面中进行改变和修正，因此所附权利要求要涵盖其范围内的、落入本发明的真实精神和范围内的所有这些改变和修正。
Claims (15)
1.一种发光器件，包括：
发光二极管（LED）管芯，LED管芯具有底部表面；
底座，其上安装了所述LED管芯，在LED管芯和底座之间存在间隙；
所述LED管芯具有与所述底部表面电连接的多个金属柱，沿着所述LED管芯的底部表面在各金属柱之间存在基本上透明的区域而使得由所述LED管芯向下发出的光经过各金属柱之间；以及
基本上反射的底部填充材料，其填充所述LED管芯的底部表面和所述底座之间的空隙，所述底部填充材料包括硅树脂和具有大于20 W/m/K的热导率的反射粉末，所述底部填充材料将来自LED管芯的光大体向上反射，并且传导所述LED管芯和底座之间的热量。
2.如权利要求1所述的器件，其中，所述底部填充材料进一步包括注入有TiO2的硅树脂，其中所述TiO2包括底部填充材料的按重量的超过大约5%。
3.如权利要求1所述的器件，其中，所述LED管芯是倒装芯片。
4.如权利要求1所述的器件，其中，反射粉末包括底部填充材料的按重量的至少为70%的氧化铝。
5.如权利要求1所述的器件，其中，所述底部填充材料具有对于可见光而言的至少90%的反射率以及至少大约20 W/m/K的热导率。
6.如权利要求1所述的器件，其中，所述金属柱间隔分开小于50微米。
7.如权利要求1所述的器件，其中，所述LED管芯具有面向所述底座的p层，所述器件在所述p型层上以及所述p型层和所述金属柱之间进一步包括非半导体基本上透明的传导层。
8.如权利要求1所述的器件，其中，所述LED管芯具有面向所述底座的p层，其中所述金属柱是镀在所述p型层上的金柱。
9.如权利要求1所述的器件，其中，所述LED管芯具有面向所述底座的p层，所述器件进一步包括：
所述p型层上的非半导体基本上透明的传导层；
在所述基本上透明的传导层上淀积的金属垫；以及
其中，所述金属柱包括镀在所述金属垫上的金柱。
10.如权利要求1所述的器件，其中，所述金属柱为3-7微米长度之间。
11.如权利要求1所述的器件，进一步包括与所述LED管芯中的p层电接触的一组金属柱和与所述LED管芯中的n型层电接触的另一组金属柱。
12.如权利要求1所述的器件，其中，所述金属柱具有10-20微米之间的厚度，并且间隔分开小于50微米。
13.如权利要求1所述的器件，其中，所述反射的底部填充材料漫反射来自所述LED管芯的光。
14.如权利要求1所述的器件，其中，所述LED管芯的生长衬底已经被去除。
15.一种发光器件，包括：
发光二极管（LED）管芯，LED管芯具有底部表面；
底座，其上安装了所述LED管芯，在LED管芯和底座之间存在间隙；以及
底部填充材料，其填充所述LED管芯的底部表面和所述底座之间的空隙，所述底部填充材料包括具有室温以下的玻璃转变温度的硅树脂模塑料。
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