CN1971952A - 大功率led芯片倒焊装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种大功率LED芯片倒装焊方法，涉及微电子技术领域，本发明所采用的技术方案是在LED芯片上淀积TiNiAg层，在LED芯片电极上淀积金属铟，在硅基板上淀积TiNiAg层，对应于LED芯片电极位置的硅基电板上淀积铟，并在其上制作金球，然后将经上述加工的LED芯片与硅基板倒装焊接在一起，从而形成铟－金－铟焊装结构，以铟作为热膨胀缓冲，使LED芯片装焊的热膨胀失配率大大下降，热匹配性好，热阻小，热量散发快，从而大大提高了大功率LED的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED(半导体发光二极管)封装方法，特别是一种大功率LED芯片装焊方法。
背景技术
LED器件属于电流型器件，要使半导体光源实用化，必须研制大功率高亮度发光LED。在转换效率一定的情况下，要实现LED高亮度，就必须增加电流和发光面积，这将导致LED功率大大增加。随着功率的增加，LED芯片结温升高，可达100℃以上，致使LED芯片工作时发生许多问题，如产生温度猝灭效应，致使LED芯片和荧光粉的光效率降低、亮度下降、工作中产生色漂移、器件材料劣化，封装树脂变黄等，从而大大缩短LED的使用寿命。因此，对于大功率LED，散热问题成为了其技术瓶颈。
目前，传统的大功率、高亮度LED封装方法，较普遍的是采用铜或铝基板封装，虽然铜或铝基板能够改善散热问题，但铜和铝的热膨胀系数分别为16.7ppm/k和23ppm/k，与LED芯片的材料(GaN或GaInN，热膨胀系数为5.6ppm/k)之间的热膨胀失配率分别为49.78％和60.8％[热膨胀失配率定义：(λ1-λ2)/(λ1+λ2)，λ1和λ2为装焊材料的热膨胀系数]。由于过大的热膨胀系数差异，会使大功率高亮度LED芯片在连续工作时，产生热应力，发光亮度急速下降，而在LED关断过程中产生压应力。长期工作时，产生应力积累，造成LED芯片晶格畸变、断裂等缺陷，甚至使LED失去发光功能，造成产品可靠性下降。这种传统的封装方法，受限于散热能力，不适合在工作电流100mA以上的大功率LED上应用。因此，高工作电流的大功率，高亮度LED芯片封装的散热及热膨胀匹配问题又成为了制作大功率LED的关键。
最新的大功率、高亮度LED芯片的封装方法是采用热电分离的方式，将LED芯片倒装焊在硅基板上，已成功获得单芯片1W、3W、5W的大功率LED或多芯片更大功率的LED。一般的倒装焊采用金和铅锡焊料凸点，但铅锡焊料凸点的制作工序十分复杂，涉及光刻、剥离、电镀等工序，同时铅锡组分对焊接温度影响很大。金凸点成本高于铅锡焊料，但可直接键合，导电、导热性好，较铅锡焊料有更优的热电性能。但金的热膨胀系数为14ppm/k，金凸点(金球)与LED焊接时，热膨胀失配率为42.85％，会产生热应力，破坏LED芯片的晶格，产生晶格缺陷，形成复合中心，吸收光子，使芯片发光效率降低，缩短了LED芯片的寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种大功率LED芯片倒装焊方法，针对现有技术的上述缺陷，从装焊材料、方法进行改进，以铟作热膨胀缓冲层，形成热匹配良好的装焊结构，以降低现有倒装焊方法，由于焊料凸点热膨胀系数失配率大而产生的热应力，破坏LED芯片晶格的问题，从而提高大功率LED的寿命。
本发明解决上述问题的技术方案：将背面出光的LED芯片倒装焊接在通过集成电路工艺制作的具有浪涌限制和静电保护电路的硅基板上，其方法包括：
(1)分别在LED芯片上和硅基板上淀积TiNiAg层；
(2)光刻所述的TiNiAg层，在LED芯片上和硅基板上，刻出LED芯片电极和硅基电极和引线；
(3)分别在LED芯片上和硅基板上用真空蒸发的工艺淀积铟层
