發(fā)光二極管裝置及散熱基板的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管裝置及散熱基板的制造方法，此發(fā)光二極管裝置包含：基板，在基板上形成至少一電極；LED芯片，固設(shè)于基板上，且在LED芯片上形成至少一焊墊；至少一焊線，電性連接焊墊及電極；及螢光材料層，覆蓋在LED芯片上，其中，基板具有導(dǎo)熱系數(shù)為80~120W/mK，及發(fā)光二極管裝置于2600k~3700k相對(duì)色溫(CCT)下的演色性指數(shù)大于90。
【專利說(shuō)明】發(fā)光二極管裝置及散熱基板的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管封裝，特別涉及一種包含有導(dǎo)熱系數(shù)低于120W/mK的
基板的發(fā)光二極管裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED)具有低耗能、省電、壽命長(zhǎng)、耐用等優(yōu)點(diǎn)，因而被各方看好將取代傳統(tǒng)照明成為未來(lái)照明光源。然而，隨著功率增加，LED所產(chǎn)生電熱流的廢熱無(wú)法有效散出，導(dǎo)致發(fā)光效率嚴(yán)重下降。LED發(fā)光效率會(huì)隨著使用時(shí)間及次數(shù)而降低，而過(guò)高的接面溫度則會(huì)加速LED發(fā)光效率衰減，故散熱成LED發(fā)展的一大課題。
[0003]選擇高散熱基板可改善LED的散熱。LED常見基板通常有四類:印刷電路板(PCB)、金屬芯電路板(MCPCB)、以陶瓷材料為主的陶瓷基板、覆銅陶瓷基板。其中，覆銅陶瓷基板是將銅箔直接燒結(jié)到陶瓷表面，而形成的一種復(fù)合基板。PCB及MCPCB可使用于一般LED應(yīng)用的產(chǎn)品。不過(guò)當(dāng)單位熱流密度較高時(shí)，LED散熱基板主要采用金屬基板及陶瓷基板兩類強(qiáng)化散熱。
[0004]金屬基板以招(Al)及銅(Cu)為材料,可分為「金屬基材(metal base)」、「金屬蕊(metal core) J0金屬基板工藝尚需多一道絕緣層處理。另一類是采用AIN、SiC、BeO等絕緣材料為主的陶瓷基板，由于本身材料就已經(jīng)絕緣，因此不需要有絕緣層的處理。此外，陶瓷基板所能承受的崩潰電壓，擊穿電壓(Break-down voltage)也較高。而且,陶瓷基板熱膨脹系數(shù)匹配性佳，可減少熱應(yīng)力及熱變形產(chǎn)生也是優(yōu)點(diǎn)，相當(dāng)適合LED應(yīng)用。
[0005]藍(lán)光LED搭配YAG黃色螢光粉為目前普遍白光LED的制作方式，而此封裝方式將使LED缺乏綠色及紅色波段的光源，造成白光呈現(xiàn)冷白光的狀況，無(wú)法達(dá)到暖白光產(chǎn)品的規(guī)格要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一目的，在于提供一種發(fā)光二極管裝置，利用包含有導(dǎo)熱系數(shù)為8(Tl20W/mK的基板，可達(dá)到產(chǎn)品可靠度的要求，并利用少許的溫度提升，使LED光源朝長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)，達(dá)到暖白光的特性，更提升演色性的效能。此乃由于半導(dǎo)體材料特性會(huì)隨溫度變化而改變，當(dāng)溫度升高時(shí)材料能隙增加，使輸出光源產(chǎn)生紅移現(xiàn)象，光頻譜朝長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)。
[0007]為了達(dá)成上述的目的，本發(fā)明的一態(tài)樣提供一種發(fā)光二極管裝置。此發(fā)光二極管裝置包含:基板，在基板上形成至少一電極；LED芯片，固設(shè)于基板上，且在LED芯片上形成至少一焊墊；至少一焊線，電性連接焊墊及電極；及螢光材料層，覆蓋在LED芯片上，其中，基板具有導(dǎo)熱系數(shù)為8(Tl20W/mK，及發(fā)光二極管裝置于2600lT3700k相對(duì)色溫(CCT)的演色性指數(shù)大于90。
