TWI393266B - 具有改良壽命之光源 - Google Patents
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Description
本發明是關於一光源。特別是關於一光源具有較長的壽命。
不適用。
不適用。
不適用。
傳統式發光二極體(”LED”)元件使用一環氧聚合物樹脂作為囊封材料。囊封製程係頻繁地藉由射出成型、轉注模壓(transfer molding)或澆鑄而完成。固化的環氧樹脂封膠具有相對高的硬度，提供耐刮及耐磨損性、高剛性以及高初始透光率。傳統式囊封LED元件具有複數之尺寸及式樣，諸如4公厘橢圓LED燈、5公厘圓LED燈、晶片式LED(chip LED)及塑料引線晶片載體(”PLCC”)。
然而，環氧基囊封材料會遭受熱降解(thermal-degradation)及光降解(photo-degradation)。假若由LED晶粒放射的波長係位在光譜之近紫外光(”UV”)或紫外光部分，則降解係特別地劇烈。環氧樹脂囊封材料當承受高光通量時，特別地假若光波長係位在自200奈米至570奈米的範圍內，發生降解。封膠之降解導致於藍至綠光波長中光吸收增加，致使在透明環氧樹脂封膠上發生”黃化(yellowing)”效應以及降低通過封膠的透光率，造成LED元件之光輸出的顯著下降。典型地，一環氧基5公厘LED燈元件在使用1000小時之後的光輸出下降20%或更多，以及在使用10,000小時之後下降50%或更多。
假若LED係以大於100 mA的一電流驅動，對於傳統式環氧樹脂囊封LED而言會產生另一問題，因為在作業期間藉由LED所產生的熱量會使環氧樹脂降解。再者，於LED元件中環氧基封膠於溫度循環期間係為硬的並且對打線接合加壓，會導致過早故障。
第1圖係顯示一傳統式LED燈100。一LED晶粒102係附裝至一第一導線106的一基底部分104。LED晶粒102之背部係為一第一LED晶粒終端。一第二LED晶粒終端108係利用一接合線(bond wire)112與一第二導線110連接。於一特定的具體實施例中，LED晶粒係使用傳導性環氧樹脂安裝在基底部分的一反射杯狀件(reflector cup)(未顯示)中。接合線112、LED晶粒102、基底部分104、以及導線106、110之該等部分係囊封在硬的、剛性的環氧樹脂封膠114中。硬的、剛性的環氧樹脂封膠114保護接合線112，在製造、運送及裝配進入一電路期間，當操作LED燈時不致受到損害。
與傳統式LED燈中所用的環氧樹脂相較，矽樹脂聚合物材料較不易發生黃化(yellowing)及熱降解。矽樹脂聚合物材料亦相對地為軟並因而較不可能造成熱循環故障。然而，由於矽樹脂(silicone)係為軟的，所以無法對LED晶粒構成一耐用的、防護性的、硬塗層以及相關的接合線。因此，以軟、高溫、無黃化封膠，提供一硬的、耐用的外蓋，裝配的LED燈係令人滿意的。
一光源具有附裝至一中空外部元件的一附裝元件。第一及第二導線延伸通過該附裝元件。將一發光二極體(”LED”)晶粒附裝至一導線的一基底部分。配置在中空外部元件中的彈性體封膠，圍繞著LED晶粒。光源包括介於彈性體封膠與附裝元件之間的一室。
第1圖係為一傳統式LED燈的一橫截面。
第2A圖係為本發明之一具體實施例之一光源的一橫截面。
第2B圖係為第2A圖之光源在裝配之前的一分解等角視圖。
第3圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第4圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第5圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第6圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第7A圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫
截面。
第7B圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第7C圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第7D圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第7E圖係為本發明之另一具體實施例之一光源760的一橫截面。
第8圖係為本發明之一具體實施例之一表面黏著光源的一橫截面。
