CN103094464A - 高导热基板及具该基板的发光二极管元件与制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种高导热基板及具该基板的发光二极管元件与制作方法,是先在一个具有绝缘表面的基板钻出多个贯穿的穿孔,并将多个对应穿孔数量的导热球状物导引至穿孔中,再于绝缘表面及穿孔内的导热球状物曝露位置溅镀一层种子层,再将一层受光罩遮蔽经曝光及显影后形成一个预定形状的光阻膜设置在种子层上,令对应穿孔位置的种子层能被电镀增厚,接着将光阻膜去除,并进行蚀刻,令种子层未被增厚部分被去除,而保留部分则形成封闭导热球状物的导热封闭层,并与导热球状物共同构成基板的散热部,以供导热结合的发光二极管晶粒散热效率提升。
Description
【技术领域】
本发明是关于一种基板、及应用该基板的电路元件,尤其是指一种高导热基板及具该基板的发光二极管元件与制作方法。
【背景技术】
目前发光二极管(LED)已相当普及,不仅体积小、反应时间快、使用寿命长、亮度不易衰减、且耐震动,因此LED元件渐渐取代包括显示器背光光源、照相机闪光灯、交通号志、车头及车尾灯,甚至逐渐进入一般照明市场。然而,随着高功率LED照明设备的应用发展,较大驱动电流所伴随的高热问题,由于目前一般印刷电路板材料或半导体基板散热能力有限,如何避免高温所导致的电路元件劣化或寿命减损,就成为众所瞩目的问题。为能承受高亮度LED所发的大量热能,业界多选择耐高温的陶瓷基板或是具有高导热效率的铝基板作为LED晶粒的承载件。
其中,陶瓷基板的制作方式主要是将例如无机的氧化铝粉与约30%~50%的玻璃粉末加上有机黏结剂,使其混合均匀成为泥状的浆料,把已经成形好的散热金属料材埋藏其中,接着利用刮刀把浆料刮成片状,再经由一道干燥过程将片状浆料形成一片生胚,预埋的金属材料将构成一个可供电路元件设置并导热的散热柱,且在生胚表面成形金属线路,最后放置于烧结炉中将生胚与预成型的金属材料共同烧结成型。以铜为例,其导热系数约为400W/(m·K),相较之下,银与玻璃混合烧结的材料导热系数仅约50~80W/(m·K),可见预埋金属的导热性将远高于混合金属粉末的烧结陶瓷。
然而,烧结过程中的摄氏数百度高温,将导致生胚内部些许不均匀的位置因膨胀与收缩而产生偏差,使得最终制成的基板,实际尺寸及相对位置关系与原先预期规划不同,当电路元件逐步微型化,且电路板上的线路由毫米进入微米范围时,此种偏差将导致所产出的电路元件良率因而降低。
另一种增加基板导热效率的解决方案,是选用例如已经成型的氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)基板,钻出导通孔后,在导通孔内镶嵌一个金属散热柱,供电路元件设置其上;然而,此种事后镶嵌的金属材料往往不能与原先的陶瓷基板紧密结合,考量空气的导热系数甚至低于0.1W/(m·K),在镶嵌的金属与陶瓷基板间,只要存在有些许缝隙,就会导致热阻明显提升,导热性严重下降,使得用镶嵌方式形成金属导热柱的陶瓷基板,导热效率远低于原始设计。
尤其,采用镶嵌方式形成散热柱的过程无法批次制造,即使在大片基板上,也必须将金属导热柱以极其精密的机械手臂或人力,逐一塞入陶瓷基板的穿孔中,制造流程随之繁杂且缓慢,不仅令制作成本相对提高,产出效率同步降低。因此,如何使得散热柱成型位置的精度更高,提升基板的产出良率;且让制造过程更简单,令自动化成为可行,使制作成本降低;尤其可以确保基板的散热效能,让元件高发热的问题可以被确实解决,一举解决上述问题,将是本领域技术人员共同的期盼。
【发明内容】
本发明的一个目的在于提供一种具有一个精密结合的散热部、令发热电路元件受电产生的热能可被有效率导离的形成有散热部的高导热基板。
本发明的另一目的在于提供一种具有简易可靠的散热部的结构,提升产出效率、降低制作成本的形成有散热部的高导热基板。
本发明的又一目的在于提供一种制造过程可以自动化且批次制造,使得产出效率提升的形成有散热部的高导热基板。
本发明的再一目的在于提供一种制造精度可大幅提升,提高产出良率的形成有散热部的高导热基板。
本发明的更一目的在于提供一种具有高散热效率、增加元件使用寿命的发光二极管元件。
本发明的又另一目的在于提供一种结构简单、制造成本降低的发光二极管元件。
本发明的又再一目的在于提供一种形成有一个高散热效率散热部、令发热电路元件受电产生的热能可被有效率导离的高导热基板的制作方法。
