CN102751419A - 具有内建散热部的共烧陶瓷基板及具该基板的发光二极管 - Google Patents

具有内建散热部的共烧陶瓷基板及具该基板的发光二极管 Download PDF

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Abstract

一种形成有内建散热部的共烧陶瓷基板及具该基板的发光二极管，其中共烧陶瓷基板，是在基材内形成有多个凹陷，并分别形成内建散热部，经烧结成形后，在基材的一侧面上形成一层中介层，经曝光微影形成预定图案，再于中介层上设置一层电路，供发光二极管固设其上，可选择部分贯穿的内建散热部作为导接柱；另部分作为导热部而增加导热性，提升基板的散热效率。结合烧结、曝光微影、与电镀技术，不仅大幅提升电路布局的精准度，且增加电路设计的弹性与变异性，对产品的微小化产生帮助。

Description

具有内建散热部的共烧陶瓷基板及具该基板的发光二极管
【技术领域】
本发明是关于一种共烧陶瓷基板，尤其是一种具有内建散热部的共烧陶瓷基板及具有该基板的发光二极管。
【背景技术】
目前发光二极管(LED)已相当普及，不仅体积小、反应时间快、使用寿命长、亮度不易衰减、且耐震动，因此LED元件渐渐取代包括显示器背光光源、照相机闪光灯、交通号志、车头及车尾灯，甚至逐渐进入一般照明市场。然而，随着高功率LED照明设备的应用发展，大电流所伴随的高热问题，绝非目前一般印刷电路板材料或半导体基板所能承受，故成为众所瞩目的议题。为能承受高亮度LED所发的大量热能，业界多选择耐高温的陶瓷基板作为LED晶粒的承载件，为将基板与用以致能LED晶粒的电路结合，一般可选择低温共烧多层陶瓷(LTCC)或高温共烧多层陶瓷(HTCC)基板。由于所谓共烧工艺，就是将电路或内埋散热柱与陶瓷基板共同烧结，因此无论是千度以上的高温、或千度以下的低温烧结，都可以制成具有散热结构与电路的陶瓷基板。
一种LTCC的工艺，是先将例如无机的氧化铝粉与约30％～50％的玻璃材料加上有机粘结剂，使其混合均匀成为泥状的浆料，接着利用刮刀把浆料刮成片状，再经由一道干燥过程将片状浆料形成一片生胚，然后于生胚上钻出导通孔，再分别于导通孔内注入金属料材填孔，并于生胚表面印制金属线路，最后放置于850～900℃的烧结炉中烧结成型，导通孔内所注入的浆料形成为内建散热部，以作为传递能量或讯号、及导热之用。HTCC制造过程与LTCC极为相似，主要差异点在陶瓷粉末并未加入玻璃材质，故在工艺上必须以高温1300～1600℃的环境干燥硬化成生胚，接着同样钻导通孔，并进行填孔、及以网版印刷技术印制金属线路。
因此，共烧陶瓷基板可在陶瓷散热基板内埋设线路或内埋散热柱；但在烧结过程中，由于陶瓷材料本身无法绝对均匀、受热状态亦无法绝对均匀，因此在批次的大量生产作业时，即使是同一批生产制造的多片共烧陶瓷基板，仍会因为膨胀与收缩比例不同，导致各基板间的尺寸不一、布线或内埋散热柱彼此累进公差过大等问题，令成形于基板表面的电路接点在对位上不精准，而且在基板外表面印制线路的方式，同样受限于共烧工艺而使得电路在厚度以及厚度方向上的精准度都受到限制，此种精度不佳的问题，严重地阻挠电路元件微型化的趋势。
因此，若能确保LTCC或HTCC陶瓷散热基板所包含的电路与内埋散热柱等结构的累进公差被控制更精准的范围内，一方面让所有设置在该基板上的元件能够更加精准对位，除可提升产品良率，还将提供进一步微型化的契机；另方面，若布局电路时，可以精准控制电路的位置与厚度，不仅增加布局弹性，更可以进一步利用金属电路本身作为导热途径，提升整体基板导热能力，从而从容适应例如高亮度LED等高发热元件的需求，避免大量的热能累积，让利用此种基板的高亮度LED，可以有更高的散热效率，成为具有绝佳产品竞争力的解决方案。
