CN204348753U - 一种高压led芯片 - Google Patents

Abstract

高压LED芯片，包括衬底以及位于衬底表面上彼此相互绝缘独立的M个芯片，形成于每个芯片的P型氮化镓层上的反射层；覆盖所述每个芯片的外延层及反射层表面的绝缘层；P引线电极，N引线电极及PN引线连接电极；平坦化层覆盖于P引线电极、PN引线连接电极和N引线电极的表面上及P引线电极、PN引线连接电极和N引线电极之间的绝缘层表面上，所述平坦化层上设置和所述N引线电极接触孔内的与所述N引线电极连接的N焊盘及和所述P引线电极接触孔内的与所述P引线电极连接的P焊盘。

Description

一种高压LED芯片

技术领域

本实用新型属于半导体光电芯片技术领域，尤其涉及一种高压LED芯片。

背景技术

随着LED(发光二极管)发光效率的不断提高，LED已成为近年来最受重视的光源之一。随着LED工艺的发展，直接采用高压驱动的LED已经实现。高压LED的效率优于一般传统低压LED，主要归因于小电流、多单元的设计能均匀的将电流扩散开，而且高压LED可以实现直接高压驱动，从而节省LED驱动的成本。

现有的高压LED芯片存在着功率增加、散热难及可靠性降低的问题，针对这些问题，业界对高压LED芯片的结构出了进一步的改进。例如，专利申请号为201410123492.3的中国发明专利申请公开了一种高压LED芯片及其制作方法，该LED芯片包括多个LED芯片单元，各个LED芯片单元之间设置切割沟槽相隔离，每个LED芯片单元包括一个独立的LED芯片器件，该LED芯片器件包括依次设置的蓝宝石衬底、n-GaN层、多层量子阱层、p-GaN层，n-GaN层上形成有n型电极，p-GaN层上形成有p型电极，外延片的顶部覆盖有绝缘荧光层，绝缘荧光层填充于切割沟槽内、仅将用于与外部电连接的n型电极与p型电极露出。但其还是采用传统的金属凸点导热，LED高压芯片的导热及可靠性问题仍然没有得以解决。

对于高压LED芯片来说，要解决散热问题，就必须加大芯片散热面积，这只能通过芯片上的设计来形成两个大焊盘，然后通过锡膏焊接把热量从焊盘扩散到基板。由于高压芯片是由多个芯片组成，要形成两个大焊盘需要新方法。另外芯片之间由于相互在外延层被隔开，芯片之间有大于7um的台阶，使得芯片表面不处于同等水平线，这会对回流焊工艺造成影响。同时，LED芯片工作时产生的热量会使LED芯片温度升高，由于固定高压LED芯片的导热基板一般采用FR4线路板、铝基或者铜基PCB，高压LED芯片与导热基板的热膨胀系数 不同而产生的热应力，可能会导致LED芯片开裂或者金属凸点剥离，影响高压LED芯片的发光效率及其工作可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种具有自身吸收内部产生的热应力、提高产品可靠性的高压LED芯片。

为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术解决方案：

高压LED芯片，包括衬底以及位于所述衬底表面上彼此相互独立的M个芯片，M≥2，所述每个芯片包括依次生长于所述衬底表面上的N型氮化镓层、发光层及P型氮化镓层，所述N型氮化镓层、发光层及P型氮化镓层构成芯片的外延层，所述每个芯片的P型氮化镓层上形成有反射层；覆盖所述每个芯片的外延层及反射层表面的绝缘层，所述绝缘层沿芯片周边侧壁与衬底贴合；与第一芯片的反射层电连接的P引线电极；与第M芯片的N型氮化镓层电连接的N引线电极；依次将第i芯片的N型氮化镓层和第i+1芯片的反射层进行串联电连接的PN引线连接电极，i＝1，…，M-1，每两个相互串联的芯片的PN引线连接电极彼此相互独立；平坦化层，所述平坦化层为有机硅胶层，平坦化层覆盖于P引线电极、PN引线连接电极和N引线电极的表面上及P引线电极、PN引线连接电极和N引线电极之间的绝缘层表面上；沉积于所述平坦化层上并与所述N引线电极连接的N焊盘；沉积于所述平坦化层上并与所述P引线电极连接的P焊盘。

