JP5372133B2 - フリップチップｌｅｄに関するアンダーフィル処理 - Google Patents
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Description
本発明は、フリップチップ発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特に、ＬＥＤチップとサブマウントとの間における隙間における誘電性アンダーフィル材料を供給する処理に関する。
従来技術である図１は、サブマウントウェハ２２の一部分に装着される従来型ＬＥＤ１０フリップチップを例示する。フリップチップにおいて、n及びpコンタクト部の両方は、成長基板１２側の反対側における、ＬＥＤダイの同一の側に形成される。
図１において、ＬＥＤ１０は、サファイア基板などの成長基板１２において成長されるn層、活性層、及びp層を含む半導体エピタキシャル層から形成される。１つの例において、エピタキシャル層は、GaNに基づき、活性層は青色光を発する。フリップチップＬＥＤの何れの他の種類も本発明に適用可能である。
金属電極１４は、p層に電気的に接触するＬＥＤ１０において形成され、金属電極１６はn層に電気的に接触するＬＥＤ１０において形成される。一つの例において、電極は、セラミックサブマウントウェハ２２におけるアノード及びカソード金属パッド１８及び２０に超音波で溶接される金バンプである。サブマウントウェハ２２は、底部金属パッド２６へ導き、且つ、プリント基板へ接合する導電性ビア２４を有する。多くのＬＥＤは、サブマウントウェハ２２に装着され、その後に、個別のＬＥＤ／サブマウントを形成するために個別化され得る。
ＬＥＤの更なる詳細は、出願人の米国特許第6,649,440号及び第6,274,399号、並びに米国特許出願公報第2006/0281203A1号及び第2005/0269582A1号にあり、これらは、本文書において参照として組み込まれる。
アンダーフィル材料３０は、この場合、ＬＥＤ１０とサブマウントウェハ２２との間の空隙を充填するようにＬＥＤ１０の下及びその周囲に注入される。アンダーフィル材料３０は、通常、硬化のためのキュアされる液体エポキシである。硬化されたアンダーフィルは、構造的支持をもたらし、チップを汚染物から保護する。アンダーフィル材料３０は、ＬＥＤ１０の周囲に動かされるノズル３２によって注入される一方で、ＬＥＤ１０とサブマウントウェハ２２の間の狭い隙間を充填するために相対的に高い圧力でアンダーフィル材料３０を注入する。アンダーフィルは、実際の装置において図面に示されるよりも更に横方向に延在し得る。ＬＥＤ１０／基板１２の上部及び周囲におけるいかなる過剰なアンダーフィル材料３０(例えばエポキシ)も、マイクロビーズブラストによって除去され得る。
アンダーフィル材料３０がキュアされマイクロビーズブラストされた後に、成長基板は、レーザーリフトオフ処理（図示されず）を用いて除去される。レーザのフォトンエネルギ（例えば、エキシマレーザ）は、ＬＥＤ材料のバンドギャップより上であり且つサファイア基板の吸収縁部より下（例えば、3.44eVから6eVの間など）として選択される。サファイアを通ずるレーザからのパルスは、ＬＥＤ材料の最初の100nmにおいて熱エネルギへ変換される。生成される温度は1000℃を越え、ガリウム及び窒素を解離させる。生じる高ガス圧は、基板をエピタキシャル層から押し離し、そしてエピタキシャル層を基板から解放し、緩んだ基板は、この場合、簡単にＬＥＤ構造から除去される。アンダーフィルは、薄いＬＥＤ層が高圧下においてクラックを生じさせるのを防ぐ。
成長基板１２は、代わりに、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）などのエッチング又は研磨により除去され得る。他の技術も、ＬＥＤ及び基板の種類に依存して使用され得る。一つの例において、基板は、Siに基づくものであり、基板及びＬＥＤ層の間の絶縁材料は、基板を除去するためにウェットエッチング技術によってエッチング除去される。
