基于微型熱導管器件的led散熱基板及其制造方法

專利名稱：基于微型熱導管器件的led散熱基板及其制造方法
技術領域：
本發明主要涉及LED散熱基板領域，更具體地，涉及一種基于微型熱導管器件的 LED散熱基板及其制造方法。
背景技術：
發光二極管是一種注入電致發光器件，由mZV族化合物制成。在外加電場作用下， 電子與空穴的輻射復合而發生的電致作用將能量的10% — 15%轉化為光能，而無輻射復合產生的晶格振蕩將其余85% — 90%的能量轉化為熱能。與傳統的照明器件不同，白光 LED的發光光譜中不包含紅外部分，所以其熱量不能依靠輻射釋放。對于單個LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的芯片內而不能有效散出，則會導致芯片溫度升高，引起熱應力的非均勻分布、芯片發光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當溫度超過一定值，器件的失效率將呈指數規律上升，元件溫度每上升2°C，可靠性下降 10%。為了保證器件的壽命，一般要求pn結結溫在110°C以下。隨著Pn結的溫升，白光 LED器件的發光波長將發生紅移。統計資料表明，在100°C的溫度下，波長可以紅移4-9nm， 從而導致YAG熒光粉吸收率下降，總的發光強度會減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高1°C，LED的發光強度會相應地減少左右。當多個LED密集排列組成白光照明系統時，熱量的耗散問題更嚴重。因此解決散熱問題已成為功率型LED應用的先決條件。

發明內容
為克服現有技術中的上述缺陷，本發明利用微機電(MEMQ工藝制作微型熱導管基材(Micro heat pipe)，并與各式LED散熱基板(如金屬，陶瓷，高分子等)進行組裝，或于基板制作過程中采一體成型方式內嵌于LED散熱基板中，如此可降低LED光衰，并降低 LED燈具的散熱成本。首先，本發明在一方面提供一種基于微型熱導管器件的LED散熱基板制造方法， 該方法包括以下步驟步驟1 制造金屬屏蔽；步驟2 制造LED散熱基板；步驟3 制造微型熱導管基材的微型熱導管器件；步驟4 將LED散熱基板與微型熱導管基材的微型熱導管器件進行接合；在所述步驟3中包括以下步驟(31)將微型熱導管器件的基材進行等離子蝕刻制程；(3 將負型光刻膠通過金屬屏蔽印刷至微型熱導管器件的基材上；(3 進行曝光，之后進行顯影；(34)再進行反應性離子蝕刻對微型熱導管器件的基材雙面分別進行蝕刻；(35)之后，進行剝膜制程；(36)進行等離子蝕刻制程。本發明在另一方面提供一種微型熱導管器件的制造方法，所述方法包括以下步驟(1)將微型熱導管器件的基材進行等離子蝕刻制程；( 將負型光刻膠通過金屬屏蔽印刷至微型熱導管器件的基材上；C3)進行曝光，之后進行顯影；(4)再進行反應性離子蝕刻對微型熱導管器件的基材雙面分別進行蝕刻；( 之后，進行剝膜制程；￠)進行等離子蝕刻制程。本發明還提供了一種基于微型熱導管器件的LED散熱基板，采用上面所述的微型熱導管器件的制造方法制造的微型熱導管具有雙面結構，其一面結構為微型散熱鰭片，而另一面結構為微型熱導管。本發明的有益效果在于設計合理、結構緊湊、易于制造、散熱效果好；可迅速轉移出超大功率LED工作時發出的熱量，可有效地滿足大功率LED燈具散熱的需要，可使超大功率LED路燈實現工業化大規模生產；同時，可有效的降低LED光衰，并降低LED燈具的散熱成本。


圖1是LED散熱基板示意圖；圖2是微型熱導管器件示意圖；圖3是基于微型熱導管器件的LED散熱基板的正面結構圖。圖4a_圖4g是金屬屏蔽(Metal mask)相關制程示意圖；圖5是LED散熱基板納米級銅鋁或金銀的金屬復合材料卷材消除內應力制程示意圖；圖6是LED散熱基板納米級銅鋁或金銀的金屬復合材料卷材微蝕制程示意圖；圖7a_圖7d是高導熱系數的散熱基板的制程示意圖；圖8是微型熱導管器件的基材消除內應力制程示意圖；圖9a_圖9f是微型熱導管器件的基材的微型散熱結構微蝕制程示意圖；圖10是微型散熱鰭片(Micro heat sink)貼附聚丙烯保護膜制程示意圖；圖11是微型熱導管充填散熱液體制程示意圖；圖12a-圖12c是微型熱導管器件超音波共晶接合(Ultrasonic eutectic bonding)制程示意具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的一種基于微型熱導管的LED散熱基板及其制造方法進行詳細描述。