CN100580921C - 半导体光源装置 - Google Patents
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Abstract
一种半导体光源装置，是将半导体晶片贴附并电性连接至一导热基板的侧边上，再装置于聚光杯中，使半导体晶片所产生的光汇聚往聚光杯的出光口方向，此外，聚光杯中亦可同时设置有一主光源，主光源是在同轴设置且使用绝缘层隔离的内导体与外导体周边，平均贴附有多个半导体晶片，并将半导体晶片使用串连、并连或串并连组合方式，连接至作为供电电极的内导体与外导体上，而可形成兼具聚光与散热功效的半导体光源装置。
Description
【技术领域】
本发明是有关于一种半导体光源装置，特别是有关于一种利用导热基板的侧边与平面，来贴附半导体晶片，使其成为兼具聚光及散热的半导体光源装置。
【背景技术】
习知大多使用如白炽灯、卤素灯或日光灯等各种不同的灯泡，以作为光源装置的发光源。近来，由于发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)等半导体晶片具有体积小、省电与寿命长等优点，乃逐渐取代而成为极受欢迎的发光源。
对于光源装置的结构而言，多晶片、高功率的发光二极管封装，已成为不可避免的趋势要求。例如，名称为”Concentrically Leaded PowerSemiconductor Device Package”的美国第6,492,725号专利，即提出一种共中心的封装结构，以利于封装多个高功率晶片的结构的散热。此种封装结构，虽可解决封装多个高功率晶片的散热问题，但因为在封装结构体的周边，仅有一面可贴附半导体晶片，使得半导体晶片的封装数量受到限制，且当半导体晶片为发光二极管时，也因为封装结构体的周边分布的半导体晶片不能集中，使其不易满足应用在半导体光源装置时的聚光要求。
【发明内容】
本发明的目的是在于提供一种半导体光源装置，其利用导热基板的侧边与平面，来贴附半导体晶片，使其可满足散热与光源装置的聚光需求。
为达上述及其他目的，本发明提供一种半导体光源装置包括：导热基板及第一半导体晶片。其中，导热基板至少具有第一面、第二面及侧边，其侧边上并具有多个焊垫。第一半导体晶片是贴附于导热基板的侧边上，并电性连接至侧边的焊垫。
所述的本发明的此半导体光源装置还包括一聚光杯，用以装置前述的导热基板，聚光杯具有一出光口，以将第一半导体晶片所产生的光，汇聚往出光口的方向。
所述的本发明的半导体光源装置，导热基板的第一面或第二面上也具有多个焊垫，而半导体光源装置还包括多个第二半导体晶片，分别贴附于导热基板的第一面、第二面或侧边上，并电性连接至第一面、第二面或侧边上的焊垫。
所述的本发明的半导体光源装置，此半导体光源装置还包括：外导体、内导体、绝缘层与多个第三半导体晶片。其中，外导体是配置于聚光杯中，并具有外表面、第一端、第二端与连通第一端及第二端的通孔。内导体是设置于通孔中，并突出于第一端之外。绝缘层设置于内导体与外导体之间，而多个第三半导体晶片则贴附于外导体第一端的外表面上，并以串连、并连或串并连组合方式连接至内导体与外导体，使第三半导体晶片所产生的光，经由聚光杯的汇聚，而往出光口方向传送。
所述的本发明的半导体光源装置，是将半导体晶片贴附并电性连接至一导热基板的侧边上，再装置于聚光杯中，使半导体晶片所产生的光汇聚往聚光杯的出光口方向，此外，聚光杯中亦可同时设置有一主光源，主光源是在同轴设置且使用绝缘层隔离的内导体与外导体周边，平均贴附有多个半导体晶片，并将半导体晶片使用串连、并连或串并连组合方式，连接至作为供电电极的内导体与外导体上，而可形成兼具聚光与散热功效的半导体光源装置。
由前述说明中可知，因为半导体光源装置是将半导体晶片，贴附在例如是铝基板或扁平状热管的导热基板上，其无疑地可提供足够的贴附面积与散热面积。而半导体光源装置的外导体与内导体的结构，则如前述可在较小的体积内封装较多的半导体晶片，达成较佳的聚光效果。此外，由于半导体光源装置的外导体，除了可以作为供电电极外，也可以借由与外加散热器(未绘示)的耦合，使得如高功率发光二极管等半导体晶片所产生的热能得以快速发散，达成较佳的散热功效。
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特以较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
【附图说明】
图1是显示根据本发明第一实施例的一种半导体光源装置立体图。
图2是显示图1的分解立体图。
图3是显示根据本发明第二实施例的一种半导体光源装置立体图。
图4是显示图3的分解立体图。
图5是显示图4的主光源放大立体图。
