CN117280483A - 一种半导体发光元件及发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体发光元件及发光器件，将半导体发光元件的焊盘设计为包括锡层以及位于锡层之间的铜层，固晶过程中，铜层中的铜原子可参与Au/Ni/Sn的金属间化合物反应，生成Cu/Au/Ni/Sn四元金属间化合物(IMC，Intermetallic Compound)(CuNiAu)6Sn5，该四元化合物在焊点中分布不连续，且组织强度同焊点接近，可有效增强芯片与支架的结合力。由此提高半导体器件的稳定性。焊盘可以设计为包含两层锡层及一层铜层，或者至少三层锡层及多层铜层，设计样式灵活多样，并且可以通过改变设计样式保证焊盘中锡的厚度及含量，由此能够增加焊盘与固晶支架的结合力，提高器件稳定性。由于铜具有良好的导热性，含有上述铜层的焊盘能够更快地导热散热，提高半导体发光元件的可靠性。
Description
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种半导体发光元件及发光器件。
普通尺寸的倒装LED芯片的封装主要采用普通锡膏回流。首先在电路板上涂覆锡膏，再把芯片放到相应位置，锡膏具有一定固晶作用，可以使得芯片固定在电路板上。然而当LED尺寸过小时，例如尺寸较小的Mini-LED芯片，固晶时对钢网精度、厚度，以及对位准确度要求高，导致量产成本高、难度大；涂覆锡膏的量难以精确控制，涂覆在电路板上的锡膏易流动，正负极焊盘之间易通过流动的锡膏连通，造成短路。
部分现有技术通过预制锡电极将焊盘设置为包括锡层，锡层中的锡熔融后能够扩散至电路板上的金属层中，无需再在电路板上点锡膏进行固定，降低成本及难度，从而可以防止正负电极焊盘之间锡膏的接触，产生短路。然而，预制锡电极受蒸镀能力限制，厚度一般在10 μm左右，较刷涂的锡膏，锡量更少，导致焊盘与基板的结合力较差，器件稳定性较差。
另外，常规芯片及电路板焊盘表面都有一金层作为保护层，防止焊盘被氧化腐蚀，金层之下有镍层作为锡阻挡层，防止锡扩散至芯片或电路板内部。由于Au/Ni/Sn在回流焊温度下会形成连续、质脆的三元金属间化合物(NiAu)Sn
4，特别的是金层厚度较厚的情况下，该三元金属见化合物形成的较厚的厚度，导致芯片和电路板结合力降低，影响可靠性。
鉴于现有技术中发光元件的焊盘在固晶过程中存在的上述缺陷，本发明提供一种半导体发光元件及发光器件，将半导体发光元件的焊盘设计为包括锡层以及位于锡层之间的铜层，固晶过程中，铜层中的铜原子可参与Au/Ni/Sn的金属间化合物反应，生成Cu/Au/Ni/Sn四元金属间化合物（IMC，Intermetallic Compound），例如(CuNiAu)
6Sn
5，该四元化合物在焊点中分布不连续，且组织强度同焊点接近，可有效增强芯片与支架的结合力。
根据本发明的一个实施例，提供一种半导体发光元件，其包括：
半导体层，所述半导体层由下至上包括依次叠置的第一导电类型的半导体层、发光层以及第二导电类型的半导体层；及
焊盘，所述焊盘位于所述半导体层上方，所述焊盘包括第一焊盘及第二焊盘，所述第一焊盘与所述第一导电类型的半导体层连接，所述第二焊盘与所述第二导电类型的半导体层连接，所述焊盘包含多层锡层以及至少一层铜层，所述铜层位于所述焊锡层之间并且与所述锡层平行设置。
可选地，所述铜层中铜原子占所述铜层的总原子的百分比至少为50%。
可选地，所述铜层的总厚度介于0.05 μm~
2.5 μm。
可选地，所层所述锡层的总厚度介于4 μm~ 20μm。
可选地，所述焊盘包括两层锡层以及位于两层所述锡层之间的一层铜层。
可选地，所述焊盘包括至少三层锡层以及位于每两层所述锡层之间的铜层。
可选地，所述焊盘远离所述半导体层的最外侧的一层为锡层。
可选地，所述铜层和所述锡层经分步镀膜工艺获得。
可选地，所述铜层为铜原子百分比高于90%的铜层。
可选地，所述锡层中的铜原子百分比低于铜层中的铜原子百分比。
可选地，所述锡层为纯锡层，所述铜层为纯铜层。
