台湾专利TW201320417A 發光二極體模組及其組裝方法

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本發明提供一種發光二極體模組的組裝方法，包括一發光二極體裝置(如：一發光二極體元件與印刷電路板)與一散熱器。發光二極體裝置藉由施加超音波能量接合至散熱器。在一實施例中，該接合可形成一銅鋁接合，該印刷電路板可為一金屬核心印刷電路板。
公开号:TW201320417A
申请号:TW101130076
申请日:2012-08-20
公开日:2013-05-16
发明作者:Wei-Yu Yeh
申请人:Taiwan Semiconductor Mfg；
IPC主号:F21V19-00

专利说明:
發光二極體模組及其組裝方法
本發明係有關於組裝，且特別是有關於一種發光二極體裝置的組裝。
光電裝置，如發光二極體裝置，為廣泛應用之半導體光源。發光二極體裝置施加一電壓時可發射不同波長的光，其精巧的尺寸、快速的切換速度及可靠性使該產業快速成長。發光二極體裝置會產生熱，通常需要冷卻裝置以釋放生成的熱，例如散熱器。然而，傳統發光二極體裝置的組裝方法常包括成本昂貴並且複雜的製程以接合發光二極體裝置與冷卻裝置，如需要使用高溫共晶接合(eutectic bonding)。傳統技術的其它缺點，尚包括發光二極體裝置與冷卻裝置間導熱不良。因此，雖然傳統組裝與使用發光二極體裝置的方法可滿足現今需求，但仍有改進空間。
本發明一實施例提供一種發光二極體模組的組裝方法，包括：提供一發光二極體裝置；提供一散熱器；以及接合該發光二極體裝置至該散熱器，其中該接合包括施加一超音波能量。
本發明又一實施例提供一種發光二極體模組的組裝方法，包括：提供一發光二極體元件；連接該發光二極體元件至一印刷電路板；提供一散熱器；以及使用超音波能量接合該印刷電路板至該散熱器，使發光二極體元件連接至該散熱器。
本發明另一實施例提供一種發光二極體模組，包括：一具有一第一成份之散熱器；一發光二極體裝置位於該散熱器上，其中該發光二極體裝置包括一發光二極體元件及一金屬核心印刷電路板，其中該金屬核心印刷電路板包括一第二成份；以及一接合介於該散熱器及該印刷電路板之間，其中該接合包括第一成份及第二成份之混合物。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明提供數種不同實施態樣(或實施例)，以具體化本發明之不同特徵。元件與配置方式的特定實施例如下述，用以簡化本發明。這些實施例為極少數且發明不侷限於此。此外，在描述於一第一特徵上形成一第二特徵時，可能包括第一特徵與第二特徵直接接觸的實施例，也可能包括在第一特徵與第二特徵之間有形成其他特徵，而不直接接觸的實施例。為簡單明確，不同特徵可以不同尺度任意繪製。雖然該數種實施例被描述為用於發光二極體元件或裝置，知曉本發明之型態亦適用於其他形式裝置，包括其他光電裝置，是此領域中的基本技能。
第1圖為一按照本發明實施例，所作之組裝一光電元件(如發光二極體)的方法100流程圖。第3-4圖及第5-6圖為方法100之數種不同實施例組件的剖面圖。第4圖提供一對應的俯視圖。需知為使此處討論之發明概念簡明易懂，圖式之不同型態經過簡化。因此，需注意額外的製程可在第1圖之方法100之前、之中、之後實行，此外部份製程在此僅概要描述。相同地，第2-6圖之裝置可包括額外未特定畫出之元件及/或畫出其他實施例中省略之元件。
根據第1圖，方法100由提供一個或一個以上發光二極體元件(或裝置)的步驟102開始，上述發光二極體元件可包括適當摻雜以提供一p-n接面之半導體材料。發光二極體元件可包括現今已知或未來發展之任意發射輻射波長(如可見光、紫外光或紅外光)。第2圖為一發光二極體元件202之一實施例。
方法100之步驟104為一發光二極體元件連接(如接合)至一印刷電路板(printed circuit board,PCB)以形成一發光二極體裝置。發光二極體元件可使用一接著劑(adhesive)、晶粒接合材料(die attach material)、共晶製程(eutectic process)及/或其他適當連接製程接合至印刷電路板上。上述印刷電路板可提供一電性連接裝置至發光二極體，如可操作以供應一電壓至發光二極體元件及/或電路或發光二極體相關元件之導電性跡線(conductive traces)。在一實施例中，發光二極體元件包括一散熱板(heat slug)或導熱片(thermal pad)連接至印刷電路板。
