具有導熱層的發光二極體晶片的製作方法

2023-07-25 17:15:26 3

專利名稱：具有導熱層的發光二極體晶片的製作方法
技術領域：
本發明有關於一種發光二極體(light emitting diode，LED)晶片，尤指一種具有 導熱層的發光二極體晶片。
背景技術：
由於全球能源短缺與環境汙染每況愈下，發光二極體依靠其節能與環保的優點而 大量使用於應用照明領域中，且發光二極體的耐久性更在多種不同應用中展現了明顯優 勢。請參閱圖1，圖1為一公知發光二極體封裝模塊的剖面示意圖。如圖1所示，公知 發光二極體封裝模塊100包括有一板狀結構的發光二極體晶粒(die) 102、一散熱墊(heat slug) 104、一光學透鏡106、一透明封裝樹脂108、一封裝材料110、一螢光層112、一電極 114、與連接電極114與發光二極體晶粒102的連接線116。由於發光二極體是個光電組件， 接受電力後可將電能轉換為光能與熱能，然而在操作過程中僅有15 25%的電能轉換成 光能，其餘的電能幾乎都轉換成熱能。而發光二極體封裝模塊100主要發光都集中在發光 二極體晶粒102中；同樣地，熱量也集中在尺寸很小的發光二極體晶粒102內，使得發光二 極管晶粒102的溫度在操作時升高，引起熱應力(thermal stress)的非均勻分布，導致發 光二極體晶粒102發光效率和螢光粉激射效率下降；是以當溫度超過一定值時，組件失效 率更呈指數規律增加。簡單地說，溫度越高，發光二極體的出光率及可靠性就越低、壽命也 越短。由於高亮度高功率發光二極體系統所衍生的熱問題是影響產品功能優劣的所在， 因此熱量管理可說是發光二極體，尤其是高亮度發光二極體應用中的主要問題。舉例來說， 已知包括氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)與氮化鋁銦鎵(AlInGaN)等三族氮化物材料的發 光二極體是製作於晶格較為匹配的藍寶石基底上，然而因為藍寶石基底材料極低的熱導率 會導致發光二極體熱阻(thermal resistance)增加，產生嚴重的自加熱(self-heating) 效應，所以公知技術已有在藍寶石基底上完成半導體層的製作後，再剝離(lift-off)藍寶 石基底並替換以一高導熱的金屬平板來提供機械性支撐等方法，用意即在於提升發光二極 管熱量的耗散。另外，在後段工藝中，發光二極體封裝模塊100則是利用散熱墊104來降低 發光二極體封裝模塊100的熱阻抗。然而，隨著技術的進步，發光二極體的可發光度越來越高，其產生的熱能也越來越 多；此外面對許多應用產品逐漸走向多晶片封裝等趨勢，除了前段工藝適用材料的選擇與 後段封裝模塊的改良之外，如何將熱量從小小的發光二極體晶粒102中有效地傳導出來， 避免發光二極體在操作中產生的熱量對其本身的性能、可靠性及壽命造成毀滅性的影響， 仍受到持續的注目。

發明內容
因此，本發明的一目的為提供一種可有效傳導熱能的發光二極體晶片。
本發明一種發光二極體晶片，包括有一半導體疊層，所述半導體疊層包括有一第 一表面、一相對的第二表面以及一斜面；而所述第一表面與所述第二表面上分別設置有一 第一電極與一第二電極。所述發光二極體晶片更包括一第一導熱層，包覆(coating)所述 半導體疊層的所述第一表面與所述斜面，且所述第一導熱層具有一第一開口，暴露出所述 第一電極，所述發光二極體晶片更包括一包覆所述第一導熱層且與所述第一電極接觸的第 二導熱層。根據本發明所提供的發光二極體晶片，其主要產生光能及熱能的半導體疊層具有 一斜面，且所述斜面被所述第一導熱層、第二導熱層所包覆，因此半導體疊層所產生的熱能 可透過第一導熱層、第二導熱層有效地傳導至晶片表面，故可提高發光二極體的散熱效率。


