TWI542050B - 高散熱發光二極體複合基板及其製作方法 - Google Patents

Description

高散熱發光二極體複合基板及其製作方法

本發明係關於一種高散熱發光二極體複合基板及其製作方法，尤指一種藉由一微弧氧化法使該鋁基材表面形成一含有氮化鋁及氧化鋁複合物之散熱層之高散熱發光二極體複合基板及其製作方法。

氧化鋁因具有價格低廉，耐熱衝擊性和電絕緣性能等特性，最常應用於微電子領域中，作為絕緣層、散熱層等之材料。然而，氧化鋁仍有熱導率低、熱膨脹係數不匹配等缺點，是以無法應用於高功率發光二極體上。

氮化鋁之熱導率為氧化鋁的2至10倍，且其具有電絕緣性、低介電常數及介電損耗、耐高溫、耐腐蝕、無毒等特性，近年來成為高密度集成電路基板和封裝的理想候選材料。然而，習知製備氮化鋁所需之設備昂貴且耗能，並不利於量產氮化鋁基材。此外，於含氧環境中，鋁更是容易被氧化而非氮化，因此，雖已知氮化鋁具有各種優異的性質，其仍無法被廣泛的應用至電子領域中。

微弧氧化技術(Micro-Arc Oxidation，MAO)，或稱為微弧放電技術，是80年代新發展技術，經微弧氧化技術處理的鋁材料，具有優異的硬度、耐磨和絕緣性，微弧氧化處理之鋁或鋁合金薄膜微結構、性能與陶瓷類似，具有優異的硬度、耐磨和絕緣性，而且在製程、設備需求及廢 水處理方面皆比傳統陽極處理法簡單，故可降低成本，具有很高的應用推廣價值。

申請人於中華民國專利申請號第101115154號中，已揭露利用微弧氧化技術製備氧化鋁基板，並改善相關製程問題。然而，單純的氧化鋁本身熱導率低等缺點，仍致使其不利應用作為高功率發光二極體散熱基板。

有鑑於此，若能透過微弧氧化技術於鋁基板上製備含氮化鋁及氧化鋁複合物之陶瓷薄膜，將能夠大幅降低製備氮化鋁基板成本，從而促進相關產業之發展。

本發明之主要目的係在提供一種高散熱發光二極體複合基板之製作方法，俾能透過一微弧氧化法於一鋁基板上形成一散熱層，並進一步透過封孔處理及於該散熱層表面形成一金屬層，從而製備出具有高散熱性能之高散熱發光二極體複合基板。

為達成上述目的，本發明之一態樣係提供一種高散熱發光二極體複合基板之製作方法，其步驟包括：提供一基材，該基材係為鋁或鋁合金；將該基材浸置於一電解液中，並藉由一微弧氧化法使該鋁基材表面形成一散熱層，且該散熱層係含有氮化鋁及氧化鋁之複合物；對該散熱層進行一封孔處理；形成一金屬層於散熱層上；以及移除部分之該金屬層，使該金屬層形成一金屬線路層。

於上述本發明之高散熱發光二極體複合基板之製作方法中，為能夠於基材上形成散熱層，該電解液係包含有含氮化合物及次磷酸鹽，其中，該含氮化合物佔該電解液之濃度可為10至50重量百分比。此外，本發明並不特別限制含氮化合物之種類，只要能夠提供所需之氮源，各種含氮化合物皆可使用。舉例而言，於本發明之一態樣中，該含氮化合物可為一無機銨化合物，其係至少一選自由氯化銨、硝酸銨、硫酸銨、氫氧化銨、磷酸銨、碳酸氫銨、及其組合所組成之群組。而於本發明之另一態樣中，該含氮化合物則可為一有機胺化合物，其至少一選自由苯胺、二苯胺、乙醯胺、丙醯胺、醇胺、尿素、丁二胺、季胺鹽、及其組合所組成之群組。據此，即可於微弧氧化的過程中，透過該電解液之含氮化合物提供形成散熱層所需之氮源。

於上述本發明之高散熱發光二極體複合基板之製作方法中，該電解液更可包含有矽酸鹽，以調整電解液之導電率，從而利於形成該散熱層。再者，為了調整所形成之散熱層之表面性質，該電解液更可包括一無機奈米顆粒，以藉由擴散作用填補因微弧氧化法形成之散熱層之孔洞，如此，在降低膜層孔隙度及後續封孔程序的雙重作用下，可大為提升散熱層之導熱性及絕緣性。在此，該無機奈米顆粒之添加含量可為0.05g/L至1.0g/L，且其尺寸大小可為10至200奈米。此外，本發明並不特別限制無機奈米顆粒種類，只要其能用於調整所形成之散熱層之物理性質，任何無機奈米顆粒皆可使用。舉例而言，於本發明之一態樣中，該 無機奈米顆粒可選自由二氧化鈦、碳化矽、氮化鋁、二氧化矽及三氧化二鋁所組成群組之至少一者。

