CN100359679C - 倒装焊接结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种带有低熔点凸点的倒装焊焊接结构及制作方法。这种凸点制作方法是在普通纯金凸点和焊盘的制作基础上加以改进，凸点和焊盘采用Ti/Au结构，在凸点上或凸点对应的焊盘上蒸发一层Au/Sn合金或其他低熔点合金层，这种制作方法避免了纯金凸点和焊盘之间的直接摩擦，起到了保护器件的作用。在焊接这种凸点时，采用热压焊接和超声焊接结合，与纯金凸点的超声焊接相比，焊接强度得到了提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种大功率照明器件，特别涉及一种功率性发光二极管的倒装焊接结构，属于半导体光电子技术领域。
背景技术
从实际应用的角度来看，安装使用简单、体积相对较小的大功率LED器件必将在大部分照明应用中取代传统的小功率LED器件。其好处是非常明显的，小功率的LED组成的照明灯具为了达到照明的需要，必须集中许多个LED的光能才能达到设计要求；其缺点是线路复杂，散热不畅，为了平衡各个LED之间的电流电压关系必需设计复杂的供电电路。相比之下，大功率LED单体的功率远大于单个LED等于若干个小功率LED的总和，供电线路相对简单，散热结构完善，物理特性稳定。所以说，大功率LED器件代替小功率LED器件成为主流半导体照明器件将是必然的趋势。对于大功率LED器件的封装方法，不能简单的套用传统的小功率LED器件的封装方法与封装材料。大的耗散功率、大的发热量、高的出光效率给现有的封装材料、封装设备和封装工艺提出了新的更高的要求。
发表在期刊《半导体照明》2004年第5期的《大功率照明级LED之封装》一文结合实际操作和工艺要求，着重阐述了现阶段解决大功率LED封装问题的方法。其中提到了正在成为大功率LED主流封装方法的倒装焊方法，该方法首先制备出适合共晶焊接电极凸点焊盘的大尺寸倒装焊LED芯片(Flip Chip LED)，同时制备出相应尺寸的硅底板，在其上制作出供共晶焊接的金导电层并引出导电层(超声金丝球焊接电极，本发明中称之为凸点)。然后，利用共晶焊接设备将大尺寸LED芯片与硅底板焊接在一起。
采用倒装焊方法封装功率性LED器件时，将功率性LED的管芯倒装焊接在硅底板上，然后把完成倒装焊接的硅底板装入热沉与管壳中，键合引线进行封装。这种封装对于取光效率，散热性能，加大工作电流密度的设计都是最佳的。但为了提高器件的导热性能和导电性能，倒装焊接的凸点面积变大，给焊接带来了一定的困难。其中纯金焊接电极熔点较高，一般需要采用超声焊接，而大面积凸点焊接采用的超声功率过高容易对器件产生损伤。
发明内容
本发明提供两种能够使焊接电极部位熔点降低，提高器件焊接性能的倒装焊焊接结构，并分别给出制作方法，以解决上述问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了的两种倒装焊封装结构，一种是在将凸点制作在硅底板上，另一种是将凸点制作在器件电极上。下述的倒装焊接结构为前一种形式：
一种倒装焊接结构，包括带有多个制作在硅底板上的凸点以及与所述硅底板相键合的器件，凸点与硅底板之间制作有凸点下金属Ti/Au金属层，其中n电极对应凸点的凸点下金属Ti/Au层与硅底板之间淀积有钝化层；器件的电极上有与硅底板上凸点相对应的多个凸点焊盘，凸点焊盘下制作有焊盘下金属Ti/Au层；凸点或焊盘上覆盖有Au/Sn或Pb/Sn合金层。
此种倒装焊焊接结构的制作主要包括带有多个制作在硅底板上的凸点制作方法以及与所述硅底板相键合的器件上凸点焊盘的制作方法：
a.器件电极上的凸点焊盘按照下列方法制作：
(1)管芯刻蚀n电极；
(2)光刻p、n电极图形，蒸发或溅射器件欧姆接触金属；
