CN104752594B - 一种用于ac‑led芯片结构倒装焊金属层的制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于AC‑LED芯片结构倒装焊金属层的制作方法，该金属层包括与AC‑LED芯片结构中整流电路的正、负电极相对应连接的上下导电区域及上下导电区域之间非导电的散热区；上下导电区域的宽度不小于50微米；上下导电区域上蒸镀有Cr、In、Ag、Au、Sn中至少两种金属，每层膜厚10～5000nm，形成多层金属结构。本发明能保障AC‑LED芯片结构金属层与基板紧紧键合在一起，避免芯片与基板键合不牢靠、接触不充分、倒装焊时出现虚焊等问题，且，能够保证基板与芯片在一个相对低的温度环境下进行倒装焊，保证芯片与基板的电路及结构不受损害，保障倒装焊芯片稳定工作及倒装焊的成功率、AC‑LED成品率；另外，还提高AC‑LED芯片的出光效率、散热性能，提高了AC‑LED的电性能和光性能。

Description

一种用于AC-LED芯片结构倒装焊金属层的制作方法
技术领域
本发明涉及一种用于AC-LED芯片结构倒装焊金属层结构额制作方法，特别是涉及一种基于共晶焊方法的AC-LED芯片结构倒装焊金属层尺寸、结构的设计。
背景技术
目前市场上的LED芯片封装技术，大部分还是正装LED芯片技术，即将芯片的有源区面朝上，背对基板和贴后键合。但是正装LED芯片存在着很多的缺点，例如：
1.由于电极和焊点对光的吸收作用，降低了芯片出光效率低；
2.p型接触结构制约了LED芯片结构的工作功率；
3.LED芯片热阻较大，直接导致芯片散热性能，制约LED的性能与寿命等。
基于上述种种缺点，倒装焊芯片技术需要得以研究和推广。倒装结构(Flip-chip)的LED有许多的优点：
1)在倒装结构中，光是从蓝宝石衬底取出，而非从具有光吸收特性的Ni/Au电流扩散层取出。由于不从电流扩散层出光，这样不透光的电流扩散层可以加厚，以增加倒装芯片的电流密度。
2)活性层中发出的向下的光可以被P电极反射，导致了光取出的增加。
3)这种结构还可以将PN结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底，这避免了在传统的正装结构中的由于蓝宝石衬底的低散热系数所导致的散热问题。
4)可以通过增加P电极的厚度来增加电流的扩散，取代薄的Ni/Au接触，减少扩散阻抗。
AC-LED是一种将交流电甚至是市电直接连入LED，并使其发光的新型LED，它的出现让LED能够更加方便的被人们所使用。当然它也存在一些问题，例如频闪问题，功率较大，出光效率，芯片散热等问题。其中为了能够解决AC-LED芯片散热以及出光效率的难题，在封装时，人们开始采用倒装焊芯片技术，倒装焊芯片技术则将芯片有源区面对基板，通过芯片上呈阵列排列的焊料凸点实现芯片与衬底的互硅片直接以倒扣方式安装到PCB从硅片向四周引出I/O互联，形成最短电路，降低电阻，提升电性能，此外，出光效率，散热等问题也能够得到很好的改善与提高。
将芯片与基板进行互联时，实现的方法主要有导电胶粘接和共晶焊接。共晶焊接又称为低熔点合金焊接，它是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象，共晶合金直接从固态变成液态，而不经过塑性阶段。共晶焊料是由两种或两种以上金属组成的合金，其熔点远远低于合金中任一种金属的熔点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于AC-LED芯片结构倒装焊金属层结构的制作方法，能够保障AC-LED芯片结构金属层与基板紧紧键合在一起，避免芯片与基板键合不牢靠，接触不充分，倒装焊时出现虚焊等等的问题，而且，能够保证基板与芯片是在一个相对低的温度环境下进行倒装焊，低温焊接保证了芯片与基板的电路以及结构能够不受损害，充分保障了倒装焊芯片的稳定工作，以及倒装焊的成功率，AC-LED的成品率。另外，还能够提高AC-LED芯片的出光效率、散热性能等等，很好的提高了AC-LED的电性能和光性能。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种用于AC-LED芯片结构倒装焊金属层结构，其特征在于，所述金属层包括与AC-LED芯片结构中整流电路的正、负电极相对应连接的上下导电区域及上下导电区域之间非导电的散热区；所述上下导电区域的宽度不小于50微米；该上下导电区域上蒸镀有Cr、In、Ag、Au、Sn中至少两种金属，每层膜厚10～5000nm，形成多层金属结构。
