CN1174405A - 除去基片的led显示组件和其制造方法 - Google Patents

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Abstract

发光二极管显示组件和其制作方法包括:具有与设置在LED阵列器件的最上表面上的显示连接区相连的行与列的连接区的发光二极管阵列;分开的具有与最上表面相连的连接区的硅驱动器件,协同确定硅驱动器件连接区的位置以与LED器件的连接区接触,用标准的C5 DCA将LED器件晶片倒装块连接到驱动器件上;LED器件和驱动器件限定的空间之间的未充满层。除去基片,将LED显示和驱动器组装。从LED显示器件发出的光是通过剩下的LED器件的InGaAlP外延层发出的。

Description

除去基片的LED显示组件和其制造方法
本发明涉及发光二极管阵列，更具体地涉及将发光二极管阵列与驱动电子线路装配在一起的新颖组件和方法。
发光二极管(LED)在各种显示中非常有用，尤其是在利用LED的二维阵列作为图象源的新的小型虚像显示中。通常，二维阵列包括大量的发光二极管器件，从5000至80,000或更多。一个具体的例子是图象源由一个LED的高象素点的二维阵列构成，例如240列×144行，总共34,560个象素。这样大小的具体实例的阵列需要总共384个外部相互连接的部分以便在其上进行正确地扫描、驱动、以及产生图象。使用LED阵列形成完整的包含图形和/或字母数字字符的图象。然后，将完整图象放大以产生至少一张标准纸张大小的出现在操作员面前的虚像。
这种阵列面临的主要问题是要为给该阵列提供信息所需要的大量连接或结合区付出代价。最主要的缺点是连接区、将连接区与行和列相连所需的互连输出端要求增加半导体芯片的面积。其上构成阵列的半导体芯片的所用费用的大部分都花在原材料上，对于线连接外部互连部分为240×144实例的方案，发射区域(发光二极管阵列)占总芯片面积的不到20％，剩下的80％为连接区和互连输出端所需要。由于现有技术带来的较大连接区尺寸和互连输出端间距，常规的直接芯片相连结合法仅仅稍微地改善此比率。
由于必须在随同的包含驱动电路的半导器芯片上重复形成相同的连接区和互连输出端图案，所以也需要大的连接基片区域。进一步地，驱动芯片本身也必须大到足以提供大量的连接区(在此例中为384)。最终结果是，一个大整体模块，对重视小物理空间的便携式电子器件没有吸引力。
减轻LED显示器组装中组件尺寸问题的一个方法是，通过将LED显示器直接与驱动器板集成在一起来使组件和装配简单，从而减小了LED器件和驱动器需要的尺寸。通常，提供固定在一个基片上的多个驱动器和控制电路，或者在可供选择的方案中，多个驱动器和控制电路固定在光透明的基片上，所述驱动器和控制电路具有数据输入端和进一步地具有与发光器件的引线相连接的控制信号输出端，用于根据加到数据输入端上的数据信号驱动发光器件产生图象。
在无机的LED结构中，一般将半导体基片或集成电路装在印刷电路板或类似物上，并且使基片与外部电路连接的可接收的方法是使用标准的线连接技术。然而，当要连接其上形成有大量电子元件和器件的阵列的半导体基片时，标准的线连接技术变得非常困难。例如，如果在一个基片上以间距P(中心与中心分开)形成相当大的发光二极管阵列(例如，大于10,000或100×100)，那么在基片的周边上的连接区将有2P的间距。的确如此，因为每隔一行和每隔一列都要到达周边的相对边缘，尽可能多地增加了连接区之间的距离。
目前，具有4.8密耳间距的连接区的线连接互连是行得通的、最好的。因而，在上面提到的100×100发光二极管的阵列中，在半导体芯片的周边上的连接区具有最小间距4.8密耳，沿周边的每一边缘设置有50个连接区。当阵列中包括更多的器件时，需要更多的连接区并且适应这些增加的连接区的周边尺寸以更大的速率增加。也就是说，由于连接区的最小间距为4.8密耳，在不影响基片尺寸的情况下，则阵列中的器件的间距可能有2.4密耳那么大，或近似为61微米。所以，即使可将器件做成小于61微米，连接区的最小间距也将不允许基片的周边任意变小。很快就可看到，基片的尺寸严重地受线连接技术局限性的限制。
