CN103531689A - 发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一发光器件。其一种适用于SMT的发光二极管芯片，至少包括：发光二极管外延结构，具有相对的两个表面，其中第一表面为出光面；P、N电极焊盘，位于所述外延结构的第二表面上，具有足够的厚度以支撑所述LED外延结构，其边缘超过LED外延结构的边缘；荧光粉层，覆盖所述LED外延结构的出光面及所述P、N电极焊盘超出所述LED外延结构的区域。

Description

发光器件
本申请是申请日为2013年5月24日、申请号为201310195976.4 、发明名称为“贴面式发光器件及其制作方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种发光器件及其制作方法，具体为SMT式（表面贴装技术Surface Mounted Technology的缩写）发光器件及其制作方法。
背景技术
目前LED发光器件广泛采用SMT封装形式，如图1所示，其目的是降低器件热阻，提高器件稳定性；其常规做法是：将传统LED芯片100放置于封装体120内，并在封装体下方引出引脚110，使其可直接贴装于目标板上，如PCB电路板，另外在封装体上可涂布荧光粉材料使其形成混色光发光器件。目前SMT焊接方式主要有共晶焊接和回流焊两种方式。
发明内容
本发明提出了一种贴面式发光器件及其制作，其改变传统SMT的封装形式，在结构上将芯片通过电极焊盘直接贴面焊接于承载基板上，在制作方法在完成芯片工艺后直接进行焊接步骤，省略了封装步骤，主要适用于倒装LED器件。
根据本发明的第一个方面：一种适用于SMT的发光二极管芯片，包括：LED外延结构，具有相对的两个表面，其中第一表面为出光面；P、N电极焊盘，位于所述外延结构的第二表面上，具有足够的厚度以支撑所述LED外延结构，所述P、N电极焊盘分别具有相对的两个表面，其中第一表面靠近所述LED外延结构；绝缘体，形成于所述P、N焊盘之间，防止所述P、N电极焊盘发生短路；所述P、N电极焊盘直接用于SMT封装上使用。
根据本发明的第二个方面，一种贴面式LED发光器件，包括芯片结构和承载基板，其中芯片结构包括：LED外延结构，具有相对的两个表面，其中第一表面为出光面；P、N电极焊盘，位于所述外延结构的第二表面上，具有足够的厚度以支撑所述LED外延结构，所述P、N电极焊盘分别具有相对的两个表面，其中第一表面靠近所述LED外延结构；绝缘体，形成于所述P、N焊盘之间，防止所述P、N电极焊盘发生短路；所述芯片通过所述P、N电极焊盘直接SMT封装于所述承载基板上。
根据本发明的第三个方面，一种贴面式LED发光器件的制作方法，步骤如下：
1）外延生长：采用外延生长工艺在一生长衬底上形成LED外延结构；
2）芯片制作：在所述LED外延结构的表面定义P、N电极区及隔离区，并在所述各区域分别制作P、N电极焊盘和绝缘体，其中所述P、N电极焊盘具有足够的厚度以支撑所述LED外延结构，所述绝缘体形成于所述P、N焊盘之间，防止所述P、N电极焊盘发生短路；移除生长衬底，并单一化所述LED外延结构形成LED芯片；
3）SMT封装：提供一承载基板，将所述LED芯片的P、N电极焊盘直接SMT封装于所述承载基板上，形成贴面式LED发光器件。
具体地，所述LED外延结构为倒装薄膜结构。在一些实施例中，可在所述薄膜LED表面上制作一图案化钝化层。在一些实施例中，可在所述薄膜LED表面上涂布荧光粉材料。
所述P、N电极焊盘的具有足够的厚度以支撑所述LED外延结构。在一些实施例中，所述P电极焊盘的厚度为50μm以上，N电极焊盘的厚度为50μm以上。在一些实施例中，所述P、N电极焊盘所占整体发光区域面积大于80%以上，剩馀面积为绝缘体结构。
