TWI674375B - 發光裝置及其製作方法 - Google Patents

Abstract

一種發光裝置，包括發光單元、絕緣散熱墊以及多個第二焊料。發光單元包括多個金屬塊、多個雷射棒、多個第一焊料以及二電極。雷射棒位於金屬塊之間且與金屬塊呈交替排列。第一焊料配置於金屬塊與雷射棒之間。金屬塊透過第一焊料接合至雷射棒。電極接合至最外側的二金屬塊。絕緣散熱墊配置於發光單元下方，且具有多個雷射凹槽。雷射凹槽分別對應雷射棒。每一雷射棒的底面與對應的雷射凹槽之間存在有空氣間隙。第二焊料配置於發光單元的金屬塊與絕緣散熱墊之間。絕緣散熱墊透過第二焊料接合至發光單元上。

Description

發光裝置及其製作方法

本發明是有關於一種發光裝置及其製作方法，且特別是有關於一種以雷射棒(laser bar)作為發光源的發光裝置及其製作方法。

G-stack型半導體雷射器的發光單元主要是由金屬塊與雷射棒交替堆疊且透過焊料而相互接合而成。此發光單元可透過接墊配置於散熱塊上來達到散熱的效果。然而，在製作的過程中，金屬塊與雷射棒之間的焊料因為高溫而溢出，導致金屬塊與雷射棒之間因為溢出的焊料而產生短路，進而影響產品的良率。因此，如何提高G-stack型半導體雷射器的生產良率，正是目前業界所要解決的課題。

本發明提供一種發光裝置及其製作方法，其絕緣散熱墊 具有對應雷射棒的雷射凹槽，因此製作過程中第一焊料及第二焊料溢出時，可流入雷射凹槽內，以避免發光單元的金屬塊與雷射棒之間產生短路。

本發明提供一種發光裝置，其包括一發光單元、一絕緣散熱墊以及多個第二焊料。發光單元包括多個金屬塊、多個雷射棒、多個第一焊料以及二電極。雷射棒位於金屬塊之間且與金屬塊呈交替排列。第一焊料配置於金屬塊與雷射棒之間。金屬塊透過第一焊料接合至雷射棒。電極接合至最外側的二金屬塊。絕緣散熱墊配置於發光單元的下方，且具有多個雷射凹槽。雷射凹槽對應雷射棒，且每一雷射棒的一底面與對應的雷射凹槽之間存在有一空氣間隙。第二焊料配置於發光單元的金屬塊與絕緣散熱墊之間。絕緣散熱墊透過第二焊料接合至發光單元上。

在本發明的一實施例中，上述的發光裝置更包括一散熱塊，配置於絕緣散熱墊的下方。絕緣散熱墊位於散熱塊與發光單元之間。

在本發明的一實施例中，上述的發光單元的一電流方向不同於發光單元的一熱流方向。

在本發明的一實施例中，上述的電流方向垂直於熱流方向。

在本發明的一實施例中，上述的每一金屬塊的熱膨脹係數與每一雷射棒的熱膨脹係數相匹配。

在本發明的一實施例中，上述的每一金屬塊的材質包括 銅鎢合金。

在本發明的一實施例中，上述的絕緣散熱墊包括一陶瓷材料層、二第一金屬層以及二第二金屬層。陶瓷材料層中含有氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹或碳化矽。第一金屬層分別位於陶瓷材料層的相對兩表面上。第二金屬層分別位於第一金屬層上。第一金屬層的材質不同於第二金屬層的材質。雷射凹槽從一個第二金屬層經由一個第一金屬層延伸至陶瓷材料層中。

