ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ПРОКЛАДКИ ДЛЯ ПЕРЕВЕРНУТЫХ СИД
PROCESS OF FORMING SPACER FOR FLIP LED

Область техники, к которой относится изобретение
Это изобретение относится к перевернутым светоизлучающим диодам (СИД) и, в частности, к процессу подачи диэлектрического материала прокладки в зазор между чипом СИД и его опорой.
Уровень техники
Фиг.1, уровня техники, демонстрирует традиционный СИД 10, установленный методом перевернутого кристалла на участке опорной пластины 22. Согласно методу перевернутого кристалла, и N- и P-контакты сформированы на одной и той же стороне кристалл СИД, противоположной стороне ростовой подложки 12.
Согласно фиг.1, СИД 10 сформирован из полупроводниковых эпитаксиальных слоев, включающий в себя n-слой, активный слой, и P-слой, выращенные на ростовой подложке 12, такой как, сапфировая подложка. В одном примере, эпитаксиальные слои имеют в своей основе нитрида галлия, и активный слой излучает синий свет. Любой другой тип СИД, смонтированный методом перевернутого кристалла применим к настоящему изобретению.
На СИД 10 сформированы металлические электроды 14, которые электрически контактируют с p-слоем, и на СИД 10 сформированы металлические электроды 16, которые электрически контактируют с n-слоем. В одном примере, электроды представляют собой золотые выступы, приваренные ультразвуковой сваркой к металлическим площадкам 18 и 20 анода и катода на керамической опорной пластине 22. Опорная пластина 22 имеет проводящие каналы 24, ведущие к нижним металлическим площадкам 26 и 28 для крепления к печатной плате. Многие СИД устанавливаются на опорной пластине 22 и затем сингулируются чтобы формировать отдельные СИД/опоры.
Дополнительные детали по СИД можно найти в патентах США №№6,649,440 и 6,274,399, и в патентных заявках США №№2006/0281203 A1 и 2005/0269582 A1, которые все включены путем ссылки.
Затем материал 30 прокладки инжектируется под и вокруг СИД 10 для заполнения воздушных зазоров между СИД 10 и опорной пластиной 22. Материалом 30 прокладки обычно является жидкая эпоксидная смола, которая затем отверждается до твердого состояния. Отвержденная прокладка обеспечивает структурную поддержку и защищает кристалл от загрязнений. Материал 30 прокладки инжектируется посредством форсунки 32, которая перемещается вокруг СИД 10, во время, инжектирования материала 30 прокладки под относительно высоким давлением для заполнения узкого зазора между СИД 10 и опорной пластиной 22 в фактических устройствах, прокладка может дополнительно расширяться в поперечном направлении в большей степени, чем показано на фигурах.
Любой избыточный материал 30 прокладки (например, эпоксидная смола) поверх и вокруг СИД 10/подложки 12 может быть удален путем обдувки микрошариками.
После отверждения и обдувки микрошариками материала 30 прокладки, ростовая подложка 12 удаляется с использованием лазерного отделения (не показан). Энергия фотонов лазера (например, эксимерного лазера) выбирается так, чтобы она превышала энергетическую щель материала СИД и была ниже границы поглощения сапфировой подложки (например, от 3.44 эВ до 6 эВ). Импульсы лазера, проходящие через сапфир, преобразуются в тепловую энергию на протяжении первых 100 нм материала СИД. Генерируемая температура превосходит 1000°C, диссоциирует галлий и азот. Образующийся при этом газ высокого давления отталкивает подложку от эпитаксиальных слоев для освобождения подложки от слоев, после чего отделенная подложка просто удаляется из структуры СИД. Прокладка помогает предотвратить растрескивание тонких слоев СИД под высоким давлением.
Альтернативно, ростовая подложка 12 может быть удалена методом травления, например, реактивного ионного травления (РИТ), или шлифовки. Можно использовать и другие технологии в зависимости от типа СИД и подложки. В одном примере, подложка выполнена на основе Si, и изолирующий материал между подложкой и слоями СИД вытравливается методом влажного травления чтобы удалить подложку.
После любых других процессов на уровне пластины, опорная пластина 22 распиливается или размечается и разбивается для сингулирования СИД/опор. Затем опоры могут быть припаяны к печатной плате.