【发明内容】
本发明目的之一在于提供一种电路布局精度良好的形成有内建散热部的共烧陶瓷基板，藉以提升组装良率。
本发明另一目的在于提供一种散热效率绝佳的形成有内建散热部的共烧陶瓷基板。
本发明再一目的在于提供一种电路布局具有高度弹性的形成有内建散热部的共烧陶瓷基板，藉以适应电路元件微型化的趋势潮流。
本发明又一目的在于提供一种可以批次制造的形成有内建散热部的共烧陶瓷基板，让工艺可以自动化，不仅元件品质易于管控，产品也更具有市场竞争力。
本发明又另一目的在于提供一种散热效率绝佳的发光二极管，藉以确保使用过程中，发光二极管的光强度不轻易劣化，提供良好的发光能力；并且延长整体使用寿命。
本发明又再一目的在于提供一种电路布局精准、使产品可进一步微小化的发光二极管。
本发明所揭示的一种具内建散热部的共烧陶瓷基板，是供设置至少一个发热的电路元件，该共烧陶瓷基板包括：一片具有两个绝缘表面、其中布局有内部线路、及形成至少一个容置部的基材，该容置部是由前述二表面中，供设置该发热电路元件的表面凹陷形成；至少一个填充于前述容置部的内建散热部；至少形成于前述内建散热部上、并暴露于该基材的供设置该发热电路元件表面上的中介层；及一个形成于该中介层上、供前述电路元件设置的电路。
进一步应用上述基板，本发明揭示一种发光二极管，包括：至少一个具有二致能端部的发光二极管晶粒；及一片具内建散热部的共烧陶瓷基板，包括：一片具有两个绝缘表面、其中布局有内部线路、及形成至少一个容置部的基材，该容置部是由前述二表面中，供设置该发热电路元件的表面凹陷形成；至少一个填充于前述容置部的内建散热部；至少形成于前述内建散热部上、并暴露于该基材的供设置该发热电路元件表面上的中介层；及一个形成于该中介层上、供前述电路元件设置的电路。
由于在内建散热部与陶瓷材料共同烧结后，让内建散热部暴露于陶瓷基材供设置该发热电路元件的侧面，因此当在基材的该侧面成形一层中介层时，将可覆盖于所有内建散热部的一端，并利用曝光微影制程，可将中介层成形为预定电路布局图案，并随后在中介层所形成的布局图案上以例如电镀方式增厚，再成形焊垫(pad)。相对地，内建散热部中若有部分是同时要作为导接之用，则将会与原本基板内埋的线路连接，或直接在制造时将凹陷的容置部在底面形成穿孔，使内建散热部直接贯穿基材的顶面至底面的两侧，将就此区分为负责导接基材两侧作为电路一部份的导接柱，以及仅供提升基板导热能力的导热柱。
如此，一方面可以让共烧陶瓷基板藉由内建散热部而提升散热效率，另方面，后制程所形成的电路布局也彻底解决共烧陶瓷的热涨冷缩不均匀问题，使得电路及晶粒等的设置更精准，让电路元件微型化成为可行。尤其厚度方面的精度与变异性都提高，更可藉由电路本身的金属材质作为辅助的导热途径，让例如发光二极管晶粒等发热元件所发的热更可透过接触而加速导离，确保操作环境温度不致过高、保持良好发光状态、更增加产品使用寿命及产品价值，达成所有上述目的。
【图式简单说明】
图1是本案第一较佳实施例的具内建散热部的共烧陶瓷基板先制作的生胚的示意图；
图2是图1的生胚的侧示剖面图；
图3是图1的生胚烧结成型为基板、且基材形成有贯穿两个表面的穿孔的侧示剖面图；
图4是图3于穿孔内填孔、形成内建散热部的侧示剖面图；
图5是图4于基材及内建散热部的表面溅镀一层中介层的侧示剖面图；
图6是图5于中介层表面设置一层牺牲高分子层、并以一个预定电路图案的光罩遮蔽部分牺牲高分子层的侧示剖面图；
图7是图6的牺牲高分子层剩下对应于光罩的非预定电路图案部分的仍然遮蔽在中介层的部分区域上的侧示剖面图；
