热动力电子装置、冷却电子装置的方法及发光二极管的制作方法

专利名称：热动力电子装置、冷却电子装置的方法及发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子以及材料科学领域，特别是涉及一种热动力电子装置、冷却 电子装置的方法及发光二极管。
背景技术：
在很多已开发国家中，大部分的人口认为电子装置对他们的生活而言是不可获缺 的。这种增加的使用率及依赖度已经产生对于电子装置更小、更快速的需求。当电子电路 的速度增加而尺寸减少时，这种装置的冷却就成了问题。电子装置通常包含整体连接有电子元件的印刷电路板，提供该装置具有整体性的 功能，这些电子元件(如处理机、晶体管、电阻器、电容器、发光二极管(LEDs)等)会产生大 量的热量，当热量增加，其会产生各种与印刷电路板以及内含的很多电子元件都有关的热 问题(thermal problem)，显著的热量会影响一电子装置的可靠性，或甚至使该电子装置因 为例如在电子元件本身内部以及该印刷电路板的表面的烧毁或短路而损坏。因此，热量的 增加最后影响该电子装置的作用寿命，此特别对于具有高功率与高电流需求的电子元件以 及对于支撑该等电子元件的印刷电路板是个难题。先前技术常常使用各种冷却装置，如风扇、散热器、Peltier散热器、水冷装置等以 减少电子装置中的热累积。当增加的速度以及功率消耗使得热量累积提高，这种冷却装置 通常必须增加尺寸以达到效果，其内部或本身也需要较大的功率来操作。例如，风扇必须增 加尺寸以及速度以增加气流，而散热器必须增加尺寸，以增加热容量以及表面积。然而，对 于较小的电子装置的需求不仅须排除这种冷却装置尺寸的增加，也还需要有显著缩小的体 积。由此可见，上述现有的电子装置及其冷却电子装置的方法在产品结构、方法与使 用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关 厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般 产品及方法又没有适切的结构及方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问 题。因此如何能创设一种新的热动力电子装置、冷却电子装置的方法及发光二极管，能以在 电子装置尺寸最小化时提供足够的冷却效果，并解决因冷却所造成的功率限制问题亦成为 当前业界极需改进的目标。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种能在电子装置尺寸趋于小型化时，能够有效冷却的 热动力装置和发光二极管，以及冷却电子装置的方法，以解决相关产业长久以来存在的问题。本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出 的一种热动力电子装置，包括一钻石材料层，其涂布在一支撑基材上；一电路，其设置在 该钻石材料层上，该钻石材料层配置为加速热从该电路离开。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。前述的热动力电子装置，其中所述的钻石材料层的材料为类钻碳。前述的热动力电子装置，其中所述的类钻碳为非晶碳。前述的热动力电子装置，其中所述的钻石材料层的材料为结晶钻石。前述的热动力电子装置，其中所述的钻石材料层具有从约0. 1至约100.0微米 (microns)的厚度。前述的热动力电子装置，其中所述的钻石材料层具有从约0. 1至约20. 0微米 (microns)的厚度。前述的热动力电子装置，其中所述的支撑基材为金属。前述的热动力电子装置，其中所述的金属为铝。前述的热动力电子装置，其中所述的支撑基材为高分子材料。前述的热动力电子装置，其中所述的高分子材料是选自于由以下物质所构成的群 组聚胺化合物、聚丙烯酸酯、聚酯、聚酰胺、聚亚酰胺、聚氨酯、多酚、环氧树脂、异氰酸酯、 聚异氰脲酸酯、聚硅氧烷、聚乙烯化合物、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚砜、丙烯腈-丁二 烯_苯乙烯、聚丙烯酸、聚碳酸酯及其混合物。前述的热动力电子装置，其中所述的高分子材料为环氧树脂。前述的热动力电子装置，其中所述的支撑基材为半导体材料。前述的热动力电子装置，其中所述的半导体材料为硅。前述的热动力电子装置，其中所述的电路包括至少一传导路径。前述的热动力电子装置，其中所述的电路包括晶片级电路(chip levelcircuitry)0前述的热动力电子装置，其还包括一额外的钻石材料层，其是涂布于该电路上，使 得该电路位于该钻石材料层以及该额外的钻石材料层之间。本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的 一种冷却电子装置的方法，包括以下步骤涂布一钻石材料层在一支撑基材上；以及在该 钻石材料层上沉积具有热源的电路，以使得热移动从热源快速离开而移动到钻石材料中。本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。前述的冷却电子装置的方法，其中所述的沉积具有热源的电路还包括沉积一未 硬化的导电胶于该钻石材料上；以及硬化该未硬化的导电胶以形成一硬化的导电电路。前述的冷却电子装置的方法，其中所述的沉积具有热源的电路还包括藉由物理气 相沉积法沉积一导电材料。前述的冷却电子装置的方法，其中所述的导电材料包括一选自于由铜、银、金、钼、 铝、钛、钨、钼、其合金及其组合物所组成的群组的物质。前述的冷却电子装置的方法，其中所述的导电材料包括一选自于由铜、银、金、钼、 其合金及其混合物所组成的群组的物质。前述的冷却电子装置的方法，其中所述的沉积一导电材料还包括沉积一缓冲层于该钻石材料上；以及沉积该导电材料于该缓冲层上，其中该缓冲层能促进钻石材料与导电材料之间的