可选地，所述芯片的至少一个边长不超过200 μm。
可选地，所述焊盘还包括一层镍层，所述镍层比所述锡层更靠近所述半导体层，所述镍层与所述锡层之间设置有一层铜层，所述铜层的厚度不超过1 μm，且不低于0.05 μm。
可选地，在所述锡层的上表面具有一层铜层，该铜层的厚度不超过1 μm且不小于0.05 μm。根据本发明的另一实施例，提供一种半导体发光元件，其包括：
半导体层，所述半导体层包括由下至上依次叠置的第一导电类型的半导体层、发光层以及第二导电类型的半导体层；及
焊盘，所述焊盘位于所述半导体层上方，所述焊盘包括第一焊盘及第二焊盘，所述第一焊盘与所述第一导电类型的半导体层连接，所述第二焊盘与所述第二导电类型的半导体层连接，所述焊盘包括一层锡层，其中该锡层中，锡为主要成分的层，并且经过元素分析在锡层的至少一个厚度位置铜的原子百分比含量超过10%。
可选地，在所述锡层的至少一个厚度位置，所述的铜原子的百分比含量不超过30%。
可选地，所述锡层中的铜和锡元素经共镀工艺获得。
可选地，所述锡层的厚度介于4 μm~ 20μm。
根据本发明的另一实施例，提供一种发光器件，其包括基板和半导体发光元件，其中，
所述基板包括固晶焊盘；
所述半导体发光元件为本发明的半导体发光元件，所述半导体发光元件通过加热实现焊盘与所述固晶焊盘连接。
可选地，在与所述半导体发光元件连接前，所述固晶焊盘具有表面层，所述表面层为金层。
如上所述，本发明的半导体发光元件及发光器件，具有以下有益效果：
本发明将半导体发光元件的焊盘设计为包括锡层以及位于锡层之间的铜层，固晶过程中，铜层中的铜原子可参与Au/Ni/Sn的金属间化合物反应，生成Cu/Au/Ni/Sn四元金属间化合物（IMC，Intermetallic Compound），例如(CuNiAu)
6Sn
5，该四元化合物在焊点中分布不连续，且组织强度同焊点接近，可有效增强芯片与支架的结合力。由此提高半导体器件的稳定性。尤其对于金层厚度较厚的基板，该四元金属间化合物尤其能够增强芯片与支架的结合力。
本发明的焊盘可以设计为包含两层锡层及一层铜层，或者至少三层锡层及多层铜层，设计样式灵活多样，并且可以通过改变设计样式保证焊盘中锡的厚度及含量，由此能够增加焊盘与固晶支架的结合力，提高器件稳定性。
另外，由于铜具有良好的导热性，在半导体发光元件工作时，含有上述铜层的焊盘能够更快地导热散热，提高半导体发光元件的可靠性。
图1和图2显示为现有技术中具有金电极的芯片的固晶过程示意图。
图3显示为现有技术中具有预制锡电极的芯片的固晶过程示意图。
图4显示为现有技术固晶后固晶支架和芯片电极形成的金属间化合物示意图。
图5显示为本发明实施例一提供的半导体发光元件的结构示意图。
图6a显示为一可选实施例中图5所示的焊盘的结构示意图。
图6b显示为另一可选实施例中图5所示的焊盘的结构示意图。
图7显示为本发明实施例二提供的半导体发光元件的焊盘的结构示意图。
图8显示为固晶后固晶支架和本发明的半导体元件的焊盘形成的金属间化合物示意图。
图9显示为本发明实施例一和实施例二的焊盘与现有技术的焊盘与固晶支架之间的推力对比图。
图10显示为本发明实施例三提供的发光器件的结构示意图。
元件标号说明
010钢网；020锡膏；030固晶支架；031固晶焊盘；0311基底；0312防扩散层；0313防氧化层；0314金属间化合物；040芯片；041焊盘；042预制锡电极；110半导体层；111第一导电类型半导体层；112第二导电类型半导体层；113发光层；120焊盘；121第一焊盘；122第二焊盘；1201焊盘基底；1201-1钛层；1201-2铝层；1201-3镍层；1202锡层；1203铜层；131第一电极；132第二电极；140固晶焊盘；1401基底；1402防扩散层；1403防氧化层；1404金属间化合物层； 150基板。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