在一實施例中，印刷電路板為一金屬核心印刷電路板，金屬核心印刷電路板可用於高功率發光二極體應用，且可為一銅系金屬核心印刷電路板。在另一實施例中，金屬核心印刷電路板為一鋁系金屬核心印刷電路板。在其他實施例中，一含有FR4及/或其他適當類型印刷電路板可依設計及/或成本限制而使用。金屬核心印刷電路板可提供發光二極體裝置熱管理(thermal management)，允許一穿透發光二極體元件背面之散熱途徑。
印刷電路板可包括一多層結構。在一實施例中，上述印刷電路板為一包括具有一導體層、一絕緣層及一基底層之多層結構的金屬核心印刷電路板。基底層可作為一散熱器(heat spreader)，且可包括金屬。在一實施例中，基底層包括銅(如銅或銅系合金)。在其它實施例中，基底層可為鋁或鋁系合金。在一實施例中，油墨(ink)配置於基底層之一表面，如配置於銅金屬層之表面。油墨可包括一焊料罩幕層(solder mask)，覆蓋電性途徑並隔離空氣與帶電體(charged bodies)以保護銅包覆層(copper clad layer)。絕緣層可包括一可供良好熱傳導之組成(如大於1W/mK)。導體層提供發光二極體元件一電極圖案(electrode pattern)或攜帶電子訊號之跡線(如提供一電壓)。在一實施例中，導體層為銅(如銅包覆層)。
第2圖繪示一實施例之金屬核心印刷電路板206。金屬核心印刷電路板206包括一基底層208、一中介之介電層210及一導體層212。導體層212可提供一電性且/或物理性連接至與發光二極體元件202連接之電極204。電極204可加不同偏壓(如：一正偏壓電極和一負偏壓電極)。電極204可操作以提供發光二極體元件202一電壓，使發光二極體元件202可以工作。電極204可為一以引線接合(wire bonding)並提供電性連接之接墊(pads)。電極204可包括金、錫及/或其它導電性材料。在一實施例中，基底層208為銅。在一實施例中，中介之介電層210為一導熱介電材料。金屬核心印刷電路板206可具有一約介於0.5mm~0.2mm之間的厚度T。第2圖說明了位於金屬核心印刷電路板206上方之發光二極體元件202。
方法100之步驟106為提供一散熱器。散熱器可逸散位於散熱器上之發光二極體元件的生成熱。在一實施例中，散熱器為鋁。其它可作範例之成份包括銅。第2圖之實施例提供一散熱器214。在一實施例中，散熱器214為鋁。散熱器214僅供例示並且不限於該種結構，任何冷卻裝置的結構皆可使用。
方法100之步驟108為塗覆一界面材料至印刷電路板或散熱器中至少任一者。界面材料可為導熱性材料。在一實施例中，界面材料為一導熱膠(thermal conductive gel)。界面材料可具有接著特性如提供一接合介於印刷電路板與散熱器之間。或者，上述界面材料可提供介於印刷電路板與散熱器間之一熱傳導界面，但不提供任何接著特性如接合印刷電路板及散熱器。參考第2圖中所作之界面材料216之一實施例。在一實施例中，界面材料216為一導熱性材料(如：膠)。第2圖顯示了元件接合(如下一段之描述)前位於散熱器214上之發光二極體元件202及金屬核心印刷電路板206。
方法100之步驟110為發光二極體裝置及散熱器之接合。在傳統方法中散熱器可使用螺絲及/或一用以填充發光二極體與散熱器間空間之導熱界面材料(thermal interface material,TIM)連接至一發光二極體裝置。這些製程的成本高且效率低，而本發明提供了優於使用螺絲的特定實施例。
在一實施例中，印刷電路板結構(包括位於其上的發光二極體元件)藉由超音波能量連接至散熱器。上述超音波能量製程(如超音波熔接)可包括在印刷電路板與散熱器間施加壓力。具體地說，超音波熔接製程可包括提供高頻振盪(high-frequency vibration)給受壓力而固定在一起的印刷電路板結構及/或散熱器，如此可藉由混合來自印刷電路板的材料和來自散熱器的材料以提供一固態接合，因此毋需螺絲或其它連接裝置如螺栓、焊料或接著劑。超音波製程之頻率可為約15kHz，20kHz，30kHz，35kHz，40kHz或70kHz；然而，其它多種範例亦可。
