CN100448040C - 具有温度控制功能的发光二极管装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种温度控制功能的发光二极管装置，其包含一发光二极管芯片、一散热片、一导热层和一温度控制元件。所述散热片和设置于其表面的导热层承载所述发光二极管芯片，并当所述发光二极管芯片连接一电源时(即发光时)为所述发光二极管芯片进行散热。所述温度控制元件电气串联于所述发光二极管芯片与所述电源之间，其具有正温度系数的特性，且与发光二极管芯片的距离小于3厘米。所述导热层可由高分子介电材料组成，且导热系数大于1.0W/mK(室温25℃时)。

Description

具有温度控制功能的发光二极管装置

技术领域

本发明涉及一种发光二极管(LED)装置，尤其涉及一种具有过温度保护或温度调整等温度控制功能的发光二极管装置。

背景技术

近几年来，白光发光二极管是最被看好且最受全球瞩目的新兴产品。它具有体积小、耗电量低、寿命长和反应速度快等优点，能解决非常多过去白炽灯泡所难以克服的问题。

目前欧美和日本等国基于节约能源与环境保护的共识，都积极开发白光发光二极管作为本世纪照明的新光源。再加上目前许多国家的能源都依赖进口，使得它在照明市场上的发展极具价值。根据专家评估，日本如果是将所有白炽灯以白光发光二极管取代，则每年可省下1～2座发电厂的发电量，间接减少的耗油量达10亿公升，而且在发电过程中所排放的二氧化碳也会减少，进而抑制了温室效应。因此，目前欧美和日本等先进国家都投注了非常多的人力推动研发。预计在未来十年内，可以普遍替代传统的照明器具。

目前照明用的发光二极管装置，一类是较传统地将多颗发光二极管利用组成光源模块来使用，另一种方法为使用所谓的大芯片制程。但无论是使用何种方法，都会因为必须在极小的发光二极管封装中处理极高的热量，如果元件无法散去这些高热，除了各种封装材料会因为彼此间膨胀系数的不同而发生产品可靠度不高的问题，芯片的发光效率更会随着温度的上升而有明显地下降，并造成其寿命明显地缩短。因此如何避免元件发光时产生破坏性的高热，已成为目前发光二极管应用技术的重要课题。

目前发光二极管必需有良好的散热设计。目前主要的散热设计均是利用其发光二极管芯片下方的引线框(leadframe)以散去元件所发出的热量。然而，为求亮度的提升，多颗发光二极管组成光源模块或采用大芯片的高效率发光二极管装置仍有散热效率不良的疑虑，而有烧毁发光二极管的可能。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种发光二极管装置，其具有过温度保护、温度调整等温度控制功能，即当发光二极管芯片的温度过高时(例如超过一阈值)，可大幅降低流经所述发光二极管芯片的电流，而迅速降低其产生的高热，从而保护所述发光二极管装置不致于被损害；或当发光二极管芯片的温度开始上升时，立即适当调降流经所述发光二极管芯片的电流，使得发光二极管芯片的温度不超过上述阈值。

正温度系数(Positive Temperature Coefficient；PTC)元件的电阻值对温度变化的反应相当敏锐。当PTC元件于正常使用状况时，其电阻可维持极低值而使电路得以正常运作。但是当发生过电流或过高温的现象而使温度上升到一临界温度时，其电阻值会瞬间弹跳到一高电阻状态(例如10⁴ohm以上)而将过量的电流反向抵销。

为达到上述目的，本发明揭示一种具有温度控制功能的发光二极管装置，其利用PTC元件对温度敏感的特性，将其作为温度感测和控制元件，而达到保护发光二极管装置的效果。

本发明的发光二极管装置至少包含一发光二极管芯片、一散热片和一温度控制元件。所述散热片承载所述发光二极管芯片，并当所述发光二极管芯片连接一电源时(即发光时)为所述发光二极管芯片进行散热。所述温度控制元件电气串联于所述发光二极管芯片与所述电源之间，其具有正温度系数(PTC)的特性，且与发光二极管芯片的最短距离小于3厘米，以有效感测所述发光二极管的温度。

另外，为解决发光二极管芯片与散热片之间可能产生短路或膨胀系数不同的问题，可在所述散热片与所述发光二极管芯片间设置一导热层，其可由高分子介电材料组成，且导热系数大于1.0W/mK(室温25℃时)。

