CN1874010A - 一种低热阻的发光二极管封装装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低热阻的发光二极管封装装置，包括可将电能转换为电磁波的发光二极管，塑料壳形成的反射板，一组导线架将发光二极管与外接电源相导通并同时做为该发光二极管之散热接口，在塑料壳内填充以软性之高透光性物质，并在上方装置一镜片。本发明的发光二极管封装装置热阻低，制造简单，装置厚度较小，可以制作的轻薄短小。

Description

一种低热阻的发光二极管封装装置
技术领域
本发明涉及一种发光二极管封装装置，尤其涉及一种具有低热阻的发光二极管封装装置。
背景技术
以下举出两种在已有技术中常见的两种发光二极管封装装置。如图1所示，传统的发光二极管封装装置，将发光二极管芯片10置于金属导线架11上的凹槽内，该凹槽的功能是作为光的反射面，并使用金线14使该发光二极管芯片10连接到另一极金属导线架上形成通路，该发光二极管芯片10及金属导线架11被透明环氧树脂12所包覆，且仅透出二接脚。此种发光二极管封装装置已被广泛且大量的使用于发光二极管交通标志灯、汽车第三刹车灯及电子产品的指示灯。
如图2所示，另一被广泛使用的发光二极管封装装置，将发光二极管芯片10置于印刷线路板13上，并用金线或铝线14使该发光二极管芯片的电极连接于印刷线路板的正负极，外面覆盖透光性良好的环氧树脂12，还可以在环氧树脂内添加荧光粉以产生白光。
上述两种发光二极管封装装置的缺点是芯片至接脚的热阻值过高。由于芯片为该装置的热源，在散热不足时会造成芯片的温度上升，当温度过高时会造成寿命减短、亮度下降，甚至使该装置失效，所以散热设计是发光二极管封装装置的一个很重要的参数。
一般而言，发光二极管封装装置的散热特性是由热阻值所决定。由于发光二极管芯片为发光二极管封装装置的唯一热源，而接脚为散热路径，所以通常以发光二极管芯片的P-N接合面至其接脚的热阻值来定义该发光二极管封装装置的散热特性，以RθJ-P表示之，表示从接合面到接脚之热阻，可以数学式表示：
RθJ-P＝(TJ-TP)/Q
TJ：发光二极管芯片接合面的温度；
TP：发光二极管封装装置接脚的温度；
Q：通过此热传路径的热通量。
由于发光二极管芯片为发光二极管封装装置的唯一热源，而且它所通过的电能除少部分转换成电磁波型态散逸外，大部分能量均转换成热能，当简单的以通过该发光二极管芯片的电能代表所需经由该装置传递至接脚的热能，因此可将上述数学式重新表示为：
RθJ-P＝(TJ-TP)/(If×Vf)
If：发光二极管芯片的操作电流；
Vf：发光二极管芯片的操作电压。
由于接脚温度是系统的参数，该参数值由该系统的散热特性决定，在一定的热通量之下，当系统固定之后该参数值为固定值，与发光二极管封装装置之散热特性无关。由上述数学表示式可得知：当发光二极管封装装置的热阻值愈高时，其芯片P-N接合面温度也愈高。
另一方面，从热传导学中得知，热传导热传的热阻可简单的表示为：
Rθ＝L/K×A
L：热传导路径的长度；
K：热传导物质的热传导系数；
A：热传导路径的法向截面积。
由此可以得知，当发光二极管封装装置的散热路程愈长、该路径之截面积愈小且该材质之热传导系数愈低时，该装置之热阻就愈大，所以要设计低热阻之发光二极管封装装置就必须使其散热路径愈短愈好，增大其散热面积并且选用热传导系数高的材质。
而上述已有技术中的发光二极管封装装置的主要散热路径是从芯片经过支架或印刷线路板散热，图2所对应的已有技术的发光二极管封装装置中的印刷线路板的材质大都为塑料类，其热传导系数大都非常低，所以无法经过印刷线路板的底材直接散热，而印刷线路板上的镀铜线路厚度多只有数十至数百um，其散热截面积太小。该设计的热阻值很大，一般多在500-1000K/W之间，当使用功率稍高时，很容易就会造成发光二极管芯片过热。而图1所对应的已有技术的发光二极管封装装置以支架为散热路径，该支架的材质多半为铜材或铁材，散热特性颇佳，但是其截面积仍然太小，所以其热阻大约为150-250K/W之间，该装置可负荷的电流量只在30mA左右。
为解决此问题，已有技术中针对上述技术散热截面积不足的问题作出改进。如图3所示，采用增加接脚之方式将其接脚面积增大，这样的确可有效降低其热阻，但是该装置的散热路径仍然很长，所以其热阻值高达50-75K/W。