黏着性。
前述的冷却电子装置的方法，其中所述的缓冲层是以钻石材料形成一碳化物层。前述的冷却电子装置的方法，其中所述的缓冲层是包括选自由铬、钛、钨、钴、钼、 钽、铝、镍、锆、铌及其组合所组成的群组的物质。前述的冷却电子装置的方法，其还包含涂布一额外的钻石材料层于该电路上，使 得该电路位于该钻石材料层以及该额外的钻石材料层之间。本发明的目的及解决其技术问题另外再采用以下技术方案来实现。依据本发明提 出的一种具有增进的散热性质的发光二极管装置，包括一钻石材料层，其涂布于一支撑基 材上；一电路，其包含一发光二极管，该电路设置于该钻石材料层上，且该钻石材料层配置 为加速热从电路离开。本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发 明的主要技术内容如下为达到上述目的，本发明提供了一种热动力电子装置，包括涂布在一支撑基材上 的一钻石材料层以及设置在该钻石材料层上的电路，该钻石材料层配置为加速热从该电路 离开。虽然该钻石材料可为任何已知功能为用以加速热传递的钻石材料，但该钻石材料层 的材料在一形态中可为类钻碳。在一特定的形态中，该类钻碳可为非晶碳。在另一形态中， 该钻石材料层的材料可为结晶钻石。各种材料都能考虑作为支撑基材，且任何能够支撑该钻石材料层的材料以及相关 的电路能考虑于本发明的范畴中。例如，该支撑基材的一形态可为金属；在一特定形态中， 该金属可为铝；在另一形态中，该支撑基材可为高分子材料，该高分子材料非限制性的范例 包括聚胺化合物(polyamines)、聚丙烯酸酯(polyacrylates)、聚酯(polyesters)、聚酰胺 (polyamides)、聚亚酉先胺(polyimides)、聚氨酉旨(polyurethanes)、多酚(polyphenols)、 环氧树脂(印oxies)、异氰酸酯(isocyanates)、聚异氰脲酸酯(polyisocyanurates)、聚 硅氧烷(polysiloxanes)、聚乙烯化合物(polyvinyls)、聚乙烯(polyethylenes)、聚丙烯 (polypropylenes)、聚苯乙烯(polystyrenes)、聚砜(polysulfones)、丙烯腈 _ 丁二烯 _ 苯 ZjM (aeryIonitrile-butadiene-styrene polymers)、聚丙j；希酸(polyacrylics)、聚碳酸 酯(polycarbonates)及其混合物。一高分子材料的特定的范例为环氧树脂。在又一形态 中，该支撑基材可为半导体材料；半导体材料的特定范例为硅。另外，为达到上述目的，本发明还提供了一种冷却电子装置的方法。这种方法可 包括涂布一钻石材料层在一支撑基材上，以及在该钻石材料层上沉积具有热源的电路，以 使得热是从热源快速离开而移动到钻石材料中。各种在钻石材料层上沉积电路的方法都 能考虑。在一形态中，沉积具有热源的电路可包括沉积一未硬化的导电胶于该钻石材料上， 且硬化该未硬化的导电胶以形成一硬化的导电电路。在另一形态中，沉积具有热源的电路 可包括藉由物理气相沉积法沉积一导电材料，这种沉积法可进一步包含沉积一缓冲层于该 钻石材料上，且沉积该导电材料于该缓冲层上，其中该缓冲层能促进钻石材料与导电材料 的间的黏着性。在一形态中，该缓冲层是以钻石材料形成一碳化物层。各种缓冲层皆能被 考虑促进导电材料以及钻石材料层之间的黏着性。例如，在一形态中该缓冲层可包括铬 (chromium)、铁(titanium)、鹤(tungsten)、钴(cobali)、银(molybdenum)、组(tantalum)、 招(aluminum)、镍(nickel)、,告(zirconium)、铌(niobium)及其组合物。除此之外，能考虑任何导电材料而用以在一缓冲层或钻石材料层上形成电路或电路元件。例如，该导电材料在一形态中可包括铜(copper)、银(silver)、金(gold)、钼 (platinum)、招(aluminum)、铁(titanium)、鹤(tungsten)、销(molybdenum)、其合金及其 组合物。在更特定的实施例中，该导电材料可包括一选自于由铜、银、金、钼、其合金及其混 合物所组成的群组的物质。再者，为达到上述目的，本发明再提供了一种具有增进的散热性质的发光二极管 装置。这种装置可包括涂布于一支撑基材上的一钻石材料层，以及具有发光二极管的电路， 其中该电路是设置于该钻石材料层上，且该钻石材料层配置为加速热从电路离开。借由上述技术方案，本发明热动力电子装置、冷却电子装置的方法及发光二极管 至少具有下列优点及有益效果本发明使用钻石材料以加速将热从电路等热点移除，且能快速地将热散逸至空气 中，又能因其介电特性而让电路处于电绝缘的状态，因此尺寸逐渐趋于小型化的电子装置， 如LED，即使在小型化的封装体中仍然具有足够的冷却效果，故本发明能够有效解决目前存 在于小型化电子装置中的散热问题，且达到有效冷却的目的。综上所述，本发明能够有效解决目前存在于小型化电子装置中的散热问题。本发 明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够 更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。