所述P、N电极焊盘之间具有一定的间隙D。所述绝缘体填充所述P、N电极焊盘之间的间隙，优先地，所述绝缘体与P、N电极焊盘体间紧密接合（基本无间隙），保证了外延结构的物理支撑。在一些实施例中，所述绝缘体具有相对的两个表面，其中第一表面靠近所述LED外延结构，第二表面凸出于所述P、N电极焊盘的任一第二表面。绝缘体突出所述电极焊盘的第二表面，有效防止了在芯片在后面SMT工艺中的P、N电极短路问题。在一些实施例中，所述P、N电极焊盘的下表面位于同一水平面上，所述P、N电极焊盘的下表面与绝缘体的下表面的高度差H与P、N电极焊盘的间隙D的关系为：H/D为0.5~2。在一些实施例中，所述P、N电极焊盘的间隙D为20~150μm。在一些实施例中，所述绝缘体的熔点或软化点低于所述P、N电极焊盘的熔点，其材料可选用胶体材料，如SU8，BCB或干膜等。在一些实施例中，所述绝缘体下表面与所述P、N电极焊盘的下表面的高度差H为20μm~150 μm。
所述P、N电极焊盘的面积和绝缘体基本占满所述LED外延结构的整个表面。在一些实施例，所述P、N电极焊盘的边缘超过所述LED外延结构的边缘且具有一定的距离，防止芯片在SMT焊接时因锡膏的回流导致锡膏爬上外延层导致器件漏电。优选地，所述P、N电极焊盘的边缘超过所述LED外延结构的边缘的距离D与P、N电极焊盘的最小厚度T的关系为：D/T为0.5~2。设外延薄膜层面积为S1，焊盘层超过外延层面积为S2，其中S1/S2的比值为1/2~3/1，较佳值为9/5。在一些实施例，所述P、N电极焊盘的边缘超出LED外延结构的边缘的距离大于或等于30 um。
在一些大尺寸的发光器件中，P、N电极焊盘的形状及大小会成为影响器件可靠性的重要因素之一，如在习知技艺的非对称式电极设计，在共晶制程中因其电极面积大小差异过大可能导致芯片倾斜，在面积相对较小的电极处产生共晶失效，最后导致电性连接失败。故对于较大尺寸的发光器件，所述P、N电极焊盘的面积关系较佳取为6：4~1：1（此比例不限制P电极焊盘的面积大于N电极焊盘），最佳值为P、N电极焊盘的面积相同。一些实施例中，所述P、N电极焊盘与LED外延结构之间还设置有至少两绝缘层和一导电层，其中第一绝缘层与导电层实现电流均匀注入LED外延结构，第二绝缘层实现所述p、N电极焊盘的面积基本相同。
前述适用于SMT的发光二极管芯片可通过下面步骤获得（但不局限以此）：1）提供一生长衬底，在其上依次成长缓冲层、N型外延层、发光层、P型外延层；2）图案化外延层，刻蚀部分外延层，露出N型外延层；3）在P型外延层上形成高反射P型欧姆接触层，在N型外延层上形成N型欧姆接触层；4）在上述P型欧姆接触层以及N型欧姆接触层之间形成一绝缘胶材隔离层；5）电镀P、N电极焊盘，使之形成可支撑外延的电镀层；6）去除生长基板，露出缓冲外延层，定义芯粒大小，刻蚀定义区外的外延层至露出欧姆接触层；7）在缓冲外延层上形成钝化层，并粗化表面；8）在芯粒表面涂布荧光粉材料，形成混色光发光芯片，可直接用于SMT贴片。
在一些实施例中，将前述LED芯片直接进行SMT步骤中，所述承载基板表面涂有焊料层，其厚度小于或等于所述绝缘体第二表面与所述P、N电极焊盘的任一第二表面的高度差。绝缘体材料选用绝缘胶材，并进行芯片与承载基板进行对位时，下压绝缘胶材，进一步保证了P、N电极焊盘在回流焊接中保持电性隔离。
本发明所述的贴面式LED发光器件之制作方法，简化了传统应用于SMT的LED芯片封装流程，在完成步骤2）后形成特殊结构的芯片，直接焊接于承载基板上，省略了封装处理的步骤。在一些实施例，在芯片制作过程中，在移除生长衬底后，先蚀刻LED外延结构形成切割道，接着采用物理方式切割所述切割道上的电极焊盘，从而使得所述P、N电极焊盘的边缘超过所述LED外延结构的边缘且具有一定的距离，形成一系列LED芯片。
