CN101369617B - 高散热性发光二极管装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高散热性发光二极管装置，包含一散热座、两导接端子及一发光二极管晶粒。散热座包括一由如金属或陶瓷的高导热性材质一体成型的本体。发光二极管晶粒设置于本体内，两导接端子伸入该本体内与该发光晶粒导接，且各导接端子外对应于本体的部分视本体的材质而选择性的覆设有一绝缘层，避免该导接端子与金属材质的本体接触而造成短路。本发明借由采用选择高导热性的金属或陶瓷材料一体成型的散热座本体，以提高整个发光二极管装置的散热功效。

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，特别是涉及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具有高亮度而具有可取代一般灯泡的优势，但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。故高功率发光二极管除了亮度的提升之外，伴随着散热的问题也是业者亟欲突破的瓶颈。
图1为台湾申请案号第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及一镜片(透光层)99。电路板基材91上设置有一正电极92及一负电极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。此种发光二极管封装结构9主要是利用将发光晶粒96直接设置于导热性较佳的散热导体94之内，以期将发光晶粒96的热能迅速导出，且为避免二电极区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质。
但散热问题除了材料本身的热传系数须考虑之外，散热材料与外界接触的面积大小亦为影响因素之一。回头观察此种封装结构9的设计，虽然散热导体94下方可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方能散出，相较于散热导体94下方可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，而此种封装结构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，故此种封装结构9的设计仍有其美中不足之处。
【发明内容】
本发明的目的是在提供一种完全使用例如金属或陶瓷等高导热性材质进行封装以提升散热效率，并且也不致于发生短路现象的高散热性发光二极管装置。
本发明高散热性发光二极管装置包含一散热座、两导接端子及一发光二极管晶粒。散热座包括一由例如金属或陶瓷的高导热性材质一体成型的本体。发光二极管晶粒设置于本体内，两导接端子伸入该本体内与该发光晶粒导接，且当该本体材质为金属时，各导接端子外对应于本体的部分覆设有一绝缘层，避免该导接端子与该金属材质的本体接触而造成短路。本发明高散热性发光二极管装置中，该本体的材质可为铜或铝。
本发明高散热性发光二极管装置中，该本体的材质可选自由氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)及碳化硅(SiC)等高导热性陶瓷材料所构成的群组。
本发明的有益效果在于，将散热座的本体采用一体成型的高散热性(如金属或高导热性的陶瓷材料)材质，使得发光二极管晶粒所产生的热能可更快散出本体外，避免发光二极管晶粒长期处于闷热状态，且由于本体直接与外界空气有大面积的接触，本体导出的热能也可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的散热效能，进而延长发光晶粒的使用寿命。
【附图说明】
图1是一立体分解图，说明一种习知高功率发光二极管封装结构；
图2是一分解图，说明本发明高散热性发光二极管装置的第一较佳实施例，但图中未包含透光层；
图3是本发明第一较佳实施例的组合图；
图4是本发明第一较佳实施例的剖视图；
图5是一分解图，说明本发明高散热性发光二极管装置的第二较佳实施例的一散热座及二导接端子；
图6是本发明第二较佳实施例的组合图；
图7是本发明第二较佳实施例的剖视图；
