TWI730077B - 多層-載體系統、製造多層-載體系統的方法及多層-載體系統的應用 - Google Patents

多層-載體系統、製造多層-載體系統的方法及多層-載體系統的應用 Download PDF

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Abstract

說明一種多層-載體系統(10)，至少有一個多層陶瓷基板(2)，至少有一個發熱半導體元件(1a、1b)的矩陣模組(7)，這個半導體元件(1a、1b)是裝在多層陶瓷基板(2)上，矩陣模組(7)經由多層陶瓷基板(2)與驅動器開關導電連接。此外還說明製造多層-載體系統(10)的方法及多層陶瓷基板的應用。

Description

多層-載體系統、製造多層-載體系統的方法及多層-載體系統的應用
本發明是關於一種載體系統，例如一種為具熱源矩陣的電力模組用的多層-載體系統。本發明係進一步地關於一種製造載體系統的方法以及一種多層-載體系統的應用。
例如光模組用的載體系統一般都有一個印刷電路板或金屬芯板。例如從文件US 2009/0129079 A1及US 2008/0151547 A1都可以找到相關的載體系統。
已知的光模組概念是由厚度1mm至3mm金屬層和一個絕緣層製的IMS(絕緣金屬基板)上多個LED陣列，以及各安裝在一個散熱器上並可以經由一個控制單元開關的表面上的電源線路所組成。每個LED陣列模組都需要一個讓系統是為全面綜合性，但成本卻過高的的複合光學構件。
須解決的問題在於，說明一種改良的載體系統，以及一種經改良之製造載體系統之方法、以及一種經改良之載體系統的應用。
透過說明的內容，製程及依據獨立的申請專利範圍的應用來解決這個問題。
根據一個觀點說明多層-載體系統，簡稱載體系統。載體系統至少要有一個多層陶瓷基板。多層陶瓷基板是一種功能陶瓷。載體系統至少有一種發熱半導體元件的矩陣模組，例如光源，例如LED。矩陣模組是一種矩陣形排列的熱源。矩陣模組較佳是一種LED矩陣模組。
矩陣模組主要是由多個單一元件/半導體元件組成。單一元件本身可以又是多個次要元件。例如矩陣模組可以多個單一LED作為半導體元件。此外，矩陣模組還可以是多個LED-陣列作為半導體元件。矩陣模組也可以是一種單一-LED及LED-陣列的組合。矩陣模組可以是多個光模組，例如，兩個、三個、四個、五個或十個光模組。各個光模組主要是m x n個發熱半導體元件，較佳是m
Figure 106111067-A0202-12-0002-14
2和n
Figure 106111067-A0202-12-0002-15
2。例如矩陣模組為一種4×8×8光矩陣模組。
半導體元件是裝在多層陶瓷基板上。半導體元件透過多層陶瓷基板連接到矩陣模組。半導體元件是固定在多層陶瓷基板的上(正)面，例如經由一個導熱材料，例如錫膏或銀-燒結膏(Ag-Sinterpaste)。矩陣模組及 半導體元件是經由導熱材料熱連接及電子連接到多層陶瓷基板。多層陶瓷基板是用來機械式地穩定及接觸矩陣模組，尤其矩陣模組的發熱半導體元件。矩陣模組是經由多層陶瓷基板與一個驅動器開關導電連接。驅動器開關是用來控制半導體元件。載體系統舉例可以有兩個、三個或多個矩陣模組。每個矩陣模組可以裝在個別的多層陶瓷基板上。此外，還可以將多個矩陣模組都裝在一個共同的多層陶瓷基板上。
矩陣模組是經由多層陶瓷基板及另一個基板與驅動器開關導電連接。驅動器開關是用來控制半導體元件。
多層陶瓷基板上的載體系統是一種非常袖珍型的設計，並將電子零組件直接整合安裝在陶瓷裡。因此可以提供一種袖珍且非常適用的載體系統。
依據一個實施例，製作的多層-載體系統係個別控制矩陣模組的半導體元件。
多層陶瓷基板主要是有一個用來單線控制半導體元件之整合安裝(集成或積體)的多層單線(電路)接通。名詞「整合安裝(集成或積體)(integriert)」意為在多層陶瓷基板的內部區域作出多層單線(電路)接通。另一個基板則是個別控制半導體元件之進一步的轉接線路接通。經由多層陶瓷基板結構可以在最狹窄的空間進行對於半導體元件的個別控制。因此可以提供非常袖珍(小)型的載體系統。
依據一個實施例，多層陶瓷基板為壓敏陶瓷製。例如多層陶瓷基板主要為ZnO。多層陶瓷基板還可以是鉍(Wismut)，銻(Antimon)，鐠(Praseodym)，釔(Yttrium)和/或鈣(Calcium)和/或其他掺雜物。多層陶瓷基板可以是鈦酸鍶(SrTiO3)或碳化矽(SiC)。經由壓敏陶瓷可以將過壓保護整合在載體系統中。這樣讓袖珍的尺寸可以與最優的電子結構保護結合在一起。