圖1為一-公知發光二極體封裝模塊的剖面示意2為本發明所提供的發光二極體晶片的第一優選實施例的剖面示意3為本發明所提供的發光二極體晶片的第二優選實施例的剖面示意4為本發明所提供的發光二極體晶片的第三優選實施例的剖面示意圖其中，附圖標記說明如下100發光二極體封裝模塊102-H-* LL 心片104散執墊 Π^Κ 乂、、、-Ξ±2.106光學透鏡108透明封裝樹脂110封裝材料112螢光層114電極116連接線200,300發光二極體晶片210,310半導體疊層212,312第一表面214,314第二表面216,316斜面222,322第一型半導體層224,324活性層226,326第二型半導體層230,330夾角240,340第一電極242,342第二電極250,350第一導熱層252,352第一開口260,360第二導熱層270,370外部導熱層380表面導熱層382第二開口
具體實施例方式
請參閱圖2，圖2為本發明所提供的發光二極體晶片的第一優選實施例的剖面示 意圖。如圖2所示，本發明所提供的發光二極體晶片200為一垂直式發光二極體晶片，其包 括有一半導體疊層210，具有一第一表面212、一相對於第一表面212的第二表面214，以及 一連接第一表面212與第二表面214的斜面216。在本優選實施例中第一表面212為下表 面，而第二表面214為上表面。半導體疊層210由下而上更包括一第一型半導體層222、一 活性層224與一第二型半導體層226，且第一型半導體層222、活性層2M與第二型半導體 層2 包括氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)與氮化鋁銦鎵(AlInGaN)等三族氮化物材料。4在本第一優選實施例中，第一型指P型，而第二型指η型，但亦不限於第一型為η型，而第二 型為P型。半導體疊層210是製作於晶格較為匹配的藍寶石基底中，隨後以高導熱導電的 金屬基底取代藍寶石基底，以提供機械性支撐等方法，並提升發光二極體熱量的耗散。由於 上述製作半導體疊層210、金屬基底與剝離(lift-off)藍寶石基底，以及相關透明導電層 製作等步驟為所屬領域技術人員所熟知的，故所述步驟與相關優選的材料選擇於此皆不再 贅述，此外圖2中亦僅繪示發光二極體中主要作為發光結構的半導體疊層210;而第一表面 212與第二表面214則可選擇性形成的金屬基底與透明導電層等膜層，皆於圖2中省略。值得注意的是，如圖2所示，本發明所提供的半導體疊層210的剖面具有一倒梯形 的形狀，因此其斜面216與活性層2 具有一夾角230，且夾角230大於(>)90度，用以將 活性層2M所產生的光線導出發光二極體晶片200內部。另外，如圖2所示，發光二極體芯 片200尚包括一第一電極240與一第二電極M2，分別設置於半導體疊層210的第一表面 212與第二表面214 ；且設置於第二表面214的第二電極242可於後續封裝工藝中通過連接 線與外部電極電性連接。請繼續參閱圖2，根據本第一優選實施例所提供的發光二極體晶片200，其更包括 一第一導熱層250，第一導熱層250沿著半導體疊層210的第一表面212與斜面216形成， 而包覆半導體疊層210的第一表面212與斜面216，且其具有一第一開口 252，用以暴露出 第一電極對0。第一導熱層250包括透明絕緣材料，如氧化矽(SiOx)、氮氧化矽(SiOxN(1_x))、 類鑽碳(diamond-like carbon,DLC)或氧化鈦(TiO2)等，並可利用化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)等方法形成，但不限於此。在第一導熱層250的外側，設置有一第二導熱層沈0，以電鍍或蒸鍍方法形成於第 一導熱層250的表面，因此第二導熱層260同樣具有對應於半導體疊層210的第一表面212 與斜面216的輪廓。第二導熱層260包覆第一導熱層250，並與暴露於第一開口 252的第一 電極240相接觸而電性連接。