[0008]該些焊墊可位于LED芯片的同一面上，也可位于LED芯片的不同面上。上述基板可為金屬基板或陶瓷基板?；蛘?，基板可為覆銅陶瓷基板。
[0009]本發(fā)明的另一態(tài)樣提供一種發(fā)光二極管裝置。此發(fā)光二極管裝置包含:LED芯片，具有第一面及與第一面相對(duì)的第二面；第一電極與第二電極分別形成在LED芯片的第一面上的第一區(qū)與第二區(qū)；第一焊墊與第二焊墊，位于基板的一表面上，第一焊墊與第一電極電性連接，第二焊墊與第二電極電性連接；第一墊片與第二墊片，分別位于基板的另一表面上；一第一導(dǎo)電柱，位于該基板中，用于連接該第一焊墊與該第一墊片；一第二導(dǎo)電柱，位于該基板中，用于連接該第二焊墊與該第二墊片；及一螢光材料層，覆蓋在該LED芯片的該第二面上，其中，該基板具有導(dǎo)熱系數(shù)為8(Tl20W/mK，及該發(fā)光二極管裝置于2600lT3700k相對(duì)色溫下的演色性指數(shù)大于90。上述基板可為金屬基板或陶瓷基板。或者，基板可為覆銅陶瓷基板。
[0010]相較于現(xiàn)有技術(shù)為了追求高散熱而采用導(dǎo)熱系數(shù)大于120W/mK的高成本基板的發(fā)光二極管裝置，本發(fā)明的發(fā)光二極管裝置可達(dá)到良好產(chǎn)品可靠度及高演色性，同時(shí)達(dá)到降低成本的優(yōu)勢(shì)。
[0011]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1本發(fā)明的第一實(shí)施例發(fā)光二極管裝置的示意剖視圖；
[0013]圖2本發(fā)明的第二實(shí)施例發(fā)光二極管裝置的示意剖視圖；
[0014]圖3本發(fā)明的第三實(shí)施例發(fā)光二極管裝置的示意剖視圖；
[0015]圖4InGaN發(fā)光二極管裝置的接面溫度與壽命關(guān)系圖；
[0016]圖5裝置B的發(fā)光特性圖；
[0017]圖6裝置A的發(fā)光特性圖；及
[0018]圖7在不同尺寸、不同表面結(jié)構(gòu)的基板表面電鍍銅層的附著力試驗(yàn)結(jié)果。
[0019]其中，附圖標(biāo)記
[0020]100 基板
[0021]102 電極
[0022]104 電極
[0023]200LED 芯片
[0024]202 焊墊
[0025]203 焊墊
[0026]204 焊線
[0027]300螢光材料層
[0028]400LED 芯片
[0029]402 第一面
[0030]404 第二面
[0031]412 第一電極
[0032]414 第二電極
[0033]416 第一焊墊
[0034]418 第二焊墊
[0035]420 基板
[0036]422第一導(dǎo)電柱[0037]423第二導(dǎo)電柱
[0038]424 第一墊片
[0039]426 第二墊片
[0040]428螢光材料層
【具體實(shí)施方式】
[0041]有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明及技術(shù)內(nèi)容，配合【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】如下，所附的附圖僅提供參考與說(shuō)明用，并非用來(lái)對(duì)本發(fā)明加以限制。
[0042]圖1依據(jù)本發(fā)明的一第一實(shí)施例的發(fā)光二極管裝置的示意剖視圖。本發(fā)明的發(fā)光二極管裝置，包含:基板100，在基板100上形成電極102及電極104 ；LED芯片200，固設(shè)于基板100上，且在LED芯片200上形成兩個(gè)焊墊202、203 ;兩條焊線204，分別電性連接焊墊202與電極104及焊墊203與電極102 ;及一螢光材料層300，覆蓋在LED芯片200上。其中，基板100具有導(dǎo)熱系數(shù)為8(Tl20W/mK，及發(fā)光二極管裝置于2600lT3700k相對(duì)色溫下的演色性指數(shù)大于90。
