CN104350619B - 具有在晶片水平形成的模制化合物中的金属柱的芯片级发光器件 - Google Patents
具有在晶片水平形成的模制化合物中的金属柱的芯片级发光器件 Download PDFInfo
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Abstract
当管芯仍在其支撑晶片上时，在发光管芯上形成厚的金属柱。施加模制化合物以填充每个管芯上的柱之间的空间，并且在柱顶上形成接触垫。金属柱提供每个发光管芯的接触垫和电气接触件之间的电气接触。金属柱可以形成在每个管芯的上金属层上，并且该上金属层可以被图案化以提供到管芯内的各个元件的连接。
Description
技术领域
本发明涉及发光器件的领域，并且特别地涉及不需要支撑底座的自支撑芯片级发光器件。
背景技术
常规的薄膜发光器件通常形成在晶片上，被划片/单个化成各个管芯，并且安装在底座结构上。底座提供支撑各个管芯所需要的支撑和允许外部电源耦合至发光管芯的电气电路。底座结构一般被配置成群集（host）多个发光器件，以提供用于诸如磷光体涂敷和封装之类的高效的附加处理。底座结构随后被切片/划片以提供可以放置在灯中、附接至印刷电路板等等的各个（单个化的）发光器件。
单个化的发光器件可以包括多个发光元件以增加亮度、产生多个颜色的合成等等。这样的器件的增加的尺寸和复杂性已经引起芯片级制作技术的发展，其中形成发光器件的半导体芯片包括互连多个元件以及提供到这些元件的外部连接所需要的电路，从而简化可能需要包括在底座中的特征。
底座的使用需要各个管芯从晶片被单个化、被拾取并且精确地放置在底座上，然后典型地经由焊接被附贴于底座结构。由于牵涉在底座结构上附贴各个管芯的过程，当管芯仍在晶片上时可以在管芯上执行的操作可能是有限的。
此外，底座提供的结构支撑可能妨碍发光器件从底座结构的单个化。切片装置必须能够切入底座，并且足够厚和/或坚硬以在结构上支撑发光器件的组通过附加过程的底座比非结构支撑更加难以切片。
发明内容
能够避免在底座结构上安装发光器件的需要将会是有利的。能够提供产生自支撑发光器件的晶片级过程也将会是有利的。
为了更好地解决这些关注点中的一个或多个，在本发明的实施例中，当管芯仍在其支撑晶片上时，厚的金属柱形成在发光管芯上。施加模制化合物来填充每个管芯上的柱之间的空间，并且在柱顶上形成接触垫。金属柱提供每个发光管芯的电气接触件和接触垫之间的电气接触。金属柱可以形成在每个管芯的金属层上，并且该金属层可以被图案化以提供到管芯内的各个元件的连接。
附图说明
参照附图，进一步详细地并且通过示例的方式解释本发明，其中：
图1A-1C图示了经由嵌入在模制化合物中的金属柱的使用的自支撑的示例发光器件。
图2A-2C图示了经由提供自支撑的金属柱便于发光管芯和自支撑器件的接触垫之间的接触的金属层的示例集合。
图3A-3D图示了便于发光管芯的元件之间的连接的金属层的集合的示例图案化。
图4图示了用于包括嵌入在模制化合物中以提供自支撑的金属柱的自支撑发光器件的创建的示例流程图。
贯穿各图，相同的参考标号指示类似或者对应的特征或者功能。附图被包括是出于图示性目的并且不旨在限制本发明的范围。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释而非限制的目的，阐述诸如特定构造、接口、技术等之类的具体细节以便提供本发明的概念的透彻理解。然而，对本领域技术人员将显而易见的是，本发明可以在脱离于这些具体细节的其它实施例中实践。同样地，该描述的文本是针对如图中所图示的示例实施例，并且不意图在超出权利要求中明确包括的限制之外限制所要求保护的发明。为了简化和清楚的目的，省略众所周知的器件、电路和方法的详细描述以便不用不必要的细节使本发明的描述模糊。
图1A-1C图示了使用嵌入在模制化合物180中的金属柱160A、160B的自支撑的示例发光器件100。
器件100形成在衬底110上，所述衬底110典型地为蓝宝石或者其它晶片。衬底110可以是刚性的。尽管仅图示了一个器件100，但是衬底110可以典型地支撑数百个器件100。在常规过程中，在衬底上生长包括夹在N-型区（N-区）和P-型区（P-区）之间的有源区的发光结构。在示例器件100中，N-区120生长在衬底110上，其后是发光区130和P-型区（P-区）140的形成。这些区120、130、140中的每一个可以包括层的集合，其为了图示和理解的简易性而被省略。在替换方案中，P-区140可以生成在衬底上，并且有源层130和N-区120可以形成在P-区140上。
