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TWI499100B - 發光二極體載體組合及其製造方法 - Google Patents

發光二極體載體組合及其製造方法 Download PDF

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TWI499100B
TWI499100B TW101115723A TW101115723A TWI499100B TW I499100 B TWI499100 B TW I499100B TW 101115723 A TW101115723 A TW 101115723A TW 101115723 A TW101115723 A TW 101115723A TW I499100 B TWI499100 B TW I499100B
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led
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葉偉毓
柯佩雯
孫志璿
傅學弘
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Description

發光二極體載體組合及其製造方法
本發明係有關於一種積體電路，特別是有關於一種發光二極體(LED)載體。
高功率發光二極體(LED)，例如在一單一封裝中具有10W或更高功率的發光二極體已被廣泛地應用，且未來預期產生具有更高功率的發光二極體(LED)。發光二極體(LED)中部分電流會轉換為熱取代光。若熱未移除，則發光二極體(LED)將在高溫下運作，如此，將降低發光二極體(LED)效率。因此，高功率發光二極體(LED)的熱管理(thermal management)成為一重要課題。在部分發光二極體(LED)中，由於氮化鋁(AlN)為一具有高熱傳導(大於150W/mK)與較佳絕緣性(大於10kV/mm)材料，遂將氮化鋁用於發光二極體(LED)載體上。然而，氮化鋁所費不貲且因材料易脆特性致組合困難。
根據部分實施例，本發明提供一種發光二極體(LED)載體組合，包括：一發光二極體(LED)晶粒，安裝於一矽基板上；一中間層，具有導熱性與絕緣性，設置於該矽基板下方；以及一印刷電路板(PCB)，設置於該中間層下方，其中該中間層連接該矽基板與該印刷電路板(PCB)。
根據部分實施例，本發明提供一種發光二極體(LED)載體組合之製造方法，包括：將一發光二極體(LED)晶粒接合至一矽基板；將該矽基板接合至一中間層，該中間層具有導熱性與絕緣性；以及將該中間層接合至一印刷電路板(PCB)。
根據部分實施例，本發明提供一種發光二極體(LED)載體組合，包括：一發光二極體(LED)晶粒，安裝於一矽基板上；一中間層，具有導熱性與絕緣性，設置於該矽基板下方；一印刷電路板(PCB)，設置於該中間層下方；以及一散熱層(heat sink layer)，設置於該印刷電路板(PCB)下方，其中該中間層連接該矽基板與該印刷電路板(PCB)，至少一第一介層窗(via)穿過該印刷電路板(PCB)連接至該散熱層，以及至少一第二介層窗穿過該中間層連接至該印刷電路板(PCB)。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
第1圖係根據部分實施例，一種發光二極體(LED)載體組合之示意圖。發光二極體(LED)載體組合100顯示一發光二極體(LED)晶粒102，安裝於一矽基板104上。發光二極體(LED)晶粒102可為任何包括不同材料的彩色發光二極體(LED)，例如，發光二極體(LED)晶粒102可包括藍/綠色彩的氮化鎵，黃/紅色彩的磷化鋁銦鎵等。發光二極體(LED)晶粒102可具有不同尺寸(可大於或小於4×4mm2 )，不同厚度(可大於或小於100μm)。
矽基板104可結合一具有一複雜矽電路的發光二極體(LED)晶粒102的發光二極體(LED)製程。利用一成熟的半導體技術將電路製作於矽基板104上可視為相對簡單。可根據矽製程製作一具有發光二極體(LED)或其他感測器電路的複雜積體電路。矽基板104可具有不同厚度(可大於或小於400μm)。
利用一共晶接合(eutectic bonding)或一焊料層106將矽基板104接合至一導熱襯墊(thermal pad) 108與一電性襯墊(electrical pad) 110。共晶接合或焊料層106可例如為具有厚度約2μm的鎳/金或金/錫合金。其他實施例中，亦可使用直接接合(direct bonding)或其他接合技術。習知技術已揭露多種接合製程與產品規格。導熱襯墊108可包括具有厚度約10~14μm的銅/鎳/金合金，其用來作為自發光二極體(LED)晶粒102至下方層的有效熱傳導。電性襯墊110可包括具有厚度約10~14μm的銅/鎳/金合金，其用來作為發光二極體(LED)晶粒102的電性連接，例如作為陰極或陽極。一銅覆蓋層(copper clad layer) 112可包括具有厚度約35~200μm的銅。
一中間層114具有導熱性(例如大於20W/mK)與絕緣性(例如大於10kV/mm)。根據具有高功率/熱密度的矽基板104，為有效管理發光二極體(LED)晶粒102的熱性質(例如熱)，將發光二極體(LED)晶粒102置於一具有較佳熱管理與絕緣特性的載體上是必要的。可使用具有厚度約1~2mm各種材料，例如氮化鋁、氧化鋁、鑽石或其任意組合或任何其他適合材料。