本发明的再另一目的在于提供一种易于形成稳固散热部结构、提升产出效率与成品率的形成有散热部的高导热基板的制作方法。
依照本发明揭露的一种形成有散热部的高导热基板,是供设置一个具有一组致能端部的发热电路元件,该高导热基板包括:一个具有两个绝缘表面、且形成有至少一个贯穿前述绝缘表面的穿孔的基材;一个对应前述穿孔、供该电路元件导热接合的散热部,包括至少一个具有平滑表面、设置于前述穿孔中、且导热系数高于前述基板的导热球状物;及一层对应前述穿孔、且至少部分形成于前述绝缘表面、供将前述导热球状物固着及封闭于前述穿孔内的导热封闭层;该高导热基板还包括一组形成于前述绝缘表面、供该电路元件的前述致能端部导接的端电极。
而依照本发明揭示的一个发光二极管元件,包括:至少一个具有二致能端部的发光二极管晶粒;及一片高导热基板,包括:一个具有两个绝缘表面、且形成有至少一个贯穿前述绝缘表面的穿孔的基材;一个对应前述穿孔、供该发光二极管晶粒导热接合的散热部,具有至少一个具有平滑表面、设置于前述穿孔中、且导热系数高于前述基板的导热球状物;及一层对应前述穿孔、且至少部分形成于前述绝缘表面、供将前述导热球状物固着及封闭于前述穿孔内的导热封闭层;及该高导热基板还包括一组形成于前述绝缘表面、供该发光二极管晶粒前述致能端部导接的端电极。
而依照本发明揭示的一种形成有散热部的高导热基板的制作方法,是供设置一个具有一组致能端部的发热电路元件,该方法包括下列步骤:
a)在一片具有两个绝缘表面的陶瓷板中形成多个贯穿前述绝缘表面的穿孔;
b)于每一前述穿孔内分别导入一个具有平滑表面、且导热系数高于前述陶瓷板的导热球状物;
c)在至少一个前述绝缘表面上,形成至少一层对应前述穿孔的导热封闭层,供将前述导热球状物固着及封闭于前述穿孔内,令每一前述导热球状物及前述导热封闭层共同构成一个供电路元件设置的散热部;及
d)于前述绝缘表面形成多个供前述电路元件的前述致能端部导接的端电极。
由于本发明所揭示的高导热基板及具该基板的发光二极管元件与制作方法,是在一片陶瓷板的绝缘表面以钻孔机钻出多个贯穿的穿孔,利用导热球状物呈平滑表面的球状结构,可轻易地导引至各个穿孔中,甚至可在穿孔导引导热球状物的另一端以抽气的方式将导热球状物吸取导引至穿孔中,随后在绝缘表面于对应穿孔的开口处分别以例如溅镀的方式进行填孔以及形成一个导热封闭层,令导热球状物能与导热封闭层完全接触并共同形成一个散热部,以供发光二极管晶粒导热结合于散热部上,当发光二极管元件受电发光而产生的热量即可透过导热结合的散热部进行高效率的散热,由于散热部成型方式有别于公知技术,在制作上更加简单容易,令制作成本降低,对于产出效率亦可同步提升,且散热部成型位置的精度更高,穿孔间更不会有空隙产生,尤其可以确保基板的散热效能,让元件高发热的问题可以被确实解决,达成上述所有目的。
【附图说明】
图1是本发明的第一较佳实施例的高导热基板及具该基板的发光二极管元件的制作方法的流程图;
图2是本发明的第一较佳实施例的高导热基板及具该基板的发光二极管元件的陶瓷板的俯视图;
图3是图2的陶瓷板的侧视图;
图4是图3的陶瓷板上钻出穿孔的侧视图;
图5是图4的穿孔内设置一个导热球状物的侧视图;
图6是图5的陶瓷板上溅镀一层金属种子层的侧视图;
图7是图6的金属种子层上压印一层光阻膜的侧视图;
图8是图7的金属种子层受电镀及蚀刻后形成导热封闭层及接垫,且导热封闭层更与导热球状物共同构成一个散热部的侧视图;
图9是图8的散热部上焊接发光二极管晶粒,并将发光二极管晶粒的两个致能端部分别导接至接垫的侧视图;
图10是图9的基材置入模具中,并注入透明材质树脂于模穴内,形成覆盖发光二极管晶粒的保护层的侧视图;
图11是图10的陶瓷板沿脆弱部断裂分离成数排并堆叠,并溅镀及电镀各基材的两个端部,形成一对端电极的侧视图;
图12是图11的陶瓷板逐个分离而完成的发光二极管元件的侧视图;及
图13是本发明的第二较佳实施例的高导热基板及具该基板的发光二极管元件的穿孔呈相同孔径大小,且导热球状物是呈椭圆球形状的金属球体的侧视图。
【主要元件符号说明】
20 陶瓷板 21 基材
213 绝缘表面 210 脆弱部
215、215’ 穿孔 22 光阻膜
23、23’ 散热部 230、230’ 导热球状物
231 金属种子层 232、232’ 导热封闭层
24 端电极 240 接垫
25 发光二极管晶粒 26 保护层
