CN100442552C - 带有散热板的发光二极管装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发光二极管装置，具有：至少一个发光二极管芯片(1)、多层板(17)和电绝缘且导热的连接层(2)，其中该多层板(17)具有由良好导热材料，特别是金属构成的基底(5)，电绝缘且导热的连接层(2)位于发光二极管芯片(1)的发光表面和板(17)之间。

Description

带有散热板的发光二极管装置
技术领域
本发明涉及发光二极管装置，在该装置中LED小片(dice)(发光二极管芯片(chip))被布置在散热板上。
背景技术
为了实现具有更高亮度的LED的应用，在近代使用运行功率大于1瓦特(电学的)的功率日益增高的LED。当前，这些LED小片的芯片面积在1mm2的范围之内。人们期望的是在将来，每一LED的运行功率能够进一步地增长，这样一方面可借助于更大的半导体来实现，另一方面可借助于更高的电流密度来实现。特别地，电流密度的增长造成在不久的将来，功率密度可以从当前的1至2瓦特电/mm2提高到4瓦特电/mm2以上。
随着功率密度的增长，有必要同时提出要散发相应地也发生增长的热损耗，以便确保热损耗能够充分地从半导体放出。
LED在运行期间的过高发热会造成，换句话说尤其会造成零部件的毁坏。由于这个原因，必须确保在LED的运行期间，LED的p-n结的边界层的温度不能超过，例如125℃。这种危险，更确切地说，在于只有LED占用电功率的一部分转换成光，而其他部分转换成热量(目前LED的光效率仍然低于10％)。因此要根据安装(组装)类型、装配和环境条件，来选择LED的操作参数，以便LED的边界层温度不会超过例如125℃。
为了达到这种效果，本发明基于如下的估计，即借助于装置热阻的提高，能够更有效地散发热损耗。根据本发明，如果热量能够通过微弱的热阻充分地散发，那么接下来可以将热量传递给LED的托架，而不会有很大的温度差。由此，热阻用K(开尔文)/W(瓦特)来表示。
根据现有技术的状况，已经存在用于高功率LED的已知装置，它通常在从边界层到LED托架(板或类似的东西)的区域中具有大于15K/W的热阻。这意味着根据现有技术的状况，当以5瓦特电运行时，LED托架和LED活动区(边界层)之间的温度差，将会高达75开尔文。基于上述在持续运行中的最大容许边界层温度，这意味着就例如40℃的环境温度而言，热交换器(冷却体)上的温度下降，可以是最大值10℃。这将进而要求350cm2的冷却表面面积，非常明显这将会引起各种问题。除此以外，在高于50℃的温度下使用实际上将是不可能的，这将会使得对于特定的技术应用，例如在机动车辆领域中，LED的使用是不可能的。
根据现有技术的状况，众所周知使用印刷电路板(PCB)作为LED托架。按照惯例，这些印刷电路板具有导热性能非常差的有机环氧树脂，并因此使得热损耗更加难以从托架上的LED散热。
可替代地，还有已知的陶瓷板，与基于环氧树脂的电路板相比，陶瓷板具有更好的热特性，但却非常脆弱并且容易破损，这更加限制了它们作为托架材料的应用。
在技术上的高功率应用中，根据现有技术的状况，还使用金属芯子板。这些金属芯子板通常具有基于金属芯子基座、绝缘层和导体通道的夹层式结构。
发明内容
考虑到现有技术的这些状况，本发明的目的在于提出一种用于发光二极管的安装装置，具有改进的散热性能。
因此，本发明基于如下的理解，即根据现有技术的状况，在金属芯子板的使用中，热损耗从置于导体通道上的LED的散发，受到位于它下面的绝缘层的限制，这进而限制了LED的功率密度。
根据本发明借助于独立权利要求的特征，实现所指出的目的。从属权利要求以特别有益的方式，进一步发展了本发明的主要概念。
因此，根据本发明，提供一种具有至少一个发光二极管芯片(LED管芯(die))的发光二极管装置。此外，提供一种多层板，该多层板具有由良好导热的材料-例如金属构成的基底，其中在发光二极管芯片的发光区域和该基底之间布置有电绝缘且导热良好的连接层。与现有技术的状况相比，由于不需要绝热(环氧化物)层，因此能够显著地提高从发光二极管芯片到该板的散热基底材料的热传递。
所述电绝缘的连接层例如可以是发光二极管芯片的朝向该板的边界面或者其基片基底(例如蓝宝石)。
可替代地或另外地，所述连接层还可以具有粘合层，该粘合层自身也可以做成是电绝缘的。
