CN109449271A - 一种具有焊料电极的led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有焊料电极的LED芯片，包括衬底；设置在衬底上的发光结构，所述发光结构包括依次设置在衬底上的第一半导体层、有源层、第二半导体层、反射层和第一绝缘层；设置在第一绝缘层表面的第一金属层；设置在第一金属层上和隔离槽内的第二绝缘层；设置在第二绝缘层上的第二金属层；贯穿第二金属层和第二绝缘层并分别于第一电极和第二电极连接的焊料金属层；所述第一金属层的润湿性大于第二金属层的润湿性。相应地，本发明还提供了一种具有焊料电极的LED芯片的制作方法。本发明的焊料金属层在第一金属层上进行团聚，进行二次生产，进而增加焊料金属层的厚度。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种具有焊料电极的LED芯片及其制作方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种利用载流子复合时释放能量形成发光的半导体器件，LED芯片具有耗电低、色度纯、寿命长、体积小、响应时间快、节能环保等诸多优势。
倒装LED芯片和正装LED芯片相比，具有电流分布均匀、散热好、电压降低、效率高等诸多优点。因此，倒装LED芯片被提出后，迅速受到广泛的关注，并取得了一系列进展。但是，和正装LED芯片相比，倒装LED芯片在进行共晶焊接固晶时需要在基板上焊接芯片的位置点上锡膏，再将倒装LED芯片放置在锡膏上，经过回流焊接后，倒装LED芯片被固定在基板上。
但是，这种点锡膏的方式无法精确的控制锡膏的用量，锡膏用量少了容易导致焊接不良和空洞率上升，从而导致芯片VF高以及老化失效；锡膏量过多则芯片在焊接过程中容易发生位置的漂移，从而影响封装焊接的良率。
现有的倒装LED芯片可以通过在芯片表面光刻图形化后沉积金属的方式获得厚度均匀的焊料层金属，但由于现有的负性光刻胶厚度往往在5μm以内，导致焊料层金属的厚度也只能沉积5μm以内，否则将无法进行后续的图形化工艺。但5μm以内的焊料层金属无法满足共晶焊接的要求，需要进一步提升芯片上焊料层的厚度，才可以保证消除焊接空洞，保证封装的良率和稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有焊料电极的LED芯片，增加了焊料金属层的厚度，防止电极与基板之间发生焊接空洞，提高焊接良率和稳定性。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种具有焊料电极的LED芯片的制作方法，突破了光刻胶厚度对于焊料金属层厚度的限制，增加了焊料金属层的厚度，防止电极与基板之间发生焊接空洞，提高焊接良率和稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有焊料电极的LED芯片，包括：
衬底；
设置在衬底上的发光结构，所述发光结构包括依次设置在衬底上的第一半导体层、有源层、第二半导体层、反射层和第一绝缘层；
设置在第一绝缘层表面的第一金属层，所述第一金属层一部延伸至第一半导体层并与第一半导体层连接，以形成第一电极，所述第一金属层一部分延伸至反射层并与反射层连接，以形成第二电极，其中，第一电极和第二电极之间设有至少一条隔离槽；
设置在第一金属层上和隔离槽内的第二绝缘层；
设置在第二绝缘层上的第二金属层；
贯穿第二金属层和第二绝缘层并分别于第一电极和第二电极连接的焊料金属层；
所述第一金属层的润湿性大于第二金属层的润湿性。
作为上述方案的改进，所述第一金属层由Ni、Au、Ti和In中的一种或几种制成，其厚度为0.5-3μm。
作为上述方案的改进，所述第二金属层由Cu、CO、Fe和Zn中的一种或几种制成，其厚度为0.5-3μm。