图8是一分解图，说明本发明高散热性发光二极管装置的第三较佳实施例的一散热座及二导接端子；
图9是本发明第三较佳实施例的组合图；
图10是本发明第三较佳实施例的剖视图；
图11是本发明高散热性发光二极管装置第四较佳实施例的立体图，但图中未包含透光层；以及
图12是本发明第四较佳实施例的剖视图。
【具体实施方式】
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：
参阅图2-图4，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散热座2、一发光二极管晶粒3、两导接端子4及一透光层6。
散热座2包括一金属材质一体成型的本体21、设置在本体21的一凹穴22及两端子容置槽23。其中，凹穴22是由本体21顶部表面往下凹陷形成，其包括一低于本体21顶部表面的内底面221、一连接于内底面221与本体21顶部表面之间的内环壁面222，内底面221及内环壁面222围绕界定出一大致呈截头倒锥状的凹穴空间，用以供填充透光材料而形成该透光层6。两端子容置槽23是分别由本体21两相反侧的外表面往内横向凹陷而连通至凹穴空间，且本实施例中，每一端子容置槽23末端位在凹穴22内，且是从凹穴22的内底面221凹陷形成。
本发明的散热座2可以铝挤成型的方式成型出铝质的本体21后，再利用其它如CNC中心加工机、雷射切割等机械加工方式加工出凹穴22及端子容置槽23，或者是以金属射出、铸造的方式直接成型出具有凹穴22及端子容置槽23的本体21，或者是以CNC中心加工机、雷射切割等直接加工出本体21的外型及凹穴22、端子容置槽23。该本体21的材质也可选择采用铜、铝或硅基板。
两导接端子4为高导电性的金属片，每一导接端子4具有一第一横向段41、一由第一横向段41一端往下延伸的一纵向段42、一由纵向段42底端往远离第一横向段41的方向延伸的第二横向段43，以及一第一导接部44、一第二导接部45。每一导接端子4外包覆有一绝缘层24。本实施例中，是以冲压的方式冲出导接端子4的外型后，再以射出成型方式于导接端子4外包覆一层塑料层而构成上述的绝缘层24，绝缘层24是包覆在第一横向段41与纵向段42外，且第一横向段41邻近末端处的顶面外露出绝缘层24而构成上述的第一导接部44，本实施例中，第二横向段43未受绝缘层24包覆而构成上述的第二导接部45。
绝缘层24作用是在于当导接端子4置入端子容置槽23时，由于散热座2是金属材质，故需避免与端子4直接接触而造成短路，因此，该绝缘层24包覆的范围是视当导接端子4置入散热座2时将会与散热座2的本体21接触的范围而定。
绝缘层24除了上述以射出成形的方式形成之外，也可以采用以下的方式：
一、以塑料套直接套覆在导接端子4外。
二、采用陶瓷、玻璃纤维等绝缘材质包覆。
三、对导接端子4置入端子容置槽23时将与本体21接触的部分进行阳极处理以使导接端子4的表层氧化而产生绝缘效果。
四、于导接端子4外表面涂上散热绝缘胶以形成上述的绝缘层24。
五、以树脂模压的方式包覆于导接端子4外形成上述的绝缘层24等等。
两导接端子4是以其第一横向段41分别由散热座2的两侧相向伸入两端子容置槽23内，使两第一导接部44均位在凹穴22内，而纵向段42及第二横向段43则是位在散热座2外，以待封装后第二导接部45可焊设在电路板上(图未示)。本实施例中，导接端子4是以紧配合的方式插置在端子容置槽23内，但也可以在导接端子4或端子容置槽23涂上上述的散热绝缘胶，如此一来，散热绝缘胶既可构成绝缘层24，也可使导接端子4胶合在端子容置槽23内。
发光二极管晶粒3是设置在凹穴22的内底面221并且位于两端子容置槽23之间，且发光二极管晶粒3的上表面设有两电极接点31，分别供两金属导线200以打线方式(Wire Bonding)与两导接端子4的第一导接部44导接。
透光层6是以模压(Molding)或点胶的方式填充在本体21凹穴22内，其材质可为环氧树脂、硅胶或玻璃，且透光层6的顶部可如图3呈平顶状而与本体21的顶部表面切齐，而如果是以模压的方式形成透光层6的结构，其顶部也可呈圆顶状，以达到视角15度-120度的效果。而凹穴22的内环壁面222也可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3的光线。