本发明公开的LED发光器件及其制作方法，省略了传统SMT工艺中LED芯片须先封装处理的步骤，在成本上有极大优势；相对常规倒装芯片，在回流焊上又有很大的稳定性优势，而且传统倒装芯片由于无支持衬底，几乎不能将生长衬底移除，而该LED发光器件则因为较厚的电镀焊盘使其可支撑外延，去除生长衬底，从而提高了光效。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1传统SMT发光器件的简化结构图。
图2为本发明实施例1的结构剖视图。
图3为本发明实施例2的结构剖视图。
图4为本发明实施例3的结构剖视图。
图5-6为本发明实施例4的结构剖视图。
图7为本发明实施例5的结构剖视图。
图8采用图7所示发光二极管芯片制备获得的SMT发光器件。
图9~17为制备图7所示的发光器件的过程示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的LED器件的结构及其制作方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，提供一种STM发光器件及其制作方法，将发光二极管芯片直接贴面安装于承载基板上。在器件结构上，其中芯片的P、N电极焊盘具有足够的厚度以支撑外延结构，在P、N电极焊盘之间设置绝绝缘体，下表面低于P、N电极焊盘的任一下表面，在支撑所述LED外延结构的同时防止所述芯片用于焊接工艺时P、N电极焊盘发生短路。在制作方法上，完成芯片制作工艺后，直接进行焊接工艺，省略了封装步骤。
以下结合核心思想，详细说明本发明所述SMT发光器件及其制作方法。
实施例1
请参看附图2，一种适用于SMT的发光二极管芯片200，包括：发光外延叠层210，欧姆接触层221、222，电极焊盘231、232，绝缘体230。其中，发光外延叠层210为倒装薄膜结构，至上而下包括N型外延层、发光层、P型外延层，但不限制于此。N型欧姆接触层221和P型欧姆接触层222分别位于N型外延层和P型外延层上且下表面齐平，其材料可选用Cr、Au、Ti、Ni、Ag、Pt或TiW的一种或其组合，作为一个较佳的实施方式，采用具有高反射性的金属材料的多层结构，其一方面可作为欧姆接触，另一方面起到镜面反射作用。P、N电极焊盘232、231分别位于P、N型欧姆接触层上，其厚度为50μm以上，以保证支撑前述倒装薄膜结构210，较佳值为70~150μm。P、N电极焊盘232、231的材料可为Ti、Ni、Cu、Au、AuSn、SnCu、SnBi、AgSnCu的一种或其组合。绝缘体230位于P、N电极焊盘232、231之间并填充N型欧姆接触层221和P型欧姆接触层222之间的间隙，下表面低下P、N电极焊盘232、231的下表面，呈台阶状，其材料可为永久绝缘胶体，如SU8、 BCB、干膜等。作为一个较佳的实施方式，可在外延层的表面上覆盖钝化层240，其材料可选用氮化硅或氧化硅等。
在本实施例中，P、N电极焊盘具备两个作用：第一，支撑LED外延结构，故其具备足够的厚度和面积，其面积最好占外延层面积的80%以上，剩余面积为绝缘体材料；第二，直接用于SMT封装。为了实现前述两个作用，需要保证LED外延结构的物理支撑的完整性，同时需要防止P、N电极焊盘短路。为此，P、N电极焊盘的面积和绝缘体基本占满LED外延结构的整个表面，且之间紧密接合（基本无间隙），保证了外延结构支撑的完整性，可以有效防止倒装外延薄膜的损坏。绝缘体230突出电极焊盘的下表面，有效防止了在芯片在后面SMT工艺中的P、N电极短路问题。P、N电极焊盘的下表面位于同一水平面上，假设其相对位置与绝缘体的下表面的相对位置的高度差为H，P、N电极焊盘的间隙D，通过调整H和D的大小可以优化本实施例的实施效果。在本实施例中，P、N电极焊盘的间隙D为20~150μm，高度差H为20μm~150 μm。
