CN102208392A

CN102208392A - 一种高反射及高导热式电气组件及其制造方法

Info

Publication number: CN102208392A
Application number: CN 201010145608
Authority: CN
Inventors: 段维新
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2011-10-05

Abstract

本发明公开了一种高反射及高导热式电气组件，其包含一下金属层、一透光陶瓷层及一图案化的上金属层。下金属层具有一下反射面。透光陶瓷层具有一上表面及一下表面。透光陶瓷层的下表面键结接合至下金属层的下反射面上。上金属层键结接合至透光陶瓷层的上表面上。下反射面使穿过透光陶瓷层的一第一光线反射穿过透光陶瓷层。一种高反射及高导热式电气组件的制造方法亦一并揭露。

Description

一种高反射及高导热式电气组件及其制造方法

技术领域

本发明是关于一种高反射及高导热式电气组件及其制造方法。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)在电子流动的情况下，会产生大量的热，而热的产生会提升电阻，阻碍电子的流动，继而再大幅产生热量，严重影响发光二极管的功能。在发光二极管制造技术大幅提升的现况下，发光二极管中的线宽越来越小，线路密度越来越高，因而使得发光二极管所产生的热量密度也快速增加。以高亮度发光二极管为例，其热量密度即达100W/cm²以上。因此，与发光二极管接触的基板是否具有快速的散热能力，着实是主导发光二极管能否正常运转的关键因素。

一般功率元件，如固体继电器，也是类似于电脑的中央处理器，在运作过程中皆会产生高热。因此，功率元件亦利用与其接触的基板将热快速散去，方能正常运转。

目前发光二极管已应用在照明上，但在应用上的最大问题在于发光二极管不耐高热，一般来说温度不能超过90℃，若超过此温度，则亮度将快速下降，故与LED接触的散热机构的快速散热能力是发光二极管能否成为照明光源的最大挑战，这也说明了散热基板的开发对发光二极管于照明方面的应用，具有举足轻重的关键地位。

为同时兼顾现今发光二极管轻薄短小的设计要求，与发光二极管元件接触的基板须同时符合以下三个基本要求：

1.热方面的要求：此材料须具有高热传导系数，以达快速散热的要求。

2.电方面的要求：为避免发光二极管的P极与N极接触而短路，此材料须具有高绝缘能力，即须具有高的电阻系数。

3.光方面的要求：在满足以上两个基本要求后，此基板应还要能将发光二极管所释放出的光线，全部引导射向发光二极管的前方，增加发光二极管照明灯具前方的有效亮度。

以发光二极管(Light Emitting Diode，LED)为例，各种颜色的发光二极管在近几年陆续被开发出来，其中又以白光发光二极管的开发成功最为重要，因白光发光二极管可作为照明灯具的光源。LED照明的技术瓶颈之一为散热问题。若热量不能被快速带走，则LED芯片的温度就会过高，进而降低LED芯片的发光效率，并减少LED芯片的寿命。LED芯片会被安装于散热基板上，散热基板的主要功能在于将热快速带往散热鳍片或热管，以达成散热的目的。

此外，因为LED芯片具有P-N二极，故与LED芯片接触的基板，亦需提供独立与P极与N极接通的导电线路。目前市面上所有的LED芯片的散热基板，譬如FR4及MCPCB复合基板，皆可提供导电的需求。然而，这两种散热基板的散热能力表现具有很大的差异。例如，以闪光法量测这两种散热基板，可以得到的热传导系数如表1所列。

表1

	热传导系数(W/mK)
		FR4(Flame Retardant 4)	～0.4
MCPCB(金属基印刷电路板(Metal Core PCB；MCPCB))	～3

目前市面上的所有LED芯片的散热基板，除了在热传导系数仍有提升的空间以应付更高瓦数的LED芯片的散热需求以外，并没有去探讨或处理光的反射问题。也就是说，目前市面上的LED芯片的散热基板，并无同时处理光、电、热的需求。

LED芯片在P-N界面的电子与电洞反应后会释放出光线，许多光线会因为散射、折射等而四处散逸。因此，仅有部分的光线才会射向LED芯片的前方，成为有用的光源。因此，在封装LED芯片或灯具时，常常需要将周围的表面施以化学或物理批覆(如CVD(化学气相沈积(Chemical vapor deposition)、PVD(物理气相沈积(Physical vapor deposition)等技术)，以镀上金属反光层，增加有效光强度。或者，可以在散热基板上施加金属层，增加散热基板的反光能力，例如Wang等人在美国专利第US7550319号中提出一种以网版印刷的方式，在陶瓷基板上印上银与玻璃混合的油墨，再以烧附的方式将银及陶瓷基板结合在一起。因金属银可以反光，故可提供反射的功能，但是这种方式增加极多的成本。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种高反射及高导热式电气组件及其制造方法，其能同时处理光、电、热的需求。

