CN101834257B - 光学半导体器件、插座和光学半导体单元 - Google Patents

光学半导体器件、插座和光学半导体单元 Download PDF

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Abstract

本发明的光学半导体单元具有LED器件，所述LED器件设有发光二极管(LED)和插座，所述发光二极管安装在插座上，LED器件具有主体，LED安装在主体上，主体具有第一表面，块状电极部分连接第一表面。

Description

光学半导体器件、插座和光学半导体单元
本申请基于申请日为2009年3月11日的日本专利申请No.2009-058463并且要求其优先权，该日本专利申请的内容通过引证全部并入本文中。
技术领域
本发明涉及光学半导体器件、用于安装光学半导体器件的插座、和光学半导体单元。
背景技术
以前，作为典型的光学半导体器件，LED(发光二极管)器件通过焊接固定到衬底而被使用。
但是，如果LED器件固定到衬底，LED器件的更换困难和麻烦。考虑到上述问题，如专利文献1(JP-A-2001-24216)和专利文献2(JP-A-2008-288221)所公开，已经提出了可更换连接器型的LED器件。
据说LED器件产生的热量比采用灯丝等的普通光源产生的热量少。但是，近年来，随着亮度的增加，驱动电流增加，结果，LED产生的热量增加。这就带来一个问题：热量的产生提高了LED器件的温度，导致LED器件的劣化。为了解决上述问题，如专利文献3(JP-A-2004-265626)所公开，提出一种LED插座，该LED插座具有如下结构：带有LED器件的整个衬底与散热件紧密接触，以便被冷却。
发明内容
然而，如果亮度提高的LED器件具有小型尺寸和如专利文献1和2中公开的可更换连接器式结构，不能充分冷却LED器件产生的热量。因此，存在如下问题：LED器件本身的温度升高而造成LED器件本身的劣化。
另一方面，在如专利文献3中的包括LED器件的整个衬底与散热件接触从而耗散或者辐射热量的结构中，具有如下问题：器件的尺寸增加。此外，具有另一问题：由于衬底通过螺丝固定到每个插座，更换麻烦。
考虑到上述问题，本发明的目的在于提供一种光学半导体器件，该光学半导体器件能够容易地更换，并且具有在不增加器件的尺寸的情况下能够有效传送其中产生的热量的结构的电极部分。
为了实现上述目的，本发明的第一方面在于提供一种光学半导体器件，该光学半导体器件包括：主体，光学半导体安装于主体；和电极部分，电极部分形成在主体上；电极部分具有作为外部形状的块状。
本发明的第二方面在于提供一种安装根据本发明第一方面的光学半导体器件的插座，其中，插座的总热性质数据不小于主体的热性质数据。
本发明的第三方面在于提供一种光学半导体单元，该光学半导体单元包括：光学半导体器件，所述光学半导体器件包括主体和电极部分，其中光学半导体安装于所述主体，所述电极部分形成在主体上并具有作为外部形状的块状；和安装光学半导体器件的插座，其中插座的总热性质数据不小于主体的热性质数据。
本发明的第四方面在于提供一种设计具有主体和电极部分的光学半导体器件的方法，其中光学半导体安装于所述主体以及所述电极部分形成在所述主体上，所述方法包括如下步骤：(a)规定供给所述光学半导体的输入功率和所述光学半导体的结温度；(b)获取显示在所规定的输入功率的、所述主体的体积与所述光学半导体的温度之间的关系的第一图，和显示在所规定的输入功率的、所述电极部分的体积与光学半导体的温度之间的关系的第二图；(c)由第一和第二图，计算在结温度所述主体和所述电极部分的体积；和(d)设计所述主体和所述电极部分，以使所述主体和所述电极部分具有步骤(c)中计算出的所述体积。
本发明的第五方面在于提供一种设计具有多个插座端子的插座的方法，所述多个插座端子连接到具有光学半导体的光学半导体器件，所述方法包括步骤：(e)规定供给所述光学半导体的输入功率和所述光学半导体的结温度；(f)获取显示在所规定的输入功率的、插座端子的体积与光学半导体的温度之间的关系的第三图；(g)由第三图，计算在结温度的插座端子的体积；和(h)设计插座端子，以使插座端子具有步骤(g)中计算出的所述体积。
