TWI481082B - A light emitting diode package and use of the heat dissipation module - Google Patents

A light emitting diode package and use of the heat dissipation module Download PDF

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TWI481082B TW101121572A TW101121572A TWI481082B TW I481082 B TWI481082 B TW I481082B TW 101121572 A TW101121572 A TW 101121572A TW 101121572 A TW101121572 A TW 101121572A TW I481082 B TWI481082 B TW I481082B
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Description

發光二極體封裝及其所使用之散熱模組
本發明係有關一種發光二極體封裝(LED package)及其所使用之散熱模組，尤指一種利用一線路層、一絕緣層及一承載基板且其係選自鋁基板、鎂基板、鋁鎂合金基板、鈦合金基板之族群中一種基板以構成一散熱模組，其中該絕緣層係對該承載基板之一表面施行氧化方法或氮化方法以直接在該表面上生成一由該承載基板之表面的金屬材料經氧化或氮化反應所構成之對應絕緣層，供一LED晶粒能以覆晶方式或導線方式電性連結在該散熱模組上以完成一LED封裝，藉以達成良好之電性絕緣耐壓及散熱功效。
一般而言，一LED晶粒可隨製程需要而選擇以覆晶方式(Flip Chip)或導線方式(Wire bond)但不限制，以電性連結在一散熱基板上以完成一LED封裝(LED package)，該LED封裝再連結固設在一發光裝置之散熱器(heat sink)之表面上，以組成一LED發光裝置；通常而言，習知之散熱基板係由一線路層(銅層)、一絕緣層及一基板(如鋁基板或陶瓷基板)依序壓合形成，其中該線路 層係配合LED晶粒之佈局而設具有適當之圖案(pattern)用以安排並提供該些LED晶粒發光所須之正負極電源。當LED晶粒在發光時會產生熱能，該熱能一般是藉由該散熱載板及所連結之發光裝置之散熱器(heat sink)以向外散熱，藉以避免熱能存積過多以致影響該LED封裝或LED發光裝置之使用效率及壽命。
以習知之散熱基板而言，習知之散熱基板是由一線路層(銅層)、一絕緣層及一鋁基板依序壓合形成，因此產生之熱能是透過線路層(銅層)及絕緣層之後才傳導至基板；然，習知散熱基板所使用之絕緣層大部分是以導熱膠片構成，該導熱膠片之導熱係數較差，且厚度較厚，致相對降低習知散熱基板之使用效率，無法滿足目前使用上之需求。因此在LED封裝或所使用之散熱載板或LED發光裝置等相關頜域中，長久以來一直都存在的問題就是如何在線路層不會發生短路之狀況下而又能使散熱基板達到良好散熱功效。
再以習知之覆晶式(Flip Chip)或導線式(Wire bond)LED封裝為例說明，其中每一LED晶粒係利用二不同之電極接點以電性連結在一線路層上之二分開且電性絕緣之連接點上；該線路層係預設在一鋁基板上；該線路層與該鋁基板之表面之間通常設有一絕緣連結層以使該線路層能絕緣地連結地固設在該鋁基板之表面上且不易剝離；完成後之LED封裝再藉各種連結方式如焊接或緊密貼合但不限制以固設在一LED發光裝置之散熱器(heat sink)之表面上；然，在上述傳統的LED封裝中，該絕緣連結層一般係利用散熱貼片或散熱膏構成，其導熱係數較低(約4 W/m-k)，且厚度較厚(約60微米(μm))，以致熱傳導功能不佳，無法將該LED晶粒在發光時所產生之熱能有效地傳導至該鋁基板及/或LED發光裝置之散熱器(heat sink)上以向外 散熱。