当使用其朝向基底的表面可导电的发光二极管芯片时，例如可以用烫金箔(adhesive foil)来实现的这样一种绝缘粘合层是特别有利的。在这种情况下，在芯片和基底之间必须实现专门的电绝缘，以便避免短路和ESD故障。
发光二极管芯片可以容纳于该板的凹陷中。由此，发光二极管芯片可以凹陷到里面，以便其上表面不突出到该板的轮廓(contour)以外，并且例如以该板的上表面作为端面。
因此，在其中放置LED芯片的凹陷可以由该板的散热基底构成。
同时，该凹陷还可以具有更多的功能。例如该凹陷可以具有反射器效应，藉此有利地该凹陷的壁至少可以部分地倾斜。
可以如此使用发光二极管芯片，以便使发光二极管的基片朝向该板，由此在这种情况下，该基片可以由电绝缘的材料，例如蓝宝石构成。这种类型的安装在该技术领域的专业术语中通常也称作“面朝上(Face Up)”。
在这方面，“面朝下(Face Down)”安装技术也是可以想象得出的，使用该技术可以将发光二极管布置为发光二极管的基片远离该板。在这种情况下，可以在发光二极管芯片和该板之间布置与这些部件分离的中间托架，通过该中间托架可以电接触发光二极管芯片。
该中间托架朝向该板的一面可以是电绝缘的，由此该中间托架朝向发光二极管芯片的区域可以具有导电区域，例如导体通道。
至少一个发光二极管芯片的至少所述区域可以用透镜，例如菲涅耳(Fresnel)透镜来覆盖。
该板与透镜之间的区域至少可以部分地填充变色材料。因此在发光二极管芯片邻近和/或上面布置所述变色材料。如果适用于芯片各个面的话，同样可以给所述凹陷填充变色材料，以便获得具有基本上更白的光特性的LED。
发光二极管芯片可以借助导线与电路板接触，由此该电路板可以借助于它们之间的绝缘层，以夹层结构的形式加到该板和发光二极管芯片的一面。
根据本发明的又一方面，提出一种具有夹层结构的发光二极管装置。该结构由此具有由例如金属构成的良好导热层、电绝缘层和电路板。由此该电绝缘层和电路板具有位于彼此上面的凹进部分，从而在上表面的方向上，在这些凹进部分区域中暴露导热层；也就是说，暴露电绝缘层。在良好导热层上的该凹进部分区域中，能够放置至少一个发光二极管芯片。
由此，发光二极管芯片可以与电路板的一面电接触。
附图说明
现在将参照附图中的各图，解释说明本发明的其他特征、优点和特性。
图1示出了本发明的第一示范性实施例，
图2示出了图1的变型，以便实现在金属基底材料中配备一个凹陷，LED管芯被放置在该凹陷中的适当位置，
图3示出了图2的变型，以便实现将该托架的凹陷整个用变色材料充满，
图4示出了如何可以用平面菲涅耳透镜来覆盖多个LED小片的LED装置，
图5示出了其中“面朝下”安装LED管芯的一个示范性实施例，和
图6示出了其中“面朝下”安装LED管芯的另一示范性实施例。
具体实施方式
如以上所提及的那样，根据本发明，要将LED管芯尽可能地直接放置在散热基底上，例如金属芯子板的基底上。在该步骤中，必须要解决如下问题，即LED管芯在LED基片上或者在其朝向基底的表面上常常是导电的，在这种布置下，通过LED基片或其朝向基底的表面可能会发生到电路板基底材料的短路，这通常是不希望发生的，特别是对于LED的连接可能性而言，根本不允许任何设计自由。
因此，如能够从图1看出的，通过导热但电绝缘层2，将LED管芯放置在金属芯子板17的基底材料(例如金属)5上。
连同该基底金属芯子5一起，金属芯子板17还具有位于其上的电绝缘层4和具有导体通道3的导电层，由此优选是电绝缘层4和导体通道层3具有相对应的凹进部分16，LED管芯1放置在凹进部分中的适当位置。
利用LED管芯的基片朝向板17的这种布置，实现将LED管芯通过LED小片1的上表面上的导线11，与导体通道3的一面电接触。
在金属芯子板7的基底材料5的下面，还布置有已知种类的冷却体14。
特别地，可以用基本上为帽罩形状的透镜6来覆盖LED管芯1和凹进部分16的区域，该透镜将从LED管芯1发出的光聚为光束。
图1所示的LED装置的电接触可以通过在由透镜6覆盖的区域之外配备的插入式触点(plug-in contact)来实现。
由于板17的基底材料5一般使用具有高导热率的材料，因此优选是可以使用金属，例如铝或铜。
