CN101145592A - 高散热性发光二极管装置 - Google Patents

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Abstract

一种高散热性发光二极管装置，包含至少一发光晶粒、一散热座以及至少一导电端子，散热座包括金属材料的一第一座体、至少一第二座体，所述第二座体叠置于所述第一座体上并具有一贯穿凹穴，所述发光晶粒设置于所述两座体间并位于所述贯穿凹穴内；所述导电端子穿伸于所述两座体间且一端伸入贯穿凹穴内与发光晶粒导接，且导电端子与第一、第二座体接触的区域包覆一电性绝缘层，以确保导电端子与所述两座体直接接触位置保持电性绝缘。本发明可使金属材料的散热座不致于影响各导电端子与发光晶粒间的正常电路导通，并且可以增加对发光晶粒的散热效果。

Description

高散热性发光二极管装置
【技术领域】
本发明涉及一种发光二极管装置，特别是关于一种高散热性发光二极管装置。
【背景技术】
一般高功率发光二极管虽然具有高亮度而具有可取代一般灯泡的优势，但是在提高流通电流以增加亮度的同时，却也产生了大量的热能。所以，高功率发光二极管除了亮度的提升以外，伴随着散热的问题也是业者亟欲突破的瓶颈。
图1为中国台湾申请案号第093107060号的一种高功率发光二极管封装结构9，其包含一电路板基材91、一散热导体94、一发光晶粒96及一透光材料99，电路板基材91上设置有一正电极区92及一负电极区93，发光晶粒96是设置于散热导体94的一凸块碗杯95内，而散热导体94再结合于电路板基材91下方，发光晶粒96上的导电电极97、98与电路板基材91上的正、负电极区92、93再以导线相接。这种发光二极管封装结构9主要是利用把发光晶粒96直接设置于导热性较佳的散热导体94内，使发光晶粒96的热能迅速导出，并且，为了避免两电极区92、93与散热导体94接触而造成短路，必须采用电路板基材91为导热性较差的绝缘材料。
但散热问题除了材料本身的热传系数须考虑以外，散热材料与外界接触的面积大小也是影响因素之一。回头观察这种封装结构9的设计，虽然散热导体94下方可以直接与外界接触而进行热交换，但散热导体94上方却受到电路板基材91覆盖，所以，由散热导体94上方导出的热能势必要再经过导热性较差的电路板基材91以及两电极区92、93才能散出，相较于散热导体94下方可以直接与外界进行热交换，电路板基材91确实成为散热导体94上方热量散出的障碍，影响了整体的散热效率，尤其是静态下的热交换主要是借由热气上升以达到散热功效，而这种封装结构9由于受到电路板基材91的阻碍，使得热量无法往上传导，也使得其热交换功效较小，所此，种封装结构9的设计仍然有其美中不足的地方。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种完全使用金属材料进行封装以提高散热效率，而且也不致于发生短路现象的高散热性发光二极管装置。
为了达到上述目的，本发明提供一种高散热性发光二极管装置，其是包含至少一发光晶粒、一散热座及至少一导电端子。散热座包括都由金属材料制成的一第一座体、至少一第二座体，且第二座体是叠置于所述第一座体上并具有一贯穿凹穴，所述发光晶粒设置于所述两座体间并位于所述贯穿凹穴内；导电端子以一端伸入所述两座体间并伸入所述贯穿凹穴内与所述发光晶粒导接，另一端外露出所述第一、第二座体外；且所述导电端子部份表面外包覆有一电性绝缘层，借以使所述导电端子与所述两座体直接接触的区域保持电性绝缘，避免所述导电端子与所述两座体接触。
本发明的有益效果在于：采用金属材料的散热座进行发光晶粒的封装，由于各导电端子与散热座接触的地方都包覆电性绝缘层，使金属材料的散热座不致于影响各导电端子与发光晶粒间的正常电路导通，并且可以增加对发光晶粒的散热效果。
【附图说明】
图1是一立体分解图，说明一种高功率发光二极管封装结构，包含一电路板基材、一结合于所述电路板基材下方的散热导体，以及一设置于所述散热导体的发光晶粒；
图2是一立体图，说明本发明高散热性发光二极管装置的第一较佳实施例，包含一散热座，且所述散热座包括一第一座体、一第二座体以及一涂布于所述两座体间的导热性良好的粘合用胶；
图3是一剖视图，说明所述发光二极管装置的二导电端子位于所述两座体间的部份受一电性绝缘层包覆；
图4是一立体图，说明所述电性绝缘层也可以直接包覆于所述导电端子外；
图5是一立体图，说明所述第一座体也可以设置凹槽以供所述包覆电性绝缘层的导电端子嵌置于内；
图6是一局部放大图，说明本发明的散热座也适用于二电极导接点是位于上下表面，并且结合一陶瓷基板的发光晶粒；以及
图7是一立体图，说明本发明高散热性发光二极管装置的第二较佳实施例，所述两座体是通过螺丝锁固连接。
【具体实施方式】