いずれかの他のウェハレベル処理の後において、サブマウントウェハ２２は、切断又はスクライブ及び折割され、そしてＬＥＤ／サブマウントを個別化する。サブマウントは、この場合、プリント基板へ半田付けされる。
従来技術のアンダーフィル技術における問題は、以下のものである。
薄いＬＥＤ層の下及び周囲のみを充填するためにアンダーフィル材料の正確な量を提供することは、困難であり時間を消費するものである。アンダーフィル処理は、ＬＥＤが個別化される前に、サブマウントに装着されるＬＥＤのアレイに順次的に実行される。各ＬＥＤのサイズ及び密度に依存して、単一のサブマウントウェハにおいて500〜4000個のＬＥＤが装着され得る。単一の可動ノズルを用いてアレイ状の各ＬＥＤの下にアンダーフィル材料を注入することは、ＬＥＤの数に依存して10〜40分掛かり得る。
別の問題は、アンダーフィル材料の特性が、適切な粘性、熱膨張率、ＬＥＤの長い寿命にわたる信頼性、誘電特性、熱伝導性、汚染物保護、及び他の要因に関して注意深く選択されなければならいことである。粘性が高すぎる場合、全ての空洞を充填するためにＬＥＤの下にアンダーフィル材料を注入するのに必要とされる圧力は、ＬＥＤを損傷させ得る。空洞は、除去されなければならないが、その理由は、いかなる空気も、ＬＥＤ／サブマウントが熱くなりＬＥＤをサブマウントから押し離す場合に、膨張するからである。更に、空洞領域は、レーザーリフトオフ処理においてＬＥＤを支持せず、レーザーリフトオフ処理におけるＬＥＤに対する下向き応力は、ＬＥＤをひび割れさせ得る。
アンダーフィル材料の熱膨張率は極度に重要であるが、その理由は、ＬＥＤが、プリント基板へ個別化されたＬＥＤ／サブマウントを半田付けする際に、半田リフロー処理を経るからである。このような温度は、265℃であり得る。半田リフロー温度は、通常のアンダーフィル材料であるエポキシに関する通常の185℃ガラス遷移温度より上である。これがエポキシに関連するので、ガラス遷移温度(Tg)は、エポキシが柔軟になる温度である。ガラス遷移温度より上において、エポキシ熱膨張率はかなり上昇し、ＬＥＤへの上方圧力を生じさせ、ＬＥＤのひび割れ又はリフトオフを生じさせる。
上述の課題及び材料制限を避けるＬＥＤをアンダーフィルするための改善技術が必要とされる。
圧縮モールド成形が使用される、ＬＥＤに関するアンダーフィル技術が記載される。処理は、いずれかの基板リフトオフ処理の前に実行される。サブマウントウェハに装着されるＬＥＤは、モールドに配置される。モールドは、サブマウントウェハの少なくとも周囲にわたり密封され、真空がモールド内において生成される。モールドは、サブマウントウェハにおいて各ＬＥＤと位置合わせされる個別の空洞を有するアルミニウムであり得る。一つの実施例において、各空洞を真空源へ及び少なくとも１つの液体材料注入口へ接続する流入チャネルが存在する。
液体ポリイミドなどのいずれかの適切なアンダーフィル材料は、この場合、圧力下でモールドの注入口へ適用され、真空及び液体材料圧力の組合せにより材料が、ＬＥＤが位置されるモールドにおける空洞を完全に充填するようにさせる。材料がモールドを満たすと何の空洞も存在しない。
各モールド空洞の寸法は、液体材料が、成長基板に沿って各ＬＥＤを完全に封止するようにさせる。
液体材料は、この場合、アンダーフィル材料を硬化させるために熱又は紫外線によってキュアされ、モールドはサブマウントウェハから解放される。モールドが解放された後に、より高い温度のポストキュアが実行される。
別の実施例において、液体アンダーフィル材料は、最初に周辺隆起密封部を有するモールドを充填し得、その後ＬＥＤがアンダーフィル材料に浸されるように、サブマウントウェハがモールドに配置される。圧縮下において、液体材料は、各ＬＥＤの下の全ての空洞を充填する。空気は、アンダーフィル材料の特定の量を用いて密封部を通じて排出される。材料はその後キュアされ、モールドは、サブマウントウェハから解放される。このようなモールド成形処理はモールドの注入口における圧力下での液体材料の注入に依存しないので、脆弱なＬＥＤへの損傷の可能性はほとんどない。