[0043]LED芯片200為使用接著劑固設(shè)在基板100上，基板100可為金屬基板、陶瓷基板或覆銅陶瓷基板，其中金屬基板是由銅基板、鋁基板等金屬材質(zhì)中的至少一個(gè)所組成，陶瓷基板可為氧化鋁基板、氮化鋁基板或硅基板。上述所使用的接著劑可為銀膠、金錫焊料或上述材料的組合。本發(fā)明的發(fā)光二極管還包含一外包覆體(未圖示)，是具有一包覆基板100、LED芯片200、焊線204及螢光片300的座體。
[0044]該些不同型式(P型與N型)的焊墊202及203是位于LED芯片200的同一面但不同平面上，且分別在LED芯片200頂面的兩側(cè)邊上，利用焊線204分別電性連接焊墊202與電極104及焊墊203與電極102。
[0045]接著，請(qǐng)參見圖2，圖2依據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的發(fā)光二極管裝置的剖視示意圖。此一實(shí)施例中，如圖2所示，該些不同型式(P型與N型)的焊墊202及203是位于LED芯片200的不同面上，且LED芯片200頂面的一側(cè)邊上的一型式焊墊202，是利用焊線204電性連接焊墊202與電極104，LED芯片底面上另一型式的焊墊203則直接接觸基板100，以完成電性連接，其中此實(shí)施例無(wú)須制作電極102。其中，基板100具有導(dǎo)熱系數(shù)為8(Tl20W/mK，及發(fā)光二極管裝置于2600lT37()()k相對(duì)色溫下的演色性指數(shù)大于90。
[0046]LED芯片200為使用接著劑固設(shè)在基板100上，基板100可為金屬基板、陶瓷基板、覆銅陶瓷基板、復(fù)合材料基板或半導(dǎo)體基板，其中金屬基板是由銅基板、鋁基板等金屬材質(zhì)中的至少一個(gè)所組成，陶瓷基板可為氧化鋁基板、氮化鋁基板或氧化鋯基板，復(fù)合材料基板可為氮化硅、碳化硅，半導(dǎo)體基板可為硅基板。上述所使用的接著劑可為銀膠、金錫焊料或上述材料的組合。本發(fā)明的發(fā)光二極管還包含一外包覆體(未圖示)，是具有一包覆基板100、LED芯片200、焊線204及螢光片300的座體。
[0047]接著，請(qǐng)參見圖3，圖3依據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的發(fā)光二極管裝置的剖視示意圖。此一實(shí)施例中，如圖3所示，此發(fā)光二極管裝置包含:LED芯片400，具有第一面402及與第一面402相對(duì)的第二面404 ;第一電極412與第二電極414分別形成在LED芯片400的第一面402上的第一區(qū)與第二區(qū)；第一焊墊416與第二焊墊418，位于基板420的一表面上，第一焊墊416與第一電極412電性連接，第二焊墊418與第二電極414電性連接；第一墊片424與第二墊片426,分別位于基板420的另一表面上；第一導(dǎo)電柱422,位于基板420中，用于連接該第一焊墊416與第一墊片424 ;第二導(dǎo)電柱423，位于基板420中，用于連接第二焊墊418與第二墊片426 ;及螢光材料層428，是覆蓋在LED芯片400的第二面404上，其中，基板420具有導(dǎo)熱系數(shù)為8(Tl20W/mK，及發(fā)光二極管裝置于2600lT3700k相對(duì)色溫下的演色性指數(shù)大于90。
[0048]基板420可為金屬基板、陶瓷基板、覆銅陶瓷基板、復(fù)合材料基板或半導(dǎo)體基板，其中金屬基板是由銅基板、鋁基板等金屬材質(zhì)中的至少一個(gè)所組成，陶瓷基板可為氧化鋁基板、氮化鋁基板或氧化鋯基板，復(fù)合材料基板可為氮化硅、碳化硅，半導(dǎo)體基板可為硅基板。
[0049](實(shí)施例)
