CN102693973A - 发光二极管照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种发光二极管照明装置，包含一载台、一基板以及一发光二极管晶粒。上述的载台包含一顶表面和一底表面，该载台于该顶表面上形成有一第一凹陷部，该载台于该底表面上形成一第二凹陷部，该第一凹陷部与该第二凹陷部相连接。上述的基板嵌入该第二凹陷部，其中该基板包含一静电放电防护结构。上述的发光二极管晶粒设置于该基板上。本发明提出的发光二极管照明装置中，其防静电放电结构可整合于硅基板或以其他方式整合至模块中，借此防止静电突波对发光二极管晶片造成的暂态过载损害。

Description

发光二极管照明装置

技术领域

本发明涉及一种发光二极管照明装置，尤其涉及一半导体发光元件封装结构(Package structure)，用以封装至少一半导体发光晶粒，而且特别地，本发明的承载基板包含一防静电结构，该至少一半导体发光晶粒可以同时持续发出各种不同颜色的光源，适用于各式显示设备和照明设备。

背景技术

随着半导体发光元件发展，发光二极管已为一种新兴的光源，具有省电、耐震、反应快、适合量产等等许多优点。因此，以发光二极管做为指示器已属常见，并且以发光二极管做为光源的照明产品，亦已渐成趋势。为提供足够的照明，以发光二极管做为光源的照明装置多使用高功率的发光二极管，然而也带来了高散热的需求。

一般而言，发光二极管设置在一基板上，该基板再设置在一散热元件上。该散热元件可为金属板、具较高导热效率的热导管或其他可提供高导热效率的材料，其上有多个鳍片以增加散热效率。然而发光二极管于运作中产生的热尚需经由基板，再传导至散热元件，所以发光二极管与基板、基板与散热元件间的界面热阻即为重要议题。在现有技术中，因为发光二极管相对体积较小，且多直接形成或固着在基板上，所以发光二极管与基板间的界面热阻改善有限。因此，整个系统的改善多着重在基板与散热元件间的界面热阻。

基板与散热元件接面本身并无法保证紧密贴合，故常产生多个气室于基板与散热元件之间。由于每个气室很小，因此其热对流效益有限，其热传递以热传导为主。并且，因为空气的热传导系数太低，造成基板与散热元件间界面热阻过高，所以在现有技术中，基板与散热元件间多会填充散热膏等导热物质以避免气室产生，进而降低界面热阻。然而，长时间的高温对散热膏会有老化效应，散热膏的流动性亦大幅减低，亦即填充效果减弱，进而产生气室，界面热阻则随之增加。严重的话，散热元件无法有效导热、散热，发光二极管则可能因过热而损坏。

因此，有需要提供一种发光二极管照明装置，其基板与散热元件之间的填充材料可抗老化效应以持续提供低界面热阻以解决上述问题。

再者，随着半导体技术的进步，各种电子元件的体积愈来愈小，各种物理现象也随着电子元件尺寸的缩小而造成问题，静电放电(electrostaticdischarge，ESD)效应便是其中一个例子。

于干燥环境下，人体所累积的静电可高达2至3千伏，只要不经意与发光二极管接触，即可导致发光二极管特性的劣化乃至损毁，严重影响产品品质与合格率，其使得高亮度发光二极管的成本问题更严重。

为解决上问题，现存的现有技术多采用封装结构中将发光二极管并联一齐纳二极管(Zener Diode)，以增强发光二极管的静电防护能力，请参阅图1所示发光二极管Z4与齐纳二极管Z1并联的示意图，该电路在正常操作电压下。

请参阅图1，其绘述了以往发光二极管的防静电的设计，由图所见，第一电极Z2与第二电极Z3间具有一绝缘区间Z6，而该齐纳二极管Z1被置放于第一电极Z2，并以一金线Z5与第二电极Z3连接，以形成一电路，同时第一电极Z2与第二电极Z3间的电路中，亦设有发光二极管。于正常运作时，齐纳二极管Z1不导通且不耗电能，而当暂态高压静电产生时，将使得发光二极管晶粒Z4与齐纳二极管(Zener Diode)Z1均为导通的状态，但因该电压已超过齐纳二极管的崩溃电压，齐纳二极管Z1的电阻值将远低于发光二极管Z4的内阻，故几乎所有的电流将流经齐纳二极管Z1，借此可稳定操作电压，其达成保护发光二极管的功能。

为达成上述的抗静电功能，已有不同的封装结构实现，如美国专利第6054716号“Semiconductor light emitting device having a protecting device”以及美国专利第6333522号“Light-emitting element，semiconductor light emittingdevice，and manufacturing methods therefore”。

