TW201318234A - 高導熱基板及具該基板的發光二極體元件與製作方法 - Google Patents

Abstract

一種高導熱基板及具該基板的發光二極體元件與製作方法，是先在一個具有絕緣表面的基板鑽出多個貫穿的穿孔，並將多個對應穿孔數量的導熱球狀物導引至穿孔中，再於絕緣表面及穿孔內的導熱球狀物曝露位置濺鍍一層種子層，再將一層受光罩遮蔽經曝光及顯影後形成一個預定形狀的光阻膜設置在種子層上，令對應穿孔位置的種子層能被電鍍增厚，接著將光阻膜去除，並進行蝕刻，令種子層未被增厚部分被去除，而保留部分則形成封閉導熱球狀物之導熱封閉層，並與導熱球狀物共同構成基板的散熱部，以供導熱結合的發光二極體晶粒散熱效率提升。

Description

高導熱基板及具該基板的發光二極體元件與製作方法

本發明係關於一種基板、及應用該基板的電路元件，尤其是指一種高導熱基板及具該基板的發光二極體元件與製作方法。

目前發光二極體(LED)已相當普及，不僅體積小、反應時間快、使用壽命長、亮度不易衰減、且耐震動，因此LED元件漸漸取代包括顯示器背光光源、照相機閃光燈、交通號誌、車頭及車尾燈，甚至逐漸進入一般照明市場。然而，隨著高功率LED照明設備的應用發展，較大驅動電流所伴隨的高熱問題，由於目前一般印刷電路板材料或半導體基板散熱能力有限，如何避免高溫所導致的電路元件劣化或壽命減損，就成為眾所矚目的問題。為能承受高亮度LED所發的大量熱能，業界多選擇耐高溫的陶瓷基板或是具有高導熱效率的鋁基板作為LED晶粒的承載件。

其中，陶瓷基板的製作方式主要是將例如無機的氧化鋁粉與約30%~50%的玻璃粉末加上有機黏結劑，使其混合均勻成為泥狀的漿料，把已經成形好的散熱金屬料材埋藏其中，接著利用刮刀把漿料刮成片狀，再經由一道乾燥過程將片狀漿料形成一片生胚，預埋的金屬材料將構成一個可供電路元件設置並導熱的散熱柱，且在生胚表面成形金屬線路，最後放置於燒結爐中將生胚與預成型的金屬材料共同燒結成型。以銅為例，其導熱係數約為400 W/(m‧K)，相較之下，銀與玻璃混合燒結的材料導熱係數僅約50～80 W/(m‧K)，可見預埋金屬的導熱性將遠高於混合金屬粉末的燒結陶瓷。

然而，燒結過程中的攝氏數百度高溫，將導致生胚內部些許不均勻的位置因膨脹與收縮而產生偏差，使得最終製成的基板，實際尺寸及相對位置關係與原先預期規劃不同，當電路元件逐步微型化，且電路板上的線路由毫米進入微米範圍時，此種偏差將導致所產出的電路元件良率因而降低。

另一種增加基板導熱效率的解決方案，是選用例如已經成型的氧化鋁(Al₂O₃)或氮化鋁(AlN)基板，鑽出導通孔後，在導通孔內鑲嵌一個金屬散熱柱，供電路元件設置其上；然而，此種事後鑲嵌的金屬材料往往不能與原先的陶瓷基板緊密結合，考量空氣的導熱係數甚至低於0.1 W/(m‧K)，在鑲嵌的金屬與陶瓷基板間，只要存在有些許縫隙，就會導致熱阻明顯提升，導熱性嚴重下降，使得用鑲嵌方式形成金屬導熱柱的陶瓷基板，導熱效率遠低於原始設計。

尤其，採用鑲嵌方式形成散熱柱的過程無法批次製造，即使在大片基板上，也必須將金屬導熱柱以極其精密的機械手臂或人力，逐一塞入陶瓷基板的穿孔中，製造流程隨之繁雜且緩慢，不僅令製作成本相對提高，產出效率同步降低。因此，如何使得散熱柱成型位置的精度更高，提升基板的產出良率；且讓製造過程更簡單，令自動化成為可行，使製作成本降低；尤其可以確保基板的散熱效能，讓元件高發熱的問題可以被確實解決，一舉解決上述問題，將是本領域技術人員共同的期盼。