为达上述目的，本发明提供一种高反射及高导热式电气组件，其包含一下金属层、一透光陶瓷层及一图案化的上金属层。下金属层具有一下反射面。透光陶瓷层具有一上表面及一下表面。透光陶瓷层的下表面键结接合至下金属层的下反射面上。上金属层键结接合至透光陶瓷层的上表面上。下反射面使穿过透光陶瓷层的一第一光线反射穿过透光陶瓷层。

本发明更提供一种高反射及高导热式电气组件的制造方法，包含以下步骤：研磨并少量氧化一下金属层，以使下金属层具有一下反射面；提供一图案化的上金属层；将一透光陶瓷层夹置于上金属层及下金属层之间以形成一组合体；以及将组合体置放于一高温环境中，以使透光陶瓷层键结接合至下金属层及上金属层。

藉此，可以提高散热能力，提高光反射能力，同时提供电气连接的能力。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1显示依据本发明较佳实施例的高反射及高导热式电气组件的俯视图；

图2显示沿着图1的线2-2的剖面图；

图3显示图2的光反射示意图；

图4与5显示依据本发明的高反射及高导热式电气组件的其他实施方式；

图6显示图2的另一种变形例。

主要元件符号说明：

L1-L6：光线

10：下金属层

12：下反射面

12A：表面氧化层

15：第一界面

20：透光陶瓷层

22：上表面

24：下表面

25：第二界面

30：上金属层

32：上反射面

40：电子元件

50：导线

60：封胶层

62：边界面

64、66：萤光颗粒

70：导热胶

70′：焊锡

具体实施方式

本发明同时针对光、电、热三个方面提供解决的方案，使高反射及高导热式电气组件具有整合性的功能。

图1显示依据本发明较佳实施例的高反射及高导热式电气组件的俯视图。图2显示沿着图1的线2-2的剖面图。图3显示图2的光反射示意图。如图1至图3所示，本发明的高反射及高导热式电气组件包含一下金属层10、一透光陶瓷层20及一图案化的上金属层30。上金属层30亦可被称为金属线路层。

下金属层10具有一下反射面12。透光陶瓷层20是由蓝宝石、玻璃或氧化硅所构成。透光陶瓷层20具有一上表面22及一下表面24，透光陶瓷层20的下表面24键结接合至下金属层10的下反射面12上。下金属层10及上金属层30可以是相同金属材料(譬如是高导热暨高导电材料)所构成，亦可以是由不同金属材料所构成。举例而言，下金属层10及上金属层30是由铜所构成，且下金属层10与透光陶瓷层20之间所键结接合的一第一界面15相同于透光陶瓷层20与上金属层30之间所键结接合的一第二界面25。

图案化的上金属层30是键结接合至透光陶瓷层20的上表面22上。下反射面12使穿过透光陶瓷层20的一第一光线L1反射穿过透光陶瓷层20。

于此情况下，可能有些光线会被上金属层30挡住。因此，上金属层30可以更具有一上反射面32，上反射面32面对下反射面12。下反射面12使穿过透光陶瓷层20的一第二光线L2反射至上反射面32，且上反射面32使第二光线L2反射至下反射面12，最后使第二光线L2被反射穿过透光陶瓷层20。

以上的下金属层10、透光陶瓷层20及上金属层30可以被称为是一散热基板。散热基板可以装设有电子元件。因此，高反射及高导热式电气组件可以更包含一电子元件40、多条导线50以及一封胶层60。譬如是发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)的电子元件40安装于透光陶瓷层20的上表面22上，用以发出第一光线L1。此等导线50电连接至电子元件40及上金属层30。值得注意的是，电子元件40亦可包含蓝宝石层。

为了提高散热效率，电子元件40可以通过一导热胶70而安装于透光陶瓷层20的上表面22上。导热胶70算是电子元件40与透光陶瓷层20的界面，其不同于第一界面15及第二界面25。此导热胶可为透明或半透明的粘胶。

封胶层60包覆透光陶瓷层20、上金属层30、电子元件40及此等导线50。于此情况下，电子元件40更可发出一第三光线L3。第三光线L3由封胶层60的一边界面62反射回透光陶瓷层20，穿过透光陶瓷层20，并由下金属层10反射穿过透光陶瓷层20及封胶层60后，从封胶层60射出。