下面通过两个较佳实施例及附图对本发明高散热性发光二极管装置进行详细说明。
参阅图2与图3，本发明高散热性发光二极管装置1的第一较佳实施例包含一发光晶粒11、一散热座12、二导电端子13以及一透光材料14。
在本实施例中，散热座12包括概呈矩形方块状的一第一座体121、一第二座体122及一粘合用的接合层123，两座体121、122材料都为铜，但是并不以此为限，也可以是铝或其他热传系数较高的金属材料。第二座体122是叠置于第一座体121上方，而且第二座体122中央设置有一贯穿凹穴124，贯穿凹穴124的孔径由上而下渐缩而概呈倒锥型。而本实施例所使用的接合层123为涂布于第一座体121与第二座体122间导热性良好的绝缘用胶，接合层123涂布于第一、第二座体121、122间，经由压合使其厚度降到最低，再经烘烤步骤以结合固定。且接合层123也可以用事先成型的胶片的方式实施，例如德国TESA公司生产的HAF薄片，同样设置于第一、第二座体121、122间后，再经由压合烘烤步骤以结合固定。利用接合层123除了可以用以接合两座体121、122以外，也具有增加第一、第二座体121、122间接触的有效传热面积、辅助散热的功效。
发光晶粒11是设置于第一座体121上表面，并且位于第二座体122的贯穿凹部124区域内，(图2只示出一个发光晶粒11的态样，但熟知该项技艺者当知，发光晶粒11也可以同时设置数个发光晶粒11)，而且发光晶粒11上表面设有二电极导接点(P极导接点以及N极导接点)。使发光晶粒11固定在第一座体121上是采用习知的固晶技术，例如银胶或透明胶或共晶合金等。为了增加光的反射率，以及与发光晶粒11的接着力，在第一座体121放置发光晶粒11的位置，可以先施予镀银层或镀金层。
本实施例中，两导电端子13与发光晶粒11是采取打线接合(WireBonding)方式，但两导电端子13与发光晶粒11也可以采取覆晶接合(Flip Chip)方式。
仍参阅图2、图3，其中两导电端子13都是高导电性的金属板片，分别由散热座12两侧穿入。导电端子13可以在第二座体122尚未放置在第一座体121时，先行放置在第一座体121上。每一导电端子13包括一由接合层123上方穿入两座体121、122间的第一水平段131、一垂直段132及一第二水平段133。垂直段132由第一水平段131外露出散热座12的后端往下垂直延伸并且与散热座12间隔，第二水平段133由垂直段132底端往远离散热座12的方向延伸，两导电端子13第一水平段131的前端位于贯穿凹穴124内而朝向发光晶粒11，并各以至少一金属导线15与发光晶粒11对应的两电极导接点导接。
值得注意的是，本实施例中，导电端子13第一水平段131穿入第一、第二座体121、122间的部份，是完全被一电性绝缘层136所包覆，因此使得第一水平段131对应到第一、第二座体121、122的部份借由电性绝缘层136的包覆而相隔开，且对应于每一导电端子13第一水平段131顶面前端处设有一打线区1311及一焊垫100，打线区1311上表面没有电性绝缘层136包覆，以供金属导线15可以与导电端子13的打线焊垫100导接。另外，本实施例中，把垂直段132与散热座12相间隔也是避免与散热座12轻易接触而造成短路。必要时，垂直段132的表层也可以使包覆电性绝缘层136。
借此，既可以借由位于发光晶粒11上、下，且都是金属材质的第一、第二座体121、122提升散热效果，同时，借助电性绝缘层136的包覆，也可以使两导电端子13在不与第一、第二座体121、122接触而导致短路的情况下与发光晶粒11导接。
而透光材料14则是填充于第二座体122贯穿凹穴124内的环氧树脂(其材料也可以是硅胶或玻璃)而概呈圆顶凸状(或呈平顶状)，且第二座体122的贯穿凹穴124内壁面还可以进一步涂布一反射层(图未示)，用以增加光线的反射并集中二极管发光晶粒11的光线。
归纳上述，由于第一座体121以及第二座体122都是金属材料制成，其热传系数较高，于是便可以使发光晶粒11产生的热能更迅速地扩散到两座体121、122，且两座体121、122都直接与空气接触，使得由两座体121、122导出的热能可以直接与外界空气进行热交换而迅速带走热量。所以，相较于以往导热材料被塑料材料或陶瓷材质包覆而使热能无法迅速散出的做法，本发明案的确具有明显的散热效果改善。此外，先前发光二极管晶粒由于长期闷处于高温状态而缩短使用寿命的问题也可以获更大幅改善。当然，为使两座体121、122的散热效果更佳，两座体121、122外也可以增加其他型式的散热设计如散热鳍片或散热器等。其中，第一座体121两旁可以成形螺丝孔，利用螺丝与其他散热器结合，达到更大的散热效果。
