CN104319346A - 一种高导热结构led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电技术领域,具体涉及一种高导热结构LED芯片及其制备方法。所述高导热结构LED芯片包括基板和蓝宝石衬底,所述蓝宝石衬底面向基板一侧设有N半导体层,所述N半导体层面向基板一侧表面的两端分别设有发光层和N电极,所述发光层一侧表面与N半导体层连接另一侧表面依次设有P半导体层和P电极;所述N电极通过第一导热金属层与基板连接,所述P电极通过第二导热金属层与基板连接,所述第一导热金属层、第二导热金属层、发光层、P半导体层、P电极和N电极的裸露外表面设有绝缘材料层。本发明高导热结构LED芯片工作时的热量通过电极和导热金属层传导至高散热基板上,散热性能是正装芯片的6倍。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域,具体涉及一种高导热结构LED芯片及其制备方法。
背景技术
散热问题是大功率型LED需重点解决的技术难题,散热效果的优劣直接关系到灯的寿命和节能效果。LED是靠电子在能带间跃迁产生光的,其光谱中不含有红外部分,所以LED芯片的热量不能靠辐射散发。如果LED芯片中的热量不能及时散发出去,会加速器件的老化。一旦LED芯片的温度超过最高临界温度(跟据不同外延及工艺,芯片温度大概为150℃),往往会造成LED芯片永久性失效。传统LED芯片正装结构(见图1)包括金线11、蓝宝石衬底12、电极13、固金导热胶层14、高导热基板15组成,其热量需要经过蓝宝石传递,蓝宝石导热系数46W/MK,致使PN结温大部分热量被阻隔,只有少部分热量通过传导至基板,且正装结构的P/N电极层与发光为同侧,P/N电极面积阻挡部分发光层。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种散热效率高、性能稳定的高导热结构LED芯片及其制备方法。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:提供一种高导热结构LED芯片,包括基板和蓝宝石衬底,所述蓝宝石衬底面向基板一侧设有N半导体层,所述N半导体层面向基板一侧表面的两端分别设有发光层和N电极,所述发光层一侧表面与N半导体层连接另一侧表面依次设有P半导体层和P电极;
所述N电极通过第一导热金属层与基板连接,所述P电极通过第二导热金属层与基板连接,所述第一导热金属层、第二导热金属层、发光层、P半导体层、P电极和N电极的裸露外表面设有绝缘材料层。
本发明的另一技术方案为提供一种高导热结构LED芯片的制备方法,包括如下步骤:
步骤S1:在蓝宝石衬底面向基板的一侧设置N半导体层,所述N半导体层面向基板一侧的表面的两端分别设有发光层和N电极,所述发光层一侧表面与N半导体层连接另一侧表面依次设有P半导体层和P电极;
步骤S2:采用真空溅镀,在发光层、P半导体层、P电极、N电极和N半导体面向基板一侧的表面生成导通金属层使P电极和N电极导通互连;
步骤S3:利用黄光制程,露出P电极和N电极,采用电镀工艺,在P电极和N金电极上分别电镀第一导热金属层和第二导热金属层;
步骤S4:去除步骤2所述导通金属层;
步骤S5:将裸露出来的导热金属层、发光层、P半导体层、P电极、N电极和N半导体层面向基板一侧的表面采用绝缘材料填充;
步骤S6:研磨使第一导热金属层不与P电极连接的一端露出并与基板焊接,研磨使第二导热金属层不与N电极连接的一端露出并与基板焊接。
本发明的有益效果在于:1、本发明高导热结构LED芯片相对于传统LED芯片,减少了金线封装工艺,省掉导线架、打线步骤,应用时,无需固晶和打线封装,而是直接采用回流焊接在基板上,因此成本更低廉;2、本发明高导热结构LED芯片不会出现因金线虚焊或接触不良引起的不亮、闪烁、光衰大等问题,因此,相比于传统封装芯片,稳定性更好;3、相比于传统封装芯片,本发明高导热结构LED芯片密度增加了16倍,封装体积却缩小了80%,灯具设计空间更大;4、本发明高导热结构LED芯片在应用时无固晶胶、无高阻热系数的蓝宝石夹在芯片内部,其工作时的热量通过电极和导热金属层传导至高散热基板上,散热性能是正装芯片的6倍。5、本发明高导热结构LED芯片的P/N电极层与发光不在同侧,P/N电极面积不阻挡发光层,提高了光的出射面积。
附图说明
图1为LED芯片传统正装结构示意图;
图2为本发明具体实施方式中高导热结构LED芯片生成导通金属层时的结构示意图;
图3为本发明具体实施方式中高导热结构LED芯片的结构示意图;
标号说明:
11、金线;12、蓝宝石衬底;13、电极;14、固金导热胶层;15、高导热基板;
