专利名称：：大功率led多层梯度材料散热通道的构造方法
技术领域：
：本发明涉及大功率LED器件的制作工艺，尤其涉及大功率LED散热通道的多层梯度材料及构造方法。
背景技术：
：早期的氮化镓基白光LED封装采用正装形式，热沉通过连接层和蓝宝石层相连。LED有源区产生的热经由n-GaN层、蓝宝石衬底和连接层传导到热沉。由于蓝宝石的热导率仅为30W/m.k，厚度为100微米左右，形成很大的热阻。采用正装形式的LED封装散热形式只能适用于小功率LED。为了解决大功率LED的散热问题，出现了垂直结构LED和倒装形式的LED结构。垂直结构LED采用激光剥离技术将蓝宝石衬底层去除，并在去除蓝宝石的凹坑中沉积n电极，形成垂直型LED。有源区的热量经由n-GaN层和连接层直接传导到热沉。由于去除了低热导率的蓝宝石层，LED的热导出性能得到了很大的提高，完全可以达到大功率LED的快速散热要求。但是，由于LED去除了蓝宝石支撑层，在制备过程中容易出现GaN外延层的开裂等一系列的问题，工艺非常复杂，降低了成品率，另外蓝宝石的刻蚀速度慢、成本高，这些工艺手段都极大的增加了生产成本。倒装式LED则是近几年采用较多的一种形式。采用倒装焊技术，使用连接层将离有源区最近的p电极倒扣焊接在快速热扩散板上，通过快速热扩散板增大散热表面，采用二次连接将快速扩散板中的热量迅速的导出到热沉中，最后通过热沉导出到环境中。由于热量无需从较厚的n-GaN层和A1203层导出，极大的减小了热阻。Lumileds公司采用倒装技术开发了LuxeonTM系列封装技术，其热阻小至815i:/W，适用于功率为15W的LED的散热，但是仍无法满足用于10W以上大功率LED散热的需求(23'C/W)。究其原因在于，目前倒装式LED的P电极通过20XAu-80XSn共晶和Si02绝缘层连接片内快速散热板，然后通过连接层将热量导出到热沉上。由于200%Au-80%Sn的共晶合金的热导率仅为53W/m.k，以lmm2的连接层面积计算，热阻高达0.5tVW，绝缘层Si02的热导率为l.lW/m.K，厚度0.2微米，热阻为0.2°C/W，加上快速导热板的热阻及各层之间的界面热阻，目前的倒装工艺未能满足大功率LED的高效散热需求。为此，LED行业正致力于热阻小于3°C/W的高效散热倒装式LED封装技术的研发。
发明内容本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法，旨在有效大功率LED的散热问题，提高大功率LED倒装芯片的散热能力和可靠稳定性，大幅降低封装热阻和热失配。本发明的目的通过以下技术方案来实现大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法，采用高热导、热膨胀系数梯度变化的Au-Au-A1N-Ti多层材料构建LED至Cu快速热扩散板之间的散热通道，包括以下步骤首先，制备GaN基LED芯片采用感应耦合等离子刻蚀(ICP)或离子束刻蚀(IBE)设备对GaN基LED外延片进行干法刻蚀，形成L型，露出N-GaN层台面，其中刻蚀掩膜层为光刻胶或Si02;在P-GaN层表面蒸发一层铟锡氧化物(ITO)电流扩展层；再利用磁控溅射或电子束蒸发P、N电极；最后利用电镀技术在P、N电极上镀上厚的纯金；其结构为L型结构，P、N电极在同一个面上，倒装封装后从蓝宝石这面出光；然后，制备Cu快速热扩散板先制作L型的Cu板，采用磁控溅射一层Ti或Cr，作为粘附层；在Ti或Cr层上磁控溅射一层A1N，作为绝缘层，其中A1N薄膜不仅有很高的电阻率(101QQ*Cm)，而且热导率较高(200W/m.K);再采用磁控溅射或电子束蒸发一层薄金；最后采用电镀技术镀上一层厚纯金；其结构与LED芯片结构一样为L型，目的是与倒装芯片匹配焊接；制备好LED芯片和Cu快速热扩散板后，将LED芯片倒装在Cu快速热扩散板上，采用纯金作为连接层，进行纯金热压键合；实现LED的P电极与Cu快速热扩散板进行连接，在LED与Cu快速热扩散板之间构造出Au-Au-A1N-Ti材料结构的散热通道。本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在本发明采用高热导、热膨胀系数梯度变化的Au-Au-A1N-Ti多层材料构建LED至Cu快速热扩散板之间的散热通道，Au-Au-A1N-Ti高效散热梯度材料封装大功率LED,通过纯金的键合，使得LED芯片倒装焊接在Cu快速热扩散板上。从而，使LED有源区至Cu快速热扩散板之间的片内热阻小于3°C/W，有效解决了10W以上大功率LED的高效散热问题，大幅降低了封装热阻和热失配，显著提高了器件的散热能力和稳定性，产生了极好的经济效益，值得在LED行业推广应用。下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明图l:本发明倒装芯片结构示意图。图中各附图标记的含义见下表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>具体实施例方式本发明采用高热导、热膨胀系数梯度变化的Au-Au-A1N-Ti多层材料制备LED至Cu快速热扩散板之间的散热通道，大幅降低封装热阻和热失配，提高器件的散热能力和稳定性。