参阅图4、图5，而关于避免两导电端子1 3与第一、第二座体121、122接触导致短路的方式，除上述使用电性绝缘层136包覆于导电端子13表面，以使导电端子13在两座体121、122间，可以完全被电性绝缘层136包覆的方法外，也可以图4的方法实施。图4中，电性绝缘层136’是直接包覆于各导电端子13’第一水平段131’外，并使第一水平段131’前端顶面的打线区1311’外露而不受电性绝缘层136’的包覆，电性绝缘层136’的材料可以是塑料，并利用射出成形方式包覆于导电端子13’外，或以树脂模压的方式包覆于导电端子13’外，且如图4所示，电性绝缘层136’包覆范围也可以涵盖垂直段132’。
参阅图5，且在图4的实施态样中，为使导电端子13’存在第一、第二座体121’、122’间时，两座体121’、122’仍可以紧密接合而不至于必须增加粘合两座体121’、122’的接合层123’的厚度，第一座体121’顶面于两导电端子13’的第一水平段131’预定位置处还设置二凹槽101，以容纳导电端子13’的第一水平段131’的厚度，当两受电性绝缘层136’包覆的导电端子13’嵌置于内时，恰可以与第一座体121’顶面切齐。在此实施态样中，接合层123可以是低熔点合金，例如金(Au)锡(Sn)共晶合金(Eutectic Alloy)，或是铜硬焊合金(Cu Brazing Alloy)。以电镀或涂覆制程将上述低熔点合金覆盖在第二座体122底面或第一座体121顶面两者要相接合的区域，随后将第二座体122放置在第一座体121上，并且置入温度略高于上述低熔点合金熔点的炉中，达到接合作用，当接合层123采低熔点合金时，本发明案的散热功能会更好。
当然，凹槽101也可以同时设置于第一座体121’顶面或第二座体122’底面而上下相对应，且基于加工以及组装方便考量，第二座体122’也可以两件或两件以上的金属件构成。
参阅图6，另外，本发明也可以适用于目前有些二极管发光晶粒11’的两电极导接点是分别位于二极管发光晶粒11’上、下表面的型式，该种发光晶粒11’位于上表面的一电极导接点111同样以导线导接到其中一导电端子13”的一打线区1311”，而位于发光晶粒11’下表面的另一电极导接点112则是先通过焊锡或银胶与一上下电性绝缘的陶瓷基板20上的导电区201导接，再以导线由导电区201另一端的打线区202导接到另一导电端子13”的打线区1311”。
而且，当本案的散热座与此种发光晶粒11’配合实施时，基于热传考量，陶瓷基板20的厚度要越薄越好，而其材料则可以选择热传性较佳的材料，如氮化铝(AlN)或上层有电路导通的硅材基板，除此以外，利用覆晶(Flip Chip)接合方式配合两端有隔离的打线区的陶瓷基板也适用于本案。
参阅图7，为本发明高散热性发光二极管装置的第二较佳实施例，第二较佳实施例与第一较佳实施例不同的地方在于两座体121”、122”的结合方式，如前述，参阅图2，第一较佳实施例的两座体121、122是通过导热良好的接合层123相结合，而在本实施例中，则是以连接件125结合两座体121”、122”，连接件125可以为一根或多根螺丝，图7是以散热座12”对角各锁一根，也就是说，两座体121”、122”是以螺丝直接穿伸螺锁而相结合，而螺锁的态样可以自攻螺丝进行螺锁或两座体121”、122”内先预设螺母形成内螺纹后，再以螺丝锁固，或者，连接件125也可以采用铆钉。并且，两座体121”、122”间涂布有散热膏128，借以增加两座体121”、122”接触面间的有效散热效能。
除此以外，在第二较佳实施例中，两导电端子13”都是单层电路板(PCB)，其顶面铺设有一铜箔电路，并且其外型构造只沿用第一较佳实施例中第一水平段的部分，并且，由于两座体121”、122”间涂布散热膏128，为避免导电端子13”与两座体121”、122”接触而形成短路，本实施例把电性绝缘层136”涂布在两导电端子13”顶面，而覆盖住铜箔电路对应于第二座体122”的区域，导电端子13”前端伸入第二座体122”贯穿凹穴124的铜箔电路则外露，并设有一可以供打线的焊垫100，焊垫100下的铜箔电路则延伸到两座体121”、122”外。也就是说，导电端子13”表层的铜箔电路对应于第二座体122”接触的部份先涂布电性绝缘层136”，而露出两座体121”、122”外的部份则保留铜箔电路外露形成一焊锡区103，以供与外部电源输入线焊接。
且为了防止热气及湿气破坏，两座体121”、122”接触面四周也可以设置一防水胶圈(图未示)，使两座体121”、122”确实达到密封效果。
另外，第二实施例中的两片导电端子13”也可以将其铜箔电路隔离集中在一片印刷电路板(PCB)上，而形成整体只有一导电端子的型式。
