TW201429009A - 發光二極體裝置及散熱基板的製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種發光二極體裝置。此發光二極體裝置包含：基板，在基板上形成至少一電極；LED晶片，固設於基板上，且在LED晶片上形成至少一銲墊；至少一銲線，係電性連接銲墊及電極；及螢光材料層，係覆蓋在LED晶片上，其中，基板具有導熱係數為80~120W/mK，及發光二極體裝置於2600k~3700k相對色溫(CCT)下之演色性指數大於90。

Description

發光二極體裝置及散熱基板的製造方法
本發明係與發光二極體封裝有關，特別有關於一種包含有導熱係數低於120W/mK的基板之發光二極體裝置。
發光二極體(LED)具有低耗能、省電、壽命長、耐用等優點，因而被各方看好將取代傳統照明成為未來照明光源。然而，隨著功率增加，LED所產生電熱流之廢熱無法有效散出，導致發光效率嚴重下降。LED發光效率會隨著使用時間及次數而降低，而過高的接面溫度則會加速LED發光效率衰減，故散熱成LED發展的一大課題。
選擇高散熱基板可改善LED的散熱。LED常見基板通常有四類：印刷電路板(PCB)、金屬芯電路板(MCPCB)、以陶瓷材料為主的陶瓷基板、覆銅陶瓷基板。其中，覆銅陶瓷基板是將銅箔直接燒結到陶瓷表面，而形成的一種複合基板。PCB及MCPCB可使用於一般LED應用之產品。不過當單位熱流密度較高時，LED散熱基板主要採用金屬基板及陶瓷基板兩類強化散熱。
金屬基板以鋁(Al)及銅(Cu)為材料，可分為「金屬基材(metal base)」、「金屬蕊(metal core)」。金屬基板製程尚需多一道絕緣層處理。另一類是採用AlN、SiC、BeO等絕緣材料為主的陶瓷基板，由於本身材料就已經絕緣，因此不需要有絕緣層的處理。此外，陶瓷基板所能承受的崩潰電壓，擊穿電壓(Break-down voltage)也較高。而且，陶瓷基板熱膨脹係數匹配性佳，可減少熱應力及熱變形產生也是優點，相當適合LED應用。
藍光LED搭配YAG黃色螢光粉為目前普遍白光LED之製作方式，而此封裝方式將使LED缺乏綠色及紅色波段之光源，造成白光呈現冷白光之狀況，無法達到暖白光產品之規格要求。
有鑑於此，本發明人為改善並解決上述之缺失，乃特潛心研究並配合學理之運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺失之本發明。
本發明之一目的，在於提供一種發光二極體裝置 ，藉由包含有導熱係數為80~120W/mK的基板，可達到產品可靠度之要求，並藉由少許之溫度提升，使LED光源朝長波長移動，達到暖白光之特性，更提升演色性之效能。此乃由於半導體材料特性會隨溫度變化而改變，當溫度升高時材料能隙增加，使輸出光源產生紅移現象，光頻譜朝長波長移動。
為了達成上述之目的，本發明之一態樣提供一種發光二極體裝置 。此發光二極體裝置包含：基板，在基板上形成至少一電極；LED晶片，固設於基板上，且在LED晶片上形成至少一銲墊；至少一銲線，係電性連接銲墊及電極；及螢光材料層，係覆蓋在LED晶片上，其中，基板具有導熱係數為80~120W/mK，及發光二極體裝置於2600k~3700k相對色溫(CCT)之演色性指數大於90。
該等銲墊可位於LED晶片之同一面上，也可位於LED晶片之不同面上。上述基板可為金屬基板或陶瓷基板。或者，基板可為覆銅陶瓷基板。
本發明之另一態樣提供一種發光二極體裝置。此發光二極體裝置包含：LED晶片，具有第一面及與第一面相對的第二面；第一電極與第二電極分別形成在LED晶片的第一面上的第一區與第二區；第一焊墊與第二焊墊，位於基板之一表面上，第一焊墊與第一電極電性連接，第二焊墊與第二電極電性連接；第一墊片與第二墊片，分別位於基板之另一表面上；一第一導電柱，位於該基板中，用於連接該第一焊墊與該第一墊片；一第二導電柱，位於該基板中，用於連接該第二焊墊與該第二墊片；及一螢光材料層，係覆蓋在該LED晶片的該第二面上，其中，該基板具有導熱係數為80~120W/mK，及該發光二極體裝置於2600k~3700k相對色溫下之演色性指數大於90。上述基板可為金屬基板或陶瓷基板。或者，基板可為覆銅陶瓷基板。