(3)光刻p、n电极焊盘下金属图形，蒸发或溅射缓冲金属Ti/Au；
(4)光刻p、n电极焊盘金属图形，蒸发或溅射焊接金属Au；
b.硅底板上的凸点按照下列方法制作：
1)制作硅底板n电极凸点下的绝缘层
(1)硅底板淀积SiO2；
(2)光刻制作出n电极SiO2保护图形；
(3)腐蚀SiO2，保留n电极SiO2作为绝缘层；
2)制作硅底板凸点下金属
(1)光刻制作凸点下金属图形；
(2)硅底板溅射或蒸发金属Ti/Au；
(3)硅底板去胶，剥离Ti/Au合金；
3)制作凸点
(1)光刻制作凸点图形；
(2)电镀Au，制作凸点；
c.按照下述方法1)制作凸点低熔点合金层或按照下述方法2)制作电极凸点焊盘低熔点合金层：
1)制作凸点上的低熔点合金层
(1)在已经电镀好凸点的硅底板上蒸发或溅射Au/Sn或Pb/Sn合金；
(2)剥离Au/Sn或Pb/Sn合金；
2)制作焊接电极凸点焊盘上的低熔点合金层
(1)在已经制作了焊接电极凸点焊盘的外延片上蒸发或溅射Au/Sn或Pb/Sn合金；
(2)剥离Au/Sn或Pb/Sn合金。
下面是将凸点制作在器件电极上的倒装焊焊接结构和制作方法：
一种倒装焊接结构，包括带有多个制作在器件电极上的凸点以及与所述凸点相键合的硅底板，凸点与器件电极之间制作有凸点下金属Ti/Au金属层；硅底板上有与器件电极凸点相对应的多个凸点焊盘，凸点焊盘下制作有焊盘下金属Ti/Au层，其中n电极对应凸点焊盘的焊盘下金属Ti/Au层与硅底板之间淀积有钝化层；凸点或焊盘上覆盖有Au/Sn或Pb/Sn合金层。
上述焊接结果的制作方法主要包括带有多个制作在器件电极上凸点的制作方法以及与所述凸点相键合的硅底板上凸点焊盘的制作方法：
a.器件电极上的凸点按照下列方法制作：
(1)管芯刻蚀n电极；
(2)光刻p、n电极图形，蒸发或溅射器件欧姆接触金属；
(3)光刻制作凸点下金属图形，溅射或蒸发金属Ti/Au；
(4)外延片去胶，剥离Ti/Au合金；
(5)光刻制作凸点图形；
(6)电镀Au，制作凸点；
b.硅底板上的凸点焊盘按照下列方法制作：
1)制作硅底板n电极凸点焊盘下的绝缘层
(1)硅底板淀积SiO2；
(2)光刻制作出n电极SiO2保护图形；
(3)腐蚀SiO2，保留n电极SiO2作为绝缘层；
2)制作硅底板凸点焊盘下金属
(1)光刻制作凸点焊盘下金属图形；
(2)硅底板溅射或蒸发金属Ti/Au；
(3)硅底板去胶，剥离Ti/Au合金；
3)光刻p、n电极焊盘金属图形，蒸发或溅射焊接金属Au
c.按照下述方法1)制作凸点低熔点合金层或按照下述方法2)制作电极凸点焊盘低熔点合金层：
1)制作凸点上的低熔点合金层
(1)在已经电镀好凸点的外延片上蒸发或溅射Au/Sn或Pb/Sn合金；
(2)剥离Au/Sn或Pb/Sn合金；
2)制作凸点焊盘上的低熔点合金层
(1)在已经制作了焊接电极凸点焊盘的硅片上蒸发或溅射Au/Sn或Pb/Sn合金；
(2)剥离Au/Sn或Pb/Sn合金。
本发明的有益效果是针对大功率半导体器件封装要求，采用具有低熔点凸点的倒装焊焊接结构，在普通的金凸点上蒸发或溅射一层Au/Sn或Pb/Sn合金，降低了凸点的熔点、增强了凸点的焊接强度。焊接时将焊盘温度提高到Au/Sn或Pb/Sn合金熔点与凸点热压，温度稳定后加超声，实现金对金焊接。Au/Sn合金在纯金焊接电极与焊盘间起到了良好的粘附作用，增强了焊接强度。另外Au/Sn合金也对金凸点和焊盘之间的超声摩擦起到了一定的缓冲作用，有效地减小了器件损伤。
附图说明
图1为位于硅底板上的纯金凸点结构的侧视图
图2为与纯金凸点相对应的纯金焊盘结构的侧视图
图3为覆盖一层AuSn合金的凸点结构的侧视图
图4为与凸点相对应，凸点焊盘上覆盖一层AuSn合金的焊盘结构的侧视图
具体实施方式
