专利名称：Led倒装芯片的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件的制造工艺方法，特别是涉及一种LED倒装芯片(Flip-Chip)的制备方法。
背景技术：
半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，随着半导体照明应用的推广，将在芯片技术的研究、生产及下游应用产品的开发中起着关键作用。
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。这个电流扩散层由Ni/Au(镍/金)组成，会遮住一部分光，从而降低芯片的出光效率。为了减少对发射光的吸收，电流扩展层的厚度应减少到几百纳米。厚度的减少反过来又限制了电流扩散层在P-GaN层表面均匀和可靠地扩散大电流的能力，且影响大功率芯片的正向电压。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(35W/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公司发明了倒装芯片。大功率LED芯片电极上焊接的数个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，不必从电流扩散层取出。由于不从电流扩散层取光，这样不透光的电流扩散层可以加厚，增加倒装芯片的电流密度。同时这种结构还可以将pn结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底(为145W/m·K)，散热效果更优；而且在pn结与P电极之间增加了一个反光层，同时消除了电极和引线的挡光，因此这种结构具有电、光、热等方面最优的特性。
但倒装芯片制作过程中如何改善芯片的正向电压，间接的改善芯片散热问题，提高倒装芯片的质量，是器件加工工艺中面临的几个主要难题。大功率芯片的电压高，主要因素是电阻高，这是由外延本身、电极设计和制作，倒装焊接而决定的。在额定工作条件下，电阻高会使得LED产生的热量过大，进而导致器件的结温过高、器件的出光效率下降、可靠性降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种LED倒装芯片的制备方法，它可使大功率LED倒装芯片降低电压，使LED产生的热量降低，提高倒装芯片的可靠性。
为解决上述技术问题，本发明LED倒装芯片的制备方法采用如下技术方案，首先，制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸LED芯片；同时制备出相应尺寸的硅衬底，并在硅衬底上制作出供共晶焊接的金导电层及引出导电层；然后，利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅衬底焊接在一起。
采用本发明的方法可以降低大功LED倒装芯片的电压，同时优化了散热。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1是倒装前后电压与P电极数量关系曲线图；图2是倒装前后电压与Wire-Bond球尺寸关系曲线图；图3是倒装前后电压与超声功率关系曲线图；图4是倒装前后电压与焊接时间关系曲线图；图5是倒装前后电压与焊接温度关系曲线图；图6是现有技术倒装芯片结构示意图。
具体实施例方式
本发明LED倒装芯片的制备方法包括如下步骤，首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸(1000μm×1000μm)LED芯片(倒装LED)。同时制备出相应尺寸(1200μm×1400μm)的硅衬底，并在硅衬底上制作出供共晶焊接的金导电层(即N电极)及引出导电层(即P电极)。采用种球机，在所述金导电层及引出导电层制作出超声金丝球焊点。然后，利用共晶焊接设备倒装机，将大尺寸LED芯片与硅衬底焊接在一起。LED倒装芯片制备完成后采用芯片测试机进行测试，分析光电参数。
实施例一，增加P电极的数量。
所述将大尺寸LED芯片与硅衬底焊接在一起的工艺参数如下运用种球机，选用金线1.0mil，种球温度150℃～200℃，通过调节工艺参数使Wire-Bond球(超声金丝球)的尺寸控制在Φ80μm。Die-Bond(倒装焊接)机超声波功率为0.6W～1.6W，焊接时间为200ms～500ms，焊接温度为100℃～250℃。硅衬底上种球金属P电极的数量为4～12个。再选取电压一致的大尺寸LED芯片进行焊接。
由图1可以看出在其它参数不变的前提下通过增加P电极的数量测得的晶粒VF(正向电压)值，及其相互间的差值ΔVF。其中，采用4个P电极与12个P电极之间的差值ΔVF为0.4V。
增加P电极的数量容易使电流分别从多个P电极分散到整个芯片中，优化了电流路径，使加大后的工作电流在P-GaN表面的电流扩散层中分布均匀，获得较好的电流一致性。
实施例二，加大Wire-Bond球的尺寸(Φ100μm～Φ160μm)。
所述将大尺寸LED芯片与硅衬底焊接在一起的工艺参数如下采用种球机，选用不同规格的金线尺寸(1.0mil、 1.2mil、1.5mil、2.0mil)，用不同的种球功率(10w～50w)、种球时间(20ms～60ms)、种球压力(20g～50g)、烧球时间(600μs～900μs)，通过调节上述参数得到不同尺寸的Wire-Bond球，加大Wire-Bond球的尺寸(Φ100μm～Φ160μm)。Die-Bond机台超声波功率为1.0W，焊接时间为300ms，焊接温度为100℃。再选取电压一致的大尺寸LED芯片，分别与具有Φ100μm～Φ160μm的Wire-Bond球的硅衬底进行焊接。