相較於習知為了追求高散熱而採用 導熱係數大於120W/mK的高成本基板之發光二極體裝置，本發明之發光二極體裝置可達到良好產品可靠度及高演色性，同時達到降低成本的優勢。
100．．．基板
102．．．電極
104．．．電極
200．．．LED晶片
202．．．焊墊
203．．．焊墊
204．．．焊線
300．．．螢光材料層
400．．．LED晶片
402．．．第一面
404．．．第二面
412．．．第一電極
414．．．第二電極
416．．．第一焊墊
418．．．第二焊墊
420．．．基板
422．．．第一導電柱
423．．．第二導電柱
424．．．第一墊片
426．．．第二墊片
428．．．螢光材料層
第一圖係本發明之第一實施例發光二極體裝置之示意剖視圖；
第二圖係本發明之第二實施例發光二極體裝置之示意剖視圖；
第三圖係本發明之第三實施例發光二極體裝置之示意剖視圖；
第四圖係InGaN發光二極體裝置的接面溫度與壽命關係圖；
第五圖係裝置B之發光特性圖；
第六圖係裝置A之發光特性圖；及
第七圖係在不同尺寸、不同表面結構之基板表面電鍍銅層的附著力試驗結果。
有關本發明之詳細說明及技術內容，配合圖式說明如下，所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
第一圖係依據本 發明之一第一實施例之發光二極體裝置之示意剖視圖。本發明之發光二極體裝置，包含：基板100，在基板100上形成電極102及電極104；LED晶片200，固設於基板100上，且在LED晶片200上形成兩個銲墊202、203；兩條銲線204，係分別電性連接銲墊202與電極104及銲墊203與電極102；及一螢光材料層300，係覆蓋在LED晶片200上。其中，基板100具有導熱係數為80~120W/mK，及發光二極體裝置於2600k~3700k相對色溫下之演色性指數大於90。
LED晶片200為使用接著劑固設在基板100上，基板100可為金屬基板、陶瓷基板或覆銅陶瓷基板，其中金屬基板係由銅基板、鋁基板等金屬材質中之至少一者所組成，陶瓷基板可為氧化鋁基板、氮化鋁基板或矽基板。上述所使用之接著劑可為銀膠、金錫焊料或上述材料的組合。本發明之發光二極體更包含一外包覆體(未圖示)，係具有一包覆基板100、LED晶片200、銲線204及螢光片300之座體。
該等不同型式(P型與N型)之銲墊202及203係位於LED晶片200之同一面但不同平面上，且分別在LED晶片200頂面的兩側邊上，藉由銲線204分別電性連接銲墊202與電極104及銲墊203與電極102。
接著，請參見第二圖，第二圖係依據本發明之第二實施例的發光二極體裝置之剖面示意圖。此一實施例中，如第二圖所示，該等不同型式(P型與N型)之銲墊202及203係位於LED晶片200之不同面上，且LED晶片200頂面的一側邊上之一型式銲墊202，係藉由銲線204電性連接銲墊202與電極104，LED晶片底面上另一型式之銲墊203則直接接觸基板100，以完成電性連接，其中此實施例無須製作電極102。其中，基板100具有導熱係數為80~120W/mK，及發光二極體裝置於2600k~3700k相對色溫下之演色性指數大於90。
LED晶片200為使用接著劑固設在基板100上，基板100可為金屬基板 、陶瓷基板、覆銅陶瓷基板、複合材料基板或半導體基板，其中金屬基板係由銅基板、鋁基板等金屬材質中之至少一者所組成，陶瓷基板可為氧化鋁基板、氮化鋁基板或氧化鋯基板，複合材料基板可為氮化矽、碳化矽，半導體基板可為矽基板。上述所使用之接著劑可為銀膠、金錫焊料或上述材料的組合。本發明之發光二極體更包含一外包覆體(未圖示)，係具有一包覆基板100、LED晶片200、銲線204及螢光片300之座體。