因而，需要互连和组装结构，以及需要能实际减少对半导体芯片和LED显示器件的尺寸的限制并能减小所需表面面积的技术。
因此，迫切希望提供能克服这些问题的制作LED阵列和互连部件组件的方法。
本发明的一个目的是提供一种制作LED阵列和互连部件组件的新的、改进的方法。
本发明的另一目的是提供一种新的、改进的LED阵列和用于驱动大的LED阵列的集成驱动器电路组件。
本发明的又一目的是提供新的、改进的集成电路，它对于较大的阵列器件只需要较少的半导体芯片面积。
本发明的另一目的是提供一种新的、改进的基本改善填充因数的LED阵列和驱动组件。
本发明的更进一步的目的是提供一种制作LED阵列和驱动器组件的新的、改进的方法，该方法比已有技术的方法简单并更有效、而且易适应于高生产水平。
用一种制作除去基片的发光二极管阵列和驱动器组件的方法基本上解决了上述问题和其它问题，并实现了上述目的和其它目的。在本发明中公开了一种LED显示器组件，它由包括在基片上形成的可寻址的LED器件阵列的集成电路构成，所有的LED器件都以行和列的方式相连接。本发明的LED器件进一步地具有直接在LED显示区域的上面形成的连接区，从而将连接区和线连接互连部分所需的额外面积减为最小。还以分开的元件形式提供了一个在其主表面上形成有连接区的硅(Si)驱动器。
将LED器件设计成具有多个与位于LED器件的显示区域上的多个显示连接或结合区相连的多个行与列的连接区。设有一个硅(Si)驱动器芯片，将该硅(Si)驱动器芯片设计成具有通向一个上主表面的连接区或接合区，以便协同地与以后安装在其上的LED器件的连接区配对。此外，设有多个通向硅驱动器芯片的周边的连接或结合区，用于外部连接。利用众所周知的常规焊料块芯片直接焊接(DCA)结合法，将一形成的LED器件以倒装晶片的方式连接到硅驱动器芯片上。接着使LED器件未充满(underfilled)以增加整个组件的结构完整性。
接着，通过蚀刻整个组件或有选择地蚀刻一个分离层来有选择地除去最初在其上形成有LED的基片，仅让indium-gallium-aluminum-phosphide(InGaAlP)外延层露出。在对着安装硅驱动器芯片的方向上从LED中发出光。在此方向发出的光出现在没有典型的金属线互连的干扰的情况下，因而通过允许较高亮度和较大填充因数改善了显示性能。此外，通过除去目前公知已有技术需要的标准线结合互连部分和面积有形成较高产量、较低成本组件的潜力。
正如在本发明所公开的，通过将阵列上的所需要的大量连接区与同样数量的与电子电路相应的连接区对接而使阵列与其驱动电路组装在一起形成了一种制作方法，该方法在保持显示和驱动器芯片、总体小型的组件尺寸，以及性能价格比的同时可靠并且可重复。
在权利要求书中陈述了认为是本发明特性的新颖特征。然而，通过下面结合附图的详细描述，将更好地理解发明本身以及其它特征和优点，其中：
图1是一个简化的横截面图，描述按照本发明的发光二极管器件和驱动器；
图2是一个简化的横截面图，描述本发明的发光二极管器件的一个多层的实施例；
图3是一个简化的横截面图，描述倒装法固定到硅驱动器上的本发明的发光二极管；
图4是一个放大的、简化的、局部横截面图，描述本发明的块连接到Si驱动器上的发光二极管；
图5是一个放大的、简化的、局部横截面图，描述本发明的发光二极管显示组件的最后的封装，其中已经除去了发光二极管器件的GaAs基片；以及
图6是按照本发明的发光二极管显示组件的部件分解立体图。