半导体结构包括分别提供到P-区140和N-区120的电气接触的接触件150A和150B。通过延伸通过有源区130和P-区140并且从其绝缘的一个或多个通孔155提供到N-区120的接触。绝缘层145还将N-接触件150B从P-区140隔离。
在该示例实施例中，多个金属柱160A形成在P-接触件150A上，并且多个金属柱160B形成在N-接触件150B上。模制化合物180填充柱160A、160B（以下共同地称为柱160）之间的空间，以抑制柱160的横向变形，横向变形将弱化由这些柱160提供的结构支撑。各种金属或者合金中的任何一种可以被用来形成柱160，只要所形成的柱在结构上是支撑性的并且是导电以及导热的，诸如铜、镍、金、钯、镍-铜合金或者其它合金的柱。
尽管在每幅图中，柱被图示为具有圆形横截面，但是本领域技术人员将认识到其它横截面是可行的，其中的一些可以提供附加的结构支撑。柱160的横截面、高度、分布和密度是相当任意的，并且常规结构分析系统可以用于保证，通过与模制化合物180组合，足够结构被提供以允许这些器件自支撑以用于随后的过程，并且可以基于包括制作可行性和其它因素在内的各种因素确定。
图1B图示了嵌入在模制化合物180中的金属柱160的横截面视图A-A。如在本文中使用的术语，模制化合物180可以是能够以柔韧的形式被施加以填充柱160之间的空间并且然后被硬化的任何非导电化合物。为了引用的简易性，以下术语“填充物材料”180被用作填充金属柱160之间的空间的材料的一般描述，其可以或者不可以被视为“模制化合物”，因为术语“模制”可以被常规地解释。例如，在一些实施例中，可以在形成金属柱160之前形成填充物材料180，其具有随后被填充有金属以形成金属柱160的通孔。在一些实施例中，可以通过施加一系列金属层来形成柱，并且在柱的形成期间，填充物材料也可以被形成为一系列层。
共同地称为垫170的接触垫170A、170B分别被形成或者附贴在柱160A、160B上。这些垫170A、170B分别经由金属柱160A、160B提供到P-区140和N-区120的外部连接。
在形成垫170之后，可以从衬底110移除器件100，嵌入在化合物180中的金属柱160提供足以防止断裂或对半导体区120、130、140的其它损害的机械结构。取决于特定单个化过程，当在衬底100上时，或者在将衬底110上的器件100的集合一并从衬底110移除之后，各个器件100之间的区（“芯片间隔（street）”）可以被切片。
如图1C中所图示的，在单个化之后，器件100典型地被“翻转”以允许垫170随后被焊接到印刷电路板或者放置在灯具中，其中从有源区130发射的光通过N-区120和/或器件100的边缘出射。
如所图示的，嵌入在填充物材料180中的柱160提供了典型地由分离的底座结构提供的结构支撑和电气连接性，诸如在授予Daniel A. Steigerwald、Jerome C. Bhat和Michael J. Ludowise的USP 6,828,596“CONTACTING SCHEME FOR LARGE AND SMALL AREASEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING FLIp-CHIP DEVICES（用于大和小面积半导体发光倒装芯片器件的接触方案）”中所公开的那样，并且这通过引用并入于此。然而，通过在器件100在衬底110上的多个器件100之中时形成该支撑结构160、180，消除了对拾取、放置和将每个单独的器件100附接至底座的需要。
此外，因为器件100之间的芯片间隔将不包括金属柱160，所以沿这些芯片间隔切片以单个化器件100的难度将取决于可以位于这些芯片间隔中的化合物180或者其它材料。因为化合物180主要用于仅仅填充结构柱160之间的空间，并且自身不提供结构支撑，所以它可以包括易于切片的材料。可选地，在施加化合物180之前，可以沿这些芯片间隔构建更加简单可移除或者可切片的另一材料。例如常规易于移除的光致抗蚀剂材料可以被构建在这些芯片间隔上，然后被移除以便于切穿相对薄的区120、130、140的结构。