图1是本发明一实施例中一电路装置的剖面图。图2是本发明一实施例中一电路装置的剖面图。图3是本发明一实施例中一电路装置的剖面图。图4是本发明一实施例中一 LED装置的剖面图。12、30:钻石材料层14、32:支撑基材16、18、34:电路20 额外的钻石材料层36 发光二极管
具体实施例方式为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合 附图及较佳实施例，对依据本发明提出的热动力电子装置、冷却电子装置的方法及发光二 极管其具体实施方式
、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实 施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式
的说明，当可对本发明为达成预定目 的所采取的技术手段及功效得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说 明之用，并非用来对本发明加以限制。^X在本发明的叙述与申请专利范围中，以下术语会依照以下所提出的定义而被使用。
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单数型态字眼如“一”和“该”除非在上下文中清楚指明为单数，不然亦包括多个 对象，因此例如“一热源”包括一个或多个这样的热源；“该钻石层”包括一个或多个这样的
层状结构。“热传递(heat transfer) ”、“热移动(heat movement)，，和“热传输(heat transmission)”可互换使用，其是指热从温度较高的区域转移至温度较低的区域。热的 转移是指包括任何于所属技术领域具有通常知识者所知的热转移机制，例如但不限制于传 导、对流以及辐射等。“动力的(dynamic)，，或“动力地(dynamically)，，或“热动力的(thermally dynamic) ”是指材料的的特性，其中该材料是能主动传递能量。通常，该动力材料是主动传 递热能。“电路(electrical circuitry) ” 和“电路(circuitry) ” 能相互交换使用，其 是用于描述包括晶片级电路(chip level circuitry)和封装级电路(package level circuitry) 二者的电路；倾向于让该封装级电路也包括印刷电路板电路。“介电材料(dielectric material) ”是用于描述任何具有显著电绝缘性质的材 料。“热源(heat source) ”是指具有大于直接邻近的区域的热能或热量的装置或物 体。例如在印刷电路板中，热源是该板体的任何比邻近区域热的区域。热源包括制造热(作 为操作时的副产物)的装置(在此之后称为“主要热源”或“主动热源”)以及被热能或热 转换而加热的物件(在此之后称为“次要热源”或“被动热源”)。主要或主动热源的范例 包括但不限制在中央处理机(CPU)、传导性路径、LED等。次要或被动热源的范例包括但不 限制在热分散器(heat spreaders)、散热器(heat sinks)等。“传导性路径”和“传导路径”是指在印刷电路板或其他基材上的传导路线，其能够 导热、导电或二者。“气相沉积物(vapor d印osited) ”是指一种藉由气相沉积法所形成的材料，“气 相沉积法”是指一种藉由气体相将物质沉淀在基材上的方法，其包括任何例如，但不限制为 化学气相沉积法(chemical vapor deposition, CVD)和物理气相沉积法(physical vapor deposition, PVD)，每一气相沉积法的使用皆可由于本领域具通常知识者在不改变主要 原理的情况下做变动，因此该气相沉积法的例子包括热灯丝化学气相沉积法(filament CVD)、射频化学气相沉积法(rf-CVD)、激光化学气相沉积法(laser CVD, LCVD)、激光剥离 法(laser ablation)、同构型钻石涂布方法(conformal diamondcoating processes)、 金属有机物化学气相沉积法(metal-organic CVD, M0CVD)、溅镀、热蒸发物理气相沉积法 (thermal evaporation PVD)、离子化金属物理气相沉积法(ionized metal PVD, IMPVD)、 电子束物理气相沉积法(electron beam PVD，EBPVD)以及反应物理气相沉积法(reactive PVD)等其他类似的方法。