CN1702880A - 半导体发光二极管(led)通孔倒扣焊芯片及生产工艺 - Google Patents

半导体发光二极管(led)通孔倒扣焊芯片及生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明揭示新型的具有高可靠性的LED通孔倒扣焊芯片，以及低成本的工艺方法。LED通孔倒扣焊芯片的结构如下：绝缘的支持衬底芯片的每一面分别层叠两个电极，在同一面上的两个电极互相电绝缘。支持衬底芯片的第一面的两个电极分别通过通孔/金属填充塞与第二面的两个电极电连接。第一面的两个电极的位置和形状与键合与其上的LED芯片的两个电极的位置和形状相配合。当封装LED通孔倒扣焊芯片时，不需要打金线，具有高可靠性，封装管座的厚度降低。本发明还揭示不同的制造LED通孔倒扣焊芯片的工艺。

Description

半导体发光二极管(LED)通孔倒扣焊芯片及生产工艺
技术领域
本发明揭示新型的具有高可靠性的半导体发光二极管(LED)通孔倒扣焊芯片及低成本的生产技术和工艺，属于半导体电子技术领域。
背景技术
大功率半导体发光二极管具有取代白炽灯的巨大前途，但是，首先要解决技术和生产上的问题，主要问题包括，以蓝宝石为生长衬底的氮化镓基LED的散热效率低。为此，氮化镓基LED倒扣焊芯片被提出，见图1：氮化镓基LED芯片104倒扣焊在硅支持衬底芯片110上，硅支持衬底芯片110上的两个打线焊盘108和109是为封装时打金线111和112与外界电源相连接。但是，金线会造成可靠性问题。另外，自动打线设备昂贵，手动打线设备产量低，金线所占用的空间增大了LED倒扣焊芯片的封装管座的厚度。
因此，需要新型的LED通孔倒扣焊芯片及低成本的生产技术和工艺，当封装该芯片时，不需要打金线，具有高可靠性，封装管座的厚度降低。由此得到的生产工艺可以应用于其它半导体通孔倒扣焊芯片。
发明内容
本发明揭示几种具有不同结构的新型的具有高可靠性的LED通孔倒扣焊芯片，以及低成本的工艺方法。LED通孔倒扣焊芯片的结构如下：绝缘的支持衬底的每一面分别层叠两个电极，在同一面上的两个电极互相电绝缘，第一面的两个电极通过通孔/金属填充塞分别与第二面的两个电极电相联。第一面的两个电极的位置和形状与键合于其上的LED芯片的两个电极的位置和形状相配合，第二面的两个电极的位置和形状与封装时将要键合的热沉上的两个电极的位置和形状相配合。本发明还揭示几种不同的制造LED通孔倒扣焊芯片的工艺。
工艺之一的步骤如下：在硅支持衬底晶片的两面层叠具有图形的导电金属层，金属层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于：铝，铜，金，银，锡，等，它们的合金，以及它们的组合。合金包括，但不限于：金锡，银锡，铝铜，等。在硅支持衬底晶片的第一面的金属层上，在预定的位置形成一组一组的电极，每组电极包括两个电极：第一电极和第二电极，这两个电极的位置和形状分别与后续层叠于其上的LED芯片的P电极和N电极的位置和形状相配合。在硅支持衬底晶片的第二面的金属层上，在预定的位置形成一组一组的电极，每组电极包括两个电极：第三电极和第四电极，这两个电极的位置和形状分别与后续层叠于其上的热沉的两个电极的位置和形状相配合。支持衬底晶片的第二面的第三和第四电极的位置分别与支持衬底晶片的第一面的第一和第二电极的位置相配合。在硅支持衬底晶片的预定的位置上形成通孔(throughhole)，在通孔中层叠导电金属填充塞，所述的导电金属填充塞把通孔两端的电极连接，即第一电极和第三电极连接，第二电极和第四电极连接，因此，第一电极和第三电极是电连接的，第二电极和第四电极是电连接的。然后，LED芯片倒扣焊在硅支持衬底晶片的第一面的金属层上的预定的位置，使得LED芯片的P电极和N电极分别与第一电极和第二电极键合在一起。把硅支持衬底晶片切成小片硅支持衬底芯片，使得每一硅支持衬底芯片上包括一个倒扣焊于其上的LED芯片，形成LED通孔倒扣焊芯片。小片硅支持衬底芯片可以有与LED芯片相同的尺寸和形状，也可以有大于LED芯片的尺寸和不同的形状。连接支持衬底芯片两面的一对电极的通孔/金属填充塞的数量可以是一个也可以是多个，例如，图4中，连接电极410和413的通孔/金属填充塞有两个。每个通孔/金属填充塞的截面积可以较小也可以较大，例如，从平方微米到平方毫米量级。采用多个截面积较大的通孔/金属填充塞连接支持衬底芯片两面的一对电极的优点是：(1)进一步提高支持衬底芯片的热导率；(2)降低电阻，因而降低产生的热量，降低电压。
