CN103682031A - 具有绝缘散热层的散热基板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有绝缘散热层的散热基板及其制造方法，其利用具有散热作用的承载基板如铝基板、镁基板、铝镁合金基板、钛合金基板、铜基板或复合基板，再利用电浆熔射方法对选自氧化铝、氧化镁、氧化钛、氮化铝、氮化镁、氮化钛中的一种陶瓷材进行液化，再以高压雾状喷涂方式喷涂在该承载基板的至少一表面上以包覆形成由该陶瓷材料的材质所构成的绝缘散热层，藉此制成一具有绝缘散热层的散热基板；当与以微弧电浆方法形成陶瓷层的现有技术比较，本发明的绝缘散热层具有不受承载基板的材质的限制且其厚度可随喷涂时间的增加而相对加厚的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有绝缘散热层的散热基板及其制造方法，特别涉及一种利用电浆熔射方法以对陶瓷材料进行液化再高压雾状喷涂在承载基板的表面上以包覆形成由该陶瓷材料的材质所构成的绝缘散热层。
背景技术
本发明的具有绝缘散热层的散热基板适用于发光二极管（LED）封装但不限制，因此以下以LED封装为例说明。一般而言，LED晶粒可随制作工艺需要而选择以覆晶方式（Flip Chip）或导线方式（Wire bond）但不限制，以电性连结在散热基板上以完成LED封装（LED package），该LED封装再连结固定在一发光装置的散热器（heat sink）的表面上，以组成一LED发光装置；通常而言，现有的散热基板是由一线路层（铜层）、一绝缘层及一基板（如铝基板或陶瓷基板）依序压合形成，其中该线路层配合LED晶粒的布局而设有适当的图案（pattern）用以安排并提供该些LED晶粒发光所需的正负极电源。当LED晶粒在发光时会产生热能，该热能一般是通过该散热载板及所连结的发光装置的散热器（heat sink）以向外散热，藉以避免热能存积过多以致影响该LED封装或LED发光装置的使用效率及寿命。
以现有的散热基板而言，习知的散热基板是由一线路层（铜层）、一绝缘层及一铝基板依序压合形成，因此产生的热能是通过线路层（铜层）及绝缘层之后才传导至基板；然，习知散热基板所使用的绝缘层大部分是以导热胶片构成，该导热胶片的导热系数较差，且厚度较厚，以致相对降低习知散热基板的使用效率，无法满足目前使用上的需求。因此在LED封装或所使用的散热基板或LED发光装置等相关领域中，长久以来一直存在如何在线路层不会发生短路的状况下使散热基板达到良好散热功效的问题。
再以习知的覆晶式（Flip Chip）或导线式（Wire bond）LED封装为例说明，其中每一LED晶粒是利用两个不同的电极接点以电性连结在一线路层上的二分开（即正负极分开）且电性绝缘的连接点上；该线路层预设在一铝基板上；该线路层与该铝基板的表面之间通常设有一绝缘连结层以使该线路层能绝缘地连结固设在该铝基板的表面上且不易剥离；完成后的LED封装再藉各种连结方式如焊接或紧密贴合但不限制以固设在一LED发光装置的散热器（heat sink）的表面上；然，在上述传统的LED封装中，该绝缘连结层一般是利用散热贴片或散热膏构成，其导热系数较低（约4W/m-k），且厚度较厚（约60微米），以致热传导功能不佳，无法将该LED晶粒在发光时所产生的热能有效地传导至该铝基板以向外散热。
在LED封装及其所使用的散热基板的相关领域中，目前已有多种先前技术，如TW573330、TW M350824，CN201010231866.5、US6,914,268、US8,049,230、US7,985,979、US7,939,832、US7,713,353、US7,642,121、US7,462,861、US7,393,411、U S7,335,519、US 7,294,866、US7,087,526、US 5,557,115、US 6,514,782、US 6,497,944、US 6,791,119；US2002/0163302、US2004/0113156等；然，上述先前技术并未提出有效的解决方案，以克服散热基板不会发生短路且能达到良好散热功效的问题。