实施例2
请参看附图3，本实施例与实施例1的主要区别在于： P、N电极焊盘232、231的边缘超过LED外延结构210的边缘且具有一定的距离，如此可有效防止芯片在SMT焊接时因锡膏的回流导致锡膏爬上外延层导致器件漏电。假设P、N电极焊盘的边缘超过LED外延结构的边缘的距离为D，P、N电极焊盘的厚度为T，一般D随T的增加而增加，在较佳的实施方式中，D/T的比例取0.5~2。设LED外延结构210的面积为S1，P、N电极焊盘超过外延层面积为S2，其中S1/S2的比值为1/2~3/1，较佳值为9/5。以上关于各个参数的取值范围仅作为实施参考，并不限制于此。
实施例3
在一些大尺寸的发光器件中，P、N电极焊盘的形状及大小会成为影响器件可靠性的重要因素之一，如在习知技艺的非对称式电极设计，在共晶制程中因其电极面积大小差异过大可能导致芯片倾斜，在面积相对较小的电极处产生共晶失效，最后导致电性连接失败。
请参看附图4，本实施例与实施例2的主要区别在于：P、N电极焊盘的面积接近或基本相同。具体通过下面方式实现：在P、N欧姆接触层232、231上设置绝缘层250，并使N型欧姆接触层231与LED外延结构的发光层和p型半导体实现电绝缘。在绝缘层250上对应P、N欧姆接触层的位置上开孔，P、N电极焊盘填充通过该开孔结构分别与P、N欧姆接触层接触。
实施例4
本实施例对LED外延层的电流注入结构进行优化，其与实施例3的主要区别在于：在P、N欧姆接触层与P、N电极焊盘之间设置双绝缘层和导电层结构，其中第一绝缘层与导电层实现电流均匀注入LED外延结构，第二绝缘层实现所述p、N电极焊盘的面积基本相同。请参看附图5和附图6，其中附图6为沿第一绝缘层251的剖开的截面图，在LED外延结构210的中央区域开复数个第一孔洞结构，其穿过P型外延层和发光层至N型外延层，在P型外延层的表面上覆盖欧姆接触层220，在欧姆接触层220上覆盖第一绝缘层251，其同时覆盖孔洞结构的侧壁，露出N型外延层；在第一绝缘层251对应的欧姆接触层220的位置上至少开一个第二孔洞结构；在第一绝缘层251上制作导电层，其划分为N导电区261和P导电区262，其中N导电区261通过第一孔洞结构与N型外延层接触，P导电区262通过第二孔洞结构与欧姆接触层220接触；在导电层上制作第二绝缘层252，并分别在N导电区261和P导电区262对应的位置开第三孔洞结构，P、N电极焊盘232、231填充通过该开孔结构分别与导电层的P、N导电区接触。
实施例5
请参看附图7，本实施例与实施例2的主要区别在于：在LED外延结构的表面上覆盖钝化层240，并在出光面上涂布荧光粉层250。作为较佳的实施方式，可在出光面作粗化处理。
请参看附图8，为采用图7所示发光二极管芯片制备获得的SMT发光器件。其制作方法中主要包括三大工艺：外延生长、芯片制作、STM焊接，下面结合附图9~17对此SMT发光器件的制作方法进行详细说明。
首先进行外延生长，具体为：提供生长衬底201，在其上依次成长缓冲层、N型外延层、发光层、P型外延层，此外延堆叠层命名为210，如图9所示。在此步骤中可采用常规外延生长工艺进行即可，如MOCVD。
接下来进行芯片制作工艺，包括台面蚀刻、制作欧姆接触层、制作绝缘体、制作电极焊盘及单一化处理。