專利名稱：一種通孔式高散熱led芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通孔式高散熱LED芯片的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
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(yīng)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(jī)背光源、路燈照明等。LED也有其缺點(diǎn)需克服，輸入LED的能量，大約20 %會轉(zhuǎn)換成光源，剩下80%都轉(zhuǎn)成熱能，產(chǎn)生熱是很嚴(yán)重的問題，首先，溫度升高時，發(fā)光強(qiáng)度會下降，而且壽命也會跟著下降。溫度升高也會導(dǎo)致放射波長改變，產(chǎn)生色差，且伴隨量子轉(zhuǎn)換效率降低，導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)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?，F(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?zé)?、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(dá)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(dǎo)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(diǎn)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(dǎo)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(dāng)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(lán)寶石移除的垂直式LED，，三為封裝基板采用高導(dǎo)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(lán)寶石傳熱相當(dāng)慢，所以熱源會從金屬線傳導(dǎo)，但散熱效果不佳。目前LED芯片端最新的散熱技術(shù)為藍(lán)寶石移除的垂直式LED， 移除藍(lán)寶石后的LED轉(zhuǎn)貼至導(dǎo)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(lán)寶石后的LED芯片和轉(zhuǎn)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(shù)中的上述散熱問題，提供一種通孔式高散熱LED芯片，以及制作該通孔式高散熱LED芯片的結(jié)構(gòu)，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，并將部分N型電極透過通孔和底板相連接， 部分N型電極透過側(cè)壁和底板相連接。使芯片垂直上下各成正負(fù)極，減少封裝打線數(shù)量，增加出光面積和效率。發(fā)明的一個方面，提供一種通孔式高散熱LED芯片的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包含至少一芯片和一底板，所述芯片包括襯底(所述襯底可以是不透明導(dǎo)電的硅，透明導(dǎo)電的碳化硅，透明不導(dǎo)電的氧化鋁。)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(所述襯底的第一表面和第二表面，可以是平面，圖形，納米結(jié)構(gòu)，光子晶體。)；在所述襯底的第二表面形成一反射層(所述反射層可以是金屬層或合金層，單層或多層，DBR全反射膜、DBR全反射膜加金屬層或合金層。)，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(所述底板可以是導(dǎo)電導(dǎo)熱的鉬、鋁、鎳、銅、銅鎢與導(dǎo)電不導(dǎo)熱的硅。)；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(yuǎn)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，將部分N型電極透過通孔和底板相連接，部分N型電極透過側(cè)壁和底板相連接。使芯片垂直上下各成正負(fù)極，減少封裝打線數(shù)量，增加出光面積和效率。通孔和側(cè)壁金屬或合金含反射與不反射二種，反射型可充分收集側(cè)光回到芯片中來與避免光被吸收。采用本發(fā)明提供的制作LED芯片的結(jié)構(gòu)，可以使得依該結(jié)構(gòu)制得的LED芯片中，在取光方向的電極面積減少，不只電流走向均勻，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，幫助LED芯片在大功率操作下散熱，部分N型電極透過通孔和底板相連接，部分N型電極透過側(cè)壁和底板相連接，使得LED芯片所產(chǎn)生的熱，能更有效率地透過N型電極往下傳導(dǎo)至高散熱底板，從而增加LED 的發(fā)光效率和延長使用壽命。

結(jié)合在說明書中并構(gòu)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(xì)說明一起對本發(fā)明的原理進(jìn)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(jié)構(gòu)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，刻蝕完成N型摻雜區(qū)曝露后的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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N型電極和底板預(yù)備接合的地方曝露出來后的結(jié)構(gòu)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，完成所有P型電極和N型電極的制作，且部分N型電極透過通孔和底板相連接，部分N型電極透過側(cè)壁和底板相連接后的結(jié)構(gòu)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，正視示意圖；圖8是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的LED芯片示意圖。