图6是显示图4的主光源剖面图。
图7是显示图4的主光源俯视图。
图8是显示图4的主光源的另一连接方式俯视图。
图9是显示图4的主光源的一种结构变化俯视图。
图10是显示图4的主光源的另一种结构变化俯视图。
图11是显示根据本发明第三实施例的一种半导体光源装置立体图。
图12是显示图11的分解立体图。
【具体实施方式】
图1-2显示根据本发明第一实施例的一种半导体光源装置10，此半导体光源装置10包括例如是铝基板或扁平状热管的导热基板11、例如是发光二极管晶片的半导体晶片12、13、14及聚光杯15。
其中，聚光杯15具有出光口16，出光口16的周缘并开设有两沟槽151，以便导热基板11可以沿着两沟槽151而装置于聚光杯15中，并由聚光杯15将半导体晶片12、13、14所产生的光，汇聚往出光口16的方向。
如图所示，导热基板11具有用以选择性地贴附半导体晶片12、13、14的第一面111、第二面112等平面与侧边118，第一面111、第二面112与侧边118上，分别具有作为电路布线的多个焊垫113。因为半导体晶片12、13与14为倒装晶片(Flip Chip)，故可分别贴附并电性连接至导热基板11的第一面111、第二面112与侧边118的焊垫113上，而使用焊垫113的电路布线，来作为半导体晶片12、13与14的供电电极。
此外，为了提高半导体晶片12、13与14的导热散热效果，或当使用的导热基板11不适于贴附半导体晶片12、13与14时，导热基板11上用以贴附半导体晶片12、13与14的位置，并嵌合有可提高导热效率或利于贴附半导体晶片12、13与14的一嵌合块115。嵌合块115的材料例如为铜，嵌合方式则可以使用紧密配合的方式来制作。
前述实施例中，虽然在导热基板11的第一面111、第二面112与侧边118上，分别仅贴附有倒装的半导体晶片12、13或14。然熟习此艺者应知，可在导热基板11的第一面111、第二面112或侧边118上，分别贴附更多的半导体晶片12、13或14，以增加此半导体光源装置10的发光强度。所贴附的半导体晶片12、13或14也可以是一般晶片，再以导线分别连接至第一面111、第二面112或侧边118的焊垫113上，其贴附位置较佳地应位于聚光杯15的焦点上或邻近焦点处。
当第一面111、第二面112或侧边118上分别贴附有多个半导体晶片12、13或14时，也可以搭配第一面111、第二面112或侧边118上的不同布线设计，以及控制此半导体光源装置10的电路，来达成在不同场合应用此半导体光源装置10的目的。例如，将此半导体光源装置10应用在汽车头灯时，可以将作为远光灯主光源的半导体晶片12、13或14，贴附在导热基板11对应聚光杯15的焦点位置，且将作为近光灯光源的半导体晶片12或13，贴附在导热基板11对应聚光杯15的焦点前方，并应用导热基板11的布线，分别连接至半导体光源装置10的不同控制电路上，以分别控制近光灯或远光灯光源的点亮与否。
另外，如将此半导体光源装置10应用在舞台灯光时，除了可以将半导体晶片12、13或14，贴附在导热基板11对应聚光杯15的焦点位置外，也可以将半导体晶片12、13或14，贴附在导热基板11对应聚光杯15的焦点四周，并应用导热基板11的布线，将焦点上或焦点四周的半导体晶片12、13或14，分别连接至半导体光源装置10的不同控制电路上，以分别控制半导体晶片12、13或14的点亮与否，达成动态控制舞台灯光的目的。其中，贴附于焦点左侧的半导体晶片12、13或14所产生的光，将会偏向右方投射，而贴附于焦点右侧的半导体晶片12、13或14所产生的光，则会偏向左方投射，故可以搭配半导体光源装置10的控制电路，来动态控制舞台灯光。
图3-7显示根据本发明第二实施例的一种半导体光源装置30，此半导体光源装置30除了具有与图2类似的导热基板31、贴附于侧边418的半导体晶片34及聚光杯35外，更包括由外导体41、内导体42、绝缘层43与多个半导体晶片44所构成的主光源40，以及可将主光源40锁固于聚光杯35的螺帽51。其中，导热基板31下方的V形缺口311，正好可供主光源40推进至接近半导体晶片34的位置。
如图所示，外导体41较佳地为长条形圆柱状，其具有第一端411、第二端412、连通第一端411与第二端412的通孔413及一外表面414。第一端411是制作成锥状，锥状外表面414的周围则具有围绕外导体41且平均分布的平面4141、4142、4143与4144，用以贴附例如是发光二极管的半导体晶片44。第二端412则可以设置多个螺纹415，用以配合设置于聚光杯35上的螺纹，来调整主光源40在聚光杯35中的位置。