“化学气相沉积(chemical vapor exposition) ”或“CVD”是指任何以气相状态化 学沉积钻石颗粒于一表面的方法。各种CVD是所属技术领域具有通常知识者所知悉的。“物理气相沉积(physical vapor d印osition) ”或“PVD”是指任何以气相状态物 理沉积钻石颗粒于一表面的方法。各种PVD是所属技术领域具有通常知识者所知悉的。“钻石(diamond)”是指一种碳原子键结至在四角晶格的结晶形态(即sp3键结型态)中其他碳原子的结晶型态，特别的是每一碳原子被其他四个各位于正四面体的四角的 碳原子围绕并键结，此外，尽管实验结果的差值很小，但在室温下实验后的任两个碳原子的 键长为1. 54埃，其键角为109度28分16秒，而钻石的结构与性质，包括许多其物理及电学 性质已为现有习知的技术，故在此不赘述。“扭曲四面体配位结构(distorted tetrahedral coordination) ”是指不规则碳 原子的在四面体键结配位结构，或具有脱离了上述正常的钻石四面体型态，这种扭曲通常 是由于一些键被拉长，而其他被缩短，而键之间的键角差异也是原因之一。除此之外，这种 四面体的扭曲结构改变了碳的特征与性质，以有效界于以SP3结构键结的碳(即钻石)以 及以SP2结构键结的碳(即石墨)之间的特征，举例来说，一个具有键结在扭曲四面体键结 中的碳原子的材料为非晶钻石。“类钻碳(diamond-like carbon) ”是指主要组成物为碳原子，且大量的这种碳原 子键结于一扭曲四面体配位结构的含碳物质，虽然CVD或其他方法也能使用(如气相沉积 法)，但类钻碳通常能够以PVD法所形成。尤其各种其他包括在类钻碳材料中的元素为不纯 物或掺杂物，包括但不限制为氢、硫、磷、硼、氮、硅、钨等。“非晶钻石(amorphous diamond) ”是属于类钻碳的一种，其主要元素为碳原子，且 大量碳原子键结于一扭曲四面体配位结构。一方面，在非晶钻石中的碳原子含量至少约为 90%，其中至少约20%的碳原子是属于扭曲四面体配位结构。非晶钻石的原子密度也比一 般钻石(176at0mS/cm3)高，而且非晶钻石与钻石材料会在熔化时收缩。关于基材的“涂布(coat) ”、“涂层(coating)，，以及“被涂布的(coated) ”，是指沿 着基材至少一部分外表面与一层导热材料紧密接触的面积，且因此达到热耦合。在一些形 态中，涂层实质上覆盖该基材整体表面的一层状结构。在另一形态中，该涂层可为仅覆盖该 基材部分表面的一层状结构。“实质上地(substantially)”是指步骤、特性、性质、状态、结构、项目或结果的完 全、接近完全的范围或程度。例如，一“实质上”被包覆的物体是指该物体完全被包覆或几 乎完全被包覆。而离绝对完全确实可允许的偏差可在不同情况下依照特定上下文来决定。 然而，通常来说接近完全就如同获得绝对或完整的完全具有相同的总体结果。所用的“实 质上地”在当使用于负面含意亦同等适用，以表示完全或接近完全缺乏步骤、特性、性质、状 态、结构、项目或结果。举例来说，一“实质上没有(substantiallyfree of) ”颗粒的组成可 为完全缺乏颗粒，或者非常近乎完全缺乏颗粒，而其影响会如同完全缺乏颗粒一样。换句话 说，一“实质上没有” 一成分或元素的组成只要在所关注的特性上没有可测量到的影响，可 实际上依然包含这样的物质。“大约(about) ”是可在边界值“高一些”或“低一些”的数值，以用于提供一数值范 围的边界值的弹性。这里所述的多个个物品、结构元件、组成元素和/或材料，基于方便可出现在一般 的常见列举中，然而这些列举可解释为列举中的单一构件单独或个别地被定义，因此，这样 列举中的单一构件不能视为任何单独基于在一般族群中无相反表示的解释的相同列举中 实际上相等的其他构件。浓度、数量以及其他数值上的资料可是以范围的形式来加以呈现或表示，而需要 了解的是这种范围形式的使用仅基于方便性以及简洁，因此在解释时，应具有相当的弹性，不仅包括在范围中明确显示出来以作为限制的数值，同时亦可包含所有个别的数值以及在 数值范围中的次范围，如同每一个数值以及次范围被明确地引述出来一般。例如一个数值 范围“约1微米到约5微米”应该解释成不仅仅包括明确引述出来的约1到约5，同时还包 括在此指定范围内的每一个数值以及次范围，因此，包含在此一数值范围中的每一个数值， 例如2、3及4，或例如1-3,2-4以及3-5的次范围等，以及个别的1、2、3、4和5。此相同原则适用在仅有引述一数值的范围中，再者，这样的说明应该能应用于无 论是一范围的幅度或所述的特征中。本发明可用于散热装置有潜力的材料为钻石，钻石材料的传热速率能快过任何其他材 料，钻石在室温的热传导率(约2000W/mK)高于铜(约400W/mK)的五倍，且为铝(250W/ mK)的八倍，其是两种目前所用热传导率最快的两种金属。再者，钻石的热扩散率(12. 7cm2/ sec)为铜(1. 17cm2/sec)或铝(0. 971cm2/sec)的十一倍。钻石将热带离而不储存热的能 力使钻石成为用于散热的理想材料。本发明的形态是使用钻石材料以加速将热由电路有关的热点带离。