用於紫外光發射裝置的封裝的製作方法
2023-12-01 00:37:16
本申請案涉及用於紫外光發射裝置的封裝。
背景技術：
iii族氮化物材料(包含(al、ga、in)—n及其合金)的帶隙從inn的極窄間隙(0.7ev)擴展到aln的極寬間隙(6.2ev)，使得iii族氮化物材料高度適於遍及從近紅外光擴展到深紫外光的寬光譜範圍的光電應用，例如發光二極體(led)、雷射二極體、光調製器及檢測器。在作用層中使用ingan可獲得可見光led及雷射，而紫外光(uv)led及雷射則需要較大帶隙的algan。
期望具有介於230nm到350nm範圍內的發射波長的uvled找到寬範圍的應用，所述應用大部分是基於uv輻射與生物材料之間的相互作用。典型應用包含表面滅菌、空氣消毒、水消毒、醫療裝置及生物化學、用於超高密度光記錄的光源、白光照明、螢光分析、感測及零排放汽車。
技術實現要素：
本申請案的一個實施例涉及一種裝置，所述裝置包括：發光二極體(led)，其包括半導體結構，所述半導體結構包括安置在n型區與p型區之間的作用層，其中所述作用層發射uv輻射；座架，其中所述led安置在所述座架上；支撐件，其環繞傳導棒，所述支撐件包括安置在底部表面上的導電接觸墊及安置在所述傳導棒下方的導熱墊，其中所述導熱墊不電連接到所述led；其中所述座架安置在所述傳導棒上；電路板，其中支撐件安置在所述電路板上；及熱導管，其安置在所述支撐件及所述電路板中的一者中。
本申請案的另一實施例涉及一種裝置，所述裝置包括：發光二極體(led)，其包括半導體結構，所述半導體結構包括安置在n型區與p型區之間的作用層，其中所述作用層發射uv輻射；座架，其中所述led安置在所述座架上；支撐件，其環繞傳導棒，所述支撐件包括安置在底部表面上的導電接觸墊及安置在所述傳導棒下方的導熱墊，其中所述導熱墊不電連接到所述led；其中所述座架安置在所述傳導棒上；電路板，其中支撐件安置在所述電路板上；及反射性側壁，其鄰近於所述支撐件而附接到所述電路板。
附圖說明
圖1a是倒裝晶片uv發射裝置(uvled)中的多個像素的平面圖。圖1b是uvled中的一個像素的橫截面圖。
圖2是包含座架及支撐件的封裝式uvled的橫截面圖。
圖3是安置在座架上的uvled的橫截面圖。
圖4是包含例如透鏡的光學器件的封裝式uvled的橫截面圖。
圖5是安置在例如電路板的結構上的封裝式uvled的橫截面圖。
圖6是具有附接到支撐件的側壁的光學器件的封裝式uvled的橫截面圖。
圖7是具有形成於座架內的傳導通路的封裝式uvled的橫截面圖。
圖8是附接到具有接近uvled而安裝的額外倒裝晶片的座架的uvled的俯視圖。
圖9是具有安置在支撐件上的額外晶片的封裝式uvled的橫截面圖。
圖10是具有安置在封裝中的一或多個熱導管的封裝式uvled的橫截面圖。
圖11及12圖解說明拋物透鏡。
圖13是具有安置在例如電路板的結構上的反射性側壁結構的封裝式uvled的橫截面圖。
具體實施方式
儘管本文中所描述的裝置是iii族氮化物裝置，但由其它材料(例如，其它iii-v材料、ii-vi材料、si)形成的裝置也在本發明的實施例的範圍內。本文中所描述的裝置可經配置以發射可見輻射、uva(峰值波長介於340nm與400nm之間)輻射、uvb(峰值波長介於290nm與340nm之間)輻射或uvc(峰值波長介於210nm與290nm之間)輻射。
在本發明的實施例中，描述uv發射裝置的高效封裝。在一些實施例中，與倒裝晶片uvled一起使用所述封裝。