在本發明的一實施例中，上述的第一金屬層的材質包括鎳或鈦，而第二金屬層的材質包括金。

在本發明的一實施例中，上述的第一焊料的材質不同於第二焊料的材質。

在本發明的一實施例中，上述的第一焊料的材質包括金錫，而第二焊料的材質包括銦金屬或錫銀合金。

在本發明的一實施例中，上述的每一金屬塊具有一第一上表面，而每一雷射棒具有相對於底面的一第二上表面，且第一上表面與第二上表面齊平。

本發明還提供一種發光裝置的製作方法，其包括以下步驟。提供一發光單元。發光單元包括多個金屬塊、多個雷射棒、多個第一焊料及二電極。雷射棒位於金屬塊之間且與金屬塊呈交替排列。第一焊料配置於金屬塊與雷射棒之間。金屬塊透過第一焊料而接合至雷射棒。電極接合至最外側的二金屬塊。提供一絕緣散熱堆疊材料層。進行一雷射鑽孔程序，以移除部分絕緣散熱堆疊材料 層，而形成具有多個雷射凹槽的一絕緣散熱墊。透過多個第二焊料而接合絕緣散熱墊與發光單元。第二焊料位於金屬塊與絕緣散熱墊之間。雷射凹槽分別對應雷射棒。每一雷射棒的一底面與對應的雷射凹槽之間存在有一空氣間隙。

在本發明的一實施例中，上述透過第二焊料而接合絕緣散熱墊與發光單元之後，提供一散熱塊於絕緣散熱墊的下方。絕緣散熱墊位於散熱塊與發光單元之間。

在本發明的一實施例中，上述的發光單元的一電流方向不同於發光單元的一熱流方向。

在本發明的一實施例中，上述的電流方向垂直於熱流方向。

在本發明的一實施例中，上述的每一金屬塊的熱膨脹係數與每一雷射棒的熱膨脹係數相匹配。

在本發明的一實施例中，上述的絕緣散熱墊包括一陶瓷材料層、二第一金屬層以及二第二金屬層。陶瓷材料層中含有氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹或碳化矽。第一金屬層分別位於陶瓷材料層的相對兩表面上。第二金屬層分別位於第一金屬層上。第一金屬層的材質不同於第二金屬層的材質。每一雷射凹槽從一個第二金屬層經由一個第一金屬層延伸至陶瓷材料層中。

在本發明的一實施例中，上述的第一金屬層的材質包括鎳或鈦，而第二金屬層的材質包括金。

在本發明的一實施例中，上述的第一焊料的材質包括金 錫，而第二焊料的材質包括銦金屬或錫銀合金。

在本發明的一實施例中，上述的每一金屬塊具有一第一上表面，而每一雷射棒具有相對於底面的一第二上表面，且第一上表面與第二上表面齊平。

基於上述，在本發明的發光裝置的設計中，絕緣散熱墊具有對應雷射棒的雷射凹槽，且雷射棒的底面與對應的雷射凹槽之間存在有空氣間隙。因此，於製作過程中第一焊料及第二焊料因為高溫而溢出時，可流入雷射凹槽內，可避免發光單元的金屬塊與雷射棒之間產生短路。如此一來，本發明的發光裝置可具有較佳的良率。此外，本發明是透過雷射鑽孔程序來形成絕緣散熱墊的雷射凹槽，相較於習知經光罩、黃光、顯影、蝕刻等步驟來形成的凹槽而言，本發明的發光裝置的製作方法可更加精準地、更有彈性地的製作雷射凹槽，且亦可簡化製作步驟，而達到節省製造成本及提高製程效率的效果。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、100a‧‧‧發光裝置