此外，封胶层60可以包含多个萤光颗粒64、66，譬如是陶瓷萤光粉。萤光颗粒64、66可以具有不同的直径。在此情况下，电子元件40更发出一第四光线L4，各萤光颗粒64/66接收第四光线L4后产生一第五光线L5。第五光线L5穿过透光陶瓷层20，并由上金属层30反射穿过透光陶瓷层20及封胶层60后，最后从封胶层60射出。

以下说明高反射及高导热式电气组件的制造方法。

首先，研磨并少量氧化下金属层10，譬如是铜层，以使下金属层10具有下反射面12。施以研磨步骤是为了确保其表面粗糙度，施以氧化步骤是为了使铜片的下反射面12形成有一表面氧化层12A，表面氧化层12A的厚度小于或等于6微米，以确保后续的反光能力。

接着，提供图案化的上金属层30。此上金属层30可以电镀、无电镀、化学气相沈积、物理气相沈积等方法，配合蚀刻或其他移除步骤而形成于透光陶瓷层20上。

然后，将透光陶瓷层20夹置于上金属层30及下金属层10之间以形成一组合体。此时，透光陶瓷层20、上金属层30及下金属层10只是组合在一起，而非有键结接合的关系。

接着，将组合体置放于一高温环境中，以使透光陶瓷层20键结接合至下金属层10及上金属层30。高温环境的温度介于1060℃与1080℃之间，且高温环境具有低氧分压。

或者，于另一例子中，可以将透光陶瓷层20与下金属层10形成另一组合体。此时，透光陶瓷层20及下金属层10只是组合在一起，而非有键结接合的关系。接着，将此组合体置放于一高温环境中，以使透光陶瓷层20键结接合至下金属层10。高温环境的温度介于1060℃与1080℃之间，且高温环境具有低氧分压。然后以电镀、无电镀、化学气相沈积、物理气相沈积等方法制作此上金属层30，并结合蚀刻或其他步骤形成线路。然后，可以辅以前述的高温环境中进行键结接合，亦可以不执行此步骤。因此，上金属层30可以以键结接合或一般附着的方式设置于透光陶瓷层20上。

因此，在前述例子中，高反射及高导热式电气组件的制造方法包含以下步骤。首先，研磨并氧化下金属层10，以使下金属层10具有下反射面12。然后，将透光陶瓷层20的下表面24夹置于下金属层10的下反射面12以形成一组合体。接着，将组合体置放于一高温环境中，以使透光陶瓷层20键结接合至下金属层10。然后，于透光陶瓷层20的上表面22上形成图案化的上金属层30。类似地，上金属层30可通过电镀、无电镀、化学气相沈积或物理气相沈积，配合蚀刻步骤或其他移除步骤而形成于透光陶瓷层20的上表面22。

当所制造出来的复合基板/散热基板的厚度是1.2mm时，以闪光法(Flashmethod)量测出的热传导系数大约等于90W/mK，也就是沿着下金属层10至透光陶瓷层20至图案化的上金属层30的方向的热传导系数实质上等于90W/mK，这明显高于表1所列的热传导系数。因此，这种铜/透明陶瓷/铜的复合基板，相当适合作为LED的散热基板。

然后，可以将电子元件40，譬如是LED，安装于透光陶瓷层20上。

接着，提供多条导线50以将电子元件40电连接至上金属层30。

最后，以封胶层60包覆透光陶瓷层20、上金属层30、电子元件40及此等导线50。萤光颗粒64、66可以掺在封胶层60中，以将LED发出的色光加以改变，例如将蓝光转换成白光，以作为照明的光源。

为了使上金属层30也具有反光的效果，亦可研磨并氧化上金属层30以形成上反射面32，上反射面32面对下反射面12。

因此，LED的正极及负极可以分别连接到上金属层30。LED朝前方所发出来的一第六光线L6可以直接射出封胶层60。其他光线L1至L5可以通过上反射面32、下反射面12及封胶层60反射或处理后，朝LED的前方射出，以使LED的发光效率更为提高，甚至达到全反光的效果。至于LED所散发出来的热，可以通过导热胶70而传递至透光陶瓷层20及下金属层10，最后到达与下金属层10接触的散热鳍片或热管。

图4与5显示依据本发明的高反射及高导热式电气组件的其他实施方式。如图4与5所示，下金属层10上面可以有多个LED，这些LED通过上金属层30而得以被通电，这些LED可以被并联(图4)或串联(图5)。