其它技术可以用于提供自支撑发光器件，包括在接触件150A、150B的每一个上的厚金属层的形成，如在Alexander Nickel、Jim Lei、Anneli Munkholm、Grigoriy Basin、Sal Akram和Stefano Schiaffino于2011年12月8日提交的共同未决的美国专利申请61/568,297“FORMING THICK METAL LAYERS ON A SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE（在半导体发光器件上形成厚金属层）”中所公开的那样，并且这通过引用并入于此。然而，代替两个坚固的厚金属垫，支撑垫170的至少四个的多个柱160的使用可以大幅降低由坚固的金属垫和P-区140之间的热膨胀系数（CTE）之中的差异导致的潜在变形和损害。在柱160之间的填充物材料180的使用允许具有与P-区140类似的热特性，同时还具有经受住由不同的CTE和其它因素导致的热应力的更大的柔韧性的化合物180的选择。
为了图示和理解的简易性，图1A-1C的示例实施例假定器件100的相当简单的构造。然而，本领域技术人员将认识到在一些实施例中，使用这样的简单构造的可能性可能是不存在的或者可能实现起来过于昂贵。例如，在大型发光器件100中，使用单个通孔155来将N-区120耦合至接触件150B，或者甚至假定通孔155将直接位于N-垫170B下方可能不是可行的，特别是鉴于更新的发光器件的增加的复杂性和尺寸。
当发光器件的能力增加时，用于提供这样的能力的结构的复杂性也增加。例如，发光器件可以包括多个单独的发光元件，或者占据大面积的发光元件。在这样的器件中，通过每个发光区130的均匀的电流分布是优选的，并且图1A-1C的器件100的非均匀结构可能不是适合的，其中到N-区120的接触件在左边，并且到P-区140的接触件在右边。
图2A-2C图示了具有比图1A-1C的结构更复杂的结构的示例发光器件200，其包括经由提供自支撑的金属柱便于发光管芯和自支撑器件的接触垫之间的接触的示例金属层集合。
在图2A的示例发光器件200中，提供到N-区120的接触的通孔155跨N-区120的整个区域分布，从而保证通过N-区120的电流流动基本上是均匀的。
同样地，金属接触层210跨整个P-区140延伸，以保证通过P-区120的电流流动也基本上是均匀的。图2A和2B（以较小尺度）图示了P-接触层210，其具有允许N-区通孔155延伸通过P-接触层210的绝缘区215。如图2A中所图示的，该绝缘215还延伸通过P-区140和有源区130。
绝缘层220在P-接触层210之上延伸，以允许金属层230B建立与分布式N-区通孔155的接触。在图2C的示例中，为了最小化制造复杂性，该金属层230B跨器件200的整个区域延伸，除了其中到P-接触层210的接触是所希望的之外。在该示例中，使用诸如光刻蚀刻之类的常规技术建立绝缘区225，然后形成金属层，其中绝缘区225将金属层隔离成N-金属段230B和P-金属段230A。
如图2A中所图示的，P-柱160A形成在P-金属段230A上，并且N-柱160B形成在N-金属段230B上。在形成这些柱160之后，用填充物材料180填充柱160之间的空间。然后，分别在P-柱160A和N-柱160B上形成P-垫170A和N-垫170B。
本领域技术人员将认识到可以使用柱、接触层、通孔等的各种配置中的任何一种，包括其中一些或者所有的柱160仅提供机械支撑而不提供电气连接性的配置。例如，垫170之间可以存在明显的空间，而未连接至任何的垫170的柱160可以形成在该空间下方。同样地，一些柱160可以形成在既不连接至P-金属段230A也不连接至N-金属段230B的任何区域之上。
图3A-3D图示了示例发光器件300，其包括未用于传导电流的多个“不活动的”金属柱。为了引用和理解的简易性，N-区120、有源区130和P-区140的组合以下称为发光结构310。
图3A-3D的示例发光结构310被配置成包含多个单独的发光元件310A-310L，每一个具有P-接触件和N-接触件以及这些接触件之间的非传导区域。为了方便起见，每个元件310A-310L的P和N接触件由其后跟随（p）或（n）的元件的标识符酌情标识。例如，元件310A的P和N接触件在本文中分别被标识为310A（p）和310A（n）。
取决于器件300的预期使用，各个元件310A-310L可以以各种配置中的任何一种来布置。如果元件310A-310L被布置成并联，P-金属层和N-金属层可以被形成为将所有的P-接触件连接在一起并且将所有的N-接触件连接在一起，并且柱被创建以将这些金属层耦合至外部垫。在其中元件310A-310L中的每一个单独可控的实施例中，可以为在外部可用于控制的每一个接触件形成柱，并且形成在每个柱或者柱的集合上的各个垫对应于元件310A-310L的每个可控接触件。