如上所述，本发明借由本体21一体成型的结构，不但省去习知的阻碍散热的绝缘电路板基材，且该整体为金属材质的散热座2可朝四面八方散热(例如朝上可经本体21顶部表面及内顶面221散热)，所以，当发光二极管晶粒3通电发亮时，其所产生的热量便可较迅速地透过本体21导出，使整个发光二极管装置1具备较佳的散热功效，且由于导接端子4与散热座2本体21接触的部分都以绝缘层24(或陶瓷等绝缘材料)包覆，所以也不会发生导接端子4的金属片与散热座2本体21接触而造成短路的现象。
参阅图5-图7，为本发明发光二极管装置1’的第二较佳实施例，在第二较佳实施例中，发光二极管装置1’包含一散热座2’、两导接端子4’以及一陶瓷基板5、一焊设在陶瓷基板5上的发光二极管晶粒3’，而与第一较佳实施例不同的地方是在于导接端子4’与散热座2’本体21’上端子容置槽23’的结构、以及发光二极管晶粒3’与导接端子4’的打线位置。
在第二较佳实施例中，两端子容置槽23’分别位在本体21’的底部两侧，每一端子容置槽23’包括一由本体21’的外表面往内延伸的横向槽段231’，及一由横向槽段231’的内端往上贯穿内底面221’的纵向槽段232’，且横向槽段231’是由本体21’的底部表面凹陷形成。
每一导接端子4’包括一横向段46及一由横向段46一端往上延伸的纵向段47，绝缘层24’是包覆在纵向段47以及横向段46外，且横向段46靠近自由端的末段并未受绝缘层24’包覆。第一导接部44’是位在纵向段47自由端的端面，第二导接部45’则是横向段46未受绝缘层24’包覆的末段。
两导接端子4’是由散热座2’底部往上容置在两端子容置槽23’内，使得二纵向段47分别伸入二端子容置槽23’的纵向槽段232’内，两横向段46是分别位在两端子容置槽23’的横向槽段231’，并且纵向段47顶端的第一导接部44’外露于凹穴22’的内底面221’。
本实施例中所使用的发光二极管晶粒3’其上下表面分别设置有一电极接点31’，且陶瓷基板5上设有一导电区51，发光二极管晶粒3’下表面的电极接点31’是透过焊锡或银胶焊设在陶瓷基板5的导电区51，导电区51再透过金属导线200与邻近的第一导接部44’导接，发光二极管晶粒3’上表面的电极接点31’是透过金属导线200与另一导接端子4’的第一导接部44’导接。
基于热传考虑，本实施例所使用的陶瓷基板5的厚度要越薄越好，而其材质则可选择热传性较佳的材质，如氮化铝(AlN)或上层有电路导通的硅材基板。另外，与第一较佳实施例相同的，绝缘层24’可以是射出成型的塑料层或者是阳极处理形成的氧化层或者是以塑料套包覆的方式等等。
参阅图8-图10，为本发明发光二极管装置1”的第三较佳实施例，在第三较佳实施例中，发光二极管装置1”包含一散热座21”、两导接端子4”以及一陶瓷基板5’、一焊设在陶瓷基板5’上的发光二极管晶粒3”，与第二较佳实施例不同的地方是在于导接端子4”以及端子容置槽23”的结构，以及发光二极管晶粒3”与二导接端子4”的打线位置。
在第三较佳实施例中，每一端子容置槽23”包括一由凹穴22”的内底面221”凹陷的第一横向槽段233”，一由本体21”顶部表面凹陷的第二横向槽段231”，及一由内环壁面222”凹陷并且连接第一横向槽段233”及第二横向槽段231”的斜向槽段232”。
每一导接端子4”包括一第一横向段50、由第一横向段50一端往远离第一横向段50的方向斜上延伸的斜向段49，及一由斜向段49自由端往远离第一横向段50的方向延伸的第二横向段48。
第一横向段50末段顶面部分未受绝缘层24”包覆而构成第一导接部44”，第二横向段48凸出本体21”的末段同样未受绝缘层24”包覆而构成第二导接部45”。两导接端子4”是由散热座2”顶部往下分别容置于二端子容置槽23”内，其中，第一横向段50对应容置在第一横向槽段233”内，第二横向段48对应容置在第二横向槽段231”内，斜向段49则是对应容置在斜向槽段232”内。
本实施例中，陶瓷基板5’顶面设有两不相连通的导电区51’，而所使用的发光二极管晶粒3”其两电极接点31”是分别位在底部两侧，发光二极管晶粒3”的两电极接点31”是分别以焊锡或银胶焊设在陶瓷基板5’的两导电区51’内，两导电区51’再分别透过金属导线200导接到两导接端子4”的第一导接部44”。
