CN101963336A - 用于辐射发光二极管的热量的装置及使用其的液晶显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于辐射发光二极管(LED)的热量的装置，包括：各自都包括LED芯片和热辐射金属板的多个LED封装；和印刷电路板(PCB)，所述PCB包括与所述LED封装的热辐射板相接触的顶面，该顶面上形成有电路图案和阻焊剂、其上形成有金属层的底面、穿透所述顶面和所述底面的孔、形成在所述孔的侧壁上用于将所述LED封装的所述热辐射金属板与所述金属层连接的金属侧壁、以及形成在所述孔中的腔，本发明还公开了使用该用于辐射发光二极管(LED)的热量的液晶显示器。

Description

用于辐射发光二极管的热量的装置及使用其的液晶显示器
本申请主张2009年7月24日提交的韩国专利申请10-2009-0067999的权益，出于所有目的引用该专利申请引入本文，就像在这里全部列出一样。
技术领域
本发明涉及一种用于辐射发光二极管(LED)的热量的装置及使用其的液晶显示器。
背景技术
LED是由诸如GaAs、AlGaAs、GaN、InGaN或AlGaInP的化合物半导体材料形成的具有两个端子的二极管。LED使用当电子和空穴根据施加于阴极和阳极的电力而组合时产生的光能发射可见射线。
通过红色、绿色和蓝色LED的组合或者蓝色LED和黄色荧光粉的组合实现发射白光的白色LED。随着白色LED的出现，LED已应用于范围从电子产品的指示器到家庭用品以及广告面板的广泛的应用领域。近来，由于LED芯片的高效率，LED已代替常规照明灯而取代了街灯、运载工具的照明灯、荧光灯。LED具有高功率和高亮度，其效率超过现有的辉光放电灯，并且与现有荧光灯的效率相似或者优于它。
施加给LED封装的能量的大约15％转换为光，而大约85％的能量作为热量被消耗掉。随着从LED的PN结产生的热量增加，LED封装的效率和寿命降低。因此，具有高功率和高亮度的LED封装需要用于辐射从LED芯片产生的热量的设计。
通常将LED封装焊接至昂贵的金属印刷电路板(PCB)或用于热辐射的散热包层板(thermal clad board)。金属PCB具有由铝基板、树脂层、铜箔层和阻焊剂层顺序层压的层叠结构。树脂层将流动电流的铜箔层与铝基板彼此电绝缘并在铜箔层与铝基板之间形成热传递通路。从LED封装产生的热量通过铜箔层传递，然后通过树脂层传输到铝基板。因此，为了实现有效的热辐射结构，必需增加树脂层的热传导性。用于金属PCB的树脂层的热传导性大约为1.0至2.2W/mk。金属PCB要求具有不同热膨胀系数的两种金属可靠地粘结，并减小两种金属之间在热膨胀过程中产生的应力，该金属PCB的铝和铜箔彼此相对组合以便在它们之间形成树脂层。铜的热膨胀系数大约为17ppm/k，而铝的热膨胀系数大约为25ppm/k。为了满足金属PCB的树脂层所需的性能，用于金属PCB的树脂层具有在0.075到0.30mm范围内的厚度。由于该相对厚的树脂层，热量不会在金属PCB的铜层与金属基板之间平稳流动。将详细解释金属PCB中的热传递。从LED芯片产生的热量通过封装本体、焊料层、铜箔层、树脂层和铝基板辐射。由于树脂层的低的热传导性，树脂层在热量流动中产生热辐射的瓶颈现象。如果多个LED封装以阵列形式安装在金属PCB上，则因为通过金属PCB仅获得较低的热辐射效果，所以可将额外的散热器附接到金属PCB的底面以辐射热量。在该情形中，为了除去金属PCB与散热器之间的空气层，可在金属PCB与散热器之间分配热脂。然而，因为热脂的热传导性低至大约2到3W/mK，所以热脂阻碍热量的流动。
