本申請是于2011年10月7日提交的申請?zhí)枮?01180049451.9、發(fā)明名稱為“具有減小的外延應(yīng)力的發(fā)光器件”的中國專利申請的分案申請。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及發(fā)光器件的領(lǐng)域，并且具體地涉及具有減小的外延應(yīng)力的發(fā)光器件(LED)的制造。

背景技術(shù)：

隨著發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光能力持續(xù)改善，它們在傳統(tǒng)照明應(yīng)用中的使用持續(xù)增加，以成本有效方式提供可靠持久產(chǎn)品的競爭壓力也持續(xù)增加。由于這些器件的日益增長的市場，即使LED產(chǎn)品成本較低，每個器件節(jié)約甚至幾分錢可以對利潤率具有顯著影響。

為了減小LED器件的成本，銅可以取代金作為用于LED管芯的電接觸的體金屬。然而金仍然是提供倒裝芯片配置中LED與其載具之間的高效和可靠的電和機械互連的優(yōu)選金屬，在該倒裝芯片配置中LED管芯的上層附著到載具，并且來自LED的光從與載具相對的表面發(fā)射。

圖1A說明發(fā)光器件100的傳統(tǒng)倒裝芯片載具配置。載具可包括接觸120形成于其上的底座110；接觸可以被電鍍125以促進與倒裝芯片接觸150的連接145。倒裝芯片可包括生長襯底170、發(fā)光元件160、互連層165和接觸150。在倒裝芯片附著到載具之后，通常為藍寶石或其它剛性材料的生長襯底170可以被移除。

圖1A中說明通過通道130分離的兩個接觸120，該通道提供兩個接觸130之間的電隔離。按照相似方式，接觸150被說明為通過通道135分離。通道135可以小于通道130，從而增加由接觸150提供到互連層165和發(fā)光元件170的支撐量。在移除生長襯底170期間，這種增加的支撐會是特別有利的。另外，通道130可以大于通道135，從而在倒裝芯片被放置在載具上時容納潛在的對齊不準確。

圖1B說明在生長襯底170被移除之后，當發(fā)光器件100經(jīng)歷高溫時可能造成的示例性熱形變190。此形變190可能在制造期間以及每次發(fā)光器件100從切斷到接通循環(huán)時出現(xiàn)。形變190會對互連層165和發(fā)光元件160引起反復(fù)的應(yīng)力，并且會造成器件100永久失效。附加地，發(fā)光器件的上層175可以被蝕刻以增大發(fā)光元件170的光提取效率，這可能導(dǎo)致上層175更易遭受應(yīng)力引起的失效。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

將有利的是，減輕由熱循環(huán)造成的發(fā)光器件中應(yīng)力的量。將有利的是，減輕此應(yīng)力而不顯著增加發(fā)光器件的成本。

在此發(fā)明的實施例中，元件被添加到發(fā)光器件以減小由熱循環(huán)造成的應(yīng)力?？商鎿Q地或者附加地，基于材料的熱膨脹系數(shù)和它們的相對成本選擇材料用于在發(fā)光器件中形成接觸，銅合金提供比銅低的熱膨脹系數(shù)。發(fā)光器件的元件也可以被結(jié)構(gòu)化從而在熱循環(huán)期間分配應(yīng)力。

該發(fā)光器件可包括：載具；發(fā)光結(jié)構(gòu)，其具有金屬層，該金屬層具有通過通道分離的接觸；以及一個或多個元件，其被添加以減小發(fā)光結(jié)構(gòu)中通道附近的熱致應(yīng)力。所添加的元件例如可包括：發(fā)光結(jié)構(gòu)中金屬層和發(fā)光元件之間的緩沖層，金屬層中的一個或多個間隙，通道中的填料材料，載具上的接觸之間的填料材料，以及在毗鄰?fù)ǖ赖膮^(qū)域中的附加微凸塊。

發(fā)光器件也可以或者可替換地使用具有較低CTE的合金用于該金屬層?？梢允褂勉~合金，其例如包括CuNi、CuNiTi、CuW、CuFe和CuMo。該合金的CTE優(yōu)選地低于銅的CTE(約16ppm/K)，更優(yōu)選地小于10ppm/K，以及更優(yōu)選地小于8ppm/K。

