基於陶瓷基板的發光器件及其製造方法
2023-06-01 23:25:26 1
專利名稱：基於陶瓷基板的發光器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種固體發光器件及其製造方法，尤其是一種基於陶瓷基板的具有高發光效率的發光器件及其製造方法。
背景技術：
隨著發光二極體(LED)的發光效率不斷提高，LED無疑成為近幾年來最受重視的光源之一。LED是一種具有節能和環保特性的照明光源，集高光效、低能耗、低維護成本等優良性能於一身。理論上預計，半導體LED照明燈具的發光效率可以達到甚至超過白熾燈的10倍，日光燈的2倍。目前LED技術發展的目標是高效率、全固態、環保型LED，推進LED在照明領域的應用。在LED器件的應用中，散熱是影響LED性能和壽命的一個重要因素。為了提高LED器件的散熱性能，目前大多數期器件採用倒裝結構，將LED晶片的電極製作在同一面後，邦定在一基板上。為了將LED晶片的電極引出，採用電極再分布技術將LED晶片的電極引出。如圖1所示，LED晶片包括外延層100，其上依次設有N型層101、發光層103和P型層104，在一穿過P型層和發光層的刻蝕孔中露出的設置有N歐姆接觸層102，在P型層104上設置P歐姆接觸層105。為了能夠將N歐姆接觸層102和P歐姆接觸層105引出，採用電極再分布技術，在中間部分的P歐姆接觸層105上設置一絕緣的介電層106將中間部分的P歐姆接觸層105隔離，然後在介電層106上開通孔引出N歐姆接觸層102。引出的N歐姆接觸層102和P歐姆接觸層105與LED晶片設置的N電極107和P電極108電連接，一般會將N電極和P電極設置成距離比較遠的兩大塊。由於電極再分布方法通過製作一層絕緣的介電層將N電極下107下方的N歐姆接觸層102屏蔽，這種方法的既增加了製作工藝難度，降低了產品的良率和可靠性，並且P歐姆接觸層105隻能通過邊緣部分與P電極108導出，導致LED晶片電流局部不均勻，極大的降低了 LED晶片的發光效率。為了解決這個問題，美國專利US2007096130公開了一種具有良好的電流均勻性的LED晶片的結構。如圖加和圖2b所述，直接通過刻蝕孔將氮化鎵N型層沈經N歐姆接觸層50引至N金屬電極層34。如圖加所示，離散分布在P歐姆接觸層34中的N歐姆接觸層38通過LED晶片底面的叉指狀結構的金屬層將N歐姆接觸層38引出，不但降低了工藝難度，而且提高了晶片的散熱性能。但是這種在LED晶片上將分立的電極連接到LED晶片底面的金屬電極層的方式要求布線加工精度很高，金屬層線寬或者間距比較大，難以有效的增加與N歐姆接觸層的接觸面積，造成各N歐姆接觸層連接點之間的電流差異很大，局部電流密度過高導致發光效率下降。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明的目的是要提供一種基於陶瓷基板的、工藝簡單而且發光效率高的發光器件。本發明的另外一個目的是要提供一種製作該發光器件的方法。
為實現提供一種基於陶瓷基板的發光器件的目的，本發明採用的技術方案如下一種基於陶瓷基板的發光器件，包括至少一 LED晶片和承載所述LED晶片的陶瓷基板，所述LED晶片下表面設有至少一晶片第一電極和晶片第二電極，所述晶片第一電極呈點陣狀離散地分布在所述晶片第二電極之間，並與所述晶片第二電極電氣隔離；所述陶瓷基板上表面設有基板第一電極和基板第二電極，所述基板第一電極包括第一基座和至少一第一叉指，所述第一叉指設於所述第一基座一端並與所述第一基座電連接，其上表面與至少一所述晶片第一電極電連接；所述基板第二電極包括第二基座和至少一第二叉指，所述第二叉指設於所述第二基座一端並與所述第二基座電連接，其上表面與所述晶片第二電極電連接；所述第一叉指與所述第二叉指呈犬牙狀交錯設置。