在下面的描述中，对于描述本发明的不同的附图，用相同的标号表示在制作LED阵列和驱动器基片组件中相同的元件和步骤。
参见图1，用简化的截面图描述了在制作一个发光二极管显示组件的过程中的第一结构，所述的发光二极管显示组件包括一个由发光二极管阵列构成的发光二极管器件和一个共同操作的驱动器。在图1中将块连接之前的发光二极管器件和驱动器以分开的元件示出。图中所示的LED阵列器件10在结构上包括一个基片12，用目前已知的形成InGaAlPLED显示阵列的任何方法在基片12上形成一个LED显示阵列14。
在第一特例中，进一步地如图2所示，形成本发明的InGaAlPLED结构的这样一种方法包括在基片12的上表面上按如下顺序设置一个蚀刻阻挡层15、一个导电层16、一个第一载流子限制层17、一个有源层18、一个第二载流子限制层19和一个导电的罩层20。不用说，蚀刻阻挡层15、导电层16和第一载流子限制层17必须基本上是透明的，便于一旦有选择地除去基片12时从有源层18发出的光反向通过这些层。在这一具体制作LED显示阵列14的过程中，基片12由没有掺杂的砷化镓(GaAs)形成，以便基片12是一个半导体。在基片12的表面上形成的蚀刻阻挡层15是一个非半导体材料构成的透明层，例如AlGaInP。蚀刻阻挡层15通常由与基片12不同的材料构成，其主要目的是便于除去基片12。在可替换的方案中，蚀刻阻挡层15可以是一个分离层(没有示出)，由例如砷化铝(AlAs)的材料构成，使分离层有选择地蚀刻掉，从而将基片12与剩下的LED外延层结构分开。导电层16是在蚀刻阻挡层15的表面上外延生长的GaAs或GaAlP透明层并且为重掺杂(1018或更多)的，例如有掺杂剂硒、硅、等，从而导电层16是一个相当好的N+-型导体。在制作LED显示阵列14的这一具体方法中，生长的导电层16的厚度小于500埃，从而能保持基本上透明。第一载流子限制层17是在导电层16的表面上外延生长的InGaAlP层并掺有N型半导电性的硅(1017-1018)。生长的载流子限制层17的厚度在大约1000-8000埃的范围内。有源层18是在载流子限制层17的表面上外延生长的没有掺杂的InGaAlP层，厚度在大约100-1000埃的范围内。第二载流子限制层19是在有源层18的表面上外延生长的InGaAlP层并掺有P型半导电性的锌(1016-1018)。在这一具体的实施例中，生长的载流子限制层19的厚度在大约1000-8000埃的范围内。在载流子限制层19的表面上外延生长厚度在大约200-1000埃的范围内的导电罩层20并且重掺杂锌(1019)以使导电罩层20为一个良好的P+-型导体。在载流子限制层17和19的(AlxGa1-x)0.5In0.5P中，铝的克分子份数x在大约0.7-1.0的范围内，而在有源层18中铝分子份数x在大约0.0-0.5的范围内。为了简便所公开的具体例子的制作，在整个基片12上以敷层外延生长上述各层，然而，不用说，也能利用其它方法(包括掩蔽法和选择生长或选择蚀刻)提供形成和限制各个象素所需要的多个区。
当然，也可以用许多其他的形式提供各个层，公开了InGaAlPLED的结构的本实施例是因为其制作简单。在某些实施例中还可以为各种特定的应用提供附加层，并且理所当然地认为，所公开的结构仅作为LED显示阵列14的基本结构的一个例子而公开，并不是作为对其的限定。
在制作LED显示阵列14的该特定方法中，公开了LED阵列器件10的第一结构，其中用几种公知方法的任一种在载流子限制层19上有选择地形成罩层20。例如，外延生长的罩层20作为敷层。并用常规的方法除去多个区域，如对载流子层19的表面曝光的蚀刻法。为了将罩层20的剩余部分分成发光二极管的矩阵，载流子限制层19曝光区域限定了曝光行区域和曝光列区域。