21、蓝宝石衬底;22、N半导体层;23、发光层;24、P半导体层;25、P电极;26、N电极;27、导通金属层;28、第一导热金属层;29、第二导热金属层;30、绝缘材料层。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果,以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于:提供一条导热通道让热量从PN结往外散出,将PN结产生的热量通过高导热材料传导至高散热基板上,热量传递避开蓝宝石层,高导热材料既可以将热量进行传递,又可以满足外部电路连接。
现有的正装LED芯片热量导出结构:半导体(热源)-金层电极(导热系数317w/mk)-蓝宝石(导热系数46w/mk)。
本发明高导热结构LED芯片热量导出结构:半导体(热源)-金层电极(导热系数317w/mk)-铜层(导热系数401w/mk)。
实施例1
请参照图2、图3,本发明提供一种高导热结构LED芯片,包括基板和蓝宝石衬底21,所述蓝宝石衬底21面向基板一侧设有N半导体层22,所述N半导体层22面向基板一侧表面的两端分别设有发光层23和N电极26,所述发光层23一侧表面与N半导体层22连接另一侧表面依次设有P半导体层24和P电极25;
所述N电极26通过第一导热金属层28与基板连接,所述P电极25通过第二导热金属层29与基板连接,所述第一导热金属层28、第二导热金属层29、发光层23、P半导体层24、P电极25和N电极26的裸露外表面设有绝缘材料层30。
优选的,上述的高导热结构LED芯片中,所述蓝宝石衬底21的厚度为150-250微米,所述P半导体层24的厚度为1-5微米,N半导体层22的厚度为1-5微米,所述P电极25的厚度为0.1-0.8微米,所述N电极26的厚度为0.1-0.8微米,所述第一导热金属层28的厚度为10-600微米,所述第二导热金属层29的厚度为10-600微米。
优选的,上述的高导热结构LED芯片中,所述绝缘材料为绝缘树脂。所述第一导热金属层28和第二导热金属层29的材质为铜。所述P电极25和N电极26的材质为AU。
上述高导热结构LED芯片的制备方法具体如下:
步骤S1:在蓝宝石衬底21面向基板的一侧设置N半导体层22,所述N半导体层22面向基板一侧的表面的两端分别设有发光层23和N电极26,所述发光层23一侧表面与N半导体层22连接另一侧表面依次设有P半导体层24和P电极25;
步骤S2:采用真空溅镀,在发光层23、P半导体层24、P电极25、N电极26和N半导体面向基板一侧的表面生成导通金属层27使P电极25和N电极26导通互连;
步骤S3:利用黄光制程,露出P电极25和N电极26,采用电镀工艺,在P电极25和N金电极上分别电镀第一导热金属层28和第二导热金属层29;
步骤S4:去除步骤S2所述导通金属层27;
步骤S5:将裸露出来的导热金属层、发光层23、P半导体层24、P电极25、N电极26和N半导体面向基板一侧的表面采用绝缘材料填充;
步骤S6:研磨使第一导热金属层28不与P电极25连接的一端露出并与基板焊接,研磨使第二导热金属层29不与N电极26连接的一端露出并与基板焊接。
优选的,上述的高导热结构LED芯片的制备方法还包括步骤S7:将蓝宝石衬底21减薄或完全去除。
优选的,上述的高导热结构LED芯片的制备方法中,所述第一导热金属层28和第二导热金属层29的材质为铜,所述第一导热金属层28不与P电极25和基板连接的表面设有抗氧化层,所述第二导热金属层29不与N电极26和基板连接的表面设有抗氧化层。
优选的,上述的高导热结构LED芯片的制备方法中,所述绝缘材料为绝缘树脂,所述P电极25和N电极26的材质为AU,所述导通金属层27的材质为钛镍合金。
实施例2
本发明提供一种高导热结构LED芯片,包括基板和蓝宝石衬底21,所述蓝宝石衬底21面向基板一侧设有N半导体层22,所述N半导体层22面向基板一侧表面的两端分别设有发光层23和N电极26,所述发光层23一侧表面与N半导体层22连接另一侧表面依次设有P半导体层24和P电极25;
所述N电极26通过第一导热金属层28与基板连接,所述P电极25通过第二导热金属层29与基板连接,所述第一导热金属层28、第二导热金属层29、发光层23、P半导体层24、P电极25和N电极26的裸露外表面设有绝缘材料层30。
上述高导热结构LED芯片的制备方法具体如下:
1、外延片采用清洗、黄光制程、蚀刻、蒸镀金层制作P/N内部电极金层,所述外延片结构为“蓝宝石+N半导体(优选N氮化镓)+发光层+P半导体(优选P氮化镓)”;电极制作先在P半导体材料涂上光阻,曝光显影蚀刻p半导体和发光层,露出N半导体层,去除光阻层;清洗,蒸镀铬、铂、金层,涂光阻,曝光显影蚀刻,形成P/N电极金层,即电极结构为铬、铂、金层。
