KR101833786B1 - 플립 칩 ｌｅｄ를 위한 실리콘 기반 반사성 언더필 및 열 커플러 - Google Patents

플립 칩 ｌｅｄ를 위한 실리콘 기반 반사성 언더필 및 열 커플러 Download PDF

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Abstract

일 실시예에서, 플립 칩 LED는 그것의 n-층과 p-층의 하부 표면으로부터 연장하는 고밀도의 금 포스트들로 형성된다. 금 포스트들은 서브마운트 전극들에 본딩된다. 이후에, LED의 하부와 서브마운트 사이의 빈 공간들을 채우기 위해 언더필 재료가 몰딩된다. 언더필은 실리콘 몰딩 화합물 베이스와 약 70-80 중량%의 알루미나(또는 다른 적절한 재료)를 포함한다. 알루미나는 대부분 실리카인 전형적인 실리콘 언더필의 열 전도성 보다 약 25배 더 양호한 열 전도성을 가진다. 알루미나는 백색 파우더이다. 언더필은 반사도를 증가시키기 위해 약 5-10 중량%의 TiO2를 포함할 수도 있다. LED 광은 반사성 언더필에 의해 위쪽으로 반사되고, 언더필은 열을 서브마운트에 효과적으로 전도시킨다. 또한 언더필은 광 산란을 랜덤화시켜 광 추출을 개선시킨다. 분포된 금 포스트들과 언더필은 성장 기판 리프트-오프 프로세스 중에 LED 층들을 지지한다.

Description

플립 칩 ＬＥＤ를 위한 실리콘 기반 반사성 언더필 및 열 커플러{SILICONE BASED REFLECTIVE UNDERFILL AND THERMAL COUPLER FOR FLIP CHIP LED}
본 발명은 LED(light emitting diode)에 관한 것이고, 특히, LED와 마운팅 표면 사이에 반사성이고 열 전도성인 언더필(underfill)을 제공하는 것에 관한 것이다.
LED들은 전형적으로 추후에 별개의 LED들/서브마운트들로 분리되도록 다이싱되는 서브마운트 웨이퍼 상에 마운트된다. 웨이퍼의 각각의 서브마운트 부분은, 예를 들어, 초음파 본딩에 의해 LED 상의 전극에 본딩된 상부 전극들을 가진다. 이후에, 에폭시 또는 실리콘과 같은 언더필 재료가 LED 아래에 주입되어, 기계적 지지를 제공하고, 오염물질로부터 LED를 보호한다.
또한 서브마운트는 전형적으로 종래의 납땜 리플로우 또는 다른 수단들을 이용하여 인쇄 회로 기판에 본딩되며, 금속 패턴들에 의해 LED 전극들에 전기적으로 접속된 더 강건한 전극들의 세트를 가진다.
LED 활성 층에 의해 아래쪽으로 방출된 광이 서브마운트에 의해 흡수되기보다 위쪽으로 반사되도록 하기 위해 LED의 바닥면 상에 은과 같은 넓은 반사성 금속 전극들을 제공하는 것이 공지되어 있다. 그러한 반사성 금속 전극들을 형성하는 것은 복잡할 수 있다. 반도체 표면의 준비, 은 거울의 퇴적 및 패터닝, 및 금속 상호혼합 또는 오염물질을 막기 위해 가드 쉬트들을 이용한 캡슐화는 면밀히 모니터링되어야하는 매우 복잡하고 정교한 프로세스일 수 있다.
LED는 많은 열을 발생시킬 수 있고, 그 열은 서브마운트를 통해 히트싱크 쪽으로 전도될 수 있다. 대부분의 열은 LED 금속 전극들을 통해 서브마운트로 전도될 수 있다. 실리콘 및 에폭시 언더필 재료들은 열악한 열 전도체들이다.
광을 서브마운트의 표면으로부터 위쪽으로 반사시키고, LED로부터의 열 제거를 증가시킬 수 있는 더 나은 방법이 필요하다.
LED와 서브마운트 사이의 양호한 열 전도성을 제공하는 반사성 언더필을 이용하여 플립 칩 LED를 형성하기 위한 기술이 본 명세서에 설명된다.
LED 그 자체를 형성하기 위해, 종래의 GaN-기반 층들(AlInGaN, InGaN 등을 포함함) 또는 AlInGaP 층들이 성장 기판 위에 성장된다.
이후에, 상부 p-층이 매우 전도성이지는 않은 GaN-기반 LED에 대해 전류를 확산시키는 것을 돕기 위해, 예를 들어, ITO, AZO, ZnO, MZO, GZO, AMZO, ZIO 또는 GMZO의 투명한 전도성 산화물(TCO) 층이 p-층의 상부 표면 위에 퇴적될 수 있다. 금의 투명한 층이 사용될 수도 있다. 이후에, TCO 층, p-층, 및 활성 층의 부분들은 n-층의 분포된 부분들을 노출시키기 위해 에칭될 수 있다. 이후에, 개구부들은, 예를 들어, n-층에 대해 전기적 접촉을 만들기 위해 알루미늄, Pt, 또는 Ti로 채워질 수 있다. 이후에, 금 포스트들은 n-전극의 최종 두께가 최종 p-전극 두께(이하에 기술됨), 예를 들어, 5 마이크로미와 거의 동일한 높이가 되도록 하는 높이를 갖도록 금속 n-접촉부(예를 들어, 알루미늄) 위에서 전기도금된다.