现有技术中通常采用刷涂锡膏的方式实现固晶。如图1所示，通过钢网010在固晶支架030的固晶焊盘031上刷涂锡膏020。然后如图2所示，将芯片040通过焊盘041固定至刷涂了锡膏020的固晶支架030上。这种方式适用于尺寸较大的芯片，对于尺寸较小的芯片，例如Mini-LED芯片，固晶时对钢网精度、厚度，以及对位准确度要求高，如果采用刷涂锡膏的方式对Mini-LED芯片进行固晶，会导致量产成本高、难度大。另外，涂覆锡膏的量难以精确控制，涂覆在电路板上的锡膏易流动，正负极焊盘之间易通过流动的锡膏连通，造成短路。
为避免刷涂锡膏的各种弊端，如图3所示，现有技术中还会采用在芯片040的焊盘041上预制锡电极042，通过该锡电极042将芯片040固定至固晶支架030上。这种固晶方式虽然能够解决刷涂锡膏的种种弊端，但是预制锡电极受制程能力限制，厚度一般在10 μm左右，较刷涂的锡膏，锡量更少，导致焊盘与基板的结合力较差，器件稳定性较差。
另外，如图4所示，常用的固晶支架030的固晶焊盘031通常由沉镍浸金工艺形成，因此包括铜形成的基底0311、镍形成的防扩散层0312及金形成的防氧化层0313。在回流焊过程中，该固晶焊盘与锡膏020或者锡电极042连接，Au/Ni/Sn在回流焊温度下会形成连续、质脆的三元金属间化合物IMC
(NiAu)Sn
4，且由于锡含量较少，IMC难以扩散，导致芯片和支架结合力低，影响可靠性。
实施例一
针对现有技术中的上述缺陷，本实施例提供一种半导体发光元件，该半导体发光元件优选为至少一个边的边长尺寸不超过300 μm的LED芯片。
LED芯片可为具有较小的水平面积的小型发光二极管芯片。LED芯片可具有约200000μm
2以下的水平截面积，进一步地，可具有约90000μm
2以下的水平截面积，更进一步地，可具有约30000μm
2以上且约65000μm
2以下的水平截面积。例如，发光二极管芯片可具有横向边长×纵向边长为220μm×180μm或250μm×200μm的尺寸。然而，本实施例的LED芯片的横向边长及纵向边长并不限于上述尺寸。并且，本实施例的LED芯片可为具有较薄厚度的小型发光二极管芯片。LED芯片的至少一个边长不超过300 μm，进一步地，可具有至少一边长在200 μm以下的尺寸，可具有至少一边长在100μm以下的尺寸。LED芯片的厚度不能超过任意一个边长的尺寸（即，不超过最短边的边长的尺寸），例如LED芯片的至少一个边长尺寸可为约150 μm以下，由此可以保证切割良率（特别是激光切割良率）。进而在边长尺寸越小的情况下，芯片的厚度可以更小，例如芯片90 μm以下的厚度，进而可具有约40 μm以上且90 μm以下的厚度。本实施例的LED芯片具有上述水平截面积及厚度，因此所述LED芯片可容易地应用到要求小型和/或薄型发光装置的各种电子装置。
如图5所示，该LED芯片包括半导体层110，该半导体层110包括依次叠置的第一导电类型的半导体层111、发光层113以及第二导电类型的半导体层112。上述第一导电类型的半导体层111可以是N型半导体层，第二导电类型的半导体层112为P型半导体层。当然，第一导电类型的半导体层为P型半导体层，第二导电类型的半导体层为N型半导体层也是可以的。在可选实施例中，上述第一导电类型的半导体层111可以是n型GaN层，发光层113为量子阱层，第二导电类型的半导体层112为p型GaN层。或者上述第一导电类型的半导体层111可以是n型GaN层，例如Si掺杂的GaN层；发光层113可以是InGaN/GaN多量子阱，第二导电类型的半导体层112为p型GaN层，例如Mg掺杂的GaN层。本实施例示出了不包括衬底的半导体发光元件，应该可以理解的是，根据实际需要或者实际制程的需要，该半导体发光元件可以包含衬底或者类似结构。
该LED芯片还可以包括基板，该基板可为绝缘性基板或导电性基板。基板可为用以使半导体层110生长的生长基板，可包括蓝宝石基板、碳化硅基板、硅基板、氮化镓基板、氮化铝基板等。并且，基板包括形成在其上表面的至少一部分区域的多个突出部。基板的多个突出部可形成为规则和/或不规则的图案。本实施例中，基板为包括经图案化的蓝宝石基板(Patterned sapphire substrate：PSS)，所述经图案化的蓝宝石基板包括形成在其上表面的多个突出部。