商業上可獲得的uva、uvb及uvcled可用於各種實施例中。圖1a及1b是可使用的受讓人擁有的uvb及uvcled的實例。圖1a是uvled像素陣列12的一部分的俯視圖，且圖1b是單個uvled像素12的平分橫截面。可使用任何適合uvled且本發明的實施例不限於圖1a及1b的裝置。
uvled通常是iii族氮化物，且一般為gan、algan及ingan。uv發射像素陣列12形成於單個襯底14(例如透明藍寶石襯底)上。其它襯底是可能的。儘管所述實例展示像素12是圓形的，但像素12可具有任何形狀，例如正方形。光發出穿過透明襯底，如圖1b中所展示。像素12可各自為倒裝晶片，其中陽極電極及陰極電極面向座架(下文所描述)。
半導體層外延生長於襯底14上方。(裝置可包含並非外延生長的而是沉積或以其它方式形成的一或多個半導體層，例如傳導氧化物，例如氧化銦錫。)先生長aln或其它適合緩衝層(未展示)，接著生長n型區16。n型區16可包含不同組成、不同摻雜劑濃度及不同厚度的多個層。n型區16可包含用si、ge及/或其它適合n型摻雜劑n型摻雜的至少一個alaga1-an膜。n型區16可具有從約100nm到約10微米的厚度且直接生長在緩衝層上。n型區16中的si的摻雜水平可介於從1×1016cm-3到1×1021cm-3的範圍內。取決於期望的發射波長，公式中的aln摩爾分數「a」可從0％(對於以360nm進行發射的裝置)到100％(對於經設計而以200nm進行發射的裝置)地變化。
作用區18生長於n型區16上方。作用區18可包含單個量子阱或由屏障層分開的多個量子阱(mqw)。量子阱及屏障層含有alxga1-xn/alyga1-yn，其中0<x<y<1，x表示量子阱層的aln摩爾分數，且y表示屏障層的aln摩爾分數。uvled所發射的峰值波長通常取決於algan量子阱作用層中的al的相對含量。
p型區22生長於作用區18上方。類似n型區16，p型區22可包含不同組成、不同摻雜劑濃度及不同厚度的多個層。p型區22包含一或多個p型摻雜的(例如，mg摻雜的)algan層。aln摩爾分數可介於從0到100％的範圍內，且此層或多層的厚度可介於從約2nm到約100nm(單層)或到約500nm(多層)的範圍內。此區中所使用的多層可改善橫向傳導性。mg摻雜水平可從1×1016cm-3到1×1021cm-3地變化。mg摻雜的gan觸點層可最後生長於p型區22中。
上文所描述的全部或一些半導體層可在過量ga條件下生長，如us2014/0103289中較詳細地描述，us2014/0103289以引用方式併入本文中。
半導體結構15經蝕刻以在像素12之間形成露出n型區16的表面的溝槽。像素12的側壁12a相對於所生長襯底的主要表面的法線可為垂直的或以銳角12b傾斜。每一像素12的高度138可介於0.1微米到5微米之間。每一像素12的底部及頂部的寬度131及139可為至少5微米。還可使用其它尺寸。
在蝕刻半導體結構15以形成溝槽之前或在其之後，在每一像素12的頂部上沉積並圖案化金屬p觸點24。p觸點24可包含形成歐姆觸點的一或多個金屬層及形成反射體的一或多個金屬層。適合p觸點24的一個實例包含ni/ag/ti多層觸點。
沉積並圖案化n觸點28，使得n觸點28安置在n型區16的介於像素12之間的基本上平坦表面上。n觸點28可包含單個或多個金屬層。舉例來說，n觸點28可包含與n型區16直接接觸的歐姆n觸點130及形成於歐姆n觸點130上方的n跡線金屬層132。舉例來說，歐姆n觸點130可為v/al/ti多層觸點。舉例來說，n跡線金屬132可為ti/au/ti多層觸點。
n觸點28與p觸點24通過電介質層134而電隔離。電介質層134可為通過任何適合方法形成的任何適合材料，舉例來說，例如矽的一或多種氧化物及/或矽的一或多種氮化物。電介質層134覆蓋n觸點28。電介質層134中所形成的開口暴露p觸點24。