第二導熱層260包括高導熱的導電材料，例如鋁、銀、鎳、鈦、 金、鉬、鈀、銅、鈷或其合金，或任何適用的半導體材料。此外，第二導熱層260除了具有高導 熱、低電阻的規格需求外，優選更具有高反射性的材料特性，因此第二導熱層260除了可將 發光結構產生的熱量傳導出來之外，更用以將活性層224自斜面216穿透出來的光線反射， 使得發光二極體晶片200的光線利用更加有效。此外，第二導熱層260可為一杯狀，其內部 包覆且容納半導體疊層210、第一電極240與第一導熱層250 ；而其外部則可用以維持傳統 發光二極體晶片200平板結構的形狀，以方便併兼容於後續公知封裝工藝的進行。根據本第一優選實施例所提供的發光二極體晶片200，作為發光結構並產生光能 及熱能的半導體疊層210被第一導熱層250與第二導熱層260包覆，由於第一導熱層250與 第二導熱層260包括了高導熱的材料，半導體疊層210所產生的熱能可由第一表面212與 斜面216傳導至第一導熱層250與第二導熱層沈0，使得發光二極體晶片200在操作過程中 所產生的熱能通過上述膜層迅速的傳導出來。接下來請參閱圖3，圖3為本發明所提供的發光二極體晶片的第二優選實施例的 剖面示意圖。由於第二優選實施例與第一優選實施例的各組件及相對關係皆與第一優選實 施例相同，故於此不再贅述，而僅將不同的組件做如下說明根據本發明所提供的第二優選 實施例，在第二導熱層沈0的外側，更設置有一外部導熱層270，以電鍍或蒸鍍方法對應著 半導體疊層210的第一表面212與斜面216形成，而包覆第二導熱層沈0。外部導熱層270包括金屬或半導體材料等任何良好的熱導及電導材料，且可如圖3所示為一杯狀，其內部 包覆且容納半導體疊層210、第一電極M0、第一導熱層250與第二導熱層沈0 ；而其外部則 可用以維持傳統發光二極體晶片200平板結構的形狀，以方便並相容於後續公知封裝工藝 的進行。另外，由於第一電極240暴露於第一開口 252中，而與可導電的第二導熱層260及 外部導熱層270電性連接，因此外部導熱層270更直接用作發光二極體晶片200的電極接 觸。此外值得注意的是，考慮到第一導熱層250與外部導熱層270熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion，CTE)不同而可能產生的應力問題，因此設置於其間的第二導熱層 260的優選材料為其CTE介於外部導熱層270材料與第一導熱層250材料的CTE之間的。根據本第二優選實施例所提供的發光二極體晶片200，作為發光結構並產生光能 及熱能的半導體疊層210被第一導熱層250、第二導熱層260及外部導熱層270包覆，由於 第一導熱層250、第二導熱層260及外部導熱層270包括了高導熱的材料，半導體疊層210 所產生的熱能可由第一表面212與斜面216傳導至第一導熱層250、第二導熱層260及外部 導熱層270，使得發光二極體晶片200在操作過程中所產生的熱能通過上述膜層迅速的傳 導出來。而且相較於公知呈平板結構的發光二極體晶片200的長方體構造，本發明提供的 發光二極體晶片200的半導體疊層210為一具倒梯形剖面的結構，此亦加大與第一導熱層 250、第二導熱層260及外部導熱層270的接觸面積，而提高散熱效果。請參閱圖4，圖4為本發明所提供的發光二極體晶片的第三優選實施例的剖面示 意圖。如圖4所示，本發明所提供的發光二極體晶片300亦為一垂直式發光二極體晶片，其 包括有一半導體疊層310，包括有一第一表面312、一相對於第一表面312的第二表面314 以及一斜面316，在本優選實施例中第一表面312為下表面；而第二表面314為上表面。如 前所述，垂直式發光二極體晶片由下而上更包括一第一型半導體層322、一活性層3M與一 第二型半導體層326，且第一型半導體層322、活性層324與第二型半導體層3 包括三族 氮化物材料。