有關LED封裝及其所使用之散熱基板，或覆晶式LED元件(flip-chip light emitting diode)或覆晶式LED封裝或適用於覆晶式LED之反射結構等技術領域中，目前已存在多種先前技術，如TW573330、TW M350824，CN201010231866.5(公佈號CN101924175A)、US6,914,268、US8,049,230、US7,985,979、US7,939,832、US7,713,353、US7,642,121、US7,462,861、US7,393,411、US7,335,519、US7,294,866、US7,087,526、US5,557,115、US6,514,782、US6,497,944、US6,791,119；US2002/0163302、US2004/0113156等。然，上述先前技術並未提出有效的解決方案，以克服線路層不會發生短路且能達到良好散熱功效的問題。
由上可知，上述先前技術之結構尚難以符合實際使用時之要求，因此在LED封裝或散熱基板之相關頜域中，仍存在進一步改進之需要性。本發明乃是在此技術發展空間有限之領域中，提出一種LED封裝及其所使用之散熱模組，藉以使該LED封裝及/戎該發光裝置能達成良好之散熱功效，並可避免造成短路之困擾。
本發明主要目的係在於提供一種LED封裝及其所使用之散熱模組，該散熱模組係包含一線路層、一絕緣層及一承載基板，其中該承載基板係以選自鋁基板、鎂基板、鋁鎂合金基板、鈦合金基板之族群中一種基板所構成，其中該絕緣層係對該承載基板之一表面施行氧化方法或氮化方法以直接在該表面上生成一由該承載基板之表面的金屬材料經氧化或氮化反應所構成之對應絕緣層；藉此當至少一LED晶粒以覆晶方式或導線方式電性連結在該散熱模組上 以完成一LED封裝時，該LED封裝即能達成良好之電性絕緣耐壓效果及良好之散熱功效。
為達成上述目的，本發明之散熱模組之一優選實施例包含一承載基板、一絕緣層及一線路層，其中該承載基板係以選自鋁基板、鎂基板、鋁鎂合金基板、鈦合金基板之族群中一種基板所構成；其中該絕緣層係形成在該承載基板之一表面上，其形成方式係對該承載基板之一表面施行氧化方法或氮化方法以直接在該表面上生成一由該承載基板之表面的金屬材料經氧化反應或氮化反應而對應構成之絕緣層，使該絕緣層係以選自氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦、氮化鋁、氮化鎂、氮化鈦之族群中一種所構成，又該絕緣層係設於該線路層之下面並具有電性絕緣耐壓及熱傳導功能；其中該線路層係形成於該絕緣層之表面上，包含至少二分開且絕緣之電性連結點供與該至少一LED晶粒所設之不同電極之銲墊能對應電性連結，以使該至少一LED晶粒能電性連結並設置在該散熱模組上；其中當該至少一LED晶粒發光並產生熱能時，藉由該絕緣層以將該熱能傳導至該承載基板以向外散熱。
所述之散熱模組，其中所述之絕緣層係利用選自微弧電漿氧化方法、大氣電漿氧化方法、真空電漿氧化方法之族群中一種方法用以在該承載基板之表面上對應形成一選自氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦之族群中一種材質之絕緣層。
所述之散熱模組，其中所述之絕緣層係利用選自微弧電漿氮化方法、大氣電漿氮化方法、真空電漿氮化方法之族群中一種方法用以在該承載基板之表面上對應形成一選自氮化鋁、氮化鎂、氮化鈦之族群中一種材質之該絕緣層。
所述之散熱模組，其中所述之線路層係利用選自印刷線路板(PCB)線路製程、網版印刷製程、半導體製程之 族群中一種製程以形成在該絕緣層之表面上。
所述的散熱模組，其中所述的絕緣層之厚度係依據該絕緣層所欲達成電性絕緣耐壓之程度而預先設定。
所述的散熱模組，其中所述之絕緣層之厚度係設定為1~50微米(μm)，以使電性絕緣耐壓之程度達到300伏特(V)或以上。