具體的，所述LED晶片自上而下設有外延層、N型氮化鎵層、多量子阱層和P型氮化鎵層，所述P型氮化鎵層上設有至少一刻蝕孔，所述刻蝕孔穿過所述多量子阱層直至露出所述N型氮化鎵層；在所述刻蝕孔中露出的N型氮化鎵層上設有N歐姆接觸層，所述P型氮化鎵層上設有P歐姆接觸層；所述N歐姆接觸層和所述P歐姆接觸層上分別設有所述晶片第一電極和所述晶片第二電極。進一步，所述第一叉指之間和第二叉指之間以及第一叉指和第二叉指之間的相對高度小於lum。優選的，所述第一叉指和第二叉指通過金屬凸點分別與所述晶片第一電極和晶片第二電極電連接。進一步，所述LED晶片的上表面還設有一螢光粉層。進一步，所述第一基座和第二基座上還設有一反光層。進一步，所述基板採用AIN材料製作，其厚度為100 lOOOum。進一步，還包括一設於所述基板第一電極和基板第二電極之間並且與所述LED晶片並聯的靜電保護器件。優選的，所述靜電保護器件為齊納二極體或者兩個反向設置的二極體。為了實現本發明所述的另外一個目的，本發明採用的技術方案如下一種發光器件的製作方法，包括以下步驟1)製作一上述的LED晶片；2)通過濺射或者蒸發的方法在陶瓷基板的上表面製作一金屬層，然後在該金屬層上進行光刻或者腐蝕，得到具有權利要求1中所述的基板第一電極輪廓的第一金屬層和具有基板第二電極輪廓的的第二金屬層；3)通過電鍍或者化學鍍的方法分別在所述第一金屬層和第二金屬層上製作一第三金屬層和第四金屬層後，對所述第三金屬層和第四金屬層進行研磨；4)通過電鍍或者化學鍍的方法分別在所述第三金屬層和第四金屬層上製作一第五金屬層和第六金屬層，完成所述基板第一電極和基板第二電極的製作；5)將所述LED晶片下表面的晶片第一電極和晶片第二電極分別邦定到所述陶瓷基板上表面的基板第一電極和基板第二電極。進一步，在步驟5)之前在所述陶瓷基板或者LED晶片上製作至少一金屬凸點，所述晶片第一電極和晶片第二電極分別通過所述金屬凸點與所述基板第一電極和基板第二電極邦定。進一步，所述步驟幻中通過研磨後基板第一電極的第一叉指之間和基板第二電極的第二叉指之間以及第一叉指和第二叉指之間的高度差小於1微米。相對於現有技術，本發明所述的技術方案通過在陶瓷基板上的金屬層將LED晶片中離散分布的電極引出，降低了對LED晶片的加工工藝要求，使LED晶片上的離散的電極可以分布更加密集，提高了電流分布的均勻性從而提高了發光效率。為了充分地了解本發明的目的、特徵和效果，以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明。
圖1是現有技術中採用電極再分布技術製作的發光器件的結構示意圖；圖加是現有技術中在LED晶片上引出電極的結構示意圖；圖2b是圖加中4-4處的剖面視圖；圖3是本發明所述的發光器件的結構示意圖；圖3a是圖3中A-A處的剖面視圖；圖4是發光器件的LED晶片的仰視圖；圖如是圖4中B-B處剖面視圖；圖5是發光器件的陶瓷基板的結構示意圖；圖6是圖5中C-C處的剖面示意圖。圖中100-LED晶片；101-外延層；102-N型氮化鎵層；103-多量子阱層；104-P型氮化鎵層；105-N歐姆接觸層；106-P歐姆接觸層；107-晶片第一電極；108-晶片第二電極；200-陶瓷基板；210-基板第一電極；211-第一基座；212-第一叉指；213-第一金屬層；214-第三金屬層；215-第五金屬層；220-基板第二電極；221-第二基座；222-第二叉指；223-第二金屬層；224-第四金屬層；225-第六金屬層；230-金屬凸點；MO-通孔引線；250-正電極J60-負電極；270-反光層J80-靜電保護器件；300-螢光粉層；400-透鏡層。
