CN101202273A - Led组件 - Google Patents

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CN101202273A CN 200710184957 CN200710184957A CN101202273A CN 101202273 A CN101202273 A CN 101202273A CN 200710184957 CN200710184957 CN 200710184957 CN 200710184957 A CN200710184957 A CN 200710184957A CN 101202273 A CN101202273 A CN 101202273A
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Abstract

本发明提供散热性提高的LED组件。LED组件具有:具有可进行倒装芯片安装的电极(7)的LED元件(14);具有两层以上的金属层(11、12)和在金属层(11、12)的层间包含高分子树脂的电绝缘层(10)的布线衬底(16);传导LED元件的热的LED元件的金属膜层(5);布线衬底的金属层中,作为LED元件搭载面的第一金属层(11)具有供电用金属图案(11a)和与供电用金属图案电绝缘而形成的导热用金属图案(11b)。供电用金属图案和电极被倒装芯片连接成电导通,导热用金属图案与金属膜层之间通过电绝缘部(9)而被倒装芯片连接,导热用金属图案和第一金属层以外的金属层(11、12)通过导热部(13)结合。

Description

LED组件
技术领域
本发明涉及在布线衬底上安装LED(Light Emitting Diode:发光二极管)元件而形成的LED组件。
背景技术
LED组件是把LED元件或LED(把LED元件封装成可安装的状态)与用于对它们进行供电的布线或布线衬底组合而成,对最简单的LED组件来说有用通用电线把LED连接起来,组合成闪烁用的控制器的电子装饰用的组件。
近年来,由于提高了LED元件的发光效率,还开发出蓝色的LED元件,由此,通过组合蓝色LED元件和荧光物质,或通过红色、绿色、蓝色各种LED元件的光的混合,可以产生白色光。因此,多用作移动电话等的小型平板显示器(FPD-Flat Panel Display)的背光。再有,作为对此技术的发展,原来,采用了荧光灯技术的液晶电视的背光或照明器具中替换成LED的产品也已在市场销售。
对于在这种用途中使用LED,可举出以下几个要点。(1)更有效地得到光;(2)使LED元件的发热更有效地散热而保持LED元件的温度较低;(3)可进行LED元件的性能试验等。
作为上述(1)的解决方法之一,提出了倒装芯片安装方式的LED元件的方案(例如,参照专利文献1-日本特开平11-340514号公报)。作为上述(2)的解决方法,采用把导热好的绝缘体作为辅助座来增加热的传导面积的方法(例如,参照专利文献2-日本特开2006-86139号公报)。作为上述(3)的解决方法,相当于封装成可安装到上述辅助座或其它布线衬底的状态进行销售的LED的状态。此外,作为综合解决上述(1)、(2)的方法,考虑了可倒装芯片安装、并且具有散热用的电绝缘的凸起的LED元件的方案(例如,参照专利文献3-日本特开20003-110148号公报)。
然而,原来的LED元件的安装主流是采用在氮化铝那样的陶瓷系的导热好的绝缘体的表面上,用气相法等形成用于供电的金属布线图案的辅助座。但是,辅助座由于与向其供电的布线衬底是相对独立的部件,因而会导致LED组件的构成零部件的数目增加,并且由于陶瓷系的绝缘体的原料本身价格高,此外向辅助座的表面形成布线的气相法的制造成本也高,从而阻碍了LED组件的价格下降。
