TWI580084B - 發光組件及其製作方法 - Google Patents

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陳家泰
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楊靜怡
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Description

發光組件及其製作方法
本發明是有關於一種發光組件及其製作方法，特別是指一種散熱效果佳的發光組件及其製作方法。
參閱圖1，美國專利US 7,683,474 B2公告號(LED assembly with LED position template and method of making an LED assembly using LED position template，以下稱前案1)揭示一種發光二極體(light emitting diode，LED)組件30，其包含有容器32、第一導體40、第二導體42、一個或多個發光二極體晶粒44、導線48、密封劑54，及底座64。
前述第一導體40和第二導體42係分別透過第一襯墊50和第二襯墊52與發光二極體晶粒44形成電連接。由前案1所載內容可知，其發光二極體組件30之第一導體40及第二導體42除了用以提供電能至發光二極體晶粒44外，發光二極體晶粒44於運作時所產生的熱能，亦是透過第一導 體40進行傳導以進行散熱。
然而，前案1所提供的發光二極體組件30，其存在的缺點在於，所述第一導體40是兼具導電及導熱的功效，但由於第一導體40與底座64間需藉由黏合劑或其它黏合層始能穩固結合，因此，便會影響第一導體40向下散熱的效率，也就是說，於實際運作時，第一導體40於傳遞電能的同時，仍持續會有熱能的累積，因而導致發光二極體晶粒44以第一導體40進行導熱的程度有限，以致於前案1所述之發光二極體組件30其散熱效果仍有大幅改善的空間。
由上述的說明可知，進一步開發或設計一種能有效地提昇散熱效果的發光組件，係為本發明研究改良的重要目標。
因此，本發明之一目的，即在於提供一種散熱效果佳的發光組件。
於是，本發明發光組件包含一金屬散熱件、一絕緣層、一電路圖案層、至少一導熱介質層，及至少一發光二極體晶粒。
該絕緣層形成於該金屬散熱件的至少部份表面。
該電路圖案層形成於該絕緣層上且具有一預定圖案，該電路圖案層包括一形成於該絕緣層上且含有活性金屬的活化層，與至少一形成於該活化層上的非電鍍金屬層。
該每一導熱介質層形成於該金屬散熱件未形成有該絕緣層的表面。
該每一發光二極體晶粒包括一底部、一與該底部相對之頂部，與自該頂部延伸的至少一導線，該每一發光二極體晶粒位於該每一導熱介質層上，並透過該導熱介質層固設於該金屬散熱件上，且經由該至少一導線以打線方式與該電路圖案層電連接。
此外，本發明發光組件的另一態樣係包含一金屬散熱件、一絕緣層、一電路圖案層，及至少一發光二極體晶粒。
該絕緣層形成於該金屬散熱件的至少部份表面。
該電路圖案層形成於該絕緣層上且具有一預定圖案，該電路圖案層包括一形成於該絕緣層上且含有活性金屬的活化層，與至少一形成於該活化層上的非電鍍金屬層。
該每一發光二極體晶粒是以覆晶方式與該電路圖案層電連接。
此外，本發明之另一目的，即在於提供一種發光組件的製作方法。
於是，本發明發光組件的製作方法包含一步驟(a)、一步驟(b)、一步驟(c)、一步驟(d)，及一步驟(e)。
該步驟(a)是在一金屬散熱件的部份表面形成一絕緣層。
該步驟(b)是在該絕緣層上形成一具有一預定圖案的電路圖案層。
該步驟(c)是在該金屬散熱件未形成有該絕緣層的表面形成至少一導熱介質層。
該步驟(d)是透過該至少一導熱介質層接合至少一發光二極體晶粒。
該步驟(e)是將該至少一發光二極體晶粒與該電路圖案層形成電連接，以製得該發光組件。
此外，本發明之又一目的，即在於提供一種發光組件的製作方法。