所述的散熱模組，其中所述之至少一LED晶粒電性連結在該散熱模組上之方式包含覆晶(Flip Chip)方式及導線(Wire bond)方式。
為達成上述目的，本發明之發光二極體(LED)封裝之一優選實施例包含：至少一LED晶粒，各晶粒上設有至少二不同電極之銲墊；及一散熱模組，其係利用所述之散熱模組所構成，包含一承載基板、一絕緣層及一線路層，供該至少一LED晶粒電性連結在該散熱模組上以形成一LED封裝；其中當該至少一LED晶粒發光並產生熱能時，藉由該散熱模組之絕緣層以將該熱能傳導至該散熱模組之承載基板並向外散熱。
所述的發光二極體(LED)封裝，其中所述之散熱模組之承載基板上進一步設有至少一散熱導孔(thermal via)，該散熱導孔係在該承載基板上設置至少一貫穿孔，並在該貫穿孔內填滿熱導材所構成，又該散熱導孔之上端係與該絕緣層連結。
所述的發光二極體(LED)封裝，其中所述之散熱模組之承載基板之相對於該絕緣層之另一表面上更設置一金屬接著層，以使該散熱模組藉該金屬接著層以貼合於一散熱器(heat sink)之表面上，其中所述之金屬接著層係包含散熱貼片、散熱膏。
所述的發光二極體(LED)封裝，其中所述之散熱模組係緊密貼合於一散熱器(heat sink)之表面上。
所述的發光二極體(LED)封裝，其中所述之散熱模組之承載基板係以一散熱器(heat sink)之表面所取代。
為使本發明更加明確詳實，將本發明之結構及技術特徵，配合下列圖示詳述如後：
參考圖1-2所示，其分別係本發明之散熱模組、所組成之LED封裝及應用於一散熱器(heat sink)表面之兩個實施例之結構剖面示意圖。本發明之散熱模組10主要係包含一承載基板11、一絕緣層12及一線路層13，供一LED晶粒20能以覆晶(Flip Chip)方式如圖1所示或導線(Wire bond)方式如圖2所示，電性連結在該散熱模組10上以形成一LED封裝如圖1所示之覆晶式LED封裝30或如圖2所示之導線式LED封裝40，藉以使該LED封裝30、40及進一步與一散熱器(heat sink)50結合應用時，能達成良好之散熱功效，並避免造成短路之困擾。
該承載基板11係以選自鋁基板、鎂基板、鋁鎂合金基板、鈦合金基板之族群中一種基板所構成。
該絕緣層12係形成在該承載基板11之一表面上；該絕緣層12之形成方法係對該承載基板11之一表面110施行氧化方法或氮化方法，供可在該表面110上直接生成一由該承載基板11之表面的金屬材料，即鋁基板或鎂基板或鋁鎂基板之基板材料，經氧化反應或氮化反應而構成之具有對應材質之絕緣層12，也就是該絕緣層12係以選自氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦、氮化鋁、氮化鎂、氮化鈦之族群中一種所構成，也就是當該承載基板11為鋁基板時，即生 成一以氧化鋁或氮化鋁構成之絕緣層12；當該承載基板11為鎂基板時，即生成一以氧化鎂或氮化鎂構成之絕緣層12；當該承載基板11為鈦基板時，即生成一以氧化鈦或氮化鈦構成之絕緣層12。該絕緣層12係位於該線路層13之下面如圖1、2所示，並具有電性絕緣耐壓及熱傳導功能。當該線路層13產生熱能時，該熱能即能藉由該絕緣層12再傳導至其他地方如設在該絕緣層12下面之承載基板11。
此外，該絕緣層12可利用選自微弧電漿氧化(MAPO，Micro-Arc Plasma Oxidation)方法、大氣電漿氧化方法、真空電漿氧化方法之族群中一種方法用以在該承載基板11之表面110上形成一選自氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦之族群中一種材質所構成之絕緣層12。
此外，該絕緣層12可利用選自微弧電漿氮化方法、大氣電漿氮化方法、真空電漿氮化方法之族群中一種方法用以在該承載基板11之表面110上形成一選自氮化鋁、氮化鎂、氮化鈦之族群中一種材質所構成之絕緣層12。