在本第三優選實施例中，第一型亦指P型；而第二型則為η型，但亦不限於第 一型為η型，而第二型為P型。第二優選實施例所提供的垂直式發光二極體晶片的製作過程 如製作半導體疊層310、金屬基底與剝離藍寶石基底，以及相關透明導電層製作等步驟為熟 悉所述技術領域的人員所熟知的，故所述步驟與相關優選的材料選擇於此亦不再贅述。此 外與第一優選實施例及第二優選實施例相同的是，圖4中亦僅繪示發光二極體組件中主要 作為發光結構的半導體疊層310 ；而金屬基底與透明導電層等膜層則於圖4中省略。發光二極體晶片300的半導體疊層310具有的斜面316與活性層3Μ具有一夾角 330，且夾角330 >90度，用以將活性層3 所產生的光線導出發光二極體晶片300內部。 另外，發光二極體晶片300亦包括一第一電極340與一第二電極342，分別設置於半導體疊 層310的第一表面312與第二表面314 ；且設置於第二表面314的第二電極342可於後續 封裝工藝中通過連接線與外部電極電性連接。根據本第三優選實施例所提供的發光二極體晶片300，更包括一第一導熱層350， 第一導熱層350沿著半導體疊層310的第一表面312與斜面316形成，故包覆半導體疊層 310的第一表面312與斜面316，且第一導熱層350具有一第一開口 352，用以暴露出第一電 極340。第一導熱層350的外側設置有一第二導熱層360，以電鍍或蒸鍍方法形成於第一導 熱層350的表面，因此第二導熱層360同樣具有對應於半導體疊層310的第一表面312與斜 面316的外型輪廓，而包覆第一導熱層350，並與暴露於第一開口 352中的第一電極340相接觸而電性連接。在第二導熱層360的外側，更設置有一外部導熱層370，其亦以電鍍或蒸 鍍方法沿著半導體疊層310的第一表面312與斜面316形成，而包覆第二導熱層360。第一 導熱層350包括透明絕緣材料、第二導熱層360包括高導熱的導電材料，而外部導熱層370 則包括金屬或半導體材料等任何良好的熱導及電導材料，上述膜層的材料選擇與第一優選 實施例相同，故於此不再贅述。如前所述，由於第二導熱層360包括的材料多為可反射光線的金屬材料，因此第 二導熱層360除了將發光結構產生的熱量傳導出來之外，更可將自斜面穿透出來的光線反 射，故可更增加發光二極體晶片300的光線利用。而外部導熱層則可如圖4所示為一杯狀， 其內部包覆且容納半導體疊層310、第一電極340、第一導熱層350與第二導熱層360 ；而其 外部則可用以維持傳統發光二極體晶片300平板結構的形狀，以方便併兼容於後續公知封 裝工藝的進行。另外值得注意的是，由於第一電極340暴露於第一開口 352中而與可導電 的第二導熱層360及外部導熱層370電性連接，因此外部導熱層370更可直接用作發光二 極管晶片300的電極接觸。本第三優選實施例所提供的發光二極體晶片更包括有一表面導熱層380，設置於 半導體疊層310的第二表面314上，且覆蓋第二表面314。值得注意的是，表面導熱層380 具有一第二開口 382，用以暴露出第二電極342，使第二電極342可於後續封裝工藝中通過 連接線與外部電極電性連接。表面導熱層380更包括透明絕緣材料，例如氧化矽、氮氧化 矽、類鑽碳或氧化鈦，其材料的選擇可與第一導熱層350相同或不同。設置於第二表面314 的表面導熱層380用以將半導體疊層310在操作中所產生的熱能由第二表面314散逸，詳 細地說，由於表面導熱層380與第二表面314、第一導熱層350、第二導熱層360以及外部導 熱層370皆有接觸，因此半導體疊層310所產生的熱能可由第二表面314傳導至表面導熱 層380，之後可通過表面導熱層380傳導至外部導熱層380而散逸；或可由表面導熱層380 直接散逸。簡單地說，表面導熱層380的設置可更加速半導體疊層310第二表面314的散 熱。