然而，现今的工艺中，要将外置的齐纳二极管固定于电极之上时，因为其体积过小，机台于抓取及固定时的工差要求甚高，进而造成了成本的上升。

有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种整合有防静电放电结构的发光二极管照明装置，其防静电放电结构可整合于硅基板或以其他方式整合至模块中，借此防止静电突波对发光二极管晶片造成的暂态过载损害。

发明内容

有鉴于此，本发明的一目的在于提供一种发光二极管照明装置，以防止静电突波对发光二极管晶片造成的暂态过载损害。

根据一具体实施例，该发光二极管照明装置包含载台、基板以及发光二极管晶粒；载台包含一顶表面和一底表面，该载台于该顶表面上形成一第一凹陷部，该载台于该底表面上形成一第二凹陷部，该第一凹陷部与该第二凹陷部相连接；基板嵌入该第二凹陷部，其中该基板包含一静电放电防护结构，发光二极管晶粒设置于该基板上。

此外，于实际应用中，上述的第一凹陷部与第二凹陷部连接处的直径较该第二凹陷部的直径为小，致使该第二凹陷部具有一顶部，该基板与该顶部连接；同时该基板具有一下表面，该基板的该下表面与该载台的该底表面大致共平面，且该载台是一低温共烧陶瓷板、一印刷电路板或一金属核心电路板；而基板则由半导体材料所制成，例如硅基板等。

再者，该基板具有一反射层，该反射层位于该第一凹陷部上。

另外，上述的静电放电防护结构是借由对该基板进行杂质的掺杂工艺而形成。

此外，于实际应用中，上述的发光二极管照明装置进一步包含导热元件，而其可为热导管或热导柱。

再者，上述的发光二极管照明装置进一步包含支撑体，该支撑体包含至少一通孔，致使该支撑体可固定于该导热元件上。

其中，上述的发光二极管照明装置进一步包含导热相变材料，该导热相变材料是设置于该平坦部与该基板之间。

此外，上述的发光二极管照明装置进一步包含一黏胶，填充于该基板与该第二凹陷部之间。

本发明提出的发光二极管照明装置中，其防静电放电结构可整合于硅基板或以其他方式整合至模块中，借此防止静电突波对发光二极管晶片造成的暂态过载损害。

关于本发明的优点与精神可以借由以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图说明

图1绘示根据现有技术的一具体实施例的发光二极管照明装置示意图。

图2绘示本发明一具体实施例的发光二极管照明装置的示意图。

图3绘示本发明一具体实施例的发光二极管照明装置的示意图。

图4绘示本发明一具体实施例的发光二极管照明装置的元件组合图。

图5绘示本发明另一具体实施例的发光二极管照明装置的载台的示意图。

图6绘示本发明另一具体实施例的发光二极管照明装置的载台的示意图。

图7绘示本发明另一具体实施例的发光二极管照明装置的载台的示意图。

图8绘示本发明另一具体实施例的发光二极管照明装置的基板的示意图。

图9绘示本发明另一具体实施例的发光二极管照明装置的元件分解图。

其中，附图标记说明如下：

Z1：齐纳二极管 Z2：第一电极

Z3：第二电极 Z4：发光二极管晶粒

Z5：金线 Z6：绝缘区间

1：发光二极管照明装置 12：载台

122：顶表面 123：电路

124：底表面 126：第一凹陷部

128：第二凹陷部 130：顶部

14：基板 142：下表面

144：反射层 146：承载部

148：静电放电防护结构 16：发光二极管晶粒

17：封装材料 18：透镜

20：支撑体 202：通孔

22：导热元件 222：平坦部

223：鳍片 24：导热相变材料

26：螺丝

具体实施方式

请参阅图2及图3。图2及图3绘示根据本发明的一具体实施例的一发光二极管照明装置1的示意图。如图3所示，本发明的发光二极管照明装置1包含一载台12、一基板14、一封装材料17以及一发光二极管晶粒16。

载台12包含一顶表面122以及一底表面124，一第一凹陷部126形成于载台12的顶表面122，一第二凹陷部128形成于载台12的底表面124，上述的第一凹陷部126与上述的第二凹陷部128相连接。再者，顶表面122所置的表面的方向与底表面124相反。

第一凹陷部126与第二凹陷部128相连接处的直径小于第二凹陷部128的外径，使得第二凹陷部128形成有一顶部130。基板14与该顶部130连接。

另外，载台12可为一低温共烧陶瓷板、一印刷电路板、一金属核心电路板或其他可与基板14衔接的材料。

于本具体实施例中，一电路123形成于载台12的顶表面122上，其透过金线分别与发光二极管晶粒16以及静电放电防护结构148电性连接，以形成一并联电路123。然其不以金线为必要，视其发光二极管的晶粒16种类的不同，可省略利用金线的工艺。例如，当静电放电防护结构148被形成于基板14内部，而发光二极管的晶粒16为一叠晶晶粒，则可将该晶片直接置放于基板14的静电放电防护结构148上，以省略设置金线的工艺。

