TWI422553B - 全反光型高導熱電氣模組及其製造方法 - Google Patents

Description

全反光型高導熱電氣模組及其製造方法

本發明係關於一種全反光型高導熱電氣模組及其製造方法。

發光二極體(Light Emitting Diode，LED)在電子流動的情況下，會產生大量的熱，而熱的產生會提升電阻，阻礙電子的流動，繼而再大幅產生熱量，嚴重影響發光二極體的功能。在發光二極體製造技術大幅提升的現況下，發光二極體中的線寬越來越小，線路密度越來越高，因而使得發光二極體所產生的熱量密度也快速增加。以高亮度發光二極體為例，其熱量密度即達100W/cm² 以上。因此，與發光二極體接觸的基板是否具有快速的散熱能力，著實是主導發光二極體能否正常運轉的關鍵因素。

一般功率元件，如固體繼電器，也是類似於電腦之中央處理器，在運作過程中皆會產生高熱。因此，功率元件亦利用與其接觸的基板將熱快速散去，方能正常運轉。

目前發光二極體已應用在照明上，但在應用上的最大問題在於發光二極體不耐高熱，一般來說溫度不能超過90℃，若超過此溫度，則亮度將快速下降，故與LED接觸的散熱機構的快速散熱能力是發光二極體能否成為照明光源的最大挑戰，這也說明了散熱基板的開發對發光二極體於照明方面的應用，具有舉足輕重的關鍵地位。

為同時兼顧現今發光二極體輕薄短小的設計要求，與發光二極體元件接觸的基板須同時符合以下三個基本要求：

1.　熱方面的要求：此材料須具有高熱傳導係數，以達快速散熱的要求。

2.　電方面的要求：為避免發光二極體的P極與N極接觸而短路，此材料須具有高絕緣能力，即須具有高的電阻係數。

3.　光方面的要求：在滿足以上兩個基本要求後，此基板應還要能將發光二極體所釋放出的光線，全部引導射向發光二極體的前方，增加發光二極體照明燈具前方的有效亮度。

以發光二極體(Light Emitting Diode，LED)為例，各種顏色的發光二極體在近幾年陸續被開發出來，其中又以白光發光二極體的開發成功最為重要，因白光發光二極體可作為照明燈具的光源。LED照明的技術瓶頸之一為散熱問題。若熱量不能被快速帶走，則LED晶片的溫度就會過高，進而降低LED晶片的發光效率，並減少LED晶片的壽命。LED晶片會被安裝於散熱基板上，散熱基板的主要功能在於將熱快速帶往散熱鰭片或熱管，以達成散熱的目的。

此外，因為LED晶片具有P-N二極，故與LED晶片接觸的基板，亦需提供獨立與P極與N極接通之導電線路。目前市面上所有的LED晶片的散熱基板，譬如FR4及MCPCB複合基板，皆可提供導電的需求。然而，這兩種散熱基板的散熱能力表現具有很大的差異。例如，以閃光法量測這兩種散熱基板，可以得到的熱傳導係數如表1所列。

目前市面上的所有LED晶片的散熱基板，除了在熱傳導係數仍有提升的空間以應付更高瓦數的LED晶片的散熱需求以外，並沒有去探討或處理光的反射問題。也就是說，目前市面上的LED晶片的散熱基板，並無同時處理光、電、熱的需求。

LED晶片在P-N界面的電子與電洞反應後會釋放出光線，許多光線會因為散射、折射等而四處散逸。因此，僅有部分的光線才會射向LED晶片的前方，成為有用的光源。因此，在封裝LED晶片或燈具時，常常需要將周圍的表面施以化學或物理被覆(如CVD(化學氣相沈積(Chemical vapor deposition)、PVD(物理氣相沈積(Physical vapor deposition)等技術)，以鍍上金屬反光層，增加有效光強度。或者，可以在散熱基板上施加金屬層，增加散熱基板的反光能力，例如Wang等人在美國專利第US7550319號中提出一種以網版印刷的方式，在陶瓷基板上印上銀與玻璃混合的油墨，再以燒附的方式將銀及陶瓷基板結合在一起。因金屬銀可以反光，故可提供反射的功能，但是這種方式增加極多的成本。

