专利名称：通孔半导体外延薄膜贴片式封装的制作方法
技术领域：
本发明揭示一种不需要打金线的通孔半导体外延薄膜贴片式封装，包括，垂直结 构的氮化镓基、磷化镓基、镓氮磷基和氧化锌基发光二极管(LED)外延薄膜贴片式封装。属 于光电子技术领域。
背景技术：
半导体照明正快速的进入通用照明，目前的主要障碍是高成本。主流LED芯片的 结构是垂直结构半导体芯片，其基本结构如下外延薄膜通过反射/欧姆层/键合层键合 在导电支持衬底上，剥离支持衬底，形成垂直结构半导体芯片。垂直结构半导体芯片需要 打至少一根金线，从而与外界电源相连接。其不足之处在于，不易通过金线向芯片输入大 电流，然而，向芯片输入大电流是快速降低芯片成本的重要方法。中国专利申请(申请号 200920219188. 3)提出一种三维垂直结构半导体外延薄膜贴片式封装的解决方案，该方案 采用QFN衬底。本发明公开一种不需要打金线的通孔半导体外延薄膜贴片式封装，采用通孔绝缘 材料的衬底。
发明内容通孔半导体外延薄膜贴片式封装的一个具体实施例的结构包括(1) 一个封装管壳。封装管壳包括绝缘支架，绝缘支架内部形成多个通孔，每个通 孔中填充导电物质，绝缘支架的顶部上形成至少一个顶部第一电极和至少一个顶部第二电 极，绝缘支架的底部上形成分别与顶部第一电极和顶部第二电极相对应的底部第一电极和 底部第二电极。一个顶部第一电极、至少一个通孔和一个底部第一电极形成电连接，形成 一个电极，下面统称为第一电极。一个顶部第二电极、至少一个通孔和一个底部第二电极形 成电连接，形成一个电极，下面统称为第二电极。第一电极和第二电极互相电绝缘。底部第 一电极和底部第二电极分别与外界电源电连接。底部第二电极的形状并不必要与顶部第二 电极的形状相同；底部第一电极的形状并不必要与顶部第一电极的形状相同。(2)至少一个半导体外延薄膜。半导体外延薄膜的结构包括，第一类型限制层，活 化层，第二类型限制层。活化层形成在第一类型限制层和第二类型限制层之间。半导体外 延薄膜键合在至少一个顶部第一电极上。键合即可以是在晶圆水平(wafer level)的键合， 也可以是在芯片(chip level)水平的键合。(3)钝化层。钝化层覆盖封装管壳的顶部和半导体外延薄膜。蚀刻钝化层，在半 导体外延薄膜的第一类型限制层的上方和顶部第二电极的上方的预定的位置上形成窗口 (opening)。一个具体实施例在半导体外延薄膜的第一类型限制层的上方的窗口 208与半 导体外延薄膜有相同的形状以及略小一点的尺寸，例如，半导体外延薄膜是1X1毫米的四 方形，其上的窗口为0. 95X0. 95毫米的四方形。注意半导体外延薄膜可以具有其他尺寸， 其上的窗口与其对应。[0008](4)透明电极。透明电极覆盖在部分或全部封装管壳上；通过钝化层在半导体外 延薄膜的第一类型限制层的表面上方的窗口 208，透明电极层叠在半导体外延薄膜的第一 类型限制层上，透明电极的这一部分在图2中被标注为209 ；通过钝化层在顶部第二电极的 窗口 207，透明电极层叠在顶部第二电极上，透明电极的这一部分在图2中被标注为210 ； 半导体外延薄膜203的第一类型限制层通过透明电极与顶部第二电极电联接。因此，不 需要通过封装工艺中的打金线把半导体外延薄膜的第一类型限制层与顶部第二电极电联 接。透明电极具有单层或多层结构，透明电极的每一层的材料是从一组导电氧化物材料和 一组金属材料中选出，导电氧化物材料包括:IT0, ZnO:Al, ZnGa204, Sn02:Sb, Ga203:Sn, In203:Zn, NiO, MnO, CuO, SnO, GaO ；透明金属膜包括Ni/Au，Ni/Pt, Ni/Pd, Ni/Co, Pd/Au, Pt/Au, Ti/Au，Cr/Au, Sn/Au。一个具体实施例透明电极具有两层结构，层叠在半导体外延薄膜上的透明电极 的底层为氧化铟锡，透明电极的顶层层叠在透明电极的底层上，其材料为透明的单层或多