이후에, 은 또는 Pt의 반사 패드들은, 예를 들어, p-층 위의 TCO 층 상에 패터닝되고, 그 패드들은 알루미늄 위에 형성된 금 포스트들과 동일한 높이를 가지는 금 포스트들의 고밀도 배열을 형성하도록 금으로 전기도금된다. 금 포스트들은 약 50 마이크로미터 또는 그 미만의 간격(separation)을 가질 수 있고, 대략 10 마이크로미터 또는 그 이상의 직경을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 금 포스트들은 30 마이크로미터 또는 그 미만의 간격을 가질 수 있고, 10 마이크로미터보다 큰 직경을 가질 수 있다.
이후에, LED들은 웨이퍼로부터 싱귤레이트되고, 그 후, 서브마운트 웨이퍼의 금속 전극들 상에 마운트된다. 서브마운트 전극들은 금 패드일 수 있고, LED들은 금 포스트들을 초음파로 용접함으로써 서브마운트 애노드 및 캐소드 금 패드들에 마운트될 수 있다.
실리콘-기반 언더필이 준비된다. 종래의 실리콘 몰딩 화합물(SMC : silicone molding compound)은 강도를 위해 약 80 중량%(% by weight)의 실리카를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 실리카(또는 그것의 일부)는 알루미나(Al2O3)로 대체되며, 알루미나는 백색광 하에서 알루미나 파우더를 백색으로 만들기 위해 공지된 프로세스를 이용하여 준비된다. 그 알루미나는 상업적으로 이용가능하다. 실리콘 및 실리카는 열악한 열 전도성을 가지지만, 알루미나는 훨씬더 양호한 열 전도성을 가진다. 약 70-80 중량%의 알루미나가 있는 실리콘은 양호한 열 전도성을 가질 것이다. SMC 내용물 중 적은 양(예를 들어, 5-10 중량%)은 반사도를 96%만큼 높게 증가시키기 위해 밝은 백색 파우더인 티타늄 산화물(TiO2)일 수 있다. 알루미나 및 TiO2를 포함하는 SMC는 광을 반사시킬 뿐 아니라, 종래 기술의 은 거울 전극들보다 더 많이 반사를 랜덤화한다.
SMC는 적절한 반사 특성 및 열 전도성을 갖는 다른 재료들로 채워질 수 있다. 반사 특성들은 재료들이 백색이거나, 비교적 높은 굴절률을 갖는 것일 수 있다. 그런 적절한 높은 굴절률은 1.5보다 큰 것과 같이 실리콘의 굴절률보다 크다. 언더필의 가시광에 대한 전체 반사도는 90%보다 큰 것이 바람직하다. 언더필의 적절한 열 전도성은 20 W/m/K보다 크다.
이후에, 서브마운트 웨이퍼 상에 마운트된 LED들은, 알루미나, 및 선택적으로 TiO2가 적재되는 SMC가 LED들과 서브마운트 사이의 빈 공간들을 채우도록 압력에 의해 힘을 받는 몰딩 프로세스의 대상이 될 수 있다. 이후에, SMC는 경화(cure)되고, 서브마운트 웨이퍼는 몰드로부터 제거된다. 이후에, 초과 SMC는, 예를 들어, 성장 기판 위로부터 제거된다.
이후에, 성장 기판은 레이저 리프트-오프 등에 의해 제거될 수 있지만, 언더필 및 금 포스트들이 박형 LED 층들에 대해 기계적 지지를 제공한다.
이후에, 노출된 n-층은 광 추출을 증가시키기 위해 그것을 거칠게 하도록 에칭될 수 있다.
이후에, 서브마운트 웨이퍼는 개별적인 LED들/서브마운트들을 분리하기 위해 다이싱될 수 있다.
TCO 층과 함께 많은 분포된 금 포스트들은 p-층의 후면에 걸쳐 전류를 분포시킨다. AlInGaP LED의 경우에, TCO 층은 선택적이고, 금 포스트들은 p-층의 확산된 금속 영역들 위에 도금될 수 있다. 포스트들 사이의 공간들은 반사성의 SMC로 채워져 있어서, 활성층으로부터의 임의의 하향 광은 광 추출을 증가시키기 위해 위쪽으로 반사되고, 랜덤화된다. 또한, 포스트들의 상부들은 광을 위쪽으로 반사시킨다. 증가된 열 전도성 SMC는 많은 금 포스트들과 함께, LED와 서브마운트 사이에 양호한 열 전도성 경로를 제공한다.
위 내용은 단지 본 발명의 일 실시예이고, 다른 재료들이 사용될 수 있다.
도 1은 LED 층들이 성장하는 종래 기술의 웨이퍼의 작은 부분을 도시하는 단면도이다.
도 2는 GaN LED의 경우에 p-층 위에 퇴적된 ITO 층을 도시한다.
도 3은 n-층을 통해 에칭되고, 절연 재료로 코팅된 개구부들을 도시한다.