於上述本發明之高散熱發光二極體複合基板之製作方法中，為能夠有效以微弧氧化法形成散熱層，需適當地調整本發明之電解液溫度及pH值。舉例而言，於本發明之一態樣中，該電解液溫度可為0~20℃，較佳為電解液溫度可為5~15℃；而pH值則可為7至12，較佳為pH值可為8至10。

於上述本發明之高散熱發光二極體複合基板之製作方法中，為了避免氧與氮競爭，形成氧化鋁，當基材於電解液中進行微弧氧化時，係於該電解液中持續通入氮氣以維持一氮氣環境，從而避免基材形成氧化鋁。此外，為能有效製備該散熱層，該微弧氧化法之電流密度係為1至10A/dm²，電壓係為200V至800V，氧化時間係為5至60分鐘。

於上述本發明之高散熱發光二極體複合基板之製作方法中，由於以微弧氧化法所形成之散熱層，其結構會因在強電場作用下，於弧斑處形成的放電通道產生局部熔融的熔岩狀孔洞，因此，為避免後續於散熱層上形成金屬層時，發生金屬層順著孔洞生長而與基材形成短路的問題，該散熱層可透過上述封孔處理以達到基板所需之絕緣效果。於此，只要能達到避免金屬層及基材形成短路之絕緣效果，各種封孔處理方法皆可使用，本發明並不特別限制。舉例而言，於本發明之一態樣中，該封孔處理可為水蒸氣封孔、陶瓷噴銲封孔、硫酸鎳封孔、醋酸鎳封孔、有機酸封孔、 常溫氟化鎳冷封孔、或溶膠凝膠法封孔。於本發明之一具體態樣中，該封孔處理係為水蒸氣封孔；而於另一具體態樣中，該封孔處理則為溶膠凝膠法封孔。據此，即可使該散熱層具有所需之絕緣效果。

據此，透過調整上述電解液之組成、溫度、pH值、添加劑種類、尺寸及含量、微弧氧化法之操作參數、封孔處理方法的選擇等，即能有效控制所形成之散熱層之表面性質。

於上述本發明之高散熱發光二極體複合基板之製作方法中，只要能於散熱層上形成所需之金屬層，各種金屬層形成方法皆可使用，本發明並不特別限制。舉例而言，該金屬層可藉由化學鍍法、濺鍍法、蒸鍍法、陰極電弧法、或化學氣相沉積法形成該散熱層上。具體而言，於本發明之一具體態樣中，該金屬層可藉由化學鍍法形成於該散熱層上。再者，任何習知可使用作為線路之材質皆能用於製作該金屬層，本發明並不特別限制。舉例而言，於本發明之一具體態樣中，該金屬層可為銅或其合金。此外，於形成該金屬層後，可使用任何方法移除部分之金屬層，本發明亦不特別限制。舉例而言，於本發明之一態樣中，可使用濕式蝕刻法或光罩蝕刻法移除部分之金屬層。

於上述本發明之高散熱發光二極體複合基板之製作方法中，更包括將一半導體磊晶層形成於未移除之該金屬線路層表面。只要能使該半導體磊晶層電性連接至該高散熱發光二極體複合基板，任何能將半導體磊晶層形成於該金 屬線路層表面之方法皆可使用，本發明並不特別限制。舉例而言，於本發明之一態樣中，係透過一中間層將該半導體磊晶層形成於該金屬線路層上，從而達到電性連接之效果。

本發明之另一目的係在提供一種高散熱發光二極體複合基板，其係以上述高散熱發光二極體複合基板製作方法所製得，俾能透過微弧氧化法於基材上快速製備具有高熱導率之散熱層，從而獲得一能快速散熱之高散熱發光二極體複合基板。

為達成上述目的，本發明係提供一種高散熱發光二極體複合基板，係依據上述之高散熱發光二極體複合基板之製作方法而製得，其包括：一基材，該基材係為鋁或鋁合金；一散熱層，其係藉由一微弧氧化法使該散熱層形成於該基材表面，且該散熱層係含有氮化鋁及氧化鋁之複合物；以及一金屬線路層，其係設置於該散熱層上。

