TWI552379B - 發光二極體及其製造方法 - Google Patents

Description

發光二極體及其製造方法

本發明係關於一種散熱裝置，尤指一種適用於發光二極體之散熱膜。

自60年代起，發光二極體(Light Emitting Diode，LED)的耗電量低及長效性的發光等優勢，已逐漸廣泛應用於日常生活中用來照明或各種電器設備的指示燈或光源，無異顯示其可應用之領域十分廣泛。

一般而言，輸入於LED中之電能約20%轉換為光，剩下約80%則以熱能形式逸散於環境中。因此，此等熱能需適當導出，以避免LED接面溫度過高，進而影響產品壽命、發光效率，以及穩定性。迄今為止，已有許多習知技術嘗試將各種具有良好熱傳導性及適當之熱穩定性之材料應用於發光二極體上，如：氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al2O3)、碳化矽(SiC)、鎢化銅(CuW)、及銅鉬合金(Cu-Mo)等，以求提升其發光單元之散熱效率。此外，因考量到散熱材料與發光單元間之附著性，選用之散熱材料也可製成片狀透過導熱性較佳之黏著劑與基板接合，從而達到散熱之目的，例如以銅或鋁等所製成之薄片作為所LED需之散熱層設置於其基板之一側，由基板側將熱由發光單元導出。然而，相較於將散熱層設置於基板側，直接由發光單元將熱導出之效率必然較佳，因此，亦有習知技術於發光單元上透過各種塗佈技術設置散熱層以達到散熱之目的。

現階段，因鑽石同時具有高熱輻射性質可將熱以輻射方式發散在空氣中，以及具有高熱傳導性質可快速將熱導出，因此以鑽石膜作為散熱材料其散熱效率最為良好，而由於鑽石膜合成之溫度及其與發光單元熱膨脹係數差異大並不易直接形成於發光單元上，故目前除上述以片狀黏著之方式外，通常可以混合適當之金屬並加以高溫高壓燒結後再黏附於發光單元上，黏附層使得熱傳導效率下降，且由於鑽石膜與發光單元間物性、相容性等差異，此散熱層經過多次熱脹冷縮，往往不易與發光單元緊密結合，以達到良好的散熱效果。

因此，為了提升發光二極體晶片之散熱效率以提升其產品品質，發展一直接於半導體晶片上穩固設置散熱層以迅速將熱導出之技術實有其必要。

本發明之主要目的係在提供一種直接設置於發光單元上之散熱膜層，俾能改善發光二極體之散熱效率以提升其產品品質並延長其發光二極體之壽命。

為達成上述目的，本發明之一態樣係提供一種發光二極體，包括：一發光單元，係為一具有PN接面之半導體晶片；以及一散熱膜層，係包括一緩衝層、一第一附著層、一第一鑽石金屬層以及一保護層，且該緩衝層、該第一附著層、該第一鑽石金屬層以及該保護層依序層疊設置於該發光單元上。

而於製造上述本發明之發光二極體時，考量發光單元及第一附著層可能因兩者材料之晶格或類似因素差異過大導致散熱膜層無法穩固地設置於發光單元上，因此，為了使該第一附著層能更穩固地設置於該發光單元上，可於發光單元上先設置一緩衝層，以穩固其第一附著層，進而使散熱膜層能穩固設置於發光單元上。該緩衝層之組成可為金(Au)、銀(Ag)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、銅(Cu)、鎳(Ni)或其組合。再者，於本發明中，緩衝層除了作為使散熱膜層能穩固設置之用途外，更需具有能鍍上第一附著層之功能，因此，該緩衝層更可為一雙層結構，其中，鄰近發光單元側之組成可選擇黏著性較佳之金屬；另一側則可選擇易於鍍膜之金屬，如本發明實施例之緩衝層係為由鉻(Cr)金及(Au)組成之雙層結構並依序層疊設置於該發光單元上，但本發明並不侷限於此。

於上述本發明之發光二極體中，為了提升發光二極體之散熱效率，該散熱膜層更可包括至少一第二鑽石金屬層以及至少一第二附著層，且該第二鑽石層及該第二附著層可交互層疊並設置於該第一鑽石金屬層及該保護層之間，其中，該第一鑽石金屬層及第二鑽石金屬層可各自獨立為一鑽石顆粒及金屬所組成之複合材料。上述本發明中所使用之鑽石顆粒可為單晶鑽石、多晶鑽石、類鑽碳或其組合；而該些鑽石金屬層中之金屬可為金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)或其組合。再者，考量其散熱效益，該第一附著層、 第二附著層及該保護層之組成可各自獨立為金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)或其組合，但本發明並不以此為限。