根據本第三優選實施例所提供的發光二極體晶片300，半導體疊層310在操作時 產生的熱能可通過第一表面312與斜面316傳導至第一導熱層350、第二導熱層360、外部 導熱層370 ；同時熱能亦由第二表面314傳導至表面導熱層380，再由上述膜層散逸。也就 是說，可用來提供熱傳導的各表面皆有導熱層的設置，增加了熱傳導的接觸面積，因此發光 二極體晶片300在操作過程中所產生的熱能可通過上述膜層迅速的傳導出來。綜上所述，根據本發明所提供的發光二極體晶片，其主要產生光能及熱能的半導 體疊層具有一上表面、一下表面與一斜面，且下表面與斜面被第一導熱層、第二導熱層與外 部導熱層所包覆，因此半導體疊層所產生的熱能可透過第一導熱層、第二導熱層與外部導 熱層有效地傳導至發光二極體晶片表面；而上表面則可通過表面導熱層的設置更增加熱傳 導的面積，且上述第一導熱層、第二導熱層、外部導熱層與表面導熱層更可具有粗糙表面， 以更增加熱傳導面積，故本發明所提供的具有導熱層的發光二極體晶片本身即具有高散熱 優點，在後續封裝工藝中可更提高發光二極體的散熱效率、降低組件的操作溫度、增加組件 壽命與發光效率。此外，由於半導體疊層的斜面與產生光的活性層所具有的夾角> 90度； 輔以包括金屬材質的第二導熱層的設置，更可提高光反射而提升發光二極體晶片的發光效 率。7
以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明權利要求所做的均等變化與修 飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1. 一種發光二極體晶片，其特徵在於包括一半導體疊層，具有一第一表面、一相對的第二表面以及一連接所述第一表面與所述 第二表面的斜面；一第一電極與一第二電極，分別設置於所述半導體疊層的所述第一表面與所述第二表一第一導熱層，包覆所述半導體疊層的所述第一表面與所述斜面，且具有一第一開口， 暴露出所述第一電極；以及一第二導熱層，包覆所述第一導熱層且與所述第一電極接觸。
2.如權利要求1所述的發光二極體晶片，其特徵在於所述半導體疊層的剖面為一倒梯形。
3.如權利要求2所述的發光二極體晶片，其特徵在於所述活性層與所述斜面具有一夾 角，且所述夾角>90度。
4.如權利要求1所述的發光二極體晶片，其特徵在於所述第一導熱層包括透明絕緣材料。
5.如權利要求1所述的發光二極體晶片，其特徵在於所述第二導熱層包括導電材料。
6.如權利要求1所述的發光二極體晶片，其特徵在於更包括一外部導熱層，且所述外 部導熱層包覆所述第二導電層。
7.如權利要求6所述的發光二極體晶片，其特徵在於所述外部導熱層包括金屬或半導 體材料。
8.如權利要求1所述的發光二極體晶片，其特徵在於更包括一表面導熱層，包覆所述 半導體疊層的所述第二表面。
9.如權利要求8所述的發光二極體晶片，其特徵在於所述表面導熱層更包括一第二開 口，用以暴露出所述第二電極。
10.如權利要求8所述的發光二極體晶片，其特徵在於所述表面導熱層更包括透明絕 緣材料。
全文摘要
一種發光二極體晶片，其特徵在於包括有一半導體疊層，所述半導體疊層包括有一第一表面、一相對的第二表面以及一連接所述第一表面與所述第二表面的斜面；而所述第一表面與所述第二表面上分別設置有一第一電極與一第二電極。所述發光二極體晶片更包括一第一導熱層，包覆所述半導體疊層的所述第一表面與所述斜面，且所述第一導熱層具有一第一開口，暴露出所述第一電極；所述發光二極體晶片更包括一包覆所述第一導熱層且與所述第一電極接觸的第二導熱層。
文檔編號H01L33/00GK102054905SQ20091020717
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月29日 優先權日2009年10月29日
發明者沈佳輝, 洪梓健, 馬志邦 申請人:展晶科技(深圳)有限公司, 榮創能源科技股份有限公司