TWI651874B

TWI651874B - 發光裝置及其製造方法

Info

Publication number: TWI651874B
Application number: TW103141570A
Authority: TW
Inventors: 陳冠位; 陳邇浩; 陳建州; 徐子健
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2019-02-21
Also published as: TW201616696A

Abstract

本發明提供一種發光裝置，包括基板、金屬佈線層以及發光二極體，其中，該基板中形成有填充金屬之至少一導通孔，該金屬佈線層位在該基板上，且該發光二極體位在該金屬佈線層上。前述發光裝置之其製造方法，包括：提供一基板，於該基板中形成至少一導通孔，將金屬填入該至少一導通孔內，於該基板上形成金屬佈線層，以及將發光二極體通過焊墊貼合於該金屬佈線層。透過於導通孔填入高導熱金屬，將可提供發光裝置有效的散熱路徑。

Description

發光裝置及其製造方法

本發明係關於發光裝置製造技術，特別是關於一種具導通孔之散熱基板的發光裝置及其製造方法。

任何封裝後的電子元件，當輸入電源使電子元件產生輸出訊號，經一段時間後，電子元件必定產生熱源，假如沒有適當的散熱路徑或方法，電子元件效能勢必會衰退或瞬間損壞，因而如何解決熱源產生的問題，對本領域而言將是一個非常重要的議題。

在所有的電子元件中，以發光二極體元件(LED)對於熱源為最棘手問題，目前對於LED的亮度與效率不斷提升的同時，也提高了熱源產生量，假如缺乏適當的散熱路徑，散掉熱源而使溫度下降，LED的效率與亮度勢必衰退，甚至導致LED的損壞，由此可知，在追求高效率、高亮度的LED元件時，散熱問題將是影響LED壽命的關鍵因素。以氮化鎵(GaN)藍光LED為例，GaN藍光LED的基板為藍寶石(Al₂O₃，sapphire)，屬於一種高硬度、高絕緣但是不導熱的基板，故會影響散熱，以目前最常用的散熱方式，就是將藍寶石基板以銅基板取代，以增加其導熱性，但由於銅屬於導體，銅基板易產生翹曲，故製程上難度將會提高。

因此，需要找出一種LED散熱機制，使得追求高效率、高亮度的LED元件的同時，可降低LED熱源的影響，更重要的，若能採用高硬度和高絕緣的基板，將無需採用絕緣層以及避免易翹曲等問題，此將成為本技術領域之人士所亟欲解決的技術課題。

本發明提供一種發光裝置，係包括：一基板，係形成有至少一導通孔，且該至少一導通孔內具有金屬；一金屬佈線層，係形成於該基板上；以及一發光二極體，係通過焊墊貼合於該金屬佈線層。

此外，本發明還提供一種發光裝置之製造方法，係包括：提供一基板；於該基板中形成至少一導通孔；將金屬填入該至少一導通孔內；於該基板上形成金屬佈線層；以及將發光二極體通過焊墊貼合於該金屬佈線層。

由上述內容可知，本發明之發光裝置及其製造方法，利用高硬度、高絕緣、高散熱的基板，於該基板形成導通孔並填入高導熱金屬，藉此解決發光裝置的散熱問題，其中，高導熱金屬除了可以當成散熱的路徑外，也可作為訊號的傳送路徑輸入端，通過上述設計，可提供發光裝置有效散熱，故可降低因過熱導致的LED效率不佳與亮度衰退，甚至是LED的損壞，將有助於提高LED的壽命。

1‧‧‧發光裝置

11‧‧‧基板

111‧‧‧導通孔

112‧‧‧金屬材料

12、12’‧‧‧金屬佈線層

13‧‧‧發光二極體

14、14’‧‧‧焊墊

15‧‧‧金屬

21、22、23‧‧‧路徑

46、66‧‧‧承載基板

47、57、67‧‧‧焊墊

68‧‧‧金屬層

79‧‧‧光杯

791‧‧‧反射鏡面

800‧‧‧切割走道

w‧‧‧寬度

第1圖係本發明所提出之發光裝置的剖面圖；第2圖係說明本發明之發光裝置的散熱示意圖；第3A-3E圖係說明本發明之發光裝置之製造流程；第4A和4B圖係說明本發明之發光裝置一變形實施例的剖面圖；第5A和5B圖係說明本發明之發光裝置另一變形實施例的剖面圖；第6A和6B圖係說明本發明之發光裝置又一變形實施例的剖面圖；第7圖係說明本發明之發光裝置一具體實施例的剖面圖；以及第8圖係顯示以陣列結構方式形成本發明之發光裝置的示意圖。