根据本发明，电极部分的外观具有块状。采用这种结构，光学半导体器件中产生的热量通过电极传送到衬底以冷却光学半导体器件。因此，可提供一种光学半导体器件，该光学半导体器件能够容易地更换，并且具有在不增加器件的尺寸的情况下能够有效传送光学半导体器件中产生的热量的结构的电极部分。
附图说明
图1是安装在衬底6a上的光学半导体单元1的透视图；
图2是光学半导体单元1的分解透视图；
图3A是从第一表面11观看的LED器件3的透视图；
图3B是在图3A中在箭头3B所示的方向观看的LED器件3的平面图；
图4A是图1中的光学半导体单元1沿着平面4A-4A的剖视图；
图4B是插座端子19a和19b的放大视图；
图5是LED器件3a的透视图；
图6是LED器件3b的透视图；
图7是插座5a的透视图；
图8A是显示主体7的体积与结(LED9)温度之间的关系的图(第一图)；以及
图8B是显示电极部分13a和13b的总体积与结(LED9)温度之间的关系的图(第二图)。
具体实施方式
下面参考附图详细描述本发明的优选实施例。
首先，将参考图1至图4B描述根据本发明第一实施例的光学半导体单元1。
如图1所示，光学半导体单元1包括LED器件3和插座5，LED器件3作为设有LED9的光学半导体器件并且安装于插座5。
如以下详细所述，插座5通过焊料6b固定于衬底6a。
作为包括LED器件3和插座5的光学半导体单元1的一个组件，将首先参照图2至图3B描述LED器件3。
如图2、3A和3B所示，LED器件3包括主体7，LED9安装于主体7。
作为主体7的材料，希望使用陶瓷材料，如氧化铝(Al2O3)，氮化铝(AlN)，或氮化硅(SiN)。这是由于与已经用作用于主体的材料的有机材料相比，通过使用陶瓷材料可以提高热性质数据。
主体7在后侧具有呈矩形(方形)平面形状的第一表面11。块状电极部分13a和13b分别通过结合部分23a和23b连接于第一表面11。例如，电极部分13a和13b是由覆盖有金(Au)的铜(Cu)形成。例如，结合部分23a和23b是由软焊料、银(Ag)焊料或类似物形成。
在图2、3A和3B中，电极部分13a和13b中的每一个具有棒形形状，并沿其纵向方向与主体7连接。电极部分13a和13b沿(平行于)第一表面11的一对边8设置。
电极部分13a和13b通过内部导体(例如覆盖有银Ag、金Au或类似物的铜Cu)与LED9电连接，内部导体设置在主体7内但图中未示出。电极部分13a和13b既具有将电力供给LED9的供电功能，又具有将由LED9的光发射产生的热量传送给插座5的传热功能。
传送给插座5的热量通过衬底6a、设置在衬底6a上的散热件(未图示)等耗散或辐射。
电极部分13a和13b中的每一个具有棒形形状。采用这种结构，如下文中详细所述，能够可靠地将LED器件3和插座5相互连接。此外，能够提高电极部分的热性质数据。结果，可以有效地传送LED9产生的热量。
如图3A所示，电极部分13a和13b在(纵向方向的)侧面分别设有凹部25a和25b。凹部25a和25b的功能将在下文中描述。
希望电极部分13a和13b不从第一表面11凸出，如图3B所示。
这是由于如果电极部分13a和13b从第一表面11凸出，生产性能恶化。
希望电极部分13a和13b的总热性质数据不小于主体7的热性质数据。理由如下：
如前所述，当LED9发光时产生的热量按主体7、电极部分13a和13b以及插座5(将在下文中详述)的插座端子19a和19b的顺序通过主体7、电极部分13a和13b以及插座5的插座端子19a和19b传送，并最终从衬底6a或设置在衬底6a上的散热件(未图示)等耗散或辐射。
此处，如果电极部分13a和13b的总热性质数据小于主体7的热性质数据，当LED9运行时产生的热量的传送速度在电极部分13a和13b受到限制(即，电极部分13a和13b成为所谓的“储热器”)。这阻止热量耗散或热量辐射并造成LED9的劣化。