本实用新型的高压LED芯片，还包括：贯穿所述外延层、露出所述衬底表面的沟槽，所述沟槽将每个芯片相隔离；贯穿每个芯片的P型氮化镓、发光层直到N型氮化镓层表面的N电极孔；所述绝缘层填充所述沟槽和N电极孔，每个芯片的绝缘层上形成有与所述反射层表面相连的P型接触孔和与所述N型氮化镓层表面相连的N型接触孔；所述P引线电极沉积在第一芯片表面的部分绝缘层上及P型接触孔内、通过第一芯片上的P型接触孔与第一芯片的反射层电连接；所述N引线电极沉积在第M芯片表面的部分绝缘层上及N型接触孔内、通过第M芯片上的N型接触孔与第M芯片的N型氮化镓层电连接；所述PN引线连接电极沉积在相邻芯片的部分绝缘层上及N型接触孔、P型接触孔内；所述平坦化层上形成有与第M芯片上的N引线电极表面连接的N引线电极接触孔 以及与第一芯片上的P引线电极表面连接的P引线电极接触孔；所述N焊盘沉积于所述平坦化层上和所述N引线电极接触孔内与所述N引线电极连接；所述P焊盘沉积于所述平坦化层上和所述P引线电极接触孔内与所述P引线电极连接。

本实用新型的绝缘层为氮化铝或二氧化硅或氮化硅或三氧化二铝或布拉格反射层或有机硅胶层。

本实用新型的平坦化层为粘度大于400mPa.s、厚度大于6um的有机硅胶层。

本实用新型的N焊盘与P焊盘表面上覆盖有锡膏层。

本实用新型的锡膏层的厚度为50～100um。

本实用新型的锡膏层由Sn、Ag、Cu组成，其中Sn的质量百分比为96.5，Ag的质量百分比为3.0，余量为Cu。

本实用新型的N焊盘与P焊盘表面上覆盖有共晶焊层。

本实用新型的共晶焊层的厚度为4～20um。

本实用新型的平坦化层沿芯片周边侧壁与绝缘层贴合，每个芯片依次被所述绝缘层和平坦化层完全包裹。

本实用新型的N焊盘与P焊盘对称分布，所述P焊盘和N焊盘厚度为1um～2um，P焊盘和N焊盘之间间隔≥150um。

本实用新型的P焊盘和N焊盘由铝、镍、钛、铂金、金层叠形成。

由以上技术方案可知，本实用新型采用具备一定弹性的有机硅胶形成平坦化层，能够吸收导致高压芯片内部损害的热应力，从而保证LED高压芯片工作的可靠性，优选方案中，绝缘层和平坦化层沿芯片周边侧壁将每个芯片完全包裹，不仅有助锡膏回流焊工艺，还能防止焊接时锡膏爬锡从而导致漏电或短路；P焊盘和N焊盘对称分布、倒装接触面积大，倒装焊对准容易，对电路板布置要求精度低，倒装焊接工艺简单。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2a为本实用新型实施例高压LED芯片形成外延层的结构示意图；