110‧‧‧發光單元

111‧‧‧金屬塊

111a‧‧‧第一上表面

112‧‧‧雷射棒

112a‧‧‧第二上表面

112b‧‧‧底面

113‧‧‧第一焊料

114a、114b‧‧‧電極

120‧‧‧絕緣散熱墊

120a‧‧‧頂面

120C‧‧‧陶瓷材料層

120S‧‧‧絕緣散熱堆疊材料層

121a、121b‧‧‧第一金屬層

122a、122b‧‧‧第二金屬層

130‧‧‧第二焊料

140‧‧‧散熱塊

A‧‧‧空氣間隙

C‧‧‧電流方向

L‧‧‧雷射光

H‧‧‧垂直高度差

T‧‧‧熱流方向

V‧‧‧雷射凹槽

圖1A至圖1D是依照本發明的一實施例的一種發光裝置的製作方法的剖面示意圖。

圖1E是圖1D的發光裝置的立體示意圖。

圖2A是依照本發明的另一實施例的一種發光裝置的立體示意圖。

圖2B是沿圖2A中線A-A’的剖面示意圖。

以下將參考圖式來全面地描述本發明的例示性實施例，但本發明還可按照多種不同形式來實施，且不應解釋為限於本文所述的實施例。在圖式中，為了清楚起見，各區域、部位及層的大小與厚度可不按實際比例繪製。為了方便理解，下述說明中相同的元件將以相同之符號標示來說明。

圖1A至圖1D是依照本發明的一實施例的一種發光裝置的製作方法的剖面示意圖。圖1E是圖1D的發光裝置的立體示意圖。為了方便說明起見，圖1E中省略繪示部分構件(如：第二焊料及絕緣散熱墊的細部結構等)。

本實施例的發光裝置的製作方法包括下列步驟，首先，請參照圖1A，提供發光單元110。本實施例的發光單元110包括多個金屬塊111、多個雷射棒112、多個第一焊料113以及二電極114a、114b。每一金屬塊111具有一個第一上表面111a，而每一雷射棒112具有一第二上表面112a以及一底面112b，其中第二上表面112a與底面112b彼此相對。雷射棒112位於金屬塊111之間，且雷射棒112與金屬塊111呈交替排列。此處，金屬塊111的第一上表面111a與雷射棒112的第二上表面112a齊平。較佳地，本實 施例的雷射棒112的熱膨脹係數與金屬塊111的熱膨脹係數相匹配，其中金屬塊111的材質例如是銅鎢合金，其熱膨脹係數例如是6 x10^-6(m/m℃)至8 x10^-6(m/m℃)。為了使金屬塊111與雷射棒112之間具有良好的接合力，第一焊料113配置於金屬塊111與雷射棒112之間，而金屬塊111透過第一焊料113而接合至雷射棒112。此處，第一焊料113例如是金錫，但並不以此為限。電極114a、114b接合至最外側的二金屬塊111，而發光單元110的電流方向C是由電極114a通過金屬塊111與雷射棒112而往電極114b的方向。此處，發光單元110是以雷射棒112來作為發光光源，其輸出功率可從數百瓦至數千瓦，且光電轉換效率約為50%至90%。

接著，請參照圖1B，提供一絕緣散熱堆疊材料層120S。詳細來說，本實施例的絕緣散熱堆疊材料層120S包括含有氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹或碳化矽的陶瓷材料層120C、二第一金屬層121a、121b以及二第二金屬層122a、122b。第一金屬層121a、121b分別位於陶瓷材料層120C的相對兩表面上，而第二金屬層122a、122b分別位於第一金屬層121a、121b上。此處，第一金屬層121a、121b的材質不同於第二金屬層122a、122b的材質。較佳地，第一金屬層121a、121b的材質例如是鎳或鈦，而第二金屬層122a、122b的材質例如是金。簡言之，本實施例的絕緣散熱堆疊材料層120S是熱的良導體，也是電的絕緣體。