Технология формирования прокладки из уровня техники включает в себя следующие проблемы.
Обеспечение точного количества материала прокладки для заполнения только под тонкими слоям СИД и вокруг них затруднительно и требует много времени. Процесс формирования прокладки последовательно выполняется на массиве СИД, установленных на опорной пластине, до сингуляции СИД. На одной опорной пластине может быть установлено 500-4000 СИД, в зависимости от размера каждого СИД и плотности. Инжектирование материала прокладки под каждый СИД в матрице с использованием одной движущейся форсунки может занимать 10-40 минут, в зависимости от количества СИД.
Другая проблема состоит в том, что нужно тщательно выбирать свойства материала прокладки, для сохранения надлежащей вязкости, теплового расширения, надежности в течение длительного срока службы СИД, диэлектрические свойства, теплопроводность, защиту от загрязнения и другие параметры. Если вязкость слишком высока, то давление, необходимое для инжекции прокладки под СИД для заполнения всех пустот, может повредить СИД. Пустоты необходимо исключить, поскольку любой воздух будет расширяться при нагревании СИД/опоры и отталкивать СИД от опоры. Кроме того, поскольку пустая область не поддерживает СИД в ходе процесса лазерного отделения, давление, направленное вниз, приложенное к СИД в ходе процесса лазерного отделения, может привести к растрескиванию СИД.
g
Тепловое расширение прокладки чрезвычайно важно, поскольку СИД подвергаются процессу пайки оплавлением припоя при припаивании сингулированной пары СИД/опора к печатной плате. Температура при этом может составлять 265°C. Температура оплавления припоя выше обычной температуры стеклования 185°C для эпоксидной смолы, которая обычно является материалом прокладки. Что касается эпоксидной смолы, температура (T) стеклования это температура, при которой эпоксидная смола становится мягкой. Выше температуры стеклования, тепловое расширение эпоксидной смолы значительно возрастает, вызывая направленное вверх давление, на СИД, что приводит к растрескиванию или отделению СИД.
Необходим усовершенствованный метод формирования прокладки под СИД, который позволяет избежать вышеупомянутых проблем и обойти ограничения по материалам.
Раскрытие изобретения
Описан метод формирования прокладки для СИД, где используется формование под давлением. Процесс осуществляется до любого процесса отделения подложки. СИД, установленные на опорной пластине, помещаются в форму. Форма запечатывается, по меньшей мере, по периметру опорной пластины, и в форме создается вакуум. Форма может быть выполнена из алюминия с раздельными полостями, выровненными с каждым СИД на опорной пластине. В одном варианте осуществления, имеются каналы потока, соединяющие каждую полость с источником вакуума и с, по меньшей мере, одним впускным каналом для жидкого материала.
Затем любой подходящий материал прокладки, такой как, жидкий полиимид подается в впускной канал формы под давлением, и сочетание вакуума и давления жидкого материала заставляет материал полностью заполнять полости в форме, где находятся СИД. Пустот не остается, поскольку материал заполняет форму.
Размеры каждой полости формы позволяют жидкому материалу полностью запечатывать каждый СИД, вместе с его ростовой подложкой.
Затем жидкий материал отверждается нагревом или УФ светом чтобы материала прокладки затвердел, и форма отделяется от опорной пластины. После отделения формы, может быть выполнено отверждение при более высокой температуре.
В другом варианте осуществления, жидкий материал прокладки может сначала заполнять форму, имеющую приподнятое уплотнение по периметру, после чего опорная пластина помещается поверх формы, так, что СИД погружаются в материал прокладки. Под давлением, жидкий материал заполняет все пустоты под каждым СИД. Воздух выталкивается через уплотнения вместе с некоторым количеством материала прокладки. Затем материал отверждается, и форма отделяется от опорной пластины. Поскольку такой процесс формования не основан на инжекции жидкого материала под давлением через впускной канал формы, вероятность повреждения хрупких СИД мала.
