TW201705825A

TW201705825A - 用於發光半導體裝置封裝之多層基材

Info

Publication number: TW201705825A
Application number: TW105105989A
Authority: TW
Inventors: 萊維潘菈尼西娃
Original assignee: ３Ｍ新設資產公司
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2017-02-01
Also published as: CN208657154U; WO2016153644A1; US20180084635A1

Abstract

一種用於附接一發光半導體裝置之撓性多層基材包括：一第一介電層；一電路層，其在該第一介電層上；一第一熱傳導層，其在該電路層上；一非連續金屬支撐層，其具有穿過其之複數個開口，該非連續金屬支撐層設置於該第一熱傳導層上；及一第二熱傳導層，其在該支撐層上。該撓性多層基材進一步包括延伸穿過該第一介電層的複數個傳導導通孔，使得該電路層與該複數個傳導導通孔連通。該第一熱傳導層及該第二熱傳導層在該等開口中接觸。

Description

用於發光半導體裝置封裝之多層基材

發光半導體裝置(LESD)(包括發光二極體(LED)及雷射二極體)在操作期間可產生必須適當管理的實質量之熱，否則這些裝置之效能會受限或效能變差。一般而言，如果未適當管理熱，則LESD易於因積聚自裝置內產生之熱以及自日光產生之熱(在室外照明應用之情況中)而造成損壞。過度的熱積聚可劣化LESD中使用的材料，諸如囊裝材料(encapsulant)。當LESD附接至撓性電路層壓體(laminate)(其亦可包括其他電性組件)時，熱耗散問題大幅增加。

用於表面安裝(SM)LESD之具成本效益的熱管理係現今電子產業面臨的重大挑戰。SM LESD必須具備一晶粒層級熱管理解決方案以及一驅動電路熱管理解決方案。習用SM LESD封裝解決方案將驅動電路系統置於一FR4印刷電路板(PCB)或一金屬芯PCB(MCPCB)上。一般而言，這兩種基材可包括相對厚的介電層，其會減少所得裝置之熱耗散能力。在一些情況中，將撓性電路用於LESD。通常使用雙面黏著劑或熱熔黏著劑將這些撓性電路封裝附接至一鋁散熱器。然而，這些黏著劑可增加封裝之熱阻抗並且降低LESD之效率。據此，持續需要改良LESD封裝之撓性多層基材之設計，以改良LESD封裝之熱耗散性質。

根據本發明之一第一實施例，一種用於附接一發光半導體裝置之撓性多層基材包括：一第一介電層，其具有一第一側及一第二側；一電路層，其設置於該第一介電層之該第二側上；一第一熱傳導層，其經設置於該電路層上、與該第一介電層對立；一非連續金屬支撐層，其設置於該第一熱傳導層上、與該電路層對立；及一第二熱傳導層，其設置於該支撐層上、與該第一熱傳導層對立。該撓性多層基材進一步包括複數個傳導導通孔，該等傳導導通孔自該第一介電層之該第一側延伸至該第二側，其中該電路層與該複數個傳導導通孔連通。該非連續金屬支撐層為電性連續且包括延伸穿過該非連續金屬支撐層之一開口陣列，使得在穿過該非連續金屬支撐層之該等開口中該第二熱傳導層接觸該第一熱傳導層。

在一第二例示性態樣中，一種用於附接一發光半導體裝置之撓性多層基材包含一撓性電路結構、複數個傳導導通孔及一電路層，該撓性電路結構具有一第一介電層，該第一介電層具有一第一側及一第二側，該複數個傳導導通孔自該第一介電層之該第一側延伸至該第二側，該電路層設置於該第一介電層之該第二側上；及一隔離結構，其經組態成用以保護該電路層且附接該撓性電路結構至一輔助基材。該隔離結構包含：一第一熱傳導層；一非連續金屬支撐層，其設置於該第一熱傳導層上、與該電路層對立，其中該非連續金屬支撐層為電性連續且包括延伸穿過該非連續金屬支撐層之一開口陣列；及一第二熱傳導層，其設置於該支撐層上、與該第一熱傳導層對立，其中在穿過該非連續金屬支撐層之該等開口中該第二熱傳導層接觸該第一熱傳導層。