依據一個實施例，多層陶瓷基板有多個內電極及層間電路接通。內電極是裝在多層陶瓷基板壓敏電阻層之間。內電極為Ag和/或Pd製。內電極主要是100% Ag製。內電極導電與層間電路接通連接。多層陶瓷基板主要至少有一個整合安裝的ESD結構以防止過壓。所有零組件體積都很小，安裝在多層陶瓷基板中。因此可以在最狹小的空間中個別控制半導體元件。壓敏陶瓷在整合過壓保護功能之外，還可以加裝熱敏電阻或防過熱功能。因此提供非常適用及耐用的載體系統。
依據一個實施例，多層陶瓷基板的傳熱性大於或等於22W/mK。傳熱性明顯高於目前已知之載體系統的傳熱性，例如傳熱性為5-8W/mK的IMS基板。因此可以理想地導出矩陣模組所產生的熱。
依據一個實施例，驅動器開關具有一個過熱保護功能和/或一個過壓或過載保護功能。驅動器開關可以有一個NTC(負溫度係數)電組防止高溫。驅動器開關可以替代性或附帶性地有一個PCT(正溫度係數)電阻防止過 載。
依據一個實施例，載體系統還有另一個基板。這個基板為絕緣或是半導結構。這個基板主要是有一個惰性表面。從「惰性“inert”」這個詞就知道，這個基板的表面有高絕緣電阻。高絕緣電阻防止基板表面受到外來的影響。例如高絕緣電阻讓表面對於電熱程序不敏感，隔離表面上的金屬層。高絕緣電阻讓基板表面更能耐受得住侵入的媒體(aggressive Medien)，像是例如在焊接程序時使用的侵入性(aggressive)液體。
基板可以是陶瓷基板。尤其可以是基板AlN或AlOx，例如Al2O3。基板也可以是碳化矽(SIC)或氮化硼(BN)製。基板可以是另一種多層陶瓷基板。其更有優點，因為可以將多個內部結構(印刷電路板、ESD結構、層間電路接通)都整合在一個多層陶瓷基板中。另一個基板例如可以是壓敏陶瓷製。基板還可以是IMS基板。此外基板可以是金屬芯板(metal core pcp)。
基板是以機械式地及熱機械式來穩定載體系統。基板還作為另一個單一控制半導體元件的重新佈置線路層。
多層陶瓷基板裝在另一個基板上，尤其是裝在該基板的上方。例如在多層陶瓷基板及另一個基板之間使用一個熱導材料，舉例像是錫膏或銀-燒結膏。熱導材料用來熱連接及導電連接基板及多層陶瓷基板。此外，還有一個基板也是經由導熱膏和錫膏以及銀-燒結膏的組 合與多層陶瓷基板進行熱連接及導電連接。例如BGA(球柵陣列封裝Ball-grid-Array)在多層陶瓷基板的邊緣處中環狀地作出接觸。導熱膏可以進一步地用在其他的地方，如在多層陶瓷基板的內部區域及下(底)面的中間處，多層陶瓷基板及另一個基板之間。導熱膏有絕緣的特性。導熱膏尤其僅作為熱連接之用。
在這個實施例中，驅動器開關主要是直接裝在基板的上面，例如基板的上(正)面。驅動器開關主要直接是與基板上面的印刷電路板連接。印刷電路板則是直接與整合裝在多層陶瓷基板中的單一電路連接。
根據一個實施例，載體系統有一個印刷電路板。印刷電路板至少要有部份圍著基板。基板主要是裝在印刷電路板的一個溝槽中。溝槽整個貫穿印刷電路板。驅動器開關直接裝在印刷電路板的上面。驅動器開關主要是在印刷電路板上面直接與印刷電路板連接。印刷電路板上的印刷導線不是直接與裝在多層陶瓷基板中的單線連接，就是與基板上的印刷導線連接，例如經由插接接觸。
依據一個實施例，載體系統有一個散熱器。散熱器是用來排除載體系統產生的熱。散熱器可以與其他基板熱連接。散熱器還可以與多層陶瓷基板熱連接。
例如在散熱器與基板之間、或散熱器與多層陶瓷基板間使用導熱材料，較佳是使用導熱膏。導熱膏是用來作為散熱器與另一個基板的電氣絕緣。經由導熱膏可以有效地將半導體元件產生的熱導至散熱器，及從該散 熱器排出系統。導熱膏還可以用來排除多層陶瓷基板/另一個基板及散熱器之間，因半導體元件啟用所產生的熱壓。
例如散熱器可以為鋁-澆鑄材料製。適用的散熱器具有高膨脹係數。例如散熱器的膨脹係數為18至23ppm/K。多層陶瓷基板的膨脹係數為6ppm/K。另一個基板的膨脹係數在4至9ppm/K的範圍，例如為6ppm/K。多層陶瓷基板和另一個基板的膨脹係數較佳是彼此互相配合。在溫度變換(例如在點焊過程或控制半導體元件)時，多層陶瓷基板及另一個基板之間會產生熱壓。經由適當地協調多層陶瓷基板及另一個基板，讓壓力可以有適當的補償。經由散熱器和多層陶瓷基板，及另一個基板之間的導熱膏，可以平衡多層陶瓷基板及另一個基板和散熱器之間的熱差及產生的熱膨脹。因此提供特別耐用的載體系統。
在另一個實施例中，散熱器也可以是鋁-碳化矽製。散熱器可以是銅-鎢合金或是銅-鉬合金製。散熱器可以特別為鉬製，裝在銅板上。鋁-碳化矽，銅-鎢以及銅-鉬都有個優點，這些材料都有類似多層陶瓷基板及另一個基板的熱膨脹係數。例如相關的散熱器熱膨脹係數為約7ppm/K。因此降低或避免掉多層陶瓷基板/另一個基板及散熱器之間的熱壓。在這個情況下也是可以不使用導熱膏，或是導熱膏的塗層厚度會比在使用鋁澆鑄材料製散熱器的實施例中要更薄。