以實際之應用而言，該絕緣層12之厚度係依據該絕緣層12所欲達成電性絕緣耐壓之程度而預先設定。在本實施例中，該絕緣層12之厚度係設定為1~50微米(μm)，藉以使該絕緣層12之電性絕緣耐壓程度能達到300伏特(V)或以上。
該線路層13係形成於該絕緣層12之相對於該承載基板11之另一表面130上；該線路層13之形成方式不限制，如利用印刷線路板(PCB)線路製程，或網版印刷製程，或半導體製程，以形成在該絕緣層之表面上。該線路層13包含至少二分開且絕緣之電性連結點131a、131b供與該至少一LED晶粒20所設之不同電極之銲墊能對應電性連結，以使該至少一LED晶粒20能電性連結並設置在該散 熱模組10上。該線路層13之線路佈局(circuit layout)並不限制，可隨LED封裝30、40或LED發光裝置之散熱器(heat sink)50的需要而作出不同之佈局設計，以供多個LED晶粒20電性連結，在圖1、2中以一LED晶粒20為例說明但非用以限制本發明。當該至少一LED晶粒20發光並在該線路層13上產生熱能時，即可藉由該絕緣層12之熱傳導功能以將該熱能傳導至該承載基板11並向外散熱。
再參考圖1、2所示之實施例，其中該散熱模組10之承載基板11上進一步可設置有至少一散熱導孔(thermal via)111，該散熱導孔111之形成係在該承載基板11上設置至少一貫穿其上、下表面之貫穿孔(111)，並在該貫穿孔內填滿熱導材所構成，其中該散熱導孔111之上端係與該絕緣層12連結；藉由該散熱導孔111之設置，可相對增進該散熱模組10之散熱效果。
該散熱導孔111如圖1-2所示之設置數目及位置並不限制，如圖1所示針對一LED晶粒20設有兩個散熱導孔111但不限制，而如圖2所示針對一LED晶粒20則設有三個散熱導孔111但不限制。但設置位置以能對應連接至接近該線路層13與LED晶粒20電性連結之間的主要之熱能產生處為最佳，如圖1所示覆晶式(Flip Chip)之連結位置(131a、131b)，或如圖2所示導線式(Wire bond)之LED晶粒20之底部，因為該些連結位置(131a、131b)或LED晶粒20之底部即為覆晶式或導線式封裝之主要之熱能產生處，當該些散熱導孔111設置在接近熱能產生處時，相對可增進散熱作用。
再參考圖1、2所示之實施例，其中該散熱模組10之承載基板11之相對於該絕緣層12之另一表面112上，進一步可設置一金屬接著層60，以使該散熱模組10藉該金 屬接著層60以貼合於一發光裝置(圖未示)所設之散熱器(heat sink)50之表面51上，其中該金屬接著層60係包含散熱貼片或散熱膏。
此外，以圖1、2所示之實施例而言，該金屬接著層60並非必要結構，因為該散熱模組10亦可以藉由鎖固方式以緊密貼合於一發光裝置(圖未示)所設之散熱器(heat sink)50之表面51上，也就是使該散熱模組10之承載基板11的表面112能與該散熱器(heat sink)50之表面51緊密貼合，如此即能達成散熱效果，用以將該熱能由該散熱模組10之承載基板11再傳導至該散熱器(heat sink)50並向外散熱。由於該散熱模組10或所組成之LED封裝30、40，其與一LED發光裝置之散熱器(heat sink)50之間，可利用多種不同的方式進行組裝，且該散熱器(heat sink)50之結構型態亦有多種不同的結構型態，因此圖1、2所示之散熱器(heat sink)50結構並非用來限制本發明。
參考圖3-4所示，其分別係本發明之散熱模組70、所組成之LED封裝80、90及應用於一散熱器(heat sink)50表面之另外兩個實施例之結構剖面示意圖。本實施例之散熱模組70與圖1、2所示之散熱模組10大致相同，主要也包含一承載基板11、一絕緣層12及一線路層13，供一LED晶粒20能以覆晶(Flip Chip)方式如圖3所示或導線(Wire bond)方式如圖4所示，電性連結在該散熱模組70上以形成一LED封裝如圖3所示之覆晶式LED封裝80或如圖4所示之導線式LED封裝90，藉以使該LED封裝80、90能進一步與一散熱器(heat sink)50結合應用，藉以達成良好之散熱功效，並避免造成短路之困擾。