本发明揭示的LED通孔倒扣焊芯片的技术和生产方法，可以应用于其他半导体通孔倒扣焊芯片。
本发明的目的和能达到的各项效果如下：
(1)本发明的目的是提供LED通孔倒扣焊芯片。
(2)本发明的目的是提供低成本的批量生产具有高可靠性的LED通孔倒扣焊芯片的方法。
(3)本发明提供的LED通孔倒扣焊芯片在封装时，不需要打金线。
(4)本发明提供的LED通孔倒扣焊芯片具有高可靠性。
(5)本发明提供的LED通孔倒扣焊芯片的封装的高度降低。
本发明和它的特征及效益将在下面的详细描述中更好的展示。
附图说明
图1展示在先的带有打线焊盘的大功率LED倒扣焊芯片。
图2展示在先的大功率LED倒扣焊芯片的封装的一个具体实施实例。
图3是本发明的大功率LED通孔倒扣焊芯片的第一个具体实施实例。
图4是本发明的大功率LED通孔倒扣焊芯片的第二个具体实施实例。
图5是本发明的大功率LED通孔倒扣焊芯片的封装的第一个具体实施实例。
图6是本发明的大功率LED通孔倒扣焊芯片的封装的第二个具体实施实例。
图7a是本发明的低成本的批量生产大功率LED通孔倒扣焊芯片的工艺的第一个具体实施实例。
图7b是本发明的采用图7a的工艺制造的带有通孔/金属填充塞和电极的硅支持衬底晶片的具体实施实例。
图7c是本发明的采用图7a的工艺制造的键合LED晶片的具体实施实例的截面图。
图8a是本发明的低成本的批量生产大功率LED通孔倒扣焊芯片的工艺的第二个具体实施实例。
图8b是本发明的采用图8a的工艺制造的键合了LED芯片的硅支持衬底晶片的一个具体实施实例的截面图。
图8c是本发明的采用图8a的工艺制造的键合了LED芯片的硅支持衬底晶片的第一个具体实施实例的顶视图。
图8d是本发明的采用图8a的工艺制造的键合了LED芯片的硅支持衬底晶片的第二个具体实施实例的顶视图。
具体实施实例和发明的详细描述
虽然本发明的具体化实施实例将会在下面被描述，但下列各项描述只是说明本发明的原理，而不是局限本发明于下列各项具体化实施实例的描述。
注意下列各项：
(1)图7和图8展示的大功率LED通孔倒扣焊芯片的生产技术和工艺可以应用于其它的通孔倒扣焊芯片的生产。
(2)本发明的支持衬底的材料包括，但不限于，硅晶片，氮化铝陶瓷片，等。
(3)在硅晶片的两面上层叠金属，并用通孔/金属填充塞将两面的金属层电连接的过程被称为金属化。金属化是半导体IC行业中很成熟的工艺：
(a)层叠于硅支持衬底晶片的两面的金属层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于：铜，金，银，锡，铝，它们的合金，以及它们的组合。合金包括，但不限于：金锡，银锡，铝铜，等。
(b)在硅支持衬底晶片的两面上的层叠金属层的方法包括，但不限于：物理气相淀积(PVD)(包括蒸发淀积，电子束淀积，溅射淀积(包括，射频，磁控，IMP))，金属化学气相淀积(CVD)，铜电镀，等。
(c)淀积在硅支持衬底晶片上的铜会扩散进硅晶片中，这一现象对半导体发光二极管(LED)不但没有影响，反而使铜与硅的结合更可靠。
(d)为了在淀积在硅支持衬底晶片上的铜层上形成电极，可采用大马士革工艺。
(e)通孔可以采用下述方法制造：湿法蚀刻，干法蚀刻，激光打孔。
(f)金属填充塞的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于：钨，铝，铜，金，等。