В другом варианте осуществления, материал прокладки, используемый для заполнения формы, является не жидкостью, а порошком или небольшими таблетками. Затем твердый материал нагревается в форме для расплавления или размягчения, что позволяет ему соответствовать форме и запечатывать СИД. Сжатие используется для того, чтобы формовать размягченный материал и заставлять его втекать в пустоты под каждым СИД. Работа с твердым материалом прокладки имеет ряд преимуществ. Такое формование под давлением с использованием первоначально твердого материала прокладки значительно расширяет диапазон выбора материалов прокладки. Одним из материалов, которые могут использоваться для этого процесса, является порошок эпоксидной формовочной массы.
После того, как опорной пластины удалена из формы, опорная пластина целиком подвергается процессу обдувки микрошариками для вытравления материала прокладки, пока вся ростовая подложка не будет обнажена. Затем подложка удаляется с использованием процесса лазерного отделения или другого подходящего процесса. Прокладка поддерживает тонкий СИД в течение этого процесса.
После того, как ростовой подложки удалена, толщина СИД может быть уменьшена для повышения выделения светоотдачи. Затем поверхность СИД может делаться шероховатой, чтобы дополнительно повысить светоотдачи за счет уменьшения числа внутренних отражений.
Затем могут быть сформованы линзы поверх СИД и/или могут быть осуществлены другие методы обработки на уровне пластины.
Затем СИД/опоры сингулируются с использованием распиливания, разметки и разбивания или любым другим методом.
Благодаря применению вышеописанного способа, гораздо более широкий диапазон материалов может быть использован для прокладки, поскольку допустим гораздо более широкий диапазон вязкости. При использовании струйной форсунки, из уровня техники, материал может иметь узкий диапазона вязкостей. Предпочтительным материалом прокладки, который может быть использован в настоящем процессе, является полиимид, который имеет температуру стеклования вблизи или выше температуры оплавления припоя, так, что тепловое расширение полиимида в самых неблагоприятных условиях очень мало.
Кроме того, поскольку все СИД на опорной пластине (например, 500-4000 СИД) снабжаются прокладками одновременно, время формирования прокладки может быть сокращено до нескольких минут.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид в поперечном разрезе перевернутого СИД, из уровня техники, установленного на опоре, где материал прокладки СИД подается под давлением посредством небольшой форсунки у основания СИД.
Фиг.2 - упрощенная схема участка опорной пластины, заполненной массивом СИД, например 500-4000 СИД.
Фиг.3A - процесс инжекционного формования на уровне пластины, используемый для запечатывания всех СИД на опорной пластине с помощью материала прокладки.
Фиг.3B - альтернативный тип процесса формования на уровне пластины, без использования инжекции, используемый для запечатывания всех СИД на опорной пластине с помощью материала прокладки.
Фиг.4 - СИД на пластине после удаления из формы, показанной на фиг.3A или фиг.3B.
Фиг.5 - верхняя часть материала прокладки, показанного на фиг.4, удаляемая путем обдувки микрошариками.
Фиг.6 - метод лазерного отделения для удаления ростовых подложек с СИД.
Фиг.7 - вид в поперечном разрезе единичного СИД, установленного на опоре, после уменьшения толщины СИД и после сингуляции СИД/опор. Опора показана припаянной к печатной плате.
Идентичные или эквивалентные элементы обозначены одинаково.
Осуществление изобретения
Прежде всего, традиционный СИД формируется на ростовой подложке. В используемом примере, СИД представляет собой СИД на основе GaN, такой, как СИД на основе AlInGaN или InGaN, для обеспечения синего света. Обычно относительно толстый слой GaN n-типа выращивается на сапфировой ростовой подложке с использованием традиционных методов. Относительно толстый слой GaN обычно включает в себя слой низкотемпературного зародышеобразования и один или более дополнительных слоев для того, чтобы обеспечить низкодефектную кристаллическую решетку для плакирующего слоя n-типа и активного слоя. Затем, поверх толстого слоя n-типа, формируются один или более плакирующих слоев n-типа, затем активный слой, один или несколько плакирующих слоев p-типа и контактный слой p-типа (для металлизации).
Согласно методу перевернутого кристалла, участки p-слоев и активного слоя вытравливаются для обнажения n-слоя для металлизации. Таким образом, p-контакт и n-контакт находятся на одной и той же стороне кристалла и могут непосредственно быть электрически соединены с контактными площадками опоры. Ток из контакта n-металл первоначально течет в поперечном направлении через n-слой.