以下藉由特定的具體實施形態說明本發明之實施方式，熟悉此技術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，亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。

第1圖係本發明所提出之發光裝置的剖面圖。如該圖所示，本發明之發光裝置1包括：基板11、金屬佈線層12以及發光二極體13。於基板11中形成有至少一導通孔111，且該至少一導通孔內充填金屬15，金屬佈線層12形成於該基板11上，而發光二極體13通過焊墊14貼合於金屬佈線層12。如第11圖所示，上下結構係呈對稱結構。

於一實施例中，基板11可為高傳導散熱之陶瓷材料，例如AIN、Al₂O₃或BeO等，或者是複合陶瓷材料，例如陶瓷加金屬材料，此外，基板11也可為各類有機無機散熱基板，例如以鑽石加金屬之複合材料或玻璃加金屬之複合材料製成者，也可採用耐熱可塑性基板(例如：PI、PET、PE、PP、PA、COC、PC、PES、PMMA...等)、可撓基板(例如：不銹鋼板、超薄玻璃、塑膠薄膜...等)、金屬基板(例如：鋁、銅、銀、金、鎢...等)或是矽基板來作為本實施例所述的基板11。以陶瓷材料所組成之陶瓷基板而言，具有熱導率高、熱膨脹係數接近矽晶圓、低翹曲度、耐熱性佳以及高絕緣性，另外，於導通孔111內之金屬15可為銅金屬或任意金屬材料。

於另一實施例中，金屬佈線層12係利用圖案化製程以分別形成於各導通孔111上，且發光二極體13之P-N接面通過兩個焊墊14、14’分別貼合於不鄰接的金屬佈線層12和12’。

具體而言，發光二極體13與基板11間的貼合材料為有機或無機及金屬材料，例如金或銅，另外，晶片與晶片間之貼合技術為點對點(Chip on Chip)或面對面(Wafer on Wafer)的貼合方式或點對面方式(Chip on Wafer)。因此，晶片與晶片間之訊號與導熱路徑，可藉由TSV技術與電鍍製程達成，亦即形成上述的至少一導通孔111。其中，導通孔111將基板11貫穿，其內部具有訊號與導熱路徑，並於基板11上方與下方連接發光二極體13。

因此，發光裝置1之發光二極體13藉由穿孔、電鍍及貼合等技術，將訊號彼此連接，熱源也透過基板11與高熱導的金屬15傳導，以將熱源溫度下降，故所形成之散熱基板結構也適用於各類元件之散熱目的。

另外，本發明將利用TSV銅製程結構作為訊號傳輸，故可取代打線製程，使得發光二極體13的熱源可藉由導通孔111內金屬15(例如銅)作導熱，也可間接傳遞到基板11進行散熱，換言之，基板11提供散熱功能，而導通孔111則有助於協助散熱。當導通孔111其寬度(w)越大，其導熱速度越快。另外，金屬佈線層12也可當成其散熱處。

由上可知，本發明提出之發光裝置1，是將高熱傳導係數的基板11，例如陶瓷基板，搭配TSV銅製程以形成本實施例之散熱基板，陶瓷與銅可視為一種陶瓷與金屬的複合材料，具高熱傳導率與低熱膨脹性，銅可作為散熱路徑以及降低LED界面溫度，陶瓷材料不但具絕緣性(因而無需再形成介電層)，同時具高熱傳導率，與具低熱膨脹性與藍寶石(sapphire)基板較匹配，也不易產生熱變形與熱應力。

另外，本發明之發光裝置1可依據發光二極體13的設置方式產生多種實施類型，亦即打線與不打線的不同需求。舉例來說，於發光二極體13之P-N接面側靠近一承載基板時，發光二極體13係通過金屬佈線層12與承載基板形成訊號通路，又或者，於發光二極體13之P-N接面側遠離承載基板時，則發光二極體13可通過一焊線與承載基板產生訊號通路及散熱路徑。上述多種實施類型，後面將再詳細描述。

第2圖係說明本發明之發光裝置的散熱示意圖，說明透過本發明所提出之基板搭配TSV銅製程所形成之散熱基板，將提供多條導熱路徑進行散熱。如圖所示，路徑21是提供發光二極體13的熱源可透過金屬佈線層12(銅材料)進行導熱，路徑22是提供發光二極體13的熱源可透過金屬佈線層12(銅材料)，再藉由基板11或導通孔111內金屬15(銅)進行導熱，路徑23是提供發光二極體13的熱源直接透過導通孔111內金屬15(銅)進行導熱。