此外,不使用陶瓷系的绝缘体,而直接把倒装芯片与布线衬底和LED元件连接的LED组件焊接到散热板上,使之同时具有导热性和电绝缘性,由于所有的布线衬底的绝缘体的导热率低而较为困难。例如,导体铜的导热率为398W/m·K,相对于此,绝缘体聚酰亚胺的导热率仅为0.25W/m·K。此外,这样倒装芯片安装的LED组件在受到温度循环的环境中,因高分子树脂或金属布线的线膨胀系数与LED元件的线膨胀系数之差而在软钎料球等接合材料或其接合面产生应力,有时会产生LED元件的破损或接合材料或接合面的破损等问题。
发明内容
本发明解决了上述问题,提供一种提高散热性的LED组件。
为解决上述问题,本发明的构成如下。
本发明第一方案的LED组件的特征是,具有:具有可进行倒装芯片安装的电极的LED元件;具有两层以上的金属层和在所述金属层的层间包含高分子树脂的电绝缘层的布线衬底;传导所述LED元件的热的所述LED元件的金属膜层;所述布线衬底的所述金属层中,作为所述LED元件搭载面的第一金属层具有供电用金属图案、以及与所述供电用金属图案电绝缘而形成的导热用金属图案;所述供电用金属图案和所述电极被倒装芯片连接成电导通;所述导热用金属图案与所述金属膜层之间通过电绝缘部而被倒装芯片连接;所述导热用金属图案和所述第一金属层以外的所述金属层通过导热部结合。
本发明第二方案的特征是,在第一方案的LED组件中,在所述金属膜层上形成有导热用金属部,通过所述导热用金属部和所述电绝缘部与所述导热用金属图案倒装芯片连接。
本发明第三方案的特征是,在第一或第二方案的LED组件中,在覆盖所述第一金属层的抗蚀剂上形成有开口,所述电极及所述导热用金属部在所述开口部分别与所述供电用金属图案和所述导热用金属图案倒装芯片连接。
本发明第四方案的特征是,在第一~第三方案的任何一项所述的LED组件中,把所述布线衬底做成带状或片状,在该布线衬底的宽度方向或长度方向,或这两个方向上以任意的间隔配置两个以上所述LED元件。
本发明第五方案的特征是,在第一~第四方案的任何一项所述的LED组件中,所述导热部用导热率在30W/m·K以上的材料形成。
本发明第六方案的特征是,在第一~第五方案的任何一项所述的LED组件中,所述导热部是至少一个以上的电镀填充过孔。
本发明第七方案的特征是,在第一~第六方案的任何一项所述的LED组件中,所述电绝缘层的厚度在3μm以上125μm以下。
本发明第八方案的特征是,在第一~第七方案的任何一项所述的LED组件中,所述高分子树脂在从-40℃到+120℃的温度范围内的线膨胀系数为0~6ppm/℃。
本发明第九方案的特征是,在第一~第七方案的任何一项所述的LED组件中,所述高分子树脂在100℃的贮藏弹性率为100MPa(动态粘弹性的测定频率:1Hz)以下,且在240℃的贮藏弹性率为1MPa(动态粘弹性的测定频率:1Hz)以上。
本发明第十方案的特征是,在第一~第九方案的任何一项所述的LED组件中,在与通过所述导热部结合在所述导热用金属图案上的所述第一金属层的相反一侧外层的所述金属层上安装有散热物体。
本发明第十一方案的特征是,在第十方案所述的LED组件中,所述散热物体的导热率在30W/m·K以上。
本发明第十二方案的特征是,在第十或第十一方案的LED组件中,所述散热物体是陶瓷。
若采用本发明,可得到不需要辅助座就能廉价地制作。且散热性也好的LED组件。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的LED组件的立体图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是表示布线衬底的第一金属层的图案的俯视图。
图4是表示布线衬底的第一金属层的图案的其它例子的俯视图。
图5是表示第二实施方式的LED组件的剖视图。
图6是表示第三实施方式的LED组件的剖视图。
图7是表示第四实施方式的LED组件的剖视图。
图中:
1-蓝宝石衬底;2-n型半导体层;3-发光层;4-p型半导体层;5-金属膜层;6-导热用金属部;7-电极;8-倒装芯片连接层;9-电绝缘部;10-高分子树脂层(电绝缘层);11-第一金属层;11a-供电用金属图案;11b-导热用金属图案;12-第二金属层;13-电镀填充过孔(导热部);14-LED元件;15-抗蚀剂;16-布线衬底;17-散热器(散热物体);18-第三金属层;19-粘接剂层