於上述本發明之發光二極體中，該緩衝層之厚度可為10奈米至500奈米，較佳為50奈米至300奈米，其中鉻層之厚度約為1奈米至20奈米，較佳為5奈米至15奈米；該第一鑽石金屬層及第二鑽石金屬層之厚度可各自獨立為10微米至500微米，較佳為20微米至300微米；該第一附著層及第二附著層之厚度可各自獨立為10微米至500微米，較佳為20微米至300微米；該保護層之厚度可為10微米至100微米，較佳為20微米至50微米，但本發明並不以此為限。

於上述本發明之發光二極體可為覆晶式、直通式、側通式，且可為上發光型或下發光型；發光單元之組成可為氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、磷化砷鎵(GaAsP)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷化鋁鎵铟(AlGaInP)、氮化铟鎵(InGaN)或其組合，但本發明並不以此為限。

本發明之另一目的係在提供一種於發光二極體之發光單元上直接設置散熱膜層之方法，俾能改善發光二極體之散熱效率以提升其產品品質並延長其發光二極體之壽命。

為達成上述目的，本發明另一態樣係提供一種製造發光二極體之方法，包括：設置一發光單元於一基板上；以及設置一散熱膜層於該發光單元上，其中，該散熱膜層包括一緩衝層、一第一附著層、一第一鑽石金屬層以及一保護層，且該緩衝層、該第一附著層、該第一鑽石金屬層以及該保護層依序層疊設置於該發光單元上。

而以上述方法製造發光二極體時，考量發光單元及第一附著層可能因兩者材料之晶格或類似因素差異過大導致散熱膜層無法穩固地設置於發光單元上，因此，為了使該第一附著層能更穩固地設置於該發光單元上，可於發光單元上先設置一緩衝層，以穩固其第一附著層，進而使散熱膜層能穩固設置於發光單元上。該緩衝層之組成可為金(Au)、銀(Ag)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、銅(Cu)、鎳(Ni)或其組合。再者，於本發明中，緩衝層除了作為使散熱膜層能穩固設置之用途外，更需具有能鍍上第一附著層之功能，因此，該緩衝層更可為一雙層結構，其中，鄰近發光單元側之組成可選擇黏著性較佳之金屬；另一側則可選擇易於長晶之金屬，如本發明實施例之緩衝層係為由鉻(Cr)及金(Au)組成之雙層結構並依序層疊設置於該發光單元上，但本發明並不侷限於此。

此外，為了提升發光二極體之散熱效率，該散熱膜層更可包括至少一第二鑽石金屬層以及至少一第二附著層，且該第二鑽石層及該第二附著層可交互層疊並設置於該第一鑽石金屬層及該保護層之間，其中，該第一鑽石金屬層及第二鑽石金屬層可各自獨立為一鑽石顆粒及金屬所組成之複合材料。上述本發明中所使用之鑽石顆粒可為單晶鑽石、多晶鑽石、類鑽碳或其組合；而該些鑽石金屬層中之金屬可為金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)或其組合。再者，考量其散熱效益，該第一附著層、第二附著層及該保護層 之組成可各自獨立為金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)或其組合，但本發明並不以此為限。

於上述本發明之方法中，該發光單元之組成可為氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、磷化砷鎵(GaAsP)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷化鋁鎵铟(AlGaInP)、氮化铟鎵(InGaN)或其組合，但本發明並不以此為限。

上述本發明之方法中，該散熱膜層中所包括之各層，如緩衝層、附著層、鑽石金屬層以及保護層，可以各種習知鍍膜方式設置於發光單元上，如濺鍍、蒸鍍或電鍍，本發明並不以此為限。

上述本發明之方法中，該散熱膜層中所包括之各層，如緩衝層、附著層、鑽石金屬層以及保護層，所形成的多層複合結構於發光單元端具有與發光單元之熱膨脹係數相同或比較散熱膜層遠端更相近之熱脹係數以降低發光單元與散熱膜層間因冷縮熱脹產生之界面應力。

上述本發明之方法中，該散熱膜層設置之單元不限於發光單元，需要散熱之高功率元件皆適用。

以下係藉由特定的具體製備例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體製備例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可針對不同觀點與應用，在不悖離本創作之精神下進行各種修飾與變更。