2、采用真空溅镀,将在半导体面生成导通金属层,使P/N电极导通互连(优选材料为钛+镍),以便于后制程电镀电流导通。
3、利用黄光制程,露出内部P/N电极,按后采用电镀工艺,在P/N金电极上电镀导热金属层(铜),其中在P/N金电极面上导通金属层(钛+镍),可以保留或不保留。
4、采用电镀工艺制作导热金属层(即铜层)。导热金属层形成后,并利用化学处理方式,将“导通金属层”去除,导通金属层为“钛+镍”,仅辅助电镀铜层P/N电极与电镀夹点导通,电镀铜层完成后必须全部去除干净。
5、将裸露出来铜电极采用绝缘树脂填充,稳固铜层和隔离电极漏电。
6、采用研磨工艺露出导热金属层(铜层),以便于与基板SMT焊接。
7、将蓝宝石衬底减薄或完全去除,以便于半导体导热发光。
8、由于铜层在常温环境中易于氧化,因此对芯片裸露出的铜面进行抗氧化表面处理,此抗氧化层在SMT高温过程中将被分解气化。
本发明高导热结构LED芯片相比于传统封装芯片,密度增加了16倍,封装体积却缩小了80%,灯具设计空间更大;在应用时无固晶胶、无高阻热系数的蓝宝石夹在芯片内部,其工作时的热量通过电极和导热金属层传导至高散热基板上,散热性能是正装芯片的6倍。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换,或直接或间接运用在相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种高导热结构LED芯片,其特征在于,包括基板和蓝宝石衬底,所述蓝宝石衬底面向基板一侧设有N半导体层,所述N半导体层面向基板一侧表面的两端分别设有发光层和N电极,所述发光层一侧表面与N半导体层连接另一侧表面依次设有P半导体层和P电极;
所述N电极通过第一导热金属层与基板连接,所述P电极通过第二导热金属层与基板连接,所述第一导热金属层、第二导热金属层、发光层、P半导体层、P电极和N电极的裸露外表面设有绝缘材料层。
2.根据权利要求1所述的高导热结构LED芯片,其特征在于,所述蓝宝石衬底的厚度为150-250微米,所述P半导体层的厚度为1-5微米,N半导体层的厚度为1-5微米,所述P电极的厚度为0.1-0.8微米,所述N电极的厚度为0.1-0.8微米,所述第一导热金属层的厚度为10-600微米,所述第二导热金属层的厚度为10-600微米。
3.根据权利要求1所述的高导热结构LED芯片,其特征在于,所述绝缘材料为绝缘树脂。
4.根据权利要求1所述的高导热结构LED芯片,其特征在于,所述第一导热金属层和第二导热金属层的材质为铜。
5.根据权利要求1所述的高导热结构LED芯片,其特征在于,所述P电极和N电极的材质为AU。
6.一种高导热结构LED芯片的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S1:在蓝宝石衬底面向基板的一侧设置N半导体层,所述N半导体层面向基板一侧的表面的两端分别设有发光层和N电极,所述发光层一侧表面与N半导体层连接另一侧表面依次设有P半导体层和P电极;
步骤S2:采用真空溅镀,在发光层、P半导体层、P电极、N电极和N半导体面向基板一侧的表面生成导通金属层使P电极和N电极导通互连;
步骤S3:利用黄光制程,露出P电极和N电极,采用电镀工艺,在P电极和N金电极上分别电镀第一导热金属层和第二导热金属层;
步骤S4:去除步骤2所述导通金属层;
步骤S5:将裸露出来的导热金属层、发光层、P半导体层、P电极、N电极和N半导体层面向基板一侧的表面采用绝缘材料填充;
步骤S6:研磨使第一导热金属层不与P电极连接的一端露出并与基板焊接,研磨使第二导热金属层不与N电极连接的一端露出并与基板焊接。
7.根据权利要求6所述的高导热结构LED芯片的制备方法,其特征在于,还包括步骤S7:将蓝宝石衬底减薄或完全去除。
8.根据权利要求6所述的高导热结构LED芯片的制备方法,其特征在于,所述第一导热金属层和第二导热金属层的材质为铜,所述第一导热金属层不与P电极和基板连接的表面设有抗氧化层,所述第二导热金属层不与N电极和基板连接的表面设有抗氧化层。
9.根据权利要求6所述的高导热结构LED芯片的制备方法,其特征在于,所述蓝宝石衬底的厚度为150-250微米,所述P半导体层的厚度为1-5微米,N半导体层的厚度为1-5微米,所述P电极的厚度为0.1-0.8微米,所述N电极的厚度为0.1-0.8微米,所述第一导热金属层的厚度为10-600微米,所述第二导热金属层的厚度为10-600微米。
10.根据权利要求6所述的高导热结构LED芯片的制备方法,其特征在于,所述绝缘材料为绝缘树脂,所述P电极和N电极的材质为AU,所述导通金属层的材质为钛镍合金。
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