藉由将电路设 置在钻石材料层上，热可加速从电路横向扩散地穿过该钻石材料层而远离，且藉由传递至 底部的基材材料而散失。很多钻石材料(特别是类钻碳)也能加速将热传递至空气中，因 此电路能藉由将热横向传递过钻石材料层而有效冷却，且将热横向传递时加速热传递至空 气中。除了热传递的优点之外，该钻石材料层由于钻石的介电特性也能使电路处于电绝缘 状态。为所属技术领域中具有通常知识者所熟知从热引入电路中的任何热源形式皆被 考虑在本发明的范畴中。热源在一形态中能为主动热源，且其范例可为产生热的电子元件， 这种元件可包括但不限制在电阻器、电容器、晶体管、具有中央和绘图处理单元的处理器、 LED、激光二极管、滤波器等。热源也能包括印刷电路板或其他具有高密度传导路径的电路 的区域，以及接收从热源传递而来的热且与印刷电路板无物理接触的区域。其也可包括处 于物理接触状态的热源，但并无考虑整合至一印刷电路板。一范例可为一具有与其耦合的 子板的母板，其中热是从子板传递至母板。无论热源为何，在电路中呈现的热传递能加速从热源通过在底层的钻石材料离 开。应该注意本发明并不局限于特定的热传递理论，因此，从热源离开的热加速移动至少部 分是因为热横向移动而通过该钻石材料。由于钻石热传导的特性，热能快速地横向散布而 穿过钻石材料层，除此之外，热加速移动而从热源离开至少部分是因为从钻石材料至空气 中的热移动。钻石材料(特别是类钻碳)即使在100°c以下也有卓越的热发散特征，因此能 将热直接辐射至空气中。很多其他的材料，特别是树脂、陶瓷和其他材料可用以作为支撑结 构，其导热效果优于其热发散效果。由于钻石材料高的热传导以及辐射特性，热从钻石材料 层移动至空气中比从其他支撑结构移动至空气中更好，因此，钻石材料层能将热引出电路， 且在一些情形中是从支撑结构引出，且因此能够加速热从热源离开而至空气中。这种加速 的热传递使得电路具有较冷的操作温度。从热源使热加速传递远离，不仅冷却相关电路，且藉由降低施加于邻近设置的电 子元件上的热而可作为冷却非直接与钻石材料层有关的电路。例如，一具有外部散热器和 鳍片的中央处理器(CPU)会要求较少的外部冷却，这是因为通过印刷电路板经由CPU插座
10而增进热传递。因此，在本发明的一形态中提供一种热动力电子装置。如图1所示，这种装置可包 括涂布于一支撑基材14上的一钻石材料层12以及设置于该钻石材料层12上的电路16、 18，该钻石材料层12配置为加速热从该电路16、18远离。如上所述，倾向于使电路一词包 括任何种类能够合并于一电子装置中的电路元件或电子结构。例如在图1中，标号16可表 示传导路径；18代表集成电路。然而应注意的是可依照本发明各种形态于晶片级和封装级 电路二者，而使用钻石材料层，该封装电路意指包括印刷电路板。该支撑基材有涂布钻石材料层的部分能依照该电路的型态和欲使用的目的而有 所不同。例如在一形态中，如图1所示，该钻石材料层12可涂布于实质上整个支撑基材14 的侧边，其是电路16、18将沉积之处。因此，对于一些电路而言，钻石材料层可涂布于该用 于支撑电路的支撑基材的很多表面。如图2所示，在另一形态中，钻石材料层12可仅有涂 布于支撑基材14支撑电路16、18的部分。另外，该钻石材料层可涂布于该支撑基材上主要 在电路(图中未示)热点的区域。在又另一形态中，如图3所示，可涂布额外的钻石材料层 20于该支撑基材14缺乏电路的表面，在这种情形中，该额外的钻石材料层可作为将热吸引 至该支撑基材外且散逸于空气中。也能考虑接下来将该电路沉积于该钻石材料层上，第二钻石材料层可进一步沉积 于该电路上，以此方式，该电路是被夹设于二钻石材料层层之间，因此能进一步增加电路接 触钻石材料的面积，且更进一步促进冷却。再者，关于沉积钻石材料层于电路上的细节仍在 审查中，在2005年8月10日申请的美国专利第11/201，771号申请案，以及仍在审查中，在 2007年2月14日申请，代理人编号为00802-24219. CIP，发明名称为“冷却电路的方法与装 置”的美国专利申请案，二者皆能合并于本案中作为参考。本发明也考虑冷却电子装置的方法，包括涂布一钻石材料层于一支撑基材上，且 沉积具有至少一热源的电路于该钻石材料上，使得热能加速地从热源远离而移动至钻石材 料中。能考虑很多支撑基材，且一支撑基材的选择能依照要被沉积的电路的型态以及 该电子装置的预定使用目的而决定。然而要注意的是任何合适能够支撑一钻石材料层以 及相关电路的基材皆能考虑在本发明的范畴中。例如在一形态中，该支撑基材可包括但 不限制在半导体材料、金属材料、高分子材料以及其组合物。半导体材料特定的例子可包 括但不限制在娃(silicon) ^blt (silicon carbide)、娃化锗(silicon germanium)、 石申化嫁(gallium arsenide) >(gallium nitride)、错(germanium)、硫化锋(zinc sulfide)、磷化镓(gallium phosphide)、锑化镓(galliumantimonide)、砷磷化镓铟 (gallium indium arsenide phosphide)、憐化招(aluminum phosphide)、石申化招(aluminum arsenide)、石申(aluminum gallium arsenide)(gallium nitride) (boronnitride)、氮化招(aluminum nitride)、石申化铟(indium arsenide)、憐化铟(indium phosphide)、锑化铟(indium antimonide)、氮化铟(indiumnitride)以及其组合物。