考虑到以上情况，希望电极部分13a和13b的总热性质数据不小于主体7的热性质数据。
希望电极部分13a和13b的总热性质数据为主体7的热性质数据的五倍之内，更希望是主体7的热性质数据的两倍之内。这是由于，如果电极部分13a和13b的总热性质数据超过主体7的热性质数据的五倍，电极部分13a和13b的总热性质数据变得不必要地大而电极部分13a和13b的尺寸增加。
接下来，将参照图2、4A和4B描述插座5。
如图2和4A所示，插座5包括由绝缘体形成的壳体15。
壳体15具有凹部17a和17b，凹部17a和17b的形状分别与电极部分13a和13b的形状相应。
凹部17a和17b中分别形成有多个插座端子19a和19b。
图2中示出11个插座端子19a和11个插座端子19b。
如图4B所示，插座端子19a和19b分别包括具有U形形状的U形部分31a和31b和其有倒U形形状并自U形部分31a和31b的一端延伸的倒U形部分33a和33b。U形部分31a和31b分别压配合或者夹物模压到凹部17a和17b中。结果，插座端子19a和19b固定于壳体15。
倒U形部分33a和33b的端部通过焊料6b固定于衬底6a。
U形部分31a和31b的另一端分别具有从U形形状向内突起的凸出部分35a和35b
插座端子19a和19b由诸如覆盖有金Au、钯Pd、银Ag、锡Sn或类似物的无氧铜或磷青铜的金属形成。至少U形部分31a和31b包括金属弹簧。
希望插座端子19a和19b具有尽可能高的导热率。这是由于具有高导热率的插座端子可以将LED9的光发射产生的热量有效地传至衬底6a。另外，具有高导热率的插座端子通过它们自身耗散热量或将热量辐射到大气，进一步有助于热量耗散或热量辐射。
希望插座端子19a和19b的总热性质数据不小于LED器件3的主体7的热性质数据。这是由于以关于电极部分13a和13b的总热性质数据描述的方式类似的方式，防止插座端子19a和19b变成储热器。
接下来，将参照图1至4B描述将LED器件3和插座5彼此连接的方法。
首先，从图2所示的状态，LED器件3在图2中的箭头C所示的方向移动以将电极部分13a和13b分别插入凹部17a和17b中。
在此状态下，电极部分13a和13b分别按压和扩张插座端子19a和19b的U形部分31a和31b。相应地，包括金属弹簧的U形部分31a和31b施加回弹力。结果，电极部分13a和13b与插座端子19a和19b分别电连接。
在这种情况下，如图4A所示，插座端子19a和19b的凸出部分35a和35b(参见图4B)分别插入电极部分13a和13b的凹部25a和25b(参见图3A)中。结果，电极部分13a和13b分别与插座端子19a和19b配合，并分别固定到插座端子19a和19b。
在光学半导体单元1中，通过将LED器件3从插座5的上侧插入并利用包括金属弹簧的U形部分31a和31b的回弹力固定棒形电极部分13a和13b，LED器件3和插座5彼此连接。
因此，在光学半导体单元1中，金属弹簧用于提供电连接、热连接和机械固定。
因此，光学半导体单元1具有能够在不增加LED器件3的尺寸的情况下有效地传送LED9产生的热量的结构。
此外，用于将LED器件3与衬底6a连接的焊料是不必要的。相应地，在连接部分中不可能由于受热历程而出现裂纹。
在光学半导体单元1中，仅仅通过将LED器件3插入插座5中，LED器件3和插座5可以彼此连接。相应地，能够容易地更换LED器件3。LED器件3可以利用装配器等自动安装。
电极部分13a和13b中的每一个具有块状并多个插座端子19a和19b被设置。采用这种结构，电极部分13a和13b和插座端子19a和19b能够更可靠地连接，并且能够有效地传热。
此外，插座端子19a和19b分别设有凸出部分35a和35b，而电极部分13a和13b分别设有凹部25a和25b。采用这种结构，电极部分13a和13b和插座端子19a和19b能够更可靠地(1)热连接、(2)电连接和(3)机械连接。