进一步，所述的上下导电区域呈条状或带状。
本发明的用于AC-LED芯片结构倒装焊金属层结构的制作方法，包括如下步骤：
1)倒装焊金属层设计
所述金属层包括与AC-LED芯片结构中整流电路的正、负电极相对应连接的上下导电区域及上下导电区域之间非导电的散热区；所述上下导电区域的宽度不小于50微米；
2)在AC-LED芯片结构上覆一层介质层，封住LED芯片表面；
3)在上述介质层上通过光刻工艺获得步骤1)所设计的金属层图案，对导电区域进行曝光，使得导电区域不存在光刻胶，其他区域保留光刻胶；
4)对AC-LED芯片倒装焊金属层进行蒸发镀膜，依次在光刻图案上，蒸镀Cr、In、Ag、Au、Sn中至少两种金属，形成每层膜厚10～5000nm的多层金属结构；
5)运用有机溶液对导电区域进行冲洗，将存在光刻胶的导电区域冲洗掉，保留下所需要的导电区域，这样就形成了AC-LED倒装焊金属层。
进一步，所述的介质层采用SiO2。
又，所述的上下导电区域呈条状。
所述的有机溶液包括丙酮溶液。
本发明所设计的金属层结构中，散热区域面积较大，能够有效解决AC-LED芯片的散热问题。
本发明选择Cr、In、Ag、Au、Sn作为共晶焊金属，Cr保证合金能够与LED芯片的粘附力足够大，Au的稳定性避免了金属条不被氧化，保证了LED芯片倒装焊时金属条不被氧化，Sn、Au合金成分保证了合金的较低熔点，为倒装焊提供一个较低的温度，避免了较高温度对AC-LED芯片的损害，保障了AC-LED芯片的稳定性，以及光、电各方面的优良性能。
(In)Sn:(Ag)Au的比例在1:1至100:1之间，合金成分保证了合金的较低熔点，为倒装焊提供一个较低的倒装焊温度(100～400℃，压力为1g/cm2～100Kg/cm2，惰性气体保护)。避免了较高温度对AC-LED芯片的损害，保障了AC-LED芯片的稳定性，以及光、电各方面的优良性能。
此外，金属层的厚度也影响着倒装焊的质量与效果，相对厚的金属层能够保证了芯片与基板在倒装焊键合时候能够充分接触、融合，这样才能保证芯片与基板之间的粘附力较大，才能使得倒装焊芯片不易于从基板脱落，也有利于AC-LED芯片的电极与基板之间的导电性能良好，使得AC-LED的电、光性能比较良好。
本发明所选择的共晶焊的金属组合能够保障AC-LED芯片结构金属层与基板紧紧键合在一起，避免芯片与基板键合不牢靠，接触不充分，金属条的平整度避免了倒装焊时出现虚焊等等的问题，而且此种共晶焊能够保证基板与芯片是在一个相对低的温度环境下进行倒装焊，低温焊接保证了芯片与基板的电路以及结构能够不受损害，充分保障了倒装焊芯片的稳定工作，以及倒装焊的成功率，AC-LED的成品率。本发明能够提高AC-LED芯片的出光效率、散热性能等等，很好的提高了AC-LED的电性能和光性能。
附图说明
图1为AC-LED芯片的电路图。
图2为AC-LED芯片结构倒装焊金属层的设计图案。
图3为AC-LED芯片结构倒装焊金属层的金属成分。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：
图1为AC-LED电路图，多颗LED串联起来组成一个高压LED10，将高压LED串联起来组成一个高压LED阵列20，通过桥式整流电路30对于高压LED阵列20的整流，高压LED阵列即可在交流电甚至是市电的环境下进行工作，这就是AC-LED，如图1所示，交流电从桥式电路中整流二极管的P、N极，即‘+’，‘-’两极接入。在AC-LED芯片结构设计中，添加一介质层-SiO2层，封住LED芯片表面，然后在SiO2层通过光刻、蒸发镀膜等技术设计出应用于倒装焊AC-LED芯片的AC-LED芯片结构的金属层的图案。
图2为AC-LED芯片倒装焊层电极的具体设计图案，所设计的倒装焊金属层包含与桥式整流电路30中两个整流二极管的正、负电极相连接的上下导电区域1、2——上下金属条，以及上下金属条之间的散热区3。
以下是所设计AC-LED芯片结构的金属层的具体尺寸：
边框正方形边长为2090μm，上导电区域1—上金属条L＝1990μm，W＝250μm，散热区3—中间金属条L＝1990μm，W＝1350μm，下导电区域2—下金属条L＝1990μm，W＝150μm，上金属条与正方形左右边界相距50μm，与散热区上边界相距50μm，上下导电区域1、2与散热区3之间的间隙距离＝120μm，上下导电区域与散热区左右边界相距50μm，与散热区下边界相距50μm，上下导电区域(上下金属条)分别连接着桥式整流电路中二极管的P电极、N电极，上下金属条即对应图1中桥式整流电路30中的正、负电极。两个电极中间正方形区域为散热区，散热区面积占据整个AC-LED芯片倒装焊金属层的大部分，这样能够较好的解决AC-LED芯片的散热问题。