在图3A-3D的示例中，元件310A-310L被布置成串联。因此，金属层被形成有将相邻元件310的N和P接触件耦合在一起的段355A-355K。例如，金属段355A将元件310A的P-接触件310A（p）耦合至元件310B的N-接触件310B（n）；段355D将310D（p）耦合至310E（n）；并且段355K将310K（p）耦合至310L（n）。
在该串联连接的开始和结尾，段350A耦合至310A（n），并且350B耦合至310L（p）。跨段350A和350B的合适的电压的施加将致使电流流过串联的元件310A-310L，结果得到来自发光元件310A-310L中的每一个的光的发射。
为了最小化制造复杂性，当形成耦合至相邻元件310A-310K的N和P接触件的活动段355A-355K时，未耦合至元件310A-310K的不活动的金属段352也可以形成在每个元件310A-310L的N和P接触件之间的非传导区中，或者任何其它的非传导区中，以充当在其上可以形成不活动的柱365的种子层。
在通过元件310A-310K的串联连接的该示例中，只有形成在活动段350A和350B上的柱360A和360B是活动柱，其分别通过310A（n）和310K（p）耦合至发光结构。其它柱352中的每一个是不活动的柱，因为它们未连接至发光元件310A-310L中的任何一个。
活动柱360A、360B耦合至外部垫370A和370B，垫370A和370B的大小和位置可以被设计成易于随后安装在印刷电路板或者其它灯元件上。例如，通过创建间隔得相对远离的大垫，可以大幅降低将器件300放置和附贴于印刷电路板或者其它器具所需要的精度。
尽管图3A-3D的示例图示了每个元件310A-310L处的单个柱，但是本领域技术人员将认识到在柱的数目和发光元件的数目之间也可以存在多对一或者一对多的关系。例如，如果元件310A-310L中的每一个是独立可控的，至少两个活动柱将形成在每个元件310A-310L上，以提供到这些元件中的每一个的N和P接触件中的每一个的耦合。
如图3A-3D的该示例器件300中图示的，将器件串联连接的互连电路355A-355K（其正常由常规底座提供）可以包括在晶片级水平的支撑结构的形成中，从而避免创建提供该互连电路的这样的底座的需要。
图4图示了用于包括嵌入在填充物材料中的金属柱以提供自支撑的自支撑发光器件的创建的示例流程图。
在410处，在晶片上形成多个发光结构。这些结构可以使用常规技术形成，并且可以包括每个发光结构内的多个发光元件的形成。发光结构可以通过便于将结构切片/划片成单个化的发光器件的“巷道”或者“芯片间隔”从彼此分离。发光结构中的每一个包括夹在N-区和P-区之间的有源区，并且包括用于提供到结构的电流的到N-区和P-区的可接入接触件。
在420处，形成一个或多个金属层以便于将金属柱耦合至每个发光结构的接触件。金属层可以包括互连发光结构内的元件的电路，并且可以包括未耦合至发光结构的元件的不活动的段。
在430处，形成多个金属柱。前面提到的一个或多个金属层可以形成用于形成这些金属柱的种子层，尽管不活动的柱可以形成在非金属表面之上。一个或多个柱可以连接至到P-区的接触件，并且一个或多个柱可以连接至到N-区的接触件。如果发光结构包括多个独立可控的发光元件，一个或多个柱可以连接至可控发光元件的一个或多个接触件。
在440处，施加填充物材料以填充柱之间的空间。该填充物材料可以是具有允许其在形成的柱之间流动而不使柱变形的粘性和在硬化形式中的防止柱的随后变形的坚固性的任何材料。化合物可以被选择成具有接近P-区的CTE的热膨胀系数（CTE），以最小化随后的处理或者操作期间的热应力。化合物可以被形成为覆盖柱，然后通过使用微爆破或者其它类似的刨削技术被处理成暴露足够量的柱以允许柱耦合至垫。
如以上所指出的，形成金属柱和填充金属柱之间的空间的特定序列可以以任何次序发生。也就是说，在一些实施例中，填充物材料可以形成有开口，其中形成金属柱。填充物材料被形成来占据柱之间的空间，不论柱实际上是何时形成的。
在450处，垫被附接至耦合到发光结构的接触件的柱。通常提供两个垫，尽管如果发光结构包括多个接触件的话可以提供附加的垫。垫在发光结构上的大小和放置可以被选择成便于将单个化的发光器件安装至印刷电路板或者其它灯具的简易性。