根据显示设备和信息通讯设备的小型化，可通过表面组装技术(SMT)将LED芯片直接安装在PCB或柔性印刷电路(FPC)上。在液晶显示器的背光单元中，LED芯片安装在FPC上并且FPC可附接金属板或金属散热器来辐射热量，而不使用昂贵的金属PCB。然而，该热辐射方案也需要昂贵的金属板和FPC，从而增加了成本，并且该热辐射方案没有提供足够的热辐射效果。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于辐射LED的热量的装置以及使用其的液晶显示器，所述装置实现了廉价的LED热量辐射结构并通过充分的热辐射延长了LED的效率和寿命。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于辐射发光二极管(LED)的热量的装置，其包括：各自都包括LED芯片和热辐射金属板的多个LED封装；和印刷电路板(PCB)，该PCB包括与该LED封装的热辐射板相接触的顶面，该顶面上形成有电路图案和阻焊剂、其上形成有金属层的底面、穿透该顶面和该底面的孔、形成在该孔的侧壁上用于将该LED封装的热辐射板与该金属层连接的金属侧壁、以及形成在该孔中的腔。
根据本发明的另一个方面，提供了一种液晶显示器，其包括液晶显示面板；和照明该液晶显示面板的背光单元。
所述背光单元包括：各自都包括LED芯片和热辐射金属板的多个LED封装；和印刷电路板(PCB)，该PCB包括与该LED封装的热辐射板相接触的顶面，该顶面上形成有电路图案和阻焊剂、其上形成有金属层的底面、穿透该顶面和该底面的孔、形成在该孔的侧壁上用于将该LED封装的热辐射板与该金属层连接的金属侧壁、以及形成在该孔中的腔。
附图说明
并入本说明书中并构成说明书一部分的附图阐述了本发明的实施方式，并与该说明一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是根据本发明第一个实施方式的用于辐射LED的热量的装置的截面图；
图2和图3是示出图1中所示的LED封装的底面的平面图；
图4是根据本发明第二个实施方式的用于辐射LED的热量的装置的截面图；
图5是图4中所示的用于辐射LED的热量的装置的截面图；
图6是根据本发明第三个实施方式的用于辐射LED的热量的装置的截面图；
图7是根据本发明第一个实施方式的液晶显示器的截面图；
图8是根据本发明第二个实施方式的液晶显示器的截面图。
具体实施方式
现在将参照图1至图8来详细解释本发明的实施方式。
图1是根据本发明第一个实施方式的用于辐射LED的热量的装置的截面图。
参照图1，根据本发明的LED封装10安装在PCB 21上。
LED封装10包括封装本体14、齐纳二极管18、至少一个LED芯片11、阴极引线框15、阳极引线框16和热辐射金属板17。齐纳二极管18和LED芯片11安装在形成于封装本体14的表面上的凹槽上。LED芯片11的阴极通过接线12与阴极引线框15连接，而LED芯片11的阳极通过接线12与阳极引线框16连接。齐纳二极管18通过接线与LED芯片11连接并阻挡静电流到LED芯片11，以保护LED芯片11免于静电。
阴极引线框15、阳极引线框16和热辐射金属板17在封装本体14的底面上形成为彼此分离的金属图案。阴极引线框15、阳极引线框16和热辐射金属板17由同种金属形成。
在LED封装10的表面上形成的凹槽中填充有树脂13。树脂13传输从LED芯片11产生的可见射线并使LED芯片11、齐纳二极管18和接线12免于湿气和氧气。树脂13可包括荧光材料。