<製備例>

請參考圖1，本製備例所使用之發光二極體係為一上發光式發光二極體，首先，以濺鍍法於一設置於基板1上之發光單元2上鍍上所需之緩衝層3，於本實施例中該基板1係為藍寶石基板而該發光單元2係為氮化鎵晶片，其中，該緩衝層包括一設置於鄰近發光單元2且厚度約為50奈米之鉻層31，以及一設置於該鉻層31上且厚度約為150奈米之金層32，以利後續實施電鍍製程，所製得之發光二極體之結構如圖1所示。

<實施例1>

取上述製備例所製得之發光二極體，浸於一電鍍液中，其中，該電鍍液含有200g/L之CuSO₄．5H₂O及90g/L之H₂SO₄(96%)，並以電流密度0.06 A/cm2電鍍4分鐘以於該緩衝層3上獲得一厚度約為10微米之第一附著層41，於本實施例中該第一附著層之組成為銅。接著，再將上述已鍍上第一附著層之發光二極體浸於一含鑽石之電鍍液中，以電流密度0.06 A/cm²電鍍10分鐘以於該第一附著層41上獲得一厚度約為30微米之第一鑽石金屬層51，其中，該含鑽石之電鍍液之組成為200g/L之CuSO₄．5H₂O、90g/L之H₂SO₄(96%)以及0.233g之鑽石粉末(粒徑為1至3微米)。再將該已鍍上第一鑽石金屬層5之發光二極體浸於一電鍍液中，其中，該電鍍液含有200g/L之CuSO₄．5H₂O及90g/L之H₂SO₄(96%)，並以電流密度0.06 A/cm²電鍍10分鐘以於該第一鑽石金屬層 51上獲得一厚度約為30微米之保護層6。最後，將該發光二極體之藍寶石基板1(圖未顯示)移除，所製得含散熱膜層之發光二極體之結構如圖2所示。

據此，如圖2所示，本實施例所製得之發光二極體，包括：一發光單元2，係為一具有PN接面之半導體晶片；以及一散熱膜層100，係包括一緩衝層3、一第一附著層41、一第一鑽石金屬層51以及一保護層6，且緩衝層3、第一附著層41、第一鑽石金屬層51以及保護層6係依序層疊設置於發光單元2上。

<實施例2>

本實施例所使用之電鍍液及電鍍方法與上述實施例1相同，惟不同處在於，本實施例更包括第二附著層以及第二鑽石金屬層，請參考圖3，本實施例之發光二極體進行如上述實施例1之電鍍製程，於鍍上該第一鑽石金屬層51後，接著再將該發光二極體置於一含有200g/L之CuSO₄．5H₂O及90g/L之H₂SO₄(96%)之電鍍液中，以電流密度0.06 A/cm²電鍍10分鐘以於該第一鑽石金屬層51上獲得一厚度約為30微米之第二附著層42，接著同樣的再以同實施例1之電鍍第一鑽石金屬層之方法於第二附著層42上鍍上一厚度約為30微米之第二鑽石金屬層52，接著再依序重複鍍上另一厚度約為30微米之第二附著層42’以及另一厚度約為30微米之第二鑽石金屬層52’。如實施例1之方法，將該發光二極體置於一含有200g/L之CuSO₄．5H₂O及90g/L之H₂SO₄(96%)之電鍍液中並以電流密度0.06 A/cm²電鍍10分鐘以於第二鑽 石金屬層52’上獲得一厚度約為30微米之保護層6。最後，將該發光二極體之藍寶石基板1(圖未顯示)移除，以獲得含散熱膜層之發光二極體。

據此，如圖3所示，本實施例所製得之發光二極體之結構係與實施例1相同，除了該散熱膜層100更包括第二鑽石金屬層52,52’以及第二附著層42,42’，而第二鑽石層52,52’及第二附著層42,42’係設置於第一鑽石金屬層51及保護層6之間，且第二鑽石金屬層52,52’以及第二附著層42,42’係交互層疊。

<實施例3>

本實施例所使用之方法及組成與上述實施例1相同，惟不同處僅在於所使用之發光二極體係為一下發光式發光二極體，因此，本實施例所製備之散熱膜層，除可改善該發光二極體散熱效率外，更可作為一金屬反射層，提升發光二極體之發光效率。

<比較例>

本比較例所使用之電鍍液及電鍍方法與上述實施例1相同，惟不同處在於，本比較例於電鍍鑽石金屬層時，僅使用含200g/L之CuSO₄．5H₂O及H₂SO₄(96%)之電鍍液進行電鍍，電鍍液中不含任何鑽石之組成。

