專利名稱：銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種倒裝芯片發(fā)光二極管及其制備方法，特別是一種提高電流強度與 散熱能力的銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管及其制備方法。
背景技術：
目前大功率發(fā)光二極管器件要代替白熾燈以及熒光燈，有兩個瓶頸需要克服其 一，總的光通量，或者說可以利用的光通量，必須增加數(shù)倍才能作為照明用途或者 更廣范圍的應用。其二，散熱的能力必須大大增強。盡管發(fā)光二極管內(nèi)部量子效率 大約可以達到90%，然而外部量子效率卻只有20%左右，其有源層產(chǎn)生的光子大部
分還是束縛在發(fā)光二極管的芯片內(nèi)部，只有一小部分光能得以釋放，這樣計算下來，
大約只有15%至20%左右的電能轉為光輸出，其余轉換成為熱能耗散掉。隨著功率的 提高，也意味著產(chǎn)生的熱量提高、溫度升高，會造成發(fā)光二極管的發(fā)光效率效率減 少，發(fā)光強度快速下降和發(fā)光主波長偏移。當發(fā)光二極管的溫度升高時，發(fā)光二極 管的波長的大致變化規(guī)律為每升高10度，波長紅移lnm，主波長的變化將會引起混色 效果的變化，還會偏移黃色熒光粉的激發(fā)峰值，致使轉換效率下降，從而嚴重降低 發(fā)光二極管的壽命，加速發(fā)光二極管的光衰。
發(fā)光二極管制造流程包括材料外延生長，前道芯片制作，后道封裝三大部分。在 完成大功率發(fā)光二極管芯片制作后，即面臨著如何進行互連、封裝的挑戰(zhàn)。發(fā)光二 極管互連、封裝的主要目的是為了確保發(fā)光芯片和下一層電路間的電氣和機械性的 正確接觸，并保護發(fā)光芯片不會受到機械、熱、潮濕及其它的外部沖擊。
發(fā)光二極管芯片由藍寶石襯底、多層納米薄膜和電極層等組成。倒裝發(fā)光二極管 芯片采用背面出光，即通過透明的藍寶石襯底取光，不僅能避免正裝結構中P型、N 型歐姆接觸電極吸光和鍵合引線的擋光影響，大大增加出光效率；而且還可不必考 慮歐姆接觸層的透光性，將其厚度增厚，從而改善了注入電流擴展的效果，降低了 正向壓降。更為重要的是倒裝結構更利于照明級發(fā)光二極管器件的散熱。這是因 為通過數(shù)個至數(shù)十個金屬凸點，將發(fā)光二極管的P、 N電極與硅基板或其它基板進行 連接，在發(fā)光層與基板間形成多點并聯(lián)的高導熱通道，并以高導熱性的硅或陶瓷等 熱沉輔助，實現(xiàn)高效散熱?，F(xiàn)有研究己經(jīng)證明，倒裝結構的熱阻約為正裝結構的io %,光效可提高70%。而目前采用的金屬凸點均使用純度很高的金(Au)材料制作， 成本很高，對倒裝芯片發(fā)光二極管的大規(guī)模生產(chǎn)造成很大的制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對己有技術存在的缺陷，提供一種銅互連倒裝芯片發(fā)光二極 管及其制備方法，實現(xiàn)高導電性、高導熱性及低成本的發(fā)光二極管的倒裝互連。
為達到上述目的，本發(fā)明的構思是99.99%金(Au)與99.99%銅(Cu)的電阻
系數(shù)分別為0.022 ^'w與0.017^,，導熱系數(shù)分別為315W/m.K與 380-398W/m.K，與金相比銅具有更好的物理性能，在熱傳導能力上比金高出約20%， 在導電能力上比金高出約30%，由此可見，使用銅材料能夠實現(xiàn)高導電性、高導熱 性以及低成本的發(fā)光二極管的倒裝互連制造。