具体实施方式
以下对本发明的LED组件的实施方式进行说明。
该LED组件具有:具有可安装倒装芯片的电极的LED元件;具有两层以上金属层和在所述金属层的层间包含高分子树脂的电绝缘层的布线衬底;传导所述LED元件的热的所述LED元件的金属膜层;所述布线衬底的所述金属层之中,作为所述LED元件搭载面的第一金属层具有供电用金属图案、以及与所述供电用金属图案电绝缘而形成的导热用金属图案,所述供电用金属图案和所述电极被倒装芯片连接成电导通,所述导热用金属图案与所述金属膜层之间通过电绝缘部而被倒装芯片连接,所述导热用金属图案和所述第一金属层以外的所述金属层通过导热部结合。
在LED元件所发出的热从LED元件的金属膜层通过具有电绝缘部的倒装芯片连接部被传到导热用金属图案,进一步通过导热部被传到第一金属层以外的金属层。这样,由于LED元件的热向导热用金属图案、金属层逐渐扩散而进行传热,从而散热性高,可变增加流过LED组件中的电流而提高亮度。此外,由于把LED元件直接地倒装芯片式安装到布线衬底上,从而能够不要辅助座,能够廉价地制作。
此外,优选在上述金属膜层形成导热用金属部,通过该导热用金属部和上述电绝缘部与上述导热用金属图案倒装芯片连接。导热用金属部可以例如与电极同时形成在金属膜层上。
此外,优选在覆盖上述第一金属层的抗蚀剂上形成开口,在这些开口部把上述电极及上述导热用金属部分别倒装芯片连接到上述供电用金属图案及上述导热用金属图案上。
此外,也可以做成把上述布线衬底做成带状或片状,在该布线衬底的宽度方向或长方向、或这两个方向上以任意间隔配置两个以上上述LED元件的LED组件。由此,能够降低制造成本,并能进行把多个LED元件配置在最佳的位置等,LED组件的最佳图案设计。
此外,作为用于上述布线衬底的电绝缘层的高分子树脂,可列举聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺苯并恶唑、环氧树脂、芳香族聚酰胺等树脂或它们的混合树脂。此外,也可以在这些树脂或混合树脂中添加橡胶或填料(填充剂、增强剂、粘度调节剂)来形成。因为这些树脂等的电绝缘层的电绝缘强度在100~200V/μm左右以及制造时厚度控制的困难等,电绝缘层的厚度希望为3μm以上的厚度。此外,为了确保利用了供电用金属图案(供电布线)的接触面积的向高分子树脂的厚度方向的导热量,电绝缘层的厚度以尽可能薄到125μm以下为宜。
此外,使上述电绝缘层的线膨胀系数在从-40℃到+120℃的温度范围为0~6ppm/℃,理想的是与LED元件相同的程度的情况下,可以减小因与LED元件的线膨胀之差所产生的应力,可期待提高受到温度循环的环境下的可靠性。
此外,根据其它观点,优选上述电绝缘层中包含的高分子树脂,在100℃的贮藏弹性率在100MPa(动态粘弹性的测定频率:1Hz)以下,且在240℃的贮藏弹性率在1MPa(动态粘弹性的测定频率:1Hz)以上。这样,通过对布线衬底的电绝缘层选择低弹性的高分子树脂,能够减小由LED元件和布线衬底的线膨胀差所产生的应力,可期待提高在受到温度循环的环境下的可靠性。此外,LED元件安装到布线衬底上时,即使在使焊锡熔融的回流温度的240℃附近也能通过确保1MPa以上的贮藏弹性率而防止高分子树脂本身或接触界面的损坏。
此外,结合上述导热用金属图案和第一金属层以外的金属层之间的上述导热部为了弥补结合的截面积小的缺点,虽然特别好的是用例如通过电镀铜的结合来确保398W/m·K的导热率,但若为与无铅焊锡同等的30W/m·K的导热率以上的话较好。30W/m·K的导热率与聚酰亚胺的导热率相比好100倍左右。
此外,上述导热部能以至少一个以上的电镀填充过孔构成,电镀填充过孔的直径Φ优选在100μm以下。其中,Φ60μm以下的小直径过孔,特别是通孔,在布线衬底的两面沉积过孔半径以上的厚度的镀铜时,可以同时填充电镀,这样,可导稳定导通过孔的品质和降低布线衬底的制造成本。