依據另一個觀點說明製造多層-載體系統 的方法。主要經由方法製造上述之載體系統。類似上述載體系統相關說明之特徵，也可以應用於方法，反之亦然。在這裡也可以不用依照說明的順序來實施下述之程序步驟。
第一步是製造一種具印刷導線、至少要有一個ESD結構及層間電路接通的陶瓷基板。多層陶瓷基板有一個壓敏電阻。提供陶瓷胚片用來製造多層陶瓷基板，胚片印有作為印刷導線的電極結構。胚片有作為層間電路接通的溝槽。還要將ESD結構裝入胚片疊層中。接著壓製及燒結胚片疊層。
在下一個-可選用-的步驟中提供一個基板。基板可以是陶瓷基板。基板可以是金屬基板。基板上面有印刷導線。多層陶瓷基板是裝在基板上面。事先在多層陶瓷基板上面使用傳熱材料，例如錫膏或銀-燒結膏。
在下一個步驟是在多層陶瓷基板的上面至少裝有一個發熱半導體元件的矩陣模組。事先在多層陶瓷基板的上面要使用傳熱材料，例如錫膏或銀-燒結膏。半導體元件經由多層陶瓷基板連接到矩陣模組。
在下一個步驟將矩陣模組和多層陶瓷基板燒結在一起，例如藉由銀-燒結膏，作μ Ag-燒結。
在下一個可選用的步驟中，提供一個印刷電路板。印刷電路板有一個完全貫穿印刷電路板的溝槽。基板至少要有部份被置入溝槽中。換句話說，在基板周圍裝置印刷電路板。印刷電路板與基板導電連接，例如藉由 插接接觸或是打線接合。
在下一個步驟提供使用驅動器元件。在一個實施例中，驅動器元件是裝在基板上，尤其是裝在基板的上面，經由印刷導線及多層陶瓷基板的層間電路接通控制半導體元件。
此外還可以將驅動器元件裝在多層陶瓷基板上面。在這個情況下可以不用準備基板。在這個實施例中，改用印刷電路板，將驅動器元件裝在印刷電路板上，尤其是裝在印刷電路板的上面。
在下一個步驟中，基板與一個散熱器熱連接。多層陶瓷基板還可以與散熱器熱連接。在這個情況下可以不用準備基板。例如在先前的步驟中，在基板的底(下)面使用導熱材料。導熱材料主要是電氣絕緣的導熱膏。在裝置相關的散熱器(鋁-碳化矽，銅-鎢或銅-鉬散熱器)時，也可以不使用導熱材料。
載體系統至少有一個具點狀單線控制多數LED的矩陣光模組。因此周圍會有非常不同的明暗。具高傳熱性的多層壓敏電阻結構可以非常密集地實施以及將ESD保護元件整合裝在陶瓷上。因此備好一個密集且非常適用的載體系統。
依據另一個觀點說明多層-載體系統的應用。就應用可以找到與載體系統及載體系統製造有關類似的特徵，反之亦然。
說明多層-載體系統的應用，尤其是上述 的多層載體系統。例如載體系統是應用在汽車的矩陣LED汽車前大燈。載體系統也可以應用在醫療業，例如用在UV-LED。載體系統也可以用在電力電子技術方面。上述之載體系統是非常適用且因此可以應用在各種不同的系統中。
依據另一個觀點說明多層陶瓷基板的應用。多層陶瓷基板主要是指上述的多層陶瓷基板。多層陶瓷基板主要是有壓敏陶瓷以及一個多層壓敏電阻。多層陶瓷基板主要是有一個用來單線控制發熱半導體元件整合安裝的單線線路接通。多層陶瓷基板主要是用在上述的載體系統中。
以下說明的圖樣並未按比例繪製。多是為了易於說明，將個別的尺寸放大，縮小或是變形表示。相同或是相同功能的元件皆以同一個標記符號來表示。
1、1'、1"‧‧‧熱源
1a‧‧‧單一-LED/發熱半導體元件
1b‧‧‧LED-陣列/發熱半導體元件
2、2'、2"‧‧‧多層陶瓷基板
3、3'、3"‧‧‧基板
4、4"‧‧‧散熱器
4a‧‧‧散熱片
5‧‧‧印刷電路板
5a‧‧‧溝槽
6a‧‧‧導熱材料/錫膏/燒結膏
6b、6b'、6b"‧‧‧導熱材料/導熱膏
7‧‧‧矩陣模組
8‧‧‧層間電路接通
9‧‧‧載體
10‧‧‧載體系統
11a‧‧‧p-連接區
11b‧‧‧n-連接區
20‧‧‧多層單線連接
21‧‧‧接觸區
22‧‧‧ESD結構
23‧‧‧線路
24‧‧‧插接接觸
25‧‧‧接觸
26‧‧‧插塞連接/打線結合
200、200'‧‧‧上接觸
201‧‧‧層間電路接通
202‧‧‧內電極/印刷導線
220‧‧‧ESD電極區
221‧‧‧接地電極
300‧‧‧驅動器概念
301‧‧‧象限
302‧‧‧大括號
303‧‧‧驅動器
304‧‧‧變流器
305‧‧‧微控制器
第1圖係依據一個實施例之多層-載體系統的俯視圖，第1a圖係發熱半導體元件的俯視圖，第1b圖係依據第1b圖之發熱半導體元件的俯視圖，第1c圖係依據一個進一步實施例之發熱半導體元件的俯視圖，第2圖係依據一個實施例之多層-載體系統的剖視圖， 第3圖係依據第1圖實施例之多層-載體系統的剖視圖，第4圖係依據一個實施例之多層-載體系統的剖視圖，第5圖係依據第4圖之多層-載體系統的內部配線圖，第6圖係依據第3圖之多層-載體系統的內部配線圖，第7圖係多層-載體系統之內部配線圖的實施例，第8圖係依據一個進一步實施例之多層-載體系統的剖視圖，第9圖係依法一個進一步實施例之多層-載體系統的剖視圖，以及第10圖係一個多層-載體系統之驅動器概念的實施例。