介層窗(或貫穿孔(through holes)) 116用來作為貫穿中間層114的電性連接。介層窗116可包括銅、金、銀或任何其他適合材料(填入)。另一共晶接合或焊料層118將中間層114(與介層窗116)接合至另一銅覆蓋層120。共晶接合或焊料層118可包括鎳、金或任何其他適合材料。共晶接合或焊料層118可包括多層，例如可同時使用一具有厚度約3.81μm的鎳層與一具有厚度約0.0508μm的金層。其他實施例中，亦可使用直接接合或其他接合技術。習知技術已揭露多種接合製程與產品規格可用來接合中間層114與其他銅覆蓋層120。
銅覆蓋層120可包括具有厚度約35~200μm的銅。一絕緣層122可為一導熱介電層(例如具有導熱性約0.5~8W/mK)或一具有厚度約35~200μm的低導熱性環氧樹脂。另一介層窗(或貫穿孔) 124可包括銅、金、銀或任何其他適合材料(填入)，以傳送熱。一金屬核心層(metal core layer) 126可包括具有厚度約0.8~5mm的銅、鋁或任何其他適合材料。
在此實施例中，銅覆蓋層120、絕緣層122與金屬核心層126為一金屬核心印刷電路板(metal core PCB,MCPCB) 119的一部分。介層窗124用來作為貫穿金屬核心印刷電路板(MCPCB) 119的熱傳導。金屬核心印刷電路板(MCPCB) 119可維持高崩潰電壓。在不同實施例中，可使用不同的印刷電路板(PCB)，例如FR-4印刷電路板(FR-4 PCB)、鋁基金屬核心印刷電路板(Al-based MCPCB)或銅基金屬核心印刷電路板(Cu-based MCPCB)或任何其他種類的印刷電路板(PCB)。印刷電路板(PCB)允許發光二極體(LED)模組的簡單設置。
在使用直接型金屬核心印刷電路板(direct-type MCPCB)的實施例中，印刷電路板(PCB)可不具有作為絕緣層122的介電層，僅具有銅覆蓋層120與金屬核心層126(例如鋁基板)。直接型金屬核心印刷電路板(direct-type MCPCB)有利於更快速的熱傳導。利用印刷電路板(PCB) 119作為發光二極體(LED)載體的底部，可製作較小的中間層114尺寸，以符合發光二極體(LED)晶粒102的尺寸，降低成本，代替使用中間層114相同材料作為整個發光二極體(LED)載體。
一散熱層128可包括鋁、銅、銀、鐵或其任意組合或任何其他適合材料。散熱層128的尺寸取決於產品規格(例如多少功率或熱、溫度需求等)，例如一10W的發光二極體(LED)源可能須要10,000mm2 的熱分散方形尺寸。
第2A~2C圖係根據部分實施例如第1圖所示，一種發光二極體(LED)載體組合製造步驟之示意圖。第2A圖中，利用一接合層103將發光二極體(LED)晶粒102接合至矽基板104。接合層103包括一導熱與電性襯墊接合。
第2B圖中，利用一接合層105將矽基板104接合至中間層114(與介層窗116)。接合層105包括一導熱與電性襯墊接合。接合層105對應至第1圖中的共晶接合或焊料層106、導熱襯墊108、電性襯墊110與銅覆蓋層112。
第2C圖中，利用一接合層115將中間層114(與介層窗116)接合至一包括絕緣層122、介層窗124與金屬核心層126的印刷電路板(PCB)。接合層115包括一導熱與電性襯墊接合。接合層115對應至第1圖中的共晶接合或焊料層118與銅覆蓋層120。
第3圖係根據部分實施例如第1圖所示，一種發光二極體(LED)載體組合製造方法之流程圖。步驟302中，將一發光二極體(LED)晶粒接合至一矽基板。可使用共晶接合、直接接合或其他接合技術。習知技術已揭露多種接合製程與產品規格可應用於步驟302。步驟304中，將矽基板接合至一具有導熱性與絕緣性的中間層。步驟306中，將中間層接合至一印刷電路板(PCB)。
在不同實施例中，將印刷電路板(PCB)接合至一散熱層。至少一介層窗(或貫穿孔，例如填入銅)穿過印刷電路板(PCB)連接至散熱層。散熱層包括鋁、銅、銀、鐵或其任意組合。形成至少一介層窗(或貫穿孔，例如填入銅)穿過中間層連接至印刷電路板(PCB)。於中間層上方形成一銅覆蓋層。於銅覆蓋層上方形成一導熱襯墊或一電性襯墊。上述至少一介層窗穿過中間層連接至銅覆蓋層。
根據部分實施例，一發光二極體(LED)載體組合包括一發光二極體(LED)晶粒，安裝於一矽基板上，一中間層，具有導熱性與絕緣性，設置於矽基板下方，以及一印刷電路板(PCB)，設置於中間層下方。上述中間層連接矽基板與印刷電路板(PCB)。
根據部分實施例，一發光二極體(LED)載體組合之製造方法包括將一發光二極體(LED)晶粒接合至一矽基板。將矽基板接合至一中間層。上述中間層具有導熱性與絕緣性。將中間層接合至一印刷電路板(PCB)。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．發光二極體(LED)載體組合
102．．．發光二極體(LED)晶粒
103、105、115．．．接合層
104．．．矽基板
106、118．．．焊料層
108．．．導熱襯墊
110．．．電性襯墊
112、120．．．銅覆蓋層
114．．．中間層
116、124．．．介層窗
119．．．金屬核心印刷電路板(MCPCB)
122．．．絕緣層
126．．．金屬核心層
128．．．散熱層
第1圖係根據部分實施例，一種發光二極體(LED)載體組合之示意圖；
第2A~2C圖係根據部分實施例如第1圖所示，一種發光二極體(LED)載體組合製造步驟之示意圖；
第3圖係根據部分實施例如第1圖所示，一種發光二極體(LED)載體組合製造方法之流程圖。
100．．．發光二極體(LED)載體組合
102．．．發光二極體(LED)晶粒
104．．．矽基板
106、118．．．焊料層
108．．．導熱襯墊
110．．．電性襯墊
112、120．．．銅覆蓋層
114．．．中間層
116、124．．．介層窗
119．．．金屬核心印刷電路板(MCPCB)
122．．．絕緣層
126．．．金屬核心層
128．．．散熱層