可以理解的是，上述第二导电类型的半导体层112的上方还可以形成有透明导电层114以及电流阻挡层等结构。透明导电层114位于第二导电型的半导体层112上。透明导电层114可与第二导电型的半导体层112欧姆接触。透明导电层114可包括透明电极，该透明电极例如可包括如氧化铟锡(Indium
Tin Oxide，ITO)、氧化锌(Zinc
Oxide，ZnO)、氧化锌铟锡(Zinc
Indium TinOxide，ZITO)、氧化铟锌 (Zinc Indium Oxide，ZIO)、氧化锌锡(Zinc Tin Oxide，ZTO)、氧化镓铟锡 (Gallium Indium Tin Oxide，GITO)、氧化铟镓(Gallium Indium Oxide，GIO)、氧化锌镓(Gallium Zinc Oxide，GZO)、铝掺杂氧化锌(Aluminum doped Zinc Oxide，AZO)、氟掺杂氧化锡(Fluorine Tin Oxide，FTO)等的透光性导电氧化物、及如Ni/Au等的透光性金属层中的至少一种。所述导电性氧化物还可包括各种掺杂剂。本实施例中，所述的透明导电层114为ITO。
同样参照图5，本实施例的半导体发光元件还包括焊盘120，该焊盘120包括第一焊盘121及第二焊盘122，第一焊盘121与第一导电类型的半导体层111连接，第二焊盘122与第二导电类型的半导体层112连接。同样参照图5，半导体发光元件还包括形成在第一导电类型的半导体层111形成的台面上的第一电极131，以及形成在透明导电层114上的第二电极132。可以在台面或者孔洞内沉积金属材料，例如Au、Ag、Al、Cu、Zn等，形成上述第一电极131。同样地，在透明导电层的上方沉积例如Au、Ag、Al、Cu、Pt、Ti、Ni等，形成第二电极。如图5所示，半导体发光元件的表面还形成有绝缘层115，该绝缘层115覆盖半导体发光元件的裸露表面，并使得半导体发光元件的表面形成平坦表面。第一焊盘121和第二焊盘122形成在绝缘层115的上方，其中第一焊盘121经绝缘层115中的通孔及上述第一电极131与第一导电类型的半导体层111连接，第二焊盘122经绝缘层115中的通孔及上述第二电极132与第二导电类型的半导体层112连接。可选地，所述的第一电极131和第二电极132可以省略，直接形成上述第一焊盘121及第二焊盘122。
上述焊盘120包括焊盘基底以及位于焊盘基底上方的多层锡层以及至少一层铜层，铜层位于锡层之间并且与所述锡层平行设置。
用于焊接芯片的固晶焊盘的表面金层厚度通常介于0.02~0.07μm，在回流焊过程中，焊盘120各层中的金属原子以及固晶焊盘各层中的金属原子发生渗透，在焊盘与固晶焊盘的界面处形成金属化合物层，例如该金属化合物层为四元金属间化合物，包括Cu、Ni、Au和Sn四种元素，例如(CuNiAu)
6Sn
5。该四元化合物在焊点中分布不连续，且组织强度同焊点接近，可有效提高焊盘与固晶焊盘的结合力，提高器件稳定性。
优选的，焊盘120中锡层的数量大于等于2，铜层的数量为1或者大于等于2。
优选的，根据焊接芯片的固晶焊盘的表面金层厚度，焊盘120中Cu的总厚度最大可以为2.5μm。
在焊盘120中，多层锡层的总厚度至少为4μm，锡层和铜层可以采用蒸镀或者电镀等工艺形成，镀膜工艺特别的适用于小尺寸的芯片产品，其中电镀工艺可以实现更高的锡厚度，保证更高的结合力。因为锡层过厚会引起衬底的翘曲，过厚的锡层厚度是不需要的，例如锡层的总厚度 介于4 μm~ 20 μm。特别是芯片的边长尺寸越小，衬底的厚度就越小，例如，以蓝宝石衬底为例，蓝宝石的衬底越小，过厚锡层引起的翘曲越严重。作为一个实施例，芯片的至少一个边长不超过200μm时，或者芯片的厚度不超过90μm时，所述的锡层的厚度不能超过 20μm。
所述铜层插入在锡层中，不管是一层还是多层，铜层的总厚度较佳的，介于 0.05 μm~ 2.5 μm。
