CN105340089A - 具有在金属化层之下的应力缓冲层的led - Google Patents

Abstract

在蓝宝石衬底（10）的图案化的表面上外延生长半导体LED层。图案化的表面改进光提取。LED层包括p型层和n型层。LED层被蚀刻以暴露n型层。一个或多个第一金属层被图案化以电气接触p型层和n型层以形成p金属接触件（32）和n金属接触件（33）。在第一金属层之上旋涂电介质聚合物应力缓冲层（36）以在第一金属层之上形成基本上平面的表面。应力缓冲层具有暴露p金属接触件和n金属接触件的开口。金属焊接垫（44，45）在应力缓冲层之上形成并且通过应力缓冲层中的开口电气接触p金属接触件和n金属接触件。应力缓冲层充当调节焊接垫和下面的层的CTE中的差异的缓冲物。

Description

具有在金属化层之下的应力缓冲层的LED

技术领域

本发明涉及封装发光二极管（LED），并且特别地涉及在LED半导体层和焊接垫金属化层之间的应力缓冲层。

背景技术

薄膜倒装芯片（TFFC）LED具有在底表面上的阳极和阴极接触件，所述底表面与发光表面相对。因此，这样的TFFCLED将整个顶部管芯区域表面用于光输出，因为用于引线键合的顶侧（光输出侧）金属化是不必要的。然而，就TFFCLED而言，典型地使用包括蓝宝石衬底剥离（针对基于GaN的LED）和外延层（EPI）粗糙化（以改进光提取）的管芯级过程，这大幅增加封装成本。不要求移除蓝宝石衬底而同时仍旧实现良好光输出提取将是有益的。

传统的TFFCLED具有形成于LED半导体层上的暴露部分p和n型半导体层的刚性电介质层。然后，在电介质层之上沉积相对薄的图案化金属层（或多层）以直接接触p和n型半导体层，以创建在金属与p和n型半导体层之间的欧姆接触。然后诸如通过镀层来在（多个）薄欧姆接触金属层之上形成厚得多的金属垫（还包括各种金属层），以用作用于将LED安装到印刷电路板或者其它衬底的LED的焊接垫。然后可以将焊料凸块沉积在焊接垫上。

就这样的传统TFFCLED和过程而言的问题在于，诸如由于失配的热膨胀系数（CTE），在半导体层、（多个）薄金属层和厚垫层之间具有应力。因此，诸如在操作或者处理期间，LED的热循环创建应力，该应力可能使金属层从彼此和从半导体层分层，或者导致脆性层在应力集中点处的破裂，这可能导致失效。提供减少这样的应力以增加LED的可靠性的技术将是有益的。

就传统TFFCLED和过程而言的另一问题在于，其上形成厚焊接垫的表面不是平面的。因此难以获得均匀厚度的平坦焊接垫。具有均匀厚度的平坦焊接垫对于LED和印刷电路板或其它衬底之间的电气和热传导是有益的。提供在沉积（例如，镀层）焊接垫之前平面化LED结构的“底”表面的技术将是有益的。

发明内容

本发明的一个实施例通过使用晶片级芯片规模封装（WLCSP）过程来解决以上所有问题，所述WLCSP过程图案化蓝宝石衬底以得到改进的光提取并且形成厚金属焊接垫和与半导体层欧姆接触的薄金属之间的应力缓冲层。应力缓冲层还在形成厚焊接垫之前平面化LED的底表面。这帮助创建更平坦且更均匀的焊接垫以得到改进的电气和热传导性。通过保留作为封装后的LED的部分的蓝宝石衬底，在最终封装中存在用于薄LED层的有益刚性机械支撑。还避免了移除衬底的成本。