因此，本發明之一個目的係提供一種全反光型高導熱電氣模組及其製造方法，其能同時處理光、電、熱的需求。

為達上述目的，本發明提供一種全反光型高導熱電氣模組，其包含一金屬底層、一透明陶瓷層及一圖案化之金屬線路層。金屬底層具有一下反射面。透明陶瓷層具有一上表面及一下表面。透明陶瓷層之下表面係鍵結接合至金屬底層之下反射面上。金屬線路層係鍵結接合至透明陶瓷層之上表面上。下反射面使穿過透明陶瓷層的一第一光線反射穿過透明陶瓷層。

本發明更提供一種全反光型高導熱電氣模組之製造方法，包含以下步驟：研磨並少量氧化一金屬底層，以使金屬底層具有一下反射面；提供一圖案化之金屬線路層；將一透明陶瓷層夾置於金屬線路層及金屬底層之間以形成一組合體；以及將組合體置放於一高溫環境中，以使透明陶瓷層鍵結接合至金屬底層及金屬線路層。

藉此，可以提高散熱能力，提高光反射能力，並同時提供電氣連接的能力。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

本發明同時針對光、電、熱三個方面提供解決的方案，使全反光型高導熱電氣模組具有整合性之功能。

圖1顯示依據本發明較佳實施例之全反光型高導熱電氣模組之俯視圖。圖2顯示沿著圖1之線2-2之剖面圖。圖3顯示圖2之光反射示意圖。如圖1至3所示，本發明之全反光型高導熱電氣模組包含一金屬底層10、一透明陶瓷層20及一圖案化之金屬線路層30。

金屬底層10具有一下反射面12。透明陶瓷層20係由藍寶石、玻璃或氧化矽所構成。透明陶瓷層20具有一上表面22及一下表面24，透明陶瓷層20之下表面24鍵結接合至金屬底層10之下反射面12上。金屬底層10及金屬線路層30可以是相同金屬材料(譬如是高導熱暨高導電材料)所構成，亦可以是由不同金屬材料所構成。舉例而言，金屬底層10及金屬線路層30係由銅所構成，且金屬底層10與透明陶瓷層20之間所鍵結接合之一第一界面15相同於透明陶瓷層20與金屬線路層30之間所鍵結接合之一第二界面25。

圖案化之金屬線路層30係鍵結接合至透明陶瓷層20之上表面22上。下反射面12使穿過透明陶瓷層20的一第一光線L1反射穿過透明陶瓷層20。

於此情況下，可能有些光線會被金屬線路層30擋住。因此，金屬線路層30可以更具有一上反射面32，上反射面32面對下反射面12。下反射面12使穿過透明陶瓷層20的一第二光線L2反射至上反射面32，且上反射面32使第二光線L2反射至下反射面12，最後使第二光線L2被反射穿過透明陶瓷層20。

以上之金屬底層10、透明陶瓷層20及金屬線路層30可以被稱為是一散熱基板。散熱基板可以裝設有電子元件。因此，全反光型高導熱電氣模組可以更包含一電子元件40、複數條導線50以及一封膠層60。譬如是發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)之電子元件40係安裝於透明陶瓷層20之上表面22上，用以發出第一光線L1。此等導線50電連接至電子元件40及金屬線路層30。值得注意的是，電子元件40亦可包含藍寶石層。

為了提高散熱效率，電子元件40可以透過一導熱膠70而安裝於透明陶瓷層20之上表面22上。導熱膠70算是電子元件40與透明陶瓷層20之界面，其不同於第一界面15及第二界面25。此導熱膠可為透明或半透明之黏膠。