도 4는 알루미늄(또는 다른 적절한 금속)으로 채워진 개구부들을 도시한다.
도 5는, 예를 들어, 약 5 마이크로미터의 높이를 갖는 포스트들을 형성하기 위해 금으로 도금된 알루미늄의 영역들을 도시한다.
도 6은 ITO 층 위에 패터닝된 은(silver) 패드들을 도시한다.
도 7은 알루미늄 위의 금(gold) 포스트들과 거의 동일한 은 패드들 위에 도금된 금 포스트들을 도시한다.
도 8은 다이싱되고 서브마운트 웨이퍼 상에 마운트된 후의 LED의 일부를 도시한다.
도 9는 LED들과 서브마운트 웨이퍼 사이의 빈 공간들을 채우도록 언더필(underfill)을 압축 몰딩하기 위해, 알루미나 파우더와 같이, 양호한 반사도와 열 전도성을 갖는 파우더 및 선택적으로 TiO2 파우더를 포함하는 SMC(silicone molding compound)에 담겨 있는 서브마운트 웨이퍼 상의 세 개의 LED들의 단순화된 개략도이다.
도 10은 성장 기판으로서 완전한 LED가 레이저 리프트-오프(laser lift-off)에 의해 제거되는 것을 더 자세히 도시한다. 몰딩된 언더필 및 금 포스트들은 레이저 리프트-오프시에 LED 층들을 지탱한다.
도 11은 n-층 및 p-층에 접촉하는 금 포스트들의 패턴을 도시하는 도 10의 LED의 하부도이다.
도 12는 도 10의 구조를 형성하는 프로세스에서 사용되는 특정 단계들을 확인하는 순서도이다.
동일하거나 동등한 요소들은 동일한 참조번호로 기입되어 있다.
예비적인 사안으로서, 종래의 LED가 성장 기판상에 형성된다. 이용되는 예에서, LED는 청색에서부터 녹색 광을 발생시키기 위한, AlInGaN 또는 InGaN LED와 같은, GaN-기반 LED이다. 본 발명에서 사용될 수 있는 다른 형태의 LED들은 적색에서부터 녹색 범위 내의 광을 발생시킬 수 있는 AlInGaP LED들을 포함한다.
도 1에 도시된 것처럼, 전형적인 GaN LED의 경우에, 비교적 두꺼운 n-형 GaN 층(10)(n-층(10))이 종래의 기술들을 이용하여 사파이어 성장 기판(12) 상에 성장된다. 비교적 두꺼운 n-층(10)은 n-형 클래딩 층(cladding layer) 및 활성 층에 대해 저-결점 격자 구조를 제공하기 위해 전형적으로 저온 핵층(low temperature nucleation layer) 및 하나 이상의 부가 층들을 포함한다. 이후에 하나 이상의 n-형 클래딩 층들(n-층(10)에 포함되는 것으로 도시됨)은 두꺼운 n-형 층 위에 형성되고, 활성 층(14), 하나 이상의 p-형 클래딩 층(16), 및 (금속 옴(ohmic) 접촉의 형성을 돕기 위해) 더 강하게 도핑된 p-형 접촉 층(18)이 후속한다. 재료들의 도전성들은 역전(reversed)될 수 있다.
LED 층들을 성장시키는 것은 도 12의 단계(101)로 도시된다.
이후에 LED는 p-층들의 전도성을 증가시키기 위해 p-형 도펀트들을 활성화 시키도록 어닐링 될 수 있다(단계 102).
도 2에 도시된 것처럼, 투명한 비-반도체 전도층(예를 들어, 박형의 전도성 ITO(indium-titanium-oxide) 층(20) 또는 다른 TCO 층)이 접촉 층(18) 위에서 전류를 확산시키는 것을 돕기 위해 접촉 층(18) 위에 퇴적된다(도 12의 단계 103). 넓은 범위의 두께가 가능하지만, 두께는 약 40㎚-100㎚일 수 있다. ITO 층들을 퇴적시키는 것은 공지되어 있다. 다른 유형의 투명한 전도성 층들이 대신 사용될 수 있다. ITO 층(20)은 전형적으로 약 400㎚의 파장에 대해서는 그 ITO 층에 접촉하는 LED 광의 2% 미만을 흡수할 것이고, 40㎚의 두께에서 약 50 ohms/square의 표면 저항(sheet resistance)을 가진다. 대조적으로, GaN n-층(10)의 표면 저항은 약 25 ohms/square이다. 이 ITO 퇴적 단계는 AlInGaP LED의 경우에 선택적일 수 있는데, 왜냐하면, p-층이 더 고전도성이기 때문이다. 만약, p-층이 전극들 사이의 간격에 대해 충분히 전도성이 있으면, ITO 퇴적은 GaN-기반 LED의 경우에도 선택적일 수 있다.
이후에, 필요한 경우, ITO 층(20)은 어닐링된다(단계 104).
