专利名称：Led芯片封装结构及其封装方法
技术领域：
本发明涉及光电技术领域，特别涉及LED芯片封装结构及其封装方法。
背景技术：
发光二极管(Light Emitting Diode, LED)是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电信号转化为光信号。发光二极管主要由两部分组成，发光二极管的一端是P型半导体，为P区，在P型半导体以空穴为主要载流子，另一端是η型半导体，为η区，在N型半导体以电子为主要载流子，将这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“ρ-η结”。当电流通过导线作用于这个发光二极管的时候，电子就会从η区流向P区，在P区里跟空穴复合，以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而LED发光的颜色，是由形成ρ-η结的材料决定的。由LED构成的LED芯片的光源耗电少，寿命长、且不含有毒物质，使得LED得到广泛的应用，例如应用在背光源、显示屏、汽车灯及各种景观照明场所。但是LED芯片封装成为现在具有挑战性的研究热点，LED芯片封装关键问题在于散热和与集成电路结合，在申请号为200810002321. X的中国专利中给出一种LED芯片封装，请参考图1，包括LED芯片21 ；封装件主体22;第一引线框23a和第二引线框23b;形成在封装件主体22的凹陷部的密封物M。现有的LED芯片封装都无法直接对芯片级的LED芯片进行散热，需要额外连接散热的元件，例如将风扇或者散热铜片粘附在LED芯片表面，或者采用额外的连线连接散热源极，上述的散热元件都无法与芯片工艺集成。
发明内容
本发明提供一种与芯片工艺集成的LED芯片封装结构及其封装方法。为解决上述问题，本发明提供一种LED芯片封装方法提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；在所述半导体衬底的第一表面形成导电薄膜；在所述导电薄膜的表面形成散热元件，所述散热元件包括ρ型热电结构、η型热电结构、与P型热电结构和η型热电结构相邻并介于ρ型热电结构和η型热电结构之间的隔离层；沿所述半导体衬底的第二表面在所述半导体衬底内形成暴露出导电薄膜的开口，所述开口用于容纳LED单元。本发明还提供一种LED芯片封装结构，包括半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；形成在半导体衬底第一表面的导电薄膜；形成在导电薄膜表面的散热元件，所述散热元件包括P型热电结构、η型热电结构、与P型热电结构和η型热电结构相邻并介于ρ型热电结构和η型热电结构之间的隔离层；开口，所述开口沿所述半导体衬底的第二表面暴露出导电薄膜，所述开口用于容纳LED单元。与现有技术相比，本发明具有以下优点散热元件直接形成在LED芯片背面，能够与芯片工艺结合，避免额外的连线和额外的连接方法，并且本发明提供的LED芯片封装结构散热效率高。
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。图1是现有的LED芯片封装结构；图2是本发明提供的LED芯片封装方法流程图；图3至图7是本发明提供的LED芯片封装方法过程示意图。
具体实施例方式由背景技术可知，现有的LED芯片封装结构都无法直接对芯片级的LED芯片进行散热，需要额外连接散热的元件，连接散热元件无法与芯片工艺集成，散热元件需要额外的粘附连接方法或者额外的连线，增加LED芯片封装难度。对此，本发明的发明人经过大量的实验，提供优化的LED芯片封装结构，散热元件直接形成在LED芯片背面，能够与芯片工艺结合，避免额外的连线和额外的连接方法。以下依据附图详细地描述具体实施例，上述的目的和本发明的优点将更加清楚。本发明的发明人还提出一种LED芯片封装方法，其具体流程请参照图2所示，包括步骤S101，提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与第一表面相对的
第二表面；步骤S102，在所述半导体衬底的第一表面形成导电薄膜；步骤S103，在所述导电薄膜的表面形成散热元件，所述散热元件包括ρ型热电结构、η型热电结构、与ρ型热电结构和η型热电结构相邻并介于P型热电结构和η型热电结构之间的隔离层；步骤S104，沿所述半导体衬底的第二表面在所述半导体衬底内形成暴露出导电薄膜的开口，所述开口用于容纳LED单元。下面参照附图，对上述LED芯片封装方法加以详细阐述。首先参照图3，所述半导体衬底200为硅基衬底，例如为η型硅衬底或者P型硅衬底。所述半导体衬底200形状优选为圆盘状，基于半导体业界标准，半导体衬底200的直径可以为450毫米、300毫米、200毫米。所述半导体衬底200具有上表面和下表面，具体地， 所述半导体衬底200的上表面为半导体器件的生长面，半导体衬底200的下表面为与生长面相对的基地面，所述半导体200的上表面定义为第一表面I，所述半导体200的下表面定义为第二表面II。参考图4，在所述半导体衬底200的第一表面I形成导电薄膜210。所述导电薄膜的形成工艺为物理气相沉积或者化学气相沉积，所述导电薄膜210 材料为Ti、Ta、W、Cu、多晶硅或者掺杂多晶硅，所述导电薄膜210可以为单一覆层或者多层