Другие типы СИД, которые можно использовать в настоящем изобретении, включают в себя СИД AlInGaP, которые могут излучать свет в диапазоне от красного до желтого.
Перевернутый СИД используемый в качестве примера в настоящем изобретении, имеет структуру СИД, показанную на фиг.1, содержащую полупроводниковый СИД 10, его ростовую подложку 12 и его электроды 14/16, где СИД установлен на опорной пластине 22.
На фиг.2 показана упрощенная схема опорной пластины 22, на которой установлен массив СИД. На одной опорной пластине 22 может находиться 500-4000 СИД. СИД также именуется здесь кристаллом СИД.
Вместо размещения форсунки у основания каждого СИД для инжектирования материала прокладки под каждый СИД в матрице, осуществляется процесс формования на уровне пластины.
На фиг.3A показан один тип подходящего процесса инжекционного формования для создания прокладки для каждого СИД. Форма 36 имеет полости 38, которые задают форму затвердевшего материала прокладки после процесса формования. Форма 36 может быть выполнена из алюминия. Форма 36 имеет уплотнение 37 по периметру, которое образует плотный контакт с опорной пластиной 22, когда форма 36 выравнивается с пластиной 22 и прижимается к пластине 22.
Форма 36 имеет, по меньшей мере, один впускной канал 40 для инжектирования жидкого материала 41 прокладки (например, полиимида) и, по меньшей мере, один выпускной канал 42, соединенный с источником вакуума. Когда форма 36 образует герметичный контакт с пластиной 22, в форме 36 создается вакуум, и материал 41 прокладки инжектируется через впускной канал 40. Материал 41 прокладки втекает во все полости 38 по каналам 44 между полостями, при помощи вакуума и давления инжекции материала 41. Вакуум удаляет почти весь воздух из формы 36. В конце концов, вся форма 36 заполняется материалом 41 прокладки, включая все пустоты под СИД.
Затем форма 36 нагревается для отверждения жидкого материала прокладки. Температура формы 36 в ходе отверждения составляет около 150°C. Альтернативно, может быть использована прозрачная форма, и материал прокладки можно отверждать УФ светом.
На фиг.3B показан альтернативный процесс формования на уровне пластины, в котором не используется инжекция материала прокладки под давлением. По фиг.3B, форма 48 имеет полости 50, которые сначала заполняются жидким материалом 41 прокладки под атмосферным давлением. Опорная пластина 22 приводится в контакт с формой 48, так, что СИД погружаются в материал прокладки в каждой полости 50. Пластина 22 и форма 48 прижимаются друг к другу, что заставляет материал прокладки заполнять все пустоты. Уплотнение 53 по периметру позволяет сохранять высокое давление, в то же время, позволяя всему воздуху выходить, когда материал прокладки заполняет пустоты. Между пластиной 22 и формой 48 также можно создавать вакуум с использованием источника вакуума вокруг уплотнения 53.
Затем форма 48 нагревается для отверждения жидкого материала прокладки. Альтернативно, может быть использована прозрачная форма, и материал прокладки можно отверждать УФ светом.
Затем форма, по фиг.3A или 3B, удаляется с пластины 22, в результате чего образуется структура, по фиг.4, имеющая избыток затвердевшего материала 54 прокладки запечатывает каждый СИД. Также на поверхности пластины 22 между каждым СИД, в зависимости от формы, может быть тонкий слой затвердевшего материала прокладки.
g
g
Затем пластина 22 может подвергаться пост-отверждению при температуре около 250°C для придания материалу прокладки дополнительной твердости. Для эпоксидной формовочной смеси или полиимидной прокладки, температура (T) стеклования равна 260-300°C, поэтому температура пост-отверждения, меньшая T, предпочтительна для ограничения любого теплового расширения прокладки.