参阅图11、图12，为本发明发光二极管装置1”’的第四较佳实施例，与前三个实施例不同之处在于，该散热座2”’的本体21”’是采用高导热性的陶瓷材质制成，该陶瓷材质是选自氮化铝(AlN)、氧化铍(BeO)及碳化硅(SiC)所构成的群组。该凹穴22”’是大概呈矩形凹陷并且纵向断面呈梯形。除此之外，在本实施例中，由于本体21”’采用陶瓷材料的关系，两导接端子4”’外层并未包覆有如前述实施例的绝缘层24(如图4所示)，而是直接容置在端子容置槽23”’内。
本实施例是借由本体21”’选用高导热性的陶瓷材料，再配合与外界大面积的直接接触而可达到快速散热的效果。
补充几点说明的是，前述第二较佳实施例与第三较佳实施例中发光二极管晶粒3’、3”设置的方式以及导接端子4’、4”的结构态样也可以应用在第四较佳实施例中。再者，本发明的散热座2本体21也可与其它型式的散热设计如散热鳍片或散热器等结合使用，其中，本体21可设置螺孔而利用螺丝与其它散热器结合，达到更大的散热效果。
因此，如上述内容所示，本发明将散热座2的本体采用一体成型的金属或高导热性陶瓷材质，由于本体21直接与外界空气有大面积的接触，使得由本体21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3的使用寿命，且当本体21材质为金属时，不论导接端子4是由本体21的两侧、底部或顶部装设到散热座2，其外面包覆的绝缘层24也可避免金属片直接与本体21接触而造成短路。

Claims (19)

1.一种高散热性发光二极管装置，包含一散热座、一发光二极管晶粒以及两导接端子；该散热座包括一凹穴以及两端子容置槽；该发光二极管晶粒设置在该凹穴；各该导接端子具有一第一导接部及一第二导接部，该两导接端子分别伸入该两端子容置槽，使该第一导接部位于该凹穴内与该发光二极管晶粒导接，该第二导接部外露于该散热座外，
该散热座还包括一本体，该本体为一体成型的高导热性材质，该凹穴由该本体顶部凹陷形成，该两端子容置槽分别由该本体的两侧外表面连通至该凹穴，
该本体为金属材质或硅基板制成，且各该导接端子外覆设有一绝缘层，各该导接端子的该第一导接部与该第二导接部均外露出该绝缘层，
其特征在于：各该导接端子包括一伸入容置于该端子容置槽内的第一横向段，该绝缘层包覆于该第一横向段外，且该第一横向段伸入该凹穴内的末段顶面部分外露出该绝缘层而构成该第一导接部。
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：该两端子容置槽是由该本体两相反侧外表面往内凹陷连通至该凹穴，各该导接端子还包括一由该第一横向段一端往下延伸而位于该本体外的纵向段，以及一由该纵向段底端往远离该第一横向段的方向延伸的第二横向段，该第二导接部位于该第二横向段。
3.如权利要求2所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：该纵向段外也包覆有该绝缘层。
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：该凹穴包括一低于该本体顶部表面的内底面及一连接该本体顶部表面与该内底面的内环壁面，各该端子容置槽至少部分由该凹穴的内底面凹陷形成。
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：各该端子容置槽包括一由该内底面凹陷的第一横向槽段、一由该本体顶部表面凹陷的第二横向槽段以及一连接该第一横向槽段与该第二横向槽段的斜向槽段；各该导接端子还包括一由该第一横向段斜上延伸的斜向段以及一由该斜向段自由端往远离该第一横向段的方向延伸的第二横向段，该斜向段是容置于该斜向槽段，该第二横向段容置于该第二横向槽段而末段凸出该本体外，该绝缘层还包覆于该斜向段及该第二横向段，该第二横向段凸出该本体外的末段未受该绝缘层包覆而构成该第二导接部。
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：各该端子容置槽包括一凹陷形成于该本体底部表面的横向槽段，及一由该横向槽段内端往上贯穿该凹穴内底面的纵向槽段；该第一横向段位于该横向槽段内且一端凸出该本体而构成该第二导接部，各该导接端子还包括一由该第一横向段一端往上延伸而伸入该纵向槽段的纵向段，该纵向段顶端端面外露出该内底面而构成该第一导接部；该绝缘层还包覆于该纵向段的外周面。