接著，請參見第三圖，第三圖係依據本發明之第三實施例的發光二極體裝置之剖面示意圖。此一實施例中，如第三圖所示，此發光二極體裝置包含：LED晶片400，具有第一面402及與第一面402相對的第二面404；第一電極412與第二電極414分別形成在LED晶片400的第一面402上的第一區與第二區；第一焊墊416與第二焊墊418，位於基板420之一表面上，第一焊墊416與第一電極412電性連接，第二焊墊418與第二電極414電性連接；第一墊片424與第二墊片426，分別位於基板420之另一表面上；第一導電柱422，位於基板420中，用於連接該第一焊墊416與第一墊片424；第二導電柱423，位於基板420中，用於連接第二焊墊418與第二墊片426；及螢光材料層428，係覆蓋在LED晶片400的第二面404上，其中，基板420具有導熱係數為80~120W/mK，及發光二極體裝置於2600k~3700k相對色溫下之演色性指數大於90。
基板420可為金屬基板、陶瓷基板、覆銅陶瓷基板、複合材料基板或半導體基板，其中金屬基板係由銅基板、鋁基板等金屬材質中之至少一者所組成，陶瓷基板可為氧化鋁基板、氮化鋁基板或氧化鋯基板，複合材料基板可為氮化矽、碳化矽，半導體基板可為矽基板。
(實施例)
以發光二極體裝置A及發光二極體裝置B進行分析，裝置A係採用氧化鋁基板，裝置B係採用氮化鋁基板，兩者僅於基板材料不同，其餘製作規格皆為相同。裝置A之熱阻為9℃/W，裝置B之熱阻為4℃/W，所以裝置A高於裝置B為5℃/W，而氮化鋁的導熱係數為140~180W/mK，氧化鋁的導熱係數為30W/mK，所以氮化鋁高於氧化鋁~145W/mK。由以上兩項數值計算得知，為降低每1℃/W之熱阻則需增加~30W/mK之熱傳導特性。
如第四圖所示，高瓦數(1A以上)之產品為保有六萬小時壽命之特性，接面溫度需低於132℃。又於本實施例中，裝置A的氧化鋁封裝之接面溫度為113.35℃、裝置B的氮化鋁封裝則為103.6℃；另經試驗後若運用100W/mK氮化鋁基板進行封裝則接面溫度為114.94℃。因此使用導熱係數約100W/mK的基板亦能達到相同良好的產品可靠度。
半導體材料特性會隨溫度變化而改變，於LED晶片上更是如此。當溫度升高時半導體材料會產生紅移現象(Red shift)，亦指發光頻譜會向長波長移動(紅光-暖色系)。裝置A與裝置B皆以藍光LED混YAG黃色螢光粉進行製作，而此封裝規格之LED元件缺少綠光及紅光頻譜，因此難達到暖色系照明產品之要求。如第五圖所示，裝置B於2600-3700k相對色溫(CCT)之暖白光頻譜與冷白光無太大差異，其產品CRI為80；而由第六圖所示，裝置A在暖白光之頻譜有明顯往長波長移動20nm，且CRI可達90以上，白光更具暖色系，光源之演色性更加提升，使顏色能忠實呈現。即，接面溫度的些微上升將有助於演色性的提升。
因此，由上述實施例可證實以導熱係數為80~120W/mK的基板（例如100W/mK左右之氮化鋁基板）作為發光二極體之散熱載板，不僅可達到高瓦數照明對產品壽命之要求，且對於光源之演色性更為提升，使光源對顏色的表現更為逼真，更主要能有效降低40%的陶瓷基板成本，使產品於市場中更具有價格及技術之優勢。
此外，本發明進一步提出適用於導熱係數為80~120W/mK之發光元件散熱基板的製程，由於導熱係數降低的陶瓷基板受到研磨或燒結方式等因素影響，以致材料晶格結構較不一致，使得於後續薄膜製程中，薄膜於沉積時無法於一平面上成長連續平面結構，最終影響金屬薄膜附著力。經發明人悉心研究後，於薄膜製程前先對基板進行粗化，將使材料晶格結構更佳完整，以增加薄膜附著能力。上述後續薄膜製程即為習知的濺鍍種子層、壓膜曝光顯影、電鍍銅線路、剝膜蝕刻、表面處理等陶瓷基板DPC(Direct Plate Copper)製程。