此外，现有技术中已揭示一种利用微弧电浆方法（或大气电浆氮化方法、真空电浆氮化方法）以在铝基板的表面生成一具有绝缘功能的氧化铝（Al2O3）陶瓷层的技术，但该现有技术应用于发光二极管（LED）封装用的散热基板时，至少会产生下列缺点：一是所生成的陶瓷层的材质与所使用的基板材质之间存有一定的对应关系，如当该基板为铝基板时，所生成的陶瓷层即受限为氧化铝（Al2O3）的陶瓷层，相对使基板及陶瓷层的选择受到限制；另一是所生成的陶瓷层是藉微弧电浆方法而深入基板（如铝基板）的表面以与基板的材质（如铝）产生氧化或氮化作用以致密地形成一由氧化物（如氧化铝Al2O3）或氮化物（如氮化铝AlN）构成的陶瓷层，由于该氧化物或氮化物是在微弧电浆与基板之间形成一致密的陶瓷膜层，形成之后即如同一障壁（barrier），会阻碍及影响后续的氧化或氮化作用，致使所生成的陶瓷层的厚度相对较薄，无法随散热基板的绝缘耐压要求而加厚。因此，现有利用微弧电浆方法以在铝基板的表面生成陶瓷层的技术仍然存在上述困扰，无法满足实际使用需要。
由上可知，上述先前技术的结构尚难以符合实际使用的要求，因此在LED封装或散热基板的相关领域中，仍存在进一步改进的需要性。本发明乃是在此技术发展空间有限的领域中，提出一种具绝缘散热层的散热基板及其制造方法，藉以使LED封装及/或发光装置能达成良好的绝缘兼散热功效。
发明内容
本发明主要目的是提供一种具有绝缘散热层的散热基板及其制造方法，适用于发光二极管（LED）封装，其是利用一具有散热作用的基板作为承载基板，该基板选自铝基板、镁基板、铝镁合金基板、钛合金基板、铜基板、具有导热孔的印刷电路板（PCB）式复合基板的族群中一种基板；再利用陶瓷材料的电浆熔射方法，如选自大气电浆方法、真空电浆方法、低压电浆方法的族群中一种方法，以对选自氧化铝、氧化镁、氧化钛、氮化铝、氮化镁、氮化钛的族群中一种陶瓷材料进行液化；再以高压雾状喷涂方法并依据预定的喷涂时间，使在该承载基板的至少一预定的表面上喷涂并包覆形成由该陶瓷材料的材质所构成的绝缘散热层，藉以形成具有绝缘散热层的散热基板，供应用于LED封装；其中当LED晶粒发光并产生热能时，凭借该绝缘散热层以将该热能传导至该承载基板以向外散热，藉以达到良好的电性绝缘耐压及散热功效。
为达成上述目的，本发明「具有绝缘散热层的散热基板」的一优选实施例包含一承载基板及至少一绝缘散热层，其中该承载基板是具有散热作用的基板用以承载该绝缘散热层；其中该绝缘散热层形成在该承载基板的至少一表面上，其利用电浆熔射方法将选自氧化铝、氧化镁、氧化钛、氮化铝、氮化镁、氮化钛的族群中一种陶瓷材料先行液化，再高压雾状喷涂在该承载基板的该至少一表面上，以在该至少一表面上包覆形成一由该陶瓷材料的材质所构成的绝缘散热层。
所述的散热基板，其中该电浆熔射方法是利用选自大气电浆方法、真空电浆方法、低压电浆方法的族群中一种方法以将该陶瓷材液化。
所述的散热基板，其中该承载基板是具有散热作用的金属基板，该金属基板选自铝基板、镁基板、铝镁合金基板、钛合金基板、铜基板的族群中一种基板所构成。
所述的散热基板，其中该承载基板是一具有导热孔的印刷电路板（PCB）式复合基板。
所述的散热基板，其中该陶瓷材料包含陶瓷线材或陶瓷粉末。
所述的散热基板，其中该绝缘散热层的形成厚度依据该绝缘层所欲达成电性绝缘耐压的程度而预先设定。
所述的散热基板，其中该绝缘散热层的形成厚度依据该高压雾状喷涂在该承载基板的表面上的喷涂时间而预先设定。
所述的散热基板，其中该绝缘散热层的厚度设定为1~50微米（μm），以使电性绝缘耐压的程度达到300伏特（V）或以上。