3 模具 2151、2152 开口
【具体实施方式】
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效,在以下配合说明书附图的较佳实施例的详细说明中,将可清楚地呈现。
本发明高导热基板及具该基板的发光二极管元件与制作方法如图1所示,一开始如步骤101,将一片如图2及图3所示的陶瓷板20预切割成多个彼此连结的基材21,其材质可选自氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、硅、或共烧陶瓷的集合制成,且基材21具有两个绝缘表面213,且两个绝缘表面213呈彼此相对,而在各基材21间分别形成有一个V型凹沟的脆弱部210,供未来分离各基材21之用。当然,如熟于此技术领域者所能轻易理解,要将基板上的所有元件分离,未必局限于在此步骤中形成脆弱部,亦可在大致制造完成后,单纯以例如激光切割等方式分离,并无不可。
接下来如步骤102,并如图4所示,以钻孔机将基材21钻出一个贯穿绝缘表面213的穿孔215,且穿孔215形成有上孔径大于下孔径的两个孔径大小不同的开口2151、2152,再来如步骤103,并如图5所示,将多个符合目前穿孔215数量且导热系数高于基材21的导热球状物230放置在基材21的绝缘表面213上,而本例的导热球状物230的材质可选自以铜、银、金、钛、钛合金、镍、镍合金、铝、铝合金、铁、不锈钢及镍铬合金所构成的集合。
接下来如步骤104,于基材21的另一侧面放置一台空气吸引机,并进行空气的施加负压力量抽取,在本例中,导热球状物230是一个呈圆球形状的具有平滑表面的金属球体,因此放置在绝缘表面213上的导热球状物230可以拨扫的方式轻易推入至各个穿孔215中,而受到穿孔215另一端的负压抽吸,更可轻易地被吸入导引至穿孔215内,由于本例的导热球状物230的球径大于穿孔215较小的开口,因此导热球状物230被吸入穿孔215内后不会从另一端的开口掉落出。
接着再如步骤105,一并参考如图5及图6所示,于基材21的两个绝缘表面213上分别溅镀一层金属种子层231,而且导热球状物230从穿孔215的两个开口露出的部分同样被金属种子层231溅镀,令穿孔215置入导热球状物230尚未被填满的空间被金属种子层231充分的填满,接下来如步骤106,并如图7所示,于金属种子层231上压印一层光阻膜22,再于光阻膜22上设置一个部分遮蔽及部分曝露光阻膜22的光罩,再进行曝光及显影作业,令受到曝光的光阻膜22改变相结构,并保留在金属种子层231上。
接着如步骤107,对金属种子层231进行电镀及蚀刻作业,再将剩余光阻膜22去除,使得金属种子层231形成一层如图8所示,对应各个穿孔215的导热封闭层232,使得导热球状物230能够被固着及封闭于穿孔215内,令导热封闭层232与导热球状物230共同构成一个散热部23,而对应基材21的两个端缘的位置则形成多个接垫240,而在此一步骤即已先完成本发明的形成有散热部23的高导热基板。
接下来如步骤108,并如图9所示,将一个例示为发光二极管晶粒25的发热电路元件以导热接合方式焊接至散热部23上,再将发光二极管晶粒25的两个致能端部分别导接至接垫240,再如步骤109,并如图10所示,将尚未被分离的诸多基材21共同置入一个模具3中,且模具3内形成有多个分别对应各基材21的预定形状模穴,并向模穴中注入透明材质树脂,经过一定时间后将模具3卸除,即会形成一层在结合至各基材21上并覆盖发光二极管晶粒25的保护层26,在本例中,保护层26是以一透光材质制成,供内部所保护的发光二极管晶粒25所发光束透出。当然,保护层26的制作可视需求仅将对应发光二极管晶粒25的部分为透明材质,而其于部分则是为不透光材质;或者当内部设置蓝光LED时,在保护层内混入例如黄光萤光粉,而构成白光LED。
接着再如步骤110,一并参考如图11所示,将整片陶瓷板20沿图2所示的脆弱部210以上下方向处断裂分离成数排并堆叠,令各基材21的两个端部暴露在图式左右外侧,再以溅镀并电镀导接至上、下两侧面的接垫240,并形成一对端电极24,最后再如步骤111,将各基材21逐一分离成颗粒,就形成如图12所示的发光二极管元件。
