TWI411145B - High heat dissipation stacking / cladding type light emitting diodes - Google Patents

Description

高散熱之疊/覆晶式發光二極體

本發明係有關一種發光二極體，特別是指一種具有高散熱基板之疊/覆晶式發光二極體。

發光二極體(Lighting Emitting Diodes；LED)是一種由半導體材料構成，利用半導體中的電子與電洞結合而發出光子，產生不同頻率之光譜的發光元件，由於發光二極體光源具有良好的色純度、無汞、壽命長及省電等特色，因此在照明及顯示器背光源等應用上逐漸受到重視。

發光二極體的封裝接合方式主要有兩種，一為打線(wire bonding)方式，另一為覆晶(flip chip)方式；其中打線方式所使用之導線會阻擋到光路，覆晶方式則可避免此缺點，進而提升其發光效率。請參照第1圖，係繪示先前技術所提供之覆晶式發光二極體之示意圖。因為覆晶式發光二極體結構是將發光二極體單元30直接藉由電極或是凸塊20與底層的散熱基板(submount)10作接觸，可更有效率地將熱轉至散熱基板10，比起一般發光二極體藍寶石(sapphire)基板的低傳導基材有更佳的導熱特性，使得發光二極體可得到較佳的電氣特性，並可大幅提昇元件的散熱效果，更可適用於大面積高功率之發光二極體產品，例如，藍色、綠色等短波長的發光二極體。

此外，為了使高功率發光二極體能有效的導熱，在散熱基板的材料方面，印刷電路基板(Printed Circuit Board；PCB)、陶瓷基板(Ceramic Substrate)、高熱傳導係數的銅(Copper)或鋁(Aluminum)等金屬基板等都是一般常用的導熱或散熱材料。其中，PCB基板的成本最為便宜，且絕緣性優異，但是傳統PCB基板的材質為玻璃纖維與環氧樹脂，顯然導熱與耐熱性質不佳，不適合用於高功率發光二極體的封裝，因此金屬基板與陶瓷基板就逐漸發展。陶瓷基板有耐高溫、耐潮濕等優點，然而其導熱性值仍有進步空間，而金屬基板具有良好的導熱性、電氣絕緣性和機械加工性，為目前高功率發光二極體最主要的散熱基板，但是金屬基板結構尚需覆上一層絕緣層，製程上所牽涉的問題非常複雜，譬如需考量基板與絕緣層材料的匹配性、接合技術。

鑒於以上的問題，本發明的主要目的在於提供一種高散熱之疊/覆晶式發光二極體，其散熱基板具有可提高散熱效果之導熱柱結構，不但可提昇發光二極體的發光效能，延長元件使用壽命，改善元件穩定度，同時能夠促進元件的小型化及低價化，藉以大體上解決先前技術存在之缺失。

因此，為達上述目的，本發明所揭露之高散熱之疊/覆晶式發光二極體，是由散熱基板與發光二極體單元所構成，散熱基板上製作有複數貫孔，且在貫孔中填入高導熱係數之導熱材料而形成複數導熱柱，發光二極體單元則以疊晶或覆晶方式裝設於散熱基板上，當發光二極體單元產生熱量後，熱量會轉移至散熱基板，然後透過導熱柱的高熱傳導性而快速散發出去，以達到高效能散熱。

本發明中，導熱柱有效提昇了散熱基板的散熱能力，在實務上可應用於成本低廉的PCB基板，使PCB基板的適用範圍能夠衍伸至高功率發光二極體封裝，當然，本發明更可應用於矽基板或陶瓷基板，使得散熱效果愈佳，元件更能發揮優異的效能，徹底解決高功率發光二極體的散熱問題。

為使對本發明的目的、構造特徵及其功能有進一步的了解，茲配合圖式詳細說明如下：

請參照第2圖，繪示本發明之第一實施例所提供之高散熱之覆晶式發光二極體之示意圖。

本實施例中，高散熱之覆晶式發光二極體主要包括散熱基板100、導電層110、發光二極體單元120與散熱金屬層130；散熱基板100選自印刷電路基板，其上具有導電層110，並製作有多個貫孔101，然後在貫孔101中填入高導熱係數的導熱材料，譬如鋁、銅、金、銀等金屬材料，而形成具有高熱傳導能力的導熱柱102，以幫助散熱基板100發揮高效能的散熱，並且，在散熱基板100下方製作散熱金屬層130，然後以覆晶方式將發光二極體單元120安裝於導電層110上，使得發光二極體單元120所產生且積聚在散熱基板100上的熱量，可透過導熱柱102的高熱傳導能力而快速逸散至外界，同時，散熱金屬層130會幫助經由散熱基板100及導熱柱102傳導的熱量更容易逸散到空氣中，使散熱效果達到最佳化。

而發光二極體單元120是藉由成長n型半導體層122、主動層(Active Layer)123、p型半導體層124、p型接觸層125以及n型接觸層126於透光基板121上所製成，透明基板121可為藍寶石基板(Sapphire)、碳化矽(SiC)基板、三氧化二鋁(Al₂ O₃ )基板、氮化鎵(GaN)基板、氮化鋁(AlN)基板，n型半導體層122則設置於透光基板121上，主動層123與n型接觸層126設置於n型半導體層122上，p型半導體層124設置於主動層123上，p型接觸層125設置於p型半導體層124上，且p型接觸層125與n型接觸層126分別與正電壓源與負電壓源連接，以供導入順向電壓，使p型半導體層124之電洞與n型半導體122層之電子可於主動層結合而發光。此發光二極體單元120是以覆晶方式使用錫球凸塊(solder bump)127反貼接合於散熱基板10上方的導電層110上，且錫球凸塊127的形狀並不予以限定，其可以是圓形、方形或是任何需要應用的形狀。