在另 一形态中，该半导体材料可包括但不限制在硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓、磷化镓、氮化铝、氮 化铟、氮化铟镓、氮化铝镓或这些材料的组合物。在一特定的形态中，该半导体材料可为硅。 在另一特定形态中，该半导体材料可为碳化硅。在一些额外的实施例中，非硅基支撑材料可 包括砷化镓、氮化镓、锗、氮化硼、氮化铝、铟基材料以及其复合物。在另一形态中，该半导体材料包括氮化镓、氮化铟镓、氮化铟以及其组合物。在一特定的形态中，该半导体材料为氮 化镓。在另一特定的形态中，该半导体材料为氮化铝。其他可用的半导体材料包括氧化铝 (Al2O3)、氧化铍(BeO)、钨(W)、钼(Mo)、C-氧化钇(C-Y2O3)、c_ 氧化钇镧(c_ (YQ. 9LaQ.》203)、 C-氮氧化铝(C-Al23O27N5)、C-氧化镁铝(C-MgAl2O4)、t-氟化镁(t_MgF2)、石墨(graphite) 以及其混合物。需要了解的是该支撑基材可包括任何已知的半导体材料，而且不应限制 在这里所述的材料。另外，半导体材料可呈现任何已知的结构型态，例如但不限制在立 方(cubic)(闪锌矿(zincblende or sphalerite))、纤维矿型(wurtzitic)、菱形六面体 (rhombohedral)、石墨状(graphitic)、乱层结构状(turbostratic)、热分解(pyrolytic)、 六角形(hexagonal)、非晶型(amorphous)以及其组合构型。在另一形态中，该支撑基材可为金属材料，金属材料可用于任何情形，因为在很多 情形中金属相对地容易操作。任何能够根据本发明各种形态而做为基材的金属材料应被考 虑于本发明的范畴中。这种金属材料的一范例为铝，其他非限制性的范例可包括锡、铜、不 锈钢等。当使用很多金属材料作为支撑基材时，可藉由各种碳化物或碳化物形成材料帮助 一钻石材料层沉积于其上。碳化物形成材料的范例可包括但不限制在钨(W)、钽(Ta)、钛 (Ti)、锆(&)、铬(Cr)、钼(Mo)、硅(Si)和锰(Mn)0除此之外，碳化物非限制性的范例包括 碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)以及其混合物。在另一形态中，该支撑基材可为高分子材料，有用的高分子材料非限制性的范例 包括聚胺化合物(polyamines)、聚丙烯酸酯(polyacrylates)、聚酯(polyesters)、聚酰胺 (polyamides)、聚亚酉先胺(polyimides)、聚氨酉旨(polyurethanes)、多酚(polyphenols)、 环氧树脂(印oxies)、异氰酸酯(isocyanates)、聚异氰脲酸酯(polyisocyanurates)、聚 硅氧烷(polysiloxanes)、聚乙烯化合物(polyvinyls)、聚乙烯(polyethylenes)、聚丙烯 (polypropylenes)、聚苯乙烯(polystyrenes)、聚砜(polysulfones)、丙烯腈 _ 丁二烯 _ 苯 ZjM (aeryIonitrile-butadiene-styrene polymers)、聚丙j；希酸(polyacrylics)、聚碳酸 酯(polycarbonates)及其混合物。一高分子材料的特定的范例包括环氧树脂。如已经建议的，可使用各种钻石材料以将热从电路传递出去，能够促进热传递的 任何形式的钻石材料可因此被考虑于本发明的范畴中。例如但不限制在该钻石材料可包括 类钻碳、非晶钻石以及结晶钻石，包括单晶以及多晶钻石。除此之外，该钻石材料层可为任 何能够作用为帮助热从电路传递出去的厚度。然而在一特定的形态中，该钻石材料层可具 有从约0. 1至约100. 0微米的厚度。在另一特定的形态中，该钻石层可具有从约0. 1至约 20.0微米的厚度。在此所述的钻石材料层可使用任何已知的方法来形成在一基材上，若能得到相 似的特性以及结果，虽然任何类似的方法皆能使用，但最常见的气相沉积法包括化学气 相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)。在一形态中，CVD法如可使用热灯丝气相沉 积法(filament CVD)、微波等离子气相沉积法(microwave plasma)、乙炔火焰气相沉积 法(oxyacetylene flame)、射频化学气相沉积法(rf_CVD)、激光化学气相沉积法(laser CVD，LCVD)、金属有机物化学气相沉积法(metal-organic CVD，M0CVD)、激光剥离法(laser ablation)、同构型钻石镀膜方法(conformal diamond coatingprocesses)以及直流电弧 技术(direct current arc techniques)。