当然,本例中的穿孔及导热球状物更可如图13所示,其中穿孔215’形成的两个开口的孔径是呈相同的大小,而导热球状物230’更可以是一个呈椭圆球形状的非金属导热球体,其材质可以是氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)或氮化铜(CuN3)的集合所制成,在制作时可将导热球状物230’嵌设于穿孔215’中间位置,再利用导热封闭层232’令导热球状物230’被固着及封闭于穿孔215’内,可共同构成具有同样功效的散热部23’。
由于本发明所揭示的高导热基板及具该基板的发光二极管元件与制作方法,仅需将导热球状物导引至穿孔中,随后再藉由导热封闭层将导热球状物固着及封闭于穿孔内,即可共同构成一个散热部,制程容易、结构简单、成本随之降低;尤其是在进行大量的批次作业时,产出效率可明显提升;且散热部成型位置的精度更高,而散热柱与散热部间更不会有空隙产生,可以确保基板的散热效能,提升产品成品率,一并达成所有上述的目的。
以上所述仅本发明的较佳实施例而已,当不能以此限定本发明实施的范围,即凡依本发明申请权利要求书及说明书内容所作简单的等效变化与修饰,皆仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种形成有散热部的高导热基板,是供设置一个具有一组致能端部的发热电路元件,该高导热基板包括:
一个具有两个绝缘表面、且形成有至少一个贯穿前述绝缘表面的穿孔的基材;
一个对应前述穿孔、供该电路元件导热接合的散热部,包括
至少一个具有平滑表面、设置于前述穿孔中、且导热系数高于前述基板的导热球状物;及
一层对应前述穿孔、且至少部分形成于前述绝缘表面、供将前述导热球状物固着及封闭于前述穿孔内的导热封闭层;及
一组形成于前述绝缘表面、供该电路元件的前述致能端部导接的端电极。
2.如权利要求1所述的高导热基板,其中前述导热球状物是金属球体,其中该金属球体是选自以铜、银、金、钛、钛合金、镍、镍合金、铝、铝合金、铁、不锈钢及镍铬合金所构成的集合。
3.如权利要求1所述的高导热基板,其中前述导热球状物是非金属导热球体,其中该非金属导热球体是选自以氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)或氮化铜(CuN3)所构成的集合。
4.如权利要求1所述的高导热基板,其中前述穿孔在该基材的两个绝缘表面处分别形成有两个孔径大小不同的开口。
5.如权利要求1所述的高导热基板,其中该散热部更包括一组形成于该导热封闭层上、供前述电路元件接触设置的接垫。
6.如权利要求1、2、3或4所述的高导热基板,其中该基材是选自氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、硅、或共烧陶瓷的集合。
7.一个发光二极管元件,包括:
至少一个具有二致能端部的发光二极管晶粒;及
一片高导热基板,包括:
一个具有两个绝缘表面、且形成有至少一个贯穿前述绝缘表面的穿孔的基材;
一个对应前述穿孔、供该发光二极管晶粒导热接合的散热部,具有
至少一个具有平滑表面、设置于前述穿孔中、且导热系数高于前述基材的导热球状物;及
一层对应前述穿孔、且至少部分形成于前述绝缘表面、供将前述导热球状物固着及封闭于前述穿孔内的导热封闭层;及
一组形成于前述绝缘表面、供该发光二极管晶粒前述致能端部导接的端电极。
8.如权利要求7所述的发光二极管元件,其中该高导热基板更包括一层覆盖该发光二极管晶粒、并结合至前述基材的保护层,且该保护层至少对应该发光二极管晶粒部分为透明材质。
9.一种形成有散热部的高导热基板的制作方法,是供设置一个具有一组致能端部的发热电路元件,该方法包括下列步骤:
a)在一片具有两个绝缘表面的陶瓷板中形成多个贯穿前述绝缘表面的穿孔;
b)于每一前述穿孔内分别导入一个具有平滑表面、且导热系数高于前述陶瓷板的导热球状物;
c)在至少一个前述绝缘表面上,形成至少一层对应前述穿孔的导热封闭层,供将前述导热球状物固着及封闭于前述穿孔内,令每一前述导热球状物及前述导热封闭层共同构成一个供电路元件设置的散热部;及
d)于前述绝缘表面形成多个供前述电路元件的前述致能端部导接的端电极。
10.如权利要求9所述的高导热基板的制作方法,其中该步骤b)是在该陶瓷板的一侧面施加负压,使得上述导热球状物分别落入前述穿孔中;且该方法更包括在步骤d)后,将陶瓷板分离为多个前述高导热基板的步骤e)。
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