專利名稱：一種高效高壓垂直通孔鍵合式led芯片及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制作高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片，以及制作該高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片的結構。
背景技術：
相比較傳統(tǒng)的直流LED照明產(chǎn)品，高壓LED產(chǎn)品不需要變壓器件，不但節(jié)約了成本，且性能更穩(wěn)定、電流密度更為均勻、發(fā)光效率也更高。發(fā)光效率提升與器件成本降低并重是LED核心技術發(fā)展的趨勢。目前，外延芯片技術的提升使其成本比例迅速下降，但分立式芯片后端工藝和傳統(tǒng)封裝工藝成為成本瓶頸。另外，當LED器件效率> 1001m/W時，還面臨著大尺寸LED芯片出光效率，封裝散熱問題。傳統(tǒng)LED封裝問題，如成本、結構，隨著通用照明對LED光源設計、多功能使用提出更高要求，模組光源、具系統(tǒng)功能光源的需求迅速增力口。大功率、集成化是LED芯片和光源發(fā)展的一種趨勢。。自1990年代LED白光被發(fā)現(xiàn)之后，它的發(fā)光效率快速增加，2010年突破1001m/W。 它不需暖燈時間、反應速度快、體積小、用電量省、污染低、適合量產(chǎn)、可靠度高、且適用范圍廣，如交通號志、大型顯示器或背光源、手機背光源、路燈照明等。LED也有其缺點需克服，輸入LED的能量，大約20%會轉換成光源，剩下80%都轉成熱能，產(chǎn)生熱是很嚴重的問題，首先，溫度升高時，發(fā)光強度會下降，而且壽命也會跟著下降。溫度升高也會導致放射波長改變，產(chǎn)生色差，且伴隨量子轉換效率降低，導致發(fā)光強度就會下降，并且材料會膨脹，產(chǎn)品可靠性就會降低，使用年限也會降低。因此，散熱是亟需解決的問題。現(xiàn)在在照明方面，白光是最主要光源，比較4種主要光源，白熾燈泡、螢光燈管、鹵素燈、LED能量分布，白熾燈泡大量以紅外光的方式放射，所以在旁邊可以感受到高溫高熱， 但熱不會在燈具本身，發(fā)光效率很低。螢光燈發(fā)光效率到達不錯的境界，熱能也均勻分布。 LED的發(fā)光效率在20 %左右，但本身發(fā)出的熱能在80 %左右，可以看出LED熱能問題極待解決。散熱基本上有3種方式，一是傳導式散熱，二是對流式散熱，三是輻射式散熱。散熱最主要問題點就在面積；而因輻射散熱量非常小，所以最主要要討論的散熱方式在傳導和對流兩方面。熱模式奧姆定理ΔΤ = QR，溫差=熱流χ熱阻，熱阻愈大，就有愈大的熱產(chǎn)生在元件內(nèi)。熱阻之后來看熱傳遞，熱傳遞有垂直和水平方向，垂直方向相當于串連方式，串愈多熱阻愈大，厚度相對要愈低。水平傳遞是并連方式，并連熱阻數(shù)愈多，產(chǎn)生效果愈好。降低LED熱累積的方式有三種，一為改善發(fā)光效率，在芯片制作階段，改善20%發(fā)光80%發(fā)熱的能量配置，二為藍寶石移除的垂直式LED，，三為封裝基板采用高導熱材料， 和熱膨脹系數(shù)匹配的材料，并且降低整個散熱基板總熱阻方式。傳統(tǒng)LED封裝使用打線方式，但相對于金屬，藍寶石傳熱相當慢，所以熱源會從金屬線傳導，但散熱效果不佳。目前LED芯片端最新的散熱技術為藍寶石移除的垂直式LED， 移除藍寶石后的LED轉貼至導熱極佳的硅或金屬基板上，大大增加散熱性。但垂直式LED相較於傳統(tǒng)水平式LED工藝繁瑣，且移除藍寶石后的LED芯片和轉貼后的基板之間的熱膨脹系數(shù)差異和附著性，對將來高功率LED長期使用是一個隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有技術中的上述散熱問題，提供一種高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片，以及制作該高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片的結構，其主要將LED芯片以晶圓鍵合方式形成一高散熱底板，從而在芯片端改善熱傳和散熱問題，該發(fā)光外延層的至少一個電極透過通孔和底板相連接。通孔金屬除讓電性導通外，同時可成為一種熱通道，幫助LED芯片在大功率操作下散熱。發(fā)明的一個方面，提供一種制作高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片的結構和方法，該結構包含至少一芯片和一底板，所述芯片包括襯底和生長在一襯底表面的發(fā)光外延層；所述襯底具有第一表面和與所述第一表面相反的第二表面；在所述襯底的第二表面形成一反射層，在該襯底第二表面形成的反射層上晶圓鍵合一散熱性良好的底板；以及在所述第一表面上形成發(fā)光外延層，其中從所述發(fā)光外延層發(fā)射的光包括遠離所述襯底方向傳播的光以及向著所述襯底方向傳播的光，向著所述襯底方向傳播的光至少部分地透過所述襯底后被所述反射層反射。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，該發(fā)光外延層的至少一個電極透過通孔和底板相連接。通孔金屬可使芯片垂直上下各成正負極，減少封裝打線數(shù)量，增加出光面積和效率；通孔金屬或合金含反射與不反射二種，反射型通孔金屬可避免光的吸收，有效增加出光。