一種氮化物器件倒裝的方法

2023-09-19 22:27:45

專利名稱：一種氮化物器件倒裝的方法
技術領域：
本發明涉及一種氮化物器件倒裝的方法。
背景技術：
氮化物是指一類III-V化合物半導體，其V族元素含氮元素。含氮III-V化合物半導體包括GaN，AlN，AlGaN，GaInN和GaInPN等寬帶隙半導體材料。氮化物主要用於構造紫外至紅光的光電器件，如發光二極體(LED)，雷射器和探測器。氮化物也用於大功率電晶體等電子器件。
氮化物器件通常生長在藍寶石(Sapphire)襯底上。藍寶石的導熱係數小。將氮化物器件倒裝到導熱好的載體或熱沉上是氮化物器件取得大功率工作的要求。然而，藍寶石不導電。生長在藍寶石襯底上的氮化物器件通常有兩個以上在外延側的電極。將氮化物器件倒裝並同時獲得多電極的接觸且無短路是氮化物器件倒裝的主要難點。
目前，氮化物器件倒裝主要採用焊錫在加熱爐中溶合的方法，如美國專利US6514782B1所述。焊錫在溶解後由於表面張力，可實現晶片與載體的自對齊。然而，熱鍵合要求好的溫度控制及焊錫量控制，工藝難度大。而且通常必須通過鍵合晶片到載體後再與熱沉相聯的方法，無法最有效地利用熱沉散熱。藍寶石(Sapphire)襯底對波長長於400nm雷射有很好的透光性，氮化物器件對波長長於器件中最小帶隙的雷射也有較小的吸收。如綠光發光二極體，對波長長於540nm的雷射吸收較小。這一特性，使得用雷射將氮化物器件直接鍵合到載體或熱沉上提供了條件。雷射已廣泛用於金屬焊接及電子器件管腳與電路板的焊接。雷射未用於砷化鎵和矽晶片與載體或熱沉鍵合，主要因為砷化鎵和矽晶片對可見光不透明，且砷化鎵和矽器件對長波長雷射也有很強的自由載流子吸收。氮化物器件的獨特結構為雷射直接金屬接觸面鍵合提供了機會。但較少使用雷射進行晶片與載體或熱沉鍵合。

發明內容
本發明旨在提出一種使用雷射進行晶片與載體或熱沉鍵合的氮化物器件倒裝的方法。
一種氮化物器件倒裝的方法，包括一個氮化物器件，在外延側有兩個以上電極；一個載體，其表面與氮化物器件相連區域有金屬連接區域；一層焊錫位於載體與氮化物器件；氮化物器件與載體之間通過焊錫溶解實現鍵合；焊錫溶解是由雷射照射到鍵合面附近金屬實現。
雷射從對雷射透明的氮化物器件側通過全部或部分氮化物器件照到鍵合面附近金屬達到焊錫溶解；雷射從對雷射透明的氮化物器件側通過全部或部分氮化物器件照到鍵合面焊錫層達到焊錫溶解；如載體對雷射透明，雷射從載體側通過全部或部分載體照到鍵合面附近金屬達到焊錫溶解；如載體對雷射透明，雷射從載體側通過全部或部分載體照到鍵合面焊錫層達到焊錫溶解；鍵合在N2，惰性氣體(Ar等)或還元氣體(H2等)或以上氣體的混合氣氛圍中，以去除焊錫和金屬的氧化環境；鍵合在加熱的環境中進行。但加熱溫度小於焊錫溶解溫度；鍵合加入超聲波；焊錫層可以是含In，Ag，Au，Si，Ge，Sn，Pd金屬或金屬合金，可以是焊錫片(preform)，焊錫球(solder ball)，焊錫膏(solder paste)，導電膠(conductingepoxy)或直接在載體/器件表面的焊錫層(evaporated solder)；所用的雷射器為Nd晶體(如Nd:YAG，Nd:YLF)雷射器，Ruby雷射器，Alexandrite雷射器，CO2雷射器和半導體雷射器。