本文所描述的晶片级过程减少器件的总制造成本，改进可靠性，并且在电学上、热学上和光学上维持最佳总体性能。

附图说明

图1是具有外延生长在图案化表面之上的LED层的图案化蓝宝石衬底的一部分的横截面视图。

图2图示了做出到p和n型LED层的欧姆接触的分布式金属接触件。

图3图示了沉积在分布式金属接触件之上并且被图案化以暴露分布式金属接触件的部分的平面应力缓冲层。还示出应力缓冲层与分布式金属接触件之间的可选钝化层以用于创建密封和阻止金属原子从随后形成的金属焊接垫的迁移。

图4图示了镀在平面应力缓冲层和分布式金属接触件的暴露的部分之上的相对厚的金属焊接垫。

图5图示了沉积在金属焊接垫上的焊料凸块。

图6图示了通过激光划片和断开而单分的衬底。

图7图示了在使用图6的单分方法单分之后的单个LED。在图7中除去了可选钝化层。

图8图示了在使用导致衬底边缘粗糙化并且衬底缩窄的机械锯切（针对蓝宝石衬底）以及划片和断开（针对LED层）的组合单分之后的单个LED，其中简化金属层。

相同的或相似的元件利用相同的数字来标记。

具体实施方式

图1-8图示了依照本发明的一个实施例的晶片级过程流。为了简化，仅示出大得多的晶片上的单个LED区域。针对所图示的LED区域示出的每个步骤适用于大晶片上的所有LED区域。

参照图1，创建LED的晶片的过程流以图案化的蓝宝石衬底（PSS）10开始。衬底10将典型地具有盘形形状，并且对LED所发射的光是基本上透明的。诸如通过研磨、喷“砂”、化学蚀刻、等离子体蚀刻或其它粗糙化过程来粗糙化（图案化）一个表面12。粗糙化通过减少全内反射（TIR）来改进光提取。衬底10表面12可以以任何有序或随机的方式图案化以改进光提取。

在移除蓝宝石衬底之后，通常执行粗糙化常规倒装芯片LED的半导体层发光表面。相比之下，本过程保留蓝宝石衬底并且粗糙化其生长表面。

在一个实施例中，然后将常规的基于GaN的半导体LED层外延生长在衬底10的经粗糙化的表面12之上。在一个实施例中，n型层14生长在表面12之上，而后是有源层16和p型层18。在一个实施例中，有源层16在LED被供能时产生蓝光。

为了简化，在其余图中将各种半导体LED层示出为单个LED层20。

在图2中，执行标准过程流以形成薄金属欧姆接触件。诸如银、镍或合金或多个层之类的薄反射金属层22诸如通过溅射而沉积在p型层的表面上并且被图案化。在退火之后，金属层22创建与p型层的欧姆接触。

然后将钛、钨或任何合金的金属层24沉积在金属层22之上并且对其进行图案化。金属层24改进对后续金属层的附着。层24还可以充当阻止原子跨层迁移的阻挡层。金属层24可以称为界面层。金属层22和24的组合的厚度将典型地小于一微米。

在位置26处蚀刻LED层20以移除部分p型层和有源层以暴露n型层。

然后将电介质层28沉积在表面之上和位置26处的开口中。然后对电介质层28进行图案化以暴露金属层24的部分并且在位置26处暴露n型层。

然后将诸如铝、镍、钛钨合金、铜、金或合金之类的较厚金属层30沉积在电介质层28之上和开口中以欧姆接触p型层和n型层。金属层20可以是堆叠的层。然后图案化金属层30以从n金属接触件33分离p金属接触件32。金属层30可以为几微米厚。

以上的金属化过程可以是常规的，因此对于本领域技术人员而言不要求另外的细节。

到p型层和n型层的金属连接可以分布在整个LED区域之上以便跨LED更加均匀地分布电流。这将提供来自LED顶表面的基本上均匀的光发射。

由于金属层30填充开口并且被蚀刻，因此结果得到的金属层30不是平面的。如果对金属层30进行镀层以形成金属焊接垫，焊接垫将不是平面的和厚度均匀的。合期望的是为了良好的电气和热传导性而提供平面的和均匀厚度的焊接垫。

