CN102117801B - 高功率型发光二极管模块结构制作方法 - Google Patents

高功率型发光二极管模块结构制作方法 Download PDF

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Abstract

一种高功率型发光二极管模块结构制作方法,至少包含:在散热基板上表面形成组件接合柱;在线路基板及绝缘层上形成至少一通孔;对应组件接合柱于通孔上后,以加热、加压方式将线路基板经绝缘层压合于散热基板的上表面,使组件接合柱埋藏于绝缘层内并显露出其表面;形成电接合层于上述绝缘层、线路基板及组件接合柱的外露表面上,并以电接合层接合并电性导通线路基板与组件接合柱;于压合的线路基板以及该电接合层上形成线路层并构成多层线路后,再于该线路层上进行防焊层及阻障层的制作,以完成完整图案化的多层模块基板;将发光二极管组件以导热材料固定于该模块基板的组件接合柱上,并使该发光二极管组件上的电极与该模块基板上的电性接垫相连接。

Description

高功率型发光二极管模块结构制作方法
技术领域:
本发明涉及一种高功率型发光二极管模块结构,尤指涉及一种针对高功率组件的散热需求,特别指增强设计的能力以达成高度模块***化的发光二极管模块结构制作方法。
背景技术:
随着光电产品的普及与发光二极管芯片功率的不断提升,多芯片发光二极管模块化已逐渐成为电子照明的新趋势,因此作为发光二极管多芯片模块电性连接的基板,其绕线能力与散热特性遂成为新产品是否能顺利开发的关键因素之一。
早期发展的散热铝基板(Metal Core PCB),由于在发光二极管组件位置下方含有树脂,因此有整体散热效果不佳的问题产生。请参阅图9所示,其为已知技术的高导热型发光二极管模块结构剖面示意图。如图所示:此高导热型发光二极管模块结构5包括一铝基板50及数个高功率发光二极管组件60。其中该铝基板50上贴附一不导电的导热胶膜51,于此单层线路上并形成有数个组件接垫52及数个相互串联或并联的电性接垫53、54。藉由表面黏着技术将该发光二极管组件60上的两电极61、62分别与相对应的电性接垫53、54导通,并使该高功率发光二极管组件60固定于该些组件接垫52上。
然而,由上述的结构可知,以传统铝基板所制成的发光二极管模块,其芯片运作时所产生的热源需经由该组件接垫52及该导热胶膜51而传导至该铝基板50作储存或散溢,但其中该导热胶膜51的导热系数远小于一般金属材质,进而有导致整体导热效果不佳的问题;另外,此基板单层的线路结构亦限制其模块设计的弹性。
基于发光二极管模块对散热特性的特殊需求,故有其它能提供较佳金属散热途径(Thermal Pathway)的多层基板制作技术被一一开发出来。如日本公司Toshiba即提出一种利用印刷导电银胶作为连接上、下两层的方式,以提供一导电与置放芯片的导热平台,如美国申请专利第5865934及7419382号,并请参阅图10a至图10d所示,其为另一种已知技术的散热基板制作流程示意图。如图所示:首先是利用印刷与烘烤方式,形成数个导电银凸块81于一铜箔80上,如图10a所示;接着施力于一预浸布(Prepreg)82,使该些导电银凸块81刺穿过该预浸布82,如图10b所示;再将另一片铜箔83压合于此预浸布82与数个显露于该预浸布82外的导电银凸块81上,如图10c所示;最后形成一线路层84,如图10d所示。
虽然以上述压合方式所形成的线路层84可经由该些导电银凸块81使上、下层电性导通;然而,因其导电银凸块81与铜线路并非一体成形,所以在实际应用上将产生因热膨胀而导致分离等可靠度的问题。另外,若欲延伸此技术则需加大该导电银凸块81的面积,亦或使用其它材料,如铜凸块等,使其成为承接芯片的散热基座,于实际应用上亦有制程复杂以及制造良率不佳等问题。
另外,亦有另一种散热基板形成的方式,请参阅图11a至图11d所示,其为再一种已知技术的散热基板制作流程示意图。如图所示:首先是提供一厚铜板90,并利用蚀刻方式,于该厚铜板90的一面上形成数个铜凸块901,如图11a所示;接着涂布并烘烤一绝缘材料91于其上,如图11b所示;于该绝缘材料91上再形成一金属铜层92,如图11c所示;最后形成一线路层93,如图11d所示。
虽然以上述散热基板的组件接垫与散热板为相同或一体成形的金属,但其线路是直接由已熟化的绝缘材料91上长成,因此有附着力不佳等可靠性问题;另外,以此方式所制成的发光二极管模块除了制程昂贵外,其单层线路绕线的限制仍是造成模块设计最大的瓶颈之
综上所述,已知技术所遭遇的设备限制所产生的可靠度、设计弹性、散热性及价格昂贵等问题,因此,一般无法符合使用者于实际使用时所需。
发明内容:
本发明所要解决的技术问题是:针对上述现有技术的不足,提供一种具高散热效果的高功率型发光二极管模块结构制作方法。
为了解决上述问题,本发明所采用的技术方案是:一种高功率型发光二极管模块结构制作方法,该方法至少包含下列步骤:
(A)提供散热基板,并形成至少一组件接合柱于该散热基板的上表面;
(B)提供线路基板及绝缘层,并形成至少一通孔于该线路基板及该绝缘层上;
(C)对应该组件接合柱于该通孔上后,以加热、加压方式将该线路基板经该绝缘层压合于该散热基板的上表面,使该组件接合柱埋藏于该绝缘层内并对应于该通孔显露出其表面;