作为上述方案的改进，所述焊料金属层由Au或Au合金制成，其厚度为10-14μm。
相应地，本发明还提供了一种具有焊料电极的LED芯片的制作方法，包括：
在衬底上形成发光结构，所述发光结构包括依次设置在衬底上的第一半导体层、有源层、第二半导体层、反射层和第一绝缘层；
对所述发光结构进行刻蚀，形成刻蚀至第一半导体层的第一孔洞，刻蚀至反射层表面的第二孔洞；
在第一绝缘层上和第一孔洞、第二孔洞内形成第一金属层，所述第一金属层与第一半导体层连接，以形成第一电极，所述第一金属与反射层连接，以形成第二电极，其中，第一电极和第二电极之间设有至少一条隔离槽；
在第一金属层上和隔离槽内形成第二绝缘层；
在第二绝缘层上形成第二金属层，所述第一金属层的润湿性大于第二金属层的润湿性；
对第二金属层和第二绝缘层进行刻蚀，刻蚀至第一电极表面形成第三孔洞，刻蚀至第二电极表面形成第四孔洞；
在第二金属层的表面和第三孔洞、第四孔洞内形成金属焊料层；
采用加热、超声或真空的方式，使金属焊料层通过团聚的方式二次生长到第一电极和第二电极上，以增加金属焊料层的厚度。
作为上述方案的改进，金属焊料层的加热温度为400-700℃，超声频率大于等于20KHz，真空压强小于10-3Pa。
作为上述方案的改进，所述第一金属层由Ni、Au、Ti和In中的一种或几种制成，其厚度为0.5-3μm。
作为上述方案的改进，所述第二金属层由Cu、CO、Fe和Zn中的一种或几种制成，其厚度为0.5-3μm。
作为上述方案的改进，所述焊料金属层由Au或Au合金制成，其厚度为10-14μm。
作为上述方案的改进，所述隔离槽贯穿所述第一金属层，以将第一电极和第二电极隔离开。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明提供的一种具有焊料电极的LED芯片，包括衬底；设置在衬底上的发光结构，所述发光结构包括依次设置在衬底上的第一半导体层、有源层、第二半导体层、反射层和第一绝缘层；设置在第一绝缘层表面的第一金属层，所述第一金属层一部延伸至第一半导体层并与第一半导体层连接，以形成第一电极，所述第一金属层一部分延伸至反射层并与反射层连接，以形成第二电极，其中，第一电极和第二电极之间设有至少一条隔离槽；设置在第一金属层上和隔离槽内的第二绝缘层；设置在第二绝缘层上的第二金属层；贯穿第二金属层和第二绝缘层并分别于第一电极和第二电极连接的焊料金属层；所述第一金属层的润湿性大于第二金属层的润湿性。具体的，湿润性大的金属在高温、超声或真空状态下不容易发生收缩；而湿润性小的金属在高温、超声或真空状态下容易发生收缩，并产生金属迁移，其中，湿润性小的金属在迁移的时候遇到湿润性大的金属则会在湿润性大的金属上发生团聚，进行二次生长，增加其金属层的厚度。本发明将焊料金属层设置在润湿性大的第一金属层上，同时，焊料金属层的侧壁设有润湿性小的第二金属层，从而使得焊料金属层在第一金属层上进行团聚，进行二次生产，进而增加焊料金属层的厚度。
进一步地，本发明焊料金属层的厚度为10-20μm，可以防止芯片和基板因不平整而产生焊接空洞，提高芯片和封装器件的可靠性。
本发明的制作方法，通过第一金属层、第二金属层和焊料金属层相互配合，同时利用各层金属的特性，突破传统方法的光刻胶厚度的限制，使得第二金属层上的金属焊料层的厚度能高达到10μm以上，从而解决焊接空洞的问题，进而提高芯片和封装器件的可靠性。
附图说明
图1是本发明具有焊料电极的LED芯片的结构示意图；
图2是本发明具有焊料电极的LED芯片的制作流程图；
图3a是本发明发光结构的示意图；
图3b是本发明发光结构形成第一孔洞和第二孔洞后的示意图；
图3c是本发明发光结构形成第一金属层后的示意图；
图3d是本发明发光结构形成第二绝缘层后的示意图；
图3e是本发明发光结构形成第二金属层后的示意图；