由图2可以看出在其它参数不变的前提下通过加大Wire-Bond球的尺寸测得的晶粒VF(正向电压)值，及其相互间的差值ΔVF。其中，在Wire-Bond球的直径分别为Φ100μm和Φ160μm时的差值ΔVF约为0.1V。
通过加大P电极上的Wire-Bond球的尺寸能更好的将pn结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底，散热效果更优。
实施例三，调节Die-bond机的超声波功率。
采用种球机，选用金线1.0mil，种球温度150℃～200℃，通过调节工艺参数使Wire-Bond球的尺寸控制在Φ80μm。焊接时间为200ms～500ms，焊接温度为100℃～250℃，调节Die-bond机台的超声波功率，范围为0.6W～1.6W。选取电压一致的大尺寸LED芯片进行焊接。
由图3可以看出在其它参数不变的前提下通过调节Die-bond机的超声波功率测得的晶粒VF(正向电压)值，及其相互间的差值ΔVF。其中，在超声波功率分别为0.6W和1.6W时的差值ΔVF值约为0.1V。
实施例四，调节Die-bond机的焊接时间。
采用种球机，选用金线1.0mil，种球温度150℃～200℃，通过调节工艺参数使Wire-Bond球的尺寸控制在Φ80μm。
Die-Bond机台超声波功率为0.6W～1.6W，焊接温度为100℃～250℃，调节Die-bond机台的焊接时间，范围为500ms～100ms。选取电压一致的大尺寸LED芯片进行焊接。
由图4可以看出在其它参数不变的前提下通过调节Die-bond机的焊接时间测得的晶粒VF(正向电压)值，及其相互间的差值ΔVF。其中，在焊接时间分别为100ms和500ms时的差值ΔVF值约为0.1V。
实施例五，调节Die-bond机的焊接温度。
采用种球机，选用金线1.0mil，种球温度150℃～200℃，通过调节工艺参数使Wire-Bond球的尺寸控制在Φ80μm。
Die-Bond机超声波功率为0.6W～1.6W，焊接时间在200ms～400ms，调节Die-bond机的焊接温度，范围为250℃～50℃。选取电压一致的大尺寸LED芯片进行焊接。
由图5可以看出在其它参数不变的前提下通过调节Die-bond机的焊接温度测得的晶粒VF(正向电压)值，及其相互间的差值ΔVF。其中，在焊接温度分别为50℃和250℃时的差值ΔVF值约为0.1V。
调节Die-bond机的超声波功率、降低焊接时间、降低焊接温度目的是在制作过程中减少对芯粒内部结构的损坏程度，控制好导体本身的体电阻。若不控制好体电阻，会导致导体本身产生大量的热量，加快电子对晶格碰撞。这样会减少电子与空穴复合机率，影响芯粒的出光效率和寿命。因此通过调节Die-Bond机以上三种工艺参数可以降低大功率芯片电压，提高出光效率和可靠性。
权利要求
1.一种LED倒装芯片的制备方法，其特征在于包括如下步骤，首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸LED芯片，同时制备出相应尺寸的硅衬底，并在硅衬底上制作出供共晶焊接的金导电层及引出导电层，并在所述金导电层及引出导电层制作出超声金丝球焊点；然后，利用共晶焊接设备倒装机，将大尺寸LED芯片与硅衬底焊接在一起。
2.如权利要求1所述的LED倒装芯片的制备方法，其特征在于所述将大尺寸LED芯片与硅衬底焊接在一起的工艺参数如下Die-Bond机超声波功率为0.6W～1.6W，焊接时间为200ms～500ms，焊接温度为100℃～250℃，Wire-Bond球的尺寸为Φ80μm；硅衬底上P电极的数量为4～12个。
3.如权利要求1所述的LED倒装芯片的制备方法，其特征在于所述将大尺寸LED芯片与硅衬底焊接在一起的工艺参数如下Die-Bond机台超声波功率为1.0W，焊接时间为300ms，焊接温度为100℃，Wire-Bond球的尺寸为Φ100μm～Φ160μm。
4.如权利要求1所述的LED倒装芯片的制备方法，其特征在于调节Die-bond机的超声波功率，范围为0.6W～1.6W，焊接时间为200ms～500ms，焊接温度为100℃～250℃，Wire-Bond球的尺寸为Φ80μm。
5.如权利要求1所述的LED倒装芯片的制备方法，其特征在于Die-Bond机超声波功率为0.6W～1.6W，焊接温度为100℃～250℃，Wire-Bond球的尺寸为Φ80μm，调节Die-bond机的焊接时间，范围为500ms～100ms。
6.如权利要求1所述的LED倒装芯片的制备方法，其特征在于Die-Bond机超声波功率为0.6W～1.6W，焊接时间为200ms～400ms，Wire-Bond球的尺寸为Φ80μm，调节Die-bond机的焊接温度，范围为250℃～50℃。
全文摘要
本发明公开了一种LED倒装芯片的制备方法，首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸LED芯片，同时制备出相应尺寸的硅衬底，并在硅衬底上制作出供共晶焊接的金导电层及引出导电层，并在所述金导电层及引出导电层制作出超声金丝球焊点；然后，利用共晶焊接设备倒装机，将大尺寸LED芯片与硅衬底焊接在一起。本发明可使大功率LED倒装芯片降低电压，使LED产生的热量降低，提高倒装芯片的可靠性。
文档编号B23K20/10GK1967884SQ20051011047
公开日2007年5月23日 申请日期2005年11月17日 优先权日2005年11月17日
发明者董志江, 靳彩霞, 周武, 丁晓民, 黄素梅 申请人:上海蓝光科技有限公司, 华东师范大学