层金属层。另一个具体实施例透明电极具有两层结构，层叠在半导体外延薄膜上的透明电 极的底层为透明的单层或多层金属层，透明电极的顶层层叠在透明电极的底层上，其材料 为氧化铟锡。另一个具体实施例透明电极具有混合结构层叠在半导体外延薄膜上的透明电 极具有单层结构，其材料为氧化铟锡；层叠在其它部分上的透明电极具有双层结构，其材料 为氧化铟锡和透明金属层。另一个具体实施例透明电极的表面具有粗化结构211.另一个具体实施例透明电极的表面上层叠绝缘的保护层215。另一个具体实施例透明电极表面上的绝缘的保护层的表面具有粗化结构216。本发明的目的和能达到的各项效果如下(1)本发明提供一种通孔半导体外延薄膜贴片式封装(包括，氮化镓基、磷化镓 基、镓氮磷基、氧化锌基LED外延薄膜贴片式封装)，解决了上述的不易向芯片输入大电流 的问题，使得LED可以很快地进入普通照明。(2)本发明提供的通孔半导体外延薄膜贴片式封装，因为不需要蚀刻任何发光层 材料，所以，百分之百地利用发光层材料，简化了从芯片到封装的制造工艺，提高了良品率。(3)本发明提供的通孔半导体外延薄膜贴片式封装，因为无需在半导体外延薄膜 上形成图形化的金属电极，简化了制造工艺，降低成本。(4)本发明提供的通孔半导体外延薄膜贴片式封装体积小、重量轻、厚度薄，特 别适用于背光源(backlight)和照明。(5)本发明提供的通孔半导体外延薄膜贴片式封装由于半导体外延薄膜的表面 被粗化，因此，具有较高的光取出效率。(6)本发明提供的通孔半导体外延薄膜贴片式封装的一个实施例由于透明电极 的表面被粗化，因此，具有较高的光取出效率。(7)本发明提供的通孔半导体外延薄膜贴片式封装的一个实施例由于透明电极 表面上的保护层的表面被粗化，因此，具有较高的光取出效率。(8)本发明提供的通孔半导体外延薄膜贴片式封装，没有电流拥塞
4(currentcrowding)、可通过大电流。本发明和它的特征及效益将在下面的详细描述中更好的展示。
图Ia展示封装管壳的一个实施例的顶视图。图Ib展示封装管壳的一个实施例的顶视图。图Ic展示封装管壳的一个实施例的顶视图。图Id展示封装管壳的一个实施例的顶视图。图Ie展示封装管壳的一个实施例的顶视图。图If展示封装管壳的一个实施例的顶视图。图Ig展示封装管壳的一个实施例的截面图。图2a展示制造通孔半导体外延薄膜贴片式封装的工艺的一个实施例的第一步
马聚ο图2b展示制造通孔半导体外延薄膜贴片式封装的工艺的一个实施例的第二步
马聚ο图2c展示制造通孔半导体外延薄膜贴片式封装的工艺的一个实施例的第三步
马聚ο图2d展示制造通孔半导体外延薄膜贴片式封装的工艺的一个实施例的第四步
马聚ο图2e展示制造通孔半导体外延薄膜贴片式封装的工艺的一个实施例的第五步
马聚ο图2f展示制造通孔半导体外延薄膜贴片式封装的工艺的一个实施例的第六步
马聚ο图2g展示制造通孔半导体外延薄膜贴片式封装的工艺的一个实施例的第七步