同時在這里做以說明的是，為了使實施例更加詳盡，下面的實施例為最佳、優選實施例，對于一些公知技術本領域技術人員也可采用其他替代方式而進行實施。首先，根據本發明的第一實施例提供一種基于微型熱導管器件的LED散熱基板， 該散熱基板采用下述第二實施例的方法以納米機電(MEMS)制作微型熱導管，并與LED散熱基板進行組裝，其結構包括如圖1所示LED散熱基板(如金屬，陶瓷，高分子等)該散熱基板背面進行金屬鍍層處理。如圖2所示微型熱導管器件該微型熱導管器件有雙面結構，其一面結構為微型散熱鰭片(Micro heats ink)，而另一面結構為微型熱導管(Micro heat pipe)。該基于微型熱導管器件的LED散熱基板的正面結構圖如圖3所示，將背面進行金屬鍍層處理的LED散熱基板置于卷帶機上，與微型熱導管基材的微型熱導管器件進行精密光學對位，之后，再以脈沖激光進行切割與封口(Laser cutting and fusion) 0之后， 再進行熱超音波共晶制程(Heat ultrasonic eutectic process)，將LED散熱基板與微型熱導管基材的微型熱導管器件進行超音波共晶接合，相關制程參數如下溫度180-270°C ； 時間1-240秒；電源供應輸出20-50MHz。如此即可完成微型熱導管器件于LED散熱基板的結合。本發明的第二實施例提供一種基于微型熱導管器件的LED散熱基板的制造方法， 該方法包括以下步驟首先制造金屬屏蔽；然后制造LED散熱基板；接著制造微型熱導管基材的微型熱導管器件；最后將LED散熱基板與微型熱導管基材的微型熱導管器件進行接合；其中在制造微型熱導管基材的微型熱導管器件中包括以下步驟將微型熱導管器件的基材進行等離子蝕刻制程；將負型光刻膠通過金屬屏蔽印刷至微型熱導管器件的基材上； 進行曝光，之后進行顯影；再進行反應性離子蝕刻對微型熱導管器件的基材雙面分別進行蝕刻；之后，進行剝膜制程；最后進行等離子蝕刻制程。在第二實施例中可優選的采用下述方法進行金屬屏蔽的制造。如圖4a_圖4g所示，首先(1)使用電子束直寫(Electron Beam direct writing)方式于石英(Quartz) 光刻掩膜板(Photo mask)的鉻層(Chromium layer)進行圖樣(I^ttern)制作，而鉻金屬層厚度為10-30納米；(2)將光刻掩膜板(Photo mask)置于深紫外光曝光系統(De印 Ultraviolet Exposure System) Φ, ^Xi B^^f ^^7 ! (Negative photo resist) SU-8 ；厚度為0. 6-2. 0微米，使用真空旋轉涂布方式，其轉速為5000-10000rpm，前烤溫度為70-120°C，時間為20-50分鐘的光學級不銹鋼板進行深紫外光曝光制程，其曝光能量為 500-1000KJ，曝光時間為0. 1-0. 8m s ；之后(3)進行顯影制程，其氫氧化鈉濃度:3-8%,M 影時間10-30秒，溫度25-50°C ；⑷再進行反應性離子蝕刻對光學級不銹鋼板進行蝕刻， 其時間為10-50秒；之后(5)以鎳鐵合金電鍍液(鎳鐵比例為7-9 3-1)進行電鑄制程， 其溫度為45-70°C ；之后(6)進行剝膜制程，其氫氧化鈉濃度5-10%，顯影時間50-80秒， 溫度50-80°C ； (7)再以翻模方式制作金屬屏蔽(Metal mask)相關制程。同時，在第二實施例中可優選的采用下述方法進行LED散熱基板的制造。如圖5 所示，將納米級銅鋁或金銀的金屬復合材料以粉末冶金并經壓延后所制成的卷材置于卷帶機上，卷帶機輸送速度為1-20厘米/秒，而輸送帶全線真空其真空度為0. 001-0. 000001托爾，將卷材完全吸附于抗靜電輸送帶上，而輸送帶具有多個分區，優選于分五至八個區域加熱消除卷材之原始內應力，更優選的，當為8個區域時，各區域溫度與時間參數如下第一區溫度為200-300°C ；時間為5-20分鐘；第二區溫度為300°C ；時間為5_20分鐘；第三區溫度為300-400°C ；時間為10-20分鐘；第四區溫度為400°C ；時間為10-20分鐘；第五區溫度為400-300°C ；時間為10-120秒；第六區溫度為300°C ；時間為10-20分鐘；第七區溫度為 300-150°C ；時間為10-30分鐘；第八區溫度為150-50°C ；時間為10-50分鐘。