此外,LED元件的金属膜层和导热用金属图案之间的上述电绝缘部,从制造成本的观点考虑,希望设置在LED元件一侧,但既可以设在导热用金属图案一侧,也可以设在两方。电绝缘部希望是由气相法形成的SiO2、金刚石型碳(DLC-Diamond Like Carbon)等电绝缘膜。或者,代替软钎料球也可以做成将把氮化铝等导热好的陶瓷形成例如圆柱状或棱柱状的的物体以夹在导热用金属图案和金属膜层之间的方式设置。该场合,则不需要对LED元件或导热用金属图案形成电绝缘膜。
此外,也可以做成在与通过导热部与上述导热用金属图案结合的第一金属层的相反一侧外层的金属层(成为导热用或散热用金属图案)上安装有散热物体的结构。作为上述散热物体有散热器或机器的金属箱体等,例如,只要用粘接剂将散热物体粘接并安装在金属层(导热用或散热用金属图案)上即可。由于在第一金属层以外的金属层(导热用或散热用金属图案)不需要供电布线而能够增加金属层的面积,从而用于散热物体的粘接的粘接剂可以是具有1W/m·K以上程度的导热率的通用的粘接剂。
此外,作为上述散热物体的导热率即使在与无铅焊锡同等程度以上这种意义上也优选30W/m·K以上。
此外,作为上述散热物体由于使用金属等具有导电性的物体而担心因机器侧的问题等电的原因使LED元件破坏的场合,作为上述散热物体也可使用电绝缘的氧化铝或氮化铝等陶瓷。
以下,进一步使用附图对本发明的实施方式进行说明。
第一实施方式
图1是表示把三个LED元件14串联地配置在带状或片状的布线衬底16上连接而成的LED组件的一个实施方式的立体图。至于LED元件14的密封材料(透明树脂或未充满材料)或反射板,根据需要虽可以附加,但图1并未表示。
图2表示图1的A-A截面。如图2所示,LED元件14具有在布线衬底16侧可倒装芯片安装的两个电极7、7和一个以上的导热用金属部6。图示例子的LED元件14是在蓝宝石衬底1上通过有机金属气相生长法等首先沉积并形成由III族氮化物半导体等组成的n型半导体层2,发光层(活性层)3及p型半导体层4,利用刻蚀除去p型半导体层4、发光层3及n型半导体层2的一部分。接着,利用蒸镀等在n型半导体层2上形成电极(n电极)7,同时,利用蒸镀等在p型半导体层4上形成金属膜层5后,在金属膜层5上形成电极(p电极)7及导热用金属部6。金属膜层5成为电极(p电极)7及导热用金属部6的底层的同时,还成为接受发光层3的热量的集热层及受热层。并且,金属膜层5还是把来自发光层3的光反射到蓝宝石衬底1侧的反射层。
把这样得到的LED用衬底做成芯片,制作LED元件14。
布线衬底16具有作为电绝缘层的高分子树脂层10、形成于高分子树脂层10的LED元件14搭载一侧的面上的第一金属层11、形成于高分子树脂层10的另一个面上的第二金属层12、覆盖第一金属层11侧的抗蚀剂15。第一金属层11由电连接到电极7、7的供电用金属图案11a以及与供电用金属图案11a电绝缘而形成的导热用金属图案11b组成。布线衬底16既可以是柔性的也可以是刚性的
高分子树脂层10可以是聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺苯并恶唑、环氧树脂、芳香族聚酰胺等的单独或混合的树脂,或在这些单独或混合的树脂中复合了橡胶或玻璃布的材料,形成带状或膜状。
第一金属层11和第二金属层12的材质从导热和导电来说铜比较合适,但也可以使用铝或铜的合金等。
导热用金属图案11b为铜时的层间连接用以下方法比较合适。首先,准备例如聚酰亚胺系的膜作为高分子树脂层10,用激光加工机边打几个在图案形成中也使用的Φ1~2mm左右的识别孔(未图示),边打出层间连接用的Φ15~60μm的通孔10a。把它们放到溅射装置上,在包括通孔10a的壁面的整个面上加工防腐层和铜溅射层。随后,把它们放到镀铜装置上,对整个面进行镀铜。此时,若镀铜的厚度达到通孔10a的半径以上的话,则通孔10a被镀铜所填充(电镀填充过孔13),但考虑到余量也可以再镀5μm左右的厚度。此时,多个Φ1~2mm左右的识别孔的直径要小电镀厚度的2倍左右,但由于识别孔的中心坐标不变,从而使用该识别孔,曝光出必要的图案,并经显影,刻蚀,形成第一金属层11的供电用金属图案11a及导热用金属图案11b,进而形成第二金属层(导热或散热用金属图案)12。