在图3中，沉积诸如PECVDSiNx之类的可选薄钝化层34以阻止铝原子从随后形成的焊接垫迁移到半导体层中。取决于用于层22、24和30以及焊接垫的金属，可能不需要钝化层34。钝化层34还可以用于抵御任何水分或严苛的/腐蚀性环境的密闭性密封。钝化层34的典型厚度可以是0.5-1.5um，并且优选地为0.8-1.2um。SiNx是针对水分的已知阻挡层，虽然还可以使用SiOx（或SiO2）或SiOx/SiNx混合物。

由于钝化层34通过PECVD过程形成，其在非平面表面之上将相当均匀，因此它的表面将不是平面的。

接下来，在图3中，将诸如苯并环丁烯（BCB）之类的应力缓冲层（SBL）36（例如通过旋涂涂敷）涂敷到表面上。SBL36是作为液体沉积的电介质聚合物。因此，沉积过程形成SBL36的平面层。还可以使用通过蒸发的沉积。在一个实施例中，SBL层36的厚度是1-3um。

在通过加热固化SBL36之前，对SBL36进行掩蔽、曝光和显影以形成一个或多个过孔开口38，其暴露钝化层34。光BCB在商业上可得到并且具有光致抗蚀剂的性质。然后固化SBL36。钝化层34蚀刻通过使用SBL38作为掩蔽层来执行。这暴露p金属接触件32和n金属接触件33。

诸如BCB、PBO：聚苯并恶唑或PI：聚酰亚胺之类的合适的SBL36材料的典型热导率为大约0.3W/m.K。由于SBL36是薄的，因此这对于1mm²管芯大小足以得到非常好的热传导性。在固化和钝化蚀刻之后的典型SBL36厚度应当是~1um的最小值，以提供适当的台阶覆盖，其对于电气击穿强度是足够的。

要指出的是，蚀刻到LED层20中的蚀刻步骤还创建围绕每一个LED区域的沟槽，其至少部分地填充有SBL36和钝化层34以得到LED的增加的保护/密封。

在图4中，沉积（也就是图案化）金属重分布层（RDL）以形成电气连接到p型和n型LED层20的焊接垫44和45。这可以通过如下的穿过光致抗蚀剂的镀层方案来完成。首先，诸如通过溅射或蒸发来沉积种子金属层叠层（例如，TiW/Cu1000/2000埃厚），而后通过光刻（光致抗蚀剂涂敷、曝光和光致抗蚀剂的显影）来仅暴露要进行镀层的那些区域。然后对暴露的RDL叠层进行电镀，诸如利用到2-20um/2um/0.3um的厚度的Cu/Ni/Au。剥去光致抗蚀剂，而后蚀刻暴露的种子金属叠层，导致图4的结构。Ni被用作焊料阻挡层，并且Au被用作焊料润湿层。镀层是用于形成厚焊接垫的众所周知的过程。

可替换地，RDL可以使用图案化蚀刻或剥离方案来沉积和图案化，这具有增加的材料/过程成本。

通过提供SBL36，表面被平面化使得结果得到的焊接垫44/45相当平坦且厚度均匀以均一地扩散热量。提供平坦且厚度均匀的焊接垫44/45改进从LED层20到LED最终将安装在其上以用于操作的热沉/衬底的电气和热传导性。在该阶段，可以测试晶片。

应力缓冲（SBL）36的使用释放由材料的不同CTE导致的焊接垫44/45与下面的层之间的应力，降低分层的可能性，并且降低脆性层（例如层20）在应力集中点处破裂的可能性（其可能导致失效）。例如，焊接垫44/45可能以与下面的材料不同的速率膨胀，并且可能关于SBL36移位，或者使SBL36变形。然而，甚至在这样的不同CTE的情况下，在焊接垫44/45与p金属接触件32和n金属接触件33之间的接触点也不断开，因为应力已经被SBL36释放。如果SBL36不是平面的（平坦且光滑），焊接垫44/45到SBL36的横向附着将大得多，从而降低SBL36的有效性。对于一些SBL36材料（诸如BCB），在材料的不同膨胀的情况下SBL36可以被硬固化或软固化以保留目标弹性以便变形而不从焊接垫44/45分层。聚合物SBL36将典型地比典型地用作电介质的非聚合物二氧化硅氧化物层或者氮化硅层更具弹性。