本发明制作AC-LED芯片倒装焊金属层的工艺流程为：
1)倒装焊金属层设计
所述金属层包括与AC-LED芯片结构中整流电路的正、负电极相对应连接的上下导电区域及上下导电区域之间非导电的散热区；所述上下导电区域的宽度不小于50微米；
2)在AC-LED芯片结构上覆一层介质层，封住LED芯片表面；
3)在上述介质(SiO2)层上通过光刻工艺获得步骤1)所设计的金属层图案，对导电区域进行曝光，使得导电区域不存在光刻胶，其他区域保留光刻胶；
4)对AC-LED芯片倒装焊金属层进行蒸发镀膜，依次在光刻图案上，蒸镀Cr、In、Ag、Au、Sn中至少两种金属，形成每层膜厚10～5000nm的多层金属结构；
5)运用有机溶液对导电区域进行冲洗，将存在光刻胶的导电区域冲洗掉，保留下所需要的导电区域，这样就形成了AC-LED倒装焊金属层。
实施例
本发明制作AC-LED芯片倒装焊金属层的工艺流程为：
1)倒装焊金属层设计
金属层设计为方形边框结构，包括与桥式整流电路的正、负电极相连接的上下导电区域以及上下导电区域之间非导电的散热区；
2)在AC-LED芯片结构上覆一层SiO2层，封住LED芯片表面；
3)在上述SiO2层通过光刻工艺获得步骤1)所设计的金属层图案，对上下导电区域进行曝光，使得上下导电区域不存在光刻胶，其他区域保留光刻胶；
4)对AC-LED芯片倒装焊金属层进行蒸发镀膜，依次在光刻图案上蒸镀Cr、Au、Sn金属，制作出具有不同膜厚的金属层结构，其中，Cr层20nm，Sn层3μm，Au层300nm；
5)运用丙酮溶液对金属层进行冲洗，将存在光刻胶的金属条区域冲洗掉，保留下所需要的三块金属条区域，这样就形成了AC-LED倒装焊金属层。
本发明所设计的AC-LED芯片倒装焊金属层的金属组成成分如图3所示。首先为了使共晶焊金属与LED芯片能够有较强的粘附力，本发明选择了Cr金属作为LED芯片倒装焊金属层的第一层金属，这样就能够使得共晶焊金属能够与LED芯片有比较理想的粘附力，为AC-LED芯片的倒装的成功率提供了保障。Cr之上为Sn金属，紧接着是Au金属，Au、Sn合金按1:1的比例构成。
本发明设计所选择的金锡合金熔点较低，倒装焊温度为280℃，为AC-LED倒装焊提供了方便，也避免了倒装焊较高的温度对AC-LED芯片的损害，金锡合金与镀金层成分接近，因而通过扩散对很薄镀层的浸润程度很低。液态的金锡合金具有很低的粘滞性，从而可以填充一些很大的空隙，另外，此种比例的焊料还具有高耐腐蚀性、高抗蠕变性及良好的导热和导电性，这些优点保证了倒装焊的成功率，以及AC-LED的各项性能。此外金的稳定性防止了AC-LED电极的氧化。
本发明应用于AC-LED芯片倒装焊技术的AC-LED芯片结构的金属层的设计方法，将倒装焊技术与AC-LED的结合，是AC-LED芯片封装的一种新的尝试。运用倒装焊封装技术，能够有效改善与提高AC-LED的散热、出光效率以及电性能，从而为AC-LED能够被广泛应用到日常生活、生产中打下了坚实的基础。

Claims (4)

1.一种用于AC-LED芯片结构倒装焊金属层结构的制作方法，包括如下步骤：
1)倒装焊金属层设计
所述金属层包括与AC-LED芯片结构中整流电路的正、负电极相对应连接的上下导电区域及上下导电区域之间非导电的散热区；所述上下导电区域的宽度不小于50微米；
2)在AC-LED芯片结构上覆一层介质层，封住LED芯片表面；
3)在上述介质层上通过光刻工艺获得步骤1)所设计的金属层图案，对导电区域进行曝光，使得导电区域不存在光刻胶，其他区域保留光刻胶；
4)对AC-LED芯片倒装焊金属层进行蒸发镀膜，依次在光刻图案上，蒸镀Cr、In、Ag、Au、Sn中至少两种金属，形成每层膜厚10～5000nm的多层金属结构；
5)运用有机溶液对导电区域进行冲洗，将存在光刻胶的导电区域冲洗掉，保留下所需要的导电区域，这样就形成了AC-LED倒装焊金属层。
2.如权利要求1所述的用于AC-LED芯片结构倒装焊金属层结构的制作方法，其特征在于，所述的介质层采用SiO2。
3.如权利要求1所述的用于AC-LED芯片结构倒装焊金属层结构的制作方法，其特征在于，所述的上下导电区域呈条状。
4.如权利要求1所述的用于AC-LED芯片结构倒装焊金属层结构的制作方法，其特征在于，所述的有机溶液包括丙酮溶液。
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