具體實施例方式如圖3和圖3a所示，一種新型發光器件，包括至少一 LED晶片100和承載所述LED晶片100的陶瓷基板200，LED晶片100的下表面設有晶片第一電極107和與所述晶片第一電極107電氣隔離的晶片第二電極108，晶片第一電極107呈點狀離散地分布在所述晶片第二電極108之間。陶瓷基板200的上表面設有與所述晶片第一電極107和晶片第二電極108對應的基板第一電極210和基板第二電極220電連接，以此將LED晶片100固定在所述陶瓷基板200之上。請參閱圖4和圖4a，圖4為LED晶片100底面的結構示意圖，圖如為圖4中B-B處的剖面視圖。LED晶片100從上至下設有外延層101，N型氮化鎵層102、多量子阱層103和P型氮化鎵層104，其中外延層101可以採用藍寶石襯底。所述P型氮化鎵層104上設有至少一刻蝕孔，所述刻蝕孔穿過所述多量子阱層103直至刻蝕孔底部露出所述N型氮化鎵層102。在刻蝕孔底部露出的N型氮化鎵層102上製作N歐姆接觸層105，所述晶片第一電極107就設於所述N歐姆接觸層105的表面。作為一種優選的實施方式，晶片第一電極107可以設置成N列，其中第M列上至少設有一晶片第一電極107，其中N和M具有自然數且大於或等於2，M小於或等於N。更優選的一種方式是，每列上的晶片第二電極107數量相等，並且等間距排列，形成一矩陣在LED晶片100下表面排列。P型氮化鎵層104上設有P歐姆接觸層106，所述晶片第二電極108設於所述P歐姆接觸層106的表面。在P型氮化鎵層104的表面均覆蓋有P歐姆接觸層106，但所述晶片第二電極108卻可以根據實際應用設置晶片第二電極108的形狀和覆蓋區域，作為一種優選的實施方式，可以將晶片第二電極108設置成條狀，假如一共在P歐姆接觸層106上設有P條晶片第二電極108，其中第Q條晶片第二電極與第Q+1條晶片第二電極之間設有一列所述晶片第一電極107，這樣晶片第一電極107與晶片第二電極108相互間隔設置。請參閱圖5，圖5為陶瓷基板200上表面的結構示意圖，基板200採用陶瓷材料製作，厚度為100 lOOOum，其上表面設有基板第一電極210和基板第二電極220。基板第一電極210包括第一基座211和設於第一基座211 —端的第一叉指212，第一基座211設於陶瓷基板200的端部，第一叉指212與所述LED晶片100的晶片第一電極107電連接。基板第二電極220包括一第二基座221和設於第二基座221 —端的第二叉指222，第二基座221設於所述陶瓷基板200上與所述第一基座211相對的一端，第二叉指222與所述晶片第二電極108電連接。由於第一叉指212與第二叉指222需要分別與LED晶片100上晶片第一電極107和晶片第二電極108電連接，因此第一叉指212與第二叉指222需要與所述晶片第一電極107和晶片第二電極108的位置對應。在上述優選實施方式中，晶片第一電極107設置在相鄰的兩條所述晶片第二電極108之間，因此設置第一叉指212與第二叉指222呈交錯狀，具體形狀如圖5所示。為了能夠將第一叉指212和第二叉指222設置的比較精細，可以將第一叉指212和第二叉指222通過研磨等方式加工到總厚度小於30um，將第一叉指212和第二叉指222的線寬小於lOOum。相鄰兩個第一叉指212之間或者第二叉指222之間的間距小於75um。