图3f是本发明发光结构形成第四孔洞和第五孔洞后的示意图；
图3g是本发明发光结构形成金属焊料层后的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参见图1，本发明提供的一种具有焊料电极的LED芯片，包括衬底10，设置在衬底10上的发光结构20，所述发光结构20包括依次设置在衬底10上的第一半导体层21、有源层22、第二半导体层23、反射层24和第一绝缘层25；设置在第一绝缘层25表面的第一金属层30，所述第一金属层30一部延伸至第一半导体层21并与第一半导体层21连接，以形成第一电极，所述第一金属层30一部分延伸至反射层24并与反射层连接，以形成第二电极，其中，第一电极和第二电极之间设有至少一条隔离槽31；设置在第一金属层30上和隔离槽31内的第二绝缘层40；设置在第二绝缘层40上的第二金属层50；贯穿第二金属层50和第二绝缘层40并分别于第一电极和第二电极连接的焊料金属层60；所述第一金属层30的润湿性大于第二金属层50的润湿性。
润湿性是材料表面的重要特性之一，通过静态接触角来表征，影响润湿性的因素主要是材料表面的化学组成和微观结构，主要通过表面修饰和表面微造型来改变材料表面润湿性。具体的，所述润湿性大的金属在高温、超声或真空状态下不容易发生收缩；而润湿性小的金属在高温、超声或真空状态下容易发生收缩，并产生金属迁移，其中，润湿性大的金属在迁移的时候遇到润湿性小金属，则会在润湿性小的金属上发生团聚，进行二次生长，增加其金属层的厚度。
优选的，所述第一金属层30由Ni、Au、Ti和In中的一种或几种制成，其厚度为0.5-3μm。以上金属为润湿性大的金属，其中，第一金属层30的区域为湿润区域。
所述第二金属层50由Cu、CO、Fe和Zn中的一种或几种制成，其厚度为0.5-3μm。以上金属为润湿性小的金属或不具有润湿性的金属，其中，第二金属层50的区域为不湿润区域。
所述焊料金属层60由Au或Au合金制成。由于焊料金属层60是用于将芯片焊接在基板上的，因此焊接金属层60的材质一般由Au或Au合金制成，而Au或Au合金属于不具有润湿性或润湿性小的金属，本发明将焊料金属层60设置在润湿性大的第一金属层30上，同时，焊料金属层60的侧壁设有润湿性小的第二金属层50，从而使得焊料金属层60能有在第一金属层30上进行团聚，进行二次生产，进而增加焊料金属层60的厚度。
优选的，所述焊料金属层60的厚度为10-20μm。由于芯片表面存在高低不平的图形，同时基板表面也会存在一定的翘曲和表面不平整，当焊料金属层的厚度小于10μm，芯片和基板因不平整而容易产生焊接空洞，从而影响芯片和封装器件的可靠性。
衬底10的材料可以为蓝宝石、碳化硅或硅，也可以为其他半导体材料，本实施例中的衬底优选为蓝宝石衬底。
发光结构20设于衬底10的表面。具体的，本申请实施例提供的第一半导体层21和第二半导体层23均为氮化镓基半导体层，有源层22为氮化镓基有源层；此外，本申请实施例提供的第一半导体层21、第二半导体层23和有源层22的材质还可以为其他材质，对此本申请不做具体限制。其中，第一半导体层21可以为N型半导体层，则第二半导体层23为P型半导体层。
需要说明的是，在本申请的其他实施例中，所述衬底10与所述发光结构20之间设有缓存冲层(图中未示出)。
所述反射层24为金属反射层，优选的，所述反射层24为Ag/Ni/Ni叠层。
需要说明的是，所述第二半导体层23和反射层24之间还设有一层欧姆接触层(图中未示出)。
本发明通过第一绝缘层25和第二绝缘层40的相互配合，将第一电极和第二电极隔绝起来，避免芯片发生短路、漏电。优选的，所述第一绝缘层25延伸至第一电极的侧壁上。其中，所述第一绝缘层25和第二绝缘层40均由绝缘材料制成，优选的，所述第一绝缘层25和第二绝缘层40由SiO2和/或SiN制成。