通过利用焊料6b将插座5的插座端子19a和19b连接到衬底6a，然后将LED器件3插入插座5中，如图1所示的光学半导体单元1可以与衬底6a连接。然而，如果结合部分23a和23b的熔点高于焊料6b的熔点，光学半导体单元1可以在LED器件3预先插入插座5中并紧固到插座5后与衬底6a连接。
在图2中，插座5设有具有矩形平面状的开口21，开口21形成在凹部17a和17b之间。可以不形成开口21。但是，如果开口21中填充导热率高于壳体15的导热率的材料，有望实现更高的热辐射。此外，如果开口21具有在矩形形状的纵向方向上穿透壳体15至外部的通孔部分(通气孔21a和21b)，开口21也可以起通风孔的作用。
接下来将对设计LED器件3的主体7和电极部分13a和13b以及插座端子19a和19b的方法进行描述。
如前所述，希望电极部分13a和13b的总热性质数据或者插座端子19a和19b的总热性质数据不小于主体7的热性质数据。理想地，希望电极部分13a和13b或者插座端子19a和19b的总热性质数据等于主体7的热性质数据。
作为获取上述热性质数据的设计方法，可以采用简单的试错法。然而，有更加精确的解析法。接下来将描述使用这种方法的例子。
首先，规定LED9、主体7、电极部分13a和13b以及插座端子19a和19b的条件，和外部环境的条件。
具体而言，规定各种数值，例如，供给LED9的输入功率，LED9的上限结温度，主体7、衬底6a、LED9、电极部分13a和13b和插座端子19a和19b中的每一个的导热率和体积、环境温度、空气的传热系数等等。接着，计算热性质数据。
在随后的分析中，上述数值是固定的。
接下来，获取显示主体7的体积和LED9的温度之间的关系的第一图(参见图8A)。
具体而言，假设没有电极部分13a和13b、插座端子19a和19b，换言之，假设从LED9产生的热量仅仅通过主体7传至衬底6a。接着，主体7的体积变化，而对于每个体积的LED9的结温度通过使用有限元法获得并绘制成图。
按照类似的方式，获取显示电极部分13a和13b的体积和LED9的温度之间的关系的第二图(参见图8B)。
具体而言，假设没有主体7和插座端子19a和19b，换言之，假设从LED9产生的热量仅仅通过电极部分13a和13b传至衬底6a。接着，电极部分13a和13b的体积变化，而对于每个体积的LED9的结温度通过使用有限元法获得并绘制成图。
按照类似的方式，获取显示插座端子19a和19b的体积与LED9的温度之间的关系的第三图(未图示)。
具体而言，假设没有主体7和电极部分13a和13b，换言之，假设从LED9产生的热量仅仅通过插座端子19a和19b传至衬底6a。接着，插座端子19a和19b的体积变化，而对于每个体积的LED9的结温度通过使用有限元法获得并绘制成图。
接下来，从第一图、第二图和第三图，计算在规定的结温度主体7、电极部分13a和13b和插座端子19a和19b中的每一个的体积。
在如此计算出的体积，主体7、电极部分13a和13b、和插座端子19a和19b的热性质数据彼此相等。
最后，设计主体7、电极部分13a和13b和插座端子19a和19b的尺寸和形状，使得主体7、电极部分13a和13b和插座端子19a和19b具有如上所述的体积。
如上所述，电极部分13a和13b或者插座端子19a和19b的总热性质数据需要不小于主体7的热性质数据。因此，电极部分13a和13b或者插座端子19a和19b的体积可以大于在规定的结温度的体积。换言之，电极部分13a和13b或者插座端子19a和19b的体积必须等于或者大于在规定的结温度的体积。
以上描述了设计LED器件3的主体7和电极部分13a和13b以及插座端子19a和19b的方法。
如前所述，根据第一实施例，光学半导体单元1包括设有LED9的LED器件3，和用于将LED器件3安装于其上的插座5。通过利用插座5的插座端子19a和19b的回弹力固定LED器件3的块状电极部分13a和13b，LED器件3和插座5相互连接。
因此，在不增加器件尺寸的前提下，可有效地传送器件中产生的热量。
此外，用于将LED器件3与衬底6a连接的焊料是不必要的。LED器件3和插座5可以容易手动或者自动地相互连接，而LED器件3能够容易地更换。