於是，本發明發光組件的製作方法包含一步驟(a)、一步驟(b)，及一步驟(c)。
該步驟(a)是在一金屬散熱件的部份表面形成一絕 緣層。
該步驟(b)是在該絕緣層上形成一具有一預定圖案的電路圖案層。
該步驟(c)是將該至少一發光二極體晶粒與該電路圖案層形成電連接，以製得該發光組件。
本發明之功效在於：提供一種將發光二極體晶粒設置於金屬散熱件上的發光組件及其製作方法，而可經由導熱介質層或電路圖案層直接將發光二極體晶粒之熱能傳導至金屬散熱件，以提高導熱效率並加速元件散熱。
2‧‧‧金屬散熱件
3‧‧‧絕緣層
4‧‧‧電路圖案層
41‧‧‧活化層
42‧‧‧非電鍍金屬層
61‧‧‧底部
62‧‧‧頂部
621‧‧‧第一電極
622‧‧‧第二電極
623‧‧‧絕緣體
5‧‧‧導熱介質層
6‧‧‧發光二極體晶粒
63‧‧‧導線
64‧‧‧焊塊
本發明之其它的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一剖視圖，說明現有的發光二極體組件；圖2是一側視圖，說明本發明發光組件的一第一實施例；圖3是一側視圖，說明本發明發光組件的一第二實施例；圖4是一側視圖，說明本發明發光組件的一第三實施例；圖5是一側視圖，說明本發明發光組件的一第四實施例。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。有關本發明之技術內容、特點與功效，在以下的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖2，本發明發光組件的一第一實施例包含一金屬散熱件2、一絕緣層3、一電路圖案層4、至少一導熱介質層5，及至少一發光二極體晶粒(die)6。
金屬散熱件2可為一如圖2所示之鋁擠型的散熱鰭片，且其鰭片直接接觸外界空氣或其它流體，亦可為其它習知的金屬散熱元件，或是多種散熱元件的組合，而不以單一種類為限。此外，金屬散熱件2的表面亦可含有一層保護漆、耐候漆、絕緣漆或其它適當的習知塗裝，於此不再多加贅述。於第一實施例中，金屬散熱件2的材料可為鋁合金、銅合金，或是其它導熱性佳的金屬材料，並無需特別限制。於此要說明的是，金屬散熱件2的表面型態不拘，例如可具有一曲面而可應用於車用頭燈，或是可依實際應用而調整其結構態樣，以令本發明發光組件可更加廣泛地應用於各領域。
絕緣層3形成於金屬散熱件2的至少部份表面，且其材料可選自環氧樹脂(epoxy)及壓克力樹脂等絕緣材料， 或為其它絕緣材料。此外，尤其重要的是，由於本實施例中之絕緣層3主要作用係在金屬散熱件2的表面形成一絕緣面，故其厚度應盡可能地減少，以降低對熱傳導之影響。因此，較佳地，絕緣層3的厚度是介於20μm至40μm。
電路圖案層4形成於絕緣層3上且具有一預定圖案，所述之預定圖案可依不同需求而進行調整與設計，於此並無限制。詳細地說，電路圖案層4包括一層形成於絕緣層3上且含有活性金屬的活化層41，與至少一層形成於活化層41上的非電鍍金屬層42。於第一實施例中，是以二層非電鍍金屬層42為例來做說明，但不以此為限。
較佳地，活化層41之活性金屬材料係選自鈀、銠、鋨、銥、鉑、金、銀、銅、鎳、鐵，或此等之一組合的催化性金屬；第一層非電鍍金屬層42的材料可選自銅或鎳等金屬材料，而第二層非電鍍金屬層42則可選自鉑、銀、錫、金、銠、鈀，或此等之一組合具導電性的材料，並用以保護第一層非電鍍金屬層42以防止其氧化並可同時對外進行電連接。
至少一導熱介質層5是形成於金屬散熱件2未形成有絕緣層3的表面。於第一實施例中，所述導熱介質層5係可選用導熱膏(thermal grease)、導熱墊片(thermal pad)、導 熱膠帶(thermal adhesive)，或其它良好熱介面材料(thermal interface material，TIM)。
