CN101276860A - 光透过率优越散热性良好的发光二极管组装体及组装方法 - Google Patents

光透过率优越散热性良好的发光二极管组装体及组装方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种光透过率优越且散热性良好的LED组装体和其组装方法，尤指现有LED组装体的供置放LED芯片的塑料平台的大部分取代以可导热的金属材质散热平台，以使LED芯片在发光时产生的热量由和芯片打线接合的焊线传导到金属材质支脚和大量的由LED芯片下方传导到LED芯片下方贴合的下方焊附有多条直径约2mm的内部抽真空的散热管的金属材质散热平台使具良好的散热性，通过在圆拱顶形形状的透镜的单面或双面上施涂以折射率n介于空气和透镜的折射率间的薄膜或折射率n介于LED芯片和透镜的折射率间的薄膜，增加LED的光通量，使成优越的透过率。

Description

光透过率优越散热性良好的发光二极管组装体及组装方法
技术领域
本发明涉及光透过率优越且散热性良好的LED组装体和它的组装方法，特别是指现有LED组装体的供置放LED芯片的塑料平台的大部分取代以可导热的金属材质散热平台，以使LED芯片在发光时产生的热量可由和芯片打线接合的焊线传导到金属材质支脚和大量的由LED芯片下方传导到LED芯片下方贴合的下方焊附有多条直径约2mm的内部抽真空的散热管的金属材质散热平台使具良好的散热性，并通过在圆拱顶形形状的透镜的单面或双面上施涂以折射率n介于空气和透镜的折射率间的薄膜或折射率n介于LED芯片和透镜的折射率间的薄膜，增加LED的光通量，使成优越的透过率。
背景技术
发光二极管(简称LED)自1960年代已予研究发展，由传统的LED到目前的高亮度LED，LED在日常应用生活上；举凡交通号志、汽车指示灯、户外大型全彩看板，甚到在将来应用在照明上。然而，在目前外延技术已经可以将内部量子效率提升到90％甚到更高的同时，高亮度LED的外部量子效率却只有10％或更低；因此，如何通过各种组件架构和制程的研发将LED内部产生的光引导出，对提升LED的亮度而言，是一个非常重要的课题。另外，发光二极管在发光时，若其组装体构成的散热功能不足，常使发光二极管持续发热而缩减使用寿命，如何构成能充分散热的组装体也是业界的重要课题。
现有的半导体发光二极管已知有日本特开昭60-98689号所揭示般，是在半导体基板上设有多层反射膜层，在其上设有可发光的活性层的构造，但所成的半导体发光二极管组装体在使用时，常在透镜上的取光面形成由取光面和多层反射膜层而引起的法布理珀罗谐振器(Fabry-Perotresonator)，由而在发光光谱上生成波纹。又随着电流增加，发光波长的飘移会生成，故对光输出-电流特性方面亦生成波纹对通信特性也带来恶劣影响。又上述现有技术，对由反射膜所反射的光的射出角度、对活性层的电流集中效率的点虽不需顾虑，但却有未能获致外部量子效率的问题。再者，在上述现有技术，若取光面窗口的直径较小时，则光在该部分受遮蔽致未能有效的取出光，若直径较大时，则电流较难对活性层集中而使发光效率降低。又，虽被考虑采用降低包覆层的浓度，但若降低浓度时，则光的射出角度再予扩散，有和光纤等的结合效率降低的缺点。另外包覆层的薄层化则有生成电极的接触用扩散层的穿透等未能达指定值以上的缺点。
虽为达成上述目的，在日本特开平3-16278号则以在具有引起发光的机能的p-n接合的一侧上形成高反射多层膜，在另一侧上设成取光的构造，对射出方向制成圆拱顶形形状，提升光输出功率和光结合特性是特征。