於上述本發明之高散熱發光二極體複合基板中，散熱層係以本發明之製作方法所製得，因此，該散熱層之厚度可達5微米至200微米，較佳則為5微米至100微米，更佳為8至50微米；並且，以微弧氧化法所製備之散熱層，因微弧放電過程可使基材表面瞬間溫度高達上千度，致使基材局部熔融。熔融的基材使得周圍液體氣化產生高壓，進而促使表面形成的散熱層由非晶相轉變成晶相。是以，所形成之散熱層表面硬度可高達600Hv以上，較佳地，散熱層表面硬度可為800Hv至1,500Hv。並且，如上述本發明之發光二 極體基板製作方法所述，透過調整電解液之組成等操作參數，可有效控制氮化鋁之表面性質。舉例而言，於本發明之一態樣中，該散熱層之表面平均粗糙度(Ra)可為0.1微米至2.5微米。並且所形成之散熱層之熱傳導係數可達20W/mK至100W/mK，從而達到有效散熱之目的。

請參考圖1，係於基材上形成散熱層所需之微弧氧化裝置1之裝置示意圖，其中，該微弧氧化裝置1係包括：一電解槽11，係用於容置一電解液112；一攪拌單元12，係用於攪拌該電解液112；一控制單元13，係用於控制一電源14所輸出之電流密度、電壓等參數。此外，該電解槽11係設計為一中空殼體，以便利用一循環冷卻水111維持該電解液112之溫度。再者，該電解槽內壁係為不鏽鋼材質，以作為微弧氧化反應所需之陰極113；而微弧氧化反應所需之陽極15係為後續所使用之鋁合金試片。

準備例1

於本發明中，所採用之基材係為面積5×2.5cm²、厚度2mm的5052鋁合金試片(Si+Fe 0.45%、Cu 0.10%、Mn 0.10%、Mg2.2~2.8%、Cr 0.15~0.35%、Zn 0.10%，其它為鋁)。一般而言，於大氣中，鋁表面容易生成一氧化膜，以保護內部鋁金屬不被腐蝕破壞。是以，以下實施例所使用之基材皆已透過下述處理去除表面氧化膜，以利於製備所需之高散熱發光二極體複合基板。處理方法如下：首先，以碳化矽 水砂紙將基材拋至2000#去除表面氧化膜，再利用2.5至10%氫氧化鈉浸泡2.5至10分鐘去除殘餘氧化物與油脂，然後置入丙酮溶劑於超音波中震盪15至60分鐘，清除殘餘之雜質，最後於室溫乾燥。

準備例2

以下實施例及比較例所使用之電解液組成為：氫氧化銨之濃度35重量百分比、次磷酸鈉(1g/L)，並透過濃度1M之氫氧化鈉水溶液或濃度1M之鹽酸適當地調整該電解液之pH值。

實施例1

請參考圖2A至2E，係實施例1之高散熱發光二極體複合基板200製作方法流程示意圖。請先參考圖2A，係提供一基材20，該基材20係為上述經處理之鋁合金試片。接著，請一併參考圖1，係將該基材20連接至圖1之電源14，並浸置於上述準備之電解液中進行一微弧氧化製程。於微弧氧化的過程中，該電解液之溫度係透過圖1中的循環冷卻水111維持於15~20℃，且其pH值係維持於10左右。是以，請參考圖2B，於微弧氧化製程完成後，該基材20表面係形成一散熱層21，且該散熱層21係含有氮化鋁及氧化鋁之複合物，其中，由於微弧氧化反應效應，該散熱層21表面及內部係存有許多孔洞211。請繼續參考圖2C，係利用水蒸氣封孔的方式，進行封孔10分鐘，並於進行下一步驟前，係先以流動清水清洗1分鐘並置於室溫晾乾，以完成散熱層21之 封孔結構212。接著，請參考圖2D及2E，係藉由一化學鍍法於該散熱層21表面形成一金屬層22，其中該金屬層22係為銅層，並且利用一濕式蝕刻製程移除部分之該金屬層22，使該金屬層22形成一金屬線路層22’。

據此，由圖2A至2E所示之高散熱發光二極體複合基板200製作方法流程示意圖，即可製備完成本發明之高散熱發光二極體複合基板200，其包括：一基材20，該基材20係為鋁或鋁合金；一散熱層21，其係藉由一微弧氧化法使該散熱層21形成於該基材20表面，且該散熱層21係含有氮化鋁及氧化鋁之複合物；以及一金屬線路層22’，其係設置於該散熱層21上。