第1及3圖是依據第一個實施例之多層-載體系統10的俯視圖及剖視圖。多層-載體系統10，簡稱載體系統10，有一個熱源1。也可以有多個熱源，例如兩個、三個或多個熱源1。各個熱源主要有多個發熱的半導體元件1a、1b。
熱源1可以有兩個，三個，十個或更多，主要是很多個單個LED 1a。第1a圖是單一LED 1a上面的俯 視圖。第1b圖是單一LED 1a下面，與p-連接區11a及n-連接區11b的俯視圖。
熱源1也可以是LED陣列1b或多個LED陣列1b(見第1c圖)。熱源1較佳是具有多個LED 1a和/或LED-陣列1b的LED矩陣模組7。例如熱源有一個總共256個LED的4x8x8 LED矩陣模組。載體系統10主要是一種多LED的載體系統。
載體系統10有一個多層陶瓷基板2。多層陶瓷基板2是作為熱源1的載體基板。多層陶瓷基板2是用來有效排除熱源1產生的熱。多層陶瓷基板2還用來電氣接觸熱源1及尤其是單一的LED，稍後會詳細說明。
熱源1是裝在多層陶瓷基板2上，尤其是裝在多層陶瓷基板2的上面。例如在熱源1及多層陶瓷基板2上面之間使用導熱材料6a(第3圖)，主要是錫膏或銀-燒結膏。導熱材料6a是一種具有高傳熱性的材料。導熱材料6a還進一步用來電氣接觸多層陶瓷基板2。
多層陶瓷基板2同樣也具有高度的傳熱性。例如多層陶瓷基板2的傳熱性為22W/mK。透過導熱材料6a及多層陶瓷基板2的高度傳熱性，可以有效地將熱源1所產生的熱再傳導出去及--例如經由一個散熱器4--從載體系統10排放出去。
多層陶瓷基板2主要是有一個多層壓敏電阻。壓敏電阻為非線性元件，其電阻在超過規定的電壓時會大幅度降低。因此壓敏電阻適合用來無損害地導出過壓 脈衝。多層陶瓷基板2和壓敏電阻層(無明確圖示)主要是氧化鋅(ZnO)，尤其是多晶體的氧化鋅。壓敏電阻層至少有90%是ZnO製。壓敏電阻層的材料可以掺入鉍(Wismut)，銻(Antimon)，鐠(Praseodym)，釔(Yttrium)和/或鈣(Calcium)和/或其他添加物，或掺雜材料。此外壓敏電阻層還可以例如是碳化矽或鈦酸鍶製。
多層陶瓷基板2厚度為或垂直延展200至500μm。多層陶瓷基板2厚度多為300μm或400μm。多層陶瓷基板2上面及下面皆金屬化(金屬塗層)(無明確圖示)。每次金屬化厚度為1μm至15μm，例如3μm至4μm。大厚度金屬化(金屬塗層)有個好處，熱源1 LED 1a/LED-陣列1b所產生的熱經由多層陶瓷基板2的上面釋放到環境中(側面熱對流)，因為上面的傳熱性已獲得改善。
在這個實施例中載體系統10還有另一個，例如為陶瓷製的基板3。基板3是用來改善載體系統10在機械及熱機械方面的強健性。例如基板3為AlN或Al2O3製(陶瓷基板)。基板3可以是另一種多層陶瓷基板，尤其是一種具有其他材料的壓敏陶瓷。此外IMS(Insulated Metal Substrat)為例如一個鋁或銅製的絕緣金屬基板。在IMS的上面有絕緣陶瓷或絕緣的聚合物層，其具有控制單一LED使用的轉接線路的銅導線。基板3厚度為或垂直延展300μm至1mm，例如500μm。
除導熱性及LED的轉接線路之外，基板3還可以用來補償散熱器4及多層陶瓷基板2各種不同的膨 脹係數。因此實現一種穩定且耐用的載體系統10。
基板3是裝在多層陶瓷基板2的下面。例如基板3經由一種-如上述-導熱材料6a，例如錫膏或銀-燒結膏，與多層陶瓷基板2連接。導熱材料6a厚度為或垂直延展在10μm和500μm之間，例如在300μm。
基板3，尤其是基板3的下面連接上述，用來將熱源1產生的熱排出系統的散熱器4。例如將基板3和散熱器4黏或固定裝在一起。
在基板3和散熱器4之間多使用導熱材料6b，特別是電氣絕緣的導熱膏。此外可以不用或減少使用導熱材料6b(無明確圖示)，在散熱器4有一個類似基板3的熱膨脹系統(散熱器4為鋁-碳化矽，銅-鎢或銅-鉬製)。這裡的散熱器4裝在銅板上鉬製。散熱器4為散熱片4a。為取得良好的對流，散熱片4a要進行強烈的通風。也可以替代性地或額外地藉由水冷方式冷卻載體系統10。
為控制熱源1及尤其單一LED 1a、1b，載體系統10有一個內部線路及轉接線路接通。多層陶瓷基板2尤其是一個整合的，也就是說在多層陶瓷基板2的內部有熱源1的LED用的單一線路/轉接線路。換句話說，藉由多層陶瓷基板2之助可以控制LED。
在第6及7圖中說明依據第1及3圖之多層元件10內部線路的例子。第7圖為一個一列8個LED，含用於單一控制超過四面的佈線及5個接地面(Masseebenen)的內部線路。圖為一個半行的八個模組件(Halbzeile)。多 層陶瓷基板2有一個位於壓敏電阻層之間的多數內電極202(第7圖)。內電極202是上下交疊地裝在多層陶瓷基板2之內。內電極202依用途在電氣方面是彼此分開獨立的。內電極202主要是上下交疊地，至少有部份是相疊地排列裝置。