(4)在氮化铝陶瓷片的两面上层叠金属，是半导体行业中很成熟的工艺。
(5)在支持衬底晶片上键合LED芯片的方法包括，但不限于：共晶键合(Eutectic bonding)，植金球键合(gold stud bumping)，等。
(6)键合支持衬底晶片和大功率LED外延晶片的方法包括，但不限于：晶片键合(wafer bonding)，植金球键合，等。
(7)连接支持衬底芯片两面的一对电极的通孔/金属填充塞的数量可以是一个也可以是多个，例如，图4中，连接电极410和413的通孔/金属填充塞有两个。每个通孔/金属填充塞的截面积可以较小也可以较大，例如，从平方微米到平方毫米量级。
图1展示在先的带有打线焊盘的大功率蓝光LED倒扣焊芯片。LED倒扣焊芯片100包括LED芯片104和硅支持衬底芯片110。LED芯片104的电极101和106通过键合盘102和105分别与硅支持衬底芯片110上的电极103和107连接。键合盘102和105包括，但不限于：共晶键合，植金球键合，等。电极103和107是互相电绝缘的，在端点分别具有打线焊盘108和109。金线111和112分别连接在打线焊盘108和109上。
图2展示在先的大功率蓝光LED倒扣焊芯片的封装。包括LED芯片204和硅晶片支持衬底芯片210的LED倒扣焊芯片键合在热沉204上。热沉204上的打线焊盘203和205通过金线201和202分别与LED倒扣焊芯片的打线焊盘206和207相连接。金线会产生可靠性问题，金线的高度增加了LED倒扣焊芯片的封装管座的高度。
图3展示本发明的LED通孔倒扣焊芯片的第一个具体实施实例。同样的结构可以应用于其它的半导体通孔倒扣焊芯片。
LED通孔倒扣焊芯片300包括LED芯片301和硅支持衬底芯片307。LED芯片301包括第一电极302和第二电极304。硅支持衬底芯片307包括第一电极308，第二电极306，第三电极310，和第四电极311。其中，硅支持衬底芯片307的第一电极308和第三电极310由通孔/金属填充塞309连接，第二电极306和第四电极311由通孔/金属填充塞312连接。LED芯片301的第一电极302和第二电极304分别通过键合盘303和305与硅支持衬底芯片307上的第一电极308和第二电极306连接。因此，LED芯片301的第一电极302和第二电极304分别与硅支持衬底芯片307的第三电极310和第四电极311电连接。
图4展示本发明的LED通孔倒扣焊芯片的第二个具体实施实例。同样的结构可以应用于其它的半导体通孔倒扣焊芯片。LED通孔倒扣焊芯片400与LED通孔倒扣焊芯片300的不同之处如下。硅支持衬底芯片407的尺寸大于LED芯片401。另外，硅支持衬底芯片407的形状与LED芯片401可以相同也可以不同。
连接支持衬底芯片两面的一对电极的通孔/金属填充塞的数量可以是一个也可以是多个，例如，连接电极410和413的通孔/金属填充塞有两个。通孔/金属填充塞的截面积可以较小也可以较大，例如，从平方微米到平方毫米量级。采用多个截面积较大的通孔/金属填充塞连接支持衬底芯片两面的一对电极的优点是：(1)进一步提高支持衬底芯片的热导率；(2)降低电阻，因而降低产生的热量，降低电压。
注意，支持衬底芯片的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，硅晶片，氮化铝陶瓷片，等。硅支持衬底芯片407的形状是从一组形状中选出，该组形状包括，但不限于，圆形，多边形，等。多边形包括，但不限于，四边形，六边形，八边形，等。
图5展示本发明的LED通孔倒扣焊芯片300的封装的一个具体实施实例。LED通孔倒扣焊芯片300的第三电极310和第四电极311分别键合到热沉501的第一电极502和第二电极503上。第一电极502和第二电极503是互相电绝缘的。第一电极502和第二电极503的端点504和端点505将分别与外部电源的两个极连接。