而本實施例之散熱模組70如圖3-4所示與圖1-2所示散熱模組10之間的主要不同點在於：本實施例之散熱模組70之承載基板11進一步以該散熱器(heat sink)50之表面 51所取代，也就是本實施例之絕緣層12係直接形成在該散熱器(heat sink)50之表面51上；由於該散熱器(heat sink)50或其表面51一般是以鋁材製成但不限制，其相同或類似於圖1-2所示散熱模組10之承載基板11所使用之材料，因此本實施例之絕緣層12之形成方法係相同於圖1-2所示散熱模組10之絕緣層12形成在該承載基板11之一表面110上的製程。
此外，本發明之散熱模組10與習知之散熱模組(散熱基板)相較，習知之散熱基板是由一線路層(銅層)、一絕緣層及一鋁基板依序壓合形成，且習知之絕緣層大部分是以導熱膠片構成；但本發明之絕緣層12之形成係對該承載基板11之一表面110施行氧化方法或氮化方法，供可在該表面110上直接生成一由該承載基板11之表面的金屬材料經氧化反應或氮化反應而構成之具有對應材質之絕緣層12，如以氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦、氮化鋁、氮化鎂、氮化鈦構成。因此，本發明之散熱模組10之散熱功能優於習知之散熱基板，且厚度也較薄，足以滿足目前使用上之需求。
此外，本實施例如圖3-4所示之散熱模組70、所組成之LED封裝80、90及與一散熱器(heat sink)50之結合應用，與圖1-2所示之散熱模組10、所組成之LED封裝30、40及與一散熱器(heat sink)50之結合應用相較，本實施例如圖3-4所示至少可減少圖1-2所示散熱模組10之承載基板11，也相對可減少圖1-2中所示該金屬接著層60或圖1-2中該承載基板11與散熱器(heat sink)50之間緊密貼合的連結程式，有利於降低材料成本或作業成本。
以上所示僅為本發明之優選實施例，對本發明而言僅是說明性的，而非限制性的。在本專業技術領域具通常知識人員理解，在本發明權利要求所限定的精神和範圍內可 對其進行許多改變，修改，甚至等效的變更，但都將落入本發明的保護範圍內。
10‧‧‧散熱模組
11‧‧‧承載基板
110‧‧‧表面
111‧‧‧散熱導孔
112‧‧‧表面
12‧‧‧絕緣層
13‧‧‧線路層
130‧‧‧表面
131a、131b‧‧‧電性連結點
20‧‧‧LED晶粒
30、40‧‧‧LED封裝
50‧‧‧散熱器(heat sink)
51‧‧‧表面
60‧‧‧金屬接著層
70‧‧‧散熱模組
80、90‧‧‧LED封裝
圖1係本發明之散熱模組、所組成之覆晶式(Flip Chip)LED封裝及應用於一散熱器(heat sink)表面之一實施例之結構剖面示意圖。
圖2係本發明之散熱模組、所組成之導線式(Wire bond)LED封裝及應用於一散熱器(heat sink)表面之一實施例之結構剖面示意圖。
圖3係本發明之散熱模組、所組成之覆晶式(Flip Chip)LED封裝及應用於一散熱器(heat sink)表面之另一實施例之結構剖面示意圖。
圖4係本發明之散熱模組、所組成之導線式(Wire bond)LED封裝及應用於一散熱器(heat sink)表面之另一實施例之結構剖面示意圖。
10‧‧‧散熱模組
11‧‧‧承載基板
110‧‧‧表面
111‧‧‧散熱導孔
112‧‧‧表面
12‧‧‧絕緣層
13‧‧‧線路層
130‧‧‧表面
131a、131b‧‧‧電性連結點
20‧‧‧LED晶粒
30‧‧‧LED封裝
50‧‧‧散熱器(heat sink)
51‧‧‧表面
60‧‧‧金屬接著層

Claims (9)