马聚ο图2h展示制造通孔半导体外延薄膜贴片式封装的工艺的一个实施例的第八步骤 和通孔半导体外延薄膜贴片式封装的一个实施例。具体实施例虽然本发明的具体实施例将会在下面被描述，但下列各项描述只是说明本发明的 原理，而不是局限本发明于下列各项具体化实施实例的描述。注意下列各项适用于本发明的所有具体实施例(1)图中各部分的比例不代表真实产品的比例。(2)绝缘支架内部形成多个通孔，每个通孔中填充导电物质，绝缘支架的顶部上形 成至少一个顶部第一电极和至少一个顶部第二电极，绝缘支架的底部上形成分别与顶部第 一电极和顶部第二电极相对应的底部第一电极和底部第二电极。一个顶部第一电极、至少 一个通孔和一个底部第一电极形成电连接，形成一个电极，下面统称为第一电极。一个顶部 第二电极、至少一个通孔和一个底部第二电极形成电连接，形成一个电极，下面统称为第二 电极。第一电极和第二电极互相电绝缘。底部第一电极和底部第二电极分别与外界电源电 连接。底部第二电极的形状并不必要与顶部第二电极的形状相同；底部第一电极的形状并 不必要与顶部第一电极的形状相同。
5[0046](3)本发明提供的通孔半导体外延薄膜贴片式封装的外延薄膜的材料是从一组材 料中选出，该组材料包括，氮化镓基、磷化镓基、镓氮磷基、和氧化锌基材料。其中，氮化镓基 材料包括镓、铝、铟、氮的二元系、三元系、四元系材料。镓、铝、铟、氮的二元系、三元系、四 元系材料包括，GaN, GaInN, AlGaInN, AlGalnN，等。磷化镓基材料包括镓、铝、铟、磷的二 元系、三元系、四元系材料。镓、铝、铟、磷的二元系、三元系、四元系材料包括，GaP, GaInP, AlGaInP、InP，等。镓氮磷基材料包括镓、铝、铟、氮、磷的二元系、三元系、四元系和五元系 材料。镓、铝、铟、氮、磷的二元系、三元系、四元系和五元系材料包括，GaNP、AlGaNP、GaInNP、 AlGalnNP，等。氧化锌基材料包括，ZnO，等。氮化镓基、磷化镓基、镓氮磷基、和氧化锌基外 延薄膜包括氮化镓基、磷化镓基、镓氮磷基、和氧化锌基LED外延薄膜。氮化镓基外延层的 晶体平面是从一组晶体平面中选出，该组晶体平面包括c-平面、平面、m-平面。(4)本发明提供的制造通孔半导体外延薄膜贴片式封装的生产工艺的最后一道工 艺步骤是把带有半导体外延薄膜的封装管壳列阵分割为单个垂直结构半导体外延薄膜贴 片式封装。所以，为了简化画图，在图1和2展示的具体实施例的示意图中，仅展示一个封 装管壳及其上的半导体外延薄膜。(5)绝缘支架的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，绝缘陶瓷，硅，等。绝缘 陶瓷的主要成分包括氮化铝，或氧化铝，等。(6)绝缘的保护层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，硅胶(silicone)、 树脂(印oxy)、氧化硅(Si02)、氮化硅、玻璃上硅(SOG)、聚酰亚胺(polyimide)、玻璃、聚甲 基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)、丙烯酸(acrylic)，等。(7)透明电极具有单层或多层结构，透明电极的每一层的材料是从一组导电氧 化物材料和一组金属材料中选出，导电氧化物材料包括IT0、ZnO:Al, ZnGa204、Sn02:Sb、 Ga203:Sn、In203:Zn、NiO、MnO、CuO, SnO、GaO ；透明金属膜包括Ni/Au、Ni/Pt、Ni/Pd、Ni/ Co、Pd/Au、Pt/Au、Ti/Au、Cr/Au、Sn/Au。(8)在通孔半导体外延薄膜贴片式封装中的半导体外延薄膜的表面上，形成粗化 结构或光子晶体结构。为简化画图，只在图2b中，画出粗化或光子晶体结构205。(9)在通孔半导体外延薄膜贴片式封装中的透明电极的表面上，形成粗化结构 211。(10)在通孔半导体外延薄膜贴片式封装中的透明电极表面上形成绝缘的保护层， 保护层的表面上，形成粗化结构216。(11)钝化层在半导体外延薄膜的上方和在顶部第二电极的上方的预定的位置上