多層陶瓷基板2至少有一個層間電路接通/一個Via(導孔)8、201(第3及7圖)，大多為多個Via(導孔)8、201。一個Via(導孔)8、201於多層陶瓷基板2中有一個填入導電材料，尤其是金屬的溝槽。Vias(導孔)8、201是用來讓LED與驅動器開關進行電氣連接，稍後會詳細說明。Via(導孔)8、201與內電極202為導電連接。
多層陶瓷基板2為單線控制LED還有一個用來製造與熱源1導電接處的接觸區域21。接觸區域21是在2的中央區域(第6圖)。接觸區域21在這個實施例中分成四個區域(第6圖)來接觸各8X8 LED的單一模組。以此經由內部線路控制非常多，總數舉例在256(4x8x8)個LED。接觸區域21裝有與內電極202導電連接的上接觸及LED用連接片(Anschlusspads 200(第7圖)。
多層陶瓷基板2還有一個接觸25，形成與基板3的導電連接。接觸25位於多層陶瓷基板2的邊緣區域(第6圖)。接觸25較佳為BGA接觸(焊劑球)或藉由打線接合實施。除電氣連接之外，接觸25還可以作為壓力緩衝器，以平衡基板3及多層陶瓷基板2之間的熱機械差。
多層陶瓷基板2還有一個整合安裝(集成或 積體)的ESD(靜電放電Electro Static Discharge)結構22。ESD結構22有一個ESD電極面220、220’及接地電極221。如內電極202及Via(導孔)8、201一樣，ESD結構22在製造多層陶瓷基板2時也裝入基板2中。熱源1對於例如因ESD-脈衝引起的過壓是非常敏感的，藉由ESD結構22之助防止電流脈衝或電壓脈衝。ESD結構22是框形地位於中央接觸區域21周圍(第6圖)。沿ESD結構22環狀形成接觸25(第6圖)。
多層陶瓷基板2還可以裝入溫度感測器及防高溫功能(無明確圖示說明)。
經由多層陶瓷基板2的多層結構，在最狹小的空間實現LED的單線控制。在此壓敏陶瓷如上述，也可以裝入過壓功能(ESD，電湧脈衝)以及高溫保護功能。因此可以提供一種達到各種不同要求，密集且非常適用的載體系統10。
為控制熱源1及尤其是控制LED，載體系統10最後還是要有一個驅動器開關(無明確圖示)。驅動器開關有一個執行的保護功能。驅動器開關主要是有一個過溫保護(例如經由一個NTC過敏電阻)和/或一個過壓或過載保護(例如經由一個PTC過敏電阻)。
在這個實施例中，驅動器開關是裝在基板3上，尤其是基板3的上面。驅動器開關主要是藉由回流焊接與基板3的上面連接。因此在這個實施例中，基板3是作為驅動器基板。基板3尤其是作為另一個轉接線路面， 個別經由驅動器開關控制LED。基板3上面的印刷線路與裝在多層陶瓷基板2中的線路導電連接，以控制LED。
第2圖為依據一個進一步實施例之多層-載體系統10的剖視圖。與依據第1及3圖的多層-載體系統不同，第2圖的載體系統10沒有另一個基板3。更確切地說，在這個實施例中，多層陶瓷基板2是直接與散熱器4連接。在多層陶瓷基板2及散熱器4之間可以使用導熱材料6b(電氣絕緣的導熱膏)。
在這個實施例中，驅動器開關直接裝在多層陶瓷基板2的上面，例如其底面。廢除不用基板3(驅動器基板)，可以簡化多層-載體系統10的結構。尤其是將所有對於單線控制LED需要的電子元件，如轉接線路及驅動器開關都裝在多層陶瓷基板2之中或上面。
所有其他依據第2圖的多層-載體系統10的特徵，尤其是多層陶瓷基板2的結構及組合，以及內部線路(見第7圖)皆符合第1及3圖中說明的特徵。
第4圖為依據一個進一步實施例之多層-載體系統10的剖視圖。以下僅說明與依據第1及3圖之載體系統的差異。
與依據第1及3圖的多層-載體系統不同，載體系統10還有一個印刷電路板5。印刷電路板5圍著基板3。基板3至少在其端面上是完全被印刷電路板5包圍著。
因此印刷電路板5有一個溝槽5a，在其中 插上基板3。溝槽5a完全貫穿印刷電路板5。印刷電路板5是藉由插塞連接26或打線接合26與基板3導電連接。如第1及3圖中所說明的，熱連接基板3。例如在基板3及散熱器4之間使用導熱材料6b(電氣絕緣的導熱膏)。
在這個實施例中，驅動器開關是直接裝在印刷電路板5的表面，例如裝在其上面(無明確圖示)。基板3是多層陶瓷基板2以外作為另一個轉接線路接通面，以個別經由除了驅動器開關控制LED。驅動器開關尤其可以以電子線路連接基板3的表面。然而在這個實施例中沒有驅動器基板3，因為驅動器開關是裝在印刷電路板5上，不是裝在基板3上。
第5圖為依據第4圖之多層元件10內部線路的實施例。在此說明一個以單線控制256個LED的4×8×8光矩陣模組，及裝在插接接觸入口和至LED模組入口的ESD保護。