以上本發明之【發明內容】並非意欲說明本發明之各闡釋的實施例或是每個實作。以下的圖式及【實施方式】更具體地舉例說明這些實施例。

100‧‧‧撓性多層基材

105‧‧‧電路部分

110‧‧‧第一介電層；介電層

111‧‧‧第一側

112‧‧‧第二側

120‧‧‧傳導導通孔；導通孔

125‧‧‧導通孔插塞

130‧‧‧電路層

132‧‧‧經圖案化傳導特徵或跡線；傳導特徵

140‧‧‧隔離結構

150‧‧‧第一熱傳導層

160‧‧‧非連續金屬支撐層

170‧‧‧第二熱傳導層

180‧‧‧熱擴散器或散熱器

190‧‧‧發光半導體裝置(LESD)

192‧‧‧接觸件

將進一步參考附圖描述本發明，其中：圖1係根據本發明之一實施例之一種用於附接一發光半導體裝置之撓性多層基材之示意圖。

雖然本發明可具有各種修改與替代形式，但已在圖式中以實例方式顯示其中細節且將詳細描述。不過，應瞭解，並未意圖將本發明限制於所描述的具體實施例。相反地，本發明應涵蓋所有落於如隨附申請專利範圍所定義的本發明之範疇內之修改例、均等例與替代例。

在下列說明中，參考了一組構成本文說明一部分的附圖，並且其中利用圖解方式顯示數個具體實施例。需瞭解的是，其他實施例係經設想並可加以實現而不偏離本發明的範疇或精神。因此，以下之詳細敘述並非作為限定之用。

除非另有所指，本說明書及申請專利範圍中用以表示特徵之尺寸、數量、以及物理特性的所有數字，皆應理解為在所有情況下以「約(about)」一詞修飾之。因此，除非另有相反指示，否則在前述說明書以及隨附申請專利範圍中所提出的數值參數係近似值，其可依據所屬技術領域中具有通常知識者運用本文所揭示之教示所欲獲得的所欲特性而有所不同。

除非另有所指，用語「塗佈」(coat/coating/coated)及類似者非限於一特定類型塗敷方法，諸如噴塗(spray coating)、浸塗(dip coating)、覆塗(flood coating)等，且可指藉由適合所述之材料的任何方法沉積的材料，包括諸如氣相沉積方法、電鍍方法、塗佈方法等沉積方法。

用語「LESD」意指發光半導體裝置，包括發光二極體裝置及雷射二極體裝置；LESD可係裸LES晶粒構造、完整封裝之LES構造、或中間LES構造(包含多於裸晶粒、但少於用於一完整LES封裝之所有組件者)，使得可交換使用用語LES及LESD且係指不同LES構造之一者或全部；「離散LESD(discrete LESD)」一般指「經封裝」且一旦連接至電源即準備好運作的一或多個LESD，諸如包括金屬芯印刷電路板(MCPCB)、金屬絕緣基材(MIS)等之驅動電路。可適合在本發明之實施例中使用之離散LESD之實例包括：可購自OSRAM Opto Semiconductors GmbH(Germany)的Golden DRAGON LED；可購自Philips Lumileds Lighting Company(USA)的 LUXEON LED；及可購自Cree，Inc.(USA)的XLAMP LED，以及本文所述之離散LESD及類似裝置。

「撓性多層基材(Flexible multilayer substrate)」意指一或多個離散LESD可附接至其之經電路化撓性物品，其為附接至其之LESD提供熱管理及驅動電路系統；本發明之支撐物品的市售替代物可包括金屬芯印刷電路板(MCPCB)、金屬絕緣基材(MIS)，Bergquist熱板(thermal board)，及COOLAM熱基材。

如本文所述之本發明之例示性實施例可係關於一種包含經金屬填充之導通孔的撓性多層基材，該等導通孔一路延伸穿過一第一介電層，藉此提供穿過該第一介電層的一電性與熱傳導路徑。該例示性撓性多層基材係可用於一單一LESD或一多LESD封裝的一單金屬層(one metal layer)設計。