都有窗口。(12)第一电极包括至少一个电极。对于第一电极包括多个电极的情况，每个电极 互相电绝缘，每个电极包括底部第一电极、顶部第一电极以及把它们电连接的导电的通孔 填充物，下面，统称为第一电极。(13)第二电极包括至少一个电极。对于第二电极包括多个电极的情况，每个电极 互相电绝缘，每个电极包括底部第二电极、顶部第二电极以及把它们电连接的导电的通孔 填充物，下面，统称为第二电极。(14)在通孔半导体外延薄膜贴片式封装中，可以具有单个或多个半导体外延薄 膜，为简化画图，没有画出多个半导体外延薄膜。多个半导体外延薄膜即可以键合在第一电极的一个顶部第一电极上，亦可以分别键合在第一电极的多个顶部第一电极上。(15)把半导体外延薄膜键合在顶部第一电极上的方法包括，导电胶粘(例如，导 电银胶，等)，金属共晶键合，导电焊膏，等。对于采用金属共晶键合方式，需在半导体外延薄 膜上预先层叠导电反射/欧姆/键合层(图中未展示)，把半导体外延薄膜键合在顶部第一 电极上。导电反射/欧姆/键合层具有多层结构，其功能为反射光、保持欧姆接触、与其他 金属层键合。对于采用非金属共晶键合方式，仅需在半导体外延薄膜上预先层叠导电反射 /欧姆层(图中未展示)。(16)半导体外延薄膜键合方法包括晶圆水平(wafer level)键合，芯片(chip level)水平键合。(17)图1展示封装管壳的6个具体实施例。封装管壳列阵包括多个封装管壳，为简 化画图，每个图中只画出一个封装管壳。每个封装管壳包括绝缘支架100，至少一个顶部 第一电极10It，至少一个顶部第二电极102t。每个顶部第一电极上都可以层叠至少一个半 导体外延薄膜。顶部第一电极IOlt和顶部第二电极102t互相电绝缘。顶部第一电极IOlt 和顶部第二电极102t由绝缘支架100固定在预定的位置。绝缘支架内部形成多个通孔，每 个通孔中填充导电物质，绝缘支架的顶部上形成至少一个顶部第一电极和至少一个顶部第 二电极，绝缘支架的底部上形成分别与顶部第一电极和顶部第二电极相对应的底部第一电 极和底部第二电极。一个顶部第一电极、至少一个通孔和一个底部第一电极形成电连接，形 成一个第一电极。一个顶部第二电极、至少一个通孔和一个底部第二电极形成电连接，形成 一个第二电极。第一电极和第二电极互相电绝缘。底部第一电极和底部第二电极分别与外 界电源电连接。图Ia展示封装管壳的一个实施例的顶视图。封装管壳包括，绝缘支架100、一个顶 部第一电极IOlt和一个顶部第二电极102t。图Ib展示封装管壳的一个实施例的顶视图。封装管壳包括，绝缘支架100、两个顶 部第一电极IOlt和两个顶部第二电极102t。图Ic展示封装管壳的一个实施例的顶视图。封装管壳包括，绝缘支架100、一个顶 部第一电极IOlt和三个顶部第二电极102t。图Id展示封装管壳的一个实施例的顶视图。封装管壳包括，绝缘支架100、一个顶 部第一电极IOlt和四个顶部第二电极102t。图Ie展示封装管壳的一个实施例的顶视图。封装管壳包括，绝缘支架100、一个顶 部第一电极IOlt和一个顶部第二电极102t。其中，顶部第二电极102t成U字形，从3面把 顶部第一电极IOlt围住。注意，底部第二电极并不必要具有与顶部第二电极102t相同的形状。