超音波接合製程包括施加一壓力於接合組件(如印刷電路板及散熱器)。在一實施例中，使用一壓合設備(press apparatus)或夾具(jig)施加壓力，上述壓合設備可提供一壓力施加於金屬核心印刷電路板，特別是金屬核心印刷電路板之基底層。上述接合設備可替代或額外地提供一壓力施加於散熱器。在一實施例中，接合設備提供一壓力及/或超音波頻率於發光二極體元件周圍環繞區域(如矩形部份)。在一實施例中，接合設備提供一壓力及/或超音波頻率於印刷電路板邊緣區域之周圍環繞區域(矩形部份)，如金屬核心印刷電路板之基底金屬層邊緣區域。在一實施例中形成大於約3mm寬度的接合區域，然而其它多種實施例亦可。接合區域寬度可由壓力範圍(region of pressure)及/或能量入射範圍(region of incident energy)控制。
如上述，在一實施例中，超音波熔接製程(如配合壓力)會使金屬核心印刷電路板上的材料與散熱器上的材料混合。具體地說，可使金屬核心印刷電路板基底金屬層之材料(如一金屬)與散熱器之材料(如一金屬)混合。在一實施例中，上述接合提供銅與鋁之混合物。舉例而言，在一實施例中，金屬核心印刷電路板之基底層為銅，散熱器為鋁，混合形成元件間接合。
在另一實施例中，印刷電路板結構使用一熱超音波接合製程(thermosonic bonding process)接合至該散熱器。熱超音波接合可形成一固態接合，熱超音波接合可包括施加熱、超音波能量及/或壓力至一個或一個以上的被接合元件。與上述相同，在一實施例中，熱超音波製程造成金屬核心印刷電路板上之材料與散熱器上之材料混合。具體地說，熱超音波製程可提供金屬核心印刷電路板基底金屬層之材料(如一金屬)與散熱器之材料(如一金屬)混合。在一實施例中，上述接合提供銅與鋁之混合。舉例而言，在一實施例中，金屬核心印刷電路板之基底層為銅，散熱器為鋁，混合形成元件間接合。
第3圖之實施例為一接合製程實施在裝置200上(如前述參考第2圖之描述)以提供發光二極體模組300。發光二極體模組300描述了一接合(如物理性連結)302於基底金屬層208及散熱器214之間。在一實施例中，藉由一超音波接合製程形成接合302。在一實施例中，上述接合302以一熱超音波接合製程形成。
接合302包括一來自基底金屬層208及散熱器214材料混合而成之固態鍵結。在一實施例中，接合302包括一鋁及銅的混合。在一實施例中，上述接合具有一大於約3mm之寬度W。然而，亦可由接合元件之設備控制而生成其它寬度。依據夾具之設定，可達到一較小接觸面積。基底金屬層208接近且位於接合區域302上方的區域可為一不含電通路(如：攜帶一電子訊號)之獨立區域。舉例而言，在一實施例中，導體層212不位於接合區域302上。接合302形成之印刷電路板206區域(例如位於接合302區域之上)可視為一接合區域。接合區域可為印刷電路板之邊緣區域(如基底層208)。
接合302可為一連續環繞區域(圓形、矩形等)或包括數個間隔以非接合區域之接合片段。上述接合片段可位於一發光二極體元件之周圍環繞區域。接合302在圖示中為形成於基底金屬層208之端邊(terminal edge)，但其他實施例亦有可能。接合302可直接接合金屬核心印刷電路板之一角，例如基底層208至散熱器214。
第4圖說明依據本發明之一發光二極體模組的一實施例俯視圖。發光二極體模組400實質上可與發光二極體模組300相似，如上述及第3圖之說明，因此使用一相似標號方式。發光二極體模組400說明接合區域302於一連續環繞區域形成。然而，其他實施例亦有可能。發光二極體模組400包括跡線402(如一電極圖案)，跡線402可提供自電極204到發光二極體元件202之電性連接。跡線402可形成於印刷電路板之導體層212內。
第5及6圖說明根據本發明之一發光二極體模組之另一實施例。第5圖說明一實質上可與裝置200(參考第2圖之說明)相似之裝置500。裝置500包括一發光二極體元件202、電極204及一金屬核心印刷電路板502位於一散熱器214上。一界面層216介於散熱器及金屬核心印刷電路板502之間。在一實施例中，裝置500說明一金屬核心印刷電路板與散熱器接合前之發光二極體模組(如第6圖)。