請參照第3圖，本發明第二實施例是將多個發光二極體單元120、140覆晶接合於散熱基板100上方，散熱基板100對應每個發光二極體單元120、140設有導熱柱102、104，來幫助發光二極體單元120、140的熱量逸散。

上述實施例將導熱柱設計於印刷電路基板，使得原本為低熱傳導係數之印刷電路基板的散熱效能大為提高，可將印刷電路基板的適用範圍衍伸至高功率發光二極體封裝，藉以降低製作成本。另外，散熱基板亦可使用陶瓷基板，譬如為氮化鋁基板或氧化鋁基板，雖然陶瓷基板已具有較佳的導熱能力，本發明係可藉由導熱柱將陶瓷基板的散熱性能進一步提昇，將能徹底解決高功率發光二極體的散熱問題，使元件發揮優異的效能。請參照第4圖，顯示本發明之第三實施例，散熱基板100可選擇為矽基板，散熱基板100於貫孔側壁會生成一層二氧化矽之氧化層103包圍著導熱柱102。

另一方面，本發明之發光二極體亦可利用疊晶方式建構在散熱基板；請參照第5圖所示，本發明之第四實施例係揭露一種疊晶式發光二極體，其中發光二極體120係藉由黏著性與導熱性良好之黏著層105例如為銀膠來黏著於散熱基板100之導電層110上，並利用銲線技術(Wire Bond)電性連接至散熱基板100之導電層110，此散熱基板100將可藉助導熱柱102高的熱傳導能力，幫助發光二極體120的熱量快速逸散。

綜上所述，本發明為了滿足高功率發光二極體的散熱需求，而提供一種高散熱之疊/覆晶式發光二極體，利用導熱柱的設置可將散熱基板之熱阻大幅降低，藉以避免高功率發光二極體產生的熱量累積而造成元件產生損壞，並且，從而可提昇發光二極體的發光效能，及改善元件的穩定度，同時，能夠促進元件的小型化及低價化，創造極高的經濟效益。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

10．．．散熱基板

20．．．凸塊

30．．．發光二極體單元

100．．．散熱基板

101．．．貫孔

102．．．導熱柱

103．．．氧化層

104．．．導熱柱

105．．．黏著層

110．．．導電層

120．．．發光二極體單元

121．．．透明基板

122．．．n型半導體層

123．．．主動層

124．．．p型半導體層

125．．．p型接觸層

126．．．n型接觸層

127．．．錫球凸塊

130．．．散熱金屬層

140．．．發光二極體單元

第1圖係繪示先前技術所提供之覆晶式發光二極體之示意圖；

第2圖係繪示本發明之第一實施例所提供之高散熱之覆晶式發光二極體之示意圖；

第3圖係本發明之第二實施例所提供之高散熱之覆晶式發光二極體之示意圖；

第4圖係本發明之第三實施例所提供之高散熱之覆晶式發光二極體之示意圖；以及

第5圖係本發明之第四實施例所提供之高散熱之疊晶式發光二極體之示意圖。

100．．．散熱基板

101．．．貫孔

102．．．導熱柱

110．．．導電層

120．．．發光二極體單元

121．．．透明基板

122．．．n型半導體層

123．．．主動層

124．．．p型半導體層

125．．．p型接觸層

126．．．n型接觸層

127．．．錫球凸塊

130．．．散熱金屬層

Claims (9)

1. 一種高散熱之疊/覆晶式發光二極體，包含：一發光二極體單元，包含一正極端與一負極端；一散熱基板，提供該發光二極體單元以疊晶或覆晶方式設置於該散熱基板上方，且該散熱基板具有複數貫孔，並填充一導熱材料於該些貫孔中形成複數導熱柱，使該發光二極體單元所產生的熱量可透過該些導熱柱加以逸散；以及一散熱金屬層，設置於該散熱基板下方並連接該些導熱柱，用以輔助散熱，且該散熱金屬層包含相隔開來之一正極端與一負極端，該散熱金屬層之該正極端與該負極端係透過該些導熱柱分別電性連接至該發光二極體之該正極端與該負極端。
2. 如申請範圍第1項所述之高散熱之疊/覆晶式發光二極體，其中該散熱基板係選自矽基板、陶瓷基板或印刷電路基板之群組組合。
3. 如申請範圍第2項所述之高散熱之疊/覆晶式發光二極體，其中該陶瓷基板係為氮化鋁基板或氧化鋁基板。
4. 如申請範圍第2項所述之高散熱之疊/覆晶式發光二極體，其中該矽基板之該些貫孔側壁係形成一氧化層。
5. 如申請範圍第1項所述之高散熱之疊/覆晶式發光二極體，其中該導熱材料係為金屬。
6. 如申請範圍第1項所述之高散熱之疊/覆晶式發光二極體，其中該發光二極體單元係包含：一透光基板；一n型半導體層，設置於該透光基板上；一p型半導體層，對應設置於該n型半導體層上方；一n型接觸層，設置於該n型半導體層上，且電性連接至該散熱金屬層之該負極端；及一p型接觸層，設置於該p型半導體層上，且電性連接至該散熱金 屬層之該正極端。
7. 如申請範圍第6項所述之高散熱之疊/覆晶式發光二極體，其中該發光二極體單元更包括一主動層，設置於該n型半導體層與該p型半導體層之間。
8. 如申請範圍第6項所述之高散熱之疊/覆晶式發光二極體，其中該透明基板係選自藍寶石基板(Sapphire)、碳化矽(SiC)基板、三氧化二鋁(Al₂ O₃ )基板、氮化鎵(GaN)基板、氮化鋁(AlN)基板之群組組合。
9. 如申請範圍第1項所述之高散熱之疊/覆晶式發光二極體，更包含一導電層，設置於該散熱基板上。