  1. 一種發光二極體封裝所使用之散熱模組，適用於發光二極體(LED)封裝，供至少一LED晶粒電性連結在該散熱模組上以形成一LED封裝，該散熱模組包含一承載基板、一絕緣層及一線路層，其中：該承載基板係以選自鋁基板、鎂基板、鋁鎂合金基板、鈦合金基板之族群中一種基板所構成；該絕緣層係形成在該承載基板之一表面上，其係對該承載基板之該表面施行氧化方法或氮化方法以直接在該表面上生成一由該承載基板之表面的金屬材料經氧化反應或氮化反應而對應構成之絕緣層，其中該絕緣層係以選自氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦、氮化鋁、氮化鎂、氮化鈦之族群中一種材料所構成；該線路層係形成在該絕緣層之表面上，包含至少二分開且絕緣之電性連結點供與該至少一LED晶粒所設之不同電極之銲墊對應電性連結，以使該至少一LED晶粒能電性連結並設置在該散熱模組上；其中當該至少一LED晶粒發光並產生熱能時，藉由該絕緣層以將該熱能傳導至該承載基板以向外散熱；其中該線路層係利用選自印刷線路板(PCB)線路製程、網版印刷製程、半導體製程之族群中一種製程以形成在該絕緣層之表面上；其中該絕緣層之厚度係依據該絕緣層所欲達成電性絕緣耐壓之程度而預先設定；其中該絕緣層之厚度係設定為1~50微米(μm)，以使電性絕緣耐壓之程度達到300伏特(V)或以上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之散熱模組，其中該絕緣層係利用選自微弧電漿氧化方法、大氣電漿氧化方法、真空電漿氧化方法之族群中一種方法用以在該承載基板之表面上對應形成該絕緣層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之散熱模組，其中該絕緣層係利用選自微弧電漿氮化方法、大氣電漿氮化方法、真空電漿氮化方法之族群中一種方法用以在該承載基板之表面上對應形成該絕緣層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之散熱模組，其中該至少一LED晶粒電性連結在該散熱模組上之方式包含覆晶(Flip Chip)方式及導線(Wire bond)方式。
  5. 一種發光二極體(LED)封裝，包含：至少一LED晶粒，各晶粒上設有至少二不同電極之銲墊；及一散熱模組，其係利用申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述之散熱模組所構成，包含一承載基板、一絕緣層及一線路層，供該至少一LED晶粒電性連結在該散熱模組上以形成一LED封裝；其中當該至少一LED晶粒發光並產生熱能時，藉由該散熱模組之絕緣層以將該熱能傳導至該散熱模組之承載基板並向外散熱； 其中該散熱模組之承載基板上設有至少一散熱導孔，該散熱導孔係由該承載基板上所設之貫穿孔且該貫穿孔內填滿熱導材所構成，其中該散熱導孔之上端係與該絕緣層連結。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之LED封裝，其中該散熱模組之承載基板之相對於該絕緣層之另一表面上更設置一金屬接著層，以使該散熱模組藉由該金屬接著層以貼合於一散熱器(heat sink)之表面上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之LED封裝，其中該金屬接著層係包含散熱貼片、散熱膏。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之LED封裝，其中該散熱模組係緊密貼合於一散熱器之表面上。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之LED封裝，其中該散熱 模組之承載基板係以一散熱器之表面所取代。
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