TWI413284B - 發光二極體封裝結構 - Google Patents

Description

發光二極體封裝結構

本發明是有關於一種發光二極體封裝結構，且特別是有關於一種具有高導熱效率的發光二極體封裝結構。

近年來，由於發光二極體的發光效率不斷提升，使得發光二極體在某些領域已漸漸取代日光燈與白熾燈泡，例如需要高速反應的掃描器燈源、液晶顯示器的背光源或前光源汽車的儀表板照明、交通號誌燈，以及一般的照明裝置等。發光二極體的發光原理是將電能轉換為光，也就是對發光二極體施加電流，透過電子、電洞的結合以光的型態釋放出來，進而達到發光的效果。

圖1繪示習知發光二極體封裝結構的剖面圖。請參照圖1，習知的發光二極體封裝結構100係由一發光二極體晶片110、一承載基板120、導線132、導線134以及一封裝膠體140所構成。其中，發光二極體晶片110設置於承載基板120上，而且導線132、導線134分別電性連接於發光二極體晶片110與承載基板120之間。封裝膠體140設置於承載基板120上並包覆導線132、導線134。發光二極體晶片110主要是透過對兩條導線132、導線134施加電壓差以使發光二極體晶片110的主動層112發光，同時主動層112也會產生熱量，若發光二極體晶片110的主動層112發光時所產生的熱量無法有效排出，特別在高電流驅使下時，發光二極體晶片110往往容易因過熱而損壞。

本發明提供一種發光二極體封裝結構，特別是一種發光二極體之封裝散熱結構，以提升封裝整體導熱效率。

本發明提出一種發光二極體封裝結構包括一承載基板、至少一發光二極體晶片、一光學元件以及一高導熱透光液體。發光二極體晶片配置於承載基板上，並具有一主動層。光學元件配置於承載基板上，光學元件與承載基板之間形成一封閉空間，且發光二極體晶片位於封閉空間中。高導熱透光液體填滿於封閉空間中。

本發明提出一種發光二極體封裝結構包括一承載基板、至少一凸起部、至少一發光二極體晶片、一光學元件以及一高導熱透光液體。凸起部配置於承載基板上，並具有一開口以暴露出承載基板，且凸起部的材質為一導熱材料。發光二極體晶片配置於承載基板上並位於開口中，且開口截面的寬度與發光二極體晶片截面的寬度比值為1至1.5。光學元件配置於承載基板上，光學元件與承載基板之間形成一封閉空間，且凸起部與發光二極體晶片位於封閉空間中。高導熱透光液體填滿於封閉空間中。

本發明提出一種發光二極體封裝結構包括一承載基板、至少一墊高部、至少一發光二極體晶片、一光學元件、一高導熱透光液體以及一密封元件。墊高部配置於承載基板上，具有至少一溝槽與遠離承載基板的一第一頂面，且墊高部的材質為一導熱材料。發光二極體晶片配置於墊高部之第一頂面上。光學元件配置於承載基板上，光學元件與承載基板之間形成一封閉空間，且墊高部與發光二極體晶片位於封閉空間中。高導熱透光液體填滿於封閉空間中，並填滿於溝槽中。

基於上述，本發明之高導熱透光液體填滿於封閉空間中，因此，發光二極體晶片不僅可藉由承或基板提升其底部的導熱效率，還可藉由高導熱透光液體提升其側壁與頂面的導熱效率。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖2繪示本發明一實施例之發光二極體封裝結構的剖面圖。請參照圖2，發光二極體封裝結構200包括一承載基板210、一發光二極體晶片220、一光學元件230以及一高導熱透光液體240。

承載基板210例如是一高導熱基板，其中高導熱基板例如是氧化鋁基板(Al₂ O₃ )、氮化鋁基板(AlN)、銅基板、鋁基板等具有良好熱導性質的基板。在本實施例中，高導熱基板的導熱係數例如是大於25W/mK。發光二極體晶片220配置於承載基板210上，並具有一主動層(未繪示)。在本實施例中，若需產生特定色光(如白光)時，可選擇性地在發光二極體晶片220的出光路徑上形成一光轉換層(未繪示)。詳細而言，光轉換層可以是直接覆蓋於發光二極體晶片220的表面，以增加光均勻性，另外，光轉換層也可以是非直接貼覆於發光二極體晶片表面。此外，為提升承載基板210的散熱效率，可選擇性地在承載基板210之遠離發光二極體晶片220的一表面212配置一散熱器(未繪示)。