在460处，使用常规晶片拆离技术将发光结构从晶片拆离。由于发光结构现在包括嵌入在填充物材料中的金属柱，因此在该过程以及随后的过程期间对发光结构的发光区的损害的风险是最小的。
在470处，沿分离结构的芯片间隔对发光结构切片，从而形成具有用于连接至外部电源的垫的各个（单个化的）自支撑发光器件。如以上所指出的，发光结构在仍在晶片上时可以被切片，然后当它们从晶片被拆离时被单个化。
在480处，按需对发光器件进行另外的处理。该另外的处理可以包括一个或多个磷光体层的施加、用诸如玻璃或者环氧树脂圆顶之类的透明材料对器件的封装，等等。
虽然已经在附图和上述描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被视为是说明性或示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附的权利要求能够理解和实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或者步骤，并且不定冠词“一”或者“一个”不排除多个。权利要求中的任何参考标记不应当解释为限制范围。
Claims (12)
1.一种制造发光器件的方法，所述方法包括：
在衬底上形成发光结构，发光结构包括设置在N-区和P-区之间的有源区；
形成到N-区的接触件和到P-区的接触件，
形成耦合至到N-区的接触件的第一金属段和耦合至到P-区的接触件的第二金属段；
形成多个金属柱，所述多个金属柱包括：耦合至第一金属段的至少一个第一金属柱，以及耦合至第二金属段的至少一个第二金属柱，以及不电气连接到发光结构的至少一个第三金属柱；
形成占据所述多个金属柱之间的空间的填充物材料，以及
形成多个金属垫，包括耦合至第一金属柱的第一金属垫和耦合至第二金属柱的第二金属垫，第一和第二金属垫被安置成经由第一和第二金属柱提供到N-区和P-区的外部连接。
2.权利要求1的方法，其中发光结构是形成在衬底上的多个发光结构之一。
3.权利要求2的方法，其中所述多个发光结构通过芯片间隔从彼此分离，并且所述方法还包括通过切穿芯片间隔形成各个发光器件。
4.权利要求3的方法，还包括将发光结构从衬底拆离。
5.权利要求2的方法，还包括将发光结构从衬底拆离。
6.权利要求1的方法，其中填充物材料具有与P-区的热膨胀系数没有明显不同的热膨胀系数。
7.权利要求1的方法，其中所述至少一个第一金属柱包括耦合在第一金属垫和第一金属段之间的多个第一金属柱，并且所述至少一个第二金属柱包括耦合在第二金属垫和第二金属段之间的多个第二金属柱。
8.一种发光器件，包括：
发光结构，包括N-区、P-区、设置在N-区和P-区之间的有源区、到N-区的第一接触件和到P-区的第二接触件；
多个金属柱，所述多个金属柱包括耦合至第一接触件的至少一个第一金属柱、耦合至第二接触件的至少一个第二金属柱，以及不电气连接到发光结构的至少一个第三金属柱；
占据所述多个金属柱之间的空间的填充物材料；以及
分别耦合至第一金属柱和第二金属柱，并且经由第一和第二金属柱提供到N-区和P-区的外部耦合的第一金属垫和第二金属垫。
9.权利要求8的发光器件，其中填充物材料具有与P-区的热膨胀系数没有明显不同的热膨胀系数。
10.权利要求8的发光器件，其中所述至少一个第一金属柱包括耦合在第一金属垫和第一接触件之间的多个第一金属柱，并且所述至少一个第二金属柱包括耦合在第二金属垫和第二接触件之间的多个第二金属柱。
11.权利要求8的发光器件，其中发光结构包括多个发光元件，并且发光器件包括互连所述多个发光元件中的至少两个的至少一个金属段。
12.一种晶片，包括：
衬底；
衬底上的多个发光结构，
所述多个发光结构中的每一个包括：
设置在N-区和P-区之间的有源区，
到N-区的第一接触件，
到P-区的第二接触件，
多个金属柱，所述多个金属柱包括耦合至第一接触件的至少一个第一金属柱、耦合至第二接触件的至少一个第二金属柱，以及不电气连接到所述多个发光结构中的任何一个的至少一个第三金属柱，
占据所述多个金属柱之间的空间的填充物材料，和
分别耦合至第一金属柱和第二金属柱，并且经由第一和第二金属柱提供到N-区和P-区的外部耦合的第一金属垫和第二金属垫；以及
互连所述多个发光结构中的至少两个的至少一个金属段。
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