圖1中展示用於LESD封裝應用之一例示性撓性多層基材。撓性多層基材100包括一電路部分105及設置於該電路部分上之一隔離結構140。該電路部分包括：一第一介電層110，其具有一第一側111及一第二側112，第一介電層110具有自第一側111至第二側112延伸穿過該第一介電層的複數個傳導導通孔120；及一電路層130，其設置於該第一介電層之該第二側上，電路層130包括經圖案化傳導特徵或跡線132。隔離結構140可設置於該電路層上、與該第一介電層對立。隔離層保護該電路層並且致能撓性多層基材附接至一輔助基材，諸如一熱擴散器或一散熱器180。

電路層130可由在下列材料形成：銅、鍍銀之銅、鍍金之銅，金或其他適合的材料，材料係形成於該第一介電層之第二側上。可藉由習用加成程序(additive process)、減成法程序(subtractive process)或混合式程序形成該電路層。

隔離結構140包括：一第一熱傳導層150；一非連續金屬支撐層160，其設置於該第一熱傳導層上；及一第二熱傳導層170，其設置於該支撐層上、與該第一熱傳導層對立。隔離結構140附接至電路部分105，使得該第一熱傳導層相鄰於該電路層。該非連續金屬支撐層為電性連續且包括延伸穿過該金屬支撐層之一開口陣列，使得在穿過該非連續金屬支撐層之該等開口中該第二熱傳導層接觸該第一熱傳導層。

可藉由一已知晶粒接合方法(諸如共熔、焊接、電性傳導黏著劑、熔焊(welding)及熔合接合(fusion bonding))，將一LESD190直接或間接附接至在第一介電層110之第一側111上的導通孔120之頂部表面。在一例示性態樣中，LESD 190包括在該LESD之一底部側上的複數個接觸件192，其中該複數個接觸件之各者直接接合至設置在穿過該第一介電層的該導通孔中的一傳導導通孔插塞之一圓頂表面。導通孔120一般提供至電路層130的至少一電性連接且可選地提供用於熱耗散之一熱連接。在一些實施例中，熱傳導囊裝材料(圖中未展示)可施配於該LESD與該第一介電層及該等傳導導通孔之間，以增強使熱離開該LESD之熱轉移。

在一例示性態樣中，第一介電層110係一撓性聚合物膜或具有自約0.5密耳至約5.0密耳之一厚度的其他適合材料。該第一介電層的適合材料包括聚酯、聚碳酸酯、液晶聚合物及聚醯亞胺。聚醯亞胺係較佳的。適合的聚醯亞胺包括下列者：可購自DuPont之商品名稱為KAPTON者；可購自Kaneka Texas corporation之商品名稱為APICAL者；可購自SKC Kolon PI Inc.之商品名稱為SKC Kolon PI者；及可購自Ube-Nitto Kasei Industries(Japan)之商品名稱為UPILEX及UPISEL者。最較佳者係可購自Ube-Nitto Kasei Industries之商品名稱為UPILEX S、UPILEX SN及UPISEL VT之聚醯亞胺。這些聚醯亞胺自諸如聯苯四羧酸二酐(biphenyl tetracarboxylic dianhydride(BBDA))及苯基雙胺(phenyl diamine(PDA))單體所製成。在至少一實施例中，該介電層之厚度較佳地係50微米或以下，但可係適合用於一特定應用的任何厚度。

一開始可用一傳導層包覆該第一介電層之一側。可藉由減成蝕刻程序將該傳導層形成為用於待安裝在該撓性多層基材上的LESD之驅動電路系統。替代地，一光可成像層可設置於該第一介電層之該一側上。該光可成像層可經圖案化及顯影以致能藉由加成電鍍程序形成該驅動電路系統於該第一介電層上。傳導層可係任何適合的材料，包括銅、金、鎳/金、銀及不銹鋼，但一般係銅。可依任何適合方法塗敷傳導層，諸如濺鍍、電鍍、化學氣相沉積，或可將傳導層層壓至介電層或用黏著劑附接。