別の実施例において、モールドを充填するアンダーフィル材料は液体ではないが、粉末又は小さい粒である。固体材料は、この場合、モールドにおいて、固体材料がモールドに追従し、且つ、ＬＥＤを封止し得るように、固体材料を溶かす又は軟化させるために、加熱される。圧縮は、軟化材料をモールド成形するために使用され、この材料が各ＬＥＤの下の空洞へ流れ込むようにさせる。アンダーフィル材料を固体として扱うことは、様々な有益な点を有する。最初には固体であるアンダーフィル材料を使用するこのような圧縮モールド成形は、可能なアンダーフィル材料の数を大いに増加させる。この処理に関して使用され得る材料のうちの一つは、エポキシモールド成形の粉末である。
サブマウントウェハがモールドから除去された後に、完全なサブマウントウェハは成長基板の全てが露出されるまでアンダーフィル材料をエッチング除去するためにマイクロビーズブラスト処理を課される。この場合、基板は、レーザーリフトオフ処理又は他の適切な処理を用いて除去される。アンダーフィルは、薄いＬＥＤをこの処理の間において支持する。
成長基板が除去された後に、ＬＥＤは光抽出を向上させるために薄型化され得る。ＬＥＤの表面は、この場合、内部反射の数を低減させることによって光抽出を更に改善するために粗化され得る。
レンズは、この場合、ＬＥＤにおいてモールド成形され得る、及び／又は他のウェハレベル処理技術が実行され得る。
ＬＥＤ／サブマウントは、この場合、切断、スクライブ及び折割、又はいずれかの他の技術を用いて個別化される。
上述の方法を使用することによって、かなりより広い範囲の材料がアンダーフィルに関して使用され得るが、その理由は、かなりより広い範囲の粘性が許容可能であるからである。従来技術のジェットノズルを使用する場合、材料は、狭い範囲の粘性のみを有し得る。当該処理と使用され得る好ましいアンダーフィル材料は、半田リフロー温度に近い又はそれより上のガラス遷移温度を有するポリイミドであり、これにより、最悪の場合の状況下においてポリイミドの熱膨張率が非常に少なくあるようにされる。
更に、サブマウントウェハにおける全てのＬＥＤ(例えば、500〜4000個のＬＥＤ)は同時にアンダーフィル充填されるので、アンダーフィル処理時間は、数分のみにまで低減され得る。
同一又は等価である要素は同一の参照符号を用いて示される。
予備的な事項として、従来型のＬＥＤが成長基板に形成される。使用される例において、ＬＥＤは、青色光を生成するAlInGaN又はInGaNのＬＥＤなどのGaNに基づくＬＥＤである。通常、相対的に厚いｎ型GaNが、従来技術を用いてサファイア成長基板に成長される。相対的に厚いGaNは、通常、ｎ型クラッディング層及び活性層に関する低欠陥構造を提供するために低温核形成層及び１つ以上の追加的な層を含む。この場合、１つ以上のｎ型クラッディング層は、厚いｎ型層において、形成され、その後には、活性層、１つ以上のp型クラッディング層、及びp型コンタクト層（例えば、金属化部）が続く。
フリップチップに関して、p層及び活性層の一部分は、金属化部に関してn層を露出させるためにエッチング除去される。このようにして、pコンタクト部及びnコンタクト部は、チップの同一側にあり、サブマウントコンタクトパッドへ直接電気的に装着される。n金属コンタクト部からの電流は、最初にn層を通じて横方向へ流れる。
本発明において使用され得るＬＥＤの他の種類は、赤乃至黄色の範囲における光を生成し得るAlInGaPのＬＥＤを含む。
本発明において例として使用されるフリップチップＬＥＤは、半導体ＬＥＤ１０、成長基板１２及び電極１４／１６を含む、図１のＬＥＤ構造であり、ＬＥＤはサブマウントウェハに装着される。
図２は、ＬＥＤのアレイが装着されるサブマウントウェハ２２の簡素化図である。ＬＥＤは、ここではＬＥＤダイとしても参照される。アレイ状の各ＬＥＤの下にアンダーフィル材料を注入するための各ＬＥＤのベース部においてノズルを位置させる代わりに、ウェハレベルモールド成形処理が実行される。
図３Ａは、各ＬＥＤに関するアンダーフィルを生成する適切な注入モールド成形処理の一つの種類を例示する。モールド３６は、モールド成形処理の後に硬化されるアンダーフィル材料の形状を規定する空洞３８を有する。モールド３６は、アルミニウムから形成され得る。モールド３６は、モールド３６がウェハ２２と位置合わせされ且つウェハ２２に対して押圧される場合にサブマウントウェハ２２に対して密封する周辺密封部３７を有する。