p跡線金屬136形成於裝置的頂部表面上方且基本上保形地覆蓋整個頂部表面。p跡線金屬136電連接到電介質層134中所形成的開口中的p觸點24。p跡線金屬136通過電介質層134而與n觸點28電隔離。
在所述圖式外部提供有電連接到p跡線金屬136及n觸點28的穩健金屬墊以用於連接到座架。單個uvled中包含多個像素12。像素由大面積p跡線金屬136及大面積n跡線金屬132電連接。像素的數目可基於應用及/或所要輻射輸出而選擇。包含多個像素的單個uvled在以下各圖中圖解說明為uvled1。
在一些實施例中，襯底14是藍寶石。舉例來說，襯底14可為大約一百微米厚。襯底14在一些實施例中可保留為裝置的一部分且在一些實施例中可被從半導體結構移除。
當裝置相對於圖1b中所圖解說明的定向而倒裝時，在從襯底14的頂部表面觀看時，uvled可為正方形、矩形或任何其它適合形狀。
圖2圖解說明安置在封裝中的uvled1。uvled1電且物理附接到座架40，以下在文本附圖3中更詳細地描述。uvled1及座架40附接到支撐件30。
支撐件30可塑形為如圖2中所圖解說明的反射杯，使得支撐件的頂部表面高於uvled1的頂部表面。支撐件30的形成反射杯的側壁34可呈(舉例來說)經截斷倒圓錐形或經截斷倒角錐形形狀。側壁34可由uv反射性材料形成或用uv反射性材料進行塗覆。在一些實施例中，支撐件30的反射杯部分單獨地形成及/或由與支撐件30的底部部分不同的材料形成，如由圖2中的虛線31所指示。在圖2中，支撐件30塑形為反射杯，但此並非必需的。支撐件30可為任何適合形狀。在一些實施例中，支撐件30不具有如圖2中所圖解說明的側壁34。在一些實施例中，支撐件30的頂部表面低於uvled1的頂部表面。
支撐件30包含直接安置在座架40下方的高度導熱棒32，uvled1安置在座架40上。所述棒可為任何適合材料，舉例來說，包含金屬、合金、銀、銅或cuw。所述棒可幹涉配合、膠合或以任何其它適合方式固定於支撐件30中所形成的開口中。在一些實施例中，支撐件30可圍繞棒32而模製或以其它方式形成。在一個實施例中，支撐件30通過此項技術中已知的低溫共燒陶瓷工藝而形成。
其上安裝有uvled1的座架40定位在棒32上方且附接到棒32。座架40與棒32可由導熱粘合劑層56連接。粘合劑層56可為任何適合材料，舉例來說，包含無鉛焊膏(例如sac、ausn、snbi、insn等)、燒結型銀、銀環氧樹脂或任何其它適合材料。
圖3中更詳細地圖解說明uvled1及座架40。座架40可為高度導熱(舉例來說，在一些實施例中，具有至少170w/mk的導熱性)、高度電絕緣且機械上剛性(舉例來說，具有匹配或接近於uvled1的熱膨脹係數的熱膨脹係數)的任何適合材料。在一些實施例中，座架40經設計使得uvled1的結溫不超過40℃。用於座架40的適合材料的實例包含但不限於陶瓷、金剛石、aln、氧化鈹、矽或導電材料，例如矽、金屬、合金、al或cu，假設導電材料適當地塗覆有絕緣層，例如氧化矽、氮化矽或氧化鋁，或任何其它適合材料。uv反射性塗層可形成於座架40的可「看到」由uvled發射的輻射的任一部分上。
在一些實施例中，電路及/或其它結構(例如，瞬態電壓抑制電路、驅動器電路或任何其它適合電路)可安置在座架40內或安裝在座架40的表面上，使得電路或其它結構在需要時電連接到uvled1。
圖8是安置在具有額外晶片100(例如，包含靜電放電保護電路的晶片)的座架40上的uvled1的俯視圖，額外晶片100(例如，包含靜電放電保護電路的晶片)倒裝晶片安裝在座架上的接觸墊42與44之間。額外晶片100緊挨著uvled1而安裝。作為圖8中所圖解說明的倒裝晶片安裝的替代方案，額外晶片可通過引線接合或通過任何其它適合結構而電連接。