矽樹脂彈性體(silicone elastomer)提供作為供LED所用的一囊封材料之所需特性。矽樹脂彈性體提供高熱穩定性、低光降解、低光傳輸損失特性、範圍寬廣的折射率、囊封固化後之低應力。一般而言，其係為無毒的並且對於高濕度及/或高溫環境並不敏感。由於低傳輸損失以及更特別是當高溫作業中使用時(亦即，超過約100℃)，矽樹脂封膠對於與具有波長範圍自200奈米至570奈米的光發射一同使用係特別地令人滿意。同樣地，於高溫應用中，矽樹脂封膠對於與較長波長光發射，諸如紅光及紅外發射(red and infrared emission)，一同使用係特別地令人滿意。
軟封膠，諸如矽樹脂彈性體，對於與具有波長轉換覆
蓋物(wavelength-converting overlay)的LED元件一同使用亦係特別地令人滿意。波長轉換材料之微粒，諸如磷光體材料及/或量子點材料及/或螢光染料，典型地係於一有機樹脂基質中分散，於一些例子中係為矽樹脂基質。該等”磷光體層”典型地較LED結構之約10%的厚度為小。需要避免發生磷光體層自LED晶粒剝層。於熱循環期間，介於磷光層與矽樹脂封膠之間的矽樹脂-矽樹脂界面，受化學不相容性及機械不相容性的影響最小。
於一封裝體中，與固化的環氧基聚合物相較，在固化之後矽樹脂典型地在LED晶粒上產生較小的壓縮或拉伸應力。在LED晶粒上降低的應力使LED燈更加耐用具有較長的壽命。
然而，與傳統式環氧基LED封膠相較，固化的矽樹脂封膠相對地為軟。矽樹脂聚合物之低硬度的缺點在於耐刮、磨耗及磨損的能力較低。再者，當接受機械處理時，由矽樹脂聚合物構成的封裝體並未具有高的剛性以及未提供良好的尺寸穩定性，因而降低其之易於裝配的程度並對其於不同的LED燈封裝設計中的用途範疇造成限制。
第2A圖係為本發明之一具體實施例之一光源200的一橫截面。一LED晶粒102係附裝至一第一導線106的一基底部分104。LED晶粒102之背部係為一第一LED晶粒終端。一第二LED晶粒終端108係利用一接合線(bond wire)112與一第二導線110連接。於一特定的具體實施例中，LED晶粒係使用傳導性環氧樹脂安裝在基底部分的一反射杯狀件
(reflector cup)(未顯示)中。接合線112、LED晶粒102、基底部分104、以及導線106、110之該等部分係囊封在一硬化的彈性體封膠213中。適合的彈性體封膠包括矽樹脂、氟矽樹脂、全氟聚合物及無定形的氟塑料。適合的封膠包括由Young等人提出美國專利申請公開案第US 2004/0198924 A1號，標題為”高折射率之透光耐高溫矽樹脂聚合物(Optically Clear High Temperature Resistant Silicone Polymers of High Refractive Index)”一文中所說明者。在其他封膠之中，適合的彈性體封膠之實例係可自位於加州Carpenteria的NUSIL TECHNOLOGY公司購得。
硬的、剛性材料之一中空外部元件214，諸如高溫塑料或玻璃，構成供彈性體封膠213所用的一杯狀件或容器，封膠典型地係在一流體、半流體或是凝膠狀態下配送進入外部容器中。中空外部元件能夠以透光的熱塑性塑膠或是熱固性聚合物所構成。適合材料之實例包括液晶聚合物(”LCP”)、聚碳酸酯及丙烯酸。中空外部元件214提供一無凸緣通孔封裝體外形。可任擇構形杯狀件(中空外部元件)係用以提供凸緣通孔封裝體外形以及表面黏合外形。於另一可任擇者，使用具有一平坦表面(亦即，不具一圓頂形狀)的中空外部元件。
於彈性體封膠213與一附裝元件218之間留有一室216。使用黏合劑、熱黏合、熔接、插銷、槽孔、熱熔機(heat stake)或是藉由一干涉配合、或是藉由使用其他的化學、熱及機械技術以及其之結合技術將附裝元件218牢固至中空外部元件214。於一些具體實施例中，附裝元件係牢固至中空外部元件用以構成一密封室。於可任擇的具體實施例中，該室並未密封。於一未密封室中，圍繞著LED晶粒102的彈性體封膠213保護LED晶粒102不受環境濕氣的影響。
如於此所用，”圍繞”一詞意指彈性體封膠圍繞LED晶粒的暴露部分，亦即LED晶粒未附裝至基底部分的表面。於一些具體實施例中，基底部分係藉由彈性體封膠所圍繞，並且於一些具體實施例中，基底部分係部分地由彈性體封膠所覆蓋。
室216係以一壓縮流體充填，諸如空氣或一氣體，或是抽真空。與一含氧空氣環境比較，將室抽真空或是以惰性氣體充填該室的優點在於導線及接合線在高溫下較不易發生氧化。當光源200之溫度增加時，無論是在作業期間由於自發熱或是由於外部加熱，彈性體封膠213膨脹進入室216中。當光源200冷卻時，彈性體封膠213能夠自室216收縮。易言之，室216容納彈性體封膠213之膨脹與收縮。如此提供至少二優點。