(4)光刻铟，仅保留LED芯片电极和硅基电极上的铟层；
(5)在硅基电极的铟层上用含铂1％的金丝制作金球，控制硅基板温度为95℃-105℃。
(6)对经上述步骤加工处理后的LED芯片和硅基板进行划片，形成一个一个独立的LED芯片和硅基芯片；
(7)在倒装焊机上将各独立的LED芯片和硅基芯片进行键合，键合温度为156℃-160℃。
由于本发明采用上述的技术方案，在LED芯片和硅基板之间形成有铟(In)-金(Au)-铟(In)的装焊结构。LED芯片装焊的热膨胀匹配性能得到大大改善，并且不会破坏LED芯片的晶格，使芯片发光效率提高，延长了LED芯片的寿命。
附图说明
图1是本发明倒装焊LED芯片的装焊结构的剖视示意图
图2是应用本发明方法制成的LED器件的剖视示意图
图3是本发明方法的流程图
图中附图标记1为LED芯片铜引出线，3为掺荧光粉的树脂胶，12为导热绝缘层，13为金属散热板，14为铅锡焊料。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的方法，但不仅限于此。
如图中所示，本发明是将背面出光的LED芯片(包括蓝宝石衬底6和制作在蓝宝石衬底6上的GaN外延层5)倒装焊在预先制作了具有多个浪涌限制和静电保护电路的硅基板11上。具体装焊流程如图3所示，包括以下步骤，
1、采用常规集成电路真空镀膜方法对制作在LED芯片蓝宝石衬底上的GaN外延层5进行金属化处理，在其表面形成TiNiAg(钛镍银)层7，钛作接触粘附层，镍作阻挡层，银作反光导电层。
2、采用常规光刻加工，对LED芯片表面的TiNiAg层7进行光刻处理，刻出LED芯片电极和引线。
3、用常规的真空蒸发工艺在LED芯片电极位置上淀积厚铟(In)层。
4、在淀积了铟层的LED芯片上采用常规光刻法光刻铟，仅在LED芯片电极位置上留下铟层4，该铟层厚度最好为3-5um。
5、用常规划片方法，将经上述步骤处理的LED芯片切割成一个一个独立的大功率LED芯片。
6、在具有浪涌限制和静电保护电路的硅基板11上采用常规真空镀膜方法淀积TiNiAg(钛镍银)层10，钛Ti作接触粘附层，镍Ni作阻挡层，镍Ag作导电、外引线键合层。采用集成电路制造工艺，预先在硅基板11上制作有多个浪涌限制和静电保护电路，对应每一个硅基芯片都有一个浪涌限制和静电保护电路。
7、采用常规光刻加工，光刻该硅基板上的TiNiAg层10，在硅基板11上对应LED芯片电极和引线位置(即在硅基板上光刻的电极和引线位置与经过步骤2刻出的LED芯片电极和引线的间隔、长度相同)处刻出硅基电极和引线(硅基板电极是根据LED芯片电极对应设计的)。
8、在硅基板11上用常规真空蒸发工艺淀积厚3-5μm的铟层(凸点)。
9、用常规光刻方法，去掉硅基板上除硅基电极处以外各处的铟层，仅保留硅基电极上的铟层9。
10、在硅基电极的铟层9上用金丝球焊机制作金球8，金球制作在硅基电极的铟层9上。先在焊机的瓷嘴上通过打火形成金球，再种在硅基板电极的铟层上，可用含有1％铂的金丝种金球，控制硅基板温度为95℃-105℃。
11、用常规划片方法划片，将经上述加工处理的硅基板11切割成一个一个独立的硅基芯片。每一个独立的硅基芯片上都包含浪涌限制和静电保护电路、铟层、金球以及键合引出电极金线。
12、在倒装焊机上将经过上述步骤处理的各独立的大功率LED芯片和硅基芯片按相应的电极对准键合，键合温度最好为156℃-160℃，以保证热膨胀缓冲层铟不会熔掉。
采用本发明所述的倒装焊方法封装LED芯片，与目前通常采用的封装方法比较，能够改善热膨胀匹配性能以及热阻。以下是具体的分析计算。
1、热膨胀匹配性能分析
1)现有带金凸点的倒装焊LED(形成GaN-Au-Si结构)
①LED芯片一侧的热膨胀失配率
μLED＝(λAu-λGaN)/(λAu+λGaN)＝(14-5.6)/(14+5.6)＝42.85％
②硅基板(硅基芯片)一侧的失配率