图2b为高压LED芯片形成反射层的结构示意图；

图2c为高压LED芯片形成沟槽和N电极孔的结构示意图；

图2d为高压LED芯片形成绝缘层的结构示意图；

图2e为高压LED芯片形成P型接触孔和N型接触孔的结构示意图；

图2f为高压LED芯片形成N引线电极、PN引线连接电极和P引线电极的结构示意图；

图2g为高压LED芯片形成平坦化层的结构示意图；

图2h为高压LED芯片形成N引线电极接触孔和P引线电极接触孔的结构示意图；

图2i为高压LED芯片形成N焊盘和P焊盘的结构示意图；

图3为本实用新型另一实施例的高压LED芯片的结构示意图；

图4为本实用新型又一实施例的高压LED芯片的结构示意图。

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的高压LED芯片包括衬底1以及位于衬底1表面上彼此相互绝缘独立的M个芯片10，M为大于等于2的整数，每一芯片10包括依次生长于衬底1表面上的N型氮化镓层11、发光层12及P型氮化镓层13，P型氮化镓层13上覆盖反射层15，N型氮化镓层11、发光层12及P型氮化镓层13构成每个芯片的外延层2。每个芯片由沟槽3隔离开(图2c)，沟槽3的深度至衬底1表面。在每个芯片的外延层2及反射层15表面覆盖绝缘层16。绝缘层16上设置与第一芯片的反射层15连接的P引线电极31、与第M芯片的N型氮化镓层11连接的N引线电极32以及将一个芯片的N型氮化镓层和相邻一个芯片的反射层依次串接的PN引线连接电极33。在P引线电极31、PN引线连接电极33和N引线电极32的表面上及位于P引线电极、PN引线连接电极和N引线电极彼此之间的绝缘层16表面上覆盖有平坦化层22，平坦化层22上设置有与N引线电极32连接的N焊盘26以及与P引线电极31连接的P焊盘27。在N焊盘和P焊盘之间可填充反射绝缘材料，在N焊盘与P焊盘之间填充入具备反射性能的绝缘材料，如氧化钛，不仅可以避免N焊盘与P焊盘之间出现短路现象，而且可以提高芯片的出光效率。

下面结合图2a至图2i，对本实用新型实施例高压LED芯片的制备方法进行说明，该制备方法包括以下步骤：

步骤一、如图2a所示，提供衬底1，本实施例的衬底1为蓝宝石衬底，通过MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)在衬底1表面上生长外延层2，外延层2生长过程依次为：在衬底1表面生长N型氮化镓层11，在N型氮化镓层11上生长发光层12，在发光层12上生长P型氮化镓层13；

步骤二、如图2b所示，采用蒸镀及光刻工艺在P型氮化镓层13上覆盖反射层15，该反射层15的材料可为铝、镍、银或上述任意两者之合金；

步骤三、如图2c所示，通过对外延层采用ICP蚀刻工艺，在外延层上形成沟槽3，沟槽3的深度至衬底1表面、露出衬底1，在外延层上设置沟槽，使所述外延层形成彼此相互独立的第一芯片至第M芯片，M为大于等于2的整数；对每一芯片10进行刻蚀，以在每一芯片10表面形成贯穿P型氮化镓层13、发光层12直到N型氮化镓层11表面的N电极孔4，N电极孔4的数量可以为多个并且在芯片表面均匀分布；

可选地，在每一所述N电极孔4底部的N型氮化镓层表面上沉积N型电极，N型电极材料为铝、金或两者之合金；

步骤四、如图2d所示，通过溅射或PECVD(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition)工艺在外延层和反射层的表面覆盖绝缘层16，绝缘层16同时填充沟槽和N电极孔，绝缘层沿芯片周边侧壁与衬底贴合，将每一个芯片完全包裹；所述绝缘层厚度为1um～2.5um，绝缘层的材料可为氮化铝或二氧化硅或氮化硅或三氧化二铝或布拉格反射层DBR或硅胶或树脂或丙烯酸，布拉格反射层为二氧化硅SiO₂和二氧化钛TiO₂的多层交替结构；优选地，绝缘层材料为有机硅胶，有机硅胶本身具备极高的填充微米级空洞能力，能有效填充沟槽3和N电极孔4所留下的空洞，减少此类空洞对光形成的发射，提高芯片发光效率并且防止芯片间漏电；

步骤五、如图2e所示，采用光刻和蚀刻技术在绝缘层16表面打孔，每个芯片上分别刻蚀出P型接触孔5和N型接触孔6，其中，P型接触孔5与反射 层15表面相连，P型接触孔5底部露出反射层15，N型接触孔6与N型氮化镓层11表面相连，N型接触孔6底部露出反射层11；

步骤六、如图2f所示，通过溅射或蒸镀工艺在绝缘层16上形成具有布线图案的P引线电极31、N引线电极32和PN引线连接电极33；其中，在第一芯片表面上的部分绝缘层16上以及P型接触孔内沉积P引线电极31，即P引线电极31通过第一芯片上的P型接触孔与第一芯片的反射层15电连接，在第M芯片表面上的部分绝缘层16上以及N型接触孔内沉积N引线电极32，即N引线电极32通过第M芯片上的N型接触孔与第M芯片的N型氮化镓层11电连接，在相邻芯片的部分绝缘层16上以及N型接触孔、P型接触孔内沉积PN引线连接电极33，PN引线连接电极33依次将第i芯片的N型氮化镓层和第i+1芯片的反射层进行串联电连接，i＝1，…，M，其中每两个相互串联的芯片的PN引线连接电极33是彼此相互独立的；