(D)形成电接合层于上述绝缘层、线路基板及组件接合柱的外露表面上,并以该电接合层接合并电性导通该压合的线路基板与该组件接合柱;
(E)于该压合的线路基板以及该电接合层上形成线路层并构成多层线路后,再于该线路层上进行防焊层及阻障层的制作,以完成完整图案化的多层模块基板;
(F)将发光二极管组件以导热材料固定于该模块基板的组件接合柱上,并使该发光二极管组件上的电极与该模块基板上的电性接垫相连接。
如此,可有效地将组件运作时产生的热源直接经由下方的组件接合柱传至该散热基板而导出;另外,环绕该组件接合柱的多层线路更可提供模块内主、被动组件电性相连所需的绕线,进而增强设计的能力以达成高度模块***化的目的。
附图说明:
图1是本发明一较佳实施例的发光二极管模块结构剖面示意图。
图2是本发明一较佳实施例的制作流程剖面示意图一。
图3是本发明一较佳实施例的制作流程剖面示意图二。
图4是本发明一较佳实施例的制作流程剖面示意图三。
图5是本发明一较佳实施例的制作流程剖面示意图四。
图6是本发明一较佳实施例的制作流程剖面示意图五。
图7是本发明一较佳实施例的制作流程剖面示意图六。
图8是本发明一较佳实施例的制作流程剖面示意图七。
图9是已知技术的高导热型发光二极管模块结构剖面示意图。
图10a是另一种已知技术的散热基板的制作流程示意图一。
图10b是另一种已知技术的散热基板的制作流程示意图二。
图10c是另一种已知技术的散热基板的制作流程示意图三。
图10d是另一种已知技术的散热基板的制作流程示意图四。
图11a是再一种已知技术的散热基板的制作流程示意图一。
图11b是再一种已知技术的散热基板的制作流程示意图二。
图11c是再一种已知技术的散热基板的制作流程示意图三。
图11d是再一种已知技术的散热基板的制作流程示意图四。
标号说明:
发光二极管模块结构1          模块基板10
散热基板11                   厚铜底板11a
上表面111                    下表面112
组件接合柱12                 金属薄膜13
多层线路14                   双层基板140
上线路基板14a                下线路层14b
最上层线路层14c              绝缘层15
电性接垫16                   通孔17
电性导通孔18                 电接合层19
发光二极管组件20、20a        电极21、21a
导热材料22                   防焊层30
发光二极管模块结构5          铝基板50
导热胶膜51                   组件接垫52
电性接垫53、54               发光二极管组件60
电极61、62                   铜箔80
导电银凸块81                 预浸布82
铜箔83                       线路层84
厚铜板90                     铜凸块901
绝缘材料91                   金属铜层92
线路层93
具体实施方式:
请参阅图1所示,为本发明一较佳实施例的发光二极管模块结构剖面示意图。如图所示:本发明为一种高功率型发光二极管模块结构,于一较佳实施例中,该发光二极管模块结构1至少包括一模块基板10及数个发光二极管组件20。
上述模块基板10包含一散热基板11,该散热基板11为一平整且具上、下两表面111、112的底座,包括至少一凸起于该散热基板11上表面111的组件接合柱12,该些组件接合柱12表面具有一金属薄膜13,可用以作为黏贴组件的接口,且该散热基板11的下表面112延伸至该模块基板10的边缘而成为该模块基板10的下表面,可提供模块最大的散热面积,又该散热基板11的下表面112并无任何热绝缘层或任何线路层,因此亦可提供模块最佳的散热接口;另外,该模块基板10尚包含一多层线路14,该多层线路14以该凸起的组件接合柱12为核心,以一绝缘层15平整地压合于该散热基板11上表面111并向四周延伸,且该绝缘层15介于该多层线路层14之间,使该多层线路层14、该散热基板11及该组件接合柱12之间以该绝缘层15紧密接合而无任何缝隙,因此可提供高可靠度的发光二极管模块,形成该绝缘层15、该组件接合柱12及该多层线路14显露于该模块基板10的上表面,及该散热基板11显露于该模块基板10的下表面。其中,在该多层线路14的上线路基板14a与下线路层14b之间以电性导通孔连结,且该多层线路14的最上层线路层14c上并具有数个电性接垫16,可用以连接该些发光二极管组件20、20a上的电极21、21a,而该电性接垫16表面亦具有此金属薄膜13,且该金属薄膜13可为两层金属的镍/金、镍/银、或是三层金属的镍/钯/金、抑或是等效线路基板;于本实施例中,该组件接合柱12表面与压合的多层线路14表面彼此可为一共平面的形态,亦可为具有一高度差形态,且藉由该绝缘层15的阻隔,该组件接合柱12与压合的多层线路14之间可形成电性导通或电性不导通。
该些发光二极管组件20、20a是以金属膜、陶瓷片或导热胶等导热材料22分别固定于该模块基板10的组件接合柱12上,且该发光二极管组件20、20a上的电极21、21a与该模块基板10上的电性接垫16相连接。以上所述,构成一全新且为高功率型的发光二极管模块结构1。