封膠層60係包覆透明陶瓷層20、金屬線路層30、電子元件40及此等導線50。於此情況下，電子元件40更可發出一第三光線L3。第三光線L3由封膠層60之一邊界面62反射回透明陶瓷層20，穿過透明陶瓷層20，並由金屬底層10反射穿過透明陶瓷層20及封膠層60後，從封膠層60射出。

此外，封膠層60可以包含複數個螢光顆粒64、66，譬如是陶瓷螢光粉。螢光顆粒64、66可以具有不同的直徑。於此情況下，電子元件40更發出一第四光線L4，各螢光顆粒64/66接收第四光線L4後產生一第五光線L5。第五光線L5穿過透明陶瓷層20，並由金屬線路層30反射穿過透明陶瓷層20及封膠層60後，最後從封膠層60射出。

以下說明全反光型高導熱電氣模組之製造方法。

首先，研磨並少量氧化金屬底層10，譬如是銅層，以使金屬底層10具有下反射面12。施以研磨步驟是為了確保其表面粗糙度，施以氧化步驟是為了使銅片的下反射面12形成有一表面氧化層12A，表面氧化層12A之厚度係小於或等於6微米，以確保後續的反光能力。

接著，提供圖案化之金屬線路層30。此金屬線路層30可以電鍍、無電鍍、化學氣相沈積、物理氣相沈積等方法，配合蝕刻或其他移除步驟而形成於透明陶瓷層20上。

然後，將透明陶瓷層20夾置於金屬線路層30及金屬底層10之間以形成一組合體。此時，透明陶瓷層20、金屬線路層30及金屬底層10只是組合在一起，而非有鍵結接合的關係。

接著，將組合體置放於一高溫環境中，以使透明陶瓷層20鍵結接合至金屬底層10及金屬線路層30，並分別形成第一界面15及第二界面25。高溫環境的溫度介於1060與1080℃之間，且高溫環境具有低氧分壓。

或者，於另一例子中，可以將透明陶瓷層20與金屬底層10形成另一組合體。此時，透明陶瓷層20及金屬底層10只是組合在一起，而非有鍵結接合的關係。接著，將此組合體置放於一高溫環境中，以使透明陶瓷層20鍵結接合至金屬底層10。高溫環境的溫度介於1060與1080℃之間，且高溫環境具有低氧分壓。然後以電鍍、無電鍍、化學氣相沈積、物理氣相沈積等方法製作此金屬線路層30，並結合蝕刻或其他步驟形成線路。然後，可以輔以前述的高溫環境中進行鍵結接合，亦可以不執行此步驟。因此，金屬線路層30可以以鍵結接合或一般附著的方式設置於透明陶瓷層20上。

因此，於前述例子中，全反光型高導熱電氣模組之製造方法包含以下步驟。首先，研磨並氧化金屬底層10，以使金屬底層10具有下反射面12。然後，將透明陶瓷層20之下表面24夾置於金屬底層10之下反射面12以形成一組合體。接著，將組合體置放於一高溫環境中，以使透明陶瓷層20鍵結接合至金屬底層10。然後，於透明陶瓷層20之上表面22上形成圖案化之金屬線路層30。類似地，金屬線路層30可藉由電鍍、無電鍍、化學氣相沈積或物理氣相沈積，配合蝕刻步驟或其他移除步驟而形成於透明陶瓷層20之上表面22。

當所製造出來的複合基板/散熱基板的厚度是1.2mm時，以閃光法(Flash method)量測出的熱傳導係數大約等於90W/mK，也就是沿著金屬底層10至透明陶瓷層20至圖案化之金屬線路層30之方向之熱傳導係數實質上等於90W/mK，這明顯高於表1所列之熱傳導係數。因此，這種銅/透明陶瓷/銅的複合基板，相當適合作為LED的散熱基板。