这现有技术日本特开平3-16278号是制得外部量子效率较高的发光组件，再者提供聚旋旋光性良好且结合特性优越的发光组件，且也提供高频率带域优越的发光组件。再者，为了提升光输出效率，高频率带域特性，制成以异质多层膜予以构成上述p-n接合的多层量子阱构造。通过有规则的层合具有二种以上不同折射率的薄膜的多层反射膜，对特定波长的光可使获致较大的反射率。这种多层反射膜是例如折射率也较接合层低，通过对到少二种化合物半导体交互的进行N层层合予以构成，它的膜厚如能约略满足λ＝4n1h1＝4n2h2.....(式内λ是波长，n1、n2...是薄膜的折射率，h1、h2...是薄膜的厚度)时，则可较显着的达成。
至于材料，例如接合Ga1-xAlxAs(0＜x＜0.4)，以Ga1-yAlyAs，y＞x构成，或接合InxGa1-xAsyP1-y，低折射率层InuGa1-uAsvP1-v，x≤u，y≤x构成即可。再者接合InP系，以低折射率层InGaAsP构成也可。
在这现有技术日本特开平3-16278号，是同时采反射层多层膜和圆拱顶形形状，使在反射多层膜和圆拱顶形表面之间不致生成多层反射，可得I/L特性呈直线状良好通信特信的性能。又在现有构造由反射多层膜所反射的光成为较不具指向性，由取光口而得的光量系和取光面积相依的经予限定呃，但对同时具有反射层多层膜和圆拱顶形形状的情形，以由反射多层膜所反射的光也可较现有构造未能取出的光更可有效的取出，可倍增反射多层膜的功效。
这种由镀上多层膜在化合物半导体LED上并对透镜制成圆拱顶形形状的现有技术，虽可有效的取出透射光，但未被取出的透射光仍会自制成圆拱顶形形状的透镜反射回LED芯片，亦造成发光二极管发热，并不合适。
又，现有的LED芯片在封装时，是在经冲压而成的复数金属框架上，安置供置放LED芯片的塑料平台在各该金属框架上，其后在各该塑料平台上供置放LED芯片的空洞处接合LED芯片进行芯片接合处理，再对芯片进行打线封装(wire bonding)后，封装以圆拱顶形形状的透镜，即成发光二极管封装体。
这种现有的发光二极管封装体，如前述般虽镀上多层膜在化合物半导体LED上并对透镜制成圆拱顶形形状，但发光二极管封装体本身构成上采用供置放接合LED芯片的塑料平台，仍有发光二极管发热的问题存在着。
发明内容
本发明目的是提供一种光透过率优越散热性良好的发光二极管组装体及组装方法。
有鉴在现行LED组装体的透过率和散热性仍嫌不足的缺点，申请人经精心研究，针对LED组装体的供置放LED芯片的不易散热塑料平台的大部分取代以可导热的金属材质散热平台，以使LED芯片在发光时产生的热量可由和芯片打线接合的焊线传导到金属材质支脚和大量的由LED芯片下方传导到LED芯片下方贴合的下方焊附有多条直径约2mm的内部抽真空的散热管的金属材质散热平台使具良好的散热性，并通过在圆拱顶形形状的透镜的单面或双面上施涂以折射率n介于空气和透镜的折射率间的薄膜或折射率n介于LED芯片和透镜的折射率间的薄膜，增加LED的光通量，使成优越的透过率，发现可解决上述问题点，以至完成本发明。
为了使光透过率优越，除长久以来对LED芯片施以多层膜的处理外，本发明针对圆拱顶形形状的透镜的单面或双面上施涂涂膜，该涂膜可以浸沾或离子镀着、真空蒸镀、溅镀等方式施涂以折射率n介于空气和透镜的折射率间的薄膜或折射率n介于LED芯片和透镜的折射率间的薄膜，增加LED的光通量，使成优越的透过率。
施涂以折射率n介于空气和透镜的折射率间的薄膜或折射率n介于LED芯片和透镜的折射率间的薄膜的理由，其中以施涂在空气和透镜间的薄膜的折射率为例，此薄膜的折射率设为n，空气的折射率设为no，透镜的折射率设为nS，则光线由透镜、经薄膜而向空气设出时的反射率极值R需满足下式的关系
R = [ n O - n 2 n S n O + n 2 N S ] 2
而透镜的反射率
R S = [ n O - n S n O + n S ] 2
当n＞ns时，R＞Rs；当n＜ns时，R＜Rs，若欲降低透镜反射率时，薄膜的折射率即须小于透镜反射率。再由反射能量的角度，就可算出反射率完全降到零的薄膜折射率，即n2＝n0ns。