内导体42较佳地为外径略小于外导体41的通孔413的长条形圆柱状，以便可以穿设于通孔413中，并延伸其一端至突出于外导体41的第一端411外。图中，内导体42突出外导体41的部分并具有一锥状末端421，锥状末端421较佳地也具有分别与平面4141、4142、4143与4144相对应的平面4211、4212、4213与4214，以利于使用导线45将半导体晶片44分别连接至内导体42与外导体41。
绝缘层43是设置于内导体42与外导体41之间，以隔离内导体42与外导体41的电性连接，使内导体42与外导体41成为此主光源40的电极。
前述第二实施例的主光源40，除了可以是如图3-7所示的结构外，熟习此艺者亦可依据其精神而进行各种不同的变化。例如，图8-10即显示三种类似于图3-7的主光源40的不同结构，分别说明如下。
请参考图8所示，主光源70的内导体72与外导体71结构均与图3-7相同，所不同的只有半导体晶片74的连接方式。在图3-7中，每个半导体晶片44均是以导线45分别连接至内导体42与外导体41，使半导体晶片44成为并连连接，而图8中，半导体晶片74是以导线75先行串连连接后，再连接至内导体72与外导体71。当然，此种串连、并连或甚至串并连组合的连接方式，是可由使用者依据供电电压与半导体晶片74的额定电压的不同，而加以变化选择的。
图9的主光源80的内导体82与外导体81结构亦大致与图3-7相同，所不同的是外导体81与内导体82上所设置用以贴附半导体晶片84的平面数，以及所贴附的半导体晶片84的数目。如图9所示，锥状外表面的周围具有围绕外导体81且平均分布的三个平面8141、8142与8143，每个平面8141、8142与8143上，各贴附有三个例如是发光二极管的半导体晶片84，半导体晶片84并以导线85先行串连连接后，再连接至内导体82与外导体81，以形成串并连交互组合的连接方式。
图10的主光源90的内导体92与外导体91结构同样也大致与图3-7相同，不同的是外导体91与内导体92上所设置用以贴附半导体晶片94的平面数，以及所贴附的半导体晶片94的型式。如图10所示，锥状外表面的周围具有围绕外导体91且平均分布的五个平面9141、9142、9143、9144与9145，每个平面9141、9142、9143、9144与9145上，是贴附有倒装晶片(Flip Chip)的半导体晶片94。由于半导体晶片94是贴附并直接电性连接至外导体91与内导体92，因此，图中的半导体晶片94，并未再以导线分别连接至内导体92与外导体91。
图11-12显示根据本发明第三实施例的一种半导体光源装置60，此半导体光源装置60包括例如是铝基板或扁平状热管的导热基板61、例如是发光二极管晶片的半导体晶片62、聚光杯65及阵列透镜69。
其中，聚光杯65具有出光口66，出光口66的周缘并开设有平均分布的四个沟槽651，以便呈十字形的导热基板61可以沿着四个沟槽651而装置于聚光杯65中，并由聚光杯65将半导体晶片62所产生的光，汇聚往出光口66的方向。
如图所示，导热基板61具有用以选择性地贴附半导体晶片的多个平面611与侧边618，侧边618上并具有作为电路布线的焊垫613，以便贴附半导体晶片62。因为半导体晶片62是为倒装晶片(Flip Chip)，故可直接贴附并电性连接至导热基板61的侧边618的焊垫613上，而使用焊垫613的电路布线，来作为半导体晶片62的供电电极。
此外，为了使半导体光源装置60所产生的光可以更为均匀地分布，聚光杯65的出光口66上也设置有一阵列透镜69。图中，阵列透镜69的结构是由阵列排列的凹透镜所构成，以将聚光杯65汇聚往出光口66方向的光，进一步折射而更为均匀地分布于出光口66的方向。当然，如熟习此艺者所知，阵列透镜69的结构也可以由阵列排列的凸透镜而构成，同样可以达成分散半导体光源装置60所产生的光，使更为均匀地分布于出光口66的目的。
由前述说明中可知，因为半导体光源装置10或60是将半导体晶片12、13、14或62，贴附在例如是铝基板或扁平状热管的导热基板11或61上，其无疑地可提供足够的贴附面积与散热面积。而半导体光源装置30的外导体41与内导体42的结构，则如前述可在较小的体积内封装较多的半导体晶片，达成较佳的聚光效果。此外，由于半导体光源装置30的外导体41，除了可以作为供电电极外，也可以借由与外加散热器(未绘示)的耦合，使得如高功率发光二极管等半导体晶片所产生的热能得以快速发散，达成较佳的散热功效。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种更动与润饰，亦属本发明的范围。
【主要元件符号说明】
10、30、60 半导体光源装置
11、31、61 导热基板
111 第一面
112 第二面
113、613 焊垫
115 嵌合块
118、418、618 侧边