需要说明的是，所述隔离槽31贯穿所述第一金属层30，以将第一电极和第二电极隔离开。
参见图2，图2是本发明一种具有焊料电极的LED芯片的制作流程图，本发明还提供了一种具有焊料电极的LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
S101、在衬底上形成发光结构，所述发光结构包括依次设置在衬底上的第一半导体层、有源层、第二半导体层、反射层和第一绝缘层。
参见图3a，衬底10的材料可以为蓝宝石、碳化硅或硅，也可以为其他半导体材料，本实施例中的衬底优选为蓝宝石衬底。
具体的，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)的方法，在衬底10上依次生长第一半导体层21、有源层22和第二半导体层23，以形成外延层。
为了提高后续的刻蚀工艺的良率，所述外延层的厚度为4-10μm。当外延层的厚度低于4μm，LED芯片的亮度会降低，在后续刻蚀时，LED芯片容易出现裂片的情况。但外延层的厚度大于10μm，LED芯片的亮度会降低，增加刻蚀的难度和时间。
本申请实施例提供的第一半导体层21和第二半导体层23均为氮化镓基半导体层，有源层22为氮化镓基有源层；此外，本申请实施例提供的第一半导体层21、第二半导体层23和有源层22的材质还可以为其他材质，对此本申请不做具体限制。其中，第一半导体层21可以为N型半导体层，则第二半导体层23为P型半导体层。
采用电子束蒸发(E-beam)或者磁控溅射(sputter)的方法在第二半导体层23上沉积金属形成反射层24。所述反射层24为金属反射层，优选的，所述反射层24为Ag/Ni/Ni叠层。
需要说明的是，在形成第二半导体层23之后，形成反射层24之前，还包括以下步骤：
在第二半导体层23上形成欧姆接触层(图中未示出)；
在氮气的环境下高温退火，形成欧姆接触。
采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法在反射层上沉积形成第一绝缘层。其中，所述第一绝缘层25由绝缘材料制成，优选的，所述第一绝缘层25由SiO2和/或SiN制成。
S102、对所述发光结构进行刻蚀，形成刻蚀至第一半导体层的第一孔洞，刻蚀至反射层表面的第二孔洞。
参见图3b，采用电感耦合等离子(ICP)方法或者湿法腐蚀方法对发光结构进行刻蚀，形成刻蚀至第一半导体层21的第一孔洞26，刻蚀至反射层24表面的第二孔洞27。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述第一绝缘层25还可以延伸到第一孔洞26的侧壁上。
S103、在第一绝缘层上和第一孔洞、第二孔洞内形成第一金属层，所述第一金属层与第一半导体层连接，以形成第一电极，所述第一金属与反射层连接，以形成第二电极，其中，第一电极和第二电极之间设有至少一条隔离槽，所述第一金属层由具有润湿性的金属制成。
参见图3c，采用电子束蒸发(E-beam)或者磁控溅射(sputter)的方法在第一绝缘层25上和第一孔洞26、第二孔洞27内形成第一金属层30。其中，所述第一金属层30与第一半导体层21连接，以形成第一电极，所述第一金属30与反射层24连接，以形成第二电极。
具体的，第一电极和第二电极之间设有至少一条隔离槽31，所述隔离槽31将第一金属层30分成至少两部分，第一电极和第二电极被隔离槽31隔离开。
润湿性是材料表面的重要特性之一，通过静态接触角来表征，影响润湿性的因素主要是材料表面的化学组成和微观结构，主要通过表面修饰和表面微造型来改变材料表面润湿性。具体的，所述润湿性大的金属在高温、超声或真空状态下不容易发生收缩；而润湿性小的金属在高温、超声或真空状态下容易发生收缩，并产生金属迁移，其中，润湿性大的金属在迁移的时候遇到润湿性小金属，则会在润湿性小的金属上发生团聚，进行二次生长，增加其金属层的厚度。