本发明是在LED芯片上使用一个透明透镜(可为任何形状，在本发明为圆拱形)，再予加工(离子镀着、真空蒸镀、溅镀或浸泡溶液)使一防止反射膜的薄膜附着在其上。此处所谓离子镀着法是在物理蒸镀，通过使蒸发粒子离子化，使粒子的运动能增加并予成膜的方法。为了使具有高能的原子撞击透明透镜，需使透明透镜的温度大幅提高。至于离子镀着法，是利用该离子化法的各种方法，虽未予特别限制，但例如可举出直流放电激励法、多阴极热电子照射法、高频激励法(RF法)、空阴极法(HCD法)、群聚离子射束法(ICB法)、活性化反应蒸镀法(ARE)、多重电弧法(电弧放电、AIP法)、离子射束补助蒸镀法、电子射束激励等离子电镀法等方法。又依蒸镀成分的不同，也可采用已使用反应性气体或有机单体对等离子气体进行反应性离子蒸镀。其中优选为直流放电激励法、高频激励法(RF法)或空阴极法(HCD法)。且进行离子蒸镀法时，欲予成形薄膜的成形体上的表面温度虽依离子化等的条件等而异，但以超过150℃较多。
对本发明的透明透镜上通过离子蒸镀法蒸度的薄膜成分，虽未予特别限制，但例如可例举出Al、Ti、Cr、Ag、Au、Fe、Ga、Zr、Nb、Mo、La、Ta、W、Mn、Re、Sr、Co、Rh、Pd、Ir、Pt、TiO2、TiN、TiC、CrN、Al2O3、AlN、GaN、ITO、ZnO、GaAs、ZrO2、MgF2和各种有机单体等。选出的任何材料可以单层或多层且单项材质或多种材质堆栈而成薄膜，且薄膜的折射率n系介于空气和透镜的折射率之间，也就是说1＜n＜ns，且各层经离子蒸镀的薄膜的膜厚若能约略满足λ＝4n1h1＝4n2h2.....(式内λ是波长，n1、n2...是薄膜的折射率，h1、h2...是薄膜的厚度)的关系，则可增加LED的光通量。
由上述组装工序，对经予多层膜处理的LED芯片上，经打线接合后涂覆以硅氧树脂，再覆上内外面经予物理蒸镀以薄膜的圆拱形透镜，完成本发明有关的光透过率优越且散热性良好的LED组装体。这圆拱形透镜可由PC(聚碳酸酯)、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材质制成的。对LED组装体来说，LED芯片所发出的光径是经由LED芯片上蒸镀的多层膜、涂覆在LED芯片上的硅氧树脂、蒸镀在圆拱形透镜内面的薄膜、圆拱形透镜、蒸镀在圆拱形透镜外面的薄膜、以至外部的空气。在本发明，光径上已蒸镀多层膜的LED芯片的折射率是2.0～4.0(依色光的不同而异)，LED芯片上涂覆的硅氧树脂的折射率是1.5，圆拱形透镜内面蒸镀的薄膜的折射率是1.45，圆拱形透镜的折射率是1.4，圆拱形透镜外面蒸镀的薄膜的折射率是1.3～1.2，外部的空气的折射率是1.0。为了增加LED的光通量，使成优越的透过率，其中圆拱形透镜内面、外面蒸镀的薄膜成分则优选为ITO、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、MgF2，以MgF2为较优选。
附图说明
图1(a)是现有的LED封装体的剖面；正视图图1(b)是现有的LED封装体的正视图；图1(c)是现有的LED封装体的爆炸分解图；
图2是现有的LED封装体的塑料平台正视图；
图3(a)是和本发明有关的LED组装体的剖面图；图3(b)是和本发明有关的LED组装体的正视图；
图4是和本发明有关的LED组装体的金属散热平台示意图；
图5是和本发明有关的LED组装体的薄壁状塑料平台示意图；
图6是和本发明有关的LED组装体的下方焊附有多条内部抽真空的散热管的金属散热平台爆炸分解图；
图7是和本发明有关的LED组装体的爆炸分解图；
图8是和本发明有关的另一LED组装体的爆炸分解图；
图9是和本发明有关的LED组装体的组装工序流程图。
图10是表示和本发明有关的LED组装体中有否镀膜的透镜的聚光效应图。
图号说明
[现有]