第一，提供一足夠大的室，因此膨脹的彈性體封膠並未推動靠著附裝元件218，用以將其自中空外部元件中取出。因此，當光源加熱時，介於附裝元件218與中空外部元件214之間的連接並未受膨脹的彈性體封膠所損害。第二，室容許彈性體封膠自其之自由液面收縮，其係與室相鄰，降低當其收縮時彈性體封膠自中空外部元件214的內部表面脫裂的可能性。剝層(delamination)會在封膠與外部元件之內表面之間產生一氣隙，致使源自於元件的不良光萃取(light extraction)。因此，光源200係耐光降解及熱降解，並且在高及低溫變動下係為監固耐用。
第2B圖係為第2A圖之光源200在裝配之前的一分解等角視圖。導線106、110係牢牢地由附裝元件218所支撐。附裝元件大體上係為一非傳導性有機或無機材料，諸如熱塑性或熱固性塑膠複合物。於一特定的具體實施例中，附裝元件係以通常用以封裝積體電路的塑料模塑複合物(plastic molding compound)構成，並係在LED晶粒黏晶且打線接合至導線之前環繞著導線模塑。將LED晶粒102黏晶至導線106之基底部分104，以機械方式將LED晶粒牢固至基底部分，並將一第一LED晶粒終端(位在LED晶粒之背部上)與導線106電耦合。接合線112將位在LED晶粒之正面上的一第二LED晶粒終端與另一導線110連接。
中空外部元件214係部分地以未固化彈性體封膠215填注至一選定程度。未固化彈性體封膠215典型地係處在一流體、半流體或是凝膠狀態，容許將LED晶粒102、接合線112及導線的一部分插入未固化彈性體封膠215而未損害LED晶粒、黏晶(die attachment)或接合線。未固化彈性體封膠接著固化。
可任擇地，將附裝元件牢固至中空外部元件並將未固化彈性體封膠經由位在附裝元件中用以配送封膠的一孔而配送進入中空外部元件中(見第4圖)，接著將孔密封或可任擇地讓其保持開啟。使用其他可任擇技術致使LED晶粒位在未固化彈性體封膠中其之最終位置，於中空外部元件中具有一室。
選定以未固化彈性體封膠填注中空外部元件之所需程度，俾便在固化彈性體封膠與附裝元件(見第2A圖，代表符號213、218)之間提供一室，容納涵蓋光源200之作業溫度範圍的固化彈性體封膠之熱膨脹及收縮。附裝元件218係安置在中空外部元件之一邊緣220上，因而限制將LED晶粒102插入未固化彈性體封膠中的深度。使用裝配工具(未顯示)完成將LED晶粒102定位在所需位置(例如，位在中空外部元件214之中心)。
第3圖係為本發明之另一具體實施例之一光源300的一橫截面。一附裝元件318係位在中空外部元件214之內壁302內。內壁302係為圓形(參考第2B圖，代表符號214)。附裝元件之外邊緣(圓周)將附裝元件318自定中心於中空外部元件214中，並經作動如同一機械對準特性，將附裝元件與中空外部元件對準。裝配工具(未顯示)將附裝元件318安置在中空外部元件214內的所需高度處。在附裝元件318與彈性體封膠213之間構成一室216。
第4圖係為本發明之另一具體實施例之一光源400的一橫截面。一中空外部元件414包括一階梯部分416。附裝元件418安置在階梯部分416上，因而限制LED元件插入的深度。附裝元件之周圍實質上係與階梯部分之內表面相同(例如，圓或橢圓)，並因而使用作為一機械對準特性。於一特定具體實施例中，中空外部元件414係以熱塑料或玻璃模塑而成，或以熱固性塑料澆鑄而成用以包括階梯部分。階梯部分以及與附裝元件418鄰接的中空外部元件414之內壁的結合，使用一簡單、圓盤狀附裝元件而提供自定中心及深度限定二項作業。在附裝元件418與彈性體封膠213之間構成一室216。
一用以配送封膠的孔420延伸穿過附裝元件418。在配送彈性體封膠213之後將孔420密封，或是可任擇地讓其保持開啟。複數之其他具體實施例可任擇地具有用以配送封膠之孔。於製程的一較早階段，配置用以配送封膠之孔係為所需的，因為其容許一中空外部元件附裝至附裝元件，因而保護接合線及其他易碎元件。
第5圖係為本發明之另一具體實施例之一光源500的一橫截面。一中空外部元件514具有一推拔內壁515，其係與一附裝元件518之一推拔外壁517相配合，提供一機械性對準特性。鄰接相配的推拔壁將附裝元件518定中心於中空外部元件514中，並亦限制LED晶粒102插入彈性體封膠213中的深度。在附裝元件518與彈性體封膠213之間構成一室216。