多層陶瓷基板2有一個為製造與LED矩陣的導電接觸的接觸區域21。接觸區域21分成四個部份以接觸8×8個LED的單一模組。
ESD結構22在接觸區域21四周成框形。經由多層陶瓷基板2外緣區域中的實體插接接觸24製造至印刷電路板5的驅動器開關之導電連接。在插接接觸24及ESD結構22之間製作一個用來單線接觸LED的轉接線路23(也參閱第7圖)。ESD結構22是裝在插接接觸24的入口及接觸區域21的入口路。
所有其他依據第4圖的多層-陶瓷基板10的特徵符合第1及3圖所說明的特徵。尤其是關於熱源1、多層陶瓷基板2及基板3的結構及連接，以及單線線路/轉接線路與驅動器開關的詳細設計。
第8圖為依據一個進一步實施例之多層-載體系統10的剖視圖。載體系統10有多個熱源1、1'。第8圖特別顯示兩個熱源1、1'，然而也可以有很多個熱源，例如，三個、四個或五個熱源。
各個熱源1、1'都有一個LED矩陣模組，各個模組都有不等數量的LED。例如熱源1'有數量較少的LED(單一LED 1a和/或LED陣列1b)，例如熱源1一半的LED。因此熱源1'產生的熱比熱源1少。
如第2圖對於載體系統10的說明，其基本結構符合第8圖的載體系統10，各熱源1、1'裝在多層陶瓷基板2、2'上。因此對於每個熱源1、1'都要有一個單獨的多層陶瓷基板2、2'。導熱材料6a、6a'(錫膏或銀-燒結膏)主要是用在各熱源1、1'及各多層陶瓷基板2、2'之間(無明確圖示說明)。
多層陶瓷基板2、2'各裝在一個單獨的散熱器4、4'上。在散熱器4、4'及多層陶瓷基板2、2'之間可以再次使用導熱材料6b、6b'(電氣絕緣的導熱膏)。
透過使用單獨的散熱器4、4'或冷卻系統，可以個別調整各熱源1、1'的功率損耗。例如可以透過個別調整冷卻系統/散熱器4、4'有效地排出載體系統10中不同 尺寸/功率強度之熱源或LED矩陣模組1、1'的損耗熱。所以裝有較多個LED之熱源1的散熱器4，配置要比其他散熱器4要大。散熱器4的散熱片要比較大，才能有較強的散熱效果。
當然可以用在具同樣數量的LED之較多個熱源1、1'/LED矩陣模組，經由類似或相同配置的散熱器4、4'將其損耗熱從載體系統10排出。
由熱源1、1'，多層陶瓷基板2、2'及散熱器4、4'組成的整套系統是裝在共同的載體9上。例如載體9可以是純機械載體，如以印刷電路板的型式，或其他型式，裝在上面的散熱器。載體可以是鋁材料製。載體9用來在機械方面穩定載體系統10和/或改良其散熱。
第9圖為依據一個進一步實施例之多層載體系統10的剖視圖。載體系統10有較多個熱源1、1'、1"。在這個實施例中有三個熱源，然而載體系統10也可以有兩個熱源，或四個熱源或更多個熱源。各個熱源1、1'、1"有一個矩陣模組。主要在這個實施例中所有LED矩陣模組都有相同數量的LED。
各個熱源1、1'、1"係裝置在多層陶瓷基板2、2'、2"上。因此每個熱源1、1'、1"分別有各自的多層陶瓷基板2、2'、2"。在各個熱源1、1'、1"及多層陶瓷基板2、2'、2"之間主要使用導熱材料(錫膏或銀-燒結膏)(無明確圖示)。
多層陶瓷基板2、2'、2"各裝置在一個單獨 的基板3、3'、3"上，該基板一是用來作為轉接線路接通，二是作為補償多層陶瓷基板2及散熱器4不同的膨脹係數之用。基板3、3'、3"還具有如已在第1及3圖中說明的高度傳熱性。尤其適用於例如AlN或Al2O3製的陶瓷基板。
各個陶瓷基板3、3、3"是裝在一個共同的散熱器4上。熱源1、1'、1"也共用一個散熱系統。共用一個散熱系統的好處在於，當熱源1、1'、1"製造出來的耗損熱類似時。還可以透過共用一個散熱系統準備更多個散熱片，因為各個LED矩陣模組之間的區域也是被蓋住的。因此可以提升散熱效率。
第10圖是一個多層-載體系統驅動器概念的實施例。
為單一控制一個有256個單一LED的4×8×8 LED矩陣模組7，將模組7然劃分成四個各有8×8個LED的象限301。這裡左大括號302為LED-區1至64。上大括號302為LED 65至128。下大括號302為LED 129至192。右大括號32為LED 193至256。
在控制/打開模組7象限301的單一LED開關時，局部的溫度會升高。室溫(ca.25℃)會提高到ca.70°至100°。須均勻排出所產生的熱。因此須關閉LED的內部線路，以均勻排放熱以及均勻地分配電流。尤其須均勻關閉經由不同層面上的轉接電流接通。
為單一控制256個LED-依規格而定-需要更多個驅動器。在這個實施例中，有32個驅動器303， 每個驅動器可以控制8個LED。
經由LED模組7產生高功率。因此驅動器303需要電流供應。256個LED需要25.6A(ca.100mA pro LED)。變流器304是用來供電給單一驅動器303。