至少一發光二極體晶粒6位於至少一導熱介質層5上，且透過至少一導熱介質層5固設於金屬散熱件2上，以透過導熱介質層5將發光二極體晶粒6於運作中所產生的熱量傳導至金屬散熱件2。也就是說，所述導熱介質層5的數量是與發光二極體晶粒6的數量相配合，第一實施例是以一個發光二極體晶粒6為例來做說明，但不以此為限。
具體地說，第一實施例之每一發光二極體晶粒6是包括一底部61、一與底部61相對之頂部62，及二條自頂部62延伸之導線63。每一發光二極體晶粒6即是透過二條導線63以打線(wire bonding)方式與電路圖案層4形成電連接，且二條導線63是分別連接到電路圖案層4中不同正、負極性且相互隔離的二電路。由於所述發光二極體晶粒6之詳細結構或是其所適用之材料係為所屬技術領域者所周知，因此不再多加贅述。
參閱圖3，本發明發光組件的一第二實施例與第一實施例大致相同，其不同之處在於，每一發光二極體晶粒6即為習知垂直導通式結構的發光二極體，其底部61即為可對 外電連接的底電極，因此，每一發光二極體晶粒6僅包括一條自頂部62延伸之導線63。於第二實施例中，每一發光二極體晶粒6之部份底部61是接合於每一導熱介質層5以傳導熱能至金屬散熱件2，而未接合於導熱介質層5之部份底部61則是與電路圖案層4中一對應極性的電路接觸而形成電連接，頂部62即經由導線63以打線方式與電路圖案層4形成電連接。
參閱圖4，本發明發光組件的一第三實施例與第一實施例大致相同，其不同之處在於，每一發光二極體晶粒6是直接以覆晶(flip chip)方式與電路圖案層4形成電連接。也就是說，於第三實施例中，每一發光二極體晶粒6之頂部62是經由二焊塊(solder bump)64與電路圖案層4接觸而形成電連接，而非透過導熱介質層5固設於金屬散熱件2上。
參閱圖5，本發明發光組件的一第四實施例與第三實施例大致相同，即每一發光二極體晶粒6同樣是以覆晶方式與電路圖案層4形成電連接，其不同之處在於，每一發光二極體晶粒6之頂部62具有一第一電極621、一第二電極622，及一設置於第一電極621與第二電極622間的絕緣體623。於第四實施例中，係將部份的第一電極621及第二電極 622透過其下的焊塊64與電路圖案層4對應極性的電路接觸而與電路圖案層4形成電連接。
本發明發光組件之發光二極體晶粒6可透過電路圖案層4或是金屬散熱件2進行熱傳導，而於第一實施例與第二實施例中，可進一步透過具有高熱傳導能力的導熱介質層5將熱能直接傳導至直接與外界空氣或其它流體接觸的金屬散熱件2以進行散熱，因此，與現有的發光二極體組件30相較，更能有效地加速散熱並具有優異的散熱效果。
茲將本發明發光組件的製作方法說明如下，本發明發光組件的製作方法的一第一實施例是用以製作出如圖2或圖3所示之發光組件，其包含一步驟(a)、一步驟(b)、一步驟(c)、一步驟(d)，及一步驟(e)。
步驟(a)是在金屬散熱件2的部份表面形成絕緣層3。本實施例中，金屬散熱件2為散熱鰭片並以電著塗裝(electro-deposition coating，ED)製程於其部份表面形成由環氧樹脂構成的絕緣層3，然，並非以此製程及材料為限。於此先說明的是，金屬散熱件2未形成有絕緣層3的表面，即為後續用以設置發光二極體晶粒6處。
步驟(b)是在絕緣層3上形成具有預定圖案的電路 圖案層4，所述電路圖案層4包括一層形成於絕緣層3上的活化層41，與至少一層形成於活化層41上的非電鍍金屬層42。本實施例中，是以二層非電鍍金屬層42為例來做說明。
具體地說，本實施例之步驟(b)是先在絕緣層3上以網印方式形成一層具有預定圖案的活化層41，且活化層41含有選自鈀、銠、鋨、銥、鉑、金、銀、銅、鎳、鐵，或此等之一組合的催化性金屬源。
此處要說明的是，前述絕緣層3與活化層41亦可透過數位印刷、噴塗技術、移印、轉印、浸鍍、塗佈技術，或粉體塗裝等方式形成，並不以所揭露之電著塗裝製程與網印方式為限。