該發(fā)光外延層可以制作成單一 LED管芯與數(shù)個LED管芯使其串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)成可承受高電壓(交/直流)電源的芯片。采用本發(fā)明提供的制作LED芯片的結構，可以使得依該結構制得的LED芯片中，在取光方向的電極面積減少，減少封裝打線數(shù)量，增加出光面積和效率；且發(fā)光外延層發(fā)射的向著襯底方向傳播并從襯底背面出射的光被直接地、牢固地附著在襯底背面的反射層反射為從襯底正面出射，借此能夠有效地利用上述向著襯底方向傳播的光，提高LED芯片的整體出光效率。更重要地，在此反射層之后，以高壓晶圓鍵合方式形成的高散熱底板，通孔金屬除讓電性導通外，同時可成為一種熱通道，幫助LED芯片在大功率操作下散熱，從而增加 LED的發(fā)光效率和延長使用壽命。


結合在說明書中并構成說明書一部分的附圖用于說明本發(fā)明的具體實施方式
，并與上述總體說明和下述實施方式的詳細說明一起對本發(fā)明的原理進行說明。圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LED芯片的襯底與其第一表面上形成發(fā)光外延層后的結構示意圖；圖2是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LED芯片完成數(shù)個獨立管芯后的結構示意圖；圖3是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LED芯片的襯底第二表面上形成反射層后的結構示意圖；圖4是顯示在如圖3所示的反射層后，以高壓晶圓鍵合的方式形成高散熱底板后的結構示意圖；圖5是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LED芯片，使其部份電極欲和底板接合的地方曝露出來后的結構示意圖；。圖6是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LED芯片，電極完成且部份電極透過通孔和底板連接的結構示意圖。圖7是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LED芯片，剖面?zhèn)纫暫驼暿疽鈭D。圖8是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的LED芯片，剖面?zhèn)纫暫驼暿疽鈭D。圖9是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的LED芯片示意圖。
具體實施例方式下面將參照

本發(fā)明的具體實施例。根據(jù)本發(fā)明的第一實施例制作LED芯片的結構包括以下步驟圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LED芯片的襯底1與其第一表面11上形成發(fā)光外延層2，該發(fā)光外延層是本領域技術人員熟知的用于LED的發(fā)光結構，例如IIIV族化合物半導體發(fā)光結構等。其所發(fā)射的光包括遠離該襯底方向傳播的光以及向著該襯底1 方向傳播的光，并且向著襯底方向傳播的光至少部分地透過襯底1。圖2是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LED芯片，利用熟知的半導體工藝技術， 制作成數(shù)個獨立LED管芯於襯底1上。圖3是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LED芯片的襯底第二表面12上形成反射層3。反射層3可以是金屬層或合金層，單層或多層，全反射膜(DBR)，DBR加金屬層或合
金層ο圖4顯示在如圖3所示的反射層3后，以高壓晶圓鍵合的方式形成高散熱底板 4 ；此晶圓鍵合的方式是在真空小於一個大氣壓的環(huán)境下，以高壓的方式配合適當?shù)臏囟?< 3500C，將一散熱性良好的底板4形成於反射層3上。此散熱性良好的底板4是可以是導電導熱材料與導電不導熱材料，如鉬，鋁，鎳，銅，銅鎢，硅等。該散熱性良好的底板4厚度在 50um 200um。襯底1第二表面12上形成的反射層3與底板4連接可以直接鍵合或通過鍵合層鍵合或通過粘接層粘接，材料可以是金屬材料，合金材料，非金屬材料，有機材料，可以是單層結構，多層結構。圖5是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LED芯片，利用激光穿孔與腐蝕的方式， 使其部份電極欲和底板接合的地方曝露出來。圖6是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LED芯片，利用熟知的半導體工藝技術， 完成電極5，6制作，使各獨立LED管芯得以串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)成可承受高電壓(交/直流)電源的芯片。且部份電極6透過通孔可使芯片垂直上下各成正負極，減少封裝打線數(shù)量，增加出光面積和效率；通孔金屬或合金含反射與不反射二種，反射型可充份收集側光回到芯片中來。圖7是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LED芯片，完成所有工藝后的剖面?zhèn)纫暫驼暿疽鈭D。下面說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例。