可选择阻燃组合物4(FR4)作为PCB 21。在PCB 21的顶面上形成有向LED封装供电的电路图案，并在该电路图案上涂有阻焊剂。在PCB 21底面上的广阔区域中形成诸如铜箔的金属层22，并且PCB 21的底面上没有涂敷阻焊剂。PCB 21包括孔。在PCB 21中形成的孔的侧壁上形成有金属侧壁23，并在孔中形成有包含空气的腔24。这里，所述孔可以是通孔(via-hole)或透孔(through hole)。当孔为通孔时，孔的侧壁用铜电镀，从而形成金属侧壁23。当孔是透孔时，孔的侧壁用铜电镀并且铜层用金电镀，从而形成金属侧壁23。金属侧壁23穿透PCB 21的顶面和底面，以将LED封装10的热辐射金属板17与PCB 21底面上形成的金属层22连接，从而形成LED封装10的热辐射通路。如果PCB 21的孔完全被金属充满，则在SMT设备的焊接温度下，金属在密封的孔中热膨胀并溢出所述孔，从而造成电路图案的短路以及LED封装10的低劣安装。因此，金属侧壁23必须仅在孔的侧壁上形成，使得孔没有完全被金属充满，而在孔中存在腔24。可在PCB 21的顶面上安装连接器(未示出)。安装在PCB 21上的连接器通过FPC或柔性扁平电缆(FFC)与安装有LED驱动电路的PCB的连接器连接，从而通过电路图案将电力从LED驱动电路提供到LED封装10。
图2和图3是显示出图1所示的LED封装10的底面的平面图。
参照图2和图3，阴极引线框15和阳极引线框16彼此分开并布置在封装本体14的两侧。热辐射金属板17形成在封装本体14底面中心处的广大区域中并与阴极引线框15和阳极引线框16分开，如图2所示。此外，热辐射金属板17可包括与和阴极引线框15或阳极引线框16分离的金属图案相连接的金属板以增加该热辐射金属板的面积，如图3所示。在图3的情形中，阴极引线框15和阳极引线框16具有不同的面积。
PCB 21以下述方式附接到底盖30，即PCB 21底面上形成的金属层22面对底盖30。底盖30由铝或铝合金形成并与应用于液晶显示器的背光单元的壳元件对应，如图7和8所示。PCB 21通过已知的热辐射衬垫附接到底盖30。此外，PCB 21通过使用焊接、粘合剂、螺丝、挂钩等的多种接合方法附接到底盖30。不必在PCB 21与底盖30之间形成额外的散热器。
底盖30接地。在该情形中，PCB 21底面上形成的附接到底盖30的金属层22可形成地平面。
从LED封装10产生的热量通过该LED封装10底面上形成的热辐射金属板17、PCB 21的孔的侧壁上形成的金属侧壁23、PCB 21底面上形成的金属层22和底盖30来辐射。因此，从LED封装10产生的热量沿着由金属形成的热辐射通路辐射。
图4和5图解了根据本发明第二个实施方式的用于辐射LED的热量的装置。
参照图4和5，在PCB 21上安装有连接器41和多个LED封装10，并在PCB21上形成有用于连接连接器41和LED封装10的电路图案。PCB 21上涂有阻焊剂。如图1所示，在每个LED封装10中形成有齐纳二极管。在PCB 21底面上的广阔区域中形成有金属层22且其上没有形成阻焊剂。PCB21具有穿透PCB 21顶面和底面的多个孔25。孔25形成在PCB 21的没有形成电路图案的部分处。在连接器41和与连接器41相邻的LED封装10之间以及相邻的LED封装10之间形成孔25。在孔25的侧壁上形成有金属层23，且在孔25中分别形成有腔。
LED封装10的热量通过孔25侧壁上形成的金属层、PCB 21底面上形成的金属层22以及底盖30来辐射。PCB 21底面上形成的金属层22可与底盖30接触以形成地平面。PCB 21通过上述多种方法接合到底盖30上，并且不必在PCB 21与底盖30之间形成额外的散热器。
LED封装10可由通过SMT工序直接在PCB 21上形成的LED芯片所代替。可在LED封装10或LED芯片下面分别形成穿透PCB 21的顶面和底面且在其侧壁上形成有金属层的孔，如图1所示。