注意，热沉501的形状是从一组形状中选出，该组形状包括，但不限于，圆形，多边形，等。多边形包括，但不限于，四边形，六边形，八边形，等。键合的方法包括，但不限于：共晶键合，植金球键合，等。第一电极502和第二电极503之间的距离可以小至数十微米，因此，键合的面积加大，键合的强度加大，导热性能进一步提高。
图6展示本发明的LED通孔倒扣焊芯片400的封装的一个具体实施实例。LED通孔倒扣焊芯片400的第三电极410和第四电极411分别键合到热沉601的第一电极602和第二电极603上。第一电极602和第二电极603是互相电绝缘的。第一电极602和第二电极603的端点604和端点605将分别与外部电源的两个极连接。热沉601的形状是从一组形状中选出，该组形状包括，但不限于，圆形，多边形，不规则形状，等。多边形包括，但不限于，四边形，六边形，八边形，等。
注意，当封装在先的大功率LED倒扣焊芯片到热沉上时，需要打多条金线。与之不同，当封装本发明的LED通孔倒扣焊芯片到热沉上时，不需要打金线。因此，可靠性提高，封装结构和工艺简单，封装结构的高度降低。
图7a展示制造本发明的图3的LED通孔倒扣焊芯片300的工艺的一个具体实施实例。
工艺步骤701：在硅支持衬底晶片的第一面上与LED外延晶片上的每一个LED芯片的两个电极对应的位置制造两个电极，每个电极由通孔/金属填充塞与硅支持衬底晶片的第二面上对应的电极联结成一个电极。
层叠于硅支持衬底晶片的两面的金属层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于：铜，金，银，锡，铝，它们的合金，以及它们的组合。合金包括，但不限于：金锡，银锡，铝铜，等。在硅支持衬底晶片的两面上的层叠金属层的方法包括，但不限于：物理气相淀积(PVD)(包括蒸发淀积，电子束淀积，溅射淀积(包括，射频，磁控，IMP))，金属化学气相淀积(CVD)，铜电镀，等。
淀积在硅支持衬底晶片上的铜会扩散进硅晶片中，这一现象在半导体IC工业界是要极力避免的，但是，这一现象对半导体发光二极管(LED)不但没有影响，反而使铜与硅的结合更可靠。对于在硅支持衬底晶片的铜层上形成电极，可采用成熟的大马士革工艺。
在硅支持衬底晶片上淀积铝是很成熟的工艺，铝很容易淀积到硅支持衬底晶片上。湿法或干法蚀刻在硅支持衬底晶片上的铝层以形成电极是很成熟的工艺。
通孔可以采用下述方法制造：湿法蚀刻，干法蚀刻，激光打孔。金属填充塞的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于：钨，铝，铜，金，等。
连接支持衬底芯片两面的一对电极的通孔/金属填充塞的数量可以是一个也可以是多个。通孔/金属填充塞的截面积可以较小也可以较大。
在半导体IC工业，在绝缘的介质的两面层叠金属薄膜，在金属薄膜上制造电极，通过导电的通孔/金属填充塞将两面对应的电极连接，这个过程被称为金属化。金属化是很成熟的工艺，并且很容易应用于半导体发光二极管工业。
工艺步骤702：键合LED外延晶片和硅支持衬底晶片，成为键合LED晶片。键合硅支持衬底晶片和大功率LED外延晶片的方法包括，但不限于：晶片键合(wafer bonding)，植金球键合，等。
工艺步骤703：把键合LED晶片切割为单个LED通孔倒扣焊芯片。
注意，支持衬底晶片的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，硅晶片，氮化铝陶瓷片，等。支持衬底芯片的尺寸和形状与LED芯片相同
图7b展示支持衬底晶片的金属化的截面图。第一电极711和第二电极712淀积在支持衬底晶片710的第一面上，第三电极714和第四电极716淀积在支持衬底晶片710的第二面上，第一电极711和第三电极714由通孔/金属填充塞713电连接，第二电极712和第四电极716由通孔/金属填充塞715电连接。第一电极711和第二电极712的形状和位置与层叠于其上的LED芯片的两个电极相对应。第三电极714和第四电极716的形状和位置与封装时将要键合于其上的热沉的两个电极相对应。