導通孔120延伸穿過介電層110且可係任何適合的形狀，例如，圓形、橢圓形、矩形或類似者。可使用任何適合的方法形成導通孔於第一介電層中，諸如化學蝕刻、電漿蝕刻、聚焦離子束蝕刻、雷射剝蝕、壓紋、微複製、射出模製、及衝孔。在一些實施例中，化學蝕刻可係較佳的。可使用任何適合的蝕刻劑，且蝕刻劑可取決於使用的介電層材料類型而變化。適合的蝕刻劑可包括：鹼金屬鹽，例如氫氧化鉀；含增溶劑(例如胺及乙醇，諸如乙二醇)之一或兩者之鹼金屬鹽。用於本發明之一些實施例的適合化學蝕刻劑包括KOH/乙醇胺/乙二醇蝕刻劑，諸如美國專利公開案第2007-0120089-A1號中更詳述者，該案以引用方式併入本文中。用於本發明之一些實施例的其他適合的化學蝕刻劑包括KOH/甘胺酸蝕刻劑，諸如同在審查中之美國專利公開案第2013-0207031號中更詳述者，該案以引用方式併入本文中。繼蝕刻後，可用鹼性KOH/過錳酸鉀(PPM)溶液(例如，約0.7至約1.0wt.% KOH及約3wt.% KMnO₄之溶液)處理介電層。

導通孔120可經形成為具有傾斜或有角度之側壁，使得各導通孔120之特徵為在該第一介電層之該第一側的一第一寬度及在該第一介電層之該第二側的一第二寬度。為了本申請案之目的，一傾斜側壁意指側壁非垂直於該第一介電層之水平平面。在一例示性態樣中，該第一寬度可大於該第二寬度。導通孔之側壁依自約20度至約80度之一角度、較佳地依自約20°至約45°之一角度、及更較佳地依自約25°至約35°之一角度傾斜離開該第一介電層之該第二側之表面。

導通孔120之傾斜側壁可比具有90°側壁的導通孔含有更多的傳導材料。例如，與介電層110之第二側112上之一傳導特徵132相鄰的一導通孔之開口一般受限於彼傳導特徵之大小；然而，藉由採用傾斜導通孔側壁，在該導通孔之對立端處(即，在該介電層之第一側111處)之開口可擴大至一最佳大小，使得該導通孔可含有較大量傳導材料(以轉移更多熱離開LESD)，並且此開口處的傳導具有一大表面面積，其可更有效率介接一熱轉移或熱吸收材料，諸如一熱傳導灌封材料或一金屬基材，其可附接至介電層及經填充傳導導通孔。另外，導通孔之較大表面面積致能放寬在撓性多層基材100上的LESD之置放容許差度。最後，在焊料回流期間，導通孔壁之斜率輔助保持焊料，防止焊料流動至相鄰焊料墊。

各導通孔120包括設置於其中之一傳導材料。該傳導材料形成實質上填充導通孔的導通孔插塞125。導通孔插塞可自該第一介電層之該第二側(其連接電路層130處)延伸至在該第一介電層之該第一側處或附近之一位置，並且可具有經設置成相鄰於該第一介電層之該第一側的一圓頂表面。導通孔插塞可大致上描述為一截錐體(兩個水平平面之間之錐體之實心)形狀金屬特徵部，其在該第一介電層之該第一側附近具有一稍微圓頂表面、或稍微的碗形狀(即，中心係凹形)。在一例示性態樣中，該圓頂表面之一部分可凸起成高於藉由該第一介電層之該第一側之該表面界定的平面。

傳導導通孔插塞125可由下列形成：高溫錫鉛銲料、電鍍之銅、電鍍之鎳、或符合所選定應用之傳導率及機械需求的另一電性傳導材料。在一例示性態樣中，可藉由自該第一介電層之該第一側加成電鍍金屬至開口中來形成傳導導通孔插塞。替代地，可使用焊料回流程序以形成傳導導通孔插塞。傳導導通孔致能LESD 190至該撓性多層基材之電路層130的可靠電性連接。