光學元件230配置於承載基板210上，光學元件230與承載基板210之間形成一封閉空間S，且發光二極體晶片220位於封閉空間S中。具體而言，在本實施例中，光學元件230為一弧形光學元件，光學元件230具有一凹槽232，且承載基板210配置於凹槽232的一開放端232a上，以密封凹槽232並形成封閉空間S。光學元件230的材質例如為玻璃等透光性質良好的材料，光學元件230例如為一透鏡。在本實施例中，光學元件230相對於發光二極體晶片220所發出的(部分或全部)光的波長而言是可穿透的，例如光學元件230相對於可見光的波長而言是可穿透的。

光學元件230的材質例如為玻璃、環氧樹脂或透明塑膠，其中透明塑膠為烯烴族(olefinic)的透明塑膠或是脂肪族(aliphatic)的透明塑膠(例如聚丙烯或聚乙烯)，且前述透明塑膠在接觸非質子性溶劑(例如含有丙烯碳酸鹽的溶液)時，不會劣化。透明塑膠例如為環狀烯烴共聚物(cyclic olefin copolymer)、聚甲基戊烯(polymethylpentenes)、氫化環烯烴聚合物(hydrogenated cyclo-olefin polymers)或是非晶的環烯烴共聚物(amorphous cyclo-olefin copolymers)。

高導熱透光液體240填滿於封閉空間S中，其為一具備高熱傳導性及流動性的液體。在本實施例中，高導熱透光液體240的導熱係數(thermal conductivity)大於環氧樹脂(epoxy)的導熱係數，且當相對於發光二極體晶片220所發出之主波長的光時，高導熱透光液體240的光穿透率(transmittance)大於80%。因此，高導熱透光液體240可直接接觸承載基板210、光學元件230與發光二極體晶片220之暴露於封閉空間S中的全部表面。如此一來，可藉由高導熱透光液體240的流動將發光二極體晶片220於發光時所產生的熱傳導至承載基板210與光學元件230，並經由承載基板210與光學元件230傳導至發光二極體封裝結構200外。值得注意的是，在本實施例中，發光二極體晶片220不僅可藉由承載基板210提升其底面222的導熱效率，還可藉由高導熱透光液體240提升其側壁224與頂面226的導熱效率。

在本實施例中，為避免高導熱透光液體240使發光二極體晶片220的二電極E1、E2之間電性短路，高導熱透光液體240例如是一不導電液體。高導熱透光液體240的材料是選自矽油(silicon oils)、白蠟油(paraffin oils)、橄欖油(olive oils)、碳酸丙烯脂(propylene carbonate)、全氟聚醚液其中之一或是其他具備高熱傳導性與流動性的液體。值得注意的是，當高導熱透光液體240具有導電性時，可在發光二極體晶片220之導電的部分(例如接墊P)、發光二極體晶片220之電性連接的部分(例如導線C)以及發光二極體晶片220側壁主動層的部份上形成一隔絕層(其材質例如是絕緣材料)，隔絕層可隔絕高導熱透光液體240以避免高導熱透光液體240造成元件短路，例如利用光轉換層來包裹發光二極體晶片220以形成隔絕層。

在本實施例中，高導熱透光液體240可摻雜有多個懸浮粒子242，舉例來說，高導熱透光液體240例如是摻雜有二氧化鈦粒子的去離子水(deionized water)。由於懸浮粒子242可增加發光二極體晶片220所發出的光線的折射與反射，故可有效提高出光角度，以避免光線直接射入人眼所造成的不適。

高導熱透光液體240為一在室溫下具有流動性的液體，其黏滯係數例如是小於10000 mPas。在本實施例中，為避免高導熱透光液體240於低溫下結凍，可在高導熱透光液體240中添加一抗凍材料，以維持其流動性，抗凍材料例如甲醇或乙二醇。

此外，發光二極體封裝結構200可選擇性地具有一密封元件250。密封元件250連接光學元件230的外緣234與承載基板210，且位於封閉空間S外，密封元件250的材質例如是金屬或合金，其中前述合金例如是鐵鈷鎳合金(商業上名為Kovar alloy)。密封元件250連接承載基板210的方式例如是金屬與金屬之間相互連接，故密封元件250連接承載基板210的可靠度佳。

