CN202363516U - 一种具有高散热性能的发光器件 - Google Patents

Abstract

一种具有高散热性能的发光器件，包括一LED芯片，所述LED芯片包括一LED芯片，所述LED芯片中设有一介电层，其特征在于，所述介电层采用高散热性能的绝缘材料制作。采用该技术方案后，能够在有效通过热传递将热量散发的同时，还能以热辐射的方式把热量传导出发光器件，提高了发光器件的寿命与稳定性。

Description

一种具有高散热性能的发光器件

技术领域

本发明属于一种发光器件结构，尤其是一种具有高散热性能的发光器件的结构。 

背景技术

随着发光器件如发光二极管(LED)的发光效率不断提高，LED无疑成为近几年来最受重视的光源之一。LED是一种具有节能和环保特性的照明光源，集高光效、低能耗、低维护成本等优良性能于一身，理论上预计，半导体LED照明灯的发光效率可以达到甚至超过白炽灯的10倍、日光灯的2倍。目前LED已广泛应用于手机背光、LCD显示屏背光、信号、建筑景观、指示、特殊照明等，并日益向普通照明、汽车照明等领域拓展。随着LED照明产品功率与光效的提高，结构和材料的选择对LED的性能及使用寿命有决定性影响，其中一种LED的结构是以倒装焊方式将LED芯片倒装焊接在衬底上，优点在于其可靠性及散热能力比传统正装芯片佳。 

请参阅图1，其为现有的一种多层电极布线的发光二极管的芯片结构，在一衬底上依次生长有氮化镓P型层和氮化镓N型层，并在其上分别制作N欧姆接触层和P欧姆接触层。通过介电层611将在所述LED芯片中间部分的P欧姆接触层隔离后，分别将P欧姆接触层和N欧姆接触层分别通过P电极615和N电极613引出，最后将P电极615和N电极613分别电连接到P键合层616与N键合层616上。 

该技术对LED芯片进行了多层布线，然而该设计的介电层611采用譬如二氧化硅，氮化硅等传统热导率极低的钝化材料，因此这类型的材料在热的传导方面并没有突破性提高，反而因此成为散热的瓶颈，导致介电层成为热导的瓶颈，介电层材料间的热阻高会导致温度梯度大，从而产生很大的热应力。过大的热应力会导致介电层产生裂纹，影响LED的寿命与可靠性；另一方面，由于传统的钝化材料散热性能普遍较低，只能依靠热传导的方式进行散热，散热途径单一。为了突破大功率LED器件发展的瓶颈，能够有效的提高LED器件的散热性能成为本领域技术人员急切渴望解决的一个技术问题。 

为了提高LED器件的散热性能，本领域技术人员做出了各种尝试。中国专利CN101814569公开了一种LED器件，通过在基板和发光器件之间设置一散热器来提高发光器件的散热性能。中国专利CN102110763公开了一种发光器件的封装及其制造方法，在衬底上设有一穿透衬底的通孔，并在通孔中设置散热体后，将LED芯片设于该散热体上来提高发光器件的散热性。但是现有技术中关于降低LED器件的热阻和提高LED器件的散热性的研究， 主要集中在LED器件封装相关的结构上，比如正装和倒装结构散热的差别，或者芯片与基板的结合层，以及基板材料本身的导热和散热性能，但这些方式均难以切实有效的提高LED器件的散热效果，成为大功率LED器件发展和应用的瓶颈。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是要提供一种具有高散热性能的发光器件，同时，本发明的另外一个目的是要提供一种高散热性能发光器件的制作方法。 