用半添加法形成时,上述铜溅射之后对必要的半添加用的图案进行曝光并显影,用镀铜进行过孔的填充和图案的形成。
每种情况下都涂上或粘贴上曝光用的抗蚀剂,图案完成后除去抗蚀剂。
其次,通过对感光性抗蚀剂15用油墨进行印刷,或用干膜进行叠层后,再进行曝光、显影,从而形成用于倒装芯片连接所需要的抗蚀剂15的外形图案和LED元件14的电极7、7以及导热用金属部6的开口15a。特别是由于用于倒装芯片连接的开口15a设想为Φ0.1mm以下的情况,因而这种情况也可以使用激光加工。然后,对供电用金属图案11a、导热用金属图案11b及第二金属层12进行电镀。电镀根据需要选择Pd底层的镀银、Ni底层的镀金等。若进行掩模的话,也可以对每个金属图案分别决定电镀与否或不同的种类。
接着,在导热用金属图案11b上的倒装芯片连接用的开口15a形成电绝缘部9。电绝缘部9是通过等离子体CVD法(化学蒸镀法)等把例如SiO2或DLC等电绝缘膜形成可得到必要的绝缘的厚度(例如1~5μm)。对该电绝缘部9和LED元件14的导热用金属部6的连接,在采用软钎料球的场合,希望在电绝缘部9的最表面形成金等软钎料浸透的金属。
随后,利用抗蚀剂15的开口15a,放置软钎料球进行回流,使软钎料球连接到布线衬底16上。然后,将LED元件14的导热用金属部6及电极7放置到开口15a的软钎料球上,通过再次回流,形成倒装芯片连接层8,完成LED元件14和布线衬底16的电的、机械的连接。然后,树脂密封LED元件14,完成LED组件。在需要LED元件用的反射板的场合,在把LED元件14搭载到布线衬底16的前后用粘接等方法进行安装。
在LED元件14的发光层3产生的热主要传到LED元件14的金属膜层5上并聚集,并从金属膜层5通过导热用金属部6、倒装芯片连接层8及电绝缘部9传到导热用金属图案11b,进一步通过电镀填充过孔13传向第二金属层12,从第二金属层12等有效地散热。
下面,说明供电用金属图案及导热用金属图案。
图3表示布线衬底16的供电用金属图案11a及导热用金属图案11b的一个例子。还有,图3中表示的是在布线衬底16的宽度方向上配置三个LED元件14,在长度方向配置了多个的LED组件。在该LED组件中利用与两个电极7和三个导热用金属部6对应的五个倒装芯片连接层8把各LED元件14结合到布线衬底16上。供电用金属图案11a和导热用金属图案11b用隔离片隔开而被电绝缘。导热用金属图案11b与布线衬底16的背面的第二金属层12连接。
另外,供电用金属图案11a对每一个LED元件14用隔离片隔开。这样一来,可以一个一个地进行LED元件14的测试,通过测试确认是否合格,在有不良品时进行了修理后,可用跳线等将供电用金属图案11a之间连接成必要的线路。当然,供电用金属图案11a从最初制作布线图案形成连线状态也是容易的。
图4表示进一步考虑了耐热循环性的供电用金属图案11a及导热用金属图案11b的其它例子。作为高分子树脂层10使用的是在-40℃~+120℃的实用温度范围线膨胀系数为0~6ppm/℃的聚酰亚胺系的树脂,或者使用硬化后的贮藏弹性率在100MPa(动态粘弹率的测定温度为100℃,测定频率为1Hz)以下的环氧树脂和丙烯酸系橡胶的混合树脂。再利用各倒装芯片连接层8与LED元件14接合,使供电用金属图案11a及导热用金属图案11b都独立。由此,由于减小第一金属层11具有的线膨胀系数的影响,可有效地利用高分子树脂层10具有的特性,因而在LED组件经受温度循环时,可以减小施加在LED元件14或LED元件14与布线衬底16的连接部的应力。
第二实施方式