上述的发光二极管装置可因应封装后连接电源的需要，另外设置一第一电极和一第二电极。根据本发明的一实施例，所述第一电极连接所述发光二极管芯片的第一导电极(例如p极)，而所述温度控制元件则电气串联于所述发光二极管芯片的第二导电极(例如n极)与第二电极之间。所述第一和第二电极可设置于所述高分子导热层表面。

所述导热层以高分子材料和至少一高导热介电填充料以适当比例加热混炼再以滚压形成，其中高分子材料因比其它金属或陶瓷材料容易处理和加工，且其本身已具有介电性质，因此适合作为所述导热层的基材。几乎大部分高分子材料都可被使用在此应用上，并不限定在以下所列举的材料：橡胶材料(例如：天然橡胶、硅胶、异丁烯胶、SBS或液态橡胶CTBN等)、热塑型塑料(例如：环氧树酯(epoxy)、聚酰胺(polyurethane)或聚酯类(polyester)等)或热固型塑料(例如：聚乙烯(polyethylene)、聚氟化亚乙烯(polyvinylidene fluoride)、聚丙烯(polypropylene)、尼龙(Nylon)、聚酯类(polyester)、ABS塑料或其共聚物)。为加强上述的热塑型塑料机械强度和高温下的稳定性，可再经由交联方法，例如：放射线照射或添加化学交联剂实现，另外上述的热固型塑料还可含官能团如：胺基、酸基、卤基、醇基和环氧基等。

关于高导热介电填充料则可选用一种或数种导热系数大于1.0W/mK(室温25℃时)的材料，其导热系数的优选值大于5W/mK，最佳值大于10W/mK。所述高导热介电填充料的体积电阻值需大于10⁸Ω-cm，优选值大于10¹⁰Ω-cm，最佳值大于10¹²Ω-cm。通常所述高导热介电填充料所占所述导热层的体积比介于20％到90％之间，优选值介于30％到80％之间，最佳值介于40％到70％之间。其含量越多，所述导热层的导热程度就越高。所述高导热介电填充料主要是金属氮化物，如氮化铝、氮化硼等。其它如金属氧化物、金属硼化物、金属盐类、金属碳化物、硅化合物和石墨等也可选用为高导热介电填充料。有时为特殊用途还会添加其它如抗氧化剂、防潮剂等，只要混合后的导热层具有散热功能(即导热系数于室温大于1.0W/mK)即可。

另外，所述高导热介电填充料可为粉末形式，其形状可呈现出多种不同样式和结晶的颗粒，例如球体型(spherical)、方体型(cubic)、方体型(cubic)、六面体型(hexagonal)、片状型(flake)、多角型、尖刺型(spiky)、柱状型(rod)、珊瑚型、瘤状型(nodular)和丝线型(filament)等，且其主要粒径介于0.01到30μm之间，优选粒径介于0.1到10μm之间。其主要纵横比(aspect ratio)小于100。

所述温度控制元件包含两电极箔和一叠设于其间的温度感测层，所述温度感测层具有正温度系数特性且包含结晶性高分子材料和导电填料。所述两片电极箔可分别用于连接所述发光二极管芯片和第二电极。此外，可将其中一电极箔分隔成电气分离的两片电极箔，而以位于所述温度感测层同侧的所述两片电极箔用于电连接。据此，因为电连接时采用的电极箔可位于所述温度感测层的同侧或不同侧，所以可提高制造时的弹性。

附图说明

图1是本发明一实施例的具有温度控制功能的发光二极管装置的示意图；

图2是正温度系数材料的温度和电阻的关系；

图3是本发明另一实施例的具有温度控制功能的发光二极管装置的示意图；

图4是本发明又一实施例的具有温度控制功能的发光二极管装置的示意图；和

图5是本发明的具有温度控制功能的发光二极管装置的散热关系图。

具体实施方式

本发明将根据附图进行说明，以清楚揭示本发明的技术特征。

图1是本发明第一实施例的具有温度控制功能的发光二极管装置的示意图。一具有温度控制功能的发光二极管装置10包含一散热片11，一导热层12、一第一电极13、一第二电极14、一发光二极管芯片15和一温度控制元件16。所述发光二极管芯片15、第一电极13和第二电极14设置于所述导热层12的表面，而所述导热层12的另一侧则接触所述散热片11，以将所述发光二极管芯片15进行散热。简要而言，所述导热层12和散热片11承载所述发光二极管芯片15，且作为其发光时(例如发白光)散热使用。