所述的散热基板，其中该绝缘散热层的外表面进一步设置一线路层，该线路层利用选自印刷线路板（PCB）线路制作工艺、网版印刷工艺、半导体工艺的族群中一种工艺以形成在该绝缘散热层的表面上；该线路层包含至少二分开（正负极分开）且绝缘的电性连结点供与至少一LED晶粒所设的不同电极的焊垫对应电性连结，以使该至少一LED晶粒能电性连结并设置在该散热基板上，其中当该至少一LED晶粒发光并产生热能时，藉由该绝缘散热层以将该热能传导至该承载基板以向外散热。
为达成上述目的，本发明「具有绝缘散热层的散热基板的制造方法」的优选实施例包含下列步骤：
提供一承载基板，该承载基板是具有散热作用的基板；
提供一陶瓷材料，该陶瓷材料选自氧化铝、氧化镁、氧化钛、氮化铝、氮化镁、氮化钛的族群中一种；
提供一电浆熔射设备，用以液化上述陶瓷材料；
利用高压雾状喷涂方式将上述液化后的陶瓷材料且依预定时间喷涂在该承载基板的一预定表面上，以在该表面上包覆形成由该陶瓷材料的材质构成且具有预定厚度的绝缘散热层；
使该绝缘散热层硬化，以完成具有预定厚度的绝缘散热层的散热基板。
与以微弧电浆方法形成陶瓷层的现有技术比较，本发明的绝缘散热层具有不受承载基板的材质的限制且其厚度可随喷涂时间的增加而相对加厚的优点；其中该散热基板或该绝缘散热层的外表面进一步设置一线路层供与至少一LED晶粒对应电性连结以完成一LED封装，藉以达成良好的电性绝缘耐压及散热功效。
为使本发明更加明确详实，将本发明的结构及技术特征，配合下列图标详述如后：
附图说明
图1为本发明具有绝缘散热层的散热基板（金属基板）的一实施例的结构剖面示意图；
图2为本发明具有绝缘散热层的散热基板（印刷电路板式复合基板）的一实施例的结构剖面示意图；
图3为本发明具有绝缘散热层的散热基板应用于LED封装及一散热器（heat sink）表面的一实施例结构剖面示意图；
图4为本发明具有绝缘散热层的散热基板应用于LED封装及一散热器（heat sink）表面的另一实施例结构剖面示意图；
图5为本发明具有绝缘散热层的散热基板应用于LED封装及一散热器（heat sink）表面的一实施例结构剖面示意图；
图6A-图6C分别为本发明具有绝缘散热层的散热基板的制造方法的流程示意图。
附图标记说明：10-散热基板；11-承载基板；12-绝缘散热层；111-表面；
112-绝缘基板；113、114-线路层；115-导热孔；116-导热材料；20-电浆熔射设备；30-陶瓷材料；40-LED晶粒；50、60-LED封装；70-散热器（heatsink）。
具体实施方式
参考图1至图5所示，其分别为本发明具有绝缘散热层的散热基板的两个实施例（图1为金属基板，图2为印刷电路板式复合基板）的结构剖面示意图、及其应用于LED封装及散热器（heat sink）表面的三个实施例的结构剖面示意图。本发明的散热基板10包含一承载基板11及一绝缘散热层12；其中该承载基板11是具有散热作用的基板，用以承载该绝缘散热层12；其中该绝缘散热层12形成在该承载基板11的至少一表面111上，其利用电浆熔射设备20如图6B所示以施行电浆熔射方法，用以将选自氧化铝、氧化镁、氧化钛、氮化铝、氮化镁、氮化钛的族群中一种陶瓷材料30先行液化，再高压雾状喷涂在该承载基板11的该至少一表面上如图6B所示，以在该至少一表面111上包覆形成由该陶瓷材料30的材质所构成的绝缘散热层12。
所述的散热基板10，其中该电浆熔射方法是利用选自大气电浆方法、真空电浆方法、低压电浆方法的族群中一种方法，并利用相配合的电浆熔射设备20如图6B所示，以将该陶瓷材料30液化。
如图1所示散热基板10的一实施例，其中该承载基板11是一具有散热作用的金属基板，如图1所示，该金属基板选自铝基板、镁基板、铝镁合金基板、钛合金基板、铜基板的族群中一种基板所构成。