驅動器303是經由中央微控制器305控制的。例如微控制器305是與KFZ中的資料匯流排(Data Bus)連接。微控制器305可以例如與CAN Bus或Ethernet Bus連接。資料匯流排還可以再與一個中央控制單元連接。
以下舉例說明一種多層載體系統10的製程。所有對於載體系統10方面所述的特徵也可適用於製程，反之亦然。
在第一個步驟中，準備多層陶瓷基板2。多層陶瓷基板2主要是根據上述之多層陶瓷基板2。多層陶瓷基板2主要是壓敏陶瓷。
為製造具多層結構的壓敏電阻，再來要製造介電陶瓷元件製成的陶瓷薄膜。陶瓷薄膜為ZnO以及各種不同的掺雜物製成。
還可以在整合的金屬結構(內電極，Vias(導孔)，ESD-結構)材料熔點之下以較高的品質燒結在一起。因此在燒結時需要低溫時就已存在的液相。例如保證是液相的三氧化二鉍。因此陶瓷可以以掺雜三氧化二鉍的氧化鋅為基質。
在陶瓷薄膜上裝有內電極202，這樣在電極樣本中生陶會覆上一層導電漿料。導電漿料為Ag和/或 Pd。在陶瓷薄膜上裝置ESD-結構202。為建立層間電路接通8，202進一步將胚片打孔。可以藉由沖子或雷射將胚片打孔。接著用金屬(主要是Ag和/或Pd)填入貫穿的孔中。堆疊金屬胚片。
接著壓製及燒結生坯。燒結溫度配合內電極202的材料。Ag-內電極燒結溫度要低於1000℃，例如900℃。
接著將燒結之生料疊層垛表面的部份區域金屬化。例如將Ag、Cu或Pd壓在燒結的生料疊層的上面及下面。在金屬化的疊層熱透之後，密封疊層沒有受到保護的結構或區域。在玻璃或陶瓷的下面和上面加壓。
在一個選用之進一步的步驟(見依據第1及3圖的載體系統)中，提供基板3。基板3要符合上述之基板3。基板3可以是陶瓷(壓敏陶瓷、Al2O3、AlN)或金屬(IMS基板、金屬芯印刷電路板)。含銅或為銅製的印刷電路板位於基板3的上邊。多層陶瓷基板2則是(直接)裝在基板3的(正)上面。在一個前述的步驟中，在基板3的上面使用錫膏或銀-燒結膏。藉由回流焊接在基板3和多層陶瓷基板2之間進行物理連接。對於依據第2圖，沒有基板3的載體系統10，不說明程序步驟。
在一個可選用的下一個步驟(見依據第4圖的載體系統)中，提供印刷電路板5。印刷圍著基板3裝置電路板5。將固定在多層陶瓷基板2上的基板3裝入印刷電路板5的溝槽5a中。接著經由插塞連接26或打線接合 26將印刷電路板5及基板3互相連接。對於依據第1至3圖，無印刷電路板5的載體系統10，不說明程序步驟。
在下一個步驟中，將一個LED矩陣模組7裝在多層陶瓷基板2的上面。如在上述的步驟中將錫膏或銀-燒結膏使用在多層陶瓷基板2的上面。藉由銀燒結(例如μ Ag-燒結)或錫膏將矩陣模組7與多層陶瓷基板2固定連接。μ Ag的優點是，銀在200℃至250℃低溫時已熔化，和接著不會再熔化了。
接著提供驅動器開關用的驅動器元件。實施載體系統10就能實現多層陶瓷基板2上，基板3上或印刷電路板5上的驅動器元件。藉由回流焊接，基板3上或印刷電路板5上的將驅動器開關將與多層陶瓷基板2連接。
藉由驅動器元件，經由裝在多層陶瓷基板2中的內部線路個別控制LED。驅動器開關與內電極202，層間電路接通8，201導電連接。
在最後一個步驟中，準備散熱器4並固定在載體系統10上。將散熱器4黏在多層陶瓷基板2或基板3上。散熱器可以為鋁-澆鑄材料。在這個情況下，在一個上述的步驟中，在基板3或多層陶瓷基板2的下面使用導熱膏。接著就固定將載體系統10烘透。因此幾乎沒有溫差，所以在這個程序步驟中避免各零件之間的熱壓。
此外散熱器4也可以使用膨脹係數與基板3或多層陶瓷基板2類似的材料。例如散熱器4可以是鋁-碳化矽，銅-鎢以及銅-鉬製。在這個情況下，可以免用 導熱膏6b或是可以用較薄的導熱膏6b層。
現有的載體系統10至少要有一種具點狀單獨控制多數量LED的矩陣光模組。因此可以讓周圍比用LED陣列的方案明顯有更不同的亮度(或也可以將光度減弱)。多層高傳熱性的層壓敏電阻結構可以作非袖珍(小型)的設計，將ESD保護元件及驅動器開關直接裝在陶瓷上。這樣就產生了一種袖珍(小型)且非常適用的載體系統10。
這裡所述及之目標的說明並不限於某些實施型式。其實某些實施型式的特徵是可以隨意互相組合。
1‧‧‧熱源
2‧‧‧多層陶瓷基板
4‧‧‧散熱器
6a‧‧‧導熱材料/錫膏/燒結膏
6b‧‧‧導熱材料/導熱膏
7‧‧‧矩陣模組
8‧‧‧層間電路接通
10‧‧‧載體系統

Claims (19)