如圖8，和第一實施例的LED芯片的差異，本發(fā)明的第二實施例在於形成單一 LED管芯於襯底1上，透過較多數(shù)量的通孔金屬，使在低電壓大功率LED應用上相較於傳統(tǒng)結構獲得較佳的散熱效果和發(fā)光效率。下面說明根據(jù)本發(fā)明的第三實施例。如圖9，本發(fā)明的第三實施例是將襯底1研磨拋光至某一厚度后，在襯底1的第二表面12上制作圖形化結構，后續(xù)工藝和本發(fā)明的第一實施例相同。其他的優(yōu)點和變型對本領域技術人員來說是容易想到的。因此，本發(fā)明就廣泛的方面而言，并不局限于這里顯示和描述的具體細節(jié)和典型實施例。在不脫離所附的權利要求及其等同概念所定義的總的發(fā)明構思的宗旨和范圍的情況下，可進行各種變形。
權利要求
1.一種制作高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片，其特征在于所述結構包括至少一芯片和一底板，所述芯片包括襯底和生長在一襯底表面的發(fā)光外延層，所述襯底具有第一表面和與所述第一表面相反的第二表面；在所述襯底的第二表面形成一反射層，在該襯底第二表面形成的反射層上晶圓鍵合一散熱性良好的底板；以及在所述第一表面上形成發(fā)光外延層，其中從所述發(fā)光外延層發(fā)射的光包括遠離所述襯底方向傳播的光以及向著所述襯底方向傳播的光，向著所述襯底方向傳播的光至少部分地透過所述襯底后被所述反射層反射。該發(fā)光外延層至少一個電極透過通孔和底板相連接。本發(fā)明還提供由該方法制作的高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片。
2.如權利要求1所述的制作高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片，其特征在于 所述襯底，可以是透明與不透明，導電與不導電、如硅、碳化硅、氧化鋁等。
3.如權利要求1所述的制作高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片，其特征在于 所述襯底的第一表面和第二表面，可以是平面、圖形，或納米結構、光子晶體等。 所述襯底的第二表面，可以是拋光與不拋光。
4.如權利要求1所述的制作高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片，其特征在于 所述底板，可以是導電導熱與導電不導熱，如鉬、鋁、鎳、銅、銅鎢、硅等。
5.如權利要求1所述的制作高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片，其特征在于在襯底第二表面與底板之間，或襯底第二表面與鍵合層，或襯底第二表面與粘接層之間設置至少有一反射層，反射層可以是金屬層或合金層、單層或多層、全反射膜(DBR)、DBR 加金屬層或合金層。
6.如權利要求1所述的制作高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片，其特征在于 襯底第二表面上形成的反射層與底板連接可以直接鍵合或通過鍵合層鍵合或通過粘接層粘接，材料可以是金屬材料、合金材料、非金屬材料、有機材料，可以是單層結構、多層結構。
7.如權利要求1所述的制作高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片，其特征在于 該發(fā)光外延層的至少一個電極透過通孔和底板相連接。通孔金屬可使芯片垂直上下各成正負極，減少封裝打線數(shù)量，增加出光面積和效率；通孔金屬或合金含反射與不反射二種，反射型通孔金屬可避免光的吸收，有效增加出光。通孔金屬除讓電性導通外，同時可成為一種熱通道，幫助LED芯片在大功率操作下散熱。
8.如權利要求1所述的制作高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片，其特征在于該發(fā)光外延層可以制作成單一 LED管芯與數(shù)個LED管芯使其串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)成可承受高電壓(交/直流)電源的芯片。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制作高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片的結構和方法，該結構包含至少一芯片和一底板，所述芯片包括襯底和生長在一襯底表面的發(fā)光外延層，所述襯底具有第一表面和與所述第一表面相反的第二表面；在所述襯底的第二表面形成一反射層，在該襯底第二表面形成的反射層上晶圓鍵合一散熱性良好的底板；以及在所述第一表面上形成發(fā)光外延層，其中從所述發(fā)光外延層發(fā)射的光包括遠離所述襯底方向傳播的光以及向著所述襯底方向傳播的光，向著所述襯底方向傳播的光至少部分地透過所述襯底后被所述反射層反射。該發(fā)光外延層至少一個電極透過通孔和底板相連接。本發(fā)明還提供由該方法制作的高效高壓垂直通孔鍵合式LED芯片。
文檔編號H01L33/46GK102479913SQ20101056610
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權日2010年11月29日
發(fā)明者李剛, 蔡鳳萍, 鐘偉榮 申請人:上海藍寶光電材料有限公司