为实现提供一种发光器件结构的目的，本发明所述的技术方案如下： 

一种具有高散热性能的发光器件，包括一LED芯片，所述LED芯片中设有一介电层，其特征在于，所述介电层采用热导率大于100W/m·K的绝缘材料制作。 

具体的，所述介电层材料为类金刚石薄膜。 

具体的，所述介电层材料为纳米氮化铝、纳米金刚石或者上述材料形成的堆叠薄膜中的一种。 

进一步，所述LED芯片包括： 

一LED外延层；和 

一氮化镓N型层，设于所述LED外延层上；和 

一氮化镓P型层，设于所述氮化镓N型层上，其上还设有至少一刻蚀通孔，露出所述氮化镓N型层；和 

P欧姆接触层，设于所述氮化镓P型层上；和 

N欧姆接触层，设于所述刻蚀通孔中露出的氮化镓N型层上；和 

介电层，覆盖在至少一所述LED芯片边缘的P欧姆接触层以外的区域上，并在所述N欧姆接触层的正上方设置介电层通孔，露出所述N欧姆接触层；和 

N键合层，设于所述介电层和N欧姆接触层上，与所述N欧姆接触层电连接；以及 

P键合层，设于介电层覆盖的P欧姆接触层以外的P欧姆接触层上，并与接触的P欧姆接触层电连接。 

进一步，所述发光器件还包括一承托所述LED芯片的键合衬底，所述键合衬底包括： 

一类金刚石薄膜层，设于所述键合衬底上表面；和 

一金属布线层，由相互绝缘的P金属层与N金属层组成，设于所述类金刚石薄膜层上表面，所述P金属层与N金属层分别与所述LED芯片上的P键合层和N键合层键合连接。 

具体的，所述键合衬底的材料为陶瓷、硅、铝和铜中的一种。 

为了实现本发明所述的另外一目的，本发明采用的技术方案如下： 

一种具有高散热性能的发光器件的制作方法，包括如下步骤： 

a、制作P欧姆接触层和N欧姆接触层：在一生长衬底上生长外延层，在该外延层上依次形成氮化镓N型层和氮化镓P型层，然后在所述氮化镓P型层上刻蚀，形成至少一刻蚀通孔后，分别在所述氮化镓P型层与所述刻蚀通孔中露出的氮化镓N型层表面制作P欧姆接触层和N欧姆接触层； 

b、制作介电层：在至少一所述LED芯片正面边缘部分的P欧姆接触层以外的区域覆盖一层介电层，并且所述介电层覆盖的部位还包括所述刻蚀通孔的侧壁； 

c、刻蚀介电层：在所述N欧姆接触层正上方的介电层上进行刻蚀，直至露出所述N欧姆接触层； 

d、制作N键合层和P键合层：在介电层和N欧姆接触层上通过淀积或者电镀的方法制作N键合层，在所述介电层覆盖区域以外的P欧姆接触层上通过淀积或者电镀的方法制作P键合层，所述N键合层与所述P键合层相互电气隔离； 

e、制作键合衬底：在一键合衬底上表面制作一类金刚石薄膜层，在所述类金刚石薄膜层上通过淀积或电镀或光刻方法形成一由相互绝缘的P金属层和N金属层组成的金属布线层； 

f、将LED芯片键合到键合衬底上：将LED芯片的P键合层和N键合层通过共晶键合或超声键合或回炉焊工艺分别与所述P金属层和N金属层电连接。 

具体的，步骤b中的介电层的材料采用类金刚石薄膜，通过采用等离子体化学沉淀的方法制作，并在步骤c中采用通过干法腐蚀或者湿法腐蚀对所述介电层进行刻蚀。 

优选的，步骤b中的介电层首先通过纳米氮化铝、纳米金刚石或者上述材料形成的堆叠薄膜中的一种与光敏聚酰亚胺光刻胶均匀混合，然后采用旋转涂布的方法覆盖P欧姆接触层和N欧姆接触层，步骤c中采用光刻工艺对所述介电层进行刻蚀。 

具体的，步骤e中制作类金刚石薄膜层的工艺为气相淀积、溅射中的一种。 

相对于现有技术，本发明通过在LED芯片中的介电层采用热导率大于100W/m·K的高导热性绝缘材料将导电层相隔离，有效的提高了LED芯片的散热性，并且在键合衬底上表面制作一层类金刚石薄膜层，不仅能够以热传导的方式散发热量，而且能通过向外辐射红外线的方式散发热量，进一步提高了LED器件的散热效果。 