Claims (13)

  1. 一種發光二極體(LED)載體組合，包括：一發光二極體(LED)晶粒，安裝於一矽基板上；一中間層，具有導熱性與絕緣性，設置於該矽基板下方；以及一印刷電路板(PCB)，設置於該中間層下方；其中該中間層連接該矽基板與該印刷電路板(PCB)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體(LED)載體組合，更包括一散熱層(heat sink layer)，設置於該印刷電路板(PCB)下方。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體(LED)載體組合，其中至少一介層窗(via)穿過該印刷電路板(PCB)連接至該散熱層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體(LED)載體組合，更包括一銅覆蓋層(copper clad layer)，設置於該矽基板與該中間層之間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體(LED)載體組合，其中至少一介層窗穿過該中間層連接至該印刷電路板(PCB)與該銅覆蓋層。
  6. 一種發光二極體(LED)載體組合之製造方法，包括：將一發光二極體(LED)晶粒接合至一矽基板；將該矽基板接合至一中間層，該中間層具有導熱性與絕緣性；以及將該中間層接合至一印刷電路板(PCB)。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體(LED)載體組合之製造方法，更包括將該印刷電路板(PCB)接合至一散熱層(heat sink layer)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發光二極體(LED)載體組合之製造方法，其中將該印刷電路板(PCB)接合至該散熱層包括連接至少一介層窗(via)穿過該印刷電路板(PCB)至該散熱層。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之發光二極體(LED)載體組合之製造方法，更包括形成至少一介層窗穿過該中間層。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體(LED)載體組合之製造方法，其中將該矽基板接合至該中間層包括連接該至少一介層窗穿過該中間層至該印刷電路板(PCB)。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體(LED)載體組合之製造方法，更包括於該中間層上方形成一銅覆蓋層(copper clad layer)。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之發光二極體(LED)載體組合之製造方法，其中將該矽基板接合至該中間層更包括連接該至少一介層窗穿過該中間層至該銅覆蓋層。
  13. 一種發光二極體(LED)載體組合，包括：一發光二極體(LED)晶粒，安裝於一矽基板上；一中間層，具有導熱性與絕緣性，設置於該矽基板下方；一印刷電路板(PCB)，設置於該中間層下方；以及一散熱層(heat sink layer)，設置於該印刷電路板(PCB)下方；其中該中間層連接該矽基板與該印刷電路板(PCB)，至少一第一介層窗(via)穿過該印刷電路板(PCB)連接至該散熱層，以及至少一第二介層窗穿過該中間層連接至該印刷電路板(PCB)。
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