第6圖係為本發明之另一具體實施例之一光源600的一橫截面。一附裝元件618包括一凸緣或是階梯部分616(與第4圖相較，代表符號414，其中一階梯部分係配置在一中空外部元件中)以及一插塞部分617其延伸進入中空外部元件214。附裝元件618之外壁619係與中空外部元件214齊平。插塞部分617將附裝元件618定中心在中空外部元件214中，提供一機械性對準特性，並且凸緣部分616亦限制LED晶粒102插入彈性體封膠213中的深度。在彈性體封膠213與附裝元件618之間構成一室216。
第7A圖係為本發明之另一具體實施例之一光源700的一橫截面。一附裝元件718具有一凸緣716其係延伸超過中空外部元件214之一外壁703。在附裝元件718與彈性體封膠213之間構成一室216。凸緣716亦限制LED晶粒102進入彈性體封膠中的深度，並亦提供具有一凸緣封裝體外形的一光源。
第7B圖係為本發明之另一具體實施例之一光源720的一橫截面。一附裝元件722包括一溝槽724其係接收中空外部元件214之邊緣。例如，與第6及7圖之一相似光源比較，於中空外部元件214與附裝元件722之間，溝槽724實質上具有二倍之接觸面積。
第7C圖係為本發明之另一具體實施例之一光源730的一橫截面。一附裝元件732具有構成一插塞部分736的一第一階梯部分734其係插入中空外部元件，以及一第二階梯部分738構成供一凸緣光源封裝體外形所用之凸緣。附裝元件732之外壁740實質上係於第二階梯部分738與中空外部元件214之間與中空外部元件214之外壁齊平。如此提供使用相同中空外部元件用以產生具有不同高度的光源，或可任擇地用以增加一封裝光源之高度而使用一標準中空外部元件的優點。
第7D圖係為本發明之另一具體實施例之一光源750的一橫截面。光源750具有一中空外部元件752其具一凸緣754(與第7A圖之無凸緣中空外部元件214比較)以及一附裝元件718。
第7E圖係為本發明之另一具體實施例之一光源760的一橫截面。一封膠滴762(亦稱為一點或水珠)圍繞LED晶粒102並覆蓋一些基底部分764。以封膠滴762圍繞LED晶粒102，改良光萃取。將封膠滴延伸至基底部分，以基底部分將LED晶粒102密封。將一附裝元件718牢固至一中空外部元件214。藉由中空外部元件214及附裝元件718所構成的一室766，係以一可壓縮流體，諸如空氣或是其他氣體充填，或是將其抽真空。
第8圖係為本發明之一具體實施例之一表面黏著光源800的一橫截面。導線806、810沿著一附裝元件818延伸，有助於將表面黏著光源800附裝至一印刷電路板(未顯示)或是其他基板。在附裝元件818與彈性體封膠213之間構成一室216。
儘管已詳細地說明本發明之較佳具體實施例，但顯而易見的是熟知此技藝之人士能對該等具體實施例作修改及改寫，而不致背離於以下申請專利範圍中所提出的本發明之範疇。
100．．．傳統式LED燈
102．．．LED晶粒
104．．．基底部分
106．．．第一導線
108．．．第二LED晶粒終端
110．．．第二導線
112．．．接合線
114．．．環氧樹脂封膠
200．．．光源
213．．．彈性體封膠
214．．．中空外部元件
215．．．未固化彈性體封膠
216．．．室
218．．．附裝元件
220．．．邊緣
300．．．光源
302．．．內壁
318．．．附裝元件
400．．．光源
414．．．中空外部元件
416．．．階梯部分
418．．．附裝元件
420．．．孔
500．．．光源
514．．．中空外部元件
515．．．推拔內壁
517．．．推拔外壁
518．．．附裝元件
600．．．光源
616．．．凸緣或階梯部分
617．．．插塞部分
618．．．附裝元件
619．．．外壁
700,720,730,750,760．．．光源
703．．．外壁
716．．．凸緣
718,722,732．．．附裝元件
724．．．溝槽
734．．．第一階梯部分
736．．．插塞部分
738．．．第一階梯部分
740．．．外壁
752．．．中空外部元件
754．．．凸緣
762‧‧‧封膠滴
764‧‧‧基底部分
800‧‧‧表面黏著光源
806,810‧‧‧導線
818‧‧‧附裝元件
第1圖係為一傳統式LED燈的一橫截面。
第2A圖係為本發明之一具體實施例之一光源的一橫截面。
第2B圖係為第2A圖之光源在裝配之前的一分解等角視圖。