为了充分地了解本发明的目的、特征和效果，以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明。 

附图说明

图1是现有的一种薄膜串联倒装发光二极管的结构示意图； 

图2是本发明具有高散热性能的发光器件实施例1的剖面结构示意图； 

图3a至图3e是图2中所述发光器件的制作方法的各主要步骤的结构示意图； 

图4是本发明所述的发光器件实施例2的剖面结构示意图； 

图5是本发明所述的发光器件实施例2的键合衬底的剖面结构示意图。图中： 

100-LED芯片；101-外延层；102-N欧姆接触层；103-P欧姆接触层；104-N键合层；105-P键合层；106-介电层；200-键合衬底；201-散热焊盘；202-P金属层；203-N金属层；204-N金属焊盘；205-P金属焊盘；206-通孔引线；207-类金刚石薄膜层。 

具体实施方式

实施例1 

请参阅图2，其为本发明所述发光器件实施例的结构示意图，包括一键合衬底200和置于所述键合衬底200上的LED芯片100。 

LED芯片100包括外延层101、氮化镓N型层、N欧姆接触层102、氮化镓P型层、P欧姆接触层103、介电层106、N键合层104和P键合层105。在LED芯片100设有一外延层101，在外延层101上设有氮化镓N型层，在氮化镓N型层上设有氮化镓P型层。在氮化镓P型层上设有至少一刻蚀通孔，刻蚀通孔的底部露出氮化镓N型层。所述P欧姆接触层103和N欧姆接触层102分别设于氮化镓P型层和刻蚀通孔中裸露的氮化镓N型层上。所述介电层106覆盖在N欧姆接触层102与部分P欧姆接触层103上，但是应该至少露出在LED芯片100边缘的一处P欧姆接触层103，方便以后将P欧姆接触层103引出。在介电层106覆盖的N欧姆接触层102的正上方的介电层106制作介电层通孔，将N欧姆接触层102露出。所述N键合层104设置在介电层106和N欧姆接触层102上，并且与接触的N欧姆接触层102电连接。所述P键合层105设置没有被介电层106覆盖的P欧姆接触层103上，并与P欧姆接触层103电连接，并且与N键合层104相互电气隔离。 

该介电层106采用热导率大于100W/m·K的绝缘材料。所述介电层106的材料可以为类金刚石薄膜(DLC)，也可以为纳米氮化铝、纳米金刚石或者纳米氮化铝和纳米金刚石形成的堆叠薄膜中的一种。所述N欧姆接触层102的材料可以为钛、铝、金、铬、镍、铜、银等金属或者由这些金属组成的合金材料。所述N键合层104采用金、锡、铝、银、铂、钯等金属或者由这些金属组成的合金材料。所述P欧姆接触层103采用钛、铝、金、镍、银、铂、钯等高反射性金属或者由这些金属组成的合金材料。所述P键合层105采用金、锡、铝、银、铂、钯、铜等金属或者由这些金属组成的合金材料。 

所述键合衬底200上表面设有一类金刚石薄膜(DLC)层207，在DLC薄膜层207上设 有一金属布线层，其由相互绝缘的P金属层202和一N金属层203组成。 

LED芯片100通过N键合层104和P键合层105分别键合到衬底200上的N金属层203和P金属层202。所述P金属层202和N金属层203的形状分别与LED芯片100的P键合层105和N键合层104形状一致，位置相对应。通过P金属层202和N金属层203分别将P键合层105和N键合层104引出。 

所述键合衬底200的材料可以采用氮化铝陶瓷，氧化铝陶瓷，硅，铝，铜，其中的金属基板与半导体基板需要在其表面做上绝缘层。P金属层202和N金属层203的材料可以采用金、银、镍、铜、锡等高扩散系数的金属或者由这些金属组成的合金材料。 