本發明的一個目的在提供一種具有一個精密結合的散熱部、令發熱電路元件受電產生的熱能可被有效率導離的形成有散熱部的高導熱基板。

本發明的另一目的在提供一種具有簡易可靠的散熱部之結構，提升產出效率、降低製作成本的形成有散熱部的高導熱基板。

本發明的又一目的在提供一種製造過程可以自動化且批次製造，使得產出效率提升的形成有散熱部的高導熱基板。

本發明的再一目的在提供一種製造精度可大幅提升，提高產出良率的形成有散熱部的高導熱基板。

本發明的更一目的在提供一種具有高散熱效率、增加元件使用壽命的發光二極體元件。

本發明的又另一目的在提供一種結構簡單、製造成本降低的發光二極體元件。

本發明的又再一目的在提供一種形成有一個高散熱效率散熱部、令發熱電路元件受電產生的熱能可被有效率導離的高導熱基板的製作方法。

本發明的再另一目的在提供一種易於形成穩固散熱部結構、提升產出效率與良率的形成有散熱部的高導熱基板的製作方法。

依照本發明揭露的一種形成有散熱部的高導熱基板，是供設置一個具有一組致能端部的發熱電路元件，該高導熱基板包含：一個具有兩個絕緣表面、且形成有至少一個貫穿前述絕緣表面之穿孔的基材；一個對應前述穿孔、供該電路元件導熱接合的散熱部，包括至少一個具有平滑表面、設置於前述穿孔中、且導熱係數高於前述基板的導熱球狀物；及一層對應前述穿孔、且至少部分形成於前述絕緣表面、供將前述導熱球狀物固著及封閉於前述穿孔內的導熱封閉層；該高導熱基板還包含一組形成於前述絕緣表面、供該電路元件之前述致能端部導接的端電極。

而依照本發明揭露的一個發光二極體元件，包含：至少一個具有二致能端部的發光二極體晶粒；及一片高導熱基板，包括：一個具有兩個絕緣表面、且形成有至少一個貫穿前述絕緣表面之穿孔的基材；一個對應前述穿孔、供該發光二極體晶粒導熱接合的散熱部，具有至少一個具有平滑表面、設置於前述穿孔中、且導熱係數高於前述基板的導熱球狀物；及一層對應前述穿孔、且至少部分形成於前述絕緣表面、供將前述導熱球狀物固著及封閉於前述穿孔內的導熱封閉層；及該高導熱基板還包含一組形成於前述絕緣表面、供該發光二極體晶粒前述致能端部導接的端電極。

而依照本發明揭露的一種形成有散熱部的高導熱基板的製作方法，是供設置一個具有一組致能端部的發熱電路元件，該方法包含下列步驟：a)在一片具有兩個絕緣表面的陶瓷板中形成複數個貫穿前述絕緣表面的穿孔；b)於每一前述穿孔內分別導入一個具有平滑表面、且導熱係數高於前述陶瓷板的導熱球狀物；c)在至少一個前述絕緣表面上，形成至少一層對應前述穿孔的導熱封閉層，供將前述導熱球狀物固著及封閉於前述穿孔內，令每一前述導熱球狀物及前述導熱封閉層共同構成一個供電路元件設置的散熱部；及d)於前述絕緣表面形成複數供前述電路元件之前述致能端部導接的端電極。