之後，請同時參考圖1B與圖1C，對絕緣散熱堆疊材料層120S進行雷射鑽孔程序，以雷射光L來移除部分絕緣散熱堆疊 材料層120S，而形成具有多個雷射凹槽V的一絕緣散熱墊120。如圖1C所示，雷射凹槽V從第二金屬層122a經由第一金屬層121a延伸至陶瓷材料層120C中。此處，雷射鑽孔程序是採用雷射切割劃線機器設備，其中雷射光L的波長因切割材質不同，可從紅外線到紫外線的波長範圍。切割劃線帶有第一金屬層121a及第二金屬層122a的絕緣散熱堆疊材料層120S，可採用準分子雷射(Excimer laser)或半導體泵浦固體雷射(Diode-Pumped Solid-State Laser,DPSS)。準分子雷射(Excimer laser)例如為氟化氪(KrF)準分子雷射，其雷射光的波長為248奈米；半導體泵浦固體雷射(Diode-Pumped Solid-State Laser,DPSS)，其雷射光的波長為355奈米。接著，經過雷射鑽孔程序後，可經由清洗製程來移除雷射所產生的碎屑，而完成具有雷射凹槽V的絕緣散熱墊120的製作。

由於本實施例是採用雷射鑽孔程序，因此可依據所需的尺寸、間距、線寬等在絕緣散熱堆疊材料層120S上快速地形成所需的雷射凹槽V。也就是說，本實施例的雷射凹槽V的型態可完全相同或完全不同，可依據需求而客製化。簡言之，由於本實施例是採用雷射鑽孔程序來形成雷射凹槽V，相較於習知經光罩、黃光、顯影、蝕刻等步驟來形成的凹槽而言，本實施例可更加精準地、更有彈性地製作雷射凹槽V，且亦可簡化製作步驟，而達到節省製造成本及提高製程效率的效果。

最後，請同時參考圖1D與圖1E，透過多個第二焊料130而接合絕緣散熱墊120與發光單元110，其中第二焊料130位於金 屬塊111與絕緣散熱墊120之間，而雷射凹槽V分別對應雷射棒112。特別是，雷射棒112的底面112b與絕緣散熱墊120的一頂面120a之間具有一垂直高度差H，且雷射棒112的底面112b與雷射凹槽V之間存在有一空氣間隙A。此處，第二焊料130的材質例如是銦金屬或錫銀合金。至此，已完成本實施例的發光裝置100的製作。

在結構上，請再同時參考圖1D與圖1E，本實施例的發光裝置100包括發光單元110、絕緣散熱墊120以及第二焊料130。發光單元110包括金屬塊111、雷射棒112、第一焊料113以及電極114a、114b。雷射棒112位於金屬塊111之間且與金屬塊111呈交替排列。第一焊料113配置於金屬塊111與雷射棒112之間，其中金屬塊111透過第一焊料113而接合至雷射棒112。電極114a、114b分別接合至最外側的二個金屬塊111。絕緣散熱墊120配置於發光單元110的下方，且具有雷射凹槽V，其中雷射凹槽V分別對應雷射棒112，且每一雷射棒112的底面112b與對應的雷射凹槽V之間存在有空氣間隙A。此處，絕緣散熱墊120是由陶瓷材料層120C、第一金屬層121a、121b以及第二金屬層122a、122b所構成。第二焊料130配置於發光單元110的金屬塊111與絕緣散熱墊120之間，其中絕緣散熱墊120透過第二焊料130而接合至發光單元110上。

簡言之，在本實施例的發光裝置100中，絕緣散熱墊120具有對應雷射棒112的雷射凹槽V，且雷射棒112的底面112b與 對應的雷射凹槽V之間存在有空氣間隙A。因此，於製作過程中第一焊料113及第二焊料130因為高溫而溢出時，可流入雷射凹槽V內，可避免發光單元110的金屬塊111與雷射棒112之間產生短路。如此一來，本實施例的發光裝置100可具有較佳的良率。

在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參照前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖2A是依照本發明的另一實施例的一種發光裝置的立體示意圖。圖2B是沿圖2A中線A-A’的剖面示意圖。為了方便說明起見，圖2A中省略繪示了部分構件(如：第二焊料及絕緣散熱墊的細部結構等)。