本发明的主要特征在于:该组件接合柱12显露于该模块基板10的上表面,而该散热基板11则显露于该模块基板10的下表面,因此,该模块基板10与该发光二极管组件20、20a之间并无任何低导热系数的介电层或树脂阻隔,使该发光二极管组件20、20a的主散热途径(Thermal Pathway)是以直接无阻隔地接合导热于该模块基板10上作储存或散溢。
请进一步参阅图2至图8所示,如图所示:完成上述高功率型发光二极管模块结构1的制作方法,至少包括下列步骤:
(A)如图2及图3所示,提供一厚铜底板11a,利用蚀刻方式使该厚铜底板11a形成为散热基板11,并在该散热基板11的上表面111形成有数个组件接合柱12,于本实施例中,该厚铜底板11a为一不含介质材料的金属底板,且经蚀刻后所形成的散热基板11与该组件接合柱12是无任何材料接合的一体成形。其中,本发明亦可以电镀、冲压铸模或焊接等方式达到将该组件接合柱12形成于该散热基板11的上表面111,使形成的组件接合柱12与散热基板11之间是以合金材料接合的非一体成形,并且,依据不同制程,该散热基板11使用之材质系可包含铜、镍、铁、铝、铜合金、碳化硅(SiC)、石墨、陶瓷或其它等效的导热材料;
(B)如图4所示,提供一事先经蚀刻方式形成具单面线路14b的双层基板140以及一绝缘层15,并利用成型机形成至少一通孔17于该双层基板140及该绝缘层15上,使该通孔17的开口面积至少等于或略大于该组件接合柱12的面积且位置相互对应,于本实施例中,该双层基板140已事先以电性导通孔18电性连接上线路基板14a与下线路层14b,且该绝缘层15为一含玻璃纤维与环氧树脂混成的绝缘材料。其中,本发明亦可使用激光电镀孔、机械电镀孔或印刷导电胶连结该上线路基板14a与下线路层14b;
(C)如图5所示,对应该组件接合柱12于该通孔上后,以加热、加压方式将该双层基板以该绝缘层15压合于该散热基板11的上表面,使该组件接合柱12埋藏于该绝缘层15内,并利用磨刷、电射或电浆除溢胶等方式对应于该通孔显露出该组件接合柱12的表面;
(D)如图6所示,于上述绝缘层15、外露的组件接合柱12表面及上线路基板14a上,以无电电镀与电镀方式形成一电接合层19,并以该电接合层19接合并电性导通该压合的双层基板的上线路基板14a与该组件接合柱12,于本实施例中,该电接合层19为金属铜层;
(E)如图7及图8所示,于该压合的双层基板的上线路基板以及该电接合层上,以蚀刻方式形成一最上层线路层14c并构成一多层线路14后,再于该最上层线路层14c上进行防焊层30及阻障层(即金属薄膜13)的制作,以完成一完整图案化的多层模块基板10。其中,该外露的线路层14c表面具有数个电性接垫16,且该些电性接垫16表面具有该金属薄膜13,可作为接合发光二极管组件其电极的接口,并且,该外露的组件接合柱12表面亦具有该金属薄膜13,可作为黏贴该发光二极管组件的接口;以及
(F)如上述图1所示,可利用表面黏着技术(Surface Mounting Technology,SMT)将发光二极管组件20a以印刷锡膏22、过锡炉方式焊接于该模块基板10的组件接合柱12上,并使该发光二极管组件20a上的电极21a与该模块基板10上的电性接垫16相连接。其中,该发光二极管组件20a除了可为上述已完成封装的封装体外,亦可为晶粒或者两者共存;因此,亦可利用晶粒接合技术(Die Bonding)先将该发光二极管组件20以导热材料(即金属薄膜13)置放于该模块基板10的组件接合柱12上后,经由打线方式使该发光二极管组件20上的电极21与该模块基板10上的电性接垫16相连接。
于本实施例中,上述多层模块基板由于其组件接合柱与散热基座为一一体成形的金属,故可有效将传统已知技术的导热途径,由原本经由组件接垫、导热树脂而传导至铝基板的方式,简化为直接由该组件接合柱传导至大面积的散热基板储存或散溢,因此,可有效解决已知技术整体导热效果不佳等问题。此外,该多层模块基板的上、下线路层不仅可电性相互连接,且为一数个相互串联或并联的连续或不连续线路,除了可藉此连接数个高功率发光二极管组件以外,更可藉由该多层线路的电性绕线能力连接其它主、被动组件,进而增强模块设计的弹性以达成高度模块***化的目的。
藉此,由上述本发明一较佳实施例可知,本发明高功率型发光二极管模块的特点在于发光二极管组件可直接接合于高导热的组件接合柱上,利用该组件接合柱埋藏于绝缘层内,可改进传统模块基板因介电层或树脂介于发光二极管的主散热途径上所造成的阻隔,因此该发光二极管组件于运作时所产生的热源可直接且有效地传至该组件接合柱下方的散热基板并导出,而无须经由基板内的介电层或树脂;另外,压合于该散热基板上的多层线路由于是紧密环绕于该组件接合柱的四周,不仅能避免造成散热途径的干扰,更可提供模块内主、被动组件电性相连所需的绕线,进而增强图案设计的能力,以达成高度模块***化的目的,是为一种具有高可靠度、高设计弹性、高散热性且具低成本的发光二极管模块结构及其制作方法。
综上所述,本发明的一种高功率型发光二极管模块结构及其制作方法,可有效改善现有技术的种种缺点,利用高功率发光二极管可直接接合于高导热的组件接合柱上,可有效将其运作时所产生的热源从散热基板导出,并可藉由多层线路的绕线能力增强图案设计的能力,以达成高度模块***化的目的。