由上可知，本發明利用基板11搭配TSV銅製程所形成之散熱基板，將可提供多條不同散熱路徑，有助於提升發光二極體13之熱源的散熱效果。

第3A-3E圖係說明本發明之發光裝置之製造流程。如圖所示，將逐一說明於基板11搭配TSV銅製程所形成之散熱基板以及發光二極體13的貼合。

如第3A圖所示，係提供一基板11，其具有高傳導散熱特性，可為AIN、Al₂O₃或BeO等，例如，基板11可以是利用陶瓷加金屬材料所形成之複合陶瓷材料所製成者，又或是各類有機無機散熱基板，例如以鑽石加金屬之複合材料或玻璃加金屬之複合材料所製成之基板，或採用耐熱可塑性基板(如PI、PET、PE、PP、PA、COC、PC、PE S、PMMA等)、可撓基板(如不銹鋼板、超薄玻璃、塑膠薄膜等)、金屬基板(如鋁、銅、銀、金、鎢等)或是矽基板來成為基板11。

如第3B圖所示，係於該基板11中形成至少一導通孔111，本實施例可為二導通孔111。

如第3C圖所示，係將金屬15填入該導通孔111內，導通孔111中的金屬15可為銅金屬或任意金屬材料，之後，於基板11上形成金屬佈線層12，可與導通孔111連接。

如第3D圖所示，係於不鄰接之金屬佈線層12上形成焊墊14。具體來說，金屬佈線層12通過圖案化製程於各導通孔111上形成焊墊14，且發光二極體13之P-N接面通過不同焊墊分別貼合至不鄰接的金屬佈線層12，藉此提供訊號導通之作用。

如第3E圖所示，係將發光二極體13通過焊墊14貼合於金屬佈線層12，以完成所述之發光裝置。上述之發光裝置中，發光二極體13的熱源可藉由導通孔111內金屬15(銅)傳導和散熱，也可間接傳遞到基板11散熱，故有助於發光裝置整體散熱效果。

本發明提出利用基板搭配TSV銅製程以提供較佳散熱效果。前述提到，第1圖所完成之發光裝置1，其結構可依據製程調整或設計需求而有所改變，下面第4A、4B、5A、5B、6A和6B圖將說明各種不同的變形實施例。

如第4A圖所示，其中，於基板11形成有至少一導通孔111，發光二極體13位於基板11一側，而金屬佈線層 12形成在基板11另一側。於此結構下，導通孔111內金屬15和金屬佈線層12將具熱傳導特性而可提供散熱功能，另外，基板11之平行式P-N接面靠近基板11，故通過導通孔111內金屬15和金屬佈線層12可與承載基板(圖未示)電性導通，因此，同時具備訊號傳導的功用。

如第4B圖所示，其為第4A圖所示結構的變化，其中，基板11、至少一導通孔111、金屬佈線層12和發光二極體13的組成關係與第4A圖相似。於本實施例中，將發光裝置倒置於承載基板46上，由於基板11之平行式P-N接面是靠近基板11，通過導通孔111內金屬15以及金屬佈線層12進行訊號傳遞，故自金屬佈線層12打線至承載基板46上的焊墊47，以產生訊號傳導的效果，而基板11和導通孔111內金屬15(例如銅)可提供散熱。

如第5A圖所示，其中，於基板11上形成有金屬材料112，其功用與本發明之導通孔內的金屬相似，於該金屬材料112上形成金屬佈線層12，而發光二極體13位於金屬佈線層12上。於此結構下，金屬材料112和金屬佈線層12具熱傳導特性而可提供散熱功能，另外，基板11之平行式P-N接面連接金屬佈線層12，故金屬材料112和金屬佈線層12可與承載基板(圖未示)電性導通，故同時有訊號傳導的效果。

如第5B圖所示，其為第5A圖所示結構的變化，其中，金屬佈線層12和發光二極體13的組成關係與第5A圖相似。於本實施例中，將金屬佈線層12和發光二極體13倒置於基板11上，因基板11之平行式P-N接面仍是靠近金屬佈線層12，故自金屬佈線層12打線至基板11的焊墊57上，以產生訊號傳導的效果，而散熱可通過基板11來完成。

如第6A圖所示，其中，於基板11形成有至少一導通孔111，發光二極體13位於基板11一側，通過一金屬層68(例如銅層)與基板11連接，而金屬佈線層12形成在基板11另一側。於此結構下，金屬層68、導通孔111內金屬15和金屬佈線層12將具熱傳導特性而可將熱傳導至承載基板66來達到散熱目的。另外，由於基板11之平行式P-N接面遠離基板11，故自發光二極體13打線至承載基板66的焊墊67上，以產生訊號傳導的效果。