即使当LED封装10的数量增加时，为了提高LED热辐射效果并且减少PCB 21的尺寸增加，可选择具有大于4层的FR4PCB作为PCB 21，如图6所示。在具有大于四层的多层PCB 21的情形中，在没有形成电路图案和多层电路图案的部分处形成穿透PCB 21顶面和底面的孔25。在孔25的侧壁上形成金属层23。
图7是根据本发明第一个实施方式的液晶显示器的截面图。
参照图7，根据本发明第一个实施方式的液晶显示器包括液晶显示面板61和用于照明该液晶显示面板61的侧光式背光单元。
该侧光式背光单元包括前述实施方式中所述的LED封装10和具有热辐射结构的底盖30。该侧光式背光单元进一步包括靠近LED封装10定位的光导63、布置在光导63与液晶显示面板61之间的多个光学片62、支撑液晶显示面板61和侧光式背光单元的导引板64、覆盖导引板64侧面和顶面的壳盖65、以及布置在光导63与底盖30之间的反射片66。LED封装10面对光导63的一端。
液晶显示面板61包括形成在上下玻璃基板之间的液晶层。在液晶显示面板61的下玻璃基板上以交叉方式形成有多条数据线和多条栅线。液晶显示面板61包括分别布置在数据线和栅线的交点处的液晶盒。液晶显示面板61的下玻璃基板包括形成在其上的数据线、栅线、薄膜晶体管(TFT)、与TFT连接的液晶盒的像素电极、和存储电容器。液晶显示面板61的上玻璃基板包括形成在其上的黑矩阵和滤色器。在诸如扭曲向列(TN)模式和垂直取向(VA)模式的垂直电场驱动模式下，在上玻璃基板上形成公共电极，而在诸如共平面开关(IPS)模式和边缘场开关(FFS)模式的水平电场驱动模式下，在下玻璃基板上形成公共电极。偏振器分别附接到液晶显示面板61的上下玻璃基板，且在液晶层的顶面和底面上分别形成用于设定液晶的预倾角的取向膜。
导引板64由混合有玻璃纤维的诸如聚碳酸酯的合成树脂以矩形框架的形式形成且并包围液晶显示面板61和侧光式背光单元的边缘。在导引板64的内侧壁上形成有突出部，液晶显示面板61位于该突出部上，而光导63和光学片62布置在该突出部下面。光学片62包括至少一个棱镜片和至少一个扩散片，扩散从光导63接收的光并以基本上垂至于液晶显示面板61的光接收面的角度折射光的传播路径。光学片62可包括双亮度增强膜(DBEF)。
LED封装10安装在具有孔的PCB 21上。PCB 21接合到底盖30上。LED封装10的热量通过PCB 21的孔的侧壁上形成的金属层、PCB 21底面上形成的金属层22和底盖30来辐射。
图8是根据本发明第二个实施方式的液晶显示器的截面图。
参照图8，根据本发明第二个实施方式的液晶显示器包括液晶显示面板61和用于照明该液晶显示面板61的直下型背光单元。液晶显示面板61可以以任何模式，如TN模式、VA模式、IPS模式和FFS模式来实现。
该直下型背光单元包括如前述实施方式中所述的LED封装10和具有热辐射结构的底盖30。该直下型背光单元进一步包括布置在LED封装10上的扩散器67、布置在扩散器67与液晶显示面板61之间的多个光学片62、支撑液晶显示面板61和直下型背光单元的导引板69、覆盖导引板69侧面和顶面的壳盖68、以及附接到底盖30的反射片70。
LED封装10安装在具有孔的PCB 21上。PCB 21接合到底盖30上。如前述实施方式中所述，LED封装10的热量通过PCB 21的孔的侧壁上形成的金属层、PCB 21底面上形成的金属层22和底盖30来辐射。
如上所述，本发明通过在PCB中形成孔并在孔的侧壁上形成金属层可以实现廉价的LED热辐射结构，因而可以通过充分的热辐射来延长LED的效果和寿命。