本發(fā)明的倒裝芯片發(fā)光二極管銅互連方法包括倒裝發(fā)光二極管芯片金屬焊盤制 備方法、基板覆層工藝、銅凸點或銅柱制備技術和銅互連工藝。在本發(fā)明中所述的倒 裝芯片發(fā)光二極管制造方法既可以使用帶有金屬焊盤的倒裝發(fā)光二極管芯片，也可以 使用其它無金屬焊盤的倒裝發(fā)光二極管芯片。
上述倒裝發(fā)光二極管芯片上的金屬焊盤包括設在透明接觸層或氧化物基導電薄 膜外的金屬焊盤，也可直接做在無透明接觸層或氧化物基導電薄膜的氮化鎵半導體材 料上面。制作金屬焊盤的目的在于形成與基板上銅凸點的金屬鍵合，以形成低電阻、 高導熱型互連。金屬焊盤可以由單層或多層結構金屬薄膜制備而得，其材料組分可以 為鉻、銅、金、鎳、鋁、鉑、鈦、鎢或鈀。
上述基板覆層工藝中所述基板金屬化層可為銀、鋁、銅等材料，其作用一個是為 了將芯片發(fā)出的光盡可能反射出去，另外一個重要作用就是通過基板的金屬化，使芯 片與基板的連接完全實現(xiàn)金屬化，從而可以使大功率發(fā)光二極管芯片發(fā)出的熱更好地 傳導出來，基板金屬化層厚度范圍為100納米到100微米。在硅基板上淀積金屬化層 之前先要在硅基板上淀積絕緣層，以避免連接P型電極的電路圖形區(qū)域與連接N型 電極的電路圖形區(qū)域金屬化后被短路，可以使用氧化硅、氮化硅或碳化硅材料制備， 可以采用蒸發(fā)、濺射、化學氣相沉積技術制備，而氧化硅的生長方法除淀積外還可以 使用熱氧化方法。
上述銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管制備方法中，根據(jù)不同的制備工藝，銅凸點的形
狀既可以是球形，也可以是立方形，其制備方法包括蒸發(fā)/濺射法、電鍍法、化學鍍 法、打球法、模版印刷法。從制造成本與工藝復雜性分析，打球法與電鍍法應優(yōu)先考 慮。根據(jù)倒裝發(fā)光二極管芯片的功率大小與銅凸點制備方法，銅材料制備的凸點直徑 或邊長范圍可以從10微米到200微米，選用適當?shù)某叽?，既能使電流擴散地均勻， 又能使芯片發(fā)出的熱量更好地導出。
上述銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管制造工藝中，對于芯片與硅基板上銅凸點的互 連，可以選用熱壓鍵合、熱超聲鍵合、各向異性導電膠鍵合，對于硅基板上電路圖形 與外部電源的連接，可以選用銅線或金線將硅片上的電路與外部電源供應的電路導 通。
根據(jù)上述的發(fā)明構思，本發(fā)明采用下述技術方案
一種銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管，包括發(fā)光二極管芯片、基板以及發(fā)光二極管芯 片與基板間的互連電極，其特征在于所述的互連電極為銅質電極。
上述的發(fā)光二極管芯片由P電極、N電極、P型氮化鎵、N型氮化鎵和藍寶石襯
底構成。
上述的P電極、N電極、P型氮化鎵和N型氮化鎵表面有金屬焊盤。 上述的金屬焊盤由單層或多層金屬薄膜構成，金屬薄膜材料為鉻、銅、金、鎳、 鋁、鉑、鈦、鎢、和鈀中任選一種。
上述的基板上有一層絕緣層，在絕緣層上有金屬化層，金屬化層刻蝕出與發(fā)光二 極管的P電極和N電極相對應的電路圖形。
上述的銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管，其特征在于工藝步驟如下
1) 制備基板；
2) 在所述硅基板上淀積一層氧化硅作為絕緣層，然后在氧化硅上面淀積金屬化 層，并經(jīng)過刻蝕制作出與發(fā)光二極管P、 N電極相對應的電路圖形作為連接電 路；
3) 在所述的電路圖形上制作銅凸點或銅柱作為互連電極；
4) 制備發(fā)光二極管芯片；
5) 采用熱壓鍵合或熱超聲鍵合方法將發(fā)光二極管芯片與基板上的銅凸點互連起 來；
6) 倒裝芯片發(fā)光二極管與外部電路的連接使用金線或銅線鍵合，將硅片上的電 路與電源供應的電路導通。 在上述步驟2)中，所述的金屬化層材料為銀、鋁、銅中任選一種，該金屬化層 厚度為100納米 I00微米。