發光二極體元件202、電極204、界面層216及/或散熱器214可與上述第2或3圖實質上相似。金屬核心印刷電路板502為一多層印刷電路板。金屬核心印刷電路板502可視為一直接接合金屬核心印刷電路板。金屬核心印刷電路板502包括一導體層504、一絕緣層506及一基底層508。導體層504可提供一自電極204至發光二極體元件202之電性及/或物理性連接(如電極圖案)。導體層504可包括銅(如銅接墊)。在一實施例中，基底層508為銅。在一實施例中，中介之絕緣層506為熱傳導性。金屬核心印刷電路板502可具有一介於約0.5mm-2mm之厚度T2。金屬核心印刷電路板502可不同於金屬核心印刷電路板206，其中金屬核心印刷電路板502在一部分發光二極體元件202的底側不包括絕緣層506。(如：在發光二極體元件202之下)
第6圖說明裝置500(描述於上述內容並參考第5圖)，接合以形成發光二極體模組600。發光二極體模組600說明一接合(如：物理性連結602)介於基底層508及散熱器214之間。接合602可以使用方法100形成。在一實施例中，接合602藉由一熱超音波接合製程形成。
接合602包括一來自基底層508的材料及散熱層214的材料之固態接合混合物。在一實施例中，接合602包括一鋁及銅的混合物。舉例而言，基底層508可為銅，散熱器214可為鋁，混合以形成一銅鋁混合物接合。在一實施例中，接合602具有一大於約3mm之寬度W2。然而，藉由元件接合設備控制亦可能得到其他寬度。基底層508接近且位於上述接合區域602上方的區域可為一接合區域，提供一不包含跡線(如：攜帶一電子訊號)之獨立區域位於其上。(如：導體層不位於接合602區域之上)
接合602可為一連續環繞或包括數個間隔以非接合區域之接合段。上述接合段可配置為環狀。接合602被描述為形成於基底層508之端邊(terminal edge)，但其它實施例亦可。接合602可直接接合金屬核心印刷電路板502之一角，舉例而言，基底層508至散熱器214。
藉由第2、3、4、5、6圖說明發光二極體模組及相關元件的數種實施例，在此技術領域具有通常知識者應知曉本發明之實施例可提供數種發光二極體模組之結構。
因此，提供一接合發光二極體元件至印刷電路板及散熱器以形成一發光二極體模組之方法。上述方法包括提供一施加壓力之超音波接合以直接接合一印刷電路板至一散熱器之接合製程。上述接合可為一具有印刷電路板材料與散熱器之混合物的固態接合。
一特定實施例中說明了一組裝發光二極體模組的方法，包括提供一發光二極體裝置(如：一發光二極體元件與印刷電路板)及一散熱器。發光二極體裝置藉由施加一超音波能量接合散熱器，在一實施例中，上述接合可形成一接合包括銅與鋁。在另一實施例中，印刷電路板為一金屬核心印刷電路板(MCPCB)。上述超音波接合製程可包括在施加超音波能量時，施加一壓力至發光二極體裝置與散熱器中至少任一者。
在特定實施例中，一導熱材料在接合前被塗覆在發光二極體裝置及散熱器之間。在其他數實施例中，上述接合更包括施加熱至散熱器及發光二極體裝置中至少任一者(如：熱超音波接合)。
在另一實施例中說明了一組裝發光二極體模組的方法。提供一發光二極體元件及散熱器，該發光二極體元件可連接至一印刷電路板(PCB)。印刷電路板及散熱器使用超音波能量相互接合。該印刷電路板可為一金屬核心印刷電路板。
在一實施例中，印刷電路板為一多層板且包括一具有第一成份之基底層，散熱器可包括一第二成份。接合發光二極體裝置至散熱器包括形成一接合，包括第一成份與第二成份之混合物。在另一實施例中，第二成份為鋁且第一成份為銅。
在上述方法之實施例中，接合印刷電路板至散熱器包括沿著印刷電路板之邊緣形成一個或多個接合。接合區域之寬度可大於約3mm，接合印刷電路板至散熱器可包括施加一壓力至接合區域及接合於接合區域內形成。上述方法亦可包括接合散熱器及印刷電路板前，於印刷電路板及散熱器間形成導熱膠層(thermally conductive gel layer)。
本發明亦提供一發光二極體模組。在一實施例中，上述發光二極體模組包括一具有第一成份之散熱器與一發光二極體裝置位於散熱器上，發光二極體裝置包括一發光二極體元件及一金屬核心印刷電路板，金屬核心印刷電路板包括一第二成份。上述模組更包括一接合介於散熱器及金屬核心印刷電路板；上述接合包括第一成份與第二成份之混合物。