請同時參考圖2A與圖2B，本實施例的發光裝置100a與圖1E的發光裝置100相似，兩者的差異在於：本實施例的發光裝置100a更包括散熱塊140，其中散熱塊140配置於絕緣散熱墊120的下方，且絕緣散熱墊120位於散熱塊140與發光單元110之間。此處，散熱塊140的材質例如銅、鋁或其他高導熱的金屬或合金，於此並不加以限制。在製程上，於圖1D的步驟後，即透過第二焊料130而接合絕緣散熱墊120與發光單元110之後，提供散熱塊140於絕緣散熱墊120的下方，其中絕緣散熱墊120位於散熱塊140與發光單元110之間。至此，即可完成發光裝置100a的製作。

請再參考圖2A，本實施例的發光單元110的電流方向C 不同於發光單元110的熱流方向T。詳細來說，發光單元110的電流方向C是由電極114a通過金屬塊111與雷射棒112而往電極114b的方向。發光單元110的熱流方向T則是由發光單元110經由絕緣散熱墊120及散熱塊140而傳遞至外界。簡言之，本實施例的電流方向C實質上垂直於熱流方向T。

由於本實施例的絕緣散熱墊120具有對應雷射棒112的雷射凹槽V，且雷射棒112的底面112b與對應的雷射凹槽V之間存在有空氣間隙A。因此，於製作過程中第一焊料113及第二焊料130因為高溫而溢出時，可流入雷射凹槽V內，可避免發光單元110的金屬塊111與雷射棒112之間產生短路。如此一來，本實施例的發光裝置100a可具有較佳的良率。再者，為了提高散熱效果，本實施例的發光裝置100a還更包括散熱塊140，可有效地將發光單元110所產生的熱傳遞至外界，以提高散熱效率。此外，本實施例的發光裝置100a的電流方向C不同於熱流方向T，即電熱分流，可增加發光單元110的元件可靠度。

綜上所述，在本發明的發光裝置的設計中，絕緣散熱墊具有對應雷射棒的雷射凹槽，且雷射棒的底面與絕緣散熱墊的頂面之間具有空氣間隙。因此，於製作過程中第一焊料及第二焊料因為高溫而溢出時，可流入雷射凹槽內，可避免發光單元的金屬塊與雷射棒之間產生短路。如此一來，本發明的發光裝置可具有較佳的良率。此外，本發明是透過雷射鑽孔程序來形成絕緣散熱墊的雷射凹槽，相較於習知經光罩、黃光、顯影、蝕刻等步驟來形成的凹槽而 言，本發明的發光裝置的製作方法可更加精準地、更有彈性地的製作雷射凹槽，且亦可簡化製作步驟，而達到節省製造成本及提高製成效率的效果。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (20)