以下结合图3a至图3e，详细说明本发明所述具有高散热性能的发光器件的制造方法。 

a、在LED芯片1上形成P欧姆接触层103和N欧姆接触层102。 

请参阅图3a，提供一生长衬底，在衬底上生长LED外延层101，进而外延层101上依序形成氮化镓N型层和氮化镓P型层，然后通过掩膜刻蚀氮化镓P型层，形成至少一刻蚀通孔后，直至刻蚀通孔中露出氮化镓N型层，在氮化镓P型层上表面形成P欧姆接触层103；在露出的N型层上制作N欧姆接触层102； 

b、形成介电层106。 

请参阅图3b，在LED芯片100中间部分的P欧姆接触层103上制作介电层106，或者在LED芯片100中间部分和部分边缘的P欧姆接触层103上制作介电层106，但是至少应该留出一处P欧姆接触层裸露。介电层106还覆盖到步骤a中氮化镓N型层的刻蚀通孔中。介电层106制作完成后，应该在LED芯片100的边缘部分裸露至少一P欧姆接触层103。介电层106的材料可以为类金刚石薄膜，也可以纳米氮化铝、纳米金刚石或纳米氮化铝和纳米金刚石材料形成的堆叠薄膜中的一种。 

如果介电层106采用类金刚石薄膜制作，可以采用等离子体化学沉淀的方法形成；而如果介电层106采用纳米氮化铝、纳米金刚石或纳米氮化铝和纳米金刚石材料形成的堆叠薄膜中的一种制作，则需要首先通过纳米氮化铝、纳米金刚石或者上述材料形成的堆叠薄膜中的一种与光敏聚酰亚胺光刻胶均匀混合，然后采用旋转涂布的方法覆盖P欧姆接触层和N欧姆接触层。 

c、刻蚀介电层。 

请参阅图3c，在所述N欧姆接触层对应的介电层106上进行刻蚀，直至露出所述N欧姆接触层102。 

值得注意的是，如果步骤b中介电层106采用类金刚石薄膜制作，则刻蚀介电层106可以采用干法腐蚀或者湿法腐蚀的方式对介电层106进行刻蚀；如果采用纳米氮化铝、纳米氮 化硅或者上述材料形成的堆叠薄膜来制作介电层106，则可以通过光刻的工艺完成。 

d、形成N键合层104与P键合层105。 

请参阅图3d，通过采用淀积，溅射等技术制作N键合层104和P键合层105，其中P键合层105与LED芯片100边缘的P欧姆接触层103电连接，N键合层104通过介电层上的介电层通孔实现与N欧姆接触层102的电连接，采用刻蚀方法把P、N键合层刻蚀分离。 

e、制作键合衬底200。 

请参阅图3e，在键合衬底200上表面形成一类金刚石薄膜层207，并在类金刚石薄膜层207上形成一金属层，并采用光刻技术制作出与LED芯片P键合层105和N键合层104相对应的图案，从而形成相互电隔离的P金属202和N金属层203。 

其中类金刚石薄膜层207可以通过气相淀积、溅射工艺中的一种来实现。 

f、LED芯片100与键合衬底200键合。 

请参阅图2，通过超声键合或共晶键合或回炉焊等工艺，使LED芯片100上的N键合层104、P键合层105分别与键合衬底200上的N金属层203、P金属层202实现键合连接，从而将LED芯片100安装到衬底200上，形成具有高导热性介电层的发光器件。 

实施例2 

请参阅图4，本实施例与实施例1的区别在于，实施例1中的LED芯片100上覆盖一P键合层105和一N键合层104，对应在实施例2中的LED芯片100上覆盖两部分的P键合层105和一N键合层104。 