以下结合附图和单个凸点和焊接电极的封装结构的实施例对本发明进一步说明：
均未覆盖Au/Sn合金时的凸点和与其相对应的焊盘结构分别见图1和图2。
图1为位于硅底板1上的纯金凸点结构的侧视图。图中，n电极凸点4下蒸发有凸点下金属Ti/Au层3，，其高度为0.06μm，采用圆形结构，直径为180μm。凸点下金属Ti/Au层3和硅底板之间的钝化层2为SiO2，厚度为0.3μm。凸点4由纯金电镀形成，其形状为圆形，直径160μm，高度为5μm。
图2为与纯金凸点相对应的纯金焊盘结构的侧视图。图中凸点焊盘7下制作的焊盘下金属为圆形Ti/Au层，高度为0.06μm，直径200μm。
图2中为与凸点对应的焊盘结构的侧视图。图中，器件电极上凸点焊盘7为纯金焊盘，焊盘金属Au层为圆形，高度为2μm，直径180μm。焊盘7与器件焊点6之间蒸发有焊盘下金属Ti/Au层8，其高度为0.03μm，直径200μm。
实施例1：
凸点结构的侧视图参见图3，图中，凸点4上覆盖一层Au/Sn合金层5或其他低熔点合金层如Pb/Sn，厚度为0.01μm。Au/Sn合金层5可以利用蒸发工艺形成，也可以采用溅射工艺形成。与凸点对应的焊盘结构的侧视图见图2。
实施例2：
凸点结构的侧视图见图1。与凸点对应的焊盘结构的侧视图见图4，图中，焊盘7上覆盖一层Au/Sn合金层5或其他低熔点合金层如Pb/Sn，厚度为0.01μm。Au/Sn合金层5可以利用蒸发工艺形成，也可以利用溅射工艺形成。
实施例3：
凸点结构的侧视图参见图3，图中，凸点4上覆盖一层Au/Sn合金层5或其他低熔点合金层如Pb/Sn，厚度为0.01μm。Au/Sn合金层5可以利用蒸发工艺形成，也可以采用溅射工艺形成。与凸点对应的焊盘结构的侧视图见图4，图中，焊盘7上也覆盖一层Au/Sn合金层5或其他低熔点合金层如Pb/Sn，厚度为0.01μm。Au/Sn合金层5可以利用蒸发工艺形成，也可以利用溅射工艺形成。
下面详细介绍一种能够实现本发明倒装焊焊接结构的焊盘电极和凸点的具体制作方法。
一、凸点工艺
1.硅底板n电极绝缘层制作
(1)硅底板淀积0.3μm厚的SiO2；
(2)光刻制作出n电极二氧化硅保护图形；
(2)HF腐蚀SiO2，保留n电极SiO2，完成n电极绝缘层制作。
2.硅底板凸点下金属制作
(1)光刻制作凸点下金属图形；
(2)硅底板溅射或蒸发0.06μm Ti/Au；
(3)硅底板去胶，剥离Ti/Au合金，完成凸点下金属制作。
3.凸点制作
(1)涂厚胶，光刻制作凸点图形；
(2)电镀5μm厚Au，制作凸点。
4、凸点低熔点合金制作
(1)在已经电镀好凸点的硅片上蒸发或溅射0.01μm厚度的Au/Sn或Pb/Sn合金合金；
(2)去厚胶，剥离Au/Sn或Pb/Sn合金，完成凸点低熔点合金层制作。
二、管芯工艺
1刻蚀n电极
(1)外延片淀积0.4μm厚的SiO2；
(2)外延片光刻制作台面图形；
(3)干法刻蚀沟道SiO2，反应离子刻蚀(RIE)台面；
(4)光刻n电极图形；
(5)干法刻蚀n电极沟道SiO2，反应离子刻蚀(RIE)n电极。
2制作电极
(1)HF去SiO2；
(2)光刻p、n电极图形，蒸发或溅射器件欧姆接触金属Ni/Au；
(3)光刻p、n电极图形，蒸发缓冲金属Ti/Au；
(4)光刻p、n电极图形，蒸发焊接金属Au。
上述制作方法的实施例为在硅底板凸点上制作低熔点金属合金层的制作方法。至于其他实施例的制作方法，以及在电极上制作凸点，在硅底板的相应部位上制作焊盘的倒装焊焊接结构及其制作方法，由于工艺相似，并在技术方案里已经做了说明，而且能够通过上述的各个实施例直接导出，这里不再赘述。