為了能夠保證LED晶片100的晶片第一電極107和晶片第二電極108分別與第一叉指212和第二叉指222有良好的電連接，需要使第一叉指212和第二叉指222之間的相對高度小於 Ium0為了將晶片第一電極107和晶片第二電極108能更好的與基板第一電極210和基板第二電極220相匹配，使晶片第一電極107和晶片第二電極108分別與第一叉指212和晶片第二叉指222有著更為良好的電接觸，可以在晶片第一電極107和晶片第二電極108上製作金屬凸點，也可以如圖5所示，在第一叉指212上與晶片第一電極107對應的位置處設置金屬凸點230，以及在第二叉指222上與晶片第二電極108對應的位置處設置金屬凸點230。金屬凸點230的材料可以是金、銅、鎳、錫中的一種或多種金屬的合金。為了將基板第一電極210和基板第二電極220引出，可以在基板200採用通孔引線的方式將其引出。在陶瓷基板200的下表面設有正電極260和副電極250，所述負電極250和正電極260通過陶瓷基板200中的通孔引線240分別與所述基板第一電極210和基板第二電極220電連接。在陶瓷基板200的背面還設有一散熱金屬盤，增強其散熱能力。
如圖3a所示，可以在LED晶片100的上表面是製作一螢光粉層207來提高發光器件的發光效率。螢光粉層270可以通過噴塗的方法，通過有限次實驗調節螢光粉的配比以及噴塗次數來調節其厚度，達到最佳的出光效果。在LED晶片100的外部還包裹一透鏡層 400，透鏡層400可以採用矽膠製作，在做好的透鏡模具中灌有矽膠，將陶瓷基板200倒扣在模具上，固化後將模具取出後完成透鏡層400的製作。為了提高發光器件的發光效率，還可以在矽膠中加入螢光粉。如圖5所述，為了提高發光器件的抗靜電保護能力，在所述基板第一電極和基板第二電極之間並且與所述LED晶片並聯一靜電保護器件，其可以為齊納二極體或者兩個反向設置的二極體。在陶瓷基板200的第一基座211和第二基座221上設置一反光層270，增強發光器件的出光效率。反光層270的材料可以為鋁、銀、多層介質膜或者硫酸鋇。為了更好的理解本發明所述的新型發光器件，以下詳細描述該發光器件的一種優選的製作方法。步驟1 製作LED晶片a、在一外襯底101上生長外延層，進而在該外延層101上依次長有N型氮化鎵層 102，多量子阱層103和P型氮化鎵層104 ；b、使用ICP、RIE的方法刻蝕P型氮化鎵外延層104，形成刻蝕孔，直至所述刻蝕孔底部露出N型氮化鎵層102 ；C、在P型氮化鎵層104和刻蝕孔底部露出的N型氮化鎵層102上分別製作P歐姆接觸層106和N金屬接觸層105 ；d、在N歐姆接觸層106上製作晶片第一電極107，在P歐姆接觸層上製作晶片第二電極108。還可以根據需要將做好電極的外延片進行切割。步驟2 請參閱圖6，在陶瓷基板200上表面用濺射、蒸發的方法製作一金屬層，然後在該金屬層上進行光刻或者腐蝕，得到具有叉指狀的基板第一電極和基板第二電極形狀的第一金屬層213和第二金屬層223 ；第一金屬層的材料可以為鎳、鋁、鎢、銅和鈦中一種或其中多種金屬的合金。步驟3:通過電鍍或者化學鍍的方法分別在所述第一金屬層213和第二金屬層223 上製作一第三金屬層214和第四金屬層2M後，對所述第三金屬層和第四金屬層進行研磨， 研磨到第一金屬層213和第三金屬層214高度之和與第二金屬層223和第四金屬層2 高度之和的相對高度小於1微米；當相對高度大於Ium時，LED晶片100與陶瓷基板200之間的接觸面會存在部分電極接觸不上的情況，當相對高度小於Ium時，LED晶片100與陶瓷基板200之間的接觸相對較好，電極基本都能夠完整的接觸。如果電極不能夠完全接觸，晶片上的電流分布就會不均勻，並且散熱面積會減少，這些都會影響器件的出光效果及器件的壽命。