μSi＝(λAu-λSi)/(λAu+λSi)＝(14-2.4)/(14+2.4)＝70.73％
2)本发明倒装焊LED(形成GaN-In-Au-In-Si结构)
①LED芯片一侧的失配率
μLED＝(λIn-λGaN)/(λIn+λGaN)＝(5.8-5.6)/(5.8+5.6)＝1.75％
②硅基板(硅基芯片)一侧的失配率
μSi＝(λIn-λSi)/(λIn+λSi)＝(5.8-2.4)/(5.8+2.4)＝41.46％
其中μLED、μSi为热膨胀失配率，λIn、λSi、λAu、λGaN分别为铟、硅、金、LED芯片外延层GaN的热膨胀系数，单位为ppm/k。
从以上计算分析可见，采用本发明方法，对LED芯片性能影响最大的LED芯片一侧的热膨胀失配率下降了24倍，1.75％的失配率在高低温过程中，基本不会造成LED芯片的晶格缺陷。而在硅基板(硅基芯片)一侧，失配率下降近一倍，从而保证了硅基板结构在冷热冲击下更稳定。
2、热阻计算分析
用1W的LED，芯片面积1×1mm2，做9个凸点，金凸点直径150μm，高50μm，铟层厚度5μm，硅基芯片(硅基板)厚度150μm，采用一维热导近似法：
θ＝T/KA
热导率KAu＝315×10-6W/(μm·k)
KSi＝145×10-6W/(μm·k)
KIn＝81.6×10-6W/(μm·k)
金凸点面积A＝9×(752×3.14)＝158962.5μm2
1)对现有带Au凸点倒装焊LED(形成GaN-Au-Si焊装结构)
热阻：θ1＝θAu+θSi＝tAu/KAuA+TSi/KSiA＝1.00+6.51＝7.51K/W
2)本发明倒装焊LED(形成GaN-In-Au-In-Si装焊结构)
热阻θ2＝θIn+θAu+θSi+θIn＝TIn/KInA+TSi/KSiA+TIn/KInA+TAu/KAuA
＝0.385+7.51+0.385＝8.29K/W
其中T为热传导介质的厚度
从以上计算看出，采用本发明方法，热阻增加了0.77K/W，即一瓦的大功率LED芯片温度要增加0.77度，其影响是很小的，热膨胀匹配得到极大改善，因此LED芯片内部结构稳定，寿命大大延长。
综上分析，采用本发明方法，能获得In-Au-In装焊结构，以铟作热膨胀缓冲层，大大降低了现有倒装焊方法中由于焊料凸点热膨胀系数失配率大而产生热应力，破坏LED芯片晶格的问题，热匹配性好，热阻小，散热快，多次热循环后装焊处弹性不变，从而大大提高了大功率LED的寿命。
Claims (5)
1、一种大功率LED芯片倒焊装方法，其特征在于，该方法包括：
(1)分别在LED芯片上和硅基板上淀积TiNiAg层；
(2)光刻所述的TiNiAg层，在LED芯片上刻出LED芯片电极和引线，在硅基板上刻出硅基电极和引线；
(3)分别在LED芯片上和硅基板上用真空蒸发的工艺淀积铟层；
(4)光刻所述铟层，仅保留LED芯片电极和硅基电极上的铟层；
(5)在硅基电极的铟层上用金丝制作金球；
(6)对经上述步骤加工处理后的LED芯片和硅基板进行划片，形成一个一个独立的LED芯片和硅基芯片；
(7)在倒装焊机上将各独立的LED芯片和硅基芯片进行键合。
2、根据权利要求1所述的大功率LED芯片倒焊装方法，其特征在于，所述LED芯片和硅基板上淀积的铟层，厚度为3-5μn。
3、根据权利要求1所述的大功率LED芯片倒焊装方法，其特征在于，制作金球采用含铂1％的金丝，并控制硅基板温度为95℃-105℃。
4、根据权利要求1所述的大功率LED芯片倒焊装方法，其特征在于，所述步骤(7)中键合温度为156℃-160℃。
5、根据权利要求1-4其中之一所述的大功率LED芯片倒焊装方法，其特征在于，经步骤(6)划片后形成的独立硅基芯片上包含浪涌限制和静电保护电路、金球、铟层以及键合引出电极金线。
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