综上所述，本发明高散热性发光二极管装置1借由都为金属材料制成的第一、第二座体121、122，再配合包覆电性绝缘层136的至少一导电端子13进行发光晶粒11的封装，既不会因为两座体121、122的金属材料而影响两导电端子13与发光晶粒11的正常导通，利用金属材料本身的高热传系数，也可以迅速将发光晶粒11所产生的热能迅速导出，且两座体121、122都直接与外界空气大面积的接触，使得由两座体121、122导出的热能更有效的与外界空气进行热交换而迅速带走热能，以提升整个发光二极管装置1的散热效能，进而延长发光晶粒11的使用寿命。

Claims (18)

1.一种高散热性发光二极管装置，包含一散热座、至少一设于所述散热座的发光晶粒，以及至少一导电端子，其特征在于：
所述散热座包括都为金属材料的一第一座体、至少一第二座体，所述第二座体叠置于所述第一座体上并具有一贯穿凹穴，所述发光晶粒设置于所述两座体间并位于所述贯穿凹穴内；
所述导电端子设于所述两座体间，并且一端穿伸入所述第二座体的贯穿凹穴内，通过一金属导线与所述发光晶粒导接，另一端外露出所述第一、第二座体外，且所述导电端子与所述第一、第二座体接触的区域外包覆一电性绝缘层，避免所述导电端子与所述两座体接触。
2.如权利要求1所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：所述第一座体与所述第二座体的接合是通过涂布导热性良好的绝缘用胶，再经压合烘烤结合固定。
3.如权利要求1所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：所述第一座体与所述第二座体的接合是通过设置预先成形的粘合用胶片，再经烘烤结合固定。
4.如权利要求1所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：所述第一座体与第二座体间的接合是通过低熔点合金设置于所述两座体间，再经高温熔合固定。
5.如权利要求4所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：所述低熔点合金为金锡共晶合金。
6.如权利要求4所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：所述低熔点合金为铜硬焊合金。
7.如权利要求1所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：还包含一用以结合所述两座体的连接件。
8.如权利要求7所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：所述连接件为螺丝。
9.如权利要求7所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：所述连接件为铆钉。
10.如权利要求1所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：所述贯穿凹穴的孔径由上而下渐缩而概呈倒锥状。
11.如权利要求1所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：还包含一填充于所述贯穿凹穴内的透光材料。
12.如权利要求1所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：所述导电端子为具导电性的金属片，其与所述第一座体及第二座体接触区域先被所述电性绝缘层所包覆。
13.如权利要求12所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：所述电性绝缘层为射出成型包覆于所述金属片的塑料。
14.如权利要求12所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：所述电性绝缘层为树脂，以模压包覆于所述金属片。
15.如权利要求1所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：所述导电端子为电路板构成。
16.如权利要求1所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：所述导电端子伸入所述贯穿凹穴内的一端上表面设置至少一可供与所述金属导线电连接的打线区；所述导电端子外露出所述第一、第二座体外的一端设置至少一焊锡区。
17.如权利要求1所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：所述第二座体由至少二金属件组合构成。
18.如权利要求1所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：还包含一圈绕于所述两座体接合处四周的防水胶圈。
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