图8是图7于中介层暴露的区域上电镀一层导电层的侧示剖面图；
图9是图8的牺牲高分子层去除以及蚀刻移除非预定电路图案部分的中介层的侧示剖面图；
图10是图9形成的电路形成有导电端的俯示图；
图11是图10的尚未被分离的基材上供发光二极管晶粒安装并同置入一个模具的侧示剖面图；
图12是图11的基材与基材间彼此断开分离形成发光二极管元件的侧示剖面图；及
图13是本案第二较佳实施例的侧示剖面图，是说明具有一个非贯穿的容置部，及左右两侧分别形成有端部电极。
【主要元件符号说明】
1         生胚              11           导通孔
2         基板              21、21’     基材
213       绝缘表面          214          穿孔
20、20’  内建散热部        201          导接柱
202       导热柱            22、22’     中介层
31        牺牲高分子层      32           光罩
231       导电层            232          接垫
23、23’  电路              233、234     导电端
25’      容置部            27’         端部电极
4、4’    发光二极管晶粒    5            模具
6         透光保护层
【具体实施方式】
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。
本发明具有内建散热部的共烧陶瓷基板及具有该基板的发光二极管的制造过程，将逐步描述于图1至图12中，且在本例中例释为以批次作业的方式制作；当然，熟悉本技术领域者亦可轻易将部分步骤改以相同功效的其他方式替代，均无碍于本案技术领域的实施。
如图1及图2所示，首先将氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)加上有机粘结剂，使其混合均匀成为泥状的浆料，再用刮刀把浆料刮成片状，再经由一道干燥过程将片状浆料形成一片生胚1，而且，如果是以LTCC制成，则必需在浆料内另加入约30％～50％的玻璃材料，在850～900℃的烧结炉中烧结成型，如果是以HTCC制成，则不需加入玻璃材料，但必需要以1300～1600℃在烧结炉中烧结成型，接着如图3所示，于生胚1表面钻出多个贯穿至另一面的导通孔11，并于导通孔11注入熔铸的金属料材进行填孔。
接着放置于烧结炉中烧结成型，即形成一个如图4所示的基板2，并将基板2预切割成彼此连结的多个基材21，且图3所示的导通孔11即形成多个贯穿基材21的两个绝缘表面213的穿孔214，熔铸的金属料材则于穿孔214内形成多个内建散热部20，其中内建散热部20是选自氧化铝、氮化铝、银、铜、铝、碳、石磨、钻石、硅所构成的集合。
在本例中，为达到不同效用，内建散热部20更区分为两根较粗的导接柱201及多根较细的导热柱202。接着一并参考如图5所示，在基材21上、下两侧的绝缘表面213溅镀一层选自以钛、钛合金、银、镍、镍合金、镍铬合金所构成的中介层22，因此中介层22将会覆盖形成于内建散热部20的两端部，并暴露于绝缘表面213上，使得内建散热部20被埋藏。
随后如图6所示，在中介层22表面设置一层牺牲高分子层31，再用一预定电路图案的光罩32遮蔽部分牺牲高分子层31，接下来以例如紫外线照射，使得未被光罩32所遮蔽的牺牲高分子层31区域曝光而改变其相结构，随即冲洗显影，使得相结构未改变的部分被去除，形成如图7所示仅剩下对应于光罩32的非预定电路图案部分的牺牲高分子层31仍然遮蔽在中介层22的部分区域上。