12、13、14、34、62 半导体晶片
15、35、65 聚光杯
151、651 沟槽
16、66 出光口
311 V形缺口
40、70、80、90 主光源
51 螺帽
41、71、81、91 外导体
411 第一端
412 第二端
413 通孔
414 外表面
4141、4142、4143、4144、4211、4212、4213、4214 平面
415 螺纹
42、72、82、92 内导体
421 锥状末端
43 绝缘层
44、74、84、94 半导体晶片
45、75、85 导线
69 阵列透镜
611 平面
8141、8142、8143、9141、9142、9143、9144、9145 平面
Claims (16)
1.一种半导体光源装置，包括：一导热基板，至少具有一第一面、一第二面及一侧边，该侧边上并具有多个焊垫；一第一半导体晶片，贴附于该导热基板的该侧边上，并电性连接至这些焊垫；一聚光杯，用以装置该导热基板，并具有一出光口，以将该第一半导体晶片所产生的光，汇聚往该出光口方向；其特征在于：还包括：
一外导体，配置于该聚光杯中，并具有一外表面、一第一端、一第二端与连通该第一端及该第二端的一通孔，该外表面邻近该第一端的部分，设置为朝向该第一端渐缩的锥状，
一内导体，设置于该外导体的该通孔中，并突出于该第一端之外，突出于该第一端的部分，具有由该外表面延伸而渐缩的一锥状末端，
一绝缘层，设置于该内导体与该外导体之间；以及
多个第三半导体晶片，贴附于该第一端的该外表面上，并以串连、并连或串并连组合方式连接至该内导体与该外导体。
2.如权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于：该导热基板的该第一面或该第二面上具有多个焊垫，而该半导体光源装置还包括：
多个第二半导体晶片，分别贴附于该第一面、该第二面或该侧边上，并电性连接至该第一面、该第二面或该侧边的该些焊垫。
3.如权利要求2所述的半导体光源装置，其特征在于：该第一半导体晶片与该第二半导体晶片，是分别贴附于该导热基板上，对应于该聚光杯的焦点位置及焦点前方。
4.如权利要求2所述的半导体光源装置，其特征在于：该第一半导体晶片与该第二半导体晶片，是分别贴附于该导热基板上，对应于该聚光杯的焦点位置、焦点左侧及焦点右侧。
5.如权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于：该导热基板上用以贴附该第一半导体晶片的位置，并嵌合有一嵌合块。
6.如权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于：锥状的该外表面上，具有围绕该外导体且平均分布的多个平面，用以贴附该些第三半导体晶片。
7.如权利要求6所述的半导体光源装置，其特征在于：该些第三半导体晶片是为倒装晶片，而直接贴附并电性连接至该内导体与该外导体。
8.如权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于：该些第三半导体晶片是以导线连接至该内导体与该外导体。
9.如权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于：该些第三半导体晶片为发光二极管晶片。
10.如权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于：该出光口的周缘并开设有至少一沟槽，用以容纳该导热基板。
11.如权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于：还包括一阵列透镜，用以将该聚光杯汇聚往该出光口方向的光，进一步折射而均匀地分布于该出光口方向。
12.如权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于：该导热基板是为铝基板。
13.如权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于：该导热基板是为扁平状热管。
14.如权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于：该第一半导体晶片是以导线连接至该侧边的该些焊垫。
15.如权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于：该第一半导体晶片是为倒装晶片，而直接贴附并电性连接至该侧边的该些焊垫。
16.如权利要求1所述的半导体光源装置，其特征在于：该第一半导体晶片为发光二极管晶片。
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