도 3에 도시된 것처럼, LED를 만들기 위해서, ITO 층(20)의 영역들(22), p-층들(18/16), 및 활성 층(14)이, 예를 들어, 금속화를 위해 n-층(10)의 일부를 노출시키도록 반응성 이온 에칭(RIE)을 이용하여 선택적으로 에칭된다(단계 105). 이러한 방식으로, p 접촉부들 및 n 접촉부들은 칩의 동일한 면 상에 있게 될 것이고 서브마운트 접촉 패드들에 직접 전기적으로 부착될 수 있다. 도시된 구성의 플립 칩에서, n-금속 접촉부로부터의 전류는 처음에는 n-층을 통해 측면으로 흐른다.
이후에, 절연 층(24)(예를 들어, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물)은 금속을 p-층들 및 활성층으로부터 전기적으로 절연시키기 위해 개구부들의 벽들 상에 퇴적된다. 만약, p-층 및 활성 층과의 측면 접촉을 피하기 위해 알루미늄이 에칭될 수 있다면, 절연층은 선택 사항이다.
도 4에서 도시된 것과 같이, 이후에, 알루미늄(26)(또는 Al 합금)은 n-층(10)에 접촉하기 위해 개구부들로 스퍼터링(sputtered) 되고, 임의의 초과 알루미늄은 공지된 기술들을 이용하여 제거된다(단계 106). 그외의 적절한 금속들이 사용될 수 있다.
도 5에 도시된 것처럼, LED의 상부는 선택적으로 마스킹되며, LED 웨이퍼는 금 전극과 함께 전기도금 용매에 담궈지고, 알루미늄은 금 포스트들(28)이 대략적으로 5 마이크로미터의 높이를 가지도록 형성될 때까지 노출된 알루미늄을 금으로 전기도금하기 위해 (n-층(10)을 통해) 전기적으로 바이어스된다(단계 107). 그외의 높이들도 적합하다. 알루미늄을 금으로 도금하는 것은 공지된 프로세스이다. Al과 금 사이의 적절한 배리어 층들이 사용될 수 있다. 추후에 더 자세히 논의되는 도 11은 LED의 하부 표면상의 금 포스트들(28)의 하나의 적절한 패턴을 도시한다. 일 실시예에서, n-층에 전기적으로 접촉하는 금 포스트들(28) 사이의 간격은 200 마이크로미터 미만이어야 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 은 패드들(30)은 p-접촉 층(18)에 대한 금 포스트들이 형성되는 ITO(20) 층의 영역들 위에 형성된다(단계 108). 은 패드들(30)을 형성하는 것은 마스킹 및 에칭 프로세스가 후속하는, 은 스퍼터링에 의해 행해질 수 있으며, 또는 마스킹 및 리프트-오프 프로세스가 사용될 수 있다. 다른 기술들도 사용될 수 있다. 은 패드들(30)은, 약 30 마이크로미터와 같이, 약 50 마이크로미터 미만으로 이격될 수 있고, 약 10-20 마이크로미터의 폭을 가진다. 은은 최대 반사도를 위해 사용되고, 그외의 덜 반사적인 금속들도 사용될 수 있다.
도 7에 도시된 것처럼, 금 포스트들(32)을 금 포스트들(28)의 높이와 거의 동일한 높이로 형성하기 위해 은 패드들(30)이 금으로 전기도금되는 동안(단계 107과 유사), ITO 층(20) 및 은 패드들(30)은 전기적으로 바이어스된다(단계 109). 은과 금 사이에 TiW 또는 TiWN과 같은 배리어 층이 사용될 수 있다. 금 포스트들(32)의 간격은 p-접촉 층(18)에 걸친 전류 확산 저항을 비교적 낮게 만들도록 선택되는데, 이는 ITO 층(20)과 함께 고밀도의 금 포스트들(32)이 종래기술로부터 넓은 은 금속 접촉부를 대체하도록 의도될 수 있기 때문이다. p-접촉층(18)의 상부에 걸친 확산 저항은 n-층(10)의 확산 저항의 1/3 미만이어야 한다.
만약, LED가 AlInGaP LED라면, Au/Zn 확산에 의한 p-층으로의 직접 금속 접촉이 ITO 층 없이 사용될 수 있고, 이후에 Au/Zn 영역들은 금 포스트들(32)을 형성하기 위해 금으로 도금될 수 있다. 이러한 방식으로, ITO 층에 의한 적은 양의 광 흡수를 피할 수 있다.
도 8에 도시된 것처럼, LED 웨이퍼는 개별 LED들을 분리하기 위해 싱귤레이트(singulated)되고(단계 110), LED들은 전형적으로 세라믹 웨이퍼인 서브마운트 웨이퍼(40) 상에 마운트된다(단계 111). 서브마운트 웨이퍼(40) 상의 금속 전극들(42 및 44)은 웨이퍼를 통해 연장되어(비아들(vias)이 점선으로 표시됨), 회로 기판에 납땜하기 위해 하부 접촉 패드들(46)에서 끝날 수 있다. 일 실시예에서, 금속 전극들(42 및 44)은 금이고, LED의 금 포스트들(28 및 32)은 전극들(42 및 44)에 초음파로 용접된다.
반사성이고 양호한 열 전도성을 가지는 새로운 실리콘-기반 언더필이 준비된다.