モールド３６は、液体アンダーフィル材料４１（例えば、ポリイミド）を注入するための少なくとも１つの注入口４０、及び、真空源へ接続される少なくとも１つの排出口４２、を有する。モールド３６がウェハ２２に対して密封されると、真空がモールド３６内に生成され、アンダーフィル材料４１は注入口４０を通じて注入される。アンダーフィル材料４１は、真空と材料４１の注入圧力によって支援されて、空洞間のチャネル４４を通じて全ての空洞３８へ流れ込む。真空は、モールド３６におけるほとんど全ての空気を除去する。究極的には、ＬＥＤの下の全ての間隙を含むモールド３６の全体は、アンダーフィル材料４１で充填される。
モールド３６は、この場合、液体アンダーフィル材料をキュアするために加熱される。キュアにおけるモールド３６の温度は、約150℃である。代替的に、透明モールドが使用され得、アンダーフィル材料は紫外線光を用いてキュアされ得る。
図３Ｂは、アンダーフィル材料の圧力注入を使用しない代替的なウェハレベルモール成形処理を例示する。図３Ｂにおいて、モールド４８は、環境圧において液体アンダーフィル材料４１を用いて最初に充填する空洞５０を有する。サブマウントウェハ２２は、ＬＥＤが各空洞５０におけるアンダーフィル材料に浸されるように、モールド４８に対して配置される。ウェハ２２及びモールド４８は、アンダーフィル材料に全ての空洞を充填させるために一緒に押圧される。周辺密封部５３は、圧力が高くあるようにさせる一方で、アンダーフィル材料が空洞を充填する際に全ての空気が抜け出るようにさせる。また真空は、ウェハ２２とモールド４８との間において密封部５３の周囲において真空源を用いて引かれ得る。
モールド４８は、この場合、液体アンダーフィル材料をキュアするために加熱される。代替的に、透明モールドが使用され得、アンダーフィル材料は紫外線光を用いてキュアされ得る。
図３Ａ又は図３Ｂのモールドは、その後、ウェハ２２から除去され、各ＬＥＤを封止する過剰な硬化されたアンダーフィル材料５４を有する図４の構造を生じさせる。モールドに応じて、ウェハ２２表面において各ＬＥＤ間においても硬化アンダーフィル材料の薄い層が存在し得る。
ウェハ２２は、その後、追加的にアンダーフィル材料を硬化させるために、約２５０℃のポストキュア温度を適用され得る。エポキシモールドコンパウンド又はポリイミドアンダーフィルに関して、ガラス遷移温度(Tg)は、260〜300℃であり、したがって、Tgより低いポストキュア温度が、アンダーフィルのいかなる熱膨張も制限するために好ましい。
別の実施例において、モールドを充填するために使用されるアンダーフィル材料は液体ではなく、粉末又は小さい粒である。この場合、固体材料は、固体材料を溶融又は軟化させるために図３Ａ又は図３Ｂのモールドにおいて加熱される。軟化された材料がモールドの形状になるため、及びＬＥＤの下の空洞を充填する一方で、ＬＥＤを封止するために、圧縮が使用される。溶融又は軟化された材料は、その後、必要である場合、再び硬化させるためにキュア又は冷却される。特定の材料は、加熱及び圧縮処理の後に自動的に硬化した。アンダーフィル材料を固体として取り扱うことは、様々な有益な点を有する。更に、アンダーフィルに関して使用され得る特定の適切な材料は、キュアの前において室温において液体ではなく、したがって、圧縮に続くモールドにおける固体材料の加熱は、アンダーフィルとして使用され得る可能な材料の数を大いに増加させる。使用され得る一つの適切な固体ポリマは、粉末の形態のエポキシモールドコンパウンドである。
成長基板１２を除去するのにレーザーリフトオフ処理を実行するために、成長基板１２におけるアンダーフィル材料５４は、最初に除去されなければならない。成長基板１２が研磨又は別の機械的エッチング処理によって除去され得る場合、このような研磨は、過剰なアンダーフィル材料５４を同時に除去するのに使用され得る。