堆叠结构。当所述导电薄膜210材料为多晶硅或者掺杂多晶硅时，所述导电薄膜210可以为单一覆层，以节约工艺步骤。当导电薄膜210材料为金属时，为防止金属向半导体衬底200内扩散，导电薄膜可以为多层堆叠结构，在形成金属导电薄膜之前还可以在半导体衬底200的第一表面I先形成一层缓冲层，所述缓冲层材料为TiN、TaN或者WSi，此时导电薄膜的电子迁移率高。所述导电薄膜210用于电连接后续形成的ρ型热电结构、η型热电结构，所述导电薄膜210还可以作为后续刻蚀开口时的刻蚀阻挡层，节约额外形成刻蚀阻挡层的工艺步骤，并且导电薄膜的电子迁移率高，能够提高后续形成的封装结构的散热效率，进一步的， 当导电薄膜210材料为金属时，金属的热传导性高，散热效果更佳。参考图5，在所述导电薄膜210表面形成散热元件，所述散热元件包括ρ型热电结构211、η型热电结构212、与ρ型热电结构211和η型热电结构212相邻并介于ρ型热电结构211和η型热电结构212之间的隔离层213。所述ρ型热电结构211材料可以为ρ型SiGe，ρ型Si、ρ型B4C或者ρ型B9C，所述η型热电结构212材料可以为η型Si或者η型SiGe，所述隔离层213材料为氧化铝、氧
化硅或者氮化硅。下面以ρ型热电结构211材料为ρ型SiGe，η型热电结构212材料为η型SiGe， 隔离层材料为氧化铝为例，做示范性说明。首先，在所述导电薄膜210表面采用化学气相沉积工艺形成氧化铝薄膜(未图示)°然后，在所述隔离薄膜表面形成与所述ρ型SiGe层211对应的光刻胶图形(未图示)；以所述光刻胶图形为掩膜，去除隔离薄膜，直至暴露出所述导电薄膜210表面；在光刻胶图形暴露出所述导电薄膜210表面采用化学气相沉积形成ρ型SiGe层；去除光刻胶图形。需要特别指出的是，在去除光刻胶图形的同时，形成在光刻胶图形表面的ρ型 SiGe薄膜同时也会去除，而ρ型SiGe层211被保留下来。随后，在所述隔离薄膜表面和ρ型SiGe层211表面形成与所述η型SiGe层212 对应的光刻胶图形(未图示)；以所述光刻胶图形为掩膜，去除隔离薄膜，直至暴露出所述导电薄膜210表面，形成隔离层213 ；在光刻胶图形暴露出所述SiGe超晶格薄膜210表面形成η型SiGe层212 ；去除光刻胶图形。所述η型SiGe层212的具体形成工艺可以参考ρ型SiGe层211的形成工艺，在这里不再赘述。需要特别指出的是，在其他实施例中，也可以参考本实施例，先形成η型SiGe层 212，再形成ρ型SiGe层211，最后形成隔离层213 ；或者先形成ρ型SiGe层211，再形成η 型SiGe层212，最后形成隔离层213。采用上述的工艺，形成包括有ρ型SiGe层、η型SiGe层、与ρ型SiGe层和η型 SiGe层相邻并介于ρ型SiGe层和η型SiGe层之间的隔离层，在其他实施例中，还可以在ρ 型SiGe层、η型SiGe层和隔离层表面形成介质层，然后在介质层内形成导电插塞，通过导电插塞在散热元件内通入电流。参考图6，沿所述半导体衬底200的第二表面II在所述半导体衬底200内形成暴露出所述导电薄膜210的开口 221。
具体地，在半导体衬底200的第二表面II形成与开口 221对应的光刻胶图形；采用等离子体刻蚀工艺，沿所述半导体衬底200的第二表面II刻蚀所述半导体衬底200，直至暴露出所述导电薄膜210，形成开口 221。所述开口 221用于保护LED单元并且避免影响形成在开口 221底部的LED单元的发光效率。参考图7，在所述开口 221的底部形成LED单元220。所述LED单元220采用现有的工艺直接形成然后采用导电的粘附材料粘附在开口 221的底部。本实施例提供的封装结构的封装方法完全基于半导体工艺的光刻、沉积、刻蚀工艺，与现有的半导体工艺兼容，不需要额外的粘附连接方法或者额外的连线，降低了 LED芯片封装难度。基于上述封装方法形成的封装结构，请参考图7，包括半导体衬底200，所述半导体衬底200具有第一表面I和与第一表面I相对的第二表面II ；形成在半导体衬底200第一表面I的导电薄膜210 ；形成在导电薄膜210表面的散热元件，所述散热元件包括ρ型热电结构211、η型热电结构212、与ρ型热电结构211和η型热电结构212相邻并介于ρ型热电结构211和η型热电结构212之间的隔离层213 ；开口 221，所述开口 221沿所述半导体衬底200的第二表面II暴露出导电薄膜210，所述开口 221用于容纳LED单元。具体地，所述导电薄膜210材料为Ti、Ta、W、Cu、多晶硅或者掺杂多晶硅，所述导电薄膜210可以为单一覆层或者多层堆叠结构。