本实施例的可选实施例中，如图6a所示，焊盘120包括焊盘基底1201以及位于焊盘基底1201上方的两层锡层1202，以及位于两层锡层1202之间的一层铜层1203。焊盘基底1201紧邻半导体层100，与第一电极或第二电极直接连接。该焊盘基底1201可以由钛、铝、铂或者镍层等中的一种或多种金属层组成，例如，图6a所示的焊盘基底1201为钛层1201-1/铝层1201-2的重复叠层（通常是3~5对重复叠层）以及镍层1201-3。镍层1201-3位于钛层与铝层的重复叠层之上。镍层1201-3上形成锡层1202。镍层1201-3的作用一方面在回流焊处理过程中与锡形成共晶或者金属间化合物，有利于焊接；另外一方面，较佳的镍层1201-3的厚度为200nm~500nm或者镍层1201-3的厚度进一步的超过500nm，由此可以阻挡锡元素向内部扩散，较佳的，所述镍层1201-3的厚度介于500nm~850nm之间，过厚的镍层1201-3会导致应力问题，影响固晶良率。
形成焊盘120之后，通过EDX（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy，能量色散X射线光谱仪）或者EDS（Energy Dispersive Spectrometer，能谱分析仪）的元素分析测试，铜层中铜原子的原子占所述铜层的所有元素的总原子的百分比至少为50%，优选地，上述铜层1203为原子百分比高于90%的铜层，或者原子百分比接近或者达到100%的纯铜层。
作为一个实施例，所述锡层通过蒸镀工艺形成，锡层为1~3层，每一层锡层1202的厚度均介于1.5 μm~15μm，优选地，介于1μm~10 μm，多层锡层1202的总厚度介于4μm ~20μm；铜层1203的总厚度介于0.05 μm~ 2.5 μm，优选地，介于 0.05~1.0μm，过厚的铜层会影响锡的结合力，并最终影响固晶能力，因此过厚的铜层是没有必要的，更优选，铜层1203的总厚度介于0.1μm ~0.5μm，或者介于 0.5μm ~1.0μm。优选地，每一层铜层1203的厚度为0.05μm到1μm，或者更佳的每一层铜层1203的厚度为0.05μm到0.5μm。
作为一个实施例，参照图6a，在焊盘120中，可以有一层最靠近半导体层（即靠近图6a所示的焊盘基底1201）的锡层1202的厚度大于相对远离焊盘基底1201的其它的锡层1202的厚度。作为一个实施例，锡层1202为两层，铜层1203为一层。紧邻焊盘基底1201位于铜层1203下方的锡层1202的厚度约为10 μm，远离基底焊盘1201位于铜层1203上方的锡层1202的厚度为2 μm，其中铜层1203的厚度为 0.3 μm。由此，本实施例的焊盘120的总厚度介于1.7 μm~ 12.5 μm。
在可选实施例中，采用分步镀膜的方式形成上述焊盘的各层金属，例如蒸镀或者电镀。形成焊盘基底1201之后，首先在焊盘基底1201上方蒸镀Sn，形成锡层1202，达到预定厚度之后，在锡层1202上方蒸镀Cu，形成铜层1203，直至预定厚度。然后在铜层上方继续蒸镀Sn，形成锡层1202直至预定厚度，最终形成图6a所示的焊盘。采用上述分步蒸镀的方式分别形成相互平行设置的锡层及铜层，并且可以保证每一层锡层及铜层的纯度，尤其能够保证铜层的纯度。这样在蒸镀完成之后，能够保证在整个焊盘中，铜层中铜原子的总百分比占铜层的总原子百分比的百分比至少为50%。在显微镜的观察下，例如TEM或者SEM，分步蒸镀的锡层和铜层之间存在界面，能够区分出锡层和铜层。锡层较佳的为纯锡或者锡层为含少量其它杂质元素或者故意掺杂元素的层，例如含有银，锡层中锡仍然为主要元素，较佳的锡层中锡的含量为90%以上。
作为一个较佳的实施例，为了保证锡层1202的焊接作用，铜层1203的总厚度不超过锡层1202的总厚度的10%。
作为一个可选的实施例，如图6b所示，在镍层1201-3与锡层1202之间可以有一层铜层1203，该铜层1203的厚度较佳的不超过1μm，不低于0.05μm，例如介于0.05 μm ~0.1μm，0.1 μm ~0.5μm或者0.5~1μm。