図５は、高速マイクロビーズ５８を用いてウェハ２２の表面全体をブラストすることによって過剰なアンダーフィル材料５４の除去することを例示する。一つの例において、マイクロビーズ５８は、1〜20マイクロンの間の直径を有し、NaNHCO3から形成される。マイクロビーズ５８は、約100psi又はそれ以下の圧力で空気によってノズルを通じて加速される。ノズルは、ノズルを動かす必要なくウェハ２２の全部又は大部分からアンダーフィル材料５４をエッチングするために大きくあり得る、又は、より小さいノズルが、１度に数個のＬＥＤのみからアンダーフィル材料５４をエッチングし、ウェハ２２における次の位置へノズルが動くように使用され得る。いずれの種類の過剰な材料をもマイクロビーズを用いて除去することは、既知の処理である。アンダーフィル材料５４は、上部表面がＬＥＤ半導体層の縁部を横切るようにエッチングされ、これにより、ＬＥＤ全体が基板レーザーリフトオフ処理においてアンダーフィルによって支持されることを保証するようにされる。
図６は、上述のレーザーリフトオフ処理を例示する。レーザーパルスは、矢印６０により示される。レーザーリフトにおいて、GaNの表面は熱を吸収し、表面層をGa及びN2へ解離させる。N2圧力は、サファイア基板をＬＥＤから押し離す。成長基板１２がリフトオフ処理において半導体ＬＥＤ層から取り外された後に、成長基板１２は、例えば接着性シート又は特定の他の適切な処理などによって、除去される。
露出されたＬＥＤは、その後、例えば、ＲＩＥ又は機械的エッチングなどによって薄型化されるが、その理由は、露出される上部層は相対的に厚いn層であり、表面は、レーザーリフトオフ処理によって損傷を受けているからである。生じる上部表面は、その後、光抽出効率を増加させるために粗化され得る。
他のウェハレベル処理もサブマウントウェハ２２に装着される際に、ＬＥＤのアレイに実行される。一つのこのような処理は、図３Ａ又は３Ｂに示されるようなものと同様な単一のモールド処理において各ＬＥＤにレンズをオーバーモールドすることであり得る。ウェハレベルレンズモールド成形処理の詳細は、本願出願に譲渡される、米国特許出願書類第2006/0105485号「Overmolded Lens Over LED Die」、Grigoriy Basin他、に記載され、この文書は本文書に参照として組み込まれる。
サブマウントウェハ２２は、その後、個別のＬＥＤ／サブマウントを形成するように個別化される。図７は、プリント基板６４におけるパッドへ半田付けされた単一のＬＥＤ／サブマウントを例示する。
上述のアンダーフィルモールド成形処理を用いる場合に適切な液体アンダーフィル材料には広範囲な粘性が存在するので、アンダーフィル材料は、粘性とは実質的に関係なく選択され得る。誘電性アンダーフィル材料は、ＬＥＤが影響を受ける全ての温度化における熱膨張率、使用の容易性、及び信頼性に基づき最初に選択され得る。ポリイミドは、エポキシよりもより優れた品質を有する好ましいアンダーフィルである。
本発明の特定の実施例が示され説明されてきた一方で、当業者にとって、変更態様及び修正態様は、本発明から逸脱することなく広範囲においてなされ得、したがって、添付の請求項は、その範囲において、本発明の真の精神及び範囲内に含まれるようにこのような全ての変更態様及び修正態様を含むことは明らかである。
Claims (12)
- 発光装置を加工する方法であって、
発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイをサブマウントに設けるステップであって、前記ＬＥＤダイと前記サブマウントとの間には隙間が存在し、前記ＬＥＤダイは前記サブマウントに面する底部表面及び前記底部表面の反対側にある上部表面を有する、ステップと、
前記ＬＥＤダイにおいてアンダーフィル材料を、このアンダーフィル材料が前記ＬＥＤダイを封止し、且つ前記ＬＥＤダイと前記サブマウントとの間における間隔をほぼ完全に充填するように、モールド成形するステップと、
前記アンダーフィル材料を少なくとも前記ＬＥＤダイの上部表面において除去するステップと、
を含み、
前記ＬＥＤダイは成長基板において成長されるエピタキシャル層を含み、前記成長基板の表面は前記ＬＥＤダイの前記上部表面であり、当該方法は、更に、前記ＬＥＤダイにおいて前記アンダーフィル材料を形成するステップの後に前記エピタキシャル層から前記成長基板を除去するステップを含む、