一般的CVD法是使用气体反应剂来沉积该钻石或类钻碳成层状或膜状结构，这些气体通常包括以氢气稀释的少量(即少于约5%)的碳化 物材料，如甲烷。各种特定的CVD工艺(包括仪器和条件)以及使用于氮化硼层的CVD工艺 皆是所属技术领域中具有通常知识者所熟知的。在另一形态中，可使用PVD技术如溅镀、热 蒸发物理气相沉积法(thermal evaporation PVD)、离子化金属物理气相沉积法(ionized metal PVD，IMPVD)、电子束物理气相沉积法(electron beam PVD, EBPVD)以及反应物理气 相沉积法(reactive PVD)皆可使用。除此之外，应该注意可使用特定的沉积条件以调整要 被沉积的特定种类的材料，如类钻碳、非晶钻石或结晶钻石。为了更增进热传递的特性，在本发明的一形态中该钻石材料层可为同构型钻石材 料层。同构型钻石材料涂布技术能提供很多比既有钻石成膜技术更好的优点，同构型钻石 涂布能实施于各种基材(包括非平面的基材)，一生长表面能在缺乏偏压的生长条件下前 处理以形成一碳膜，该钻石生长条件可为既有CVD沉积钻石的条件而无施加偏压，结果形 成一薄的碳膜，其通常是小于约100埃(angstroms)；能在大致任何的生长温度实施该前处 理步骤，例如虽然于低于约500°C的较低温度为较佳的，但从约200°C至约900°C皆可使用。 并无结合任何特定的理论，该薄的碳膜出现形成时是在一短的时间之内，例如短于一小时， 且是一氢端(hydrogen terminated)的无晶碳。在这种前处理之后，该薄的碳膜在施以钻 石生长条件下形成同构型钻石材料层。钻石生长条件是那些常用于传统CVD钻石生长的 条件，然而，不像既有的钻石膜的生长，在使用过前述前处理步骤后所产生以同构型钻石膜 形式存在的钻石膜，再者，该钻石膜通常开始生长于实质上整体基材上，且实质上无孕育期 (incubation time)。除此之外，一连续膜(例如实质上无晶界)能在约80nm以内的生长 中发展。将该钻石材料层沉积在该支撑基材上后，电路可沉积于其上，应该了解的是各种 沉积电路于钻石材料层上的各种方法都是可能的，特别要考虑各种被沉积的电路以及电路 元件，因此，这种沉积的任何技术皆被考虑于本发明的范畴中，且之后的叙述并不会视为是 限制。在一形态中，电路可藉由施加未硬化的导电胶于该钻石材料上表示想要的电路的 图案而沉积于钻石材料层上，且硬化该导电胶以形成硬化的导电电路。该未硬化的导电胶 能藉由任何已知的方法施加，然而在一特定的形态中，该导电胶可藉由各种网版印刷技术 施加。虽然可使用任何的导电胶，但特定非限制性的范例可包括铜胶、银胶、金胶、钼胶以及 其组合物。在加热这种胶的过程中，一导电电路可形成于该钻石材料层上，举例来说，铜和 银胶可网版印刷于该钻石材料层上，且在约150°C和200°C之间的温度硬化约30至约60分 钟。在另一形态中，一导电金属可藉由PVD技术(例如但不限制在阴极电弧法、溅镀 以及电子束蒸镀法等)直接沉积于该钻石材料层上，然而很多导电金属无法良好地贴附 于钻石表面，在这种情形中，一缓冲层可施加于该钻石材料上，以增加PVD沉积的电路的附 着性。虽然缓冲层的选择可依照所用的钻石材料和导电金属的种类而有所不同，但在一 形态中，缓冲层非限制性的范例可包括铬(chromium)、钛(titanium)、钨(tungsten)、钴 (cobalt)、销(molybdenum)、组(tantalum)、招(aluminum)、银(nickel)、错(zirconium)、 铌(niobium)及其组合物。在一特定的形态中，钻石材料可包括类钻碳、该导电金属为铜或 银，且该缓冲层可为铬或钛。再者，在一形态中，该缓冲层可形成碳化物层于该钻石材料上，以促进沉积于其上的导电金属的附着性，例如碳化铬或碳化钛能促进铜或银导电金属于一 类钻碳层上的附着性。举例来说，一缓冲层可使用一具有大于约100伏特(V)的偏压的高 能涂布法沉积以在该缓冲层以及钻石材料之间形成碳化物层，接着以一具有大于约50V至 约100V的偏压的低能涂布法以增厚该缓冲层至所要的厚度。除此之外，在一些形态中，该 钻石材料可渐次地进入该缓冲层中以减少在层状结构之间不连续的晶格过渡变化。例如， 当沉积该钻石材料层时，沉积该缓冲层的原子的百分比会慢慢地增加以在该钻石材料以及 该碳化物缓冲层之间提供逐步的过渡变化。在该缓冲层沉积之后，该导电金属可沉积于该 缓冲层上。也要考虑本发明包括与LED装置有关的形态。当LED变得对于电子学和发光装置 更具重要性，其持续发展且出现增加功率的需求，此增加功率的趋势使得这些装置产生冷 却的问题，这些冷却问题因这些装置一般的小尺寸而更趋严重，且因为具有传统铝散热鳍 片的散热器庞大的体积特性，使其无法使用。不过本发明者已经发现整合钻石材料至LED 封装体中，即使在非常高功率的情形下也会产生足够的冷却效果，此时也维持小的LED封 装体尺寸。因此，如图4所示，本发明的一形态可包括一具有增进的散热特性的LED装置。该 LED装置可包括涂布于一支撑基材32上的一钻石材料层30以及设置于该钻石材料层30上 的各种电路34，一发光二极管36可耦合于该钻石材料层30，且电耦合于该电路34。该钻石 材料层30因此配置为加速热远离电路以及从LED远离，这种配置让LED在比不具有钻石材 料层的LED封装体冷的温度中操作。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人 员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更 动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案 的范围内。