如之前所提到的，SBL36还通过提供平面化的表面来改进焊接垫44/45的质量，并且SBL36还添加用于减少污染的阻挡层。SBL36非常薄并且是相当好的热导体，因此LED与热沉之间的热传导没有被SBL36大幅降低。

优化的设计或布局提供优化的热学性能。例如，已经针对1mm²管芯实现了从金属/半导体结到焊料凸块48A和48B（图5）的2K/W的非常好的热阻Rth。

如图5中所示，然后可以使用常规技术来将焊料凸块48A和48B沉积在焊接垫44和45上。晶片级焊料凸块制作可以通过利用图案化蚀刻的电镀或PVD过程来执行，或者使用沉积和剥离技术来执行，或者使用丝网印刷来执行，或者使用焊料球以及拾取和放置技术来执行，或者使用任何其它的标准凸块制作过程来执行。这样的技术是众所周知的并且不需要进行详细描述。因此，焊料凸块48A和48B可以是平坦的或者是圆形的。如果使用AuSn或其它昂贵的共晶焊料材料，则为了降低管芯附连高度、改进热传导性并且实现较低成本，焊料凸块48A和48B应当是薄的并且均匀地涂敷焊接垫44/45。焊料凸块48A和48B的厚度范围可以是1-100um，并且优选为5-10um。焊料凸块48A和48B可以是Au、AuSn、或者任何其它合适的金属或合金。

蓝宝石衬底10可以在该阶段减薄，并且诸如通过研磨和/或爆破（blasting）而提供有期望的表面纹理，以降低LED高度并且改进光输出。目标衬底10厚度可以取决于管芯大小而变化，诸如从10到1000um，并且优选为200-400um。100-400um的厚度的合适性已经使用不需要晶片支撑系统的常规背部研磨过程（晶片安装在胶带膜或框架上）而被成功地论证。然而，对于小于100um的目标蓝宝石厚度，可能需要晶片支撑系统以避免在研磨期间的断开/破裂。

最后，如图6中所示，将晶片单分成单独的LED（块）。这已经通过激光划片和断开针对具有边长为0.7-1.4mm的管芯大小的80-300的蓝宝石厚度而进行，其具有<<0.5%的卓越的划片和断开良率损失。衬底10的激光划片由刀片52表示，并且断开线由虚线54表示。单分的LED的边缘相对精确和垂直。

通过在最终的LED上保留蓝宝石衬底10，处理成本通过不必移除衬底10而节约。还增加了良率。

在需要厚得多（例如>400um）蓝宝石衬底10的情况下，机械锯切以及激光划片和断开的组合良好地工作，但是由于缓慢的锯切速度（为了最小化的碎片，典型地~1mm/s）而以降低的吞吐量进行。

图7图示了没有可选钝化层34（与图3相比）的单分的LED。

图8图示了在通过衬底10的机械锯切和LED层20的激光划片和断开的组合单分之后的简化的LED。作为结果，管芯的蓝宝石侧在每一侧上缩窄（缩窄锯切刀片的宽度的一半），使得LED层20延伸超过衬底10。如果衬底10（发光表面）稍后涂敷有磷光体，则这可能是有利的，因为将涂敷各侧。而且，衬底10的粗糙边缘可以改进光提取。