由於本案所揭露之高導熱基板及具該基板的發光二極體元件與製作方法，是在一片陶瓷板的絕緣表面以鑽孔機鑽出多個貫穿的穿孔，利用導熱球狀物呈平滑表面的球狀結構，可輕易的導引至各個穿孔中，甚至可在穿孔導引導熱球狀物的另一端以抽氣的方式將導熱球狀物吸取導引至穿孔中，隨後在絕緣表面於對應穿孔的開口處分別以例如濺鍍的方式進行填孔以及形成一個導熱封閉層，令導熱球狀物能與導熱封閉層完全接觸並共同形成一個散熱部，以供發光二極體晶粒導熱結合於散熱部上，當發光二極體元件受電發光而產生的熱量即可透過導熱結合的散熱部進行高效率的散熱，由於散熱部成型方式有別於習知技術，在製作上更加的簡單容易，令製作成本降低，對於產出效率亦可同步提升，且散熱部成型位置的精度更高，與穿孔間更不會有空隙產生，尤其可以確保基板的散熱效能，讓元件高發熱的問題可以被確實解決，達成上述所有之目的。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

本案高導熱基板及具該基板的發光二極體元件與製作方法如圖1所示，一開始如步驟101，將一片如圖2及圖3所示之陶瓷板20預切割成複數彼此連結的基材21，其材質可選自氧化鋁(Al₂O₃)、氮化鋁(AlN)、矽、或共燒陶瓷的集合製成，且基材21具有兩個絕緣表面213，且兩個絕緣表面213呈彼此相對，而在各基材21間分別形成有一個V型凹溝之脆弱部210，供未來分離各基材21之用。當然，如熟於此技術領域者所能輕易理解，要將基板上的所有元件分離，未必侷限於在此步驟中形成脆弱部，亦可在大致製造完成後，單純以例如雷射切割等方式分離，並無不可。

接下來如步驟102，並如圖4所示，以鑽孔機將基材21鑽出一個貫穿絕緣表面213的穿孔215，且穿孔215形成有上孔徑大於下孔徑的兩個孔徑大小不同之開口2151、2152，再來如步驟103，並如圖5所示，將多個符合目前穿孔215數量且導熱係數高於基材21的導熱球狀物230放置在基材21的絕緣表面213上，而本例之導熱球狀物230之材質可選自以銅、銀、金、鈦、鈦合金、鎳、鎳合金、鋁、鋁合金、鐵、不銹鋼及鎳鉻合金所構成的集合。。

接下來如步驟104，於基材21的另一側面放置一台空氣吸引機，並進行空氣的施加負壓力量抽取，在本例中，導熱球狀物230是一個呈圓球形狀的具有平滑表面的金屬球體，因此放置在絕緣表面213上的導熱球狀物230可以撥掃的方式輕易推入至各個穿孔215中，而受到穿孔215另一端的負壓抽吸，更可輕易地被吸入導引至穿孔215內，由於本例之導熱球狀物230的球徑大於穿孔215較小的開口，因此導熱球狀物230被吸入穿孔215內後不會從另一端的開口掉落出。

接著再如步驟105，一併參考如圖5及圖6所示，於基材21的兩個絕緣表面213上分別濺鍍一層金屬種子層231，而且導熱球狀物230從穿孔215的兩個開口露出的部分同樣被金屬種子層231濺鍍，令穿孔215置入導熱球狀物230尚未被填滿的空間被金屬種子層231充分的填滿，接下來如步驟106，並如圖7所示，於金屬種子層231上壓印一層光阻膜22，再於光阻膜22上設置一個部分遮蔽及部分曝露光阻膜22的光罩，再進行曝光及顯影作業，令受到曝光的光阻膜22改變相結構，並保留在金屬種子層231上。

接著如步驟107，對金屬種子層231進行電鍍及蝕刻作業，再將剩餘光阻膜22去除，使得金屬種子層231形成一層如圖8所示，對應各個穿孔215的導熱封閉層232，使得導熱球狀物230能夠被固著及封閉於穿孔215內，令導熱封閉層232與導熱球狀物230共同構成一個散熱部23，而對應基材21的兩個端緣的位置則形成多個接墊240，而在此一步驟即已先完成本案之形成有散熱部23的高導熱基板。