接着如图8所示，于中介层22暴露的区域上电镀一层由铜所构成的导电层231，使预定图案部分的厚度增加，藉此，一方面可以控制电路的厚度，另方面可以一并提升导热效率。导电层231表面规划作为接垫232的适当位置，将再电镀一层例如金及镍而供电子元件焊接；一并参考图9所示，去除剩下的牺牲高分子层31，使得在电镀过程中被遮蔽的中介层22部份露出，接着蚀刻移除非预定电路图案部分的残留中介层22，而接垫232则仅稍微变薄，但仍保有预定图案，并不会造成对电气性能的影响。
导电层231与接垫232所构成的电路23，一并参考如图10所示，其中电路23形成有两个导电端233、234，一旦发光二极管晶粒的致能端部被焊接其上，即可分别透过导接柱201、中介层22及接垫232而获得来自外部的电能。另方面，与整个电路23电性独立的导热柱202，也将埋藏在基板内部，藉以提升基板的导热效率，避免来自发光二极管晶粒等发热元件所发的热能被累积在基板上，造成操作环境的温度大幅提升。藉由高效率地导热，不仅可以确保发光二极管的发光强度，也可大幅延长发光二极管晶粒的寿命，让采用此种基板的发光二极管性能提升。
参考如图11所示，此时，将发光二极管晶粒4分别安装至尚未被分离的多个基材21的接垫232上，并将尚未被分离的诸多基材21共同置入一个模具5中，模具5内则形成有多个分别对应各基材21的预定形状模穴，藉由向模穴中注入透明材质树脂，经过一定时间后将模具5卸除，即会在各基材21上形成一个预定形状的封装的透光保护层6，一方面完整覆盖住发光二极管晶粒4，并可同时作为光学透镜而调整出光分布。最后将基材21与基材21间彼此断开分离，制成如图12所示的发光二极管元件。
当然，如熟悉本技术领域者所能轻易理解，并非所有散热部都必须设计为穿孔形式，且导接致能端部的电极也不局限于采用上述导接柱，如图13所示，为导出例如高亮度LED晶粒4’在发光同时所发的高热，亦可在共烧陶瓷基板的基材21’中，预先由顶面凹陷形成一个容置部25’，并且利用例如石墨等导热佳的材质填入该容置部25’，从而形成一个内建散热部20’。由于此种内建散热部20’材料无论是预先填入而与生胚共烧，或是在陶瓷基板烧结后填入，表面都有其局限，内建散热部20’本身的顶面以及内建散热部20’与旁边的陶瓷基材21’交界位置，都难求其完全平整，若是以共烧方式成形，则即使容置部25’仅为直径5μm的尺寸，都可能产生2至3μm的不平整。因此，要在散热部上方直接安装晶粒有其困难。
但是在导热过程中，些许的间隙将带来暴增的热阻，大幅影响热传导效能。故为求良好的导热效果，仍必须让LED晶粒4’可以直接平坦紧密贴合于此种内建散热部的顶面上方，依照本案的制造方式，可以在基材21’以及内建散热部20’的顶面共同经由例如以导电胶直接网印10μm厚度的银胶，形成暴露的预定图案作为种子层的中介层22’，并经过例如电镀增厚，使得内建散热部20’上方也形成有厚度达例如100μm厚度的电路23’，最后利用抛光等技术，将内建散热部20’上方的电路23’与旁边基材21’上方的电路23’抛至齐平。藉此克服共烧陶瓷基板可能产生的例如50μm厚度或高度差，LED晶粒4’从而可以顺利安装且良好贴附在内建散热部20’顶面的电路23’上。
在本实施例中所示LED晶粒4’的两个致能端部是形成在晶粒顶部，因此可以从两个致能端部分别打线导接至例如成形于基材21’侧面的端部电极27’，再以树脂封装成形，制成一颗完整的发光二极管。当然，无论是致能端部形成在晶粒顶面、底面、或顶面底面各一，都可以藉由直接的焊接或打线等不同方式，一方面将电能导入，另方面保持晶粒与内建导热部的良好导热结合。