此后更进一步的发明如图4所示，如美国专利US6,274,924。使用一被绝缘材料15包覆的导线架11B，该绝缘材料中间留有腔穴，并从该腔穴置入额外增加的热终端件16，再将发光二极管芯片10固定在一次载体17上再固定于该热终端件上，并以金线连接其线路至正负极导线架上。该发明由于使用额外增加的热终端件，可有效降低热传导路径长度、增大热传导截面积，从而可降低该发光二极管封装装置的热阻至10-15K/W。但是，从制造角度而言，外加的热终端件增加了制造的复杂度，也增加了工程步骤，而且也增加了该发光二极管封装装置的整体高度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低热阻的发光二极管封装装置，热阻低，制造简单，装置厚度较小，可以制作的轻薄短小。
为解决上述技术问题，本发明一种低热阻的发光二极管封装装置包括厚薄一致的金属导线架，该导线架以蚀刻、半蚀刻或冲模方式分割成正极导线支架、负极导线支架及芯片承载支架，导线支架的底端均位于同一平面上，绝缘体固定导线架并形成固晶区，芯片承载支架的上端露出于固晶区，下端裸露于绝缘体之外，发光二极管芯片置于芯片承载支架上并使用高导热性材料将其固着于其上，该发光二极管芯片的正极焊垫通过焊线和正极导线支架相连接，发光二极管芯片的负极焊垫亦通过焊线和负极导线支架相连接，高透光性材料置于固晶区内用以覆盖上述发光二极管芯片并保护焊线。
本发明一种低热阻的发光二极管封装装置还可以是在该高透光性之材料上另设有光学透镜，该透镜所采用的材料可为环氧树脂、硅胶、玻璃、铁氟龙或上述材质的组合，或其它符合透光性要求的材料，该透镜可减少内部全反射光而提高亮度，并且可依其光学设计达到改变出光光型的目的，以符合不同的光学需求。
为解决上述技术问题，本发明一种低热阻的发光二极管封装装置还可以是是使用多于一片的发光二极管芯片，发光二极管芯片可为同色光芯片或异色光芯片，其电路结构可为串联、并联或共阴(阳)。
本发明一种低热阻的发光二极管封装装置还可以是包括金属导线架，该导线架被分割为互不相连的正极导线架、负极导线架及芯片承载导线架，且该三块导线架的正面在同一平面上，反面也在同一平面上；绝缘材料，连接上述导线架的三块并形成固晶区，所述的芯片承载导线架的上端露出于该绝缘材料的固晶区中，下端露出于该绝缘材料之外；单个或多个发光二极管芯片，且其中至少有一个发光二极管芯片使用覆晶方式固定于次载体上，再固着于芯片承载导线架之上，并电连接到正极导线架及负极导线架，所述的发光二极管芯片上，覆盖有折射率大于1.3，透光性大于70％的透光性材料。
本发明一种低热阻的发光二极管封装装置还可以是包括原材为小于1.5mm厚薄均匀的金属导线架，该导线架分割为不相连的正极导线架及负极导线架，且该二块导线架的正面在同一平面上，反面也在同一平面上；绝缘材料，以连接上述导线架并形成固晶区，单个或多个发光二极管芯片，且其中至少有一发光二极管芯片使用热传导系数大于1W/m-K之材料固着于上述固晶区的导线架上，该导线架可为正极导线架或负极导线架但其在固晶区部分的导线架背面露出于该绝缘材料之外；上述发光二极管芯片电连接至正极导线架及负极导线架；上述发光二极管芯片上覆盖有折射率大于1.3，透光性大于70％的透光性材料。
本发明一种低热阻的发光二极管封装装置的芯片承载支架为整体导线架的一部份，所以在制作导线架时可以一体成形，厚度比已有技术使用的热终端件的大大降低，热阻值也较已有技术使用的热终端件的更低，且无需额外置入，制作过程简便。虽然使用芯片承载支架取代额外热终端件，由于其体积的大幅下降可能使瞬间点亮发光二极管芯片时，发光二极管芯片的温升速度将较快，但是，发光二极管芯片达到热平衡时的温度只取决于该发光二极管封装装置的热阻值及系统的热阻值而与温升速度无关。本发明的一种低热阻的发光二极管封装装置可以降低热阻，使制造过程简单，并且体积较小。在使用多个个同色光芯片时提高发光二极管封装装置的亮度，在使用异色光芯片时达到混光变色的功能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为已有技术的穿孔支架型发光二极管封装装置；
图2为已有技术的印刷电路板基材表面黏着型发光二极管封装装置；
图3为已有技术的降低热阻的改良型发光二极管封装装置；
图4为已有技术的低热阻发光二极管封装装置；
图5为本发明一种低热阻的发光二极管封装装置一种实施例示意图；
图6为本发明一种低热阻的发光二极管封装装置一种实施例示意图；
图7为本发明一种低热阻的发光二极管封装装置红绿蓝混光实施例示意图；
图8为本发明一种低热阻的发光二极管封装装置红绿蓝混光侧视图；
图9为本发明一种低热阻的发光二极管封装装置设有静电保护线路的
实施例示意图。
其中，10为发光二极管芯片，14为金线，15为塑料绝缘体，18为支架之正极，19为支架之负极，20为芯片承载支架，21为硅胶，22为平凸透镜，23为齐纳二极管。