為了實現這種高度差，在基板第一電極210和基板第二電極220製作中加入了金屬層的研磨工藝，使得基板第一電極210和基板第二電極220的高度差距較小，並在完成全部工藝後達到所需要的高度差。第三金屬層214和第四金屬層224的材料可以是鎳、鋁、鎢、 銅和鈦中一種或上述多種金屬的合金。步驟4:通過電鍍或者化學鍍的方法分別在所述第三金屬層214和第四金屬層224 上製作一第五金屬層215和第六金屬層225，完成所述基板第一電極210和基板第二電極 220的製作。第五金屬層215和第六金屬層225的材料可以是鎳、金、銀、鋁、鎢、鈀和鉬中的一種或上述多種金屬的合金。製作的基板第一電極210和基板第二電極220的厚度為8 30um。步驟5 將所述LED晶片100下表面的晶片第一電極107和晶片第二電極108分別邦定到所述陶瓷基板200上表面的基板第一電極210和基板第二電極220。值得注意的是，在步驟幻之前，還可以在基板第一電極210和基板第二電極220 上製作金屬凸點230，也可以在晶片第一電極107和晶片第二電極108上製作金屬凸點 230，使晶片第一電極107和晶片第二電極108分別通過金屬凸點230與基板第一電極210 和基板第二電極220電連接，以此將LED晶片100與陶瓷基板200邦定。金屬凸點230可以採用蒸發、濺射、電鍍、化學鍍等方法在金屬凸點圖形上製作處金屬凸點270，最後去除光刻膠，完成金屬凸點270的製作。為了將LED晶片100的電極引出，可以在陶瓷基板200中通過雷射或機械的方法鑽出通孔，並用銅Cu、鎳Ni、銀Ag等一種或多種金屬將通孔填上，形成通孔引線M0。步驟 6 將一鋼網放置在陶瓷基板200上，鋼網上只露出LED晶片100的位置，噴塗後將鋼網拿走，則只在晶片上方留有螢光粉層300。噴塗時，可以進行多次噴塗使LED晶片100上的螢光粉層300更加均勻。並能通過調節每次噴塗的螢光粉量及噴塗螢光粉的次數，來調節器件發光的色溫、顯色指數等。步驟7 矽膠透鏡製作先在在做好的透鏡模具上灌有矽膠，再將步驟6後所得陶瓷基板200倒扣在模具上，固化後將模具拿走，則得到帶矽膠透鏡層400的發光器件。以上詳細描述了在陶瓷基板200上設有一 LED晶片100的結構和製作方法，但在實際需要中還可以設置多個LED晶片100組成多晶片模組進行使用。相對於現有技術，本發明所述的發光器件通過在陶瓷基板200上的金屬層將LED 晶片100中離散分布的電極引出，降低了對LED晶片100的加工工藝要求，使LED晶片100 上的離散的電極可以分布更加密集，提高了電流分布的均勻性從而提高了發光效率。以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例，應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明構思在現有技術基礎上通過邏輯分析、推理或者根據有限的實驗可以得到的技術方案，均應該在由本權利要求書所確定的保護範圍之中。
權利要求
1.一種基於陶瓷基板的發光器件，包括至少一 LED晶片和承載所述LED晶片的陶瓷基板，其特徵在於所述LED晶片下表面設有至少一晶片第一電極和晶片第二電極，所述晶片第一電極呈點陣狀離散地分布在所述晶片第二電極之間，並與所述晶片第二電極電氣隔離；所述陶瓷基板上表面設有基板第一電極和基板第二電極，所述基板第一電極包括第一基座和至少一第一叉指，所述第一叉指設於所述第一基座一端並與所述第一基座電連接，其上表面與至少一所述晶片第一電極電連接；所述基板第二電極包括第二基座和至少一第二叉指，所述第二叉指設於所述第二基座一端並與所述第二基座電連接，其上表面與所述晶片第二電極電連接；所述第一叉指與所述第二叉指呈犬牙狀交錯設置。
