一种低应力LED倒装功率芯片及其制备制造技术

本发明专利技术涉及一种低应力ＬＥＤ倒装功率芯片，以及该倒装功率芯片的制备方法，属于半导体器件及其制造工艺技术领域。主要包括：制作有Ｐ－Ｎ电极的外延片、制作有反射层的硅衬底和填充层，其特征在于在制作有Ｐ－Ｎ电极的外延片和制作有反射层的硅衬底之间的填充层为合金填充层，通过合金填充层倒装焊接、键合功率ＬＥＤ倒装芯片。制作时先制作带Ｐ－Ｎ电极的外延片，再制作带有反射层的硅衬底，然后将两者通过填充合金纯加热法键合进行倒装焊接在一起。本发明专利技术提供的低应力ＬＥＤ倒装功率芯片，它改善倒装芯片的应力问题，并降芯片的热阻，可有效提高大功率ＬＥＤ倒装芯片的散热能力、稳定性、成品率。有效地提高了大功率ＬＥＤ倒装芯片的散热能力、可靠性和成品率，降倒装芯片的应力和热阻，从而极大地提高了芯片的质量和器件的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种低应力LED倒装功率芯片，以及该倒装功率芯片的制备方 法，属于半导体器件及其制造工艺

技术介绍
半导体照明是近百年来照明技术的真正革命。由于半导体材料将电能直接转 化为光，所以半导体照明具有与传统照明光源最大的不同在于它的光线不会产生 热量。为了适应通用照明的需求，半导体照明光源、大功率LED迫切需要解决 发光效率低、散热能力差和芯片内各功能层间的应力问题。目前，传统的蓝宝石衬底GaN大功率芯片，电极位于芯片的出光面上。约 30%的光被P电极吸收，且由于P-GaN层的有限的电导率，要求在P-GaN层表 面再沉淀一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层会遮住一部分光，从而降低芯 片的出光效率。因此这种P型接触结构制约了 LED芯片的工作功率。同时这种 结构pn结的热量通过蓝宝石衬底导出去，导热路径较长。由于蓝宝石的热导系 数较金属低G5W/m，K)，因此，这种结构的LED芯片热阻会较大。此外，这 种结构的P电极和引线也会挡住部分光线进入器件封装，且正装结构上面通常涂 上一层环氧树脂，而环氧树脂导热能力很差，造成散热难的问题，影响器件的性 能参数和可靠性。所以，这种正装LED芯片从器件结构本身对器件功率、出光 效率和热性能等方面均构成较大影响。为了克服正装芯片的这些不足，美国 Lumileds公司专利技术了倒装芯片。氮化镓基LED芯片倒扣在硅芯片上，硅芯片上 有两个打线焊盘，封装时打金线与外界电源相接。倒扣焊接技术工艺包括运用种 球机，选用合适尺寸的金线和适当的种球温度，控制Wire-Bond球(超声金丝球) 的尺寸，接着利用Die-Bond (倒装焊接)机超声波进行焊接。电极上焊接的数 个BUMP (金球)与硅衬底上对应的BUMP通过共晶焊接在一起，硅衬底通过 粘接材料与器件内部热沉粘接在一起，光从蓝宝石衬底取出。相对于正装结构， 这种倒装结构具有电、光、热等方面较优的特性。但上述倒装芯片结构中，硅衬底的粘接材料在影响器件热导特性因素中是一 个比较重要的因素，如果处理不好，将使得LED的热阻及应力过大，导致在额 定工作条件下器件的结温过高，外延片与导热衬底间应力过大而出现裂开现象， 导致器件的出光效率下降、可靠性降低。因此倒装芯片制作过程中如何控制和优化P-N电极外延片与衬底的接触面积和接触电阻，改善芯片稳定、应力、散热 等问题，提高倒装芯片的质量和成品率，是器件加工工艺中面临的几个主要难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种产热低，可靠性高，稳定性高的低应力LED倒 装功率芯片。本专利技术的另一目的在于一种工艺简单、成本较低、成品率高的低应力LED 倒装功率芯片的制备方法。本专利技术提供的低应力LED倒装功率芯片主要包括制作有P-N电极的外延 片、制作有反射层的硅衬底和填充层，其特征在于在制作有P-N电极的外延片 和制作有反射层的硅衬底之间的填充层为合金填充层，通过合金填充层倒装焊 接、键合功率LED倒装芯片；而且合金为Au、 Al、 Cu、 Pb、 Sn或者In—种以上的组合。本专利技术提供的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有P-N电极的外 延片和制作有反射层的硅衬底键合时，两者之间的距离为2—10pm;制作有P-N 电极的外延片和制作有反射层的硅衬底的接触面积的百分比为50% 80%。本专利技术提供的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有P-N电极的外 延片包括蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上形成的N-GaN层,在N-GaN层上形成的 发光层，在发光层上形成的P-GaN层，在P-GaN层表面淀积形成的有利于电流 扩散的金属层即透明导电层，由P-GaN层和N-GaN层分别引出的P-N电极，在 P-N电极之间生长的钝化层。本专利技术提供的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有反射层的硅衬 底为在半导体硅衬底上形成的电学隔离层，在该电学隔离层上有金属反射层。本专利技术提供的低应力LED倒装功率芯片的制备方法，其特征在于包括如下 步骤第一步，制作带P-N电极的外延片，包括如下步骤在蓝宝石衬底上采用耦合离子刻蚀或反应离子刻蚀设备利用氯离子及氩离子进行干法刻蚀，刻蚀P-GaN层和发光层至N-GaN层暴露为止，形成P-GaN层和发光层，，刻蚀时用光 刻胶或Si02作掩膜；在P-GaN层的表面采用真空电子束蒸发形成一层有利于电 流扩散的金属层即透明导电层；由P-GaN层和N-GaN层采用磁控溅射或电子束 蒸发分别形成引出的P-N电极；在P-N电极之间采用等离子增强化学汽相淀积 生长一层70nm-120nm的&02钝化层；第二步，制作带有反射层的硅衬底，包括如下步骤..在本征半导体硅衬底上 利用等离子增强化学汽相淀积淀积一层P-N电极的电学隔离层，该电学隔离层 为Si02或Si3N4绝缘层，厚度为50nm-100nm，然后用磁控溅射或电子束蒸发一层厚度为200nm-300nm的金属反射层，该金属反射层采用钛铝或钛银；第三步，将制作好的P-N电极外延片分割成1000pmX1000Kim的器件，将 制作好的带反射层的硅衬底分割成1400pmX 1200pm的器件，将两者通过填充 合金纯加热法键合进行倒装焊接在一起。由于倒装焊接、键合时，采用具有高导热系数的纯金和Au、 Al、 Cu、 Pb、 Sn、 In等组合化合物合金作为填充材料，可通过纯加热法实现倒装焊接，减小 P、 N—GaN层与硅衬底间的距离，P-GaN层与硅衬底反射层之间的距离被控制 在2 10|am的小间距，增加制作有P-N电极的外延片和带有反射层的导热衬底 的接触面积，该接触面积的百分比被控制在50% 80%，降低了芯片的热阻及应 力，高导热性能和低电阻使得LED芯片节的热量可以较快地传导和散发出去， 从而改善了倒装芯片的应力和稳定性问题，提高了大功率LED倒装芯片的散热 能力、稳定性、成品率。因此，采用本专利技术的方法可以降低大功LED倒装芯片 的应力和热阻，同时优化了芯片散热和稳定、可靠性，提高了芯片的成品率。总之，本专利技术提供的低应力LED倒装功率芯片，它改善倒装芯片的应力问 题，并降芯片的热阻，可有效提高大功率LED倒装芯片的散热能力、稳定性、 成品率。本专利技术通过在P-N电极外延片和硅衬底之间通过纯加热法填充纯金和 其它合金进行倒装焊接、键合功率LED倒装芯片，十分有效地提高了大功率LED 倒装芯片的散热能力、可靠性和成品率，降倒装芯片的应力和热阻，从而极大地 提高了芯片的质量和器件的性能。本专利技术是制作大功率LED倒装芯片和提高器 件质量和性能的十分有效的工艺方法附图说明图1是衬底上填充材料接触面积(Padarea)与倒装芯片成品率的关系曲线图。 图2是衬底上填充材料接触面积(Padarea)与倒装芯片电压关系曲线图； 图3是衬底上填充材料为铅锡合金时，接触面积(Pad area)与其热阻的关系曲线图。图中t为填充材料的厚度；图4是衬底上填充材料为金属纯金时，接触面积(Padarea)与其热阻的关系曲线图。图中t为填充材料的厚度。具体实施例方式本专利技术低应力LED倒装功率芯片，由制作有P-N电极的外延片、制作有反 射层的硅衬底和合金填充层组成。对于一般的倒装芯片，倒扣焊接是通过运用种球机，选用合适尺寸的金线和 适当的种球温度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低应力ＬＥＤ倒装功率芯片，包括：制作有Ｐ－Ｎ电极的外延片、制作有反射层的硅衬底和填充层，其特征在于在制作有Ｐ－Ｎ电极的外延片和制作有反射层的硅衬底之间的填充层为合金填充层，通过合金填充层倒装焊接、键合功率ＬＥＤ倒装芯片；而且合金可为Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｓｎ或者Ｉｎ一种以上的组合。