[0050]以發(fā)光二極管裝置A及發(fā)光二極管裝置B進(jìn)行分析，裝置A是采用氧化鋁基板，裝置B是采用氮化鋁基板，兩者僅于基板材料不同，其余制作規(guī)格皆為相同。裝置A的熱阻為90C /W，裝置B的熱阻為4°C /W，所以裝置A高于裝置B為5°C /W，而氮化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為14(Tl80W/mK，氧化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為30W/mK，所以氮化鋁高于氧化鋁~145W/mK。由以上兩項(xiàng)數(shù)值計(jì)算得知，為降低每1°C /W的熱阻則需增加~30W/mK的熱傳導(dǎo)特性。[0051]如圖4所示，高瓦數(shù)(1A以上)的產(chǎn)品為保有六萬(wàn)小時(shí)壽命的特性，接面溫度需低于132°C。又于本實(shí)施例中，裝置A的氧化鋁封裝的接面溫度為113.35?、裝置B的氮化鋁封裝則為103.6°C ;另經(jīng)試驗(yàn)后若運(yùn)用100W/mK氮化鋁基板進(jìn)行封裝則接面溫度為114.94°C。因此使用導(dǎo)熱系數(shù)約100W/mK的基板亦能達(dá)到相同良好的產(chǎn)品可靠度。
[0052]半導(dǎo)體材料特性會(huì)隨溫度變化而改變，于LED芯片上更是如此。當(dāng)溫度升高時(shí)半導(dǎo)體材料會(huì)產(chǎn)生紅移現(xiàn)象(Red shif)，亦指發(fā)光頻譜會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)(紅光-暖色系)。裝置A與裝置B皆以藍(lán)光LED混YAG黃色螢光粉進(jìn)行制作，而此封裝規(guī)格的LED元件缺少綠光及紅光頻譜，因此難達(dá)到暖色系照明產(chǎn)品的要求。如圖5所示，裝置B于2600-3700k相對(duì)色溫(CCT)的暖白光頻譜與冷白光無(wú)太大差異，其產(chǎn)品CRI為80;而由圖6所示，裝置A在暖白光的頻譜有明顯往長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)20nm，且CRI可達(dá)90以上，白光更具暖色系，光源的演色性更加提升，使顏色能忠實(shí)呈現(xiàn)。即，接面溫度的些微上升將有助于演色性的提升。
[0053]因此，由上述實(shí)施例可證實(shí)以導(dǎo)熱系數(shù)為8(Tl20W/mK的基板(例如100W/mK左右的氮化鋁基板)作為發(fā)光二極管的散熱載板，不僅可達(dá)到高瓦數(shù)照明對(duì)產(chǎn)品壽命的要求，且對(duì)于光源的演色性更為提升，使光源對(duì)顏色的表現(xiàn)更為逼真，更主要能有效降低40%的陶瓷基板成本，使產(chǎn)品于市場(chǎng)中更具有價(jià)格及技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。
[0054]此外，本發(fā)明進(jìn)一步提出適用于導(dǎo)熱系數(shù)為8(Tl20W/mK的發(fā)光元件散熱基板的工藝，由于導(dǎo)熱系數(shù)降低的陶瓷基板受到研磨或燒結(jié)方式等因素影響，以致材料晶格結(jié)構(gòu)較不一致，使得于后續(xù)薄膜工藝中，薄膜于沉積時(shí)無(wú)法于一平面上成長(zhǎng)連續(xù)平面結(jié)構(gòu)，最終影響金屬薄膜附著力。經(jīng)發(fā)明人悉心研究后，于薄膜工藝前先對(duì)基板進(jìn)行粗化，將使材料晶格結(jié)構(gòu)更佳完整，以增加薄膜附著能力。上述后續(xù)薄膜工藝即為現(xiàn)有技術(shù)的濺鍍種子層、壓膜曝光顯影、電鍍銅線路、剝膜蝕刻、表面處理等陶瓷基板DPC(Direct Plate Copper)工藝。
[0055]本發(fā)明用于發(fā)光元件的散熱基板的制造方法，包含下列步驟:提供一基板，其中基板的導(dǎo)熱系數(shù)為8(Tl20W/mK ;對(duì)基板進(jìn)行一粗化工藝；以及于基板上形成一線路圖案，以作為發(fā)光元件的散熱基板。于基板上形成線路圖案的步驟例如以移除法或半添加法于基板形成銅線路；粗化工藝是使用堿性藥水例如NaOH或KOH水溶液蝕刻基板。