图7c展示键合LED晶片的截面图。LED外延晶片720和支持衬底晶片727
                        通过键合盘
键合，成为键合LED晶片。例如，2英寸LED外延晶片上约有1,800个1毫米×1毫米的大功率LED芯片，共有约3,600个键合盘。图7c展示LED2芯片的第一电极723和第二电极725通过键合盘724和726键合到支持衬底晶片727的第一电极728和第二电极733上。支持衬底晶片727的第一电极728和第二电极733分别通过通孔/金属填充塞729和732与第三电极730和第四电极731电连接。LED外延晶片上的每一个LED芯片都通过相同的方法与其对应的支持衬底晶片上的电极相键合。
最后，沿切割线721把键合LED晶片切割为单个的如图3中展示的LED通孔倒扣焊芯片300。
图8展示制造本发明的如图4中展示的LED通孔倒扣焊芯片400的工艺的一个具体实施实例。
工艺步骤801：与工艺步骤701基本相同。图8b展示在硅支持衬底晶片的第一面上与每一个LED芯片的两个电极对应的位置形成两个电极815和820，在硅支持衬底晶片的第二面上与封装时将要键合的热沉的两个电极对应的位置形成两个电极817和818。硅支持衬底晶片的第一面上的两个电极815和820分别由通孔/金属填充塞816和819与硅支持衬底晶片的第二面上对应的电极817和818连接。
与工艺步骤701不同之处是：硅支持衬底芯片823和833的尺寸大于LED芯片811。硅支持衬底芯片823和833的形状既可以与LED芯片811的形状相同，也可以不同。
工艺步骤802：分别键合每一个LED芯片到硅支持衬底晶片的第一面的预定的位置上，形成键合LED晶片810。键合的方法包括，但不限于，共晶键合，植金球键合，等。
图8b展示一个LED芯片811的两个电极812和813分别通过键合盘814和821与硅支持衬底芯片的第一面上的电极815和820键合的截面图。键合盘的材料包括，但不限于，共晶焊焊层，金球，等。
工艺步骤803：沿切割线822把键合LED晶片810(图8b)，850(图8c)和860(图8d)切割为单个的如图4中展示的LED通孔倒扣焊芯片400。
图8c展示多个LED芯片811分别与键合LED晶片850上的对应的硅支持衬底芯片823键合的顶视图，硅支持衬底芯片823是四边形。每一个硅支持衬底芯片823上键合一个LED芯片811。然后，沿切割线822把键合LED晶片850切割为单个的如图4中展示的LED通孔倒扣焊芯片400。切割的方法包括，但不限于，机械方法，激光切割。图8c中的全部虚线都是切割线822。
图8d展示多个LED芯片811分别与键合LED晶片860上的对应的硅支持衬底芯片833键合的顶视图，硅支持衬底芯片833是八边形。每一个硅支持衬底芯片833上键合一个LED芯片811。然后，沿切割线822把键合LED晶片860切割为单个的如图4中展示的LED通孔倒扣焊芯片400。图8d中的全部虚线都是切割线822。
注意，虽然图8c和图8d展示的硅支持衬底芯片823和833的形状分别是四边形和八边形，硅支持衬底芯片823的形状是从一组形状中选出，该组形状包括，但不限于，圆形，多边形，等。多边形包括，但不限于，四边形，六边形，八边形，等。在图8c和图8d展示的硅支持衬底芯片823和833中，并没有展示硅支持衬底芯片823和833上的电极。图8c和图8d只展示部分LED芯片和支持衬底芯片。
上面的具体的描述并不限制本发明的范围，而只是提供一些本发明的具体化的例证。因此本发明的涵盖范围应该由权利要求和它们的合法等同物决定，而不是由上述具体化的详细描述和实施实例决定。

Claims (10)

1.一种半导体发光二极管(LED)通孔倒扣焊芯片，包括：
LED芯片；其中，所述的LED芯片的两个电极在其同一表面上；