或者作为一个可选的实施例，在锡层1202的上表面（远离镍层1201-3的上表面）具有一层铜层1203，该铜层1203的厚度较佳的不超过1μm，不低于0.05 μm，例如0.05 μm ~0.1 μm，0.1 μm ~0.5 μm或者0.5 μm ~1 μm。
将具有上述焊盘120的半导体发光元件固定至固晶支架或者基板上时，焊盘120的锡层与基板的固晶焊盘接触，固晶焊盘通常由沉镍浸金工艺形成。通常包括Cu形成的基底1401，Ni形成的防扩散层1402以及Au形成的防氧化层1403，该防氧化层1403形成固晶焊盘的表面层。如图8所示，焊盘120的锡层与固晶焊盘的表面层Au层接触，在回流焊过程中，焊盘120各层中的金属原子以及固晶焊盘各层中的金属原子发生渗透，在焊盘与固晶焊盘的界面处形成金属化合物层1404，该金属化合物层为Cu/Au/Ni/Sn四元金属间化合物(CuNiAu)
6Sn
5，该四元化合物在焊点中分布不连续，且组织强度同焊点接近，可有效提高焊盘与固晶焊盘的结合力，提高器件稳定性。
另外，铜具有良好的导热性，在半导体发光元件工作时，含有上述铜层的焊盘能够更快地导热散热，提高半导体发光元件的可靠性。
实施例二
本实施例同样提供一种半导体发光元件，该半导体发光元件同样优选为至少一个边长尺寸小于等于300μm的LED芯片。
同样参照图5，该LED芯片包括半导体层110，该半导体层110包括依次叠置的第一导电类型的半导体层111、发光层113以及第二导电类型的半导体层112。本实施例的半导体发光元件还包括焊盘120，该焊盘120同样包括第一焊盘121及第二焊盘122，第一焊盘121与第一导电类型的半导体层111连接，第二焊盘122与第二导电类型的半导体层112连接。本实施例的半导体发光元件与实施例的发光元件的其余相同之处不再赘述，不同之处在于：如图7所示，本实施例中焊盘120包括至少三层锡层1202以及位于各锡层1202之间的多层铜层1203。同样采用分步蒸镀的方式形成上述锡层及铜层。同样参照图7，焊盘紧邻所述半导体层的一层为锡层，远离所述半导体层的最外侧的一层同样为锡层。本实施例中，上述每一层锡层1202的厚度介于2 μm~ 5 μm，每一层铜层1203的厚度介于0.05 μm~ 0.2 μm。作为一个实施例，铜层1203的各层的厚度为0.1 μm，各层锡层1202的厚度为3 μm。
可选实施例中，除紧邻所述半导体层（即图7所示的焊盘基底1201）的一层锡层1202以外，其余锡层1202的厚度相同，并且焊盘紧邻所述半导体层的一层锡层的厚度大于远离所述半导体层的其余锡层的厚度。
如上所述，本实施例的焊盘采用至少三层锡层及多层铜层的设置，并且锡层的总厚度设置为4 μm ~20μm，由此可以增加焊盘结构及各层厚度设计的灵活性，可以将焊盘120的总厚度设计为大于10 μm，由此克服了现有技术中预制锡电极受制程能力限制，厚度较小，锡量较少，导致焊盘与固晶支架的结合力较差，器件稳定性较差的问题，提高了器件的稳定性。
同样如图8所示，焊盘120的锡层与固晶焊盘的Au层接触，在回流焊过程中，焊盘120各层中的金属原子以及固晶焊盘各层中的金属原子发生渗透，在焊盘与固晶焊盘的界面处形成金属化合物层1404，该金属化合物层为Cu/Au/Ni/Sn四元金属间化合物(CuNiAu)
6Sn
5，该四元化合物在焊点中分布不连续，且组织强度同焊点接近，可有效提高焊盘与固晶焊盘的结合力，提高器件稳定性。同样地，在半导体发光元件工作时，含有上述铜层的焊盘能够更快地散热，提高半导体发光元件的可靠性。
为了进一步验证本发明实施例一和实施例二的焊盘在固晶焊盘上的稳定性，半导体发光元件经回流焊固定在封装端（例如固晶支架）后，进行测试，向半导体发光元件施加一外部推力测试其掉落所用的外力大小，该外力表述为推力，该推力大小即可直观表示半导体发光元件在封装端的稳定性，推力越大表示其越稳定。将本发明实施例和实施例二以及现有技术的焊盘的推力进行对比。其中实施例一、实施例二及现有技术的焊盘设计如下表1所示：
表1现有技术及本发明实施例以和实施例二的焊盘结构