實施例2

請參考圖3A至3E，係實施例2之高散熱發光二極體複合基板300製作方法流程示意圖。此實施例2之高散熱發光二極體複合基板300製作方法係與實施例1大致相同，其差異主要在於此實施例2所使用之電解液中更包括一無機奈米顆粒，其中，無機奈米顆粒為粒徑100奈米之二氧化鈦顆粒，且無機奈米顆粒的添加量佔電解液總量之0.5g/L，以調整所形成之散熱層之表面性質。

請參考圖3A，係提供一基材30，該基材30係為上述經處理之鋁合金試片。接著，請一併參考圖1，係將該基材30連接至圖1之電源14，並浸置於上述含有二氧化鈦顆粒之電解液中進行一微弧氧化製程。於微弧氧化的過程中，該電解液之溫度係透過圖1中的循環冷卻水111維持於15~20℃， 且其pH值係維持於10左右。是以，請參考圖3B，於微弧氧化製程完成後，該基材30表面係形成一散熱層31，且該散熱層31係含有氮化鋁及氧化鋁之複合物，其中，由於電解液中添加有二氧化鈦顆粒，該散熱層31表面形成之孔洞311相對於前述圖2B之孔洞211小。請繼續參考圖3C，由於所形成之孔洞311較小，除了利用一般水蒸氣封孔的方式進行封孔之外，於此實施例2中，係採用溶膠凝膠法封孔的方式，進行封孔5分鐘，並於進行下一步驟前，係先以流動清水清洗1分鐘並置於室溫晾乾，以完成散熱層31之封孔結構312。接著，請參考圖3D及3E，係藉由一蒸鍍法於該散熱層31表面形成一金屬層32，其中該金屬層32係為銅層，並且利用一光罩蝕刻製程移除部分之該金屬層32，使該金屬層32形成一金屬線路層32’。

據此，由圖3A至3E所示之高散熱發光二極體複合基板300製作方法流程示意圖，即可製備完成本發明之高散熱發光二極體複合基板300，其包括：一基材30，該基材30係為鋁或鋁合金；一散熱層31，其係藉由一微弧氧化法使該散熱層31形成於該基材30表面，且該散熱層係含有氮化鋁及氧化鋁之複合物；以及一金屬線路層32’，其係設置於該散熱層31上。

實施例3

實施例3之高散熱發光二極體複合基板製作方法係與實施例1大致相同，其差異僅在於所形成之氮化層並不經封孔處理，而直接進行後續化學鍍製程，於該未經封孔之氮 化層上形成一金屬層，並透過一濕式蝕刻製程移除部分金屬層以形成一金屬線路層。據此，即可完成一未經封孔處理之高散熱發光二極體複合基板。

實施例4

實施例4之高散熱發光二極體複合基板製作方法係與實施例2大致相同，其差異僅在於所形成之氮化層並不經封孔處理，而直接進行後續蒸鍍製程，於該未經封孔之氮化層上形成一金屬層，並透過一光罩蝕刻製程移除部分金屬層以形成一金屬線路層。據此，即可完成一未經封孔處理之高散熱發光二極體複合基板。

實施例5

請參考圖4，係為此實施例5之發光二極體4之結構示意圖。如圖4所示，一半導體磊晶層41係藉由一中間層42設置於實施例2之高散熱發光二極體複合基板300上，其中，該中間層42係為一般習知之金屬或合金，例如，鉻、鈦、鉬、鎢、或其合金等，本發明並未侷限於此；更具體地，藉由在高散熱發光二極體複合基板300之金屬線路層32’上形成中間層42，而半導體磊晶層41藉由中間層42設置在高散熱發光二極體複合基板上。

此外，上述之發光二極體4結構中，散熱層之厚度為10微米，硬度可高達1,000Hv以上，且其表面平均粗糙度(Ra)可為1.5微米，熱傳導係數可達20W/mK以上，從而達到有效散熱之目的。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1‧‧‧微弧氧化裝置