如圖6所示，將已消除原始內應力的卷材置于另一卷帶機上，卷帶機輸送速度為 1-20厘米/秒，而輸送帶全線真空，其真空度為0. 001-0. 000001托爾將卷材完全吸附于抗靜電輸送帶上。將卷材，其厚度0. 1-0. 8mm，置于微蝕槽(Micro etching tank)中，其使用微蝕劑為硫酸水溶液與過氧化氫水溶液的混合液，其重量百分比為微蝕劑硫酸水溶液 H2S04(aq)過氧化氫水溶液H2O2 (aq) = (1 4)-(4 1)，微蝕槽溫度控制在20_60°C以內，微蝕時間控制在50-120秒之內，輸送帶速度控制在10-60cm/sec，之后進入純水槽，溫度為20-60°C ；時間為50-120秒，之后進行干燥除水制程(Dehydration process)，溫度為 100-200°C ；時間為10-120分鐘。以上步驟為清除卷材表面的油脂、氧化物、雜質等不純物及增加黏著性，以利后續制程。之后如圖7a_7d所示，(1)使用滾輪涂布(Roll coating)方式將光敏性聚酰亞胺(Photosensitive polyimide)涂布于卷材上，滾輪速度為100-200rpm ；光敏性聚酰亞胺其厚度為1-20微米；之后優選的，以深紫外光曝光系統進行深紫外光曝光制程，其曝光能量為500-1000KJ，曝光時間為0. 1-0. 8ms ；之后優選的，進行顯影制程，其氫氧化鈉濃度3-8%，顯影時間10-30秒，溫度25-50°C，之后(2)進行納米電鍍銅制程(Nanometer Copper electroplating)制程參數如下pH 值:1_7 ；溫度:20-100°C 時間:10-120 分鐘，之后可優選的，經純水洗凈制程，其時間1-20分鐘；溫度10-80°C;(3)為消除納米電鍍銅制程所產生的內應力anternal stress)，需將經電鍍銅制程后的卷材置于卷帶基上進行熱處理，具體參數如下第一段升溫由室溫升溫至50-120°C;升溫速率5-30°C /分鐘，第二段恒溫保持50-120°C持續5-20分鐘，第三段升溫由50-120°C升溫至200_25(TC ；升溫速率 5-300C /分鐘，第四段恒溫保持200-250°C持續5_20分鐘，第五段降溫由200-250°C降溫至 150-200°C;降溫速率5-30°C /分鐘，第六段恒溫保持150-200°C持續5_20分鐘，第七段降溫由150-200°C降溫至100-150°C;降溫速率5-30°C /分鐘，第八段恒溫保持100-150°C持續5-20分鐘，第九段降溫由100-150°C降溫至50-100°C ；降溫速率5-30°C /分鐘，第十段恒溫保持50-100°C持續5-20分鐘，之后自然冷卻至室溫，之后(4)再進行電鍍金制程(Gold electroplating)，制程參數如下pH值1_7 ；溫度20-100°C時間10-120分鐘，之后優選的，經純水洗凈制程，其時間1-20分鐘；溫度10-80°C，如此即可完成高導熱系數的LED 散熱基板的制作。微型熱導管器件的相關制程在制造微型熱導管器件前，可優選的選用如圖8所示的方法加熱消除卷材的原始內應力，首先，將納米級銅鋁復合材料；納米級類鉆碳材料；納米級鉆石材料；納米級金屬石墨復合材料；納米級金屬陶瓷復合材料等相關金屬復合材料以粉末冶金并經壓延后所制成的卷材置于卷帶機上，卷帶機輸送速度為1-20厘米/秒，而輸送帶全線真空，其真空度為 0. 001-0. 000001托爾將卷材完全吸附于抗靜電輸送帶上，而輸送帶具有多個分區，優選于分五至八個區域加熱消除卷材的原始內應力，更優選的，當為8個區域時，各區域溫度與時間參數如下第一區溫度為200-300°C ；時間為5-20分鐘；第二區溫度為300°C ；時間為5_20 分鐘；第三區溫度為300-400°C ；時間為10-20分鐘；第四區溫度為400°C ；時間為10-20分鐘；第五區溫度為400-3000C ；時間為10-120秒；第六區溫度為300°C ；時間為10-20分鐘； 第七區溫度為300-150°C;時間為10-30分鐘；第八區溫度為150-50°C;時間為10-50分鐘。