在上述步驟l)中，所述基板的材料為硅、銅、鋁、陶瓷中任選一種或它們的復 合結構材料。
在上述步驟2)中，所述的在基板上淀積的金屬化層與基板之間的絕緣層材料為 氧化硅、氮化硅和碳化硅中任選一種，其中淀積的絕緣層釆用蒸發(fā)、濺射、化學 氣相沉積技術制備，而氧化硅還可以使用熱氧化方法。
在上述步驟3)中，所述的銅凸點的形狀為球形或立方形，其制備方法為蒸發(fā)/ 濺射法、電鍍法、化學鍍法、打球法和模版印刷法中任選一種方法。 上述的銅材料制備的凸點直徑為10微米 200微米。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和優(yōu)點-本發(fā)明的銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管采用銅材料制備發(fā)光二極管芯片與基板之 間的連接通道，通過應用導熱能力強的銅連接，實現(xiàn)單芯片更多電極連接以及更多芯 片大規(guī)模連接通道制備，由于與現(xiàn)有的發(fā)光二極管生產(chǎn)線相兼容，可以替代傳統(tǒng)的熱 超聲植金球以實現(xiàn)電極連接的方法，簡化了生產(chǎn)工藝，并可大大降低生產(chǎn)成本與生產(chǎn) 周期，具有良好的應用前景與市場前景。


圖1是本發(fā)明的立體結構示意圖。 圖2是本發(fā)明的分解結構示意圖。 圖3是本發(fā)明的剖視示意圖。
圖4是本發(fā)明的第一、第二個實施例的結構示意圖。 圖5是本發(fā)明的第三個實施例的結構示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)將參照附圖更充分地描述本發(fā)明。 實施例一
參見圖l、圖2、圖3和圖4，本銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管包含有發(fā)光二極管芯 片、基板5、以及發(fā)光二極管芯片與基板5間的互連電極，互連電極為銅質電極。發(fā) 光二極管芯片由P電極2、 N電極3、 P型氮化鎵9、 N型氮化鎵8和藍寶石襯底1構
成。P電極2、 N電極3、 P型氮化鎵9和N型氮化鎵8表面有金屬焊盤。金屬焊盤由 單層或多層金屬薄膜構成。金屬薄膜材料為鉻、銅、金、鎳、鋁、鉑、鈦、鎢和鈀中 任選一種?；?上有一層絕緣層6，在絕緣層6上有金屬化層4，金屬化層4刻蝕 出與發(fā)光二極管芯片的P電極2和N電極3相對應的電路圖形。 本銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管的制備工藝如下
制備硅質的基板5作為與發(fā)光二極管芯片互連的基板；在所述硅基板上淀積一層 氧化硅作為絕緣層6，以避免連接P型電極2的電路圖形區(qū)域與連接N型電極3的電 路圖形區(qū)域金屬化后被短路，可以使用氧化硅、氮化硅或碳化硅材料制備，制備的方 法可以采用蒸發(fā)、濺射、化學氣相沉積技術，而氧化硅的生長方法除淀積外還可以使 用熱氧化方法。隨后在氧化硅上面淀積銀或鋁金屬接觸層4，厚度范圍為100納米到 100微米，并經(jīng)過刻蝕制作出與發(fā)光二極管P電極2、 N電極3相對應的電路圖形作 為連接電路；在電路圖形上制作銅凸點或銅柱作為互連電極7。銅互連7的制作采用 打球法或電鍍法均可，打球法使用直徑在10微米至50微米之間的銅線，在硅基板5 的金屬接觸層4上與芯片電極相應位置打出若干銅球，得到的銅球直徑約在25微米 至100微米之間。發(fā)光二極管芯片上的金屬焊盤結構為鎳金金屬薄膜材料，分別位于 P電極2與N電極3表面，其厚度為500nm至50微米，使用蒸發(fā)或濺射方法制備， 起導電與增強電極粘附性的作用。N型氮化鎵8和P型氮化鎵9之間為有源區(qū)域，即 發(fā)光二極管的發(fā)光區(qū)域，發(fā)出的光大部分從芯片背面的藍寶石襯底l射出，小部分向 下發(fā)射，經(jīng)過基板5表面金屬接觸層4的反射作用，再重新向上射出。最后采用熱壓 鍵合或熱超聲鍵合方法將發(fā)光二極管芯片與基板上的銅凸點互連起來；鍵合完成的倒 裝芯片發(fā)光二極管與外部電路的連接使用金線或銅線鍵合，將硅片上的電路與電源供 應的電路導通。