【技术特征摘要】
1.一种低应力LED倒装功率芯片，包括制作有P-N电极的外延片、制作有反射层的硅衬底和填充层，其特征在于在制作有P-N电极的外延片和制作有反射层的硅衬底之间的填充层为合金填充层，通过合金填充层倒装焊接、键合功率LED倒装芯片；而且合金可为Au、Al、Cu、Pb、Sn或者In一种以上的组合。2. 如权利要求1所述的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有P-N 电极的外延片和制作有反射层的硅衬底键合时，两者之间的距离为2 10jam;制 作有P-N电极的外延片和制作有反射层的硅衬底的接触面积的百分比为50% 80%。3. 如权利要求1所述的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有P-N 电极的外延片包括蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上形成的N-GaN层，在N-GaN层 上形成的发光层，在发光层上形成的P-GaN层，在P-GaN层表面淀积形成的有 利于电流扩散的金属层即透明导电层，由P-GaN层和N-GaN层分别引出的P-N 电极，在P-N电极之间生长的钝化层。4. 如权利要求1所述的低应力LED倒装功率芯片，其特征在于制作有反射 层的硅衬底为在半导体硅衬底上形成的电学隔离层，在该电学隔离层上有金属反 射层。5. 如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄素梅，孙卓，靳彩霞，褚家宝，陈奕卫，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]