一种高导热结构led芯片及其制备方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种高导热结构LED芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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1500C )，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】
[0003]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。
[0004]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；
[0005]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。
[0006]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:
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]步骤S4:去除步骤2所述导通金属层；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为LED芯片传统正装结构示意图；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]标号说明:
[0018]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；
[0019]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】
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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)。
[0023]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)。
[0024]实施例1
[0025]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 —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 ；
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]上述高导热结构LED芯片的制备方法具体如下:
[0030]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 —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 ；
[0031]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；
[0032]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 ；
[0033]步骤S4:去除步骤S2所述导通金属层27 ；
[0034]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；
[0035]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。
[0036]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。
[0037]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。
[0038]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。
[0039]实施例2
[0040]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 —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 ；
[0041]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。
[0042]上述高导热结构LED芯片的制备方法具体如下:
[0043]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、钼、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、钼、金层。
[0044]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。
[0045]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。
[0046]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。
[0047]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。
[0048]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。
[0049]7、将蓝宝石衬底减薄或完全去除，以便于半导体导热发光。
[0050]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。
[0051]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。
[0052]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。
【权利要求】
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米用绝缘材料填充； 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。
【文档编号】H01L33/62GK104319346SQ201410545166
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】左友斌, 杨建山 申请人:厦门英诺尔电子科技股份有限公司