当然，可以认为，也可以通过屏蔽载流子限制层19的表面来有选择地生长或沉淀罩层20。在两种方法中的任何一种方法中，罩层20并没有使处理的平面产生大的变化，因为罩层20的厚度只为500埃数量级。关于这一类型的发光二极管和制造方法的更多的信息和进一步地公开、以及所公开的可替换的实施例参见在此作为参考引入的赋予同一受让人的如上文件：美国专利US5453386，题为“制造注入LED的方法”，1995年9月26日批准；美国专利US5453386的分案申请，目前待审查的申请，序号为08/513,259，题目为“注入的LED阵列和制作方法”，申请日是1995年8月10日。
在赋予同一受让人的并在此作为参考引入的另一待审查的序号为08/239,626、题目为“光电集成电路和制造方法”、申请日是1994年5月9日的申请和其分案申请(目前待审查的申请，序号为08/513、655，题目为“光电集成电路和制造方法”，申请日是1995年8月10日)中，公开了一种利用台面蚀刻处理工艺制作InGaAlPLED阵列结构的方法，如图2所示。尤其是，公开了这样一种结构：其中的罩层20、第一载流子限制层17、有源层18和第二载流子层19部分已被蚀刻形成或分开成行和列的两维阵列或矩阵的台面晶体管。阵列中的蚀刻台面上的上表面限定发光二极管的发光区。
正如所述的，可以利用目前公知的制造InGaAlP LED阵列结构中的LED阵列的其它方法以及前面所述的方法制造本发明的LED阵列器件10。为了简便，在整个说明书中参考行和列加以描述，然而，不用说，对本领域的技术人员而言，这些术语完全可以相互改变，因为一个矩或阵列的行和列一般取决于物理坐标。
更详细地参考图1，示出了按照任一形成公知的LED阵列的常规的方法，以及前面公开的方法形成的LED阵列器件10，LED阵列器件10具有多个行和列的相交区(没有示出)，所述的行和列的相交区利用一层喷镀金属的线路33通向直接位于显示区24上的多个显示相交区22。以行和列的形式在LED阵列的显示区24上形成相交区22。在InGaAlP LED结构中形成多个LED接点喷镀金属35。
正如所描述的，提供一个硅(Si)驱动器25，它可包括所有需要的阵列驱动器、当将硅晶片切成小片时形成全功能显示模块所需要的控制电子线路和存储器，所述的控制电子线路在本说明书中称之为驱动器电子线路27。驱动器25具有在最上表面26上形成的多个与LED阵列器件10的相交区22共同操作的相交区28。通过分别直接在显示区域24和驱动器25的最上表面26上以基本上平面协同形式上设置相交区22和28，减少了常规引线的输出端数所需要的空间并在这种情况下减少了实际的相交部分，从而使这种器件的制作更经济。此外，能由反射金属形成LED接点喷镀35的接点金属，使用所述的接点金属将发出的光反射到观察方向。由于光反射，这样使用反射金属将有助于减少侧向电流分布并且使LED阵列器件10提供大约两倍的输出功率。除了驱动器25的相交区28以外，可有多个外部相互相交区(没有示出)。
在该具体实例中，显示阵列14有240×144象素分辩力的显示。因而，实际显示区的大小大约为4.8mm×2.88mm。显示阵列14所需要的相交区的数量是384(240+144＝384)。按照本发明，以一个24×16的区矩阵形成相交区22。而且以一个24×16的区矩阵类似地形成相交区28。相交区22的矩阵和相交区28的矩阵各自都形成间距为200μm(8密耳)的24列和间距为220μm(8密耳)的16行。从而，形成LED阵列器件10和硅驱动器25之间的连接体需要的实际面积大约为4.8mm×3.2mm，此面积比实际显示阵列14的面积仅有少量增加。
在形成本发明的LED显示和驱动器组件的第一步期间，可能发生保证组件效率的附加步骤。具体地，公开了使用筛出坏阵列的晶片检测技术在显示晶片上制作多个LED阵列14的方法。另外，在LED阵列器件10与硅驱动器25倒装晶片安装之前，在硅晶片上能制件阵列驱动器电路27并检测筛出任何坏芯片。