优选的，所述第一金属层30由Ni、Au、Ti和In中的一种或几种制成，其厚度为0.5-3μm。以上金属为润湿性大的金属，其中，第一金属层30的区域为湿润区域。
需要说明的是，在形成第一金属层30后，还包括以下步骤：
对所述第一金属层30进行刻蚀，形成至少一条贯穿所述第一金属层30的隔离槽31，所述隔离槽31将第一电极和第二电极隔离开。
S104、在第一金属层上和隔离槽内形成第二绝缘层。
参见图3d，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法在第一金属层30上和隔离槽31内沉积形成第二绝缘层40。其中，所述第二绝缘层40由绝缘材料制成，优选的，所述第二绝缘层40由SiO2和/或SiN制成。
本发明通过第一绝缘层25和第二绝缘层40的相互配合，将第一电极和第二电极隔绝起来，避免芯片发生短路、漏电。
S105、在第二绝缘层上形成第二金属层，所述第二金属层由不具有润湿性的金属制成。
参见图3e，采用电子束蒸发(E-beam)或者磁控溅射(sputter)的方法在第二绝缘层40上形成第二金属层50，所述第二金属层50由不具有润湿性的金属制成。
具体的，所述不具有润湿性的金属在高温、超声或真空状态下容易发生收缩，并产生金属迁移，其中，不具有润湿性的金属在迁移的时候遇到具有润湿性的金属，则会在具有润湿性的金属上发生团聚，进行二次生长，增加其金属层的厚度。
优选的，所述第二金属层50由Cu、CO、Fe和Zn中的一种或几种制成，其厚度为0.5-3μm。以上金属为润湿性小的金属或不具有润湿性的金属，其中，第二金属层50的区域为不湿润区域。
S106、对第二金属层和第二绝缘层进行刻蚀，刻蚀至第一电极表面形成第三孔洞，刻蚀至第二电极表面形成第四孔洞。
参见图3f，采用电感耦合等离子(ICP)方法或者湿法腐蚀方法对对第二金属层50和第二绝缘层40进行刻蚀，刻蚀至第一电极表面形成第三孔洞51，刻蚀至第二电极表面形成第四孔洞52。
S107、在第二金属层的表面和第三孔洞、第四孔洞内形成金属焊料层。
参见图3g，采用电子束蒸发(E-beam)或者磁控溅射(sputter)的方法在第二金属层50的表面和第三孔洞51、第四孔洞52内形成金属焊料层60。
所述焊料金属层60由Au或Au合金制成。由于焊料金属层60是用于将芯片焊接在基板上的，因此焊接金属层60的材质一般由Au或Au合金制成，而Au或Au合金属于不具有润湿性或润湿性小的金属，本发明将焊料金属层60设置在润湿性大的第一金属层30上，同时，焊料金属层60的侧壁设有润湿性小的第二金属层50，从而使得焊料金属层60能有在第一金属层30上进行团聚，进行二次生产，进而增加焊料金属层60的厚度。
需要说明的是，受限于光刻胶的限制，在第二金属层50上的焊料金属层60的厚度为5-7μm。
S108、采用加热、超声或真空的方式，使金属焊料层通过团聚的方式二次生长到第一电极和第二电极上，以增加金属焊料层的厚度。
参见图1，采用加热、超声或真空的方式，使金属焊料层60通过团聚的方式二次生长到第一电极和第二电极上，以增加金属焊料层60的厚度。
具体的，金属焊料层的加热温度为400-700℃，超声频率大于等于20KHz，真空压强小于10-3Pa。
本发明的金属焊料层60在团聚完之后，位于第二金属层50表面的焊料金属层60均迁移第一电极和第二电极上，从而增加金属焊料层60的厚度，本发明的制作方法，通过第一金属层、第二金属层和焊料金属层相互配合，同时利用各层金属的特性，突破传统方法的光刻胶厚度的限制，使得第二金属层50上的金属焊料层60的厚度能高达到10μm以上，从而解决焊接空洞的问题，进而提高芯片和封装器件的可靠性。