图6显示图2的另一种变形例。如图6所示，本变形例与图2的差异在于电子元件40是安装于上金属层30上。于此例子中，电子元件40通过焊锡70′而安装于上金属层30上。或者，电子元件40亦可直接通过导热胶70而安装于上金属层30上。

因此，本发明的高反射及高导热式电气组件可以提高散热能力，提高光反射能力，并同时提供电气连接的能力，故非常适合应用于LED的领域，并改良LED产品的发光效率。

在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及权利要求范围的情况，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。

Claims

1.一种高反射及高导热式电气组件，其特征在于，所述的组件包含：

一下金属层，其具有一下反射面；

一透光陶瓷层，其具有一上表面及一下表面，所述透光陶瓷层的所述下表面键结接合至所述下金属层的所述下反射面上；及

一图案化的上金属层，设置于所述透光陶瓷层的所述上表面上，其中所述下反射面使穿过所述透光陶瓷层的一第一光线反射穿过所述透光陶瓷层。

2.如权利要求1所述的高反射及高导热式电气组件，其特征在于，所述的上金属层键结接合至所述透光陶瓷层的所述上表面。

3.如权利要求2所述的高反射及高导热式电气组件，其特征在于，所述的下金属层及所述上金属层是由铜所构成，且所述下金属层与所述透光陶瓷层之间所键结接合的一第一界面相同于所述透光陶瓷层与所述上金属层之间所键结接合的一第二界面。

4.如权利要求1所述的高反射及高导热式电气组件，其特征在于，所述的上金属层具有一上反射面，所述上反射面面对所述下反射面，其中所述下反射面使穿过所述透光陶瓷层的一第二光线反射至所述上反射面，且所述上反射面使所述第二光线反射至所述下反射面，最后使所述第二光线被反射穿过所述透光陶瓷层。

5.如权利要求1所述的高反射及高导热式电气组件，其特征在于，所述组件还包含：

一电子元件，安装于所述透光陶瓷层的所述上表面或所述上金属层上，并发出所述第一光线；以及

多条导线，电连接至所述电子元件及所述上金属层。

6.如权利要求5所述的高反射及高导热式电气组件，其特征在于，所述组件还包含：

一封胶层，包覆所述透光陶瓷层、所述上金属层、所述电子元件及所述的多条导线，其中所述电子元件更发出一第三光线，所述第三光线由所述封胶层的一边界面反射回所述透光陶瓷层，穿过所述透光陶瓷层，并由所述下金属层反射穿过所述透光陶瓷层及所述封胶层后，从所述封胶层射出。

7.如权利要求5所述的高反射及高导热式电气组件，其特征在于，所述组件还包含：

一封胶层，包覆所述透光陶瓷层、所述上金属层、所述电子元件及所述的多条导线，其中所述封胶层包含多个萤光颗粒。

8.如权利要求5所述的高反射及高导热式电气组件，其特征在于，所述电子元件更发出一第四光线，所述各个萤光颗粒接收所述第四光线后产生一第五光线，所述第五光线穿过所述透光陶瓷层，并由所述上金属层反射穿过所述透光陶瓷层及所述封胶层后，最后从所述封胶层射出。

9.一种高反射及高导热式电气组件的制造方法，其特征在于，所述的方法包含以下步骤：

研磨并氧化一下金属层，以使所述下金属层具有一下反射面；

提供一图案化的上金属层；

将一透光陶瓷层夹置于所述上金属层及所述下金属层之间以形成一组合体；以及

将所述组合体置放于一高温环境中，以使所述透光陶瓷层键结接合至所述下金属层及所述上金属层。

10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，还包含以下步骤：

将一电子元件安装于所述透光陶瓷层上；以及

提供多条导线以将所述电子元件电连接至所述上金属层。

11.如权利要求10所述的制造方法，其特征在于，还包含以下步骤：

以一封胶层包覆所述透光陶瓷层、所述上金属层、所述电子元件及所述的多条导线。

12.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，其中提供所述上金属层的步骤包含：

研磨并氧化所述上金属层以形成一上反射面，所述上反射面面对所述下反射面。

13.一种高反射及高导热式电气组件的制造方法，其特征在于，所述的方法包含以下步骤：

将一透光陶瓷层的一下表面夹置于所述下金属层的所述下反射面以形成一组合体；

将所述组合体置放于一高温环境中，以使所述透光陶瓷层键结接合至所述下金属层；以及

在所述透光陶瓷层的一上表面上形成一图案化的上金属层。