所述温度控制元件16与发光二极管芯片15间的距离小于3厘米，尤其以小于1厘米为优选，以使所述温度控制元件16可有效感应所述发光二极管芯片15的温度。所述温度控制元件16与发光二极管芯片15间的距离实际上应随各地气候作出调整。应用于气温低的地区距离需设计得较短，而应用于气温高的地区时则可有较长的距离。

所述散热片11是以高热传导系数的材料所组成，如铝、铜甚至陶瓷材料等，但这些材料与发光二极管芯片15间的热膨胀系数差异很大，如果将两者直接接触很可能因为在温度升高时材料间产生应力而造成可靠度的问题，所以本发明在所述发光二极管芯片15与散热片11间加上兼具传导系数和膨胀系数的中间材料导热层12作为间隔。所述导热层12可以由具有高热传导系数的高分子介电材料组成。

所述发光二极管芯片15的p极151电连接到所述第一电极13，而其n极152则串接所述温度控制元件16而电连接到所述第二电极14。所述第一电极13和第二电极14又分别电连接到一电源17的负极和正极。所述温度控制元件16设置于所述第二电极14表面，其由一温度感测层163叠设于电极箔161和162间而组成。所述电极箔161连接到所述发光二极管芯片15的n极152，而所述电极箔162则连接所述第二电极14。

所述温度感测层163可由具有PTC特性的聚合物组成，即所述温度控制元件16可采用PTC元件。当其温度超过所述PTC元件的触发温度(trip temperature)时，其电阻将在短时间内弹升(如图2所示)，而得大幅降低与其串接的发光二极管芯片15所流经的电流，从而迅速降低所述发光二极管芯片15所发出的热量，以防止发光二极管芯片15因过热而烧毁。在本实施例中，所述温度感测层163包含至少一结晶性高分子材料(其熔点介于80℃到135℃之间)，和如碳黑等导电填料。

图3是本发明第二实施例的具有温度控制功能的发光二极管装置。与第一实施例的发光二极管装置10类似，第二实施例具有温度控制功能的发光二极管装置20包含散热片11，导热层12、第一电极13、第二电极14、发光二极管芯片15和温度控制元件16′。不同处为所述温度控制元件16′直接设置于所述导热层12的表面，而不是由所述第二电极14承载。所述温度控制元件16′是由一温度感测层166叠设于电极箔168、165与电极箔167间而组成。所述电极箔165、168设于所述温度感测层166的同侧，而所述电极箔167则相对设于所述温度感测层166的另一侧。所述电极箔168连接所述发光二极管芯片15的n极152，而所述电极箔165连接到所述第二电极14。所述第二电极14再连接到所述电源17的正极，即将所述温度控制元件16′串接于所述发光二极管芯片15的电源路径上。实际运用上，所述温度控制元件16′还可串接于所述第二电极14与所述电源17之间，还可直接贴合在发光二极管芯片15底部，再电气串联第二电极14。只要其仍可有效感应所述发光二极管芯片15的温度(因此种设置两者间距离可能较远)。

通过串接所述发光二极管芯片15和所述温度控制元件16或16′，温度升高时将降低流经所述发光二极管芯片15的电流大小，因而发光二极管芯片15的亮度将减低。相对地，所述发光二极管芯片15因电流降低将减少其发出热量进而降低本身的温度，所以所述温度控制元件16或16′吸收的热量也随其降低，而得以恢复到低电阻的状态。此时，流经所述发光二极管芯片15的电流恢复正常，亮度也增强而恢复到原始状态。

因此，如果设计得当，本发明的发光二极管装置可作为具有间歇性亮-暗-亮-暗的发光元件。例如：(1)可作为调整室内气氛的装饰用的发光元件；或(2)白天因温度高导致亮度低，而夜晚因温度低而亮度高的自动调整亮度的照明装置。

此外，发光二极管芯片15和温度控制元件16′还可直接以导热膏180粘合于所述散热板11，而省略所述导热层12，以形成另一具有温度控制功能的发光二极管装置30，其如图4所示(其中用于封装后连接电源的电极被省略)。

于实际操作上，本发明的发光二极管装置还具有温度调整的功能，即当温度接近所述温度控制元件的触发温度时，所述温度控制元件的电阻将增加而相对减低流经所述发光二极管芯片的电流，借此将降低所述发光二极管芯片所产生的热量。因此，如果控制得当，所述温度控制元件的温度可控制低于其触发温度，使得所述发光二极管芯片仅略为减低其亮度(其差异一般不易由人眼分辨)，而始终维持足以具有照明亮度的状态。