参考图3，示出了制作本发明LED阵列和驱动器组件的第二步。具体地，使用公知的常规焊料块晶片直接焊接(DCA)将LED阵列器件10倒装晶片固定到硅驱动器25上，从而形成所描述的LED显示和驱动器组件30。此外，公开的另一个可供选择的方法是使用晶片级处理工艺将显示芯片10和驱动器芯片25相连接。关于这一类型的发光二极管和制造方法的更多的信息和进一步地公开，以及所公开的可替换的实施例参见在此作为参考引入的赋予同一受让人的如下文件：  目前待审查的美国专利申请，序号为08/588,470，题目为“除去基片的LED显示组件和其制造方法”，申请日是1996年1月18日。
正如前面所述，将LED阵列器件10设计成具有多个行和列的相交区，所述的行和列的相交区通向位于LED显示器件10的最上表面23上的多个相交区22，从而直接位于LED显示阵列10的显示区域上。将硅驱动器25设计成具有与硅驱动器25的最上表面26相连接的协同相交区28，以便与LED阵列器件10的相交区电连接。
使用常规焊料块晶片直接焊接(DCA)接合法(众所周知的已有技术)将LED器件10与硅驱动器25块连接。在装配过程中，将LED显示器件10倒置以使得LED阵列器件10的最上表面23(在其上形成有相交区22)以朝下的位置放置，并且，当LED显示器件10和硅驱动器25严格地对齐时，使相交区22安置成各自接触一个在硅驱动器25上形成的相交区28。
硅驱动器25具有多个由沉淀在相交区28上的连接材料构成的块32(参见图4-5)，用于将LED阵列器件10与硅驱动器25电连接和机械连接。块32由相对良好的电导体材料形成，并且至少可部分熔化和重新调整以形成良好的机械连接。可用于此目的材料有金、铜、焊料(尤其是高温焊料)、导电的环氧树脂等。在本发明的LED显示和驱动器组件的块连接中利用连接标准的C5 DCA。某些可共存的金属可以改善组装工艺过程，例如在硅驱动器25的装配区28上的金喷镀金属或金镀层。
参见图4，它是一个放大的、简化的、局部横截面图，进一步描述本发明的LED阵列器件10倒装片装配到Si驱动器上。在LED阵列器件10与硅驱动器25块焊接连接之后，在由LED显示和驱动器组件30和32形成的区域内，设置和沉淀的包括环氧树脂或聚合物材料的一层未充满层34。这样设置或沉淀的未充满层34制成了更坚固的组件结构，在一旦移去基片12后未充满层34增加LED阵列器件10的剩下的LED薄膜的机械强度(目前所讨论的)。
参见图5，它是一个放大的、简化的、局部横截面图，描述本发明的一个成套的发光二极管显示和驱动器组件40。正如所描述的，在形成本发明的LED显示和驱动器组件40的最后一步，使用常规的蚀刻技术，有选择地除去阵列器件10的基片12。使用湿蚀刻技术或利用已有技术中任何可替换的蚀刻技术蚀刻由未掺杂的GaAs形成的基片12。在可供选择的方案中，正如前面所描述的，可利用其中形成有分离层的LED结构，有选择地将分离层蚀刻掉，从而将基片12与剩下的LED外延层结构分开。在除去GaAs基片以后，仍然保留InGaAlP外延层。由发光阵列器件10发出的光目前从LED阵列器件10的后表面发出，所述的后表面目前为LED显示和驱动器组件40的前表面。
这样除去基片12便于从初始LED器件的后表面发射光，因而使显示区域24的最上表面23用作连接或接合区域。正如前面所述，由于这样形成的组件没有阻挡光的金属线相交部分而有较高的亮度和大象素占空因数，因而改善了显示性能。
参见图6，示出了按照本发明的发光二极管显示和驱动器组件40的部件分解立体图。更具体地，描述了以行和列的矩阵方式设置的LED器件的接合区，以及以配对的行和列矩阵方式设置的驱动器25的接合区28。