實施例二
圖4也是本發(fā)明的第二個實施例的結構示意圖，與上述實施例基本相同，所不同 之處是本實施例制造方法使用的是無金屬焊盤的倒裝發(fā)光二極管芯片。其制備過程 如下
制備硅質的基板5作為與發(fā)光二極管芯片互連的基板；在所述硅基板上淀積一層 氧化硅作為絕緣層6，使用氧化硅、氮化硅或碳化硅材料制備，制備的方法可以采用 蒸發(fā)、濺射、化學氣相沉積技術。隨后在氧化硅上面淀積銀或鋁金屬接觸層4，厚度 范圍為100納米到100微米，并經(jīng)過刻蝕制作出與發(fā)光二極管P電極2、 N電極3相
對應的圖形作為連接電路；在電路圖形上制作銅凸點作為互連電極7。銅互連7的制 作采用打球法，使用直徑在10微米至50微米之間的銅線，在硅基板5的金屬接觸層 4上與芯片電極相應位置打出若干銅球，得到的銅球直徑約在25微米至100微米之 間。采用熱壓鍵合或熱超聲鍵合方法將發(fā)光二極管芯片與基板上的銅凸點直接進行互 連；互連完成的倒裝芯片發(fā)光二極管與外部電路的連接使用金線或銅線鍵合，將硅片 上的電路與電源供應的電路導通。 實施例三
圖5是本發(fā)明的第三個實施例的結構示意圖。本實施例與第一個實施例基本相同， 所不同之處是制造方法使用的是方形銅凸點陣列。其制備過程如下
制備硅質的基板5作為與發(fā)光二極管芯片互連的基板；在所述硅基板上淀積一層 氧化硅作為絕緣層6，使用氧化硅、氮化硅或碳化硅材料制備，制備的方法可以采用 蒸發(fā)、濺射、化學氣相沉積技術。隨后在氧化硅上面淀積銀或鋁金屬接觸層4，厚度 范圍為100納米到100微米，并經(jīng)過刻蝕制作出與發(fā)光二極管P電極2、 N電極3相 對應的圖形作為連接電路；在電路圖形上制作銅柱作為互連電極7。銅互連7的制作 采用電鍍法，根據(jù)發(fā)光二極管芯片的功率大小，銅材料制備的凸點直徑或邊長范圍可 以從10微米到200微米，選用適當?shù)某叽?，既能使電流擴散地均勻，又能使芯片發(fā) 出的熱量更好地導出。銅柱的頂端可以根據(jù)芯片電極的金屬來選擇鍍焊膏，以使鍵合 的強度更高。然后采用熱壓鍵合方法將發(fā)光二極管芯片與基板上的銅柱直接進行互 連；互連完成的倒裝芯片發(fā)光二極管與外部電路的連接使用金線或銅線鍵合，將硅片 上的電路與電源供應的電路導通。
權利要求
1.一種銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管，包括發(fā)光二極管芯片、基板以及發(fā)光二極管芯片與基板間的互連電極，其特征在于所述的互連電極為銅質電極。
2. 根據(jù)權力要求1所述的銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管，其特征在于所述的發(fā)光二極 管芯片由P電極、N電極、P型氮化鎵、N型氮化鎵和藍寶石襯底構成。
3. 根據(jù)權力要求2所述的銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管，其特征在于所述的P電極、 N電極、P型氮化鎵和N型氮化鎵表面有金屬焊盤。
4. 根據(jù)權利要求3所述的銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管，其特征在于所述的金屬焊盤 由單層或多層金屬薄膜構成，金屬薄膜材料為鉻、銅、金、鎳、鋁、鉑、鈦、鎢、 和鈀中任選一種。