图If展示封装管壳的一个实施例的顶视图。封装管壳包括，绝缘支架100、一个顶 部第一电极IOlt和一个顶部第二电极102t。其中，顶部第二电极102t成口字形，把顶部第 一电极IOlt围在中间。注意，底部第二电极并不必要具有与顶部第二电极102t相同的形状。图Ig展示图Id展示封装管壳的具体实施例的A-A截面图。封装管壳包括，绝缘 支架100，其中，绝缘支架100的顶部和底部上分别形成顶部第一电极101t、顶部第二电极 102t和底部第一电极101b、底部第二电极102b。绝缘支架100的内部形成至少一个通孔填
7充物IOlm和至少一个通孔填充物102m。通孔填充物IOlm把顶部第一电极IOlt和底部第 一电极IOlb电连接。通孔填充物101m、顶部第一电极IOlt和底部第一电极IOlb形成第一 电极。通孔填充物102m把顶部第二电极102t和底部第二电极102b电连接。通孔填充物 102m、顶部第二电极102t和底部第二电极102b形成第二电极。第一电极和第二电极互相 电绝缘。图2展示半导体外延薄膜贴片式封装的实施例及其制造工艺的一个实施例。图2a采用图Ig的封装管壳结构。半导体外延薄膜203生长在生长衬底204上。 半导体外延薄膜203包括，但不限于第一类型限制层，活化层，第二类型限制层。半导体外 延薄膜203键合在顶部第一电极201t上。注意，键合工艺即可以是在晶圆水平(wafer level)的键合，也可以是在芯片 (chip level)水平的键合。图2b 剥离生长衬底204。对于不同材料的半导体外延薄膜，剥离的方法不同。一个优化的实施例是剥离生长衬底204后，继续采用干法或湿法蚀刻N类型限制 层，直到N+/N++类型限制层暴露。其中，N+/N++类型限制层层叠在活化层与N类型限制层 之间。—个优化的实施例是在半导体外延薄膜203的暴露的表面上形成粗化结构或光 子晶体205。为了简化画图，在后面的图中，不再画粗化结构或光子晶体205。图2c 在半导体外延薄膜203和封装管壳上覆盖钝化层206。图2d 在半导体外延薄膜203和顶部第二电极202t的上方的预定位置上蚀刻钝 化层206分别形成窗口 208和窗口 207，使得半导体外延薄膜203和顶部第二电极202t的 在预定位置的表面暴露。图2e 在封装管壳上覆盖透明电极。透明电极包括，(1)通过钝化层206在半导体 外延薄膜203上方打开的窗口 208与半导体外延薄膜203电接触的部分209，下面称为透 明电极209。(2)通过钝化层206在顶部第二电极202t上方打开的窗口 207与顶部第二电 极202t电接触的部分210，下面称为透明电极210。(3)覆盖在钝化层上面的部分221 (该 部分把透明电极209和透明电极210电连接)，下面称为透明电极221。透明电极209、210、 221是一个整体并且互相电连接。图2f 半导体外延薄膜203的一个表面键合在顶部第一电极201t上，从而与底部 第一电极201b电连接。半导体外延薄膜203的另一个表面与透明电极209电连接，因此， 通过透明电极209、221、210与顶部第二电极202t电连接，从而与底部第二电极202b电连接。一个优化的实施例是在透明电极209、210、221的表面上形成粗化结构211。一个优化的实施例是在沿封装管壳的外边缘，去掉透明电极，直到钝化层暴露， 形成台阶212，以便减少漏电。图2g —个优化的实施例在透明电极209、210、221的表面上层叠绝缘的保护层 215。其中，透明电极209、210、221的表面可以是平滑的表面，也可以是粗化的表面。图2h —个优化的实施例在图2g的优化的实施例中，绝缘的保护层215的表面 具有粗化结构216。上面的具体的描述并不限制本发明的范围，而只是提供一些本发明的具体化的例证。因此本发明的涵盖范围应该由权利要求和它们的合法等同物决定，而不是由上述具体 化的详细描述和实施实例决定。