权利要求
一种热动力电子装置，其特征在于其包括一钻石材料层，其涂布在一支撑基材上；一电路，其设置在该钻石材料层上，该钻石材料层配置为加速热从该电路离开。
2.根据权利要求1所述的热动力电子装置，其特征在于其中所述的钻石材料层的材料 为类钻碳。
3.根据权利要求2所述的热动力电子装置，其特征在于其中所述的类钻碳为非晶碳。
4.根据权利要求1所述的热动力电子装置，其特征在于其中所述的钻石材料层的材料 为结晶钻石。
5.根据权利要求1所述的热动力电子装置，其特征在于其中所述的钻石材料层具有从 约0. 1至约100.0微米的厚度。
6.根据权利要求1所述的热动力电子装置，其特征在于其中所述的钻石材料层具有从 约0. 1至约20. 0微米的厚度。
7.根据权利要求1所述的热动力电子装置，其特征在于其中所述的支撑基材为金属。
8.根据权利要求7所述的热动力电子装置，其特征在于其中所述的金属为铝。
9.根据权利要求1所述的热动力电子装置，其特征在于其中所述的支撑基材为高分子 材料。
10.根据权利要求9所述的热动力电子装置，其特征在于其中所述的高分子材料是选 自于由以下物质所构成的群组聚胺化合物、聚丙烯酸酯、聚酯、聚酰胺、聚亚酰胺、聚氨酯、 多酚、环氧树脂、异氰酸酯、聚异氰脲酸酯、聚硅氧烷、聚乙烯化合物、聚乙烯、聚丙烯、聚苯 乙烯、聚砜、丙烯腈_ 丁二烯_苯乙烯、聚丙烯酸、聚碳酸酯及其混合物。
11.根据权利要求10所述的热动力电子装置，其特征在于其中所述的高分子材料为环 氧树脂。
12.根据权利要求1所述的热动力电子装置，其特征在于其中所述的支撑基材为半导 体材料。
13.根据权利要求1所述的电子装置，其特征在于其中所述的半导体材料为硅。
14.根据权利要求1所述的电子装置，其特征在于其中所述的电路包括至少一传导路径。
15.根据权利要求1所述的电子装置，其特征在于其中所述的电路包括晶片级电路。
16.根据权利要求1所述的电子装置，其特征在于其还包括一额外的钻石材料层，其是 涂布于该电路上，使得该电路位于该钻石材料层以及该额外的钻石材料层之间。
17.—种冷却电子装置的方法，其特征在于其包括以下步骤涂布一钻石材料层在一支撑基材上；以及在该钻石材料层上沉积具有热源的电路，以使得热移动从热源快速离开而移动到钻石 材料中。
18.根据权利要求17所述的冷却电子装置的方法，其特征在于其中所述的沉积具有热 源的电路还包括沉积一未硬化的导电胶于该钻石材料上；以及硬化该未硬化的导电胶以形成一硬化的导电电路。
19.根据权利要求17所述的冷却电子装置的方法，其特征在于其中所述的沉积具有热源的电路还包括藉由物理气相沉积法沉积一导电材料。
20.根据权利要求19所述的冷却电子装置的方法，其特征在于其中所述的导电材料包 括一选自于由铜、银、金、钼、铝、钛、钨、钼、其合金及其组合物所组成的群组的物质。
21.根据权利要求19所述的冷却电子装置的方法，其特征在于其中所述的导电材料包 括一选自于由铜、银、金、钼、其合金及其混合物所组成的群组的物质。
22.根据权利要求19所述的冷却电子装置的方法，其特征在于其中所述的沉积一导电 材料还包括沉积一缓冲层于该钻石材料上；以及沉积该导电材料于该缓冲层上，其中该缓冲层能促进钻石材料与导电材料之间的黏着性。
23.根据权利要求22所述的冷却电子装置的方法，其特征在于其中所述的缓冲层是以 钻石材料形成一碳化物层。
24.根据权利要求22所述的冷却电子装置的方法，其特征在于其中所述的缓冲层是包 括选自由铬、钛、钨、钴、钼、钽、铝、镍、锆、铌及其组合所组成的群组的物质。
25.根据权利要求17所述的冷却电子装置的方法，其特征在于其还包含涂布一额外的 钻石材料层于该电路上，使得该电路位于该钻石材料层以及该额外的钻石材料层之间。
26.一种具有增进的散热性质的发光二极管装置，其特征在于其包括 一钻石材料层，其涂布于一支撑基材上；一电路，其包含一发光二极管，该电路设置于该钻石材料层上，且该钻石材料层配置为 加速热从电路离开。
全文摘要
本发明是有关于一种热动力电子装置、冷却电子装置的方法及发光二极管。该热动力电子装置包括涂布在一支撑基材上的一钻石材料层以及设置在该钻石材料层上的电路，该钻石材料层配置为加速热从电路离开。虽然该钻石材料层的材料可为任何已知功能为用以加速热传递的钻石材料，但该钻石材料层的材料在一形态中可为类钻碳。在一特定的形态中，该类钻碳可为非晶碳。在另一形态中，该钻石材料层的材料可为结晶钻石。
文档编号H05K7/20GK101896050SQ20091014301
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月21日 优先权日2009年5月21日
发明者宋健民 申请人:宋健民