10a  发光二极管组装体
20a  底部散热器的基板
30a  供置放发光二极管的空洞处
40a  塑料平台
50a  透镜
60a  发光二极管芯片
61a  焊线
62a  金属材质支脚
[本发明]
10  发光二极管组装体
41  薄壁状塑料平台
411  中空凹陷处
412  二侧突起处
413  半圆状台座
414  供嵌入金属材质支脚的细缝
45  金属材质散热平台
451  中央处突起
452 二侧下陷处
453 圆弧状护缘
454 散热片
455 内部抽真空的散热管
50  透镜
60  发光二极管芯片
61  焊线
62  金属材质支脚
具体实施方式
实施例
以下，参阅附图说明现有技术和本发明技术内容的技术特征。
现有的LED芯片60a在封装时，是在经冲压而成的复数金属框架上，安置供置放LED芯片60a的塑料平台40a在各该金属框架上，其后在各该塑料平台40a上供置放LED芯片的空洞处30a接合LED芯片60a进行芯片接合处理，再对芯片60a接合上焊线61a到各该塑料平台40a上进行打线封装(wire bonding)后，塑料平台40a上供置放LED芯片60a的空洞处30a的正下方是供作底部散热器的基板20a，这金属材质基板20a是和金属材质支脚62a同时经予冲压而成，其后封装以圆拱顶形形状的透镜50a，即成发光二极管封装体10a(参阅图1)。其中10a是发光二极管(以下简称LED)组装体、20a是底部散热器的基板、40a是塑料平台、50a是透镜、60a是发光二极管芯片、61a是焊线、62a是金属材质支脚。
上述供置放LED芯片60a的塑料平台40a(参阅图2)在保持原状且未经导热或强制散热下使用时，该塑料平台40a的局部温度高达200℃，而在有风扇类的强制散热下，塑料平台40a的局部温度也达130℃，对LED组装体10的使用寿命来说，并不适合。
为了使供置放LED芯片60a的塑料平台40a不致局部发热，对LED组装体10a的供置放LED芯片60a的不易散热塑料平台40a的大部分改制成可导热的具复数散热片454的金属材质散热平台45和薄壁状塑料平台41(参阅图4、5)，以使LED芯片60在发光时产生的热量可大量的由和芯片打线接合的焊线61传导到该金属材质散热平台45、和焊线61接合的金属材质支脚62和由LED芯片60下方传导到LED芯片下方贴合的金属材质散热平台45，使成具良好的散热性LED组装体10(参阅图7)。
由图2可知，供置放LED芯片的塑料平台40a即使经导热或强制散热也使该塑料平台40a的局部温度过高，不适用在LED组装体。申请人针对此问题点，对现有的塑料平台40a大部分改采金属材质散热平台45，也就是说作成薄壁状塑料平台41使保留可支撑LED芯片的中空凹陷处411，其余改采具有复数散热片454的金属材质散热平台45。这金属材质散热平台45是予已构成有多数个散热片454，以其中央处突起451且在该中央处突起451的二侧下陷而和该中央处突起451成截面呈”
Figure A20071008754200121
”状的二侧下陷处452，使恰可和薄壁状塑料平台41的中央处中空凹陷处411和该中空凹陷处411的二侧突起处412相互嵌合。这金属材质散热平台45的中央另有二圆弧状护缘453可和此薄壁状塑料平台41的半圆状台座413护持着，而在薄壁状塑料平台41的本体向外开设有供嵌入金属材质支脚62的细缝414(参阅图4、5)。