附圖說明

參考附圖更詳細地并且通過示例方式解釋本發(fā)明，在附圖中：

圖1A-1B說明在載具發(fā)光器件上的示例性倒裝芯片。

圖2說明在金屬層上具有緩沖層的示例性發(fā)光器件。

圖3說明具有毗鄰?fù)ǖ赖脑黾用芏鹊幕ミB材料的示例性發(fā)光器件。

圖4說明具有添加到金屬層的間隙的示例性發(fā)光器件。

相同附圖標記在各圖中始終表示相似或?qū)?yīng)的特征或功能。附圖被包括用于說明目的并且不是旨在限制本發(fā)明的范圍。

具體實施方式

在下述說明書中，出于解釋而非限制的目的，闡述了諸如具體架構(gòu)、界面、技術(shù)等的特定細節(jié)，從而提供對本發(fā)明構(gòu)思的徹底理解。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯見，本發(fā)明可以在背離這些特定細節(jié)的其它實施例中實踐。按照類似方式，此說明書的文本是針對如各圖中說明的示例性實施例，并且不是旨在將所要求保護的發(fā)明限制為超出權(quán)利要求中明確包括的限制。出于簡化和清楚的原因，省略了對公知器件、電路和方法的詳細描述，從而不由于不必要的細節(jié)而模糊本發(fā)明的說明書。

為了便于參考，因為應(yīng)力會在發(fā)光元件160的最上/表面層175(下文稱為外延層)表現(xiàn)得最顯著，此公開內(nèi)容將解決在外延層175處的應(yīng)力，不過本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到應(yīng)力引起的失效會出現(xiàn)在發(fā)光元件160或互連165中的任何位置。因此，諸如'外延層開裂'的術(shù)語被解釋為'外延層或者外延層下的任何層開裂'。按照類似方式，包括接觸150的層可包括接觸以外的元件；為了便于參考，術(shù)語'金屬層150'在下文用于表示對發(fā)光元件160提供支撐的金屬層。

金已經(jīng)表現(xiàn)為用于形成圖1A和1B的發(fā)光器件的金屬層150的合適材料。為了減小成本，已經(jīng)提出使用銅替代金用于此金屬層150。然而，銅到銅互連不會為發(fā)光器件100提供期望可靠性；因此，金可以被用作連接材料145，其可以為微凸塊層的形式。按此方式，如果金屬層120的電鍍層125也是金，則金到金互連可以被形成，從而提供倒裝芯片和載具之間更可靠的電和/或熱互連。

銅具有110GPa的楊氏模量，該楊氏模量大于金的楊氏模量，金的楊氏模量為77GPa(或者經(jīng)退火的金絲為26GPa)。此外，銅具有比金小得多的塑性效應(yīng)。因此，將銅用于金屬層150減小了如果/當生長襯底170被移除時外延層175開裂的可能性。然而，在熱循環(huán)期間，銅金屬層將引入比金金屬層顯著更大的形變190，這會增大在熱循環(huán)期間外延層175開裂的可能性。

另外，如果金微凸塊145被用在銅金屬層150和載具之間，由銅金屬層150造成的形變190的量可能將更顯著，因為金是相對柔順的材料，允許銅金屬層150在通道135的邊緣抬升得甚至更遠。

在實施例中，被選擇用于金屬層150的材料是基于其熱膨脹系數(shù)(CTE)選擇。具體地，具有比銅低的熱膨脹系數(shù)的合金可以用于形成金屬層150。例如，此合金可包括CuNi、CuNiTi、CuW、CuFe、CuMo等。NiTi合金會是非常有效的，因為它具有負CTE。

銅在20-250C的溫度范圍內(nèi)具有16-18.5ppm/K的CTE。此CTE遠高于用于形成發(fā)光器件的大多數(shù)其它材料，并且遠高于氧化鋁的CTE，氧化鋁可以被用作載具，具有小于10ppm/K的CTE。將銅與低或甚至負CTE材料形成合金將提供CTE比銅小的合金。