请参阅图5，键合衬底200的金属分布层对应于LED芯片100的P键合层105和N键合层104的分布，也为两部分P金属层202和一部分N金属层203。并且键合衬底200的下表面设有P金属焊盘205和N金属焊盘204，分别通过通孔引线206与P金属层202和N金属层203电连接。并且，在键合衬底200的背面还设有一散热焊盘201，用来增强发光器件的散热性能。 

实施例2的制作方法与实施例1制作方法的差别在于： 

在步骤b制作介电层106中，介电层106覆盖在LED芯片100的中部的P欧姆接触层103和氮化镓N型层的刻蚀通孔中，在LED芯片100的边缘部分露出P欧姆接触层103。 

在步骤d中，在没有介电层106覆盖的P欧姆接触层103上制作P键合层105，在介电层106刻蚀部位露出的N欧姆接触层上制作N键合层104，形成两部分的P键合层105和一部分的N键合层104。 

在步骤e中，在类金刚石薄膜层207上形成与LED芯片P键合层105和N键合层104相对应的图案，从而形成一部分的N金属层203和两部分的P金属层202。在键合衬底200 的下表面制作P金属电极205和N金属电极204，并通过通孔引线206实现P金属层202和N金属层203分别与P金属焊盘205和N金属焊盘204的电连接。 

并且，在键合衬底200的背面还设有一散热焊盘201，用来增强发光器件的散热性能。 

由于介电层106采用的类金刚石薄膜材料，其热导系数为400～600W/m·K，采用的纳米氮化铝其热导系数最高可达300W/m·K，相比于二氧化硅的1.4W/m·K或者氮化硅的16.7W/m·K，能够消除了LED芯片向散热基板热传导的瓶颈。键合衬底200的上表面的类金刚石薄膜层207，除了能尽快把芯片热量传导至热沉，类金刚石薄膜材料还能通过热辐射方式把热量散到器件外，进一步提高了LED器件的散热效果。 

相对于现有技术，本发明LED芯片中的介电层采用了热导率大于100W/m·K的高导热性绝缘材料把导电层相隔离，有效的克服本领域技术人员的技术偏见，从LED芯片的制作方面来提高LED器件的散热性能，消除了LED向散热基板热传导的瓶颈。 

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案，均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。 

Claims (6)

1.一种具有高散热性能的发光器件，包括一LED芯片，所述LED芯片中设有一介电层，其特征在于，所述介电层采用热导率大于100W/m·K的绝缘材料制作。

2.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述介电层材料为类金刚石薄膜。

3.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述介电层材料为纳米氮化铝、纳米金刚石或者上述材料形成的堆叠薄膜中的一种。

4.如权利要求1至3任一项所述的发光器件，其特征在于，所述LED芯片包括：

一LED外延层；和

一氮化镓N型层，设于所述LED外延层上；和

一氮化镓P型层，设于所述氮化镓N型层上，其上还设有至少一刻蚀通孔，露出所述氮化镓N型层；和

P欧姆接触层，设于所述氮化镓P型层上；和

N欧姆接触层，设于所述刻蚀通孔中露出的氮化镓N型层上；和

介电层，覆盖在至少一所述LED芯片边缘的P欧姆接触层以外的区域上，并在所述N欧姆接触层的正上方设置介电层通孔，露出所述N欧姆接触层；和

N键合层，设于所述介电层和N欧姆接触层上，与所述N欧姆接触层电连接；以及

P键合层，设于介电层覆盖的P欧姆接触层以外的P欧姆接触层上，并与接触的P欧姆接触层电连接。

5.如权利要求4所述的发光器件，其特征在于，所述发光器件还包括一承托所述LED芯片的键合衬底，所述键合衬底包括：

一类金刚石薄膜层，设于所述键合衬底上表面；和

一金属布线层，由相互绝缘的P金属层与N金属层组成，设于所述类金刚石薄膜层上表面，所述P金属层与N金属层分别与所述LED芯片上的P键合层和N键合层键合连接。

6.如权利要求5所述的发光器件，其特征在于，所述键合衬底的材料为陶瓷、硅、铝和铜中的一种。

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