优选的，所述焊料金属层60的厚度为10-20μm。由于芯片表面存在高低不平的图形，同时基板表面也会存在一定的翘曲和表面不平整，当焊料金属层的厚度小于10μm，芯片和基板因不平整而容易产生焊接空洞，从而影响芯片和封装器件的可靠性。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种具有焊料电极的LED芯片，其特征在于，包括：
衬底；
设置在衬底上的发光结构，所述发光结构包括依次设置在衬底上的第一半导体层、有源层、第二半导体层、反射层和第一绝缘层；
设置在第一绝缘层表面的第一金属层，所述第一金属层一部延伸至第一半导体层并与第一半导体层连接，以形成第一电极，所述第一金属层一部分延伸至反射层并与反射层连接，以形成第二电极，其中，第一电极和第二电极之间设有至少一条隔离槽；
设置在第一金属层上和隔离槽内的第二绝缘层；
设置在第二绝缘层上的第二金属层；
贯穿第二金属层和第二绝缘层并分别于第一电极和第二电极连接的焊料金属层；
所述第一金属层的润湿性大于第二金属层的润湿性。
2.如权利要求1所述的具有焊料电极的LED芯片，其特征在于，所述第一金属层由Ni、Au、Ti和In中的一种或几种制成，其厚度为0.5-3μm。
3.如权利要求2所述的具有焊料电极的LED芯片，其特征在于，所述第二金属层由Cu、CO、Fe和Zn中的一种或几种制成，其厚度为0.5-3μm。
4.如权利要求3所述的具有焊料电极的LED芯片，其特征在于，所述焊料金属层由Au或Au合金制成，其厚度为10-14μm。
5.一种具有焊料电极的LED芯片的制作方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成发光结构，所述发光结构包括依次设置在衬底上的第一半导体层、有源层、第二半导体层、反射层和第一绝缘层；
对所述发光结构进行刻蚀，形成刻蚀至第一半导体层的第一孔洞，刻蚀至反射层表面的第二孔洞；
在第一绝缘层上和第一孔洞、第二孔洞内形成第一金属层，所述第一金属层与第一半导体层连接，以形成第一电极，所述第一金属与反射层连接，以形成第二电极，其中，第一电极和第二电极之间设有至少一条隔离槽；
在第一金属层上和隔离槽内形成第二绝缘层；
在第二绝缘层上形成第二金属层，所述第一金属层的润湿性大于第二金属层的润湿性；
对第二金属层和第二绝缘层进行刻蚀，刻蚀至第一电极表面形成第三孔洞，刻蚀至第二电极表面形成第四孔洞；
在第二金属层的表面和第三孔洞、第四孔洞内形成金属焊料层；
采用加热、超声或真空的方式，使金属焊料层通过团聚的方式二次生长到第一电极和第二电极上，以增加金属焊料层的厚度。
6.如权利要求5所述的具有焊料电极的LED芯片的制作方法，其特征在于，金属焊料层的加热温度为400-700℃，超声频率大于等于20KHz，真空压强小于10-3Pa。
7.如权利要求5所述的具有焊料电极的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述第一金属层由Ni、Au、Ti和In中的一种或几种制成，其厚度为0.5-3μm。
8.如权利要求7所述的具有焊料电极的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述第二金属层由Cu、CO、Fe和Zn中的一种或几种制成，其厚度为0.5-3μm。
9.如权利要求8所述的具有焊料电极的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述焊料金属层由Au或Au合金制成，其厚度为10-14μm。
10.如权利要求5所述的具有焊料电极的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述隔离槽贯穿所述第一金属层，以将第一电极和第二电极隔离开。
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