举例来说，电绝缘但导热的连接层2可以是LED的非导电基片层(对于绿LED而言例如是经常使用的蓝宝石)，或者还可以是导热且电绝缘的粘合剂。因此，电绝缘但导热的连接层2可以是LED管芯1或多层板17的一部分，和/或与之分离的层。如果将LED管芯1布置成LED管芯的朝向多层板17的表面可导电的话，分离层是尤其必需的。进一步说，例如在红LED的情况下，该红LED是布置于彼此之上的两个二极管层的红LED，这两层之一总是朝向多层板17，由于这个原因，为了避免短路和ESD故障，分离绝缘是必需的。
举例来说，金属芯子板17的绝缘层4可以是有机材料或薄陶瓷(后者例如粘贴在金属托架5上，或者该金属托架涂有烧上陶瓷带)。
在图2的示范性实施例中，板17的基底5同样具有凹陷18，LED管芯1放置在该凹陷中。由于在板17的金属性材料5中的该凹陷18的壁是倾斜的，因此凹陷18的这些金属性壁可以有利地提供镜像效应或反射器效应。此外，该凹陷的壁和/或底面(floor)的不同形状同样也是可以想象得出的，它们表现出镜像效应或反射器效应。
因此，多层板17的基底材料5不仅用于LED管芯1的连接和散热，而且还用于有目的地在远离该板的方向上导引光。这种借助于板17的基底材料5的凹陷18的反射器效应的光导引，优选适用于透镜6的效应。
从现有技术的状况可以知道，借助于变色媒介，能够获得“白LED”。这种LED在专业领域中通常还称作“磷光体变换器LED”或“荧光变换LED”。正如从图3可以看出，在透镜6和LED管芯1之间，可以将这样一种变色材料13直接涂敷在LED上，或者根据图3所示的特别优选的配置，可以将变色材料13布置为充满凹陷12，18，以便使该填充材料的端面与板17的导体通道层3的上表面平齐。
在图4配置的情况下，该帽罩形状的透镜用平面菲涅耳透镜9来代替。同时可以从图4看出，这样一种透镜可以覆盖多个LED管芯1。在两个LED之间和菲涅耳透镜9以下的区域中，可以为所述LED配备电子控制器8(恒定电流源等)。
图1至4的示范性实施例示出了“面朝上”布置的所有LED管芯，也就是说在向下的方向上(在板17的基底材料5的方向上)具有LED基片。
现在，图5示出了相反的情况；也就是说，根据图5“面朝下”布置LED管芯1，使得LED的基片面朝远离板17的金属芯子的方向。在这种情况下，LED管芯1通过导电粘合剂20布置在中间托架10上。举例来说，该导电粘合剂20具有小于10μm的厚度，并且具有大于2W/mK的导热率。因此，图5的LED小片1的电接触通过与中间托架10相连的导线11来完成。与以“面朝上”安装的LED小片相比，这些“面朝下”安装的LED管芯一般具有更高程度的效率。
举例来说，中间托架10可以是陶瓷材料的，并且在其上表面上具有导体通道，而如果适用的话，借助于另一绝缘层19，将其下面相对于板17的金属芯子5电绝缘。而绝缘层19也被配置为能够良好地导热。
最后，在图6中示出了最后一个示范性实施例，其中再一次在中间托架10上“面朝下”布置LED管芯1，以便通过这种布置来获得改进的光发射，并且通过这种布置来获得更高的亮度。在这种情况下，中间托架优选是包含于AlN(氮化铝)陶瓷托架基片中，该陶瓷托架基片具有极好的热传导特性，并同时以电绝缘的方式发挥作用。使用这种辅助的中间托架10的优点在于，可以获得更高的ESD(静电放电)阻抗，并且该金属芯子板保持电中性。
作为对图5配置的补充，现在用变色材料13环绕LED管芯1，以便将光转换为想要的(混合的)颜色。更进一步地，用附加的粘合层21来覆盖导电层3的上表面，其任务是为了固定透镜6。最后，在所图示的示范性实施例中，在板17的下面还配备双面的粘合带22，该粘合带使得整个发光二极管装置的简单附着成为可能。

Claims (22)

1.一种发光二极管装置，具有：
至少一个发光二极管芯片(1)，
多层板(17)，该多层板具有由良好导热材料，特别是金属构成的基底(5)，和
位于发光二极管芯片(1)的发光表面和该板之间的电绝缘且导热的连接层(2)，
其中在发光二极管芯片(1)和多层板(17)之间布置有与这些部件分离的中间托架(10)，该中间托架与所述发光二极管芯片(1)电接触，并且
其中所述中间托架(10)由氮化铝基片形成。
2.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