制造微型熱導管基材的微型熱導管器件的具體步驟如下，如圖9a-9f所示，(1) 將未切割的微型熱導管器件的基材(金屬、陶瓷、高分子)進行雙面Oouble sided)等離子蝕刻(Plasma etching)制程，相關參數如下真空度為0. 001-0· 000001托爾；時間為10-240秒；氣體為氬氣(純度為99. 999%),以完成微型熱導管器件的基材進行微蝕及增加黏著性的制程；( 將負型光刻膠(Negative photo resist)，其型號為SU-8 ；厚度為 0. 6-2. 0微米，前烤溫度為70-120°C，時間為20-50分鐘，倒入金屬屏蔽上，并以高精度的自動印刷機(制作倒轉芯片凸塊用的印刷機)印刷至微型熱導管器件的基材上。而印刷機的制程參數如下刮刀下壓壓力為每平方厘米0. Ol-IOOg,真空度為0. 001-0. 000001托爾，刮刀進刀速度為0.01-1厘米/秒，刮刀進回刀速度為0. 01-1厘米/秒；之后優選的，(3)通過上下兩個金屬屏蔽對微型熱導管器件的基材雙面分別進行深紫外光曝光制程，曝光能量為500-1000KJ，曝光時間為0. 1-0. 8ms ；之后優選的，(4)進行顯影制程，其氫氧化鈉濃度3-8%，顯影時間10-30秒，溫度25-50°C; 再進行反應性離子蝕刻對微型熱導管器件的基材雙面分別進行蝕刻，其時間10-50秒；之后(6)進行剝膜制程，其氫氧化鈉濃度5-10 %，顯影時間50-80秒，溫度50-80°C ；之后(7)進行純水制程，對微型熱導管器件的基材進行清洗，其溫度為20-80°C ；時間為2-10分鐘；之后(8)進行等離子蝕刻制程， 相關參數如下真空度為0.001-0. 000001托爾；時間為10-240秒；氣體為氬氣(純度為 99. 999%),以完成對微型熱導管器件基材的微型散熱結構進行微蝕及增加黏著性的制程。如圖10所示，將具有雙面結構的微型熱導管器件的基材置于卷帶機上，其中微型散熱鰭片(Micro heat sink)部份以聚丙烯(Polypropylene)披覆，卷帶機輸送速度為 1-20厘米/秒，而輸送帶全線真空，其真空度為0. 001-0. 000001托爾，將卷材完全吸附于抗靜電輸送帶上。之后，如圖11所示，再將具有雙面結構的微型熱導管器件的基材置于卷帶機上，其中微型熱導管(Micro heat pipe)部份以純水、沸石、相變恒溫材料等充填于微型熱導管之中。最后，如圖所示，將背面進行金屬鍍層處理的LED散熱基板置于卷帶機上，與微型熱導管基材的微型熱導管器件進行精密光學對位，之后，再以脈沖激光進行切割與封口(Laser cutting and fusion)，具體參數如下Nd:YAG脈沖激光，脈沖寬度 IOns ；激光波長為^6-1064nm ；能量為0. 1-1. OJ/pulse。之后，再進行熱超音波共晶制程 (Heat ultrasonic eutectic process)，將LED散熱基板與微型熱導管基材的微型熱導管器件進行超音波共晶接合(Ultrasonic eutectic bonding)，相關制程參數如下溫度 180-270°C;時間1-240秒；電源供應輸出20_50ΜΗζ。如此即可完成微型熱導管器件于LED 散熱基板的應用。需要說明的是上述每幅附圖中微型熱導管器件與LED散熱基板的結構僅作為示意性的，略有不同。同時，在具體實施例中的各步驟中包括一些優選的、更詳盡的實施步驟。 但并非必要步驟。最后應說明的是，以上實施例僅用以描述本發明的技術方案而不是對本技術方法進行限制，本發明在應用上可以延伸為其他的修改、變化、應用和實施例，并且因此認為所有這樣的修改、變化、應用、實施例都在本發明的精神和教導范圍內。
權利要求
1.一種基于微型熱導管器件的LED散熱基板制造方法，包括 步驟1，制造金屬屏蔽；步驟2，制造LED散熱基板； 步驟3，制造微型熱導管器件； 步驟4，將LED散熱基板與微型熱導管器件進行接合； 其特征在于，在所述步驟3中包括以下步驟(31)將微型熱導管器件的基材進行等離子蝕刻；(32)將膠印刷至基材上；(33)進行曝光、顯影；(34)再進行反應性離子蝕刻；(35)之后，進行剝膜制程；(36)進行等離子蝕刻制程。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3中還包括在制造微型熱導管器件的基材時，將金屬復合材料所制成的卷材置于卷帶機上，而輸送帶具有多個分區。