接下來如步驟108，並如圖9所示，將一個例示為發光二極體晶粒25的發熱電路元件以導熱接合方式焊接至散熱部23上，再將發光二極體晶粒25的兩個致能端部分別導接至接墊240，再如步驟109，並如圖10所示，將尚未被分離的諸多基材21共同置入一個模具3中，且模具3內形成有複數分別對應各基材21的預定形狀模穴，並向模穴中注入透明材質樹脂，經過一定時間後將模具3卸除，即會形成一層在結合至各基材21上並覆蓋發光二極體晶粒25的保護層26，在本例中，保護層26是以一透光材質製成，供內部所保護的發光二極體晶粒25所發光束透出。當然，保護層26的製作可視需求僅將對應發光二極體晶粒25的部分為透明材質，而其於部分則是為不透光材質；或者當內部設置藍光LED時，在保護層內混入例如黃光螢光粉，而構成白光LED。

接著再如步驟110，一併參考如圖11所示，將整片陶瓷板20沿圖2所示的脆弱部210以上下方向處斷裂分離成數排並堆疊，令各基材21的兩個端部暴露在圖式左右外側，再以濺鍍並電鍍導接至上、下兩側面的接墊240，並形成一對端電極24，最後再如步驟111，將各基材21逐一分離成顆粒，就形成如圖12所示之發光二極體元件。

當然，本例中的穿孔及導熱球狀物更可如圖13所示，其中穿孔215’形成的兩個開口的孔徑是呈相同的大小，而導熱球狀物230’更可以是一個呈橢圓球形狀的非金屬導熱球體，其材質可以是氧化鋁(Al₂O₃)、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)或氮化銅(CuN₃)的集合所製成，在製作時可將導熱球狀物230’嵌設於穿孔215’中間位置，再利用導熱封閉層232’令導熱球狀物230’被固著及封閉於穿孔215’內，可共同構成具有同樣功效的散熱部23’。

由於本案所揭露之高導熱基板及具該基板的發光二極體元件與製作方法，僅需將導熱球狀物導引至穿孔中，隨後再藉由導熱封閉層將導熱球狀物固著及封閉於穿孔內，即可共同構成一個散熱部，製程容易、結構簡單、成本隨之降低；尤其是在進行大量的批次作業時，產出效率可明顯提升；且散熱部成型位置的精度更高，而散熱柱與散熱部間更不會有空隙產生，可以確保基板的散熱效能，提昇產品良率，一併達成所有上述之目的。

惟以上所述者，僅本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

20．．．陶瓷板

21．．．基材

213．．．絕緣表面

210．．．脆弱部

215、215’．．．穿孔

22．．．光阻膜

23、23’．．．散熱部

230、230’．．．導熱球狀物

231．．．金屬種子層

232、232’．．．導熱封閉層

24．．．端電極

240．．．接墊

25．．．發光二極體晶粒

26．．．保護層

3．．．模具

2151、2152．．．開口

圖1是本案之第一較佳實施例之高導熱基板及具該基板的發光二極體元件之製作方法的流程圖；

圖2是本案之第一較佳實施例之高導熱基板及具該基板的發光二極體元件之陶瓷板的俯視圖

圖3是圖2之陶瓷板的側視圖；

圖4是圖3之陶瓷板上鑽出穿孔的側視圖；

圖5是圖4之穿孔內設置一個導熱球狀物的側視圖；

圖6是圖5之陶瓷板上濺鍍一層金屬種子層的側視圖；

圖7是圖6之金屬種子層上壓印一層光阻膜的側視圖；

圖8是圖7之金屬種子層受電鍍及蝕刻後形成導熱封閉層及接墊，且導熱封閉層更與導熱球狀物共同構成一個散熱部的側視圖；

圖9是圖8之散熱部上焊接發光二極體晶粒，並將發光二極體晶粒的兩個致能端部分別導接至接墊的側視圖；

圖10是圖9之基材置入模具中，並注入透明材質樹脂於模穴內，形成覆蓋發光二極體晶粒之保護層的側視圖；

圖11是圖10之陶瓷板沿脆弱部斷裂分離成數排並堆疊，並濺鍍及電鍍各基材的兩個端部，形成一對端電極的側視圖；

圖12是圖11之陶瓷板逐個分離而完成之發光二極體元件的側視圖；及

圖13是本案之第二較佳實施例之高導熱基板及具該基板的發光二極體元件之穿孔呈相同孔徑大小，且導熱球狀物是呈橢圓球形狀之金屬球體的側視圖。

指定代表圖之元件無編號

Claims (10)