1. 一種發光裝置，包括：一發光單元，包括：多個金屬塊；多個雷射棒，位於該些金屬塊之間且與該些金屬塊呈交替排列；多個第一焊料，配置於該些金屬塊與該些雷射棒之間，其中該些金屬塊透過該些第一焊料而接合至該些雷射棒；以及二電極，接合至最外側的二該些金屬塊；一絕緣散熱墊，配置於該發光單元的下方，且具有多個雷射凹槽，其中該些雷射凹槽分別對應該些雷射棒，且各該雷射棒的一底面與對應的該雷射凹槽之間存在有一空氣間隙；以及多個第二焊料，配置於該發光單元的該些金屬塊與該絕緣散熱墊之間，其中該絕緣散熱墊透過該些第二焊料而接合至該發光單元上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的發光裝置，更包括：一散熱塊，配置於該絕緣散熱墊的下方，其中該絕緣散熱墊位於該散熱塊與該發光單元之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述的發光裝置，其中該發光單元的一電流方向不同於該發光單元的一熱流方向。
4. 如申請專利範圍第3項所述的發光裝置，其中該電流方向垂直於該熱流方向。
5. 如申請專利範圍第1項所述的發光裝置，其中各該金屬塊的熱膨脹係數與各該雷射棒的熱膨脹係數相匹配。
6. 如申請專利範圍第5項所述的發光裝置，其中各該金屬塊的材質包括銅鎢合金。
7. 如申請專利範圍第1項所述的發光裝置，其中該絕緣散熱墊包括：一陶瓷材料層，其中該陶瓷材料層中含有氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹或碳化矽；二第一金屬層，分別位於該陶瓷材料層的相對兩表面上；以及二第二金屬層，分別位於該些第一金屬層上，其中該些第一金屬層的材質不同於該些第二金屬層的材質，且各該雷射凹槽從一該第二金屬層經由一該第一金屬層延伸至該陶瓷材料層中。
8. 如申請專利範圍第7項所述的發光裝置，其中該些第一金屬層的材質包括鎳或鈦，而該些第二金屬層的材質包括金。
9. 如申請專利範圍第1項所述的發光裝置，其中該些第一焊料的材質不同於該些第二焊料的材質。
10. 如申請專利範圍第9項所述的發光裝置，其中該些第一焊料的材質包括金錫，而該些第二焊料的材質包括銦金屬或錫銀合金。
11. 如申請專利範圍第1項所述的發光裝置，其中各該金屬塊具有一第一上表面，而各該雷射棒具有相對於該底面的一第二上表面，且該第一上表面與該第二上表面齊平。
12. 一種發光裝置的製作方法，包括：提供一發光單元，該發光單元包括多個金屬塊、多個雷射棒、多個第一焊料以及二電極，該些雷射棒位於該些金屬塊之間且與該些金屬塊呈交替排列，該些第一焊料配置於該些金屬塊與該些雷射棒之間，且該些金屬塊透過該些第一焊料而接合至該些雷射棒，而該些電極接合至最外側的二該些金屬塊；提供一絕緣散熱堆疊材料層；進行一雷射鑽孔程序，以移除部分該絕緣散熱堆疊材料層，而形成具有多個雷射凹槽的一絕緣散熱墊；以及透過多個第二焊料而接合該絕緣散熱墊與該發光單元，其中該些第二焊料位於該些金屬塊與該絕緣散熱墊之間，而該些雷射凹槽分別對應該些雷射棒，且各該雷射棒的一底面與對應的該雷射凹槽之間存在有一空氣間隙。
13. 如申請專利範圍第12項所述的發光裝置的製作方法，更包括：透過該些第二焊料而接合該絕緣散熱墊與該發光單元之後，提供一散熱塊於該絕緣散熱墊的下方，其中該絕緣散熱墊位於該散熱塊與該發光單元之間。
14. 如申請專利範圍第13項所述的發光裝置的製作方法，其中該發光單元的一電流方向不同於該發光單元的一熱流方向。
15. 如申請專利範圍第14項所述的發光裝置的製作方法，其中該電流方向垂直於該熱流方向。
16. 如申請專利範圍第12項所述的發光裝置的製作方法，其中各該金屬塊的熱膨脹係數與各該雷射棒的熱膨脹係數相匹配。
17. 如申請專利範圍第12項所述的發光裝置的製作方法，其中該絕緣散熱墊包括：一陶瓷材料層，其中該陶瓷材料層中含有氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹或碳化矽；二第一金屬層，分別位於該陶瓷材料層的相對兩表面上；以及二第二金屬層，分別位於該些第一金屬層上，其中該些第一金屬層的材質不同於該些第二金屬層的材質，且各該雷射凹槽從一該第二金屬層經由一該第一金屬層延伸至該陶瓷材料層中。
18. 如申請專利範圍第17項所述的發光裝置的製作方法，其中該些第一金屬層的材質包括鎳或鈦，而該些第二金屬層的材質包括金。
19. 如申請專利範圍第12項所述的發光裝置的製作方法，其中該些第一焊料的材質包括金錫，而該些第二焊料的材質包括銦金屬或錫銀合金。
20. 如申請專利範圍第12項所述的發光裝置的製作方法，其中各該金屬塊具有一第一上表面，而各該雷射棒具有相對於該底面的一第二上表面，且該第一上表面與該第二上表面齊平。