本发明专利技术提出一种低热阻发光二极管芯片的结构及其制作方法，包括完成电极制作的含ｐ、ｎ电极，半导体外延层和蓝宝石衬底的ＬＥＤ发光芯片，沉积在减薄后的蓝宝石衬底的底面的金属反光层，其特征在于，所述芯片进一步包括：（ａ）低热阻散热基片，其尺寸比ＬＥＤ发光芯片大；（ｂ）低热阻散热基片上沉积的焊料，其还与金属反光层底面连接。低热阻散热基片为ＬＥＤ发光芯片面积的２到２５倍。本发明专利技术可以增加ＬＥＤ发光芯片工作时散热通道的面积，显著降低ＬＥＤ发光芯片及其封装后器件的热阻，减少ＬＥＤ器件光衰和漏电流，提高器件寿命。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种发光二极管芯片的制作方法，尤其涉及一种低热阻发光二极 管芯片的结构及其制作方法，属于半导体光电器件领域。
技术介绍
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)是一种固态的半导体光电器 件，它可以直接把电转化为光，被称为人类照明的第四次革命。LED照明具有 寿命长(IO万小时以上)、高效节能、绿色环保、智能化等优势。LED目前在户 内外全彩显示屏、手机背光源、交通信号灯、指示灯、特种照明、及景观照明等 领域被广泛应用；随着LED发光效率的不断提高，高亮度GaN类LED在液晶 显示器背光源、路灯照明、及通用照明等高端应用快速渗透。GaN类高亮LED发光芯片的发光效率正以每年20%的速度递增，而其成本 则以每年20%的速度快速递减。LED发光芯片发光效率的提升使得原本需要较 大尺寸芯片(如13、 14 mil, mil,毫英寸，即25.4 pm)的应用，如今用较小尺 寸芯片(11 mil)即可满足需求。但由于目前LED中70%以上的输入功率都转 为热，对同样的输入功率(如20mA X3.4V)用较小尺寸芯片封装后，LED器 件中的热阻变大，LED器件中 一直存在的散热问题就更显突出。散热问题解决不好对LED的出光效率、光色、及稳定性都有很大负面影响。 首先，散热不好的LED器件可能使LED结温超过其能承受的限度(约120 °C)， 这时LED外延层中的位错等缺陷将快速繁衍，在发光区中形成大量非辐射复合 中心，降低器件的注入效率与发光效率，这将使LED发光芯片发光强度出现不 可恢复的永久性衰变。其次，LED结温的升高会使芯片发光波长变长，LED器 件的主波长及发光颜色红移，显示效果发生偏色现象。最后，LED结温超过120 'C时，将使同芯片接触的封装环氧树脂发生老化、黄化，降低LED器件的发光 效率及寿命；尤其当封装环氧的温度超过其玻璃态转变温度时，还将发生明显的 膨胀或收缩，可能使芯片电极与引线经受应力脱落损坏，造成LED器件永久性 损坏。传统的LED发光芯片结构一般如图1所示，包括蓝宝石衬底，外延层，N 电极，及P电极。图2A给出了传统LED器件封装结构图，它一般由LED发光 芯片、粘胶(导电银胶或绝缘导热胶)、固晶支架(一般为Al)、环氧树脂及金 线构成。芯片中产生的热将沿蓝宝石衬底一粘胶一Al固晶支架一环氧树脂等环 节散发到周边环境中。热量经介质向外传递时，在介质中形成的温度差z(r与所传递热功率尸thermd的比值定义为热阻RG)，即= ( 4騰/ =(1-77)7//)类似于电阻，热阻及0由下公式给出<formula>formula see original document page 5</formula> (1)其中《为热导率，s为热通道横截面积，d为热通道长度。由各介质的热导率(蓝宝石衬底42 W/nvK;粘胶1 2.5 W/nvK; Al支架237 W/m'K;环 氧树脂1 10W/nvK)，根据芯片尺寸及封装结构，便可用公式(1)确定各散 热环节的热阻。图2B给出了 LED发光芯片散热通道示意图及热流经过各散热 介质的热阻值(llmil尺寸芯片结果)，可以看出，热阻最大的环节为芯片到粘胶 (~400K/W),相比其他环节(<25K/W)高出一个数量级以上，这是因为粘胶 较低的热导率及较小的热通道面积所致。因而LED发光芯片中温度升高主要来 源于粘胶环节的热阻，对于常用的20mA小电流(此时Vf约3.3 V)输入，芯 片中产生的热功率约为50mW，则由于粘胶环节400 KAV的热阻，芯片中将升 高20。C，加上其他散热环节的升温及环境温度，LED发光芯片中将超过50。C， 这一温度虽然不会使LED发光芯片失效，但对其使用寿命、漏电等有不可忽略的 影响。而对于100 mA (Vf约3.8V)的大功率输入，芯片中产生的热功率约300 mW，此时粘胶环节热阻将产生120 'C的升温，这一升温将使LED发光芯片失 效。为解决LED封装器件的散热问题，现有技术主要从以下两方面进行改进 第一，在现有LED发光芯片结构基础上，更改、优化LED发光芯片封装工艺。 如王派酋公开的专利技术专利200710096974.4、汤姆乔瑞等公布的技术专利 CN01229222.2，他们都在传统的LED发光芯片的封装技术上进行了改进，主要 是在一金属散热基板上制备印刷电路，印刷电路同所述基板间有绝缘层，然后将 LED发光芯片放在所述印刷电路上，接通P、 N电极。所述技术能在一定程度上减少LED封装器件的热阻，但由于印刷电路多包含散热性能不佳的塑料材质， 上述技术制备的LED器件的热阻降低有限，并且工艺较复杂，增加成本。