열 전도성은 정상 상태 조건하에서 유닛 온도 기울기에 기인하여 유닛 영역의 표면에 법선 방향의 유닛 두께를 통해 전달된 열의 양으로 정의된다. W/m/k(Watts/meter/Kelvin) 단위를 사용하는 것은 열 전도성을 표현하는 통상적인 방법이고, 대부분의 재료들의 열 전도성은 참고 문헌들로부터 쉽게 이용가능하다.
종래의 SMC는 강도를 위해 (무게로) 약 80%의 실리카 파우더를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 실리카(또는 그것의 일부)는 알루미나(Al2O3)로 대체되며, 알루미나는 백색광 하에서 알루미나 파우더를 백색으로 만드는 공지된 프로세스를 이용하여 준비된다. 그런 알루미나 파우더는 상업적으로 이용가능하다. 실리콘과 실리카는 1W/m/K와 같이 낮은 열 전도성을 갖지만, 알루미나는 25W/m/K 또는 그 이상의 양호한 열 전도성을 가진다. 약 80 중량%의 알루미나가 있는 실리콘은 약 20W/m/K의 열 전도성을 가질 것이다.
적은 양(예를 들어, 5-10 중량%)의 알루미나는 반사도를 96%만큼 높이 증가시키기 위해 밝은 백색 파우더인 티타늄 산화물(TiO2)로 대체될 수 있다. 약 90% 이상의 SMC의 반사도가 충분하다. 알루미나 및 TiO2를 포함하는 SMC는 광을 반사할 뿐 아니라, 반사를 랜덤화한다. 큐어링 특성들과 점도를 변경하기 위해 접착 촉진제들 및 용매들이 SMC에 부가될 수도 있다. SMC의 열 팽창 계수는 LED의 열 팽창 계수에 근접할 수 있으며, 따라서 AuSn 또는 AgSn 납땜 리플로우 중과 같은 최악의 상황의 조건들 하에서 SMC와 다이의 열 팽창의 차이는 거의 없다.
더 큰 열 전도성을 가지는 알루미나 이외의 파우더들이 사용될 수 있다. 반사 특성들은 재료들이 백색이거나 또는 비교적 높은 굴절률을 가지는 것일 수 있다. 그 적절히 높은 굴절률은 실리콘의 굴절률보다 크며, 예를 들어, 1.5보다 크다. 재료의 적절한 열 전도도는 20W/m/K 보다 크다. 적절한 재료들은 AlN, AlON, 바륨 황화물, 바륨 티타네이트, 알루미늄 티타네이트, 큐빅 지르코니아, GGG, PLZT, PZT, SiAlON, 다이아몬드, 실리콘 카바이드, 사파이어, 중금속 산화물을 포함하는 특정 유리, SiON, 스트론튬 티타네이트, 티타늄 산화물, YAG, 셀렌화 아연(zinc selenide), 아연 황화물, 아연 텔루라이드 및 그것들의 조합들을 포함할 수 있다. 평균 입자 크기는 대략 5 마이크로미터이거나 더 작으며, 나노입자들을 포함할 수 있다.
발명자들이 알고 있는 바로는, SMC는 (발명자들 이외에는) 이전에 LED 내의 언더필로서 사용되지 않았으며, 또는 LED를 위한 언더필로서 공개적으로 개시되지는 않았다. 바람직한 실시예에서, SMC는 후속하는 이유들 때문에 언더필로서 사용된다. SMC는 특히 기판상의 LED들의 웨이퍼 레벨 언더필을 위한 몰딩 프로세스(압축 또는 트랜스퍼 몰딩)에 적합하다. SMC는 처음에는(몰딩 프로세스 이전) 언더필 몰딩 프로세스를 위해 파우더 또는 태블릿(tablet) 형태로 사용될 수 있는 고체의 재료이며, 이것은 그 재료를 다루는 것을 단순화 한다. SMC의 표준 충전제는 SiO2이며, 이것은 공식에 약 80-90 중량%의 무게로 존재한다. SMC의 조성은 충전제(SiO2)의 일부를, 고반사도 백색을 얻기 위해 TiO2로 대체하거나 또는 열 전도성 및/또는 반사도를 개선하기 위해 또는 일부 조합들에서는 동시에 두 가지 모두를 개선하기 위해 Al2O3, 다이아몬드 그라파이트 및 다른 그러한 재료들로 대체하는 것에 의해 조정될 수 있다.
SMC는 통상적으로 사용되는 언더필 재료들에 비해 적어도 4가지의 주요한 이점을 가진다. 첫째로, SMC는 낮은 영률(Young's modulus)을 가지고, 열 팽창 중에 LED 다이 상에 낮은 등장력(uniform stress)을 발생시킨다. 둘째로, SMC는 열 팽창 계수(CTE)를 구리 및 금과 같은 일반 금속들의 열 팽창 계수에 가깝게 감소시키기 위해 고체 재료를 아주 많이 넣을 수 있으며, 이는 열 사이클링(thermal cycling) 중에 다이 전반에 걸쳐 차응력(differential stress)을 감소시킨다. 셋째로, SMC는 고강도 청색 LED 광과 고온의 조합에 대해 시간상으로 매우 안정적이다. 그리고 넷째로, SMC는 매우 낮은 유리 전이 온도(glass transition temperature)(상온 이하)를 가지는데, 이는 LED 광들에 대한 전형적인 동작 범위에서 CTE의 변화가 거의 없다는 것을 의미한다.