于本具体实施例中，上述的基板14嵌入于载台12的第二凹陷部128，基板14与载台12的顶部130连接。顶部130卡持基板14，并增加基板14与第二凹陷部128的接触面积。

此外，基板14与载台12的第二凹陷部128间可填充有一黏胶(未显示)，以让其二者紧密连接。

另外，基板14可按其设计的需要，由硅或其他可整合一半导体结构的材料或其他现有的材料所制成。

于本具体实施例中，基板14具有一承载部146以及一下表面142，该下表面142的方向与承载部146所处表面的方向相反。基板的该下表面142与载台12的底表面124大致呈一共平面。基板14的表面可包含多于一个承载部146。各承载部146的表面承载有至少一发光二极管晶粒16。

于本具体实施例中，发光二极管晶粒16所处的承载部146的水平高度大致上等同于基板14与顶部130接触表面的水平高度，然其不以此为限。按设计的不同，承载部146的水平高度可低于或高于基板14与顶部130接触表面的水平高度从而个别形成凹陷结构或突出结构，分别如图5及图6所绘述，图5及图6的特征与图2相同，故不于此多作赘述。

再请参阅图2，承载部146的表面可镀有一反射层144(以虚线表示)，用以反射由发光二极管晶粒16发出的光线。承载部146上发光二极管的晶粒16数目可按其需要自由调整。

于本具体实施例中，静电放电防护结构148整合于基板中。透过对基板14的各部进行不同成分及浓度的掺杂而于基板14中形成各种由p型半导体及n型半导体结构。该静电放电防护结构148设计的多样，为保持文笔的简洁，故不于此赘述。然而，该静电放电防护结构148不以整合于基板14内的设计为限。

静电放电防护结构148亦可利用一独立设置的静电放电防护晶片或一经封装的静电放电防护模块替代。上述的静电放电防护晶片可为一独立设置的齐纳二极管裸晶(bare chip)。

上述的静电放电防护模块可为一表面黏着型模块，表面黏着型模块其中包含了至少一静电放电防护晶片，该晶片可为一齐纳二极管晶粒。

静电放电防护结构148于正常运作时，不导通且不耗电能，而当暂态高压静电产生时，将使得发光二极管晶粒16与静电放电防护结构148均为导通的状态，但因电压已超过静电放电防护结构148的崩溃电压，静电放电防护结构148的电阻值将远低于发光二极管16的内阻，故几乎所有的电流将流经静电放电防护结构148，借此可稳定操作电压以达保护发光二极管的功效。

再请参阅图2，于本具体实施例中，发光二极管晶粒16可包含各色的发光二极管晶粒或激光二极管晶粒。

发光二极管照明装置1进一步包含一封装材料17，封装材料17填充于第一凹陷部126中或载台12的顶表面122上，并覆盖发光二极管晶粒16，用以保护发光二极管晶粒16及金线(未显于图)，但是不以完全填满第一凹陷部126为必要。

请参阅图4，图4绘示本发明另一具体实施例的发光二极管照明装置的元件分解图。根据本较佳具体实施例，本发明的发光二极管照明装置1进一步包含支撑体20及导热元件22。

支撑体20的中央部分包含至少一通孔202，用以套入上述的导热元件22。通孔202的直径与导热元件22的直径几近相同，以提供一摩擦力以固定导热元件22与支撑体20的相对位置，致使该支撑体可固定于该导热元件上。支撑体20按其设计的需要，可于其表面设有多个螺孔，以供其他结构附着之用。

导热元件22可包含一平坦部222及多个鳍片223。

于本具体实施例中，导热元件22的平坦部222处于导热元件22的一末端，平坦部222表面的方向水平与导热元件22末端的延伸方向平行。

然而，按其设计需要，上述的平坦部222亦可为导热元件22上的任一平坦表面。导热元件22的平坦部222与基板14的底部紧密连接。

导热元件22的多个鳍片223水平的设置于上述导热元件22的一表面上。于本具体实施例中，鳍片223与该导热元件22的延伸方向垂直，用以散逸由上述平坦部222传导的热。