在一例示性態樣中，該隔離結構之該非連續金屬支撐層可係一撓性熱散佈材料，諸如經穿孔金屬箔、金屬網格及類似者。在由一撓性熱散佈材料構成之一支撐層中，熱可側向散佈，使得在該非連續金屬支撐層之該第二側上有較大熱轉移面積，其可增加並改良與該非連續金屬支撐層相關聯的熱轉移效率及該撓性多層基材之整體熱效能。取決於特定實施例中，熱可經由傳導在Z方向上自支撐層轉移至該第二熱傳導層。

大致上而言，撓性熱散佈材料可指且包括各式各樣金屬材料，該等金屬材料具有等於或大於厚度為20密耳之衝壓鋁片材的撓性、及/或具有等於或大於厚度為15密耳之衝壓銅片材等的撓性。

在一例示性態樣中，該非連續金屬支撐層被穿孔，使得其具有一連續熱及電性傳導金屬矩陣(matrix)部分，其具有經設置成穿過其之一規則開口陣列。該第一熱傳導層及該第二熱傳導層可透過該非連續金屬支撐層中之該等開口而直接接觸。在其中該第一熱傳導層及該熱傳導層係由相同熱傳導材料形成的一例示性態樣中，在該支撐層中之開口內可排除介於該第一熱傳導層與該熱傳導層之間之熱介面，其可改良具有一經穿孔支撐層之一撓性多層基材之熱轉移效能。

該第一熱傳導層及/或該第二熱傳導層可係任何適合的絕緣熱介面材料。大致上而言，熱介面材料包含設置在一聚合接合劑中之熱傳導但非電性傳導之填料。例示性熱傳導填料包括氮化硼、鋁氧化物、氧化鎂、結晶二氧化物矽、氮化矽、氮化鋁、碳化矽、氧化鋅及類似者，而例示性聚合接合劑可包括聚矽氧接合劑、環氧樹脂接合劑、丙烯酸接合劑等。熱傳導層可作為液體、膏、凝膠、固體等塗敷至撓性多層基材。用於塗敷熱介面材料的適合方法取決於具體熱介面材料之性質，但包括精密塗佈、施配、網版印刷、層壓等。

在一替代態樣中，該隔離結構可經預形成且在分段(piecewise)或連續卷對卷(roll to roll)程序中層壓至該撓性電路結構。用於固化可固化熱介面材料的適合方法包括UV固化、熱固化等。

在一例示性態樣中，該第一熱傳導層可係可用於接合該隔離結構於該撓性電路結構之該電路層上方的一熱接合、熱傳導黏著劑。在另一態樣中，該第二熱傳導層可係可用於接合該撓性多層基材至一散熱器或其他熱擴散器之基底的一熱接合、熱傳導黏著劑。在一替代態樣中，第一熱傳導層及/或第二熱傳導層非必須具有黏著劑性質，在此情況中，可使用一輔助熱傳導黏著劑以接合該隔離結構至該撓性多層基材之該撓性電路結構及/或接合該撓性多層基材至一散熱器或其他熱擴散器。

該撓性多層基材在LESD封裝應用中使用時可提供下列優點。本發明之撓性多層基材可減小一離散發光裝置之整體熱阻。本發明之含有傳導材料之導通孔提供極佳的Z軸熱傳導性。導通孔之大小、隔離結構之非連續金屬支撐層之多孔性可經調適以提供最佳熱阻值。因為該撓性多層基材係單金屬層結構，所以與雙金屬層基材相比較時，該撓性多層基材可提供在LESD封裝應用中使用之較便宜的基材，且不犧牲熱效能。此外，本發明之具有LESD之撓性多層基材可排除與習用LED基台(submount)相關聯的成本。本發明之撓性LESD可為目前及未來的高功率LESD構造提供有力、具成本效益的熱管理解決方案。

對本發明目標對象的所屬技術領域中具有通常知識者而言，檢視說明書後可適用於本發明的各種修改、等效程序，以及許多結構將顯而易見。