参看图5，其是本发明的发光二极管装置的功率、散热速率与温度的关系。其中曲线a代表发光二极管功率与温度的关系，而直线b则代表其散热速率。因功率与电流平方成正比，所以电流增加时曲线a的功率呈类似指数型态上升，而当所述发光二极管芯片达到触发温度时，电流减低而功率呈指数型态下降。当发光二极管的温度越高时，因其与环境温度的差异越大，所以热速率越快，而呈如直线b的线性图形。

根据散热公式 ${\mathrm{mc}}_p\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=I^{2}R-k(T-T_0),$ 其中m是温度控制元件温度感测层的质量、c_p是温度控制元件温度感测层的比热容(specific heat capacity)、T是温度控制元件温度感测层的温度、t为时间、I为电流、R为电阻、k为导热系数、T₀为环境温度，当温度控制元件温度感测层的发热速率等于散热速率时(即热平衡时)， $\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=0,$ 所以I²R＝k(T-T₀)，即相当于曲线a与曲线b的交叉点c和d。交叉点c的温度低于温度控制元件的触发温度，而交叉点d的温度高于其触发温度。本发明的发光二极管装置因此可通过所述温度控制元件随时调整流经所述发光二极管芯片的电流，而达到类似图5中交叉点c的热平衡状态，进而使其温度永远低于所述触发温度。即，所述发光二极管芯片于使用时自动产生其温度上限，使其不致于因为高热而损坏。

本发明的发光二极管装置可提供未来以白光发光二极管作为照明时的保护，使所述发光二极管当产生高热时有一自动降温的机制而不致于被损坏。

本发明的技术内容和技术特点已揭示如上，然而所属领域的技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示而作种种不背离本发明精神的替换和修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换和修饰，并为以上的权利要求书所涵盖。

Claims (12)

1.一种具有温度控制功能的发光二极管装置，包含：

至少一发光二极管芯片；

至少一散热片，承载所述发光二极管芯片，并当所述发光二极管芯片连接一电源时为所述发光二极管芯片进行散热；和

至少一温度控制元件，电气串联于所述发光二极管芯片与所述电源之间，其具有正温度系数特性，且与所述发光二极管芯片的距离小于3厘米，从而感测所述发光二极管芯片的温度。

2.根据权利要求1所述的具有温度控制功能的发光二极管装置，其另外包含一叠设于所述散热片与所述发光二极管芯片间的导热层，其导热系数当25℃时大于1.0W/mK。

3.根据权利要求2所述的具有温度控制功能的发光二极管装置，其中所述导热层由高分子介电材料所组成。

4.根据权利要求2所述的具有温度控制功能的发光二极管装置，其另外包含：

一第一电极，连接所述发光二极管芯片的第一导电极并电连接到所述电源；和

一第二电极，连接所述温度控制元件并电连接到所述电源；

其中所述温度控制元件连接到所述发光二极管芯片的第二导电极。

5.根据权利要求4所述的具有温度控制功能的发光二极管装置，其中所述第一电极和第二电极设置于所述导热层表面。

6.根据权利要求4所述的具有温度控制功能的发光二极管装置，其中所述温度控制元件包含：

一第一电极箔；

一第二电极箔；和

一温度感测层，叠设于所述第一电极箔与第二电极箔之间，其包含结晶性高分子材料和导电填料。

7.根据权利要求6所述的具有温度控制功能的发光二极管装置，其中所述结晶性高分子材料的熔点介于80℃到135℃。

8.根据权利要求6所述的具有温度控制功能的发光二极管装置，其中所述第一电极箔连接到所述发光二极管芯片的第二导电极，而第二电极箔连接所述第二电极。

9.根据权利要求6所述的具有温度控制功能的发光二极管装置，其中所述第一电极箔包含两片电气分离的第三电极箔和第四电极箔，其中所述第三电极箔连接到所述发光二极管芯片的第二导电极，第四电极箔连接到所述第二电极。

10.根据权利要求1所述的具有温度控制功能的发光二极管装置，其中所述发光二极管连接所述电源时，所述温度控制元件的温度低于所述温度控制元件的触发温度。

11.根据权利要求1所述的具有温度控制功能的发光二极管装置，其中所述发光二极管芯片以导热膏固定于所述散热板表面。

12.根据权利要求1所述的具有温度控制功能的发光二极管装置，其中所述发光二极管芯片发白光。

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