当所述导电薄膜210材料为多晶硅或者掺杂多晶硅时，所述导电薄膜210可以为单一覆层，以降低封装结构复杂度。当导电薄膜210材料为金属时，为防止金属向半导体衬底200内扩散，导电薄膜可以为多层堆叠结构，在形成金属导电薄膜和半导体衬底200的第一表面I之间形成有缓冲层，所述缓冲层材料为TiN、TaN或者WSi，金属的导电薄膜电子迁移率高。具体地，所述ρ型热电结构211材料可以为ρ型SiGe，ρ型Si、ρ型B4C或者ρ型 B9C,所述η型热电结构212材料可以为η型Si或者η型SiGe，所述隔离层213材料为氧化铝、氧化硅或者氮化硅。下面结合本实施例的封装结构，简单介绍封装结构的工作原理施加一从η型薄膜212流向ρ型薄膜211的电流，根据珀耳贴效应，在两个不同的材料间施加直流电流会使得热量在这两种材料的结合处被吸收，那么在金属导电薄膜位置会吸收热量，对形成在超晶格薄膜210上方的LED单元进行降温。所述封装结构还包括形成在η型薄膜212或者ρ型SiGe层的覆盖层，形成贯穿所述覆盖层并与η型薄膜212或ρ型SiGe层电连接的金属插塞，所述施加电流可以对所述金属插塞通入一电流实现。本发明提供一种LED芯片封装结构及其封装方法，其中LED芯片的封装方法与半导体工艺兼容，采用本发明形成LED芯片封装结构不需要额外的额外连接散热的元件就能够对LED芯片进行冷却，本发明提供的LED芯片封装结构采用电子迁移率高的导电薄膜，且 LED芯片位于导电薄膜上，冷却效果佳。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
权利要求
1.一种LED芯片封装方法，其特征在于，包括提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；在所述半导体衬底的第一表面形成导电薄膜；在所述导电薄膜的表面形成散热元件，所述散热元件包括P型热电结构、η型热电结构、与P型热电结构和η型热电结构相邻并介于ρ型热电结构和η型热电结构之间的隔离层；沿所述半导体衬底的第二表面在所述半导体衬底内形成暴露出导电薄膜的开口，所述开口用于容纳LED单元。
2.如权利要求1所述的LED芯片封装方法，其特征在于，所述导电薄膜的形成工艺为物理气相沉积或者化学气相沉积。
3.如权利要求1所述的LED芯片封装方法，其特征在于，所述导电薄膜材料为Ti、Ta、 W、Cu、多晶硅或者掺杂多晶硅。
4.如权利要求1所述的LED芯片封装方法，其特征在于，所述导电薄膜为单一覆层或者多层堆叠结构。
5.如权利要求1所述的LED芯片封装方法，其特征在于，所述ρ型热电结构材料为ρ型 SiGe, ρ 型 Si、ρ 型 B4C 或者 ρ 型 B9C。
6.如权利要求1所述的LED芯片封装方法，其特征在于，所述η型热电结构材料为η型 Si或者η型SiGe。
7.如权利要求1所述的LED芯片封装方法，其特征在于，隔离层材料选自氧化铝、氧化硅或者氮化硅。
8.—种LED芯片封装结构，其特征在于，包括半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；形成在半导体衬底第一表面的导电薄膜；形成在导电薄膜表面的散热元件，所述散热元件包括P型热电结构、η型热电结构、与ρ 型热电结构和η型热电结构相邻并介于ρ型热电结构和η型热电结构之间的隔离层；开口，所述开口沿所述半导体衬底的第二表面暴露出导电薄膜，所述开口用于容纳LED 单元。
9.如权利要求8所述的LED芯片封装结构，其特征在于，所述导电薄膜材料为Ti、Ta、 W、Cu、多晶硅或者掺杂多晶硅。
10.如权利要求8所述的LED芯片封装结构，其特征在于，所述P型热电结构材料为P 型SiGe，ρ型Si、ρ型B4C或者ρ型B9C。
11.如权利要求8所述的LED芯片封装结构，其特征在于，所述η型热电结构材料为η 型Si或者η型SiGe。
12.如权利要求8所述的LED芯片封装结构，其特征在于，隔离层材料选自氧化铝、氧化硅或者氮化硅。
全文摘要
一种LED芯片封装结构及其封装方法，其中LED芯片封装方法包括提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；在所述半导体衬底的第一表面形成导电薄膜；在所述导电薄膜的表面形成散热元件，所述散热元件包括p型热电结构、n型热电结构、与p型热电结构和n型热电结构相邻并介于p型热电结构和n型热电结构之间的隔离层；沿所述半导体衬底的第二表面在所述半导体衬底内形成暴露出导电薄膜的开口，所述开口用于容纳LED单元。本发明的LED芯片封装方法与半导体工艺兼容。
文档编号H01L35/34GK102222754SQ201010154758
公开日2011年10月19日 申请日期2010年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者三重野文健, 郭景宗 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司