有限元分析(FEA)已經(jīng)演示了當金屬層的CTE從18ppm/K減小到8ppm/K時，由熱循環(huán)造成的最大應(yīng)力可以從1481MPa向下減小到384.5MPa。為了獲得8ppm/K的CTE，可以使用電鍍工藝形成Ni、TiNi、W、Fe、Mo等等的銅合金。具體地，Ti_0.507Ni_0.493合金具有-21ppm/K的負CTE，并且會是最有效的。

如圖2中說明，可替換地或者附加地，諸如金或鋁的柔順金屬化層210可以被引入在金屬層150和互連160之間，從而充當金屬層150和互連165之間的緩沖以吸收一些由熱循環(huán)造成的應(yīng)力。

諸如金或鋁的較軟材料的層210可以被應(yīng)用，對應(yīng)于用于形成金屬層150的圖案。此層250充當緩沖以減輕金屬層150與上層160和165之間的CTE失配。已經(jīng)估計1μm厚金層可以將外延層150中的最大主應(yīng)力減小多達42%，并且3μm厚金層可以將外延層150中的最大主應(yīng)力減小49%。代替此柔順材料的連續(xù)層，可以使用一層微凸塊進一步增強此緩沖層的柔順性。

另外，可替換地或附加地，可以減小微凸塊層145的柔順性。正如引入緩沖以吸收一部分由熱循環(huán)造成的形變那樣，減小微凸塊層的柔順性將有助于約束此畸變。例如通過下述可以減小柔順性：通過減小微凸塊層145的高度，或者特別是在通道135附近，如在圖3的310所說明，通過增加微凸塊的密度或尺寸。

可替換地或附加地，通道區(qū)域130或135可以用具有與金屬層150的材料更接近的CTE的材料填充，由此提供更加熱一致的層，減小畸變190。

LED 100可以用硅樹脂包覆成形，該硅樹脂被成形或定形以形成透鏡。由于透鏡包覆成形材料將可能流入通道130和135，并且會具有大約200ppm/K的CTE，其熱膨脹將進一步增大金屬層150的畸變以及外延層175中的相應(yīng)應(yīng)力。通過用更低CTE的材料填充載具側(cè)面上的通道130，通道中的熱膨脹以及來自此膨脹的效應(yīng)將被減小。另外，通過用具有與金屬層150的CTE更接近的CTE的材料填充通道135，金屬層150的膨脹和翹曲將減小。

如圖4中說明，可替換地或者附加地，金屬層150可以被結(jié)構(gòu)化或圖案化以減小由熱循環(huán)造成的應(yīng)力。

例如，用于形成金屬層150的掩模可包括小的間隙或溝槽410，即未金屬化區(qū)域，該未金屬化區(qū)域用于重新分配金屬層150與上層160和165之間的CTE失配的效應(yīng)。這些間隙410使由于層150熱膨脹在上層160和165中引發(fā)的橫向應(yīng)力和應(yīng)變分裂，由此也減輕在通道135上方的區(qū)域的應(yīng)力。

盡管本發(fā)明已經(jīng)在附圖和前述說明書中予以詳細說明和描述，這種說明和描述被認為是說明性或示例性的，而不是限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實施例。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在實踐所要求保護的發(fā)明時，通過研究附圖、公開內(nèi)容和所附權(quán)利要求可以理解和達成對所公開實施例的其它變動。在權(quán)利要求中，措辭"包括"不排除其它元件或步驟，并且不定冠詞"一"("a"或"an")不排除多個。單個處理器或其它單元可以完成在權(quán)利要求中列舉的若干項目的功能。在互不相同的從屬權(quán)利要求中闡述某些措施的純粹事實并不表示不能有利地使用這些措施的組合。計算機程序可以存儲/分配于與其它硬件一起或者作為其它硬件的一部分一起被供應(yīng)的合適介質(zhì)，諸如光學(xué)存儲介質(zhì)或固態(tài)介質(zhì)，但是也可以以其它形式分配，諸如經(jīng)由因特網(wǎng)或其它有線或無線遠程通信系統(tǒng)。權(quán)利要求中的任何附圖標記不應(yīng)解讀為限制范圍。