具体如下：1）利用黄光微影技术图案化外延层210，利用ICP干法刻蚀部分外延层，露出N型外延层，刻蚀深度约1μm；2）利用真空电子束在P型外延层上蒸镀高反射P型欧姆接触层222，该金属层可包含Cr、Ag、Ni、Al、Pt、Au、Ti、TiW的一种或者多种，其总体厚度不小于0.5μm，最佳厚度为1μm；在N型外延层上形成N型欧姆接触层221，该金属层可包含Cr、Ag、Ni、Al、Pt、Au、Ti、TiW的一种或者多种，其总体厚度不小于1.5μm，最佳厚度为2μm；两接触金属最终保持等高，如图10所示；3）利用干膜光阻制程，在上述P型接触以及N型接触之间形成干膜光阻隔离层作为绝缘体230，该干膜光阻高度不小于70μm，最佳高度120μm，如图11所示；4）利用电镀技术，在上述P型欧姆接触层222上电镀一层较厚的P型电极焊盘层232，在上述N型欧姆接触层221上电镀一层较厚的N型电极焊盘层231，电镀材料为Ni、Cu、Au、Ag等能与Sn共熔的金属材料，其厚度不少于50μm，并形成可支撑外延的电镀层，如图12所示；5）利用激光剥离技术去除生长衬底201，露出外延层，利用黄光微影技术定义每颗芯粒大小，并利用ICP干法刻蚀定义区外的外延层至露出P型欧姆接触层222以及N型欧姆接触层221，如图13；6）根据芯片的尺寸，采用干蚀刻或湿蚀刻的方式蚀刻LED外延结构形成切割道；7）在露出的外延层表面上形成钝化层240，该钝化层材料可以是Si的氧化物或者氮化物，利用干法或者湿法的方式在表面上制作纳米级粗化结构，如图15所示；8）利用荧光粉涂布技术在芯粒表面涂布荧光粉材料250；9）采用物理切割的方式，沿切割道切割电极焊盘层，从而实现发光结构的单一化，形成LED芯片，至此完成芯片制作步骤。如附图16所示，该LED芯片可直接应用于SMT贴面焊接。
最后采用传统SMT焊接步骤按前述制备好的LED芯片封装于一承载基板上。具体包括：1）提供承载基板，利用钢网印刷或是丝网印刷的方式将锡膏材料定义至承载基板中的特地区域，其中特定区域区分出P、N接点；2）将前述LED芯片放置于承载基板上，P、N电极焊盘与承载基板的P, N接点对位；3）将LED放置好的承载基板送入回流焊设备中进行回流焊动作，形成贴面式LED发光器件。其中，承载基板为MCPCB结构，回流焊温度介于280~320C，锡膏厚度大于30μm，钢网或丝网的厚度大于锡膏厚度。
在本实施例，绝缘体230凸出P、N电极焊盘的高度取大于锡膏厚度，如此在进行芯片与承载基板进行对位时，保证了P、N电极焊盘在回流焊接中保持电性隔离。
在实施例中，先蚀刻LED外延结构形成切割道，接着采用物理方式切割切割道上的电极焊盘，从而使得所述P、N电极焊盘的边缘超过所述LED外延结构的边缘且具有一定的距离，形成一系列LED芯片。
本实施例省略了传统SMT工艺中LED芯片须先封装处理的步骤，在成本上有极大优势；相对常规倒装芯片，在回流焊上又有很大的稳定性优势，而且传统倒装芯片由于无支持衬底，几乎不能将生长衬底移除，而该LED发光器件则因为较厚的电镀焊盘使其可支撑外延，去除生长衬底，从而提高了光效。

Claims (5)

1.发光器件，包括：
LED外延结构，具有相对的两个表面，其中第一表面为出光面；
P、N电极焊盘，位于所述外延结构的第二表面上，具有足够的厚度以支撑所述LED外延结构，其边缘超过LED外延结构的边缘；
荧光粉层，覆盖所述LED外延结构的出光面及所述P、N电极焊盘超出所述LED外延结构的区域。
2.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：所述P、N电极焊盘的边缘超过LED外延结构的边缘，超出距离大于或等于30 um。
3.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：所述P、N电极焊盘的第二表面齐平。
4.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：所述P、N电极焊盘的间隙为20~150μm。
5.根据权利要求1所述的发光器件，其特征在于：所述电极焊盘的厚度为50μm以上，以支撑所述LED外延结构。
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