步骤七，如图2g所示，通过喷涂工艺形成平坦化层22，平坦化层22覆盖P引线电极31、N引线电极32及PN引线连接电极33的表面以及位于P引线电极31、N引线电极32和PN引线连接电极33彼此之间的绝缘层16的表面，平坦化层22沿芯片周边侧壁与绝缘层贴合；本实用新型的平坦化层22的材料为有机硅胶，厚度为6～10um，本实施例中，采用喷涂工艺形成有机硅胶层——平坦化层22，在110℃的温度下烤2分钟，平坦化层22的厚度为7.3um，然后曝光(800mJ/cm2)、TMAH显影(70sec，3次)，并在180℃的温度下烘烤2小时进行固化；

由于平坦化层采用有机硅胶，有机硅胶是不吸收可见光谱并且具备一定弹性的材料，能够吸收导致高压芯片内部损害的热应力，从而保证高压LED芯片工作的可靠性；采用具有低固化温度(<200℃)的有机硅胶，适用于对热量有限制器件；由于高压LED器件是由多个芯片集成，每个芯片表面台阶高度差异大，不能采用直接回流焊接工艺，本实用新型采用粘度大于400mPa.s和厚度大于6um的有机硅胶来进行台阶平坦化工艺，使得平坦化层22表面平坦，而且平坦化层22沿芯片周边侧壁与绝缘层贴合，将每个芯片完全包裹，不仅有助锡膏回流焊工艺，而且防止焊接时锡膏爬锡从而导致漏电或短路；

步骤八、如图2h所示，通过光刻工艺在平坦化层22形成N引线电极接触孔28和P引线电极接触孔29，其中，N引线电极接触孔28与第M芯片上的N引线电极32表面连接，P引线电极接触孔29与第一芯片上的P引线电极31表面连接；N引线电极接触孔28和P引线电极接触孔29可以是多个；

步骤九、如图2i所示，采用光刻和蒸镀技术制造相互绝缘的N焊盘26与P焊盘27，N焊盘26与P焊盘27覆盖在部分平坦化层22表面上以及填充于N引线电极接触孔和P引线电极接触孔内，N焊盘26通过N引线电极接触孔与和N引线电极32相接触，P焊盘27通过P引线电极接触孔29和P引线电极31相接触，N焊盘26与P焊盘27对称分布，P焊盘和N焊盘之间间隔大于或等于150um，由于平坦化层22表面形成水平平面，因此N焊盘26与P焊盘27两者高度一致，易于与PCB板固定焊接；优选地，在蒸镀N焊盘26与P焊盘27前，先在平坦化层22表面进行粗糙化工艺，利于提高平坦化层22和N焊盘26与P焊盘27粘合强度；优选地，P焊盘和N焊盘厚度为1um～2um，P焊盘和N焊盘由铝、镍、钛、铂金、金层叠形成，铝与平坦化层产生良好附着力，钛、铂金为阻挡层，金和锡膏回流焊时有濡湿(wetting)效果。

如图3所示，作为本实用新型的另一实施例，在N焊盘26与P焊盘27表面上通过印刷或蒸镀工艺覆盖锡膏层9，锡膏层9的厚度为50～100um，锡膏层9由Sn、Ag、Cu组成，其中Sn的质量百分比为96.5，Ag的质量百分比为3.0，余量为Cu。由于该锡膏材料有较小的空洞率，能有效降低散热通道热阻，并且具备极强的粘结强度及导电能力。而且，该锡膏层属直接焊接的材料，有利于简化封装步骤，并且在高压芯片和PCB基板之间形成应力缓冲。

如图4所示，作为本实用新型的又一实施例，在N焊盘26与P焊盘27表面上通过蒸镀工艺覆盖共晶焊层9’，共晶焊层9’由Au和Sn组成，其中Au的质量百分比为80，Sn的质量百分比为20，共晶焊层9’的厚度为4～20um。