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步驟3中還包括在所述(36)進行等離子蝕刻制程之后，將具有雙面結構的微型熱導管器件基材置于卷帶機上，其中微型散熱鰭片部份以聚丙烯披覆。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟3中還包括將純水、沸石或相變恒溫材料充填于微型熱導管之中。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述膠為負型光刻膠。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1中包括以下步驟(11)于石英光刻掩膜板的鉻層進行圖樣制作；(12)對光學級不銹鋼板進行曝光；(13)進行顯影制程；(14)對光學級不銹鋼板進行蝕刻；(15)進行電鑄制程；(16)進行剝膜制程；(17)再以翻模方式制作金屬屏蔽。
7.如權利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述步驟2中包括以下步驟(21)將光敏性聚酰亞胺涂布于散熱基板的卷材上；(22)進行曝光；(23)進行顯影；(24)進行納米電鍍銅；(25)進行熱處理；(26)再進行電鍍金制程。
8.如權利要求1或6所述的方法，其特征在于，在所述步驟4中包括以下步驟(41)將LED散熱基板與微型熱導管器件進行光學對位；(42)進行切割與封口；(43)將LED散熱基板與微型熱導管器件進行超音波共晶接合。
9.一種微型熱導管器件的制造方法，包括(1)將微型熱導管器件的基材進行等離子蝕刻制程；(2)將膠印刷至微型熱導管器件的基材上；(3)進行曝光，顯影；(4)再進行反應性離子蝕刻；(5)之后，進行剝膜制程；(6)進行等離子蝕刻制程。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于所述步驟3中還包括在制造微型熱導管器件基材時，將金屬復合材料所制成的卷材置于卷帶機上，而輸送帶具有多個分區。
11.如權利要求9或10所述的方法，其特征在于所述步驟3中還包括在所述(6)進行等離子蝕刻制程之后，將具有雙面結構的微型熱導管器件基材置于卷帶機上，其中微型散熱鰭片部份以聚丙烯披覆。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法還包括以純水、沸石、相變恒溫材料充填于微型熱導管之中。
13.一種基于微型熱導管器件的LED散熱基板，其特征在于，采用如權利要求9-12所述任一方法制作的微型熱導管具有雙面結構，其一面結構為微型散熱鰭片，而另一面結構為微型熱導管；通過超音波將LED散熱基板與微型熱導管器件共晶接合。
14.如權利要求13所述的LED散熱基板，其特征在于，該散熱基板背面進行金屬鍍層處理。
15.如權利要求13或14所述的LED散熱基板，其特征在于，所述微型散熱鰭片部份以聚丙烯披覆。
16.如權利要求15所述的LED散熱基板，其特征在于，其中微型熱導管部份以純水、沸石、相變恒溫材料充填于微型熱導管之中。
17.如權利要求15所述的LED散熱基板，其特征在于，所述微型熱導管器件的基材選用納米級銅鋁復合材料；納米級類鉆碳材料；納米級鉆石材料；納米級金屬石墨復合材料或納米級金屬陶瓷復合材料。
全文摘要
本發明利用微機電工藝制作微型熱導管基材，并與各式LED散熱基板進行組裝，或于基板制作過程中采一體成型方式內嵌于LED散熱基板中，如此可降低LED光衰，并降低LED燈具的散熱成本。首先，本發明提供一種基于微型熱導管器件的LED散熱基板制造方法，該方法包括以下步驟首先制造金屬屏蔽；然后制造LED散熱基板；接著制造微型熱導管基材的微型熱導管器件；最后將LED散熱基板與微型熱導管基材的微型熱導管器件進行接合；本發明的有益效果在于設計合理、結構緊湊、易于制造、散熱效果好；可迅速轉移出超大功率LED工作時發出的熱量，可有效地滿足大功率LED燈具散熱的需要。
文檔編號H01L33/00GK102332511SQ20111030403
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月30日 優先權日2010年10月15日
發明者王培賢, 蘇晉平 申請人:廣東昭信燈具有限公司