而後，透過一化學鍍(electroless plating)程序，將已形成有絕緣層3及活化層41的金屬散熱件2浸入一含有金屬離子的化學鍍液中，化學鍍液中的金屬離子會在活化層41的催化性金屬源上被還原成金屬晶核，而被還原的金屬晶核本身又成為化學鍍液中金屬離子的催化層，從而使還原反應繼續在新的晶核表面上進行，經一預定時間後，第一層非電鍍金屬層42即形成於活化層41上，且具有與活化層41相同的預定圖案。又，第二層非電鍍金屬層42同樣是以化學鍍技 術形成於第一層非電鍍金屬層42上，化學鍍程序如前所述，於此不再多加贅述。
本實施例中，於形成第一層非電鍍金屬層42時是選用含有硫酸銅的化學鍍液，因此，經還原而得的第一層非電鍍金屬層42為銅金屬；於形成第二層非電鍍金屬層42時則是選用含有硝酸銀的化學鍍液，因此，經還原而得的第二層非電鍍金屬層42則為銀金屬。由於化學鍍的相關製程參數及所選用的材料皆為所屬技術領域者所周知，亦不再多加贅述。除此之外，前述非電鍍金屬層42也適用濺鍍、浸鍍，或蒸鍍等加工方式形成，並不以所揭露的化學鍍技術為限。
於此須特別指出的是，前述步驟(b)之電路圖案層4的形成方式有二，其中之一係於絕緣層3上形成具有預定圖案的活化層41，後續之非電鍍金屬層42則隨之選擇性地形成於活化層41的預定圖案上，以共同構成具有預定圖案的電路圖案層4。另一方式則是活化層41可先不形成該預定圖案，而是先在絕緣層3上形成一完整的活化層41，待非電鍍金屬層42隨之整面地形成於活化層41上後，再以雷射或其它適當方式自非電鍍金屬層42向下將非電鍍金屬層42與活化層41的預定部份移除，即去除電路圖案層4之預定圖案以外的 部份，以令殘留的非電鍍金屬層42及活化層41共同構成電路圖案層4。
步驟(c)是在金屬散熱件2未形成有絕緣層3的表面依據所欲設置之發光二極體晶粒6的數量與位置對應形成導熱介質層5。
步驟(d)則是將發光二極體晶粒6設置於導熱介質層5上，以透過導熱介質層5接合發光二極體晶粒6並將發光二極體晶粒6固設於金屬散熱件2上。
步驟(e)是將所述發光二極體晶粒6藉由打線方式與電路圖案層4形成電連接，以製得前述該第一實施例與第二實施例所述之發光組件。由於打線之電連接方式係為所屬技術領域者所熟知，亦不再多加贅述。
此外，本發明發光組件的製作方法的一第二實施例是用以製作出如圖4或圖5所示之發光組件，其包含一步驟(a)、一步驟(b)，及一步驟(c)。
其中，步驟(a)及步驟(b)與前述發光組件的製作方法的第一實施例相同，於此不再贅述，步驟(c)則是將發光二極體晶粒6以覆晶方式與電路圖案層4形成電連接，以製得前述該第三實施例與第四實施例所述之發光組件。由於覆晶 之電連接方式係為所屬技術領域者所周知，亦不再多加說明。
綜上所述，本發明發光組件除了可將發光二極體晶粒6所產生的熱能透過電路圖案層4傳導至直接與外界接觸的金屬散熱件2上，還可透過導熱介質層5而提供另一導熱途徑，因此，可有效地提昇元件整體的散熱效果，進而可提昇發光組件的操作穩定性與發光效率，並延長使用壽命。此外，本發明發光組件的製作方法更具有製程簡易與製程彈性度高等優點。因此，確實能達到本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧金屬散熱件
3‧‧‧絕緣層
4‧‧‧電路圖案層
41‧‧‧活化層
42‧‧‧非電鍍金屬層
5‧‧‧導熱介質層
6‧‧‧發光二極體晶粒
61‧‧‧底部
62‧‧‧頂部
63‧‧‧導線

Claims (18)

  1. 一種發光組件，包含：一金屬散熱件；一絕緣層，形成於該金屬散熱件的至少部份表面；一電路圖案層，形成於該絕緣層上且具有一預定圖案，該電路圖案層包括一形成於該絕緣層上且含有活性金屬的活化層，與至少一形成於該活化層上的非電鍍金屬層；至少一導熱介質層，形成於該金屬散熱件未形成有該絕緣層的表面；及至少一發光二極體晶粒，每一發光二極體晶粒包括一底部、一與該底部相對之頂部，與自該頂部延伸的至少一導線，該每一發光二極體晶粒位於該每一導熱介質層上，並透過該導熱介質層固設於該金屬散熱件上，且經由該至少一導線以打線方式與該電路圖案層電連接。