此外，电极部分13a和13b或插座端子19a和19b的总热性质数据不小于LED器件3的主体7的热性质数据。结果，防止电极部分13a和13b或插座端子19a和19b成为储热器。
此外，插座端子19a和19b分别设有凸出部分35a和35b，而电极部分13a和13b分别设有凹部25a和25b。采用这种结构，可以可靠地连接电极部分13a和13b与插座端子19a和19b。
接着将参照图5描述本发明的第二实施例。
在第二实施例中，第一实施例中的每个电极部分在轴向被分割成多个矩形棱镜形的电极件。
如图5所示，LED器件3a包括电极部分71a和71b，而电极部分71a和71b中的每个在轴向被分割成多个矩形棱镜形的电极件。
这是因为有时为了实现LED器件3a的多色功能等，需要个别地驱动多个LED。
因此，LED器件3a具有电极部分71a和71b中的每一个在轴向被分割成多个电极件的电极结构。采用这种结构，可以在安装多色LED或者多个单色LED的情况下应用LED器件3a。
值得注意的是，在LED器件3a包括三个LED元件(R，G，B)的情况下(在这种情况下，对于每个颜色都需要阳极端子和阴极端子，因此总共需要六个电极件)，需要如图5所示的具有六个电极件的LED器件3a。
接下来将参照图6描述本发明的第三实施例。
在第三实施例中，第一实施例中的每个电极部分由板材形成，板材的垂直于轴向方向的截面具有钩形。
在第三实施例中，与第一实施例中的部件具有相似功能的部件采用与第一实施例中的附图标记相同的附图标记，并且在此处不予描述。
如图6所示，LED器件3b包括电极部分41a和41b，而电极部分41a和41b中的每个的与轴向方向(纵向方向)相垂直的截面具有钩形。
例如通过冲压板材取得上述的形状。
因此，只要外部形状为块状，电极部分可以具有中空形状，而其截面例如具有钩形。
在图6中，电极部分中的每一个的截面具有钩形，但其截面可以具有U形或者其它形状。
如上所述，在第三实施例中，LED器件3b的电极部分41a和41b中的每个的与轴向方向(纵向方向)垂直的截面具有钩形，并且呈现与第一实施例的效果相似的效果。
接下来将参照图7描述本发明的第四实施例。
在第四实施例中，插座5a具有四个插座端子43a和四个插座端子43b，而四个插座端子43a和四个插座端子43b中的每个的宽度与第一实施例相比被增加。
在第四实施例中，与第一实施例中的部件具有相似功能的部件采用与第一实施例的附图标记相同的附图标记，并且在此处不予描述。
如图7所示，插座5a包括分别在凹部17a和17b中的插座端子43a和43b。
在图7中，形成四个插座端子43a和四个插座端子43b，每个插座端子的宽度大于第一实施例中每个插座端子19a和19b的宽度。
如上所述，插座端子的数量和宽度不限于第一实施例中的数量和宽度。
宽度增加的插座端子提高了与电极部分13a和13b的接触面积，从而有助于热耗散或热辐射。此外，弹簧的回弹力也与插座端子的宽度成比例地增加。相应地，可实现更强的固定力。
如上所述，根据第四实施例，插座5a的插座端子43a和43b的每个的宽度大于第一实施例中插座端子19a和19b中的每个的宽度。结果，与第一实施例相比，第四实施例在热耗散或热辐射以及固定强度上更加有效。
示例：
在下文中，将结合具体示例对本发明进行详细描述。
示例1
根据第一实施例中描述的采用有限元法的设计方法，计算了LED器件3的主体7和电极部分13a和13b的体积，从而优化热性质数据。
LED9的尺寸为长度和宽度为1mm而高度为0.1mm。(在室温)LED9的导热率和供给LED9的输入功率分别为42W/mK和1W。
LED9的结温度为200℃，而衬底6a是尺寸为长度和宽度为50mm而厚度为0.8mm的玻璃纤维环氧树脂衬底(FR-4)。
作为主体7的材料，使用了三氧化二铝Al2O3，其导热率为18W/mK。作为电极部分13a和13b的材料，采用了无氧铜，其导热率为390W/mK。接着，通过有限元法获取了主体7的体积和LED9的温度之间的关系以及电极部分13a和13b的体积和LED9的温度之间的关系。
结果在表1中显示。