需要说明的是，这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述发明，实际上在组成、构造以及制作方法和使用的某些细节上会有所变化，例如，凸点或焊盘的各层结构的厚度，形状，尺寸以及具体的工艺方法等都可有所改变，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。此外，本发明里提及的各种工艺方法，例如反应离子刻蚀、干法刻蚀、蒸发、溅射等，均属于半导体光电子领域常规的制作方法，本领域的技术人员能够不经过创造性劳动实现本发明。
Claims (6)
1、一种倒装焊接结构，包括带有多个制作在硅底板上的凸点以及与所述硅底板相键合的器件，其特征在于所述凸点与硅底板之间制作有凸点下金属Ti/Au金属层，其中n电极对应凸点的凸点下金属Ti/Au层与硅底板之间淀积有钝化层；所述器件的电极上有与硅底板上凸点相对应的多个凸点焊盘，凸点焊盘下制作有焊盘下金属Ti/Au层；凸点或焊盘上覆盖有Au/Sn或Pb/Sn合金层。
2、根据权利要求1所述的倒装焊接结构，所述制作在硅底板上的凸点为纯金凸点，高度为5μm，直径160μm；凸点下金属Ti/Au层为圆形，高度为0.06μm，直径180μm；所述器件电极上凸点焊盘为纯金焊盘，焊盘金属Au层为圆形，高度为2μm，直径180μm；所述凸点焊盘下制作的焊盘下金属为圆形Ti/Au层，高度为0.06μm，直径200μm；所述的纯金凸点或凸点焊盘上覆盖有厚度为0.01μm的Au/Sn或Pb/Sn合金层；所述的n电极凸点的凸点下金属Ti/Au和硅底板之间的钝化层为SiO2，厚度为0.3μm。
3、一种倒装焊接结构制作方法，包括带有多个制作在硅底板上的凸点制作方法以及与所述硅底板相键合的器件上凸点焊盘的制作方法，其特点在于：
a.器件电极上的凸点焊盘按照下列方法制作：
(1)管芯刻蚀n电极；
(2)光刻p、n电极图形，蒸发或溅射器件欧姆接触金属；
(3)光刻p、n电极焊盘下金属图形，蒸发或溅射缓冲金属Ti/Au；
(4)光刻p、n电极焊盘金属图形，蒸发或溅射焊接金属Au；
b.硅底板上的凸点按照下列方法制作：
1)制作硅底板n电极凸点下的绝缘层
(1)硅底板淀积SiO2；
(2)光刻制作出n电极SiO2保护图形；
(3)腐蚀SiO2，保留n电极SiO2作为绝缘层；
2)制作硅底板凸点下金属
(1)光刻制作凸点下金属图形；
(2)硅底板溅射或蒸发金属Ti/Au；
(3)硅底板去胶，剥离Ti/Au合金；
3)制作凸点
(1)光刻制作凸点图形；
(2)电镀Au，制作凸点；
c.按照下述方法1)制作凸点合金层或按照下述方法2)制作电极凸点焊盘合金层：
1)制作凸点上的合金层
(1)在已经电镀好凸点的硅底板上蒸发或溅射Au/Sn或Pb/Sn合金；
(2)剥离Au/Sn或Pb/Sn合金；
2)制作焊接电极凸点焊盘上的合金层
(1)在已经制作了焊接电极凸点焊盘的外延片上蒸发或溅射Au/Sn或Pb/Sn合金；
(2)剥离Au/Sn或Pb/Sn合金。
4、一种倒装焊接结构，包括带有多个制作在器件电极上的凸点以及与所述凸点相键合的硅底板，其特征在于所述凸点与器件电极之间制作有凸点下金属Ti/Au金属层；所述硅底板上有与器件电极凸点相对应的多个凸点焊盘，凸点焊盘下制作有焊盘下金属Ti/Au层，其中n电极对应凸点焊盘的焊盘下金属Ti/Au层与硅底板之间淀积有钝化层；凸点或焊盘上覆盖有Au/Sn或Pb/Sn合金层。
5、根据权利要求6所述的一种倒装焊接结构，所述制作在器件电极上的凸点为纯金凸点，高度为5μm，直径160μm；凸点下金属Ti/Au层为圆形，高度为0.06μm，直径180μm；所述硅底板上凸点焊盘为纯金焊盘，焊盘金属Au层为圆形，高度为2μm，直径180μm；所述凸点焊盘下制作的焊盘下金属为圆形Ti/Au层，高度为0.06μm，直径200μm；所述的纯金凸点或凸点焊盘上覆盖有厚度为0.01μm的Au/Sn或Pb/Sn合金层；所述的n电极凸点焊盘的焊盘下金属Ti/Au和硅底板之间的钝化层为SiO2，厚度为0.3μm。