然後，可以將電子元件40，譬如是LED，安裝於透明陶瓷層20上。

接著，提供複數條導線50以將電子元件40電連接至金屬線路層30。

最後，以封膠層60包覆透明陶瓷層20、金屬線路層30、電子元件40及此等導線50。螢光顆粒64、66可以摻在封膠層60中，以將LED發出的色光加以改變，例如將藍光轉換成白光，以作為照明的光源。

為了使金屬線路層30也具有反光的效果，亦可研磨並氧化金屬線路層30以形成上反射面32，上反射面32面對下反射面12。

因此，LED的正極及負極可以分別連接到金屬線路層30。LED朝前方所發出來的一第六光線L6可以直接射出封膠層60。其他光線L1至L5可以透過上反射面32、下反射面12及封膠層60反射或處理後，朝LED的前方射出，以使LED的發光效率更為提高，甚至達到全反光的效果。至於LED所散發出來的熱，可以透過導熱膠70而傳遞至透明陶瓷層20及金屬底層10，最後到達與金屬底層10接觸的散熱鰭片或熱管。

圖4與5顯示依據本發明之全反光型高導熱電氣模組之其他實施方式。如圖4與5所示，金屬底層10上面可以有複數個LED，這些LED透過金屬線路層30而得以被通電，這些LED可以被並聯(圖4)或串聯(圖5)。

圖6顯示圖2之另一種變形例。如圖6所示，本變形例與圖2之差異在於電子元件40係安裝於金屬線路層30上。於此例子中，電子元件40係透過銲錫70'而安裝於金屬線路層30上。或者，電子元件40亦可直接透過導熱膠70而安裝於金屬線路層30上。

因此，本發明之全反光型高導熱電氣模組可以提高散熱能力，提高光反射能力，並同時提供電氣連接的能力，故非常適合應用於LED的領域，藉以改良LED產品的發光效率。

在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。

L1-L6．．．光線

10．．．金屬底層

12．．．下反射面

12A．．．表面氧化層

15．．．第一界面

20．．．透明陶瓷層

22．．．上表面

24．．．下表面

25．．．第二界面

30．．．金屬線路層

32．．．上反射面

40．．．電子元件

50．．．導線

60．．．封膠層

62．．．邊界面

64、66．．．螢光顆粒

70．．．導熱膠

70'．．．銲錫

圖1顯示依據本發明較佳實施例之全反光型高導熱電氣模組之俯視圖。

圖2顯示沿著圖1之線2-2之剖面圖。

圖3顯示圖2之光反射示意圖。

圖4與5顯示依據本發明之全反光型高導熱電氣模組之其他實施方式。

圖6顯示圖2之另一種變形例。

L1-L6．．．光線

10．．．金屬底層

12．．．下反射面

12A．．．表面氧化層

15．．．第一界面

20．．．透明陶瓷層

22．．．上表面

24．．．下表面

25．．．第二界面

30．．．金屬線路層

32．．．上反射面

40．．．電子元件

50．．．導線

60．．．封膠層

62．．．邊界面

64、66．．．螢光顆粒

70．．．導熱膠

Claims (16)