如图9所示，现有技术中采用锡膏固晶时，半导体发光元件的焊盘与固晶支架的固晶焊盘之间的推力仅6.8，而本发明实施例一所述的包含一层铜层的焊盘与固晶支架的固晶焊盘之间的推力达到14.4。本发明实施例二所述的包含多层铜层的焊盘与固晶支架的固晶焊盘之间的推力高达22。很显然，本发明的焊盘能够提高半导体发光元件与固晶支架之间的结合强度，由此提高器件的稳定性，并且铜层分布为至少两层，效果比铜层为单层的设计更好。
实施例三
本实施例同样提供一种半导体发光元件，该半导体发光元件同样优选为至少一边长尺寸不超过300μm的LED芯片。
同样参照图5，该LED芯片包括半导体层110，该半导体层110包括依次叠置的第一导电类型的半导体层111、发光层113以及第二导电类型的半导体层112。本实施例的半导体发光元件还包括焊盘120，该焊盘120同样包括第一焊盘121及第二焊盘122，第一焊盘121与第一导电类型的半导体层111连接，第二焊盘122与第二导电类型的半导体层112连接。本实施例的半导体发光元件与实施例的发光元件的其余相同之处不再赘述，不同之处在于：
焊盘120包括一层锡层，该锡层中锡为主要成分的层，同时还包含一定量的铜。该锡层采用共镀工艺形成，在共镀过程中控制铜的蒸镀浓度，以保证铜在锡层中的含量。在可选实施例中，经元素分析例如EDS或者EDX获知，在该锡层的厚度方向上，至少有一个位置的铜原子的百分比大于等于10%。
在采用共镀的方式或者该层时，所述的该锡层的厚度较佳的介于4 μm ~20
μm。
作为一个实施例，所述的在该锡层的厚度方向上，至少有一个位置的铜原子的百分比不超过30%。
如上所述，经共镀方法获得的锡层中，铜原子的百分比大于等于10%，有效提高了铜原子的百分比，在回流焊过程中，焊盘120中的金属原子，尤其是铜原子，以及固晶焊盘各层中的金属原子发生渗透，在焊盘与固晶焊盘的界面处形成金属化合物层，该金属化合物层为Cu/Au/Ni/Sn四元金属间化合物(CuNiAu)
6Sn
5，该四元化合物在焊点中分布不连续，且组织强度同焊点接近，可有效提高焊盘与固晶焊盘的结合力，提高器件稳定性。
同样地，在半导体发光元件工作时，含有上述铜层的焊盘能够更快地散热，提高半导体发光元件的可靠性。
实施例四
本实施例提供一种发光器件，如图10所示，该发光器件包括固晶支架及固定在固晶支架上的半导体发光元件。该固晶支架可以是电路印刷版等能够实现固晶同时能够实现半导体发光元件与外界电连接的任意适合的基板或支架。本实施例中，固晶支架为基板150。
基板150上具有固晶焊盘140，在此参照图8，固晶焊盘140包括基底1401、防扩散层1402及防氧化层1403。基底1401通常由Cu形成，防扩散层1402通常由Ni形成，防氧化层1403通常由Au形成，该防氧化层形成固晶焊盘的表面层。本实施例的半导体发光元件优选为实施例一或实施例二或实施例三提供的半导体发光元件。
将半导体发光元件的焊盘120置于基板150的固晶焊盘140上，然后通过回流焊工艺进行固晶。同样参照图8，焊盘120的锡层与固晶焊盘的Au层接触，在回流焊过程中，焊盘120各层中的金属原子以及固晶焊盘各层中的金属原子发生渗透，在焊盘与固晶焊盘的界面处形成金属化合物层1404，该金属化合物层为Cu/Au/Ni/Sn四元金属间化合物(CuNiAu)
6Sn
5，该四元化合物在焊点中分布不连续，且组织强度同焊点接近，可有效提高焊盘与固晶焊盘的结合力，提高器件稳定性。另外，由于铜具有良好的导热性，在上述发光器件工作时，含有上述铜层的焊盘能够更快地散热，提高器件的可靠性。
本实施例中，上述发光器件可以是用于显示的显示模组、显示屏等器件。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (20)