具体实施方式
如图5所示，本发明一种低热阻的发光二极管封装装置，包括厚度为0.5mm的金属支架以冲模方式被分开为三块，分别为正极导线支架18、负极导线支架19及芯片承载支架20，以射出成型方式使用塑料材质15固定上述三块导线架并形成一反射面，其中芯片承载支架20的上端露出于固晶区，下端裸露于塑料体之外，发光二极管芯片10置于芯片承载支架20上并使用高导热性材料将其固着于其上，该发光二极管芯片的正极焊垫通过焊线14电性连接至正极导线支架18，其负极焊垫也通过焊线14方式电连接至负极导线支架19，以硅胶21填充于固晶区内覆盖该发光二极管芯片10并保护焊线14，平凸透镜22设于硅胶上。
如图6所示，本发明一种低热阻的发光二极管封装装置，其包括厚度为0.5mm的金属支架，以半蚀刻方式分为三块，分别为正极导线支架28、负极导线支架29及芯片承载支架30，并以半蚀刻方式局部蚀刻支架下方，同时在上述三块支架的背面边缘处蚀刻厚度的一半，以强化射出成型塑料材质固定上述三块导线架并形成一反射面，其中芯片承载支架30的上端露出于固晶区，下端裸露于塑料体之外，发光二极管芯片10置于芯片承载支架30上并使用高导热性材料将其固着于其上，该发光二极管芯片的正极焊垫通过焊线14与正极导线支架28想导通，其负极焊垫也通过焊线14与负极导线支架29相导通，硅胶21填充于固晶区内覆盖发光二极管芯片10并保护焊线14，平凸透镜22设于硅胶上。
如图6所示，本发明一种低热阻的发光二极管封装装置，其将上述0.5mm厚度的金属支架以半蚀刻方式将其分开为五区，分别为三个独立正极导线支架48、一个负极导线支架49及芯片承载支架40，其中芯片承载支架40上设有的三个发光二极管芯片10分别发出红光、绿光及蓝光，该红绿蓝发光二极管芯片的正极焊垫通过焊线14与三个独立正极导线支架48相导通，负极焊垫通过焊线14与负极导线支架49形成共阴电路，硅胶21填充于固晶区内，覆盖于该发光二极管芯片10并保护焊线14，透镜22设于硅胶上。该实施例的侧面视图如图7、图8所示。
如图9所示，本发明一种低热阻的发光二极管封装装置，其包括一厚度为0.5mm的金属支架，该金属支架以半蚀刻方式被分开为正极导线支架58及负极导线支架59，同时在上述两支架的背面蚀刻其厚度的一半，以强化射出成型塑料材质固定上述两块导线架，该塑料材料同时形成固晶区，其中固晶区的正极导线支架58的上端露出于固晶区以承载芯片，下端裸露于塑料体外，发光二极管芯片10置于固晶区的正极导线支架58上并使用高导热性材料将其固着于其上，该发光二极管芯片的正极焊垫通过焊线14与正极导线支架58相导通，其负极焊垫也通过焊线14与负极导线支架59相导通。在固晶区的正极导线支架上设有P型齐纳二极管23，并通过焊线14与负极支架相导通，形成静电保护线路。硅胶21填充于固晶区内，并覆盖该发光二极管芯片10并保护焊线14，平凸透镜22设于硅胶上。

Claims (20)

1.一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，包括：厚度小于1.5mm厚薄均匀的金属导线架，该导线架被分割为互不相连的正极导线架、负极导线架以及芯片承载导线架，且该三块导线架的正面在同一平面上，反面也在同一平面上；
绝缘材料，连接上述导线架的三个区形成固晶区，其中芯片承载导线架的上端露出该绝缘材料的固晶区，下端露出该绝缘材料之外；
单个或多个发光二极管芯片，且其中至少有一发光二极管芯片使用热传导系数大于1W/m-K的材料固着于所述的芯片承载导线架上，并电导通到所述的正极导线架及所述的负极导线架，发光二极管芯片上覆盖有折射率大于1.3，透光性大于70％的透光性材料。
2.如权利要求1所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，所述的芯片承载导线架以半蚀刻或冲压方式形成凹穴，可容纳发光二极管芯片置于其内，其厚度大于原导线架厚度的25％。
3.如权利要求1所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，所述的固晶区上方，设有一透光性大于70％  的透镜。
4.如权利要求3所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，所述透镜的材料为环氧树脂、玻璃、硅胶、铁氟龙或其组合。
5.如权利要求1所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，该装置具有多于一个的正极导线架或具有多于一个的负极导线架或多于一个的负极导线架及多于一个的正极导线架。