6、一种倒装焊接结构制作方法，包括带有多个制作在器件电极上凸点的制作方法以及与所述凸点相键合的硅底板上凸点焊盘的制作方法，其特点在于：
a.器件电极上的凸点按照下列方法制作：
(1)管芯刻蚀n电极；
(2)光刻p、n电极图形，蒸发或溅射器件欧姆接触金属；
(3)光刻制作凸点下金属图形，溅射或蒸发金属Ti/Au；
(4)外延片去胶，剥离Ti/Au合金；
(5)光刻制作凸点图形；
(6)电镀Au，制作凸点；
b.硅底板上的凸点焊盘按照下列方法制作：
1)制作硅底板n电极凸点焊盘下的绝缘层
(1)硅底板淀积SiO2；
(2)光刻制作出n电极SiO2保护图形；
(3)腐蚀SiO2，保留n电极SiO2作为绝缘层；
2)制作硅底板凸点焊盘下金属
(1)光刻制作凸点焊盘下金属图形；
(2)硅底板溅射或蒸发金属Ti/Au；
(3)硅底板去胶，剥离Ti/Au合金；
3)光刻p、n电极焊盘金属图形，蒸发或溅射焊接金属Au
c.按照下述方法1)制作凸点合金层或按照下述方法2)制作电极凸点焊盘合金层：
1)制作凸点上的合金层
(1)在已经电镀好凸点的外延片上蒸发或溅射Au/Sn或Pb/Sn合金；
(2)剥离Au/Sn或Pb/Sn合金；
2)制作凸点焊盘上的合金层
(1)在已经制作了焊接电极凸点焊盘的硅片上蒸发或溅射Au/Sn或Pb/Sn合金；
(2)剥离Au/Sn或Pb/Sn合金。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Tianjin Polytechnic Hiyu Semiconductor Lighting Co., Ltd. Assignor: Tianjin Polytechnic University Contract fulfillment period: 2009.7.13 to 2014.3.1 contract change Contract record no.: 2009120000212 Denomination of invention: Face-down bonding structure with low-melting point convex point and making method Granted publication date: 20080102 License type: Exclusive license Record date: 2009.9.14 |
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| LIC | Patent licence contract for exploitation submitted for record |
Free format text: EXCLUSIVE LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2009.7.13 TO 2014.3.1; CHANGE OF CONTRACT Name of requester: TIANJIN GONGDA HAIYU SEMICONDUCTOR LIGHTING CO., L Effective date: 20090914 |
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| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080102 Termination date: 20120927 |