임의의 에폭시 또는 에폭시 몰딩 화합물과 비교해 볼 때, SMC는 매우 낮은 유리 전이 온도(Tg=-10C)를 가진다. 에폭시 몰딩 화합물의 최고의 샘플들의 Tg는 약 Tg=210C이고 액체 에폭시들에 대해서는 약 (150C-170C)이다. 통상적으로 LED 패키지는 특정한 리플로우 온도에서 땜납 페이스트를 이용함으로써 회로 기판에 부착된다. Pb-프리 땜납들의 경우에 250C로부터 320C까지 변화할 수 있다. 땜납 리플로우 중에, 비-SMC 언더필 재료는 그것의 Tg 이하로부터 그것의 Tg 이상으로 올라간다. 리플로우 온도가 Tg 이상으로 올라갈 때, 고분자는 고체로부터 플라스틱 단계로 변형되며, 이것은 열 팽창 계수(CTE)의 증가를 야기하며, 결과적으로, 언더필로서 그러한 비-SMC 재료들을 이용하는 LED들은 심한 변형을 겪는다. 이 변형은 다이 및 임의의 금속 부착물과 같은 LED 컴포넌트들을 플라스틱같이 변형시키기에 충분히 클 수 있다. LED가 상온으로 되돌아간 후에 플라스틱 변형은 그것의 원래 상태로 되돌아가지 않으며, 이것은 LED를 저하된 동작 신뢰성이라는 위험에 놓이게 한다. 특히 이것은 언더필 열 팽창에 대해 매우 민감한 박막 LED들(전체 디바이스 두께는 약 5㎛임)에 대해 효과를 주는데, 왜냐하면 그것이 박막 LED들에 치명적인 데미지(크랙들)를 유발할 수 있기 때문이다. SMC의 Tg가 -10C 이하이고, SMC가 넣어진 고체는 낮은 CTE를 가지기 때문에, SMC 언더필은 리플로우 온도 이상으로 올라갈 때 그것의 열적 특징들을 현저하게 변화시키지는 않는다(리플로우 중에는 Tg 이하로부터 Tg 이상으로의 전이는 없다). 그 결과, SMC 언더필은 언더필로 채워진 LED 구조의 어떠한 현저한 변형도 만들어내지 않는다.
위에서 요약된 SMC의 이점들을 더 자세히 설명하면, SMC를 이용하는 것의 첫 번째 이점은 경화된 재료의 비교적 낮은 영률과 체적 탄성률(Bulk modulus)이며, 이것은 SMC가 타일 상의 LED 위에 몰딩된 후에 LED 주변의 매우 빠른 재료 제거를 가능하게 하고, 또한 열 팽창 및 수축 중에 LED 상의 매우 낮은 응력을 가능하게 한다는 것이다.
SMC의 두 번째 이점은 그것의 낮은 점도와 많은 필러 재료들과의 호환성이다. 알루미나, 실리카, 다이아몬드 및 그라파이트와 같은 필러 재료들은 CTE를 감소시키고 반사도 및 색상과 같은 추가적인 특성들을 부가하기 위해 실리콘에 부가된다. 백색 재료들은 백색 오프-상태 LED 색상이 요구되며 및/또는 필러 재료 반사도가 시스템 효율을 증가시킬 수 있는 시스템들에 사용된다. 흑색 재료들은 LED와 주변 영역 사이의 대비(contrast)가 중요하고, 다른 색상들이 오프-상태 에스테틱(off-state esthetics)을 위해 또는 다른 목적들을 위해 사용될 수 있는 곳에 사용된다.
LED들에 대한 언더필로서 SMC를 사용하는 것의 세 번째 이점은 청색 LED들에 의해 방출된 청색 광자들과 LED들이 자주 노출되는 높은 온도들의 조합에 대한 매운 높은 안정성이다. 언더필 재료들의 다른 어떤 그룹도 고 에너지 청색 광자들에 대해 SMC만큼 안정적이지 않다. 통상적으로, 에폭시 언더필을 사용할 때, (박막 LED를 포함하는) LED 주변 근처에 현저한 고분자 저하(degradation)가 있다. LED의 중요한 이점들 중 하나는 긴 수명이고, 현재까지는, 언더필은 특히 플립-칩 LED들의 신뢰도에 있어서 결정적인 약한 연결부들 중 하나였다. SMC는 플립-칩 LED들을, 달러 메트릭당 LED 루멘을 극적으로 개선시키는 고온 동작과 고전류 동작을 가능하게 하는 완전히 새로운 신뢰도 레벨로 이끈다.
네 번째 이점은 SMC의 낮은 유리 전이 온도가 박막 LED들에 대한 최고의 신뢰도 위험요소인 크래킹을 방지하는 매우 안정된 균일 압력을 다이 상에 제공하는 것이다.
따라서, LED를 위한 언더필로서 SMC를 사용하는 것은, TiO2 또는 Al2O3가 있든 없든 간에, 신규하지만 자명하지 않은 것으로 간주된다.