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：该绝缘层为射出成型包覆于所述导接端子外的塑料层。
8.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：该绝缘层为于该导接端子外表面进行阳极处理而形成的氧化层。
9.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：该绝缘层为模压成形包覆于该导接端子外的树脂材质。
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：该本体的材质为铜或铝。
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：该本体的材质为高导热性陶瓷材料。
12.如权利要求11所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：该本体的材质是选自氮化铝、氧化铍及碳化硅所构成的群组。
13.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：该高散热性发光二极管装置还包含两金属导线，且该发光二极管晶粒设置于该内底面上并位于该两端子容置槽之间，该发光二极管晶粒上表面设置有两电极接点，该两电极接点分别通过该两金属导线与该两导接端子的第一导接部导接。
14.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：该高散热性发光二极管装置还包含一陶瓷基板及两金属导线，该陶瓷基板设置于该内底面，且该陶瓷基板上表面设有一导电区，该发光二极管晶粒上、下表面各设有一电极接点，该发光二极管晶粒下表面电极接点焊设于该导电区，该发光二极管晶粒上表面电极接点通过其中一金属导线与其中一导接端子的第一导接部导接，该陶瓷基板的导电区通过另一金属导线与另一导接端子的第一导接部导接。
15.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：该高散热性发光二极管装置还包含一陶瓷基板及两金属导线，该陶瓷基板设置于该内底面，且该陶瓷基板上表面设有两不相连通的导电区，该发光二极管晶粒下表面设有两电极接点，该两电极接点分别焊设于该两导电区，该两导电区分别通过该两金属导线与该两导接端子的第一导接部导接。
16.如权利要求11所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：该高散热性发光二极管装置还包含两金属导线，且该发光二极管晶粒设置于该凹穴内并位于该两端子容置槽之间，该发光二极管晶粒上表面设置有两电极接点，该两电极接点分别通过该两金属导线与该两导接端子的第一导接部导接。
17.如权利要求11所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：该高散热性发光二极管装置还包含一陶瓷基板及两金属导线，该陶瓷基板设置于该凹穴内，且该陶瓷基板上表面设有一导电区，该发光二极管晶粒上、下表面各设有一电极接点，该发光二极管晶粒下表面电极接点焊设于该导电区，该发光二极管晶粒上表面电极接点通过其中一金属导线与其中一导接端子的第一导接部导接，该陶瓷基板的导电区通过另一金属导线与另一导接端子的第一导接部导接。
18.如权利要求11所述的高散热性发光二极管装置，其特征在于：该高散热性发光二极管装置还包含一陶瓷基板及两金属导线，该陶瓷基板设置于该凹穴内，且该陶瓷基板上表面设有两不相连通的导电区，该发光二极管晶粒下表面设有两电极接点，该两电极接点分别焊设于该两导电区，该两导电区分别通过该两金属导线与该两导接端子的第一导接部导接。
19.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：该高散热性发光二极管装置还包含一填充于该凹穴内的透光层。
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