本發明利用雷射將氮化物器件鍵合到載體或熱沉上，雷射通過氮化物器件直接照射到氮化物器件與載體或熱沉的鍵合面上，產生的能量溶解焊錫實現鍵合。
與傳統的加熱爐中溶合鍵合的方法相比，雷射鍵合具有以下優點1.很高的輻射密度和局域加熱能力。可以用於直接與熱沉鍵合，不一定要與載體鍵合後再與熱沉鍵合。
2.通過雷射光強，脈衝寬度和佔空比控制，可以得到好的鍵合質量，且可控制範圍大。
3.局部加熱，鍵合一個器件時，其他器件不會產生大的溫升。所以，可將多個器件逐個鍵合到同一個載體或熱沉上。
4.局部加熱，鍵合後幾乎是立刻冷卻。加熱主要局域在鍵合面上，載體和器件溫升小。
5.雷射的局部加熱特性還可以對鍵合不好的局部區域進行修復，或對大器件進行局部鍵合。
6.雷射可以聚焦到很小的尺度，可鍵合很小的部位。
7.無鍵合件的移動，避免傳統方法由於鍵合件的移動造成的對位移動。
8.容易與自動化機器相配套，取得高產出率。


圖1為本發明實施例的簡化示意圖。
圖2為本發明一種實施例的具體工藝路線。
圖3為本發明另一種實施例的具體工藝路線。
圖4為本發明又一種實施例的具體工藝路線。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明實施例作進一步說明。
參照圖1，其中，載體(2)包括用於與熱沉鍵合的底部金屬化層(1)；電極接觸墊(4)(5)；以及電極接觸墊間隔離層(3)。氮化物器件(9)包括電極接觸墊(7)(8)。載體與氮化物器件之間有焊錫(6)。焊錫(6)可以是含In，Ag，Au，Si，Ge，Sn，Pd金屬或金屬合金，可以是焊錫片(preform)，焊錫球(solderball)，焊錫膏(solder paste)，導電膠(conducting epoxy)或直接在載體/器件表面的焊錫層(evaporated solder)。電極接觸墊(7)(8)可以含Ag或Al等強反射金屬，Ni，Ti，Pt，Au等接觸金屬及各種金屬擴散阻止層。本發明的一種形式如圖1(a)，是將雷射束射過對雷射吸收小的氮化物器件，直接照射到載體/器件表面。被吸收的雷射能量轉化為熱，實現載體/器件的鍵合。本發明的另一種形式如圖1(b)，是將雷射束射過對雷射吸收小的載體，如SiC，直接照射到載體/器件表面。被吸收的雷射能量轉化為熱，實現載體/器件的鍵合。圖1(b)中載體底部金屬化層在完成鍵合後再製作到載體上，以避免底部金屬化層對雷射的放射合吸收。圖1(b)方式也可以用於鍵合其他非氮化物器件，因為雷射從載體，而非器件，射到載體/器件鍵合面。在圖一鍵合過程中，可以對載體/器件加熱(溫度小於金屬鍵合溫度)或加壓以改善鍵合質量。鍵合可以在惰性氣體(N2，Ar等)或還元氣體(H2等)氛圍中，以去除焊錫和金屬的氧化環境。
參照圖2，圖2(a)中載體表面已有焊錫。其接觸圖形由CCD相機記入計算機。(b)中器件由真空吸嘴(10)(collet)吸住，器件接觸圖形由CCD相機記入計算機。經過圖形識別後，器件與載體對位相接觸(圖二(c))。開啟在真空吸嘴中由光纖導入的雷射。實現載體/器件的鍵合。在雷射鍵合過程中，真空吸嘴可以提供定位和適當的壓力。圖2中雷射由光纖導入只是雷射導入方法之一。如真空吸嘴內壁鍍以對雷射高反射材料如金，雷射也可由真空吸嘴直接導入，此時，真空吸嘴即起器件抓取作用，又起雷射導入作用(light duct)。