在本實施例中，列舉下列三種連接光學元件230與密封元件250的方法，但並非用以限定本發明。方法1是將光學元件230加熱至其玻璃轉換溫度或軟化溫度，再使密封元件250鑲在光學元件230的外緣234上。方法2是先將光學元件230的外緣234金屬化(例如鍍金屬，例如鈦)，然後，利用銲料(未繪示)接著光學元件230與密封元件250。方法3是利用一密封膠(未繪示)接著光學元件230與密封元件250，前述密封膠的特性接近玻璃，且具有較低的軟化溫度(例如低於700℃)。

在本實施例中，列舉下列二種連接承載基板210與密封元件250的方法，但並非用以限定本發明。方法1是利用一連接層260連接密封元件250與承載基板210，連接層260是位於密封元件250與承載基板210之間，且其材質例如是金屬或合金(例如銲料)。連接層260的形狀可以對應密封元件250的橫剖面形狀而設計為圓形、四邊形、橢圓形等，且連接層260可提高密封元件250與承載基板210間的接著力，進而提高封裝整體的可靠度。具體而言，可先在承載基板210上形成一銲料，之後再將已與光學元件230連接的密封元件250配置於銲料上並加熱銲料。

圖3繪示圖2之發光二極體封裝結構的一種變化型。請參照圖3，方法2為先在承載基板210上形成一固定在承載基板210上的固定組件270。固定組件270固定在承載基板210上的方式例如是透過一銲料(未繪示)接合至承載基板210、透過一膠材(未繪示)黏著至承載基板210，或是透過固定組件270與陶瓷粉末共同燒結的方式接著、或者是固定組件270與承載基板210為一體成型。然後，將已與光學元件230連接的密封元件250配置於固定組件270上。之後，以例如尖端放電(point discharge)或雷射焊接(laser welding)的方式加熱密封元件250與固定組件270相接的部分。固定組件270的材質可以為與密封元件250相同材質，例如鐵鈷鎳合金或Invar不脹鋼。

圖4A繪示本發明一實施例之發光二極體封裝結構的剖面圖，圖4B繪示圖4A之發光二極體封裝結構的一種變化型。請參照圖4A，本實施例之發光二極體封裝結構400包括一承載基板210、一凸起部410、一發光二極體晶片220、一光學元件230以及一高導熱透光液體240。此外，發光二極體封裝結構400可選擇性地具有一密封元件250。

值得注意的是，發光二極體封裝結構400與圖2的發光二極體封裝結構200相似，差異之處僅在於發光二極體封裝結構400額外具有一凸起部410。因此，下述僅就兩者的差異之處進行詳細介紹，而兩者相同之處則不再贅述。

凸起部410配置於承載基板210上，並具有一開口OP以暴露出承載基板210。凸起部410的材質為一導熱材料，導熱材料可以是金屬或是金屬合金，例如是金、銀、銅、銦、鈦、鋅、鋁、鉛、錫、鎳、鉑、鉻，或者是具有良好導熱材質的複合材料，例如是陶瓷。

發光二極體晶片220配置於承載基板210上並位於開口OP中。凸起部410與發光二極體晶片220皆位於由光學元件230與承載基板210所構成的封閉空間S中，且高導熱透光液體240可直接接觸承載基板210、光學元件230、發光二極體晶片220與凸起部410之暴露於封閉空間S中的全部表面。

在其他實施例中，若需產生特定色光，則可增加開口OP的深度D(即增加凸起部410的厚度)，使開口OP的深度D大於發光二極體晶片220的高度(也就是使發光二極體晶片220的頂面低於凸起部410的頂面)，並在開口OP中填入螢光粉。

開口OP截面的寬度W1與發光二極體晶片220截面的寬度W2的比值為1至1.5。值得注意的是，在本實施例中，開口OP截面的寬度W1與發光二極體晶片220截面的寬度W2是指在同一剖面時，開口OP的(最小)寬度W1與發光二極體晶片220的(最大)寬度W2。