<試驗例>

以拉曼光譜儀分析上述實施例1所製得含有散熱膜層之發光二極體，結果如圖3所示，其中圖4之橫軸為拉曼位移，單位為cm^-1；縱軸為強度，為任意單位(a.u.)。圖4顯示該散熱膜層具有鑽石於1334cm^-1之特徵峰，顯示其確實具有鑽石之成份。接著，將上述實施例1及比較例所製得含散熱膜層之發光二極體分別設置於一加熱板下，進行熱阻分析，其結果如圖5所示，其中圖5之橫軸為時間，單位為秒(sec)；縱軸為溫度，為攝氏溫度(℃)。因所測得之溫度正相關於被測物之熱阻，即當一被測物之溫度越低時，其熱阻越小，表示該被測物之熱傳導性越佳，因此，從圖5可以發現，相較於比較例中使用銅層所製之散熱膜層，上述實施例1以鑽銅層所製之散熱膜層之熱傳導性較佳，顯示以本發明之方法所製具有散熱膜層之發光二極體晶片能有效地改善其晶片散熱問題。

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‧‧‧基板

2‧‧‧發光單元

3‧‧‧緩衝層

31‧‧‧鉻層

32‧‧‧金層

41‧‧‧第一附著層

42,42’‧‧‧第二附著層

51‧‧‧第一鑽石金屬層

52,52’‧‧‧第二鑽石金屬層

6‧‧‧保護層

圖1係本發明一製備例之發光二極體。

圖2係本發明一實施例之發光二極體。

圖3係本發明另一實施例之發光二極體。

圖4係本發明一實施例之拉曼光譜圖。

圖5係本發明一試驗例之熱阻分析圖。

2‧‧‧發光單元

3‧‧‧緩衝層

31‧‧‧鉻層

32‧‧‧金層

41‧‧‧第一附著層

51‧‧‧第一鑽石金屬層

6‧‧‧保護層

Claims (16)

1. 一種發光二極體，包括：一發光單元，係為一具有PN接面之半導體晶片；以及一散熱膜層，係包括一緩衝層、一第一附著層、一第一鑽石金屬層以及一保護層，且該緩衝層、該第一附著層、該第一鑽石金屬層以及該保護層係依序層疊設置於該發光單元上；其中，該緩衝層係為一由鉻(Cr)及金(Au)依序層疊設置於該發光單元上之雙層結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該散熱膜層更包括至少一第二鑽石金屬層以及至少一第二附著層，且該第二鑽石層及該第二附著層係設置於該第一鑽石金屬層及該保護層之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體，其中，該第二鑽石金屬層以及該第二附著層係交互層疊。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該第一鑽石金屬層係為一鑽石顆粒及金屬所組成之複合材料。
5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體，其中，該鑽石顆粒係為單晶鑽石、多晶鑽石、類鑽碳或其組合。
6. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體，其中，該金屬係為金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)或其組合。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該第一附著層及該保護層之組成係各自獨立為金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)或其組合。
8. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體，其中，該第二附著層之組成係為金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)或其組合。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體，其中，該發光單元之組成係為氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、磷化砷鎵(GaAsP)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷化鋁鎵铟(AlGaInP)、氮化铟鎵(InGaN)或其組合。
10. 一種製造發光二極體之方法，包括：設置一發光單元於一基板上；以及設置一散熱膜層於該發光單元上，其中，該散熱膜層包括一緩衝層、一第一附著層、一第一鑽石金屬層以及一保護層，且該緩衝層、該第一附著層、該第一鑽石金屬層以及該保護層係依序層疊設置於該發光單元上；其中，該緩衝層係為一由鉻(Cr)及金(Au)依序層疊設置於該發光單元上之雙層結構，且該第一鑽石金屬層係以電鍍法設置。
11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，該緩衝層係以濺鍍法設置。
12. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，該散熱膜層更包括至少一第二鑽石金屬層以及至少一第二附著 層，且該第二鑽石層及該第二附著層係設置於該第一鑽石金屬層及該保護層之間。
13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中，該第二鑽石金屬層以及該第二附著層係交互層疊。
14. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，該第一鑽石金屬層係為一鑽石顆粒及金屬所組成之複合材料。
15. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，該第一附著層及該保護層之組成係各自獨立為金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)或其組合。
16. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，該發光單元之組成係為氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、磷化砷鎵(GaAsP)、砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷化鋁鎵铟(AlGaInP)、氮化铟鎵(InGaN)或其組合。