11‧‧‧電解槽

111‧‧‧循環冷卻水

112‧‧‧電解液

113‧‧‧陰極

12‧‧‧攪拌單元

13‧‧‧控制單元

14‧‧‧電源

15‧‧‧陽極

200,300‧‧‧高散熱發光二極體複合基板

20,30‧‧‧基材

21,31‧‧‧散熱層

211,311‧‧‧孔洞

212,312‧‧‧封孔結構

22,32‧‧‧金屬層

22’ 32’‧‧‧金屬線路層

4‧‧‧發光二極體

41‧‧‧半導體磊晶層

42‧‧‧中間層

圖1係本發明微弧氧化裝置之裝置示意圖。

圖2A至2E係本發明實施例1之高散熱發光二極體複合基板製作方法流程示意圖。

圖3A至3E係本發明實施例2之高散熱發光二極體複合基板製作方法流程示意圖。

圖4係本發明實施例5之發光二極體結構示意圖。

300‧‧‧高散熱發光二極體複合基板

30‧‧‧基材

31‧‧‧散熱層

32’‧‧‧金屬線路層

Claims (16)

1. 一種高散熱發光二極體複合基板之製作方法，其步驟包括：提供一基材，該基材係為鋁或鋁合金；將該基材浸置於一電解液中，並藉由一微弧氧化法使該基材表面形成一散熱層，且該散熱層係含有氮化鋁及氧化鋁之複合物；對該散熱層進行一封孔處理；形成一金屬層於散熱層上；以及移除部分之該金屬層，使該金屬層形成一金屬線路層；其中，該電解液係包含有含氮化合物及次磷酸鹽，該含氮化合物係為一無機銨化合物，其係至少一選自由氯化銨、硝酸銨、硫酸銨、氫氧化銨、磷酸銨、碳酸氫銨、及其組合所組成之群組，且該含氮化合物佔該電解液之濃度係為10至50重量百分比。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高散熱發光二極體複合基板之製作方法，其中，該電解液更包含有矽酸鹽。
3. 如申請專利範圍第1項所述之高散熱發光二極體複合基板之製作方法，其中，該電解液之溫度係為0~20℃。
4. 如申請專利範圍第1項所述之高散熱發光二極體複合基板之製作方法，其中，該電解液之pH值係為7至12。
5. 如申請專利範圍第1項所述之高散熱發光二極體複合基板之製作方法，其中，該電解液更包括一無機奈米顆粒。
6. 如申請專利範圍第5項所述之高散熱發光二極體複合基板之製作方法，其中，該無機奈米顆粒係選自由二氧化鈦、碳化矽、氮化鋁、二氧化矽及三氧化二鋁所組成群組之至少一者。
7. 如申請專利範圍第5項所述之高散熱發光二極體複合基板之製作方法，其中，該無機奈米顆粒之添加含量係為0.05g/L至1.0g/L。
8. 如申請專利範圍第1項所述之高散熱發光二極體複合基板之製作方法，其中，該封孔處理係為水蒸氣封孔、陶瓷噴焊封孔、硫酸鎳封孔、醋酸鎳封孔、有機酸封孔、常溫氟化鎳冷封孔、或溶膠凝膠法封孔。
9. 如申請專利範圍第1項所述之高散熱發光二極體複合基板之製作方法，其中，該金屬層係藉由化學鍍法、濺鍍法、蒸鍍法、陰極電弧法、或化學氣相沉積法形成該散熱層上。
10. 如申請專利範圍第1項所述之高散熱發光二極體複合基板之製作方法，其中，該微弧氧化法係為一氮氣環境。
11. 如申請專利範圍第1項所述之高散熱發光二極體複合基板之製作方法，其中，該微弧氧化法之電流密度係為1至10A/dm²，電壓係為200V至800V，氧化時間係為5至60分鐘。
12. 如申請專利範圍第1項所述之高散熱發光二極體複合基板之製作方法，更包括將一半導體磊晶層形成於未移除之該金屬線路層表面。
13. 一種高散熱發光二極體複合基板，係依據申請專利範圍第1至12項中任一項所述之高散熱發光二極體複合基板之製作方法而製得，其包括：一基材，該基材係為鋁或鋁合金；一散熱層，其係藉由一微弧氧化法使該散熱層形成於該基材表面，且該散熱層係含有氮化鋁及氧化鋁之複合物；以及一金屬線路層，其係設置於該散熱層上。
14. 如申請專利範圍第13項所述之高散熱發光二極體複合基板，其中，該散熱層之厚度係為5微米至200微米，且該散熱層表面硬度係為800Hv至1,500Hv。
15. 如申請專利範圍第13項所述之高散熱發光二極體複合基板，其中，該散熱層之表面平均粗糙度(Ra)係為0.1微米至2.5微米。
16. 如申請專利範圍第13項所述之高散熱發光二極體複合基板，其中，該散熱層之熱傳導係數係為20W/mK至100W/mK。