第二种方案就是同时对LED发光芯片及其封装工艺的制作结构进行改进。 目前主要存在大类1.倒装焊芯片，即将芯片翻转焊接在散热性能更好的热沉 上(如M. R. Krames等公开的美国专利技术专利6， 486, 499); 2.以SiC为衬底材 料的垂直结构(如J. A.Edmond公开的美国专利技术专利4,918,497)。虽然上述 两种方案都能有效改善LED器件的散热能力，但它们都存在技术工艺复杂，无 法兼容现有大规模采用的LED发光芯片封装技术，良率难控制，成本高的问题。针对上述技术不能兼容现有LED发光芯片封装技术的问题，中国专利技术专利 200610118347.1则公开了一种LED发光芯片制作技术，以期降低LED器件的热 阻。所述LED发光芯片的结构如图3所示，主要是在包括了P、 N电极，外延 层，减薄后的蓝宝石衬底的传统LED发光芯片基础上，在蓝宝石衬底上沉积金 属反光层，在金属反光层上额外焊上一低热阻基座以达到所述的降低热阻的目 的。但上述LED发光芯片结构并未降低在后续封装过程中带来的热阻。
技术实现思路
本专利技术针对LED器件的散热通道中，粘胶环节为散热瓶颈的实际情况，提 出，其通过增加发光芯片散热通 道面积，而增加发光二极管芯片散热，降低发光二极管芯片热阻。一种低热阻发光二极管芯片的结构，包括完成电极制作的含p、 n电极，半 导体外延层和蓝宝石衬底的LED发光芯片，沉积在减薄后的蓝宝石衬底的底面 的金属反光层，其特征在于，所述芯片进一步包括-(a) 低热阻散热基片，其尺寸比LED发光芯片大；(b) 低热阻散热基片上沉积的焊料，其还与金属反光层底面连接。 如上所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于低热阻散热基片的面积大小为LED发光芯片面积的2到25倍。如上所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于金属反光层为一层 或多层金属薄膜，所述金属材料可为金属铝、金属银、金属铂或其合金。如上所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于低热阻散热基片为热导率是100-2000 W/nrK的金属或陶瓷复合材料，包括金属铜片、金属铝片、 铝合金片、氮化铝陶瓷片、氮化铝一氮化硼复合陶瓷片、金刚石或金刚石-金属 复合材料；低热阻散热基片的顶视形状为正方形、长方形、圆形、椭圆形、三角 形、菱形、六边形或带分支的叶形。如上所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于焊料为热导率是 50-150W/nvK的金属或金属合金，包括金属锡、金一本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种低热阻发光二极管芯片的结构，包括完成电极制作的含ｐ、ｎ电极，半导体外延层和蓝宝石衬底的ＬＥＤ发光芯片，沉积在减薄后的蓝宝石衬底的底面的金属反光层，其特征在于，所述芯片进一步包括： （ａ）低热阻散热基片，其尺寸比ＬＥＤ发光芯片大； （ｂ）低热阻散热基片上沉积的焊料，其还与金属反光层底面连接。
【技术特征摘要】
1、一种低热阻发光二极管芯片的结构，包括完成电极制作的含p、n电极，半导体外延层和蓝宝石衬底的LED发光芯片，沉积在减薄后的蓝宝石衬底的底面的金属反光层，其特征在于，所述芯片进一步包括(a)低热阻散热基片，其尺寸比LED发光芯片大；(b)低热阻散热基片上沉积的焊料，其还与金属反光层底面连接。2、 如权利要求1所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于金属 反光层为一层或多层金属薄膜，所述金属材料可为金属铝、金属银、金属铂或其A企3、 如权利要求1所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于低热阻散热基片为热导率是100-2000W/nvK的金属或陶瓷复合材料，包括金属铜片、 金属铝片、铝合金片、氮化铝陶瓷片、氮化铝一氮化硼复合陶瓷片、金刚石或金 刚石-金属复合材料；低热阻散热基片的顶视形状为正方形、长方形、圆形、椭 圆形、三角形、菱形、六边形或带分支的叶形。4、 如权利要求1所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于焊料 为热导率是50-150 W/nvK的金属或金属合金，包括金属锡、金一锡合金、锡一 铜合金、锡一铜一镍合金、锡一银一铜合金或锡一银合金。5、 如权利要求1所述的低热阻发光二极管芯片的结构，其特征在于低热 阻散热基片的面积大小为LED发光芯片面积的2到25倍。6、上述权利要求1 5中任意一种低热阻发光二极管芯片的制作方法，包括 在完成p、 n电极制作、包含半导体外延层和蓝宝石衬底的LED外延片上，进一 步实行以下制作步骤(a)备一陪...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘榕，董彬忠，
申请(专利权)人：武汉华灿光电有限公司，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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