Claims (6)

1.一种高功率型发光二极管模块结构制作方法,其特征在于该方法至少包含下列步骤:
(A)提供散热基板,并形成至少一组件接合柱于该散热基板的上表面;
(B)提供线路基板及绝缘层,并形成至少一通孔于该线路基板及该绝缘层上;
(C)对应该组件接合柱于该通孔上后,以加热、加压方式将该线路基板经该绝缘层压合于该散热基板的上表面,使该组件接合柱埋藏于该绝缘层内并对应于该通孔显露出其表面;
(D)形成电接合层于上述绝缘层、线路基板及组件接合柱的外露表面上,并以该电接合层接合并电性导通该压合的线路基板与该组件接合柱;
(E)于该压合的线路基板以及该电接合层上形成线路层并构成多层线路后,再于该线路层上进行防焊层及阻障层的制作,以完成完整图案化的多层模块基板;
(F)将发光二极管组件以导热材料固定于该模块基板的组件接合柱上,并使该发光二极管组件上的电极与该模块基板上的电性接垫相连接。
2.如权利要求1所述的高功率型发光二极管模块结构制作方法,其特征在于:所述步骤(A)的组件接合柱由蚀刻、电镀、冲压铸模或焊接形成于该散热基板的上表面。
3.如权利要求1所述的高功率型发光二极管模块结构制作方法,其特征在于:所述通孔的开口面积等于或大于该组件接合柱的面积且位置相互对应。
4.如权利要求1所述的高功率型发光二极管模块结构制作方法,其特征在于:所述步骤(C)以磨刷、电射或电浆除溢胶的方式显露出该组件接合柱的表面。
5.如权利要求1所述的高功率型发光二极管模块结构制作方法,其特征在于:所述步骤(F)的发光二极管组件由表面黏着技术以印刷锡膏、过锡炉方式焊接于该模块基板的组件接合柱上。
6.如权利要求1所述的高功率型发光二极管模块结构制作方法,其特征在于:所述步骤(F)的发光二极管组件由晶粒接合技术以导热材料置放于该模块基板的组件接合柱上,经由打线方式使该发光二极管组件上的电极与该模块基板上的电性接垫相连接。
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