支持衬底芯片；其中，所述的支持衬底芯片的第一面上具有第一和第二电极，所述的第一和第二电极互相电绝缘；其中，所述的支持衬底芯片的第二面上具有第三和第四电极，所述的第三和第四电极互相电绝缘；其中，所述的支持衬底芯片的第一面上的第一和第二电极分别通过通孔/金属填充塞与第二面上的第三和第四电极电连接；其中，所述的支持衬底芯片的第一面上的第一和第二电极的位置和形状与所述的LED芯片的两个电极的位置和形状相配合；其中，所述的支持衬底芯片的第一面上的第一和第二电极分别与所述的LED芯片的两个电极键合。
2.权利要求1的LED通孔倒扣焊芯片，其中，所述的支持衬底芯片的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于，硅晶片，氮化铝陶瓷片，等。
3.权利要求1的LED通孔倒扣焊芯片，其中，所述的支持衬底芯片的尺寸和形状与LED芯片的相同。
4.权利要求1的LED通孔倒扣焊芯片，其中，所述的支持衬底芯片的尺寸大于LED芯片的尺寸；其中，所述的支持衬底芯片的形状与LED芯片的相同。
5.权利要求4的LED通孔倒扣焊芯片，其中，所述的支持衬底芯片的尺寸大于LED芯片的尺寸；其中，所述的支持衬底芯片的形状是从一组形状中选出，该组形状包括，但不限于，圆形，多边形，等；其中，所述的多边形包括，但不限于，四边形，六边形，八边形，等。
6.权利要求1的LED通孔倒扣焊芯片，其中，所述的支持衬底芯片的第一面上的第一和第二电极以及第二面上的第三和第四电极的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于：铝，铜，金，银，锡，等，它们的合金，以及它们的组合；其中，所述的合金包括，但不限于：金锡，银锡，铝铜，等。
7.权利要求1的LED通孔倒扣焊芯片，其中，所述的通孔/金属填充塞的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，但不限于：钨，铝，铜，金，等。
8.权利要求1的LED通孔倒扣焊芯片，其中，连接支持衬底芯片两面的对应的两个电极的所述的通孔/金属填充塞的数量可以是一个也可以是多个；其中，所述的通孔/金属填充塞的截面积具有平方微米到平方毫米量级。
9.一种制造LED通孔倒扣焊芯片的工艺，包括：
在支持衬底晶片的第一面上与LED外延晶片上的每一个LED芯片的两个电极对应的位置上形成两个电极；在支持衬底晶片的第二面上与封装时键合于其上的热沉上的两个电极对应的位置上形成两个电极；其中，所述的支持衬底晶片的第一面上的电极分别由通孔/金属填充塞与支持衬底晶片的第二面上对应的电极连接；
键合所述的LED外延晶片和所述的支持衬底晶片，成为键合LED晶片；其中，所述的LED外延晶片上的每一个LED芯片的两个电极与支持衬底晶片的第一面上的对应的位置上的两个电极相键合；其中，所述的键合LED外延晶片和支持衬底晶片的方法包括，但不限于，晶片键合，植金球键合，等；切割所述的键合LED晶片为单个LED通孔倒扣焊芯片；其中，支持衬底芯片的尺寸和形状与所述的LED芯片相同。
10.一种制造LED通孔倒扣焊芯片的工艺，包括：
在支持衬底晶片的第一面上与每一个LED芯片的两个电极对应的位置上形成第一和第二电极；在所述的支持衬底晶片的第二面上与封装时键合于其上的热沉上的两个电极对应的位置上形成第三和第四电极；其中，所述的支持衬底晶片的第一面上的第一和第二电极分别由通孔/金属填充塞与所述的支持衬底晶片的第二面上对应的第三和第四电极连接；
分别键和每一个LED芯片到所述的支持衬底晶片的第一面上的预定的位置，使得所述的每一个LED芯片的两个电极与所述的支持衬底晶片的第一面上的对应的位置上的第一和第二电极分别连接，成为键合LED晶片；其中，键合所述的LED芯片和所述的支持衬底晶片的方法包括，但不限于，共晶键合，植金球键合，等；
切割所述的支持衬底晶片为单个的LED通孔倒扣焊芯片，其中，所述的每一个支持衬底芯片上具有一个键合的LED芯片。
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