如第6B圖所示，其為第6A圖所示結構的變化，其中，基板11、至少一導通孔111、金屬佈線層12和發光二極體13的組成關係與第6A圖相似。於本實施例中，基板11之平行式P-N接面則是靠近金屬層68，故通過金屬層68、導通孔111內金屬15和金屬佈線層12可與承載基板66電性連接，無需採用打線，因此，同時具備訊號傳導的功用。

第7圖係說明本發明之發光裝置一具體實施例的剖面圖。如圖所示，除了第1圖中所示之發光裝置1的結構組成外，更包括可於金屬佈線層12上形成具有反射鏡面791之光杯79，如此由發光二極體13所發出的光線，通過反射鏡面791的折射，將提升發光二極體13的出光效率與聚光性。

上述各種變化，係利用基板中導通孔的金屬產生熱傳導和電性連接的效果，故本發明即是利用基板搭配TSV銅製程所形成之散熱基板，將有助於發光裝置運作時之散熱。

第8圖係顯示以陣列結構方式形成本發明之發光裝置的示意圖。如第1圖所示之發光裝置結構，本發明可於基板11上方與下方連接發光二極體13。故為了方便製程，可於大面積的基板11上，透過TSV製程、電鍍銅技術以及發光二極體13貼合製程，製作出大面積陣列結構，而其製造方法與第3圖所示之流程相同。

如其上視圖和下視圖所示，由於基板11上、下方接貼合有發光二極體13，故通過切割走道800(虛線)依據需求大小進行裁切，將可產出所需大小的發光裝置。

綜上所述，本發明之發光裝置及其製造方法，利用高硬度、高絕緣、高散熱的基板，於基板之導通孔內填入高導熱金屬，利用高導熱金屬當成散熱的路徑，藉此解決發光裝置的散熱問題，故可降低發光裝置因散熱問題導致的LED效率不佳、亮度衰退或是損壞，因而可提高LED的壽命。

上述實施樣態僅用以說明本發明之功效，而非用於限制本發明，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述該些實施態樣進行修飾與改變。此外，在上述該些實施態樣中之元件的數量僅為例示性說明，亦非用於限制本發明。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims

一種發光裝置，係包括：一基板，其中形成有至少一導通孔，該至少一導通孔內具有金屬；一金屬佈線層，係形成於該基板上；以及一發光二極體，係通過焊墊貼合於該金屬佈線層，其中，於該金屬佈線層上形成具有反射鏡面之光杯。
如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中，該金屬佈線層係經圖案化後形成於該至少一導通孔上，且該發光二極體通過該焊墊貼合至該金屬佈線層。
如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中，於該發光二極體之P-N接面側靠近一承載基板時，該發光二極體係通過該金屬佈線層及該至少一導通孔與該承載基板形成訊號通路及散熱路徑。
如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中，於該發光二極體之P-N接面側遠離一承載基板時，該發光二極體係通過一焊線與該承載基板間形成訊號通路，並以該基板、該至少一導通孔內金屬及該承載基板形成散熱路徑。
如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中，於該發光二極體之P-N接面側遠離一承載基板時，該發光二極體係通過該金屬佈線層經由一焊線與該承載基板形成訊號通路，並以該基板或該至少一導通孔內金屬形成散熱路徑。
如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中，該基板係由高傳導散熱之陶瓷材料、金屬陶瓷複合材料、鑽石加金屬之複合材料、玻璃加金屬之複合材料、耐熱可塑性材料、可撓材料、金屬材料或矽材料製成。
一種發光裝置之製造方法，係包括：提供一基板；於該基板中形成至少一導通孔；將金屬填入該至少一導通孔內；於該基板上形成金屬佈線層；以及將發光二極體通過焊墊貼合至該金屬佈線層，以及於該金屬佈線層上形成具有反射鏡面之光杯。
如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中，於該基板上形成該金屬佈線層之步驟更包括：透過圖案化製程使該金屬佈線層形成於該至少一導通孔上。
如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中，將該發光二極體通過該焊墊貼合至該金屬佈線層之步驟更包括：將該發光二極體通過兩該焊墊分別貼合不鄰接的該金屬佈線層。
如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中，於該發光二極體之P-N接面側遠離一承載基板時，該發光二極體係通過一焊線與該承載基板形成訊號通路及散熱路徑。
如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中，該基板係由高傳導散熱之陶瓷材料、金屬陶瓷複合材料、鑽石加金屬之複合材料、玻璃加金屬之複合材料、耐熱可塑性材料、可撓材料、金屬材料、矽材料製成。
如申請專利範圍第7項所述之製造方法，更包括進行切單之步驟。