在特定實施例中，第一成份為鋁且第二成份為銅。接合可位於金屬核心印刷電路板之邊緣。接合可形成一發光二極體元件周圍環狀圍繞區域。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，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‧‧‧方法
102、104、106、108、110‧‧‧步驟
200‧‧‧裝置
202‧‧‧發光二極體元件
204‧‧‧電極
206‧‧‧金屬核心印刷電路板
208‧‧‧基底層
210‧‧‧介電層
212‧‧‧導電層
214‧‧‧散熱器
216‧‧‧介面材料
300‧‧‧發光二極體模組
302‧‧‧接合
400‧‧‧發光二極體模組
402‧‧‧跡線
500‧‧‧裝置
502‧‧‧金屬核心印刷電路板
504‧‧‧導電層
506‧‧‧絕緣層
508‧‧‧基底層
600‧‧‧發光二極體模組
602‧‧‧物理性連接
第1圖為一根據本發明之一種或一種以上型態所作之流程圖，用以說明組裝一發光二極體裝置的方法。
第2圖為一實施例中，根據第1圖中方法組裝一發光二極體裝置之剖面圖。
第3圖為一實施例中，在第1圖方法隨後之製程步驟組裝一發光二極體裝置的剖面圖。
第4圖為一根據第3圖中的裝置，組裝發光二極體裝置之俯視圖。
第5圖為另一實施例中，根據第1圖方法組裝一發光二極體裝置之剖面圖。
第6圖為在第1圖方法之隨後一製程步驟時，第5圖之發光二極體裝置實施例之剖面圖。
202‧‧‧發光二極體元件
204‧‧‧電極
206‧‧‧金屬核心印刷電路板
208‧‧‧基底層
210‧‧‧介電層
212‧‧‧導體層
214‧‧‧散熱器
216‧‧‧界面材料
300‧‧‧發光二極體模組
302‧‧‧接合

权利要求:
Claims (10)
[1] 一種發光二極體模組的組裝方法，包括：提供一發光二極體裝置；提供一散熱器；以及接合該發光二極體裝置至該散熱器，其中該接合包括施加一超音波能量。
[2] 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體模組組裝方法，其中提供該發光二極體裝置包括連接一發光二極體元件及一印刷電路板，且其中該接合包括直接接合該印刷電路板至該散熱器。
[3] 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體模組組裝方法，其中該超音波接合製程包括在施加超音波能量時，施加一壓力於該發光二極體及該散熱器中至少任一者。
[4] 一種發光二極體模組的組裝方法，包括：提供一發光二極體元件；連接該發光二極體元件至一印刷電路板；提供一散熱器；以及使用超音波能量接合該印刷電路板至該散熱器，使發光二極體元件連接至該散熱器。
[5] 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體模組組裝方法，其中該印刷電路板為一多層板且包括一具有第一成份之基底層，該散熱器包括一第二成份，接合該發光二極體至該散熱器包括建立一接合，該接合包括第一成份與該第二成份之混合物，其中該第一成份為銅，該第二成份為鋁。
[6] 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體模組組裝方法，其中接合該印刷電路板至該散熱器，包括沿該印刷電路板邊緣形成一個或一個以上接合。
[7] 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體模組組裝方法，其中接合該印刷電路板至該散熱器，包括形成一具有一約大於3mm寬度之接合。
[8] 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體模組組裝方法，更包括：接合該散熱器與印刷電路板前，形成一導熱膠層介於該印刷電路板與該散熱器。
[9] 一種發光二極體模組，包括：一具有一第一成份之散熱器；一發光二極體裝置位於該散熱器上，其中該發光二極體裝置包括一發光二極體元件及一金屬核心印刷電路板，其中該金屬核心印刷電路板包括一第二成份；以及一接合介於該散熱器及該印刷電路板之間，其中該接合包括第一成份及第二成份之混合物。
[10] 如申請專利範圍第9項所述之發光二極體模組，其中該接合位於該金屬核心印刷電路板之邊緣。

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