  1. 一種多層-載體系統(10)，包含：至少一個多層陶瓷基板(2)；以及至少一個發熱半導體元件(1a、1b)的矩陣模組(7)；其中，該半導體元件(1a、1b)係安裝在該多層陶瓷基板(2)上，並且該半導體元件(1a、1b)經由銀-燒結膏固定在該多層陶瓷基板(2)上，並且該矩陣模組(7)經由該多層陶瓷基板(2)及另一個基板而與驅動器開關導電連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的多層-載體系統(10)，包含至少一個矩陣模組(7)以及LED矩陣模組，該LED矩陣模組具有多個單一LED(1a)及/或LED陣列(1b)。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的多層-載體系統(10)，其中，該多層-載體系統(10)是用來個別控制該矩陣模組(7)的該半導體元件(1a、1b)。
  4. 如申請專利範圍第1或2項所述的多層-載體系統(10)，其中，該多層陶瓷基板(2)具有用來單獨控制該半導體元件(1a、1b)之整合安裝的多層單線線路(20)。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述的多層-載體系統(10)，其中，該多層陶瓷基板(2)為壓敏陶瓷製。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的多層-載體系統(10)，其中，該多層陶瓷基板(2)具有多個內電極(202)及層間電路接通(201)，該內電極(202)安裝在該壓敏電阻層及該多層陶瓷基板(2)之間，並與該層間電路接通(201)導電 連接。
  7. 如申請專利範圍第1或2項所述的多層-載體系統(10)，其中，該多層陶瓷基板(2)具有整合安裝的ESD結構(22)。
  8. 如申請專利範圍第1或2項所述的多層-載體系統(10)，其中，該驅動器開關直接裝在該多層陶瓷基板(2)上。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的多層-載體系統(10)，復包含另一個基板(3)，該多層陶瓷基板(2)安裝在該另一個基板(3)上，並且該驅動器開關直接安裝在該另一個基板(3)的上面。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的多層-載體系統(10)，復包含另一個基板(3)及印刷電路板(5)，該印刷電路板(5)至少部份圍住該另一個基板(3)，該驅動器開關直接裝在該印刷電路板(5)的上面。
  11. 如申請專利範圍第9或10項所述的多層-載體系統(10)，其中，該基板(3)為AlN或AlOx製，或該基板(3)為IMS基質、金屬芯-電路板或其他多層陶瓷基板。
  12. 如申請專利範圍第1或2項所述的多層-載體系統(10)，其中，該矩陣模組(7)至少具有四個各有m x n半導體元件(1a、1b)的光-模組(301)，m
    Figure 106111067-A0305-02-0031-1
    2及n
    Figure 106111067-A0305-02-0031-2
    2。
  13. 如申請專利範圍第1、9或10項所述的多層-載體系統(10)，復包含散熱器(4)，與該多層陶瓷基板(2)或該基板(3)熱連接。
  14. 一種製造多層-載體系統(10)的方法，具有以下步驟：製造具有整合備有印刷電路板導線(202)、ESD結構(22)及層間電路接通(201)的多層陶瓷基板(2)；提供基板(3)及將該多層陶瓷基板(2)安裝在該基板(3)上；將發熱半導體元件(1a、1b)的矩陣模組(7)安裝在多層陶瓷基板(2)的上面；藉由銀-燒結膏連結該多層陶瓷基板(2)、該矩陣模組(7)及該基板(3)；提供經由印刷導線(202)及層間電路接通(201)控制該半導體元件(1a、1b)的驅動器元件；熱連接該基板(3)及散熱器(4)。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的方法，復包含將驅動器元件裝在該基板(3)上。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的方法，復包含在下一個步驟中提供印刷電路板(5)，該印刷電路板(5)具有完全貫穿該印刷電路板(5)的溝槽(5a)，該基板(3)裝入該溝槽(5a)並與該印刷電路板導電連接。
  17. 如申請專利範圍第16所述的方法，復包含將驅動器元件裝在該印刷電路板(5)上。
  18. 如申請專利範圍第14項所述的方法，復包含提供製造該多層陶瓷基板(2)要用的胚片，該胚片印有形成印刷導線(202)的電極結構，並且該胚片具有形成層間電路接通(201)的溝槽。
  19. 一種如申請專利範圍第1至13項中任一項所述的多層-載體系統(10)的應用，其中，該多層-載體系統(10)是應用在汽車工業的矩陣LED汽車前大燈。
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