权利要求一种通孔半导体外延薄膜贴片式封装，其特征在于，所述的通孔半导体外延薄膜贴片式封装包括 封装管壳；其中，所述的封装管壳包括绝缘支架；所述的绝缘支架内部形成多个通孔，所述的通孔中填充导电物质；所述的绝缘支架的顶部上形成至少一个顶部第一电极和至少一个顶部第二电极；所述的绝缘支架的底部上形成分别与所述的顶部第一电极和所述的顶部第二电极相对应的底部第一电极和底部第二电极；所述的顶部第一电极、至少一个通孔和所述的底部第一电极形成电连接，形成第一电极；所述的顶部第二电极、至少一个通孔和所述的底部第二电极形成电连接，形成第二电极；所述的第一电极和所述的第二电极互相电绝缘；所述的底部第一电极和所述的底部第二电极分别与外界电源电连接； 至少一个半导体外延薄膜；所述的半导体外延薄膜包括第一类型限制层，活化层和第二类型限制层；所述的活化层层叠在所述的第一类型限制层和所述的第二类型限制层之间；所述的半导体外延薄膜键合在所述的顶部第一电极上； 钝化层；所述的钝化层层叠在所述的封装管壳和所述的半导体外延薄膜上；所述的钝化层在所述的半导体外延薄膜的上方和所述的顶部第二电极的上方的预定的位置上具有窗口； 透明电极；其中，所述的透明电极通过所述的钝化层在所述的半导体外延薄膜上方的窗口，层叠在所述的半导体外延薄膜上；通过所述的钝化层在所述的顶部第二电极上方的窗口，层叠在所述的顶部第二电极上，使得所述的半导体外延薄膜的表面通过所述的透明电极与所述的顶部第二电极电联接。
2.如权利要求1所述的通孔半导体外延薄膜贴片式封装，其特征在于，所述的半导体 外延薄膜的表面被粗化或形成光子晶体结构。
3.如权利要求1所述的通孔半导体外延薄膜贴片式封装，其特征在于，所述的透明电 极具有单层或多层结构。
4.如权利要求3所述的通孔半导体外延薄膜贴片式封装，其特征在于，所述的透明电 极的每一层的材料是从一组材料中选出，该组材料包括，导电氧化物材料和金属材料。
5.如权利要求1所述的通孔半导体外延薄膜贴片式封装，其特征在于，所述的透明电 极的表面被粗化。
6.如权利要求1所述的通孔半导体外延薄膜贴片式封装，其特征在于，所述的透明电 极的表面形成绝缘的保护层。
7.如权利要求5所述的通孔半导体外延薄膜贴片式封装，其特征在于，所述的绝缘的 保护层的表面被粗化。
专利摘要本实用新型揭示通孔半导体外延薄膜贴片式封装，其结构包括封装管壳(包括第一电极、第二电极、绝缘材料支架)，层叠在顶面第一电极上的半导体外延薄膜，覆盖在封装管壳和半导体外延薄膜上的钝化层，透明电极。第一和第二电极将分别与外界电源的两个电极电联接。绝缘材料支架把第一和第二电极固定在预定的位置形成封装管壳。钝化层在半导体外延薄膜的上方和顶面第二电极的上方具有窗口。透明电极通过钝化层在半导体外延薄膜表面上方的窗口，层叠在半导体外延薄膜上，并向顶面第二电极的方向延伸，通过钝化层在顶面第二电极上方的窗口，层叠在顶面第二电极上，使得半导体外延薄膜通过透明电极与顶面第二电极电联接。
文档编号H01L33/48GK201741715SQ201020002628
公开日2011年2月9日 申请日期2010年1月7日 优先权日2010年1月7日
发明者彭晖 申请人:金芃;彭晖