主体7的体积和LED9的温度之间的关系在图8A中的图(第一图)示出，而电极部分13a和13b的体积和LED9的温度之间的关系在图8B中的图(第二图)示出。
表1
主体(Al2O3)
体积(mm3) 0.15 1 8 27 64 99.8 125
结温度 250 255.2 226.4 200.6 187.7 176.4 170.4
电极部分(Cu)
体积(mm3) 0.15 1 1.73 2.75 4.91 8 15.6 27 64
结温度 220 203.6 200.7 197.6 192.7 188.0 179.5 171.2 154.8
从表1中可知，当主体7的体积为27mm3而电极部分13a和13b的体积为1.73mm3时，LED9的结温度约为200℃。相应地，可以理解，当主体7和电极部分13a和13b被设计成具有上述体积时，主体7的热性质数据与电极部分13a和13b的热性质数据彼此相等，并优化热性质数据。
示例2
根据第一实施例中描述的采用有限元法的设计方法，对使用了根据第一实施例的插座5时LED9的结温度和使用了根据第四实施例的插座5a时LED9的结温度进行了比较。
具体而言，插座5的11个插座端子19a和11个插座端子19b中的每个具有0.2mm的宽度，而这些插座端子被设置成彼此间隔0.2mm。另一方面，插座5a的4个插座端子43a和4个插座端子43b中的每个具有0.91mm的宽度，而这些插座端子被设置成彼此间隔0.2mm。对于所有这些插座端子，与每个插座端子的宽度方向相垂直的方向上的接触长度为0.92mm。
作为插座端子的材料，采用了磷青铜(导热率为63W/mK)和铜合金(导热率为264W/mK)。其它条件(LED9的条件等等)与第一实施例中的条件类似。接着，获取结温度。结果在表2中显示。
表2
体积 2.5 4.16
端子/电极接触面积(mm2) 2.03 3.38
从表2可以理解，插座5a具有较低的结温度。因此，可以理解，当这些插座的长度彼此相同时，具有更大宽度的插座端子有助于热耗散或热辐射。
由上述内容可以理解，根据第一实施例中描述的采用有限元法的设计方法，防止LED器件3的主体7和电极部分13a和13b以及插座的插座端子成为储热器，并被优化以有助于热耗散或热辐射。
在上述的这些实施例中，本发明应用于安装有LED9的光学半导体单元1。然而，本发明并不限于此，而是可以应用于各种安装有发光的光学半导体元件的结构。
具体而言，本发明也可以应用于，例如，安装有半导体激光器的光学半导体器件。
此外，一般而言，本发明的光学半导体单元可应用于照明设备中，例如，本发明的光学半导体单元可应用于街灯，背景灯或者车灯。

Claims (5)

1.一种光学半导体器件，包括：
主体，光学半导体安装于所述主体；和
用于电连接插座的电极部分，所述电极部分将电力供给光学半导体又将由光学半导体的光发射产生的热量传送给插座，所述电极部分形成在所述主体上；
所述电极部分具有作为外部形状的块状；
其中，所述主体具有矩形平面状的第一表面；所述电极部分设在所述第一表面的面内；
所述光学半导体器件安装于插座，所述插座具有多个插座端子，
其中，所述电极部分分别与所述插座端子配合，并分别固定到所述插座端子；
所述电极部分沿其旁侧面具有凹形部分；
所述插座端子分别设有多个凸出部分；
其中，所述插座端子的凸出部分分别被插入到所述电极部分的凹形部分，从而所述电极部分分别与所述插座端子配合，并分别固定到所述插座端子。
2.如权利要求1所述的光学半导体器件，其中，所述电极部分具有棒形状的外部形状，并且所述电极部分在其纵向方向上与所述主体连接。
3.如权利要求1所述的光学半导体器件，其中，所述电极部分分隔成多个电极件，所述电极件具有矩形棱镜形的外部形状。
4.如权利要求1所述的光学半导体器件，其中，所述光学半导体是发光二极管(LED)或者半导体激光器。
5.如权利要求1所述的光学半导体器件，其中，所述插座端子包括金属弹簧。
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