[0056]圖7為在不同尺寸、不同表面結(jié)構(gòu)的基板表面鍍70-100微米銅層的附著力試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果顯示未經(jīng)粗化的基板附著能力不足或極差，而經(jīng)粗化工藝后無(wú)論是Ixlmm或2χ2_基板，薄膜附著力皆有顯著提升，證實(shí)上述粗化工藝確實(shí)能增進(jìn)基板后續(xù)薄膜工藝的薄膜附著能力。
[0057]當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)光二極管裝置，其特征在于，包括: 一基板，在該基板上形成至少一電極； 一 LED芯片，設(shè)置于該基板上，且在該LED芯片上形成至少一焊墊； 至少一焊線，電性連接該焊墊及該電極 '及 一螢光材料層，覆蓋在該LED芯片上， 其中，該基板具有導(dǎo)熱系數(shù)為8(Tl20W/mK，及該發(fā)光二極管裝置于2600lT3700k相對(duì)色溫下的演色性指數(shù)大于90。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，該些焊墊位于該LED芯片的同一面或不同面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，該基板的材質(zhì)為氮化鋁或氮化硅，且該基板的導(dǎo)熱系數(shù)8(Tl00W/mK。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，該LED芯片為使用接著劑貼合在該基板上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，該基板為金屬基板、陶瓷基板、覆銅陶瓷基板、復(fù)合材料基板或半導(dǎo)體基板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，還包含一外包覆體，具有一包覆基板、LED芯片、焊線及螢光材料層的座體。
7.一種發(fā)光二極管裝置，其特征在于，包括: 一 LED芯片，具有一第一面及與該第一面相對(duì)的一第二面； 一第一電極與一第二電極分別形成在該LED芯片的該第一面上的一第一區(qū)與一第二區(qū)； 一第一焊墊與一第二焊墊，位于一基板的一表面上，該第一焊墊與該第一電極電性連接，該第二焊墊與該第二電極電性連接； 一第一墊片與一第二墊片，分別位于該基板的另一表面上； 一第一導(dǎo)電柱，位于該基板中，用于連接該第一焊墊與該第一墊片； 一第二導(dǎo)電柱，位于該基板中，用于連接該第二焊墊與該第二墊片；及 一螢光材料層，覆蓋在該LED芯片的該第二面上， 其中，該基板具有導(dǎo)熱系數(shù)為8(Tl20W/mK，及該發(fā)光二極管裝置于2600lT3700k相對(duì)色溫的演色性指數(shù)大于90。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管裝置，其特征在于，該基板為金屬基板、陶瓷基板、覆銅陶瓷基板、復(fù)合材料基板或半導(dǎo)體基板。
9.一種用于發(fā)光元件的散熱基板的制造方法，其特征在于，包含下列步驟: 提供一基板，其中該基板的導(dǎo)熱系數(shù)為8(Tl20W/mK ； 對(duì)該基板進(jìn)行一粗化工藝；以及 于該基板上形成一線路圖案，以作為該發(fā)光元件的散熱基板。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于發(fā)光元件的散熱基板的制造方法，其特征在于，該粗化工藝為使用一堿性藥水蝕刻該基板。
【文檔編號(hào)】H01L33/64GK103943768SQ201310025965
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月22日
【發(fā)明者】李鴻賓 申請(qǐng)人:立誠(chéng)光電股份有限公司