所述电绝缘的连接层(2)至少是发光二极管芯片(1)的朝向多层板(17)的边界面(15)。
3.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
所述电绝缘的连接层至少是粘合层(2)。
4.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
所述发光二极管芯片(1)容纳于多层板(17)的凹陷(16)中。
5.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
所述发光二极管芯片(1)布置于多层板(17)的基底材料(5)的凹陷(12)的区域中。
6.根据权利要求4或5所述的装置，
其特征在于，
所述发光二极管芯片(1)不突出到多层板(17)的轮廓以外。
7.根据权利要求4或5所述的装置，
其特征在于，
所述发光二极管芯片(1)以多层板(17)的上表面作为端面。
8.根据权利要求4或5所述的装置，
其特征在于，
所述凹陷(12，16)具有反射器的功能。
9.根据权利要求4或5所述的装置，
其特征在于，
所述凹陷(12，16)的壁至少部分地倾斜。
10.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
所述发光二极管芯片(1)被布置为，使发光二极管的基片朝向多层板(17)。
11.根据权利要求10所述的装置，
其特征在于，
所述发光二极管的基片由电绝缘材料构成。
12.根据权利要求11所述的装置，
其特征在于，
所述发光二极管的基片由蓝宝石构成。
13.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
所述发光二极管芯片(1)被布置为，使发光二极管的基片远离多层板(5)。
14.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
所述发光二极管芯片(1)借助于导电粘合剂(20)布置在所述中间托架(10)上。
15.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
所述中间托架(10)朝向多层板(17)的一面是电绝缘的。
16.根据权利要求15所述的装置，
其特征在于，
所述中间托架(10)朝向发光二极管芯片(1)的区域具有导电区域。
17.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
至少所述发光二极管芯片(1)的区域用透镜(6)，特别是菲涅耳透镜(9)来覆盖。
18.根据权利要求17所述的装置，
其特征在于，
在多层板(17)与透镜(6，9)之间的区域至少部分地用变色材料(13)填充。
19.根据权利要求18所述的装置，
其特征在于，
所述变色材料(13)布置在所述发光二极管芯片(1)之上和侧面。
20.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
所述发光二极管芯片(1)通过导线(11)与电路板(3)接触，该电路板通过位于电路板和多层板(17)之间的绝缘层(4)加到多层板(17)上。
21.一种发光二极管装置，具有：
至少一个发光二极管芯片(1)，
多层板(17)，具有由良好导热层(5)，特别是金属构成的基底(5)，和
位于发光二极管芯片(1)的发光表面和该板之间的电绝缘且导热的连接层(2)，
其中在发光二极管芯片(1)和多层板(17)之间布置有与这些部件分离的中间托架(10)，该中间托架与所述发光二极管芯片(1)电接触，并且
其中在所述发光二极管芯片(1)之上和侧面，布置变色材料(13)。
22.一种发光二极管装置，具有：
至少一个发光二极管芯片(1)，
多层板(17)，具有由良好导热层(5)，特别是金属构成的基底(5)，和
位于发光二极管芯片(1)的发光表面和该板之间的电绝缘且导热的连接层(2)，
其中在发光二极管芯片(1)和多层板(17)之间布置有与这些部件分离的中间托架(10)，该中间托架与所述发光二极管芯片(1)电接触，并且
其中所述发光二极管芯片(1)借助于导电粘合剂(20)布置在所述中间托架(10)上。
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