本發明用於發光元件之散熱基板的製造方法，包含下列步驟：提供一基板，其中基板之導熱係數為80~120W/mK；對基板進行一粗化製程；以及於基板上形成一線路圖案，以作為發光元件之散熱基板。於基板上形成線路圖案的步驟例如以移除法或半添加法於基板形成銅線路；粗化製程係使用鹼性藥水例如NaOH或KOH水溶液蝕刻基板。
第七圖為在不同尺寸、不同表面結構之基板表面鍍70~100微米銅層的附著力試驗結果。結果顯示未經粗化的基板附著能力不足或極差，而經粗化製程後無論是1x1mm或2x2mm基板，薄膜附著力皆有顯著提升，證實上述粗化製程確實能增進基板後續薄膜製程之薄膜附著能力。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，非用以限定本發明之專利範圍，其他運用本發明之專利精神之等效變化，均應俱屬本發明之專利範圍。
100．．．基板
102．．．電極
104．．．電極
200．．．LED晶片
202．．．焊墊
203．．．焊墊
204．．．焊線
300．．．螢光材料層

Claims (10)

  1. 一種發光二極體裝置，包括:
    一基板，在該基板上形成至少一電極；
    一LED晶片，設置於該基板上，且在該LED晶片上形成至少一銲墊；
    至少一銲線，係電性連接該銲墊及該電極；及
    一螢光材料層，係覆蓋在該LED晶片上，
    其中，該基板具有導熱係數為80~120W/mK，及該發光二極體裝置於2600k~3700k相對色溫下之演色性指數大於90。
  2. 如請求項1之發光二極體裝置，其中該等銲墊係位於該LED晶片之同一面或不同面上。
  3. 如請求項1之發光二極體裝置，其中該基板之材質為氮化鋁或氮化矽，且該基板之導熱係數80~100 W/mK。
  4. 如請求項1之發光二極體裝置，其中該LED晶片為使用接著劑貼合在該基板上。
  5. 如請求項1之發光二極體裝置，其中該基板為金屬基板、陶瓷基板、覆銅陶瓷基板、複合材料基板或半導體基板。
  6. 如請求項1至5中任一項之發光二極體裝置，更包含一外包覆體，係具有一包覆基板、LED晶片、銲線及螢光材料層之座體。
  7. 一種發光二極體裝置，包括:
    一LED晶片，具有一第一面及與該第一面相對的一第二面；
    一第一電極與一第二電極分別形成在該LED晶片的該第一面上的一第一區與一第二區；
    一第一焊墊與一第二焊墊，位於一基板之一表面上，該第一焊墊與該第一電極電性連接，該第二焊墊與該第二電極電性連接；
    一第一墊片與一第二墊片，分別位於該基板之另一表面上；
    一第一導電柱，位於該基板中，用於連接該第一焊墊與該第一墊片；
    一第二導電柱，位於該基板中，用於連接該第二焊墊與該第二墊片；及
    一螢光材料層，係覆蓋在該LED晶片的該第二面上，
    其中，該基板具有導熱係數為80~120W/mK，及該發光二極體裝置於2600k~3700k相對色溫之演色性指數大於90。
  8. 如請求項7之發光二極體裝置，其中該基板為金屬基板、陶瓷基板、覆銅陶瓷基板、複合材料基板或半導體基板。
  9. 一種用於發光元件之散熱基板的製造方法，包含下列步驟：
    提供一基板，其中該基板之導熱係數為80~120W/mK；
    對該基板進行一粗化製程；以及
    於該基板上形成一線路圖案，以作為該發光元件之散熱基板。
  10. 如請求項9之用於發光元件之散熱基板的製造方法，其中該粗化製程係使用一鹼性藥水蝕刻該基板。
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