圖9是包含額外晶片100(例如，包含靜電放電保護電路的晶片)的裝置的橫截面圖，額外晶片100安置在支撐件30上的頂部接觸墊中的一者上。引線接合(圖9中未展示)可將額外晶片100電連接到另一極性的頂部接觸墊。額外晶片100可倒裝晶片安裝在支撐件30上或通過任何其它適合結構電連接到支撐件30。
uvled1經由互連件50及52電且機械地連接到座架40。互連件50及52中的一者電連接到n觸點28；互連件50及52中的另一者電連接到大面積p跡線金屬136(圖1a及1b中圖解說明n觸點28及大面積p跡線金屬136)。互連件50及52可為焊料、金屬互連件或任何其它適合導電且機械上穩健的連接。互連件50及52電且機械地連接到座架40的頂部表面上的接觸墊42及44。
引線接合46及48將接觸墊42及44電連接到安置在支撐件30的頂部表面上的頂部接觸墊38及39，如圖2中所圖解說明。在一些實施例中，如圖3中所圖解說明，引線接合46及48經形成使得電線的最大高度低於uvled1的頂部表面。儘管圖2及3中圖解說明引線接合，但可使用任何其它適合電連接，例如形成於座架40的表面上或形成於座架40內的表面安裝傳導跡線。在一些實施例中，僅在座架40的頂部表面上可獲得電路(舉例來說，例如接觸墊42及44)。在座架40的底部表面上不存在電組件。座架40的整個底部表面可用作熱路徑(如圖2及3中所圖解說明)(舉例來說)以從uvled1向外傳導熱量。熱路徑不涉及到uvled的電連接。
圖7是具有形成於座架40內的傳導溝道或通路的裝置的橫截面圖。在一些實施例中，如圖7中所圖解說明，座架40內的傳導通路90連接到形成於座架40的底部表面上在座架40的底部表面的外區中的接觸墊92。座架40的底部表面的中心94因此可用作熱路徑。舉例來說，中心熱路徑在一些實施例中可為座架的底部表面的至少40％且在一些實施例中可為座架的底部表面的至少60％。
返回圖2，支撐件30的頂部表面上的頂部接觸墊38及39(舉例來說)透過形成於支撐件30內的傳導通路電連接到底部接觸墊35及36。互連件50(圖3)、接觸墊42(圖3)、引線接合46、頂部接觸墊38及底部接觸墊35提供到uvled1中的n型區及p型區中的一者的電路徑。互連件52(圖3)、接觸墊44(圖3)、引線接合48、頂部接觸墊39及底部接觸墊36提供到uvled1中的n型區及p型區中的另一者的電路徑。
電中性導熱中心墊37安置在支撐件30的底部上、與棒32熱接觸。在一些實施例中，省略單獨墊，且棒32的底部表面充當電中性中心墊。互連件50及52、接觸墊42及44、座架40、粘合劑56及導熱棒32形成可從uvled1向外傳導熱量的熱路徑。
在一些實施例中，uv反射性塗層形成於支撐件30的頂部表面的未被座架40佔據的部分(即，由側壁34形成的反射杯的底部)上。舉例來說，座架40在一些實施例中可為至少200μm厚且在一些實施例中可不超過300μm厚，此允許形成對於最優散射(如下文所描述)為充分厚的且不觸及uvled1的反射性塗層。舉例來說，適合反射性塗層的實例包含安置在矽酮或任何其它適合矩陣(其是低指數的、耐uv的、對(舉例來說)250nm與350nm之間的光透明的且電絕緣的)中的反射性及/或高指數粒子，例如al2o3、聚四氟乙烯、al或tio2(tio2吸收uvc光且因此可不適合uvc應用)。在一些實施例中，粒子與矩陣之間的折射率的差異致使入射於反射性塗層上的光散射。舉例來說，商業上可獲得的uv適合矽酮(舉例來說，例如schottuv-200)可具有不超過1.42的折射率。al2o3粒子可具有1.8的折射率。1.42與1.8之間的差異可產生適合散射。粒子可為微米級大小的或納米級大小的。反射性塗層可通過施配、模製或任何其它適合工藝而形成。