1. 一種形成有散熱部的高導熱基板，是供設置一個具有一組致能端部的發熱電路元件，該高導熱基板包含：一個具有兩個絕緣表面、且形成有至少一個貫穿前述絕緣表面之穿孔的基材；一個對應前述穿孔、供該電路元件導熱接合的散熱部，包括至少一個具有平滑表面、設置於前述穿孔中、且導熱係數高於前述基板的導熱球狀物；及一層對應前述穿孔、且至少部分形成於前述絕緣表面、供將前述導熱球狀物固著及封閉於前述穿孔內的導熱封閉層；及一組形成於前述絕緣表面、供該電路元件之前述致能端部導接的端電極。
2. 如申請專利範圍第1項的高導熱基板，其中前述導熱球狀物是金屬球體，其中該金屬球體是選自以銅、銀、金、鈦、鈦合金、鎳、鎳合金、鋁、鋁合金、鐵、不銹鋼及鎳鉻合金所構成的集合。
3. 如申請專利範圍第1項的高導熱基板，其中前述導熱球狀物是非金屬導熱球體，其中該非金屬導熱球體是選自以氧化鋁(Al₂O₃)、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)或氮化銅(CuN₃)所構成的集合。
4. 如申請專利範圍第1項的高導熱基板，其中前述穿孔在該基材的兩個絕緣表面處分別形成有兩個孔徑大小不同之開口。
5. 如申請專利範圍第1項的高導熱基板，其中該散熱部更包括一組形成於該導熱封閉層上、供前述電路元件接觸設置的接墊。
6. 如申請專利範圍第1、2、3或4項的高導熱基板，其中該基材是選自氧化鋁(Al₂O₃)、氮化鋁(AlN)、矽、或共燒陶瓷的集合。
7. 一個發光二極體元件，包含：至少一個具有二致能端部的發光二極體晶粒；及一片高導熱基板，包括：一個具有兩個絕緣表面、且形成有至少一個貫穿前述絕緣表面之穿孔的基材；一個對應前述穿孔、供該發光二極體晶粒導熱接合的散熱部，具有至少一個具有平滑表面、設置於前述穿孔中、且導熱係數高於前述基材的導熱球狀物；及一層對應前述穿孔、且至少部分形成於前述絕緣表面、供將前述導熱球狀物固著及封閉於前述穿孔內的導熱封閉層；及一組形成於前述絕緣表面、供該發光二極體晶粒前述致能端部導接的端電極。
8. 如申請專利範圍第7項之發光二極體元件，其中該高導熱基板更包括一層覆蓋該發光二極體晶粒、並結合至前述基材的保護層，且該保護層至少對應該發光二極體晶粒部分為透明材質。
9. 一種形成有散熱部的高導熱基板的製作方法，是供設置一個具有一組致能端部的發熱電路元件，該方法包含下列步驟：a)在一片具有兩個絕緣表面的陶瓷板中形成複數個貫穿前述絕緣表面的穿孔；b)於每一前述穿孔內分別導入一個具有平滑表面、且導熱係數高於前述陶瓷板的導熱球狀物；c)在至少一個前述絕緣表面上，形成至少一層對應前述穿孔的導熱封閉層，供將前述導熱球狀物固著及封閉於前述穿孔內，令每一前述導熱球狀物及前述導熱封閉層共同構成一個供電路元件設置的散熱部；及d)於前述絕緣表面形成複數供前述電路元件之前述致能端部導接的端電極。
10. 如申請專利範圍第9項之高導熱基板的製作方法，其中該步驟b)是在該陶瓷板的一側面施加負壓，使得上述導熱球狀物分別落入前述穿孔中；且該方法更包含在步驟d)後，將陶瓷板分離為複數前述高導熱基板的步驟e)。