В другом варианте осуществления, материал прокладки, используемый для заполнения формы, является не жидкостью, а порошком или небольшими таблетками. Затем твердый материал нагревается в форме, по фиг.3A или фиг.3B для его плавления или размягчения. Сжатие используется для того, чтобы заставить размягченный материал принимать форму формы и для заполнять пустоты под СИД с одновременным запечатыванием СИД. Расплавленный или размягченный материал затем отверждается или охлаждается, если необходимо, вновь стать твердым. Некоторые материалы отвердевают автоматически после процесса нагрева и сжатия. Работа с твердым материалом прокладки имеет ряд преимуществ. Кроме того, некоторые подходящие материалы, которые могут быть использованы для прокладки, не являются жидкими при комнатной температуре до отверждения, поэтому нагрев твердого материала в форме с последующим сжатием значительно увеличивает количество возможных материалов, которые можно использовать в качестве прокладки. Один подходящий твердый полимер, который можно использовать, это эпоксидная формовочная смесь в виде порошка.
Для осуществления процесса лазерного отделения для удаления ростовых подложек 12, сначала нужно удалить материал 54 прокладки в пределах ростовой подложки 12. Если ростовая подложка 12 будет удаляться путем шлифовки или другого процесса механического травления, такая шлифовка может использоваться для одновременного удаления избыточного материала 54 прокладки.
3
На фиг.5 показано удаление избыточного материала 54 прокладки путем обдува всей поверхности пластины 22 высокоскоростными микрошариками 58. В одном варианте осуществления, микрошарики 58 имеют диаметр от 1 до 20 микрон и сформированы из NaHCO. Микрошарики 58 ускоряются воздухом, текущим через форсунку под давлением около 100 фунтов на квадратный дюйм или менее. Форсунка может быть большой для травления материала 54 прокладки со всей или большей части пластины 22 без перемещения форсунки, или можно использовать форсунку меньшего размера для вытравления материала 54 прокладки лишь с нескольких СИД за раз с последующим перемещением форсунки в следующую позицию по пластине 22. Удаление избыточного материала любого рода с использованием микрошариков является известным процессом. Материал 54 прокладки вытравливается таким образом, чтобы его верхняя поверхность пересекала край полупроводниковых слоев СИД, гарантируя, что весь СИД поддерживается прокладкой в ходе процесса лазерного отделения подложки.
2
2
На фиг.6 показан вышеописанный процесс лазерного отделения. Лазерные импульсы представлены стрелками 60. В ходе лазерного отделения, поверхность GaN поглощает тепло, приводящее к разложению поверхностного слоя на Ga и N. Давление N отталкивает сапфировую подложку от СИД. После отделения ростовых подложек 12 от полупроводниковых слоев СИД в течение процесса отделения, они удаляются с, например, помощью адгезионного листа или какого-либо другого подходящего процесса.
Затем уменьшается толщина обнаженных слоев СИД посредством, например, реактивного ионного травления (РИТ) или механического травления, поскольку обнаженный верхний слой является относительно толстым n-слоем, и поверхность была повреждена процессом лазерного отделения. Полученная в результате верхняя поверхность затем может быть сделана шершавой для повышения эффективности светоотдачи.
Другие процессы на уровне пластины также могут быть выполнены на массиве СИД, установленном на опорной пластине 22. Один такой процесс может состоять в формовании линзы поверх каждого СИД в процессе единичного формования, аналогичном показанному на фиг.3A или 3B. Детали процесса формования линзы на уровне пластины, описаны в патентной заявке США №2006/0105485 озаглавленной Overmolded Lens Over LED Die, Grigoriy Basin и др., присвоенной настоящему правообладателю и включенной сюда в качестве ссылки.
Затем опорная пластина 22 сингулируется для формирования отдельных СИД/опор. На фиг.7 изображена отдельная пара СИД/опора, припаянная к площадкам на печатной плате 64.
Поскольку существует широкий диапазон вязкости жидкого материала прокладки, пригодного при использовании описанного здесь процесса формования прокладки, материал прокладки можно выбирать, по существу, независимо от его вязкости. Диэлектрический материал прокладки можно выбирать, в основном, на основании его коэффициента теплового расширения, простоты использования и надежности при всех температурах, которым подвергается СИД. Полиимид является предпочтительным материалом прокладки, поскольку он обладает значительно более высокими показателями, чем эпоксидная смола.
Хотя выше были показаны и описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, специалисты в данной области техники могут предложить изменения и модификации, не отклоняющиеся от этого изобретения в его более широких аспектах, и поэтому формула изобретения охватывает в своем объеме все эти изменения и модификации, если они отвечают сущности и объему изобретения.