本实用新型的平坦化层采用高粘度有机硅胶，属低杨氏模量的高绝缘性材料，有填满台阶能力，使得所述平坦化层表面在处于同一水平面，在串联P引线电极、PN引线连接电极和N引线电极时，P焊盘和N焊盘金属的夹层结构不会造成热膨胀系数差异导致应力开裂；而且高压芯片四周侧面被平坦化层覆 盖，可以防止高压芯片焊接到FR4线路板、铝基或者铜基线路板时，因锡膏爬锡导致的漏电或短路的情况发生。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围之中。

Claims (9)

1.高压LED芯片，包括衬底以及位于所述衬底表面上彼此相互独立的M个芯片，M≥2，所述每个芯片包括依次生长于所述衬底表面上的N型氮化镓层、发光层及P型氮化镓层，所述N型氮化镓层、发光层及P型氮化镓层构成芯片的外延层，所述每个芯片的P型氮化镓层上形成有反射层；

其特征在于，还包括：

覆盖所述每个芯片的外延层及反射层表面的绝缘层，所述绝缘层沿芯片周边侧壁与衬底贴合；

与第一芯片的反射层电连接的P引线电极；

与第M芯片的N型氮化镓层电连接的N引线电极；

依次将第i芯片的N型氮化镓层和第i+1芯片的反射层进行串联电连接的PN引线连接电极，i＝1，…，M-1，每两个相互串联的芯片的PN引线连接电极彼此相互独立；

平坦化层，所述平坦化层为有机硅胶层，平坦化层覆盖于P引线电极、PN引线连接电极和N引线电极的表面上及P引线电极、PN引线连接电极和N引线电极之间的绝缘层表面上；

沉积于所述平坦化层上并与所述N引线电极连接的N焊盘；

沉积于所述平坦化层上并与所述P引线电极连接的P焊盘。

2.如权利要求1所述的高压LED芯片，其特征在于：还包括

贯穿所述外延层、露出所述衬底表面的沟槽，所述沟槽将每个芯片相隔离；

贯穿每个芯片的P型氮化镓、发光层直到N型氮化镓层表面的N电极孔；

所述绝缘层填充所述沟槽和N电极孔，每个芯片的绝缘层上形成有与所述反射层表面相连的P型接触孔和与所述N型氮化镓层表面相连的N型接触孔；

所述P引线电极沉积在第一芯片表面的部分绝缘层上及P型接触孔内、通过第一芯片上的P型接触孔与第一芯片的反射层电连接；

所述N引线电极沉积在第M芯片表面的部分绝缘层上及N型接触孔内、通过第M芯片上的N型接触孔与第M芯片的N型氮化镓层电连接；

所述PN引线连接电极沉积在相邻芯片的部分绝缘层上及N型接触孔、P型接触孔内；

所述平坦化层上形成有与第M芯片上的N引线电极表面连接的N引线电极接触孔以及与第一芯片上的P引线电极表面连接的P引线电极接触孔；

所述N焊盘沉积于所述平坦化层上和所述N引线电极接触孔内与所述N引线电极连接；所述P焊盘沉积于所述平坦化层上和所述P引线电极接触孔内与所述P引线电极连接。

3.如权利要求1所述的高压LED芯片，其特征在于：所述绝缘层为氮化铝或二氧化硅或氮化硅或三氧化二铝或布拉格反射层或有机硅胶层。

4.如权利要求1所述的高压LED芯片，其特征在于：所述平坦化层为粘度大于400mPa.s、厚度大于6um的有机硅胶层。

5.如权利要求1所述的高压LED芯片，其特征在于：所述N焊盘与P焊盘表面上覆盖有锡膏层或共晶焊层。

6.如权利要求5所述的高压LED芯片，其特征在于：所述锡膏层的厚度为50～100um，或者所述共晶焊层的厚度为4～20um。

7.如权利要求1所述的高压LED芯片，其特征在于：所述平坦化层沿芯片周边侧壁与绝缘层贴合，每个芯片依次被所述绝缘层和平坦化层完全包裹。

8.如权利要求1所述的高压LED芯片，其特征在于：所述N焊盘与P焊盘对称分布，所述P焊盘和N焊盘厚度为1um～2um，P焊盘和N焊盘之间间隔≥150um。

9.如权利要求1或8所述的高压LED芯片，其特征在于：所述P焊盘和N焊盘由铝、镍、钛、铂金、金层叠形成。