下面对纯金键合倒装LED芯片的制备工艺方法进行详细说明首先，采用ICP(感应耦合等离子刻蚀)或IBE(离子束刻蚀)设备对GaN基LED外延片进行干法刻蚀，形成L型，露出N-GaN层2台面，其中刻蚀掩膜层3为光刻胶或Si02。露出N-GaN层2台面后，在P-GaN层4表面蒸发一层ITO(铟锡氧化物)电流扩展层5;再利用磁控溅射或电子束蒸发P、N电极。最后利用电镀技术在P、N电极表面镀上厚的纯金层6。接着制备L型的Cu板，采用磁控溅射一层Ti8，作为粘附层；在Ti层8上磁控溅射一层A1N9,作为绝缘层。再采用磁控溅射或电子束蒸发一层薄金，采用电镀技术镀上一层厚纯金10。最后采用热压焊进行纯金键合，将LED芯片倒装在Cu快速热扩散板上，制备出Au-Au-A1N-Ti材料结构的散热通道。可见，本发明采用Au-Au-A1N-Ti高效散热梯度材料构建散热通道，将大功率LED与Cu快速热扩散板进行纯金热压键合焊接。如图1所示，大功率LED芯片的外延结构从衬底往上依次为蓝宝石衬底1、N-GaN层2、发光层和P-GaN层4，LED芯片结构为L型结构，通过刻蚀方式使N-GaN层2露出来，引出N电极和P电极，并在P、N电极之间生长一层隔离层，同时P、N电极加厚。而Cu热扩散板7的结构也为L型结构，并在表面依次制备Ti层8、A1N层9和Au层10。再通过纯金热压键合，实现LED芯片与Cu快速热扩散板的倒装焊接。由于，在纯金键合的倒装LED芯片中，其倒装焊接时采用了高热导率、热膨胀系数梯度变化的Au、A1N、Ti材料，形成一个高效散热通道，从而，使LED芯片与Cu快速热扩散板以最大面积和最短距离接触，使得LED有源区的热量能更快的传导出去，保证了器件性能的稳定，同时避免了热应力失配导致芯片损坏的可能。综上所述，本发明技术方案设计新颖，采用Au-Au-A1N-Ti高效散热梯度材料封装大功率LED，通过纯金的键合，使得LED芯片倒装焊接在Cu快速热扩散板上，使LED有源区到Cu快速热扩散板之间的片内热阻小于3。C/W，解决了IOW以上大功率LED的高效散热问题，显著提高器件的散热能力和稳定可靠性，更好地推动大功率LED的实用化，促进产业的升级发展。以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。权利要求1.大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法，其特征在于采用高热导、热膨胀系数梯度变化的Au-Au-AlN-Ti多层材料构建LED至Cu快速热扩散板之间的散热通道，具体包括以下步骤——①制备GaN基LED芯片先对GaN基LED外延片进行干法刻蚀，形成L型，露出N-GaN层台面；在P-GaN层表面蒸发一层铟锡氧化物电流扩展层，再利用磁控溅射或电子束蒸发P、N电极，再在P、N电极上镀上纯金；②制备Cu快速热扩散板先制作L型的Cu板，磁控溅射一层Ti或Cr，作为粘附层；在Ti层上磁控溅射一层AlN，作为绝缘层；继而，再蒸发一层薄金，镀上一层厚纯金；③制备好LED芯片和Cu快速热扩散板后，将LED芯片倒装在Cu快速热扩散板上，进行纯金热压键合；从而，在LED与Cu快速热扩散板之间构造出Au-Au-AlN-Ti材料结构的散热通道。2.根据权利要求1所述的大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法，其特征在于步骤①中，采用感应耦合等离子刻蚀或离子束刻蚀设备对GaN基LED外延片进行干法刻蚀，形成L型，露出N-GaN层台面，其中刻蚀掩膜层为光刻胶或Si02。3.根据权利要求1所述的大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法，其特征在于步骤②，在L型的Cu板磁控溅射一层Ti或Cr，作为粘附层；在Ti层上磁控溅射一层A1N，作为绝缘层；采用磁控溅射或电子束蒸发一层薄金，采用电镀镀上一层厚纯金。4.根据权利要求1所述的大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法，其特征在于步骤③，采用纯金作为连接层，进行纯金热压键合，使LED的P电极与Cu快速热扩散板连接。全文摘要本发明提供大功率LED多层梯度材料散热通道的构造方法，其构造步骤为1)制备GaN基LED芯片对GaN基LED外延片进行干法刻蚀，形成L型，露出N-GaN层台面；在P-GaN层表面蒸发一层铟锡氧化物电流扩展层，再蒸发P、N电极，再在P、N电极上镀上纯金；2)制备Cu快速热扩散板先制作L型的Cu板，磁控溅射一层Ti或Cr，作为粘附层；在Ti层上磁控溅射一层AlN，作为绝缘层；再蒸发一层薄金，镀上一层厚纯金；3)采用热压焊进行纯金键合，将LED芯片倒装在Cu快速热扩散板上。本发明采用高热导、热膨胀系数梯度变化的Au-Au-AlN-Ti多层材料构建LED至Cu快速热扩散板之间的散热通道，解决了大功率LED的散热问题，提高了器件的散热能力和稳定性。文档编号H01L21/50GK101281944SQ200810025449公开日2008年10月8日申请日期2008年4月30日优先权日2008年4月30日发明者张宝顺,辉杨,王敏锐,黄宏娟申请人:苏州纳米技术与纳米仿生研究所