这一具可支撑LED芯片的中空凹陷处411的薄壁状塑料平台41和具有复数散热片454的金属材质散热平台45的组装过程，可参阅图9的和本发明有关的LED组装体的组装工序流程图。首先，在金属材质支脚62和薄壁状塑料平台41的成形工序，是将多数个经予冲压而成的金属材质支脚62的框架置放入射出成形机内，并由射出成形机的上、下模具射出成形具有可支撑LED芯片的台座413的薄壁状塑料平台41在该金属材质支脚62的框架上的金属材质支脚62。接着，进行金属材质支脚62的修边、切断工序，这是利用修边装置对已嵌合在薄壁状塑料平台41的供嵌入金属材质支脚的细缝内的该金属材质支脚62的框架上的金属材质支脚62进行切断。另外，金属材质散热平台45载置在框架的成形工序，是取相对应在上述多数个经予冲压而成的金属材质支脚框架的框架，在其上置放经予粉末冶金制成的金属材质散热平台45并予嵌合。接着，在金属材质散热平台45上进行共晶焊接，以使LED芯片焊接在金属材质散热平台45上。其次，进行以经修边的金属材质支脚62嵌入塑料平台41的供嵌入金属材质支脚的细缝414内的组合件在上，载置有金属材质散热平台的框架在下予以对正嵌合，置放LED芯片60在塑料平台41上方中空凹陷处411，构成含有芯片的LED模块，并予打线接合在金属材质支脚62进行LED模块的黏晶、焊线，接着涂覆硅氧树脂和/或荧光材质粉末在LED模块上，置放经予镀膜的圆拱形透镜50在LED模块的薄壁状塑料平台41上，并予冲压、修边，完成本发明的个别的LED组装体(参阅图9)。如此，可使LED芯片60在发光时产生的热量可大量的由和芯片打线接合的焊线61传导到该金属材质散热平台45、和焊线61接合的金属材质支脚62和由LED芯片60下方传导到LED芯片下方贴合的金属材质散热平台45，使成具良好的散热性LED组装体10(参阅图3、7)。
为了加强散热效果，上述金属材质散热平台45可在其下焊附多条直径约2mm的内部抽真空的散热管455，通常薄壁状塑料平台41的尺度约为8×9mm，在薄壁状塑料平台41上的中央处中空凹陷处411内置放的LED芯片60在发光时产生的热量虽可由和芯片打线接合的焊线61传导到金属材质支脚62，但以由LED芯片60下方贴合的下方焊附有多条直径约2mm的内部抽真空的散热管455的金属材质散热平台45，可大量的传导来自LED芯片发光时产生的热量。这一金属材质散热管455是予以焊附在具有多数个散热片454的金属材质散热平台45的下方，以供加速散逸LED芯片60在发光时产生的热量。本发明是转用计算机装置中CPU散热用的多条直径约2mm的内部抽真空的散热管，将它焊附在本发明的LED组装体的金属材质散热平台45下方，以加强散热(参阅图6、8)。
若依照上述和本发明有关的LED组装体的组装工序，对LED组装体的供置放LED芯片的现有塑料平台40a的大部分取代以可导热的金属材质散热平台45和薄壁状塑料平台41，以使LED芯片60在发光时产生的热量可由和芯片打线接合的焊线61传导到金属材质支脚62和大量的由LED芯片60下方传导到LED芯片下方贴合的下方焊附有多条直径约2mm的内部抽真空的散热管455的金属材质散热平台45使具优越的散热性，并通过在圆拱顶形形状的透镜的单面或双面上施涂以折射率n介于空气和透镜的折射率间的薄膜或折射率n介于经多层膜镀膜的LED芯片和透镜的折射率间的薄膜，则由图10的LED组装体中的经予镀膜的透镜的聚光效应图得知，和本发明有关的LED组装体使用内、外面均镀膜的圆拱顶形透镜时，它的光透过率在可见光(波长400nm～700nm)高到97％(参阅曲线(a))；和本发明有关的LED组装体使用单面镀膜的圆拱顶形透镜时，其光透过率在可见光(波长400nm～700nm)约为94％(参阅曲线(b))；而以和本发明有关的LED组装体却未使用镀膜的圆拱顶形透镜时，它的光透过率在可见光(波长400nm～700nm)仅达89％(参阅曲线(c))，显然可见和本发明有关的LED组装体使用有镀膜的圆拱顶形透镜，确实可增加LED的光通量，使具优越的光透过率。