參照圖3，圖3(a)中載體表面已有焊錫。其接觸圖形由CCD相機記入計算機。(b)中器件由真空吸嘴(11)(collet)吸住，器件接觸圖形由CCD相機記入計算機。經過圖形識別後，器件與載體對位相接觸(圖3(c))。真空吸嘴頂部對雷射不吸收，開啟在真空吸嘴頂部的雷射。實現載體/器件的鍵合。
參照圖4，圖4(a)中載體/器件通過焊錫球(solder ball)實現暫時的鍵合。圖4(b)中焊錫球由雷射進行融合(reflow)。
與圖2至4相似的方法可用於載體對雷射透明的情況。如雷射由載體端射入，載體底部金屬化層在完成鍵合後再製作到載體上。載體對雷射透明時，可以鍵合對雷射不透明的器件。
權利要求
1一種氮化物器件倒裝的方法，包括一個氮化物器件，在外延側有兩個以上電極；一個載體，其表面與氮化物器件相連區域有金屬連接區域；一層焊錫位於載體與氮化物器件；氮化物器件與載體之間通過焊錫溶解實現鍵合；焊錫溶解是由雷射照射到鍵合面附近金屬實現。
2如權利要求1所述的一種氮化物器件倒裝的方法，其特徵是雷射從對雷射透明的氮化物器件側通過全部或部分氮化物器件照到鍵合面附近金屬達到焊錫溶解。
3如權利要求1所述的一種氮化物器件倒裝的方法，其特徵是雷射從對雷射透明的氮化物器件側通過全部或部分氮化物器件照到鍵合面焊錫層達到焊錫溶解。
4如權利要求1所述的一種氮化物器件倒裝的方法，其特徵是如載體對雷射透明，雷射從載體側通過全部或部分載體照到鍵合面附近金屬達到焊錫溶解。
5如權利要求1所述的一種氮化物器件倒裝的方法，其特徵是如載體對雷射透明，雷射從載體側通過全部或部分載體照到鍵合面焊錫層達到焊錫溶解。
6如權利要求1所述的一種氮化物器件倒裝的方法，其特徵是鍵合在N2，惰性氣體(Ar等)或還元氣體(H2等)或以上氣體的混合氣氛圍中，以去除焊錫和金屬的氧化環境。
7根據權利要求1所述的一種氮化物器件倒裝的方法，其特徵是鍵合在加熱的環境中進行。但加熱溫度小於焊錫溶解溫度。
8根據權利要求1所述的一種氮化物器件倒裝的方法，其特徵是鍵合加入超聲波。
9根據權利要求1所述的一種氮化物器件倒裝的方法，其特徵是焊錫層可以是含In，Ag，Au，Si，Ge，Sn，Pd金屬或金屬合金，可以是焊錫片(preform)，焊錫球(solder ball)，焊錫膏(solderpaste)，導電膠(conducting epoxy)或直接在載體/器件表面的焊錫層(evaporated solder)。
10根據權利要求1所述的一種氮化物器件倒裝的方法，其特徵是所用的雷射器為Nd晶體(如Nd:YAG，Nd:YLF)雷射器，Ruby雷射器，Alexandrite雷射器，CO2雷射器和半導體雷射器。
全文摘要
本發明公開了一種氮化物器件倒裝的方法，氮化物器件與載體之間通過焊錫溶解實現鍵合，焊錫溶解由雷射能量提供。雷射通過對其透明的氮化物器件或載體照射到氮化物器件與載體的鍵合面。採用此雷射鍵合方法較傳統加熱爐中溶合的方法具有巨大的優點。
文檔編號H01L33/00GK1581503SQ0313889
公開日2005年2月16日 申請日期2003年8月8日 優先權日2003年8月8日
發明者何曉光 申請人:廈門三安電子有限公司