도 9는 LED들(50)과 서브마운트 웨이퍼(40) 사이의 빈 공간들을 SMC(52)(알루미나 및 선택적으로 TiO2를 포함함)로 채우기 위한 압축 몰딩 프로세스(단계 112) 중에 있는 세 개의 LED들(50)을 나타내는 서브마운트 웨이퍼(40)의 일부의 단순화된 개략도이다. SMC(52)는 액체 또는 건조한 파우더로서 몰드(54) 공백들 내로 퇴적 될 수 있다. 건조한 파우더가 사용될 경우, 몰드(54)는 그 파우더를 녹이도록 가열된다. 이후에, 서브마운트 웨이퍼(40)를 몰드(54)에 반하여 가져와서, SMC(52)를 압축하도록 아래로 가압하여, SMC(52)가 LED들의 하부의 모든 빈 공간들을 채우고 모든 공기를 밖으로 몰아내도록 한다. 전형적으로, 몰드/웨이퍼의 주변 근처에는 밀봉재가 있다. 주입 몰딩이 연약한 금 포스트들 상에 더 많은 힘을 가할 수 있음에도 불구하고, 압축 몰딩 대신에 주입 몰딩이 사용될 수 있다.
이후에, SMC(52)는 사용되는 실리콘의 유형에 따라 냉각, 가열, 또는 UV 광과 같은 것에 의해 경화(강화(harden))되고, 서브마운트 웨이퍼(40)는 몰드(54)로부터 제거된다. 이후에, 예를 들어, 성장 기판(12) 위로의 초과 SMC(52)는 마이크로비드 블라스팅(microbead blasting)에 의해 제거될 수 있다(단계 113).
도 10은 성장 기판(12)을 제거(단계 114)하기 위해 선택적 레이저 리프트-오프 프로세스 중인 서브마운트 웨이퍼(40) 상의 하나의 완전한 LED(55)를 도시한다. 레이저 리프트-오프 프로세스에서, 엑시머 레이저 에너지(excimer laser energy)(56)는 n-층(10)의 표면에서 GaN 본딩을 파괴하고, 방출된 가스 압력은 n-층(10)으로부터 성장 기판(12)을 밀어낸다. 레이저 리프트-오프 중에 LED 층들 상에는 고압력이 있고, 분포된 금 포스트들(28/32) 및 SMC(52)는 LED 층들을 기계적으로 지지한다. LED 층들은 전형적으로 50 마이크로미터 두께 미만이다. 이후에, 얇은 층으로 갈라진 성장 기판(12)은 접착 시트와 같은 것에 의해 제거된다.
이후에, 노출된 n-층(10)은 광 추출을 증가시키기 위해 임의의 표면 데미지를 제거하고 층을 선택적으로 거칠게 하도록 에칭된다(단계 115).
광선(58)은 LED(55)의 활성 층(14)에 의해 방출되고 SMC(52) 내의 알루미나 및/또는 TiO2 입자로 인해 산란 각도에서 일반적으로 위쪽으로 반사되는 것으로 도시된다. 실제로 광은 알루미나 및 TiO2 파우더에 의해 충분히 반사되기 전에 다소 작은 거리에서 SMC(52)로 들어갈 수 있다. 금 포스트들(32)의 상부들도 광을 반사할 것이다. LED(55)에 의해 발생된 열은 SMC(52), 금 포스트들(28/32), 및 서브마운트 전극들(42/44)을 통해 서브마운트 웨이퍼(40)에 효율적으로 결합될 수 있다.
위에 제공된 예에서, SMC(52)는 약 5 마이크로미터의 두께이고, LED(55)와 서브마운트 전극들(42/44) 사이에서 단지 0.25 K/W의 열 저항을 야기할 수 있다. LED(55)는 대략 1㎟의 하부 표면 면적을 가진다.
그외의 웨이퍼-레벨 프로세스들은 LED 어레이 상에서도 수행될 수 있지만, 렌즈들의 웨이퍼 스케일 몰딩과 같이, 서브마운트 웨이퍼(40) 상에 마운트될 수 있다. 청색 LED 광을 백색광으로 변환하기 위해 LED들 위에 형광체(phosphor)가 퇴적될 수도 있다.
이후에, 서브마운트 웨이퍼(40)는 개별적인 LED들/서브마운트들로 분리하기 위해 다이싱된다(단계 116). 도 10은 분리된 LED/서브마운트를 도시할 수 있다. 이후에, 하부 서브마운트 전극들(46)은 금속 코어 히트 싱크 회로 기판에 납땜될 수 있다.
도 11은 전기 접촉부가 금 포스트들(28)과 알루미늄을 통해 n-층(10)에 만들어진 에칭된 영역들을 보여주는 단일 LED(55)의 배면도이다. 중앙 영역은 ITO 층(20)이 p-접촉 층(18) 위에 형성되고 금 포스트들(32)이 ITO 층(20) 위에 분포된 곳이다. 서브마운트의 표면상의 금속 전극들(42/44)은 일반적으로 노출된 n-층(10)과 p-접촉 층(18)의 형상들과 일치한다. 그 층들의 전도성은 역전될 수 있다.