第3圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第4圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第5圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第6圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第7A圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第7B圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第7C圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第7D圖係為本發明之另一具體實施例之一光源的一橫截面。
第7E圖係為本發明之另一具體實施例之一光源760的一橫截面。
第8圖係為本發明之一具體實施例之一表面黏著光源的一橫截面。
102．．．LED晶粒
104．．．基底部分
106．．．第一導線
108．．．第二LED晶粒終端
110．．．第二導線
112．．．接合線
200．．．光源
213．．．彈性體封膠
214．．．中空外部元件
216．．．室
218．．．附裝元件
Claims (17)
- 一種光源，其包含：一中空外部元件；一附裝元件，其係附裝至中空外部元件；一第一導線，其延伸穿過附裝元件並具有一基底部分；一第二導線，其延伸穿過附裝元件；一發光二極體(”LED”)晶粒，其係附裝至基底部分；彈性體封膠，其配置在中空外部元件內俾便圍繞LED晶粒；以及一室，其係配置在該彈性體封膠與該附裝元件之間以容納該彈性體封膠之膨脹及收縮，其中該彈性體封膠與該中空外部元件接觸。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中該附裝元件包含一熱塑料與一熱固性聚合物的至少之一者。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中該附裝元件包含環繞第一導線及環繞第二導線模塑的模塑複合物。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中該LED晶粒放射光線的波長小於約570奈米。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中該LED晶粒包括一波長轉換覆蓋物，其具有分散於一矽樹脂聚合物基質中的一波長轉換材料。
- 如申請專利範圍第5項之光源，其中該彈性體封膠包含一矽樹脂聚合物。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中該彈性體封膠包含一矽樹脂聚合物。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中該中空外部元件包括一階梯部分，附裝元件係與階梯部分鄰接。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中該中空外部元件包括一推拔內壁，以及附裝元件包括與該推拔內壁鄰接的一推拔外壁。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中該附裝元件包括一配置在中空外部元件內的插塞部分以及一與中空外部元件之一邊緣鄰接的凸緣部分。
- 如申請專利範圍第10項之光源，其中該凸緣部分延伸超過中空外部元件之一外壁。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中該等導線沿著附裝元件延伸，俾便提供一表面黏著光源。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中該室係為以空氣充填。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中該室係為抽真空的。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中該附裝元件包括一機械對準特性將該附裝元件與該中空外部元件對準。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中該附裝元件包括一孔用以將彈性體封膠配送進入中空外部元件中。
- 如申請專利範圍第1項之光源，其中該彈性體封膠包含一圍繞LED晶粒並至少部分地覆蓋基底部分的彈性體封膠滴。
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