上述的导热元件22可为一热导管(HEAT PIPE)、一热导柱或其他传统的条状散热装置。

导热元件22的平坦部222与基板14间可能存有一空隙，透过填充有一导热相变材料24以减低基板14与平坦部222间的界面热阻。

根据较佳具体实施例，导热相变材料24具有一相变温度，其相变温度在40℃至60℃之间，但本发明不以此为限。于导热相变材料24相变后，其流动性增加，以助其更有效的填充于基板14与平坦部222间，进而避免气室的产生，有效将发光二极管晶粒16于运作过程中所产生的热传导至导热元件22并散逸出去。

于本具体实施例中，该导热相变材料24的导热系数介于3.6W/mK至4.0W/mK，然其不以此为限。此外，导热相变材料24本身的黏着性有助于基板14附着于平坦部222上。

请再参阅图4，载台12是借由螺丝26固设于支撑体20的表面。同时，支撑体20与载台12接触的表面与导热元件22的平坦部222大致上处于一共同平面。

基板14嵌设于第二凹陷部128，载台12抵持该基板14并对基板14施加一下压力，以将基板14压设于上述导热元件22的平坦部222上。

补充说明，支撑体20固定载台12的方式不以图4所示者为限。支撑体20亦可利用一机构固设于载台12。亦可同时结合上述两种方式予以固定。

请参阅图7，于本具体实施例中，其绘述本发明的一发光二极管照明装置1，其包含了一载台12，该载台12包含了多个第一凹陷部126及相对应的第二凹陷部128。再者，各个第二凹陷部128均嵌设有一相对应的基板14，以提高每单位面积的总发光量。于本具体实施例，每载台12嵌设有两个基板14。以其不以此为限。图7的各特征与图3的特征相同，故不于此多作赘述。

请参阅图8，于本具体实施例中，其绘述本发明的一发光二极管照明装置的一基板14，其包含了多个承载部146。于本具体实施例中，各承载部146均个别为一凹陷结构。图8的特征与图3相同，故不于此多作赘述。

请参阅图9，图9绘示本发明另一具体实施例的发光二极管照明装置的元件分解图。根据本较佳具体实施例，其大部分特征均与前述的具体实施例相同。然而，于本具体实施例中，发光二极管照明装置1设有一微形透镜组18，发光二极管晶粒16与微形透镜组18之间填装有一封装材料(未见于图)，并且覆盖发光二极管晶粒16，但是不以完全填充第一凹陷部126为必要。再者，于本具体实施例中，静电放电防护结构148为一静电放电防护晶片。图9的特征与图5相同，故将不于此赘述。

借由以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。因此，本发明所申请的专利范围的范畴应根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims (12)

1.一种发光二极管照明装置，其特征在于，包含：

一载台，该载台包含一顶表面和一底表面，该载台于该顶表面上形成一第一凹陷部，该载台于该底表面上形成一第二凹陷部，该第一凹陷部与该第二凹陷部相连接；

一基板，该基板嵌入该第二凹陷部，其中该基板包含一静电放电防护结构以及一承载部；以及

一发光二极管晶粒，其中该静电放电防护结构与该载台、该基板以及该发光二极管晶粒电性连接，该发光二极管晶粒设置于该基板上。

2.如权利要求1的发光二极管照明装置，其特征在于，该第一凹陷部与第二凹陷部连接处的直径小于该第二凹陷部的直径，致使该第二凹陷部具有一顶部，该基板与该顶部连接。

3.如权利要求2的发光二极管照明装置，其特征在于，该承载部的水平高度低于或高于该基板与该顶部连接的表面的水平高度。

4.如权利要求1的发光二极管照明装置，其特征在于，该基板具有一下表面，该基板的该下表面与该载台的该底表面大致共平面。

5.如权利要求1的发光二极管照明装置，其特征在于，该载台为一低温共烧陶瓷板、一印刷电路板或一金属核心电路板。

6.如权利要求1的发光二极管照明装置，其特征在于，该静电放电防护结构为一独立设置的齐纳二极管晶粒。

7.如权利要求1的发光二极管照明装置，其特征在于，该静电放电防护结构是借由对该基板进行掺杂而形成。

8.如权利要求1的发光二极管照明装置，其特征在于，进一步包含一导热元件，该导热元件具有一平坦部，用以设置该基板。

9.如权利要求8的发光二极管照明装置，其特征在于，该导热元件为一热导管或一热导柱。

10.如权利要求8的发光二极管照明装置，其特征在于，进一步包含一支撑体，该支撑体包含至少一通孔，致使该支撑体可固定于该导热元件上。

11.如权利要求8的发光二极管照明装置，其特征在于，进一步包含一导热相变材料，该导热相变材料设置于该平坦部与该基板之间。

12.如权利要求1的发光二极管照明装置，其特征在于，进一步包含一黏胶，填充于该基板与该第二凹陷部之间。

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