而和本发明有关的LED组装体在采用可支撑LED芯片的台座413的薄壁状塑料平台41和具有散热片454的金属材质散热平台45的组合以取代现有的塑料平台时，对和本发明有关的LED组装体的具有散热片454的金属材质散热平台45进行热分析得知，使用和本发明有关的LED组装体的具有散热片454的金属材质散热平台45而自由散热时，散热平台的温度仍高达180℃；使用和本发明有关的LED组装体的具有散热片454的金属材质散热平台45并予强制散热时，散热平台的温度可降到100℃；而使用和本发明有关的LED组装体的下方焊附有多条直径约2mm的内部抽真空的散热管455的金属材质散热平台45且经予强制散热时，散热平台的温度仅50℃，确实显着提高LED组装体的散热性。

Claims (5)

1. 一种光透过率优越且散热性良好的发光二极管组装体，包含发光二极管芯片、塑料平台、焊线、底部散热器的基板、金属材质支脚、透镜，其特征在于：对发光二极管组装体的供置放发光二极管芯片的不易散热塑料平台的大部分改制成可导热的具复数散热片的金属材质散热平台和薄壁状塑料平台，以使发光二极管芯片在发光时产生的热量由和芯片打线接合的焊线传导到该金属材质散热平台、和焊线接合的金属材质支脚和可大量的由发光二极管芯片下方传导到发光二极管芯片下方贴合的金属材质散热平台，并通过单面或双面上施涂以折射率n介于空气和透镜的折射率间的薄膜或折射率n介于经多层膜镀膜的发光二极管芯片和透镜的折射率间的薄膜在圆拱顶形形状的透镜的单面或双面上而得的透镜，经予组装使成光透过率优越且具良好的散热性发光二极管组装体。
2. 如权利要求1所述的发光二极管组装体，其特征在于：其中前述金属材质散热平台是予以构成有多数个散热片，以其中央处突起且在该中央处突起的二侧下陷而和该中央处突起成截面呈”
Figure A2007100875420002C1
”状的二侧下陷处，使和该薄壁状塑料平台的中央处中空凹陷处和该中空凹陷处的二侧突起处相互嵌合；该金属材质散热平台的中央另有二圆弧状护缘和该薄壁状塑料平台的半圆状台座护持着，而在该薄壁状塑料平台的本体向外开设有供嵌入金属材质支脚的细缝。
3. 如权利要求1所述的发光二极管组装体，其特征在于：其中前述圆拱顶形形状的透镜所施涂的薄膜成分是由ITO、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2和MgF2而成的群组选出的单独一种或二种以上的组合。
4. 如权利要求1所述的发光二极管组装体，其特征在于：其中前述金属材质散热平台包括下方焊附有多条内部抽真空的散热管。
5. 一种光透过率优越且散热性良好的发光二极管组装体的组装方法，其特征在于包括：
金属材质支脚和薄壁状塑料平台的成形工序，将多数个经予冲压而成的金属材质支脚的框架置放入射出成形机内，并由该射出成形机的上、下模具射出成形具有可支撑发光二极管芯片的台座的该薄壁状塑料平台在该金属材质支脚的框架上的该金属材质支脚；
进行该金属材质支脚的修边、切断工序，通过修边装置对已嵌合在该薄壁状塑料平台的供嵌入金属材质支脚的细缝内的该金属材质支脚的框架上的该金属材质支脚进行切断；
该金属材质散热平台载置在框架的成形工序，取相对应在上述多数个经予冲压而成的该金属材质支脚框架的框架，在其上置放经予粉末冶金制成的该金属材质散热平台并予嵌合；
在金属材质散热平台上进行共晶焊接的工序，以使发光二极管芯片焊接在金属材质散热平台上；和
进行以经修边的该金属材质支脚嵌入塑料平台的供嵌入该金属材质支脚的细缝内的组合件在上，载置有该金属材质散热平台的框架在下予以对正嵌合工序，置放发光二极管芯片在该塑料平台上方中空凹陷处，构成含有芯片的发光二极管模块，并予打线接合在该金属材质支脚进行发光二极管模块的黏晶、焊线，接着涂覆硅氧树脂和/或荧光材质粉末在该发光二极管模块上，置放经予镀膜的圆拱形透镜在该发光二极管模块的薄壁状塑料平台上，并予冲压、修边而完成个别的发光二极管组装体。
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