1. 一種全反光型高導熱電氣模組，包含：一金屬底層，其具有一下反射面；一透明陶瓷層，其具有一上表面及一下表面，該透明陶瓷層之該下表面鍵結接合至該金屬底層之該下反射面上以形成一第一界面；及一圖案化之金屬線路層，設置於該透明陶瓷層之該上表面上，其中該下反射面使穿過該透明陶瓷層的一第一光線反射穿過該透明陶瓷層，該金屬線路層具有一上反射面，該上反射面面對該下反射面，該下反射面使穿過該透明陶瓷層的一第二光線反射至該上反射面，且該上反射面使該第二光線反射至該下反射面，最後使該第二光線被反射穿過該透明陶瓷層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之全反光型高導熱電氣模組，其中該金屬線路層係鍵結接合至該透明陶瓷層之該上表面以形成一第二界面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之全反光型高導熱電氣模組，其中該金屬底層及該金屬線路層係由銅所構成，且該第一界面相同於該第二界面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之全反光型高導熱電氣模組，其中該透明陶瓷層係由藍寶石、玻璃或氧化矽所構成。
5. 如申請專利範圍第1項所述之全反光型高導熱電氣模組，更包含：一電子元件，安裝於該透明陶瓷層之該上表面或該金 屬線路層上，用以發出該第一光線；以及複數條導線，電連接至該電子元件及該金屬線路層。
6. 如申請專利範圍第5項所述之全反光型高導熱電氣模組，其中該電子元件係透過一透明或半透明的導熱膠或透過銲錫而安裝於該金屬線路層上。
7. 如申請專利範圍第5項所述之全反光型高導熱電氣模組，其中該電子元件係透過一透明或半透明的導熱膠而安裝於該透明陶瓷層之該上表面上。
8. 如申請專利範圍第5項所述之全反光型高導熱電氣模組，更包含：一封膠層，包覆該透明陶瓷層、該金屬線路層、該電子元件及該等導線，其中該電子元件更發出一第三光線，該第三光線由該封膠層之一邊界面反射回該透明陶瓷層，穿過該透明陶瓷層，並由該金屬底層反射穿過該透明陶瓷層及該封膠層後，從該封膠層射出。
9. 如申請專利範圍第5項所述之全反光型高導熱電氣模組，更包含：一封膠層，包覆該透明陶瓷層、該金屬線路層、該電子元件及該等導線，其中該封膠層包含複數個螢光顆粒。
10. 如申請專利範圍第9項所述之全反光型高導熱電氣模組，其中該電子元件更發出一第四光線，各該螢光顆粒接收該第四光線後產生一第五光線，該第五光線穿過該透明陶瓷層，並由該金屬線路層反射穿過該透明陶瓷層及該封膠層後，最後從該封膠層射出。
11. 一種全反光型高導熱電氣模組之製造方法，包 含以下步驟：研磨並氧化一金屬底層，以使該金屬底層具有一下反射面；提供一圖案化之金屬線路層；將一透明陶瓷層夾置於該金屬線路層及該金屬底層之間以形成一組合體；以及將該組合體置放於一高溫環境中，以使該透明陶瓷層鍵結接合至該金屬底層以形成一第一界面，並使該透明陶瓷層鍵結接合至該金屬線路層以形成一第二界面，其中，該金屬線路層具有一上反射面，該上反射面面對該下反射面，該下反射面使穿過該透明陶瓷層的一第二光線反射至該上反射面，且該上反射面使該第二光線反射至該下反射面，最後使該第二光線被反射穿過該透明陶瓷層。
12. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中該高溫環境的溫度介於1060℃與1080℃之間。
13. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，更包含以下步驟：將一電子元件安裝於該透明陶瓷層上；以及提供複數條導線以將該電子元件電連接至該金屬線路層。
14. 如申請專利範圍第13項所述之製造方法，更包含以下步驟：以一封膠層包覆該透明陶瓷層、該金屬線路層、該電子元件及該等導線。
15. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中提供該金屬線路層之步驟包含：研磨並氧化該金屬線路層以形成該上反射面。
16. 一種全反光型高導熱電氣模組之製造方法，包含以下步驟：研磨並氧化一金屬底層，以使該金屬底層具有一下反射面；將一透明陶瓷層之一下表面夾置於該金屬底層之該下反射面以形成一組合體；將該組合體置放於一高溫環境中，以使該透明陶瓷層鍵結接合至該金屬底層以形成一第一界面；以及於該透明陶瓷層之一上表面上形成一圖案化之金屬線路層，其中，該金屬線路層具有一上反射面，該上反射面面對該下反射面，該下反射面使穿過該透明陶瓷層的一第二光線反射至該上反射面，且該上反射面使該第二光線反射至該下反射面，最後使該第二光線被反射穿過該透明陶瓷層。