图5表示的是为了提高LED元件14的散热效率而在图1的LED组件上还设置了作为散热物体的散热器17的第二实施方式。散热器17只要有散热功能,也可以是机器侧的箱体。如图5所示,散热器17利用粘接剂层19粘接在布线衬底16的第二金属层12上。对于散热器的安装方法,导热好的粘接材料虽比较合适,但只要用按压用夹具(未图示)也可以采用通过硅脂按压的方法。
第三实施方式
第三实施方式的LED组件如图6所示,将上述图5的第二实施方式的布线衬底16做成三层构造。即,在第二金属层12上还通过高分子树脂层10设置有第三金属层18。比上述第二实施方式增加了一层高分子树脂层10而变厚的部分虽使得从LED元件14向散热器17的导热阻抗的增大不可避免,但通过尽可能减薄高分子树脂层10,或者增大散热器17的散热量,就可减轻其影响。此外,作为第二金属层12,在可形成与供电绝缘的导热图案的场合,但通过用电镀填充过孔连接该导热图案和第三金属层18也可提高散热效率。
第四实施方式
第四实施方式与上述第一实施方式的不同点在于:不是把电绝缘部9设在布线衬底16侧而是设在LED元件14侧。即,在制造LED元件14的工序中,在金属膜层5之上设置电绝缘部9,再在其上设置导热用金属部6。也可以在电绝缘部9与金属膜层5或导热用金属部6之间设置用于确保密合性的作为衬底的层。作为电绝缘部9希望采用SiO2或DLC等电绝缘膜。
上述实施方式的LED组件可应用于移动电话等的小型FPD的背光,同时,也可适用于照明装置或液晶电视的背光、霓虹灯招牌等用途。

Claims (12)

1.一种LED组件,其特征在于,具有:
具有可进行倒装芯片安装的电极的LED元件;
具有两层以上的金属层和在所述金属层的层间包含高分子树脂的电绝缘层的布线衬底;
传导所述LED元件的热的所述LED元件的金属膜层;
所述布线衬底的所述金属层中,作为所述LED元件搭载面的第一金属层具有供电用金属图案、以及与所述供电用金属图案电绝缘而形成的导热用金属图案;
所述供电用金属图案和所述电极被倒装芯片连接成电导通;
所述导热用金属图案与所述金属膜层之间通过电绝缘部而被倒装芯片连接;
所述导热用金属图案和所述第一金属层以外的所述金属层通过导热部结合。
2.根据权利要求1所述的LED组件,其特征在于:
在所述金属膜层上形成有导热用金属部,通过所述导热用金属部和所述电绝缘部与所述导热用金属图案倒装芯片连接。
3.根据权利要求1或2所述的LED组件,其特征在于:
在覆盖所述第一金属层的抗蚀剂上形成有开口,所述电极及所述导热用金属部在所述开口部分别与所述供电用金属图案和所述导热用金属图案倒装芯片连接。
4.根据权利要求1~3中任何一项所述的LED组件,其特征在于:
把所述布线衬底做成带状或片状,在该布线衬底的宽度方向或长度方向,或这两个方向上以任意的间隔配置两个以上所述LED元件。
5.根据权利要求1~4中任何一项所述的LED组件,其特征在于:
所述导热部用导热率在30W/m·K以上的材料形成。
6.根据权利要求1~5中任何一项所述的LED组件,其特征在于:
所述导热部是至少一个以上的电镀填充过孔。
7.根据权利要求1~6中任何一项所述的LED组件,其特征在于:
所述电绝缘层的厚度在3μm以上125μm以下。
8.根据权利要求1~7中任何一项所述的LED组件,其特征在于:
所述高分子树脂在从-40℃到+120℃的温度范围内的线膨胀系数为0~6ppm/℃。
9.根据权利要求1~7中任何一项所述的LED组件,其特征在于:
所述高分子树脂在100℃的贮藏弹性率为100MPa(动态粘弹性的测定频率:1Hz)以下,且在240℃的贮藏弹性率为1MPa(动态粘弹性的测定频率:1Hz)以上。
10.根据权利要求1~9中任何一项所述的LED组件,其特征在于:
在与通过所述导热部结合在所述导热用金属图案上的所述第一金属层的相反一侧外层的所述金属层上安装有散热物体。
11.根据权利要求10所述的LED组件,其特征在于:
所述散热物体的导热率在30W/m·K以上。
12.根据权利要求10或11所述的LED组件,其特征在于:
所述散热物体是陶瓷。
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