因而，公开了一种能克服许多普遍问题的新LED阵列器件和驱动器组件以及将LED阵列与其驱动电子线路制作在一起的方法。新改进的制作LED阵列和驱动电子线路组件的方法比其它方法简单和更有效，并且易适用于高生产水平。进一步地，新改进的制作该组件的方法保证使用焊料块芯片直接焊接(DCA)结合技术将LED阵列器件10与硅驱动器25组装。
为了便于解释，已按特定的顺序执行所公开的方法的各个步骤，然而，不用说，在具体的应用中所公开的方法的各个步骤是可以相变化的和/或与其它方法相结合，并且至少企图使所公开的方法中的所有这些变化都落在权利要求的范围内。
尽管我们已经说明和描述了本发明的具体实施例，但是本领域的普通技术人员会做出进一步的修改和改进。因此，我们期望本发明不局限于所说明的特定形式而是想使所附的权利要求包含不脱离本发明的精神和范围的所有修改。

Claims (10)

1、一种制作发光二极管显示组件的方法，其特征在于包括如下步骤：
提供一个具有主平面的基片；
在所述的基片的主平面上形成发光二极管的阵列，从而形成具有规定显示区域的发光二极管器件；以及
有选择地从发光二极管器件中除去基片。
2、一种如权利要求1所述的制作发光二极管显示组件的方法，其特征在于进一步地包括如下步骤：形成多个与发光二极管阵列电连接的焊接区，提供在硅基片上形成的驱动器，所述的驱动器包括在其内形成的多个驱动元件，形成多个与驱动元件电连接的焊接区，协同地确定所述多个与驱动元件电连接的焊接区的位置以便与发光二极管阵列的焊接区相连接，并且将与发光二极管阵列电连接的多个焊接区和驱动器的驱动元件电连接的多个焊接区对接，从而将发光二极管器件与驱动器电连接。
3、一种如权利要求2所述的制作发光二极管显示组件的方法，其进一步的特征在于，将与发光二极管阵列电连接的多个焊接区和与驱动器的驱动元件电连接的多个焊接区对接包括焊接区的倒装晶片焊料块接合法。
4、一种如权利要求3所述的制作发光二极管显示组件的方法，其进一步的特征在于包括如下步骤：用一种非导电的聚合物或环氧树脂不充满在发光二极管器件和驱动器之间形成的区域。
5、一种如权利要求1所述的制作发光二极管显示组件的方法，其进一步的特征在于从发光二极管器件中除去基片的步骤包括有选择地将基片蚀刻掉，从而使发光二极管器件的InGaAlP外延层露出。
6、一种如权利要求1所述的制作发光二极管显示组件的方法，其进一步的特征在于从发光二极管器件中除去基片的步骤包括一个分离层，由此有选择地将分离层蚀刻掉，使发光二极管芯片的InGaAlP外延层露出。
7、一种发光二极管组件，其特征在于包括：
一个发光二极管阵列，具有将被有选择地除去的一开始存在的基片，形成一个具有规定显示区域的发光二极管器件；
多个与发光二极管阵列电连接形成的焊接区；
一个在硅基片上形成的并具有在其中形成的多个驱动元件的驱动器；
多个与驱动器电连接形成的焊接区；以及
一个装置，它位于发光二极管器件的显示区域的最上表面，用于将与发光二极管阵列的电连接的焊接区与驱动器电连接形成的焊接区电连接并且通向驱动器的最上表面。
8、一种如权利要求7所述的发光二极管组件，进一步的特征在于，在一开始存在的基片的主表面上形成发光二极管阵列，在将发光二极管器件与驱动器电连接之后有选择地除去基片。
9、一种如权利要求7所述的发光二极管组件，进一步的特征在于，发光二极管器件包括在基片上形成的多个材料层，至少有一个支撑在基片的主平面上的材料的蚀刻阻挡层、一个在蚀刻阻挡层上的导电层、一个在导电层上的第一载流子限制层、一个在第一载流子限制层上的一个有源层、以及一个在有源层上的第二载流子限制层。
10、一种如权利要求9所述的发光二极管组件，进一步的特征在于，在多个材料层中存在着杂质以使多个材料层分成多个以行和列的矩阵方式设置的隔离的发光二极管，并且至少通过多个材料层的某些层形成多个纵向的导体以给阵列中的每一二极管提供表面接触。
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