具體實施方式下面將參照附圖說明本發(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(jié)構(gòu)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2是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的用于LED的發(fā)光結(jié)構(gòu)，例如IIIV 族化合物半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)等。其所發(fā)射的光包括遠(yuǎn)離該襯底1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1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(dǎo)體工藝技術(shù)， 將該發(fā)光外延層2的N型摻雜區(qū)曝露出來。并對襯底1的第二表面12進(jìn)行研磨拋光處理。研磨拋光處理可以是利用鉆石砂輪研磨，以達(dá)到對藍(lán)寶石襯底減薄的效果，然后再利用
<3um鉆石顆粒與襯底表面相對運(yùn)動的方式進(jìn)行拋光處理，以達(dá)到鏡面效果。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，DBR全反射膜、DBR全反射膜加金屬層或合金層。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(dāng)?shù)臏囟?br> <350°C，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(dǎo)電導(dǎo)熱的鉬、鋁、鎳、銅、銅鎢與導(dǎo)電不導(dǎo)熱的硅。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(jī)材料，可以是單層結(jié)構(gòu)，多層結(jié)構(gòu)。圖5是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LED芯片，利用激光切割穿孔與腐蝕的方式，使其N型電極和底板預(yù)備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(dǎo)體工藝技術(shù)， 完成所有P型電極5和N型電極6、7的制作，且部分N型電極6透過通孔和底板相連接，部分N型電極7透過側(cè)壁和底板相連接。使芯片垂直上下各成正負(fù)極，減少封裝打線數(shù)量，增加出光面積和效率。通孔和側(cè)壁金屬或合金含反射與不反射二種，反射型可充分收集側(cè)光回到芯片中來與避免光被吸收。圖7是顯示對根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的LED芯片，完成所有工藝后的正視示意圖。下面說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例。如圖8，本發(fā)明的第二實施例是將襯底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(jié)構(gòu)，后續(xù)工藝和本發(fā)明的第一實施例相同。其他的優(yōu)點(diǎn)和變型對本領(lǐng)域技術(shù)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(xì)節(jié)和典型實施例。在不脫離所附的權(quán)利要求及其等同概念所定義的總的發(fā)明構(gòu)思的宗旨和范圍的情況下，可進(jìn)行各種變形。
權(quán)利要求1.一種通孔式高散熱LED芯片，其特征在于所述結(jié)構(gòu)包括至少一芯片和一底板，芯片包括襯底和生長在襯底表面的發(fā)光外延層， 襯底具有第一表面和第二表面，在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，該發(fā)光外延層的部分N型電極透過通孔和底板相連接，部分N型電極透過側(cè)壁和底板相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種通孔式高散熱LED芯片，其特征在于所述襯底，可以是不透明導(dǎo)電的硅，透明導(dǎo)電的碳化硅，透明不導(dǎo)電的氧化鋁。
3.如權(quán)利要求1所述的一種通孔式高散熱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，納米結(jié)構(gòu)，光子晶體。
4.如權(quán)利要求1所述的一種通孔式高散熱LED芯片，其特征在于所述底板，可以是導(dǎo)電導(dǎo)熱的鉬、鋁、鎳、銅、銅鎢與導(dǎo)電不導(dǎo)熱的硅。
5.如權(quán)利要求1所述的一種通孔式高散熱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(shè)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，DBR全反射膜、DBR全反射膜加金屬層或合金層。
6.如權(quán)利要求1所述的一種通孔式高散熱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(jī)材料，可以是單層結(jié)構(gòu)，多層結(jié)構(gòu)。
專利摘要本實用新型提供一種通孔式高散熱LED芯片的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)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(yuǎn)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)光外延層的部分N型電極透過通孔和底板相連接，部分N型電極透過側(cè)壁和底板相連接。
文檔編號H01L33/64GK202103094SQ20102063365
公開日2012年1月4日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)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(lán)寶光電材料有限公司