6.如权利要求1所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，该装置具有多于一个的芯片承载导线架。
7.如权利要求1所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，设有齐纳二极管作为静电保护线路。
8.一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，包括：
金属导线架，该导线架被分割为互不相连的正极导线架、负极导线架及芯片承载导线架，且该三块导线架的正面在同一平面上，反面也在同一平面上；
绝缘材料，连接上述导线架的三块并形成固晶区，所述的芯片承载导线架的上端露出于该绝缘材料的固晶区中，下端露出于该绝缘材料之外；单个或多个发光二极管芯片，且其中至少有一个发光二极管芯片使用覆晶方式固定于次载体上，再固着于芯片承载导线架之上，并电连接到正极导线架及负极导线架，所述的发光二极管芯片上，覆盖有折射率大于1.3，透光性大于70％的透光性材料。
9.如权利要求8所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，其中芯片承载导线架以半蚀刻或冲压方式降低其材料厚度，可容纳发光二极管芯片置于其内，其厚度仍大于原导线架厚度的25％。
10.如权利要求8所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，所述的固晶区上方，设有一透光性大于70％的透镜。
11.如权利要求10所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，所述透镜的材料为环氧树脂、玻璃、硅胶、铁氟龙或其组合。
12.如权利要求8所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，该装置具有多于一个的正极导线架或具有多于一个的负极导线架或两者皆是。
13.如权利要求8所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，所述的次载体同时固着于正极导线架或负极导线架或多于一个的负极导线架及多于一个的正极导线架。
14.如权利要求8所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，其中所述的多个发光二极管芯片中，设有齐纳二极管作为静电保护线路。
15.一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，包括：
原材为小于1.5mm厚薄均匀的金属导线架，该导线架分割为不相连的正极导线架及负极导线架，且该二块导线架的正面在同一平面上，反面也在同一平面上；
绝缘材料，以连接上述导线架并形成固晶区；
单个或多个发光二极管芯片，且其中至少有一发光二极管芯片使用热传导系数大于1W/m-K之材料固着于上述固晶区的导线架上，该导线架可为正极导线架或负极导线架但其在固晶区部分的导线架背面露出于该绝缘材料之外；
上述发光二极管芯片电连接至正极导线架及负极导线架；
上述发光二极管芯片上覆盖有折射率大于1.3，透光性大于70％的透光性材料。
16.如权利要求15所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，其中承载芯片的导线架以半蚀刻或冲压方式形成凹穴，并可以容纳发光二极管芯片置于其内，其厚度大于原导线架厚度的25％。
17.如权利要求15所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，所述的固晶区，上方设有一透光性大于70％之透镜。
18.如权利要求17所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，所述透镜的材质为环氧树脂、玻璃、硅胶、铁氟龙或其组合。
19.如权利要求15所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，该装置具有多于一个的正极导线架或具有多于一个的负极导线架或多于一个的负极导线架及多于一个的正极导线架。
20.如权利要求15所述的一种低热阻的发光二极管封装装置，其特征在于，所述的多个发光二极管芯片中，设有齐纳二极管作为静电保护线路。
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