方法。 - 請求項１に記載の方法であって、前記基板は、前記アンダーフィル材料を除去するステップの後にレーザーリフトオフ技術によって前記エピタキシャル層から除去される、方法。
- 請求項１に記載の方法であって、前記アンダーフィル材料を除去するステップは、マイクロビーズブラスト法を用いて前記アンダーフィル材料を除去するステップを含む、方法。
- 請求項１に記載の方法であって、前記アンダーフィル材料を除去するステップは、エッチングによって前記アンダーフィル材料を除去するステップを含む、方法。
- 請求項１に記載の方法であって、前記ＬＥＤダイにおいて前記アンダーフィル材料を除去するステップは、
モールドに固体アンダーフィル材料を供給するステップと、
前記アンダーフィル材料を溶融させる又は軟化させるために前記モールドを加熱するステップと、
前記溶融又は軟化アンダーフィル材料を圧縮し、前記ＬＥＤダイを封止するために、前記モールドに対して前記サブマウントにおける前記ＬＥＤダイを位置させるステップと、
前記アンダーフィル材料を冷却するステップと、
を含む方法。 - 請求項１に記載の方法であって、前記ＬＥＤダイにおいて前記アンダーフィル材料をモールド成形するステップは、
モールドに対して前記サブマウントにおける前記ＬＥＤダイを位置させるステップと、
前記サブマウントとモールド空洞との間に実質的な真空を生成するステップと、
前記ＬＥＤダイを封止するために前記モールドを液体アンダーフィル材料を用いて圧力下で充填するステップと、
前記アンダーフィル材料をキュアするステップと、
を含む，方法。 - 請求項１に記載の方法であって、前記ＬＥＤダイにおいて前記アンダーフィル材料をモールド成形するステップは、
モールド空洞を軟化アンダーフィル材料を用いて充填するステップと、
前記ＬＥＤダイを前記軟化アンダーフィル材料へ浸すステップと、
前記アンダーフィル材料をキュアするステップと、
を含む、方法。 - 請求項１に記載の方法であって、ＬＥＤをサブマウントに設けるステップは、サブマウントウェハに複数のＬＥＤダイを設けるステップを含み、前記サブマウントウェハは、前記複数のＬＥＤダイの対応する電極へ接合される電極を有し、各ＬＥＤダイは前記ＬＥＤダイと前記サブマウントウェハとの間の隙間を有し、前記アンダーフィル材料をモールド成形するステップは、全ての前記ＬＥＤダイに同時に実行される、方法。
- 請求項８に記載の方法であって、更に、前記アンダーフィル材料を除去するステップの後に、対応するサブマウント部分において装着されるＬＥＤダイを分離するために、前記サブマウントウェハを個別化するステップを含む，方法。
- 請求項１に記載の方法であって、前記アンダーフィル材料がポリマである、方法。
- 請求項１に記載の方法であって、前記アンダーフィル材料はエポキシモールド成形合成材である、方法。
- 発光装置を加工する方法であって、
発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイをサブマウントに設けるステップであって、前記ＬＥＤダイと前記サブマウントとの間には隙間が存在し、前記ＬＥＤダイは前記サブマウントに面する底部表面及び前記底部表面の反対側にある上部表面を有する、ステップと、
前記ＬＥＤダイにおいてアンダーフィル材料を、このアンダーフィル材料が前記ＬＥＤダイを封止し、且つ前記ＬＥＤダイと前記サブマウントとの間における間隔をほぼ完全に充填するように、モールド成形するステップと、
前記アンダーフィル材料を少なくとも前記ＬＥＤダイの上部表面において除去するステップと、
を含み、
前記ＬＥＤダイは成長基板において成長されるエピタキシャル層を含み、前記成長基板の表面は前記ＬＥＤダイの前記上部表面であり、前記アンダーフィル材料を除去するステップは前記成長基板の全ての側面が完全に露出するように前記アンダーフィル材料を除去するステップを含む、
方法。
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