在一些實施例中，支撐件30可為適於幹涉配合或以其它方式附接棒32、適於形成連接頂部接觸墊38及39與底部接觸墊35及36的嵌入式電路徑、機械上且化學上穩健的、可靠的且uv反射性的任何材料。舉例來說，支撐件30可為陶瓷、氧化鋁、氮化鋁或任何其它適合材料。在一個實施例中，支撐件30是具有金屬合金墊的矽酮模塑料(smc)或環氧樹脂模塑料(emc)。
底部電接觸墊35及36以及熱墊37可用於將封裝式uvled附接到另一結構，例如金屬芯印刷電路板或任何其它適合結構。適合結構包含用於連接到電中性熱墊37的暴露式熱墊，如圖5中所圖解說明。在圖5中所圖解說明的結構中，結構70(舉例來說，其可為金屬芯印刷電路板)包含暴露式熱墊78(熱墊37連接到其)以及電墊74及76(電接觸墊36及35連接到其)。電墊74及76通過絕緣結構72而與熱墊78隔離。暴露式熱墊78可為嵌入式cu棒、aln棒或任何其它適合結構。在金屬芯印刷電路板中，暴露式熱墊還可為具有用於直接接入的開口的金屬芯本身。金屬芯可為cu或al或者任何其它適合材料。接著，可將適合結構70安裝在散熱片上以提供到熱墊37的熱路徑。
圖10圖解說明圖5的裝置的可經形成以包含熱導管的區110。熱導管是在真空下用流體填充的密封式結構，通常為傳導管，例如銅。在熱導管遇熱時，流體沸騰，從而經由蒸汽來傳遞熱量。支撐件30、傳導棒32、絕緣結構72及導熱結構70全部或其中的一部分可經形成以包含熱導管。圖5的裝置可在區110中的任一者中包含單個熱導管或多個熱導管。
圖4圖解說明具有安置在uvled1上方的光學器件60(例如透鏡)的裝置。儘管圖4中圖解說明圓頂透鏡，但可使用任何適合光學器件，例如菲涅耳透鏡、其它透鏡或其它光學器件。在一些實施例中，光學器件60是固體材料。在橫截面中，舉例來說，光學器件60可為旋轉對稱的、卵形的、圓形的、正方形的、矩形的、三角形的或任何其它適合形狀。圓頂透鏡可具有半球形、橢圓形或拋物線形狀。圖11及12圖解說明拋物透鏡的兩個實例。
光學器件60由對處於作用區14所發射的波長的uv輻射為透明的且能夠耐受uv輻射而不降級的材料形成。舉例來說，在一些實施例中，在光學器件的典型高度為uvled1的寬度的約2倍時，光學器件可由透射至少85％的處於280nm的uv輻射的材料形成。在暴露於處於280nm的uv輻射1000hrs之後，材料的透明度可降級不超過1％。在一些實施例中，光學器件60由可模製的材料形成，舉例來說，例如熔融矽石、玻璃、可從五十鈴玻璃公司(isuzuglass,inc.)購得的ihuuv透射性玻璃及耐uv矽酮。在一些實施例中，光學器件60由可通過(舉例來說)研磨及拋光而塑形的材料(例如石英或藍寶石)形成。通過模製而形成的光學器件可是較廉價的；通過研磨及拋光而形成的光學器件可具有較好光質量。
在圖4中所圖解說明的裝置中，如上文所描述的反射性塗層66安置在支撐件30的底部表面上，在環繞座架40的區域中。環繞uvled1的在光學器件60與反射性塗層66之間的腔填充有用以機械地支撐光學器件的囊封劑材料(例如環氧樹脂或其它適合材料)、用以輔助從uvled1向外進行熱傳遞的具有比空氣高的導熱性的材料或者用以保護uvled1免受周圍環境危害的擴散屏障。囊封劑材料可將光學器件60機械地連接到所述結構，且可將光學器件60光學地連接到uvled1。囊封劑材料可為透明的、在暴露於uv光時基本上不降解的且適合作為粘合劑的任何適合材料。實例包含但不限於矽酮。uvled1上方的囊封劑材料62的厚度在一些實施例中為200μm或小於200μm、在一些實施例中為100μm或小於100μm，且在一些實施例中為50μm或小於50μm。