尽管参照示例性的实施方式特别显示和描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求确定的本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节上进行多种变化。

Claims (10)

1.一种用于辐射发光二极管的热量的装置，包括：
各自都包括LED芯片和热辐射金属板的多个发光二极管封装；和
印刷电路板，该印刷电路板包括
与所述发光二极管封装的热辐射板相接触的顶面，该顶面上形成有电路图案和阻焊剂；
其上形成有金属层的底面；
穿透所述顶面和所述底面的孔；
形成在所述孔的侧壁上用于将所述发光二极管封装的热辐射板与所述金属层相连接的金属侧壁；以及
形成在所述孔中的腔。
2.根据权利要求1所述的用于辐射发光二极管的热量的装置，进一步包括金属基板，所述印刷电路板附接在该金属基板上。
3.根据权利要求1所述的用于辐射发光二极管的热量的装置，其中每个所述发光二极管封装都包括：
具有顶面和底面的封装本体，在顶面上安装有所述发光二极管芯片并涂有树脂，而在底面上形成有所述热辐射板；
阴极引线框，由与所述热辐射金属板相同的材料形成在所述封装本体的底面的一侧处，并与所述发光二极管芯片的阴极连接；和
阳极引线框，由与所述热辐射金属板相同的材料形成在所述封装本体的底面的另一侧处，并与所述发光二极管芯片的阳极连接，
其中所述热辐射金属板形成于所述封装本体的中心，以将所述阴极引线框与所述阳极引线框分开。
4.根据权利要求1所述的用于辐射发光二极管的热量的装置，其中每个所述发光二极管封装都进一步包括与所述发光二极管芯片连接的齐纳二极管。
5.根据权利要求1所述的用于辐射发光二极管的热量的装置，其中所述印刷电路板进一步包括形成在相邻发光二极管封装之间并穿透所述印刷电路板的顶面和底面的多个第二孔、形成在所述第二孔的侧壁上的第二金属侧壁、以及分别形成在所述第二孔中的第二腔。
6.一种液晶显示器，包括：
液晶显示面板；和
照明液晶显示面板的背光单元，
其中所述背光单元包括：
各自都包括发光二极管芯片和热辐射金属板的多个发光二极管封装；和
印刷电路板，其包括
与所述发光二极管封装的热辐射板相接触的顶面，该顶面上上形成有电路图案和阻焊剂；
其上形成有金属层的底面；
穿透所述顶面和所述底面的孔；
形成在所述孔的侧壁上用于将所述发光二极管封装的热辐射板与所述金属层相连接的金属侧壁；以及
形成在所述孔中的腔。
7.根据权利要求6所述的液晶显示器，进一步包括底盖，所述印刷电路板附接在该底盖上。
8.根据权利要求6所述的液晶显示器，其中每个所述发光二极管封装都包括：
具有顶面和底面的封装本体，顶面上安装有所述发光二极管芯片并涂有树脂，而底面上形成有所述热辐射板；
阴极引线框，由与所述热辐射金属板相同的材料形成在所述封装本体的底面的一侧处，并与所述发光二极管芯片的阴极连接；和
阳极引线框，由与所述热辐射金属板相同的材料形成在所述封装本体的底面的另一侧处，并与所述发光二极管芯片的阳极连接，
其中所述热辐射金属板形成在所述封装本体的中心，以将所述阴极引线框与所述阳极引线框分离。
9.根据权利要求6所述的液晶显示器，其中每个所述发光二极管封装都进一步包括与所述发光二极管芯片连接的齐纳二极管。
10.根据权利要求6所述的液晶显示器，其中所述印刷电路板进一步包括形成在相邻发光二极管封装之间并穿透所述印刷电路板的顶面和底面的多个第二孔、形成在所述第二孔的侧壁上的第二金属侧壁、以及分别形成在所述第二孔中的第二腔。
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