디바이스는 플립 칩일 필요는 없고 하부 n-층 또는 p-층에 접촉하고 개시된 언더필에 의해 서브마운트에 상호접속된 금속 포스트들을 구비한 (상부 전극이 있는) 수직 디바이스(vertical device)일 수 있다. 다이의 상부 전극에 대한 전기 접촉은 와이어 또는 리본 본딩으로 만들어질 수 있다.
도 12의 많은 단계들은 선택적이거나 단지 예시들이다.
본 발명의 특정한 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 더 넓은 양태들 내에서 본 발명으로부터 벗어나지 않고 변형들 및 변경들이 행해질 수 있다는 것은 본 기술분야의 숙련자들에게 명백할 것이고, 따라서, 첨부된 청구항들은 본 발명의 진정한 정신과 범위 내에 포함되는 모든 그러한 변형들 및 변경들을 그것들의 범위 내에 포함한다.

Claims (15)

  1. 발광 디바이스로서,
    LED(light emitting diode) 다이(50) - 상기 LED 다이는 하부 표면을 가짐 -; 및
    상기 LED 다이가 마운트된 서브마운트(40) - 상기 LED 다이와 상기 서브마운트 사이에 간격이 있음 -
    를 포함하며,
    상기 LED 다이는 금속 패드들(30)을 통해 상기 하부 표면에 전기적으로 접속된 2차원 어레이의 금속 포스트들(32)을 가지며, 상기 LED 다이의 하부 표면을 따라 상기 금속 포스트들 사이에 투명한 영역들이 있어서, 상기 LED 다이에 의해 아래로 방출된 광이 상기 금속 포스트들 사이에서 통과하고,
    반사성인 언더필 재료(52)는 상기 LED 다이의 하부 표면과 상기 서브마운트 사이의 빈 공간들을 채우며, 금속 포스트들 사이의 빈 공간들을 포함하며, 상기 언더필 재료는 20 W/m/K보다 더 큰 열 전도도를 가지는 반사성 파우더 및 실리콘을 포함하며, 상기 언더필 재료는 상기 LED 다이로부터의 광(58)을 일반적으로 위쪽으로 반사시키고 상기 LED 다이와 상기 서브마운트 사이의 열을 전도시키며,
    상기 금속 포스트들(32)과 금속 패드들(30) 사이에 배리어 층을 더 포함하고, 상기 배리어 층은 TiW 및 TiWN으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 이루어지고,
    상기 언더필 재료(52)는 TiO2가 주입된 실리콘을 더 포함하며, 상기 TiO2는 상기 언더필 재료의 5-10 중량%(% by weight)를 포함하며,
    상기 반사성 파우더는 상기 언더필 재료(52)의 적어도 80 중량%의 알루미나를 포함하는, 발광 디바이스.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 LED 다이(50)는 플립 칩인 발광 디바이스.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 언더필 재료(52)는 가시광에 대해 적어도 90%의 반사도를 가지고 적어도 20 W/m/K의 열 전도도를 가지는 발광 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속 포스트들(32)은 50 마이크로미터 미만의 간격으로 이격되어 있는 발광 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 LED 다이(50)는 상기 서브마운트(40)를 마주보는 p-형 층(18)을 가지며, 상기 디바이스는 상기 p-형 층 위 및 상기 p-형 층과 상기 금속 포스트들(32) 사이에 투명한 비-반도체 전도층(20)을 더 포함하는 발광 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 LED 다이(50)는 상기 서브마운트(40)를 마주보는 p-형 층(18)을 가지며, 상기 금속 포스트들은 p-형 층 위에서 도금된 금 포스트들인 발광 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 상기 LED 다이(50)는 상기 서브마운트(40)를 마주보는 p-형 층(18)을 가지며,
    상기 디바이스는 상기 p-형 층 위의 투명한 비-반도체 전도층(20)을 더 포함하며, 상기 금속 패드들(30)은 상기 투명한 비-반도체 전도층 위에 퇴적되고,
    상기 금속 포스트들(32)은 상기 금속 패드들 위에서 도금된 금 포스트들을 포함하는 발광 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 상기 금속 포스트들(32)은 길이가 5 마이크로미터인 발광 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 LED 다이(50) 내의 p-형 층(18)에 전기적으로 접촉하는 금속 포스트들(32)의 하나의 세트 및 상기 LED 다이 내의 n-형 층(10)에 전기적으로 접촉하는 금속 포스트들(28)의 또 다른 세트를 더 포함하고, 상기 p-형 층의 상부에 걸친 확산 저항은 상기 n-형 층의 확산 저항의 1/3 미만인 발광 디바이스.
  12. 제1항에 있어서, 상기 금속 포스트들(32)은 10 내지 20 마이크로미터 사이의 두께를 가지고, 50 마이크로미터 미만의 간격으로 이격되어 있는 발광 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, 상기 반사성 언더필 재료(52)는 상기 LED 다이로부터의 광을 퍼지게 반사시키는 발광 디바이스.
  14. 제1항에 있어서, 상기 LED 다이(50)를 위한 성장 기판(12)이 제거되어 있는, 발광 디바이스.
  15. 삭제
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