在一个实施例中，通过将LED焊接垫键合到基板晶片顶表面上的垫来将单分的LED安装在基板晶片上。拾取和放置机将LED定位在基板上，而后是加热步骤或者超声键合步骤以将LED焊接垫键合到基板垫。然后在晶片规模上进一步处理LED，诸如通过模制的硅树脂透镜进行单独地包封和/或覆盖有磷光体（在通过透镜进行包封之前或之后）。透镜材料自身也可以注入有磷光体粉末。例如，磷光体可以将蓝色LED光转换成白光。然后单分基板晶片。基板在其底表面上具有鲁棒的焊接垫，所述焊接垫利用过孔电气连接到LED焊接垫。可替换地，LED可以直接安装在印刷电路板上。

在管芯附连、磷光体沉积和圆顶透镜建立之后的最终累积良率已经为>99%。

虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但是对本领域技术人员而言将显而易见的是，可以做出改变和修改而不脱离于以其较宽方面的本发明，并且因此随附权利要求要在其范围内涵盖如落在本发明的真正精神和范围内的所有这样的改变和修改。

Claims (15)

1.一种发光器件，包括：

基本上透明的生长衬底；

布置在衬底上的发光二极管（LED）层，LED层包括p型层和n型层；

电气接触p型层和n型层以形成p金属接触件和n金属接触件的一个或多个金属接触层；

布置在p金属接触件和n金属接触件之上的电介质聚合物应力缓冲层，应力缓冲层在p金属接触件和n金属接触件之上形成基本上平面的表面，应力缓冲层具有暴露p金属接触件的部分和n金属接触件的部分的两个或更多开口；以及

布置在应力缓冲层之上的金属焊接垫，其中金属焊接垫通过应力缓冲层中的开口电气连接到p金属接触件和n金属接触件。

2.权利要求1的器件，其中应力缓冲层是弹性的以便当金属焊接垫在施加热量时以与其下面的材料不同的速率膨胀时变形。

3.权利要求1的器件，其中应力缓冲层包括苯并环丁烯（BCB）。

4.权利要求1的器件，其中生长衬底具有在其上外延生长LED层的生长表面，其中生长表面在生长LED层之前被图案化。

5.权利要求1的器件，其中蚀刻LED层以暴露p型层和n型层之一以用于电气连接到p金属接触件或n金属接触件，其中蚀刻还创建围绕器件的沟槽，其中应力缓冲层至少部分地填充沟槽。

6.权利要求1的器件，还包括在应力缓冲层与p金属接触件和n金属接触件之间的钝化层。

7.权利要求1的器件，其中器件是倒装芯片LED。

8.权利要求1的器件，还包括焊接垫上的焊料凸块。

9.权利要求1的器件，其中衬底包括蓝宝石并且LED是基于GaN的。

10.权利要求1的器件，其中一个或多个金属接触层包括与p型层和n型层之一物理接触的金属接触层以及在接触层与焊接垫之间的界面层。

11.权利要求1的器件，其中焊接垫包括多个金属层。

12.一种用于形成发光器件的方法，包括：

在基本上透明的生长衬底上外延生长发光二极管（LED）层，LED层包括p型层和n型层；

沉积和图案化一个或多个金属接触层，所述一个或多个金属接触层电气接触p型层和n型层以形成p金属接触件和n金属接触件；

在p金属接触件和n金属接触件之上沉积电介质聚合物应力缓冲层，应力缓冲层在p金属接触件和n金属接触件之上形成基本上平面的表面，应力缓冲层具有暴露p金属接触件的部分和n金属接触件的部分的两个或更多开口；以及

在应力缓冲衬底层之上形成金属焊接垫，金属焊接垫通过应力缓冲层中的开口电气接触p金属接触件和n金属接触件。

13.权利要求12的方法，其中应力缓冲层是弹性的以便当金属焊接垫在施加热量时以与其下面的材料不同的速率膨胀时变形。

14.权利要求12的方法，其中应力缓冲层包括苯并环丁烯（BCB）。

15.权利要求12的方法，还包括蚀刻LED层以暴露p型层和n型层之一以用于电气连接到p金属接触件或n金属接触件，其中蚀刻还创建围绕器件的沟槽，其中应力缓冲层至少部分地填充沟槽。