2.如權利要求1所述的發光器件，其特徵在於，所述LED晶片自上而下設有外延層、N型氮化鎵層、多量子阱層和P型氮化鎵層，所述P型氮化鎵層上設有至少一刻蝕孔，所述刻蝕孔穿過所述多量子阱層直至露出所述N型氮化鎵層；在所述刻蝕孔中露出的N型氮化鎵層上設有N歐姆接觸層，所述P型氮化鎵層上設有P歐姆接觸層；所述N歐姆接觸層和所述P歐姆接觸層上分別設有所述晶片第一電極和所述晶片第二電極。
3.如權利要求1所述的發光器件，其特徵在於，所述陶瓷基板的第一叉指之間和第二叉指之間以及第一叉指和第二叉指之間的相對高度小於lum。
4.如權利要求3所述的發光器件，其特徵在於，所述第一叉指和第二叉指通過金屬凸點分別與所述晶片第一電極和晶片第二電極電連接。
5.如權利要求4所述發光器件，其特徵在於，所述LED晶片的上表面還設有一螢光粉層。
6.如權利要求5所述的發光器件，其特徵在於，所述第一基座和第二基座上還設有一反光層。
7.如權利要求6所述的發光器件，其特徵在於，所述基板採用AIN材料製作，其厚度為100 lOOOum。
8.如權利要求7所述的發光器件，其特徵在於，還包括一設於所述基板第一電極和基板第二電極之間並且與所述LED晶片並聯的靜電保護器件。
9.如權利要求8所述的發光器件，其特徵在於，所述靜電保護器件為齊納二極體或者兩個反向設置的二極體。
10.一種發光器件的製作方法，其特徵在於，包括以下步驟1)製作一如權利要求1所述的LED晶片；2)通過濺射或者蒸發的方法在陶瓷基板的上表面製作一金屬層，然後在該金屬層上進行光刻或者腐蝕，得到具有權利要求1中所述的基板第一電極輪廓的第一金屬層和具有基板第二電極輪廓的的第二金屬層；3)通過電鍍或者化學鍍的方法分別在所述第一金屬層和第二金屬層上製作一第三金屬層和第四金屬層後，對所述第三金屬層和第四金屬層進行研磨；4)通過電鍍或者化學鍍的方法分別在所述第三金屬層和第四金屬層上製作一第五金屬層和第六金屬層，完成所述基板第一電極和基板第二電極的製作；5)將所述LED晶片下表面的晶片第一電極和晶片第二電極分別邦定到所述陶瓷基板上表面的基板第一電極和基板第二電極。
11.如權利要求10所述的製作方法，其特徵在於，在步驟5)之前在所述陶瓷基板或者LED晶片上製作至少一金屬凸點，所述晶片第一電極和晶片第二電極分別通過所述金屬凸點與所述基板第一電極和基板第二電極邦定。
12.如權利要求10或者11所述的製作方法，其特徵在於，所述步驟3)中通過研磨後基板第一電極的第一叉指之間和基板第二電極的第二叉指之間以及第一叉指和第二叉指之間的相對高度小於1微米。
全文摘要
本發明公開了一種基於陶瓷基板的發光器件及其製造方法，發光器件包括至少一LED晶片和承載所述LED晶片的陶瓷基板，所述LED晶片下表面設有至少一晶片第一電極和晶片第二電極，所述晶片第一電極呈點陣狀離散地分布在所述晶片第二電極之間，所述陶瓷基板上表面設有基板第一電極和基板第二電極，所述基板第一電極包括第一基座和至少一第一叉指，上表面與至少一所述晶片第一電極電連接；所述基板第二電極包括第二基座和至少一第二叉指，上表面與所述晶片第二電極電連接。本發明所述的發光器件降低了對LED晶片的工藝要求，使LED晶片上的離散的電極可以分布更加密集，提高了電流分布的均勻性從而提高了發光效率。
文檔編號H01L33/48GK102569583SQ20111040677
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月8日 優先權日2011年12月8日
發明者周玉剛, 姜志榮, 曾照明, 肖國偉, 賴燃興, 陳海英, 黃智聰 申請人:晶科電子(廣州)有限公司