如图2所示散热基板10的另一实施例，其中该承载基板11是一具有导热孔的印刷电路板（PCB）式复合基板，该承载基板11包含：一绝缘基板112、两个线路层113、114及至少一导热孔115。其中该绝缘基板112具有上、下两个表面；其中该两个线路层113、114分别形成并设置在该绝缘基板112的两个表面上，且其中一表面上的线路层113供至少一LED晶粒40电性连接且固设在该散热基板10上以形成一LED封装如图5所示；其中该至少一导热孔115穿设在该绝缘基板112的两个表面之间，该些导热孔115内设有导热材料116。上述该LED封装进一步可与一散热器（heatsink）70结合应用如图5所示；其中当该LED晶粒40发光并产生热能时，藉由该绝缘散热层12以将该热能由该绝缘基板112的一个表面的线路层113传导至另一表面的线路层114以向外散热，也就是传导至该承载基板11（散热基板10）及该散热器（heat sink）70以向外散热，藉以达成良好的散热功效，并避免造成短路的困扰。在图5中是以一LED晶粒40为例说明但非用以限制本发明。此外，该导热孔115如图5所示的设置数目及位置并不限制，但设置位置以能对应连接至接近该线路层113与LED晶粒40电性连结之间的主要的热能产生处为最佳，当该些导热孔115设置在接近热能产生处时，相对可增进散热作用。
所述的散热基板10，其中该陶瓷材30包含陶瓷线材或陶瓷粉末。
以实际的应用而言，所述的散热基板10，其中该绝缘散热层12的形成厚度依据该绝缘散热层12所欲达成电性绝缘耐压的程度而预先设定。
所述的散热基板10，其中该绝缘散热层12的形成厚度依据该高压雾状喷涂在该承载基板11的表面111上的喷涂时间而预先设定。
所述的散热基板10，其中该绝缘散热层12的厚度设定为1~50微米（μm），以使电性绝缘耐压的程度达到300伏特（V）或以上。
所述的散热基板10如图3至图4所示，其中该散热基板10的绝缘散热层12的外表面进一步设置一线路层13，该线路层13利用选自印刷线路板（PCB）线路工艺、网版印刷工艺、半导体工艺的族群中一种工艺以形成在该绝缘散热层12的表面上，供一LED晶粒40能以导线（Wire bond）方式如图3所示或覆晶（Flip Chip）方式如图4所示，电性连结在该散热基板10上以形成一LED封装如图3所示的导线式LED封装50或如图4所示的覆晶式LED封装60。该LED封装50、60进一步可与一散热器（heatsink）70结合应用；其中当该LED晶粒40发光并产生热能时，藉由该绝缘散热层12以将该热能传导至该承载基板11及散热器（heat sink）70以向外散热。藉以达成良好的散热功效，并避免造成短路的困扰。在图3至图4中以LED晶粒40为例说明但非用以限制本发明。
由上可知，本发明的散热基板10中，该承载基板11可选自铝基板、镁基板、铝镁合金基板、钛合金基板、铜基板、具有导热孔的印刷电路板（PCB）式复合基板的族群中一种基板，而该陶瓷材料30可选自氧化铝、氧化镁、氧化钛、氮化铝、氮化镁、氮化钛的族群中一种陶瓷材料，并不受该承载基板11的材质的限制。因此，本发明的散热基板10与以微弧电浆方法制成陶瓷层的现有技术比较，本发明的散热基板10至少具有下列优点：一是该绝缘散热层12的材质不受该承载基板11的材质的限制，如可选择镁基板作为承载基板11而选择氧化铝作为该陶瓷材料30以在镁基板的表面上形成氧化铝材质的绝缘散热层12，相对增加该承载基板11及绝缘散热层12（陶瓷材30）之间材质的选择性；另一是该绝缘散热层12的厚度可随喷涂时间的增加而相对加厚，足以克服现有技术以微弧电浆方法生成的陶瓷层的厚度相对较薄而无法随散热基板的绝缘耐压要求加厚的缺点。
参考图6A至图6C所示，其分别为本发明具有绝缘散热层的散热基板10的制造方法的流程示意图，本发明具绝缘散热层的散热基板10的制造方法的一个优选实施例包含下列步骤：
提供一承载基板11如图6A所示，该承载基板11是具有散热作用的基板，其选自：铝基板、镁基板、铝镁合金基板、钛合金基板、铜基板、具有导热孔的印刷电路板（PCB）式复合基板的族群中一种基板；