在一些實施例中，囊封劑材料僅安置在光學器件60與uvled1之間的區域62中，使得區域64是基本上空腔。在一些實施例中，高度uv透明的材料(例如矽酮)安置在光學器件60與uvled1之間的區域62中，且光學器件60與反射性塗層66之間的區域64填充有較廉價且較不uv透明的材料，例如不同矽酮。在一些實施例中，單個囊封劑材料安置在光學器件60與uvled1之間的區域62以及光學器件60與反射性塗層66之間的區域64兩者中。
在一些實施例中，囊封劑材料安置在uvled1上方，接著光學器件60被向下按壓在uvled1上以使區域62中的囊封劑材料保持為薄的。在這些實施例中，可用不同電連接(例如表面可安裝通路，如上文所描述)替換可能因按壓而損壞的引線接合46及48。
在圖4中所圖解說明的實施例中，光學器件60僅由囊封劑材料支撐。在一些實施例中，光學器件60可經大小設定及經塑形以擱置在傾斜側壁34上或擱置在支撐件30的頂部平坦表面上在傾斜側壁34外部，或者可包含可擱置在支撐件30的頂部表面上在傾斜側壁34外部或在傾斜側壁34中所形成的凹口中的一或多個耳片。圖6圖解說明其中支撐件經大小設定及經塑形使得光學器件60可擱置在uvled1的頂部表面上且擱置在支撐件30的反射杯部分的側壁中所形成的平坦表面82上的裝置。在平坦表面82上方及下方的側壁80及84可是基本上垂直(如圖6中所圖解說明)或傾斜的。因此，光學器件60可由支撐件30機械地支撐。粘合劑材料可安置在光學器件60與支撐件30之間或安置在形成於光學器件上或附接到光學器件的耳片與支撐件30之間。適合粘合劑材料的實例包含矽酮。
在一些實施例中，光學器件60可為保護uvled1而不顯著更改所提取光束的透明材料薄片(例如石英板)，而非經設計以更改所提取光束的透鏡。
在一些實施例中，塗層安置在uvled1的側面上。在一些實施例中，如果光學器件僅光學地耦合到uvled1的頂部表面，那麼不塗覆uvled1的側面，這是因為襯底的側面與空氣的界面處的全內反射可將輻射往回反射到uvled中，其中所述輻射可自頂部表面被提取。然而，出於製造及/或可靠性原因，(舉例來說)為保護uvled或為使用必然將塗覆uvled1的頂部表面及側表面兩者的方法(例如旋塗或施配)，可塗覆uvled1的側面。
儘管圖2、3及4中圖解說明單個uvled1，但在一些實施例中，在單個封裝中安置有多個uvled1。可提供對應於每一uvled的光學器件，或可提供對應於多個uvled的光學器件。舉例來說，儘管圖4中圖解說明單個光學器件對應於單個uvled1，但在一些實施例中，單個光學器件光學地耦合到一個以上uvled。
圖13圖解說明其中反射性側壁120(舉例來說)通過粘合劑、螺杆或任何其它適合緊固件附接到支撐件30外部的結構70的實施例。反射性側壁120可為形成為經截斷倒圓錐形的廉價反射性金屬，或者任何其它適合形狀或材料。上文所描述且圖13中未展示的主要光學器件可安置在uvled1上方。反射性側壁120可支撐可安置在主要光學器件上方的輔助光學器件。
已詳細描述了本發明，所屬領域的技術人員將了解，在給出本揭示內容的情況下，可在不背離本文中所描述的發明性概念的精神的情況下對本發明做出修改。明確地說，本文中所描述的不同裝置的不同特徵及組件可用於其它裝置中的任一者中，或可從所述裝置中的任一者省略特徵及組件。舉例來說，一個實施例的上下文中所描述的光學器件的特性可適用於任何實施例。因此，並不打算將本發明的範圍限制於所圖解說明及描述的特定實施例。