- 一种半导体发光元件，其特征在于，包括：半导体层，所述半导体层包括由下至上依次叠置的第一导电类型的半导体层、发光层以及第二导电类型的半导体层；及焊盘，所述焊盘位于所述半导体层上方，所述焊盘包括第一焊盘及第二焊盘，所述第一焊盘与所述第一导电类型的半导体层连接，所述第二焊盘与所述第二导电类型的半导体层连接，所述焊盘包含多层锡层以及至少一层铜层，所述铜层位于所述锡层之间并且与所述锡层平行设置。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述铜层中铜原子的百分比占所述铜层的总原子百分比的百分比至少为50%。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述铜层的总厚度介于0.05 μm~ 2.5 μm。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，多层所述锡层的总厚度介于4 μm~ 20μm。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述焊盘包括两层锡层以及位于两层所述锡层之间的一层铜层。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述焊盘包括至少三层锡层以及位于每两层所述锡层之间的铜层。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述焊盘远离所述半导体层的最外侧的一层为锡层。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述铜层和所述锡层经分步镀膜工艺获得。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述铜层为铜原子百分比高于90%的铜层。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述锡层中的铜原子百分比低于铜层中的铜原子百分比。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述锡层为纯锡层，所述铜层为纯铜层。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述芯片的至少一个边长不超过200 μm。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述焊盘还包括一层镍层，所述镍层比所述锡层更靠近所述半导体层，所述镍层与所述锡层之间设置有一层铜层，所述铜层的厚度不超过1 μm，且不低于0.05 μm。
- 根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，在所述锡层的上表面具有一层铜层，该铜层的厚度不超过1 μm且不小于0.05 μm。
- 一种半导体发光元件，其特征在于，包括：半导体层，所述半导体层包括由下至上依次叠置的第一导电类型的半导体层、发光层以及第二导电类型的半导体层；及焊盘，所述焊盘位于所述半导体层上方，所述焊盘包括第一焊盘及第二焊盘，所述第一焊盘与所述第一导电类型的半导体层连接，所述第二焊盘与所述第二导电类型的半导体层连接，所述焊盘包括一层锡层，所述锡层中包含铜，其中，在所述锡层的至少一个厚度位置，所述铜的原子百分比含量超过10%。
- 根据权利要求15所述的半导体发光元件，其特征在于，在所述锡层的至少一个厚度位置，所述的铜原子的百分比含量不超过30%。
- 根据权利要求15所述的半导体发光元件，其特征在于，所述锡层中的铜和锡元素经共镀工艺获得。
- 根据权利要求15所述的半导体发光元件，其特征在于，所述锡层的厚度介于4 μm~ 20μm。
- 一种发光器件，其特征在于，包括基板和半导体发光元件，其中，所述基板包括固晶焊盘；所述半导体发光元件为权利要求1~18中任意一项所述的半导体发光元件，所述半导体发光元件通过加热实现焊盘与所述固晶焊盘连接。
- 根据权利要求19所述的发光器件，其特征在于，在与所述半导体发光元件连接前，所述固晶焊盘具有表面层，所述表面层为金层。
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