提供一陶瓷材料30如图6B所示，该陶瓷材料选自氧化铝、氧化镁、氧化钛、氮化铝、氮化镁、氮化钛的族群中一种；
提供一电浆熔射设备20如图6B所示，用以液化上述的陶瓷材料30；
利用电浆熔射方法，以高压雾状喷涂方式如图6B所示，将上述液化后的陶瓷材料30且依预定的喷涂时间喷涂在该承载基板11的一预定表面111上，以在该表面111上包覆形成由该陶瓷材料30的材质构成且具有预定厚度的绝缘散热层12；
使该绝缘散热层12硬化，以完成一具有预定厚度的绝缘散热层12的散热基板10。
以上所示仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的。本领域技术人员在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效的变更，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (13)
1.一种具有绝缘散热层的散热基板，包含一承载基板及至少一绝缘散热层，其中所述绝缘散热层设在所述承载基板的至少一表面上。
2.如权利要求1所述的散热基板，其特征在于，
所述承载基板为一具有散热作用的基板用以承载该绝缘散热层；
所述绝缘散热层形成在该承载基板的至少一表面上，其是利用电浆熔射方法将选自氧化铝、氧化镁、氧化钛、氮化铝、氮化镁、氮化钛的族群中一种陶瓷材料先行液化，再高压雾状喷涂在该承载基板的至少一表面上，以在该至少一表面上包覆形成由该陶瓷材料的材质所构成的绝缘散热层。
3.如权利要求2所述的散热基板，其特征在于，所述电浆熔射方法利用选自大气电浆方法、真空电浆方法、低压电浆方法中一种方法以将该陶瓷材料液化。
4.如权利要求2所述的散热基板，其特征在于，所述承载基板为具有散热作用的金属基板，该金属基板选自铝基板、镁基板、铝镁合金基板、钛合金基板、铜基板中的一种基板所构成。
5.如权利要求2所述的散热基板，其特征在于，所述承载基板为具有散热作用的非金属基板，该非金属基板为具有导热孔的印刷电路板（PCB）式复合基板。
6.如权利要求2所述的散热基板，其特征在于，所述陶瓷材料包含陶瓷线材或陶瓷粉末。
7.如权利要求2所述的散热基板，其特征在于，所述绝缘散热层的形成厚度是依据该绝缘层所欲达成电性绝缘耐压的程度而预先设定。
8.如权利要求2所述的散热基板，其特征在于，所述绝缘散热层的形成厚度是依据该高压雾状喷涂在该承载基板的表面上的喷涂时间而预先设定。
9.如权利要求2所述的散热基板，其特征在于，所述绝缘散热层的厚度设定为1~50微米（μm），以使电性绝缘耐压的程度达到300伏特（V）或以上。
10.如权利要求2所述的散热基板，其特征在于，所述绝缘散热层的外表面还设置一线路层。
11.如权利要求10所述的散热基板，其特征在于，所述线路层包含至少二分开且绝缘的电性连结点供与至少一LED晶粒所设的不同电极的焊垫对应电性连结，以使该至少一LED晶粒能电性连结并设置在该散热基板上，其中当该至少一LED晶粒发光并产生热能时，藉由该绝缘散热层以将该热能传导至该承载基板以向外散热。
12.如权利要求10所述的散热基板，其特征在于，所述线路层利用选自印刷线路板（PCB）线路工艺、网版印刷工艺、半导体工艺中的一种工艺以形成在该绝缘散热层的表面上。
13.一种具有绝缘散热层的散热基板的制造方法，包含下列步骤：
提供一承载基板，该承载基板为一具有散热作用的基板；
提供一陶瓷材料，该陶瓷材料选自氧化铝、氧化镁、氧化钛、氮化铝、氮化镁、氮化钛中的一种；
提供一电浆熔射设备，用以液化所述的陶瓷材料；
利用高压雾状喷涂方式，将上述液化后的陶瓷材料且依预定的喷涂时间喷涂在该承载基板的一预定表面上，以在该表面上包覆形成由该陶瓷材料的材质构成且具有预定厚度的绝缘散热层；及
使该绝缘散热层硬化，以完成具有预定厚度的绝缘散热层的散热基板。
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