  2. 如請求項1所述的發光組件，其中，該金屬散熱件為散熱鰭片。
  3. 如請求項1所述的發光組件，其中，該金屬散熱件的表面具有一曲面。
  4. 如請求項1所述的發光組件，其中，該每一導熱介質層為導熱膏。
  5. 如請求項1所述的發光組件，其中，該每一發光二極體晶粒的底部接合於該導熱介質層，該頂部經由二導線以打線方式與該電路圖案層電連接。
  6. 如請求項1所述的發光組件，其中，該每一發光二極體晶粒的部份底部與該電路圖案層形成電連接，該頂部經由一導線以打線方式與該電路圖案層電連接。
  7. 一種發光組件，包含：一金屬散熱件；一絕緣層，形成於該金屬散熱件的至少部份表面；一電路圖案層，形成於該絕緣層上且具有一預定圖案，該電路圖案層包括一形成於該絕緣層上且含有活性金屬的活化層，與至少一形成於該活化層上的非電鍍金屬層；及至少一發光二極體晶粒，以覆晶方式與該電路圖 案層電連接。
  8. 如請求項7所述的發光組件，其中，該金屬散熱件為散熱鰭片。
  9. 如請求項7所述的發光組件，其中，該金屬散熱件的表面具有一曲面。
  10. 如請求項7所述的發光組件，更包含至少一導熱介質層，該導熱介質層形成於該金屬散熱件未形成有該絕緣層的表面，且該每一導熱介質層為導熱膏。
  11. 一種發光組件的製作方法，包含以下步驟：一步驟(a)，在一金屬散熱件的部份表面形成一絕緣層；一步驟(b)，在該絕緣層上形成一具有一預定圖案的電路圖案層，其中，先在該絕緣層上形成一含有活性金屬的活化層，再於該活化層上形成至少一非電鍍金屬層，該活化層及該至少一非電鍍金屬層共同構成該電路圖案層；一步驟(c)，在該金屬散熱件未形成有該絕緣層的表面形成至少一導熱介質層；一步驟(d)，透過該至少一導熱介質層接合至少一 發光二極體晶粒；及一步驟(e)，將該至少一發光二極體晶粒與該電路圖案層形成電連接，以製得該發光組件。
  12. 如請求項11所述的發光組件的製作方法，其中，該步驟(b)是先在該絕緣層上形成具有一預定圖案的活化層，再於該活化層上形成該至少一非電鍍金屬層，而得到該電路圖案層。
  13. 如請求項11所述的發光組件的製作方法，其中，該步驟(b)是先在該絕緣層上形成一完整的活化層，再於該活化層的表面形成至少一非電鍍金屬層，而後自該至少一非電鍍金屬層向下將該至少一非電鍍金屬層及該活化層的預定部份移除，以令殘留的該至少一非電鍍金屬層及該活化層共同構成該電路圖案層。
  14. 如請求項11所述的發光組件的製作方法，其中，該步驟(d)之每一發光二極體晶粒包括一底部、一與該底部相對之頂部，與自該頂部延伸的至少一導線，該底部接合於該導熱介質層，並透過該導熱介質層固設於該金屬散熱件上；且於該步驟(e)中，該每一發光二極體晶粒經由該至少一導線以打線方式與該電路圖案 層電連接。
  15. 如請求項14所述的發光組件的製作方法，其中，該每一發光二極體晶粒的底部接合於該導熱介質層，該頂部經由二導線以打線方式與該電路圖案層形成電連接。
  16. 如請求項14所述的發光組件的製作方法，其中，該每一發光二極體晶粒的底部與該電路圖案層形成電連接，該頂部經由一導線以打線方式與該電路圖案層形成電連接。
  17. 一種發光組件的製作方法，包含以下步驟：一步驟(a)，在一金屬散熱件的部份表面形成一絕緣層；一步驟(b)，在該絕緣層上形成一具有一預定圖案的電路圖案層，其中，是先在該絕緣層上形成一含有活性金屬的活化層，再於該活化層上形成至少一非電鍍金屬層，該活化層及該至少一非電鍍金屬層共同構成該電路圖案層；及一步驟(c)，將至少一發光二極體晶粒以覆晶方式與該電路圖案層形成電連接，以製得該發光組件。
  18. 如請求項17所述的發光組件的製作方法，其中，該步驟(b)是先在該絕緣層上形成具有一預定圖案的活化層，再於該活化層上形成該至少一非電鍍金屬層，而得到該電路圖案層。
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