因此，依照以上所揭示的具内建散热部的共烧陶瓷基板可透过中介层使内建散热部与电路稳固结合，并作为导电及导热的最佳媒介，而且藉由烧结后成形中介层与电路的设计，使得电路布局的精度大幅提升，不仅让后续安装作业的良率提高，线路布局设计的弹性提升，也使电路元件的微型化成为可能，彻底解决以往LTCC与HTCC制成的基板有线路精准度与累进公差较差的问题。
并且可以藉由控制电路中金属导线的厚度，使得电路本身兼具良好导热性，搭配埋藏于基板中的导热柱，让基板整体具有绝佳散热效率，藉此，可将原本氧化铝基板的热阻由每瓦可能提升摄氏15度，大幅降低至每瓦5度以下，让运用高亮度发光二极管晶粒时，所发的热能迅速导出，保持发光二极管晶粒的操作环境较接近室温，确保发光强度、延长使用寿命，更增加产品价值，从而提升运用本案基板的发光二极管在市场上的竞争力，确实有效达成本发明的所有上述目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求书及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种具内建散热部的共烧陶瓷基板，是供设置至少一个发热的电路元件，其特征在于，该共烧陶瓷基板包括：
一片具有两个绝缘表面、其中布局有内部线路、及形成至少一个容置部的基材，该容置部是由前述二表面中，供设置该发热电路元件的表面凹陷形成；
至少一个填充于前述容置部的内建散热部；
至少形成于前述内建散热部上、并暴露于该基材的供设置该发热电路元件表面上的中介层；及
一个形成于该中介层上、供前述电路元件设置的电路。
2.如权利要求1所述的共烧陶瓷基板，其特征在于，其中前述凹陷是贯穿该二表面的一穿孔，且该内建散热部包括至少一根导接柱。
3.如权利要求2所述的共烧陶瓷基板，其特征在于，其中该电路包括形成于前述至少一导接柱在对应该电路端部上的导电层。
4.如权利要求3所述的共烧陶瓷基板，其特征在于，其中该电路更包括多个形成于该导电层上、供上述电路元件设置的接垫。
5.如权利要求1、2、3或4所述的共烧陶瓷基板，其特征在于，其中该中介层是选自以钛、钛合金、银、镍、镍合金、镍铬合金所构成的集合。
6.如权利要求1、2、3或4所述的共烧陶瓷基板，其特征在于，其中该基材是多层氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、或其混合物。
7.如权利要求1、2、3或4所述的共烧陶瓷基板，其特征在于，其中该内建散热部是选自氧化铝、氮化铝、银、铜、铝、碳、石磨、钻石、硅所构成的集合。
8.一个发光二极管，其特征在于包括：
至少一个具有二致能端部的发光二极管晶粒；及
一片具内建散热部的共烧陶瓷基板，包括：
一片具有两个绝缘表面、其中布局有内部线路、及形成至少一个容置部的基材，该容置部是由前述二表面中，供设置该发热电路元件的表面凹陷形成；
至少一个填充于前述容置部的内建散热部；
至少形成于前述内建散热部上、并暴露于该基材的供设置该发热电路元件表面上的中介层；及
一个形成于该中介层上、供前述电路元件设置的电路。
9.如权利要求8所述的发光二极管，其特征在于，其中该发光二极管更包括一个覆盖该发光二极管晶粒的透光保护层。
10.如权利要求8所述的发光二极管，其特征在于，其中前述凹陷是贯穿该二表面的一穿孔，且该内建散热部包括至少一根供导接该发光二极管晶粒的一致能端部的导接柱。
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