5. 根據(jù)權利要求1所述的銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管，其特征在于所述的基板上有 一層絕緣層，在絕緣層上有金屬化層，金屬化層刻蝕出與發(fā)光二極管的P電極和 N電極相對應的電路圖形。
6. —種銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管的制備方法，用于制備根據(jù)權利要求1所述的銅 互連倒裝芯片發(fā)光二極管，其特征在于工藝步驟如下1) 制備基板；2) 在所述硅基板上淀積一層氧化硅作為絕緣層，然后在氧化硅上面淀積金屬化 層，并經(jīng)過刻蝕制作出與發(fā)光二極管P、 N電極相對應的電路圖形作為連接電 路；3) 在所述的電路圖形上制作銅凸點或銅柱作為互連電極；4) 制備發(fā)光二極管芯片；5) 采用熱壓鍵合或熱超聲鍵合方法將發(fā)光二極管芯片與基板上的銅凸點互連起 來；6) 倒裝芯片發(fā)光二極管與外部電路的連接使用金線或銅線鍵合，將硅片上的電 路與電源供應的電路導通。
7. 根據(jù)權力要求6所述的銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管制備方法，其特征在于，在所 述步驟2)中，所述的金屬化層材料為銀、鋁、銅中任選一種，該金屬化層厚度為100 納米 100微米。
8. 根據(jù)權力要求6所述的銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管制備方法，其特征在于，在所 述步驟l)中，所述基板的材料為硅、銅、鋁、陶瓷中任選一種或它們的復合結構材 料。
9. 根據(jù)權力要求6所述的銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管制備方法，其特征在于，在所 述步驟2)中，所述的在基板上淀積的金屬化層與基板之間的絕緣層材料為氧化 硅、氮化硅和碳化硅中任選一種，其中淀積的絕緣層采用蒸發(fā)、濺射、化學氣相 沉積技術制備，而氧化硅還可以使用熱氧化方法。
10. 根據(jù)權力要求6所述的銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管制備方法，其特征在于，在所 述步驟3)中，所述的銅凸點的形狀為球形或立方形，其制備方法為蒸發(fā)/濺射法、 電鍍法、化學鍍法、打球法和模版印刷法中任選一種方法。
11. 根據(jù)權力要求6所述的倒裝芯片發(fā)光二極管銅凸點制備方法，所述的銅材料制備 的凸點直徑為10微米 200微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種銅互連倒裝芯片發(fā)光二極管及其制備方法。本發(fā)明倒裝芯片發(fā)光二極管包括發(fā)光二極管芯片、基板以及發(fā)光二極管芯片與基板間的互連電極，互連電極為銅質電極。本發(fā)明采用銅材料制備發(fā)光二極管芯片與基板之間的連接通道，通過應用導熱能力強的銅連接，實現(xiàn)單芯片更多電極連接以及更多芯片大規(guī)模連接通道制備，與現(xiàn)有的發(fā)光二極管生產(chǎn)線相兼容，簡化了生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本與生產(chǎn)周期。
文檔編號H01L23/488GK101097978SQ200710042740
公開日2008年1月2日 申請日期2007年6月26日 優(yōu)先權日2007年6月26日
發(fā)明者張建華, 琨 趙 申請人:上海大學