由前述可知，凸起部410貼近發光二極體晶片220的側壁224，因此，可藉由凸起部410增加發光二極體晶片220的側壁224的導熱效率。

圖4A繪示的凸起部410的開口OP截面的寬度W1與發光二極體晶片220截面的寬度W2的比值大於1並小於等於1.5，換言之，在發光二極體晶片220的側壁224與凸起部410之間可存在一間隙G，且一黏著層F可填滿於間隙G中，黏著層F的材質例如為銀膠、銲錫、玻璃以及合金或是其他適合的導熱材料。此外，當開口OP截面的寬度與發光二極體晶片220截面的寬度比值為大於1並小於等於1.5時，凸起部410與承載基板210例如是一體成型或是各自成型。換言之，凸起部410與承載基板210可以是同時形成，或者是各自成型後再將凸起部410組裝至承載基板210上。當凸起部410與承載基板210為各自成型時，凸起部410的材質例如與承載基板210相同皆為高熱導係數材料，或者是與承載基板210的材質相異的其它具有導熱功能的材料，又或者是與承載基板210的材質部份相同的材料。

另外，請參照圖4B，在本實施例中，可在間隙G中以及發光二極體晶片220與承載基板210之間設置一黏著層280，以接合發光二極體晶片220至承載基板210以及凸起部410。黏著層280的材質例如是銀膠、焊錫、玻璃以及合金或是其他適合的導熱材料，因此，黏著層280可有助於提升發光二極體晶片220的導熱效率。

由前述可知，在本實施例中，發光二極體晶片220可將(發光二極體晶片220於發光時所產生的)熱傳導至下方承載基板210，或者是藉由凸起部410與高導熱透光液體240接觸，使熱經由承載基板210與高導熱透光液體240傳導至發光二極體封裝結構400外，以提升發光二極體晶片220的導熱效率。

另外，在本實施例中，可在開口OP的內壁A以及承載基板210之被開口OP所暴露出的部分上形成一反射層290，以反射發光二極體晶片220所產生的光線進而提高光線的利用率，反射層290的材質例如是銀或是其他適於反射光線的材料。在其他未繪示的實施例中，當發光二極體晶片220截面的寬度比值為1時，發光二極體晶片220的側壁224與凸起部410貼合。

圖5繪示本發明一實施例之發光二極體封裝結構的剖面圖。圖6A與圖6B繪示圖5之發光二極體封裝結構的二種變化型。

請參照圖5，本實施例之發光二極體封裝結構500包括一承載基板210、一墊高部510、一發光二極體晶片220、一光學元件230以及一高導熱透光液體240。此外，發光二極體封裝結構500可選擇性地具有一密封元件250與一固定組件(未繪示)。

值得注意的是，發光二極體封裝結構500與圖2的發光二極體封裝結構200相似，差異之處僅在於發光二極體封裝結構500額外具有一墊高部510。因此，下述僅就兩者的差異之處進行詳細介紹，而兩者相同之處則不再贅述。

墊高部510配置於承載基板210上，並具有多個溝槽T以及遠離承載基板210的一第一頂面512，且墊高部510的材質為一導熱材料。發光二極體晶片220配置於墊高部510之第一頂面512上，且墊高部510與發光二極體晶片220皆位於封閉空間S中。高導熱透光液體240可直接接觸承載基板210、光學元件230、發光二極體晶片220與墊高部510之暴露於封閉空間S中的全部表面，且高導熱透光液體240可填滿於溝槽T中。

由於溝槽T可增加墊高部510與高導熱透光液體240的接觸面積，因此，當發光二極體晶片220產生的熱傳導至墊高部510時，可藉由高導熱透光液體240的流動移除傳導至墊高部510的熱，進而增加墊高部510的導熱效率。

密封元件250具有遠離承載基板210的一第二頂面252，墊高部510的第一頂面512與承載基板210之間的距離H1大於等於密封元件250的第二頂面252與承載基板210之間的距離H2。如此一來，可藉由墊高部510墊高發光二極體晶片220，以避免發光二極體晶片220所發出的光線被密封元件250阻擋，進而提升發光二極體封裝結構500的出光效率(light extraction efficiency)。

請參照圖6A，在本實施例中，墊高部510包括一底部514與一凸起部516，凸起部516位於底部514上，且凸起部516具有一開口OP以暴露出底部514，發光二極體晶片220配置於底部514上並位於開口OP中。開口OP截面的寬度W3與發光二極體晶片220截面的寬度W4比值例如為1至1.5。值得注意的是，由於凸起部516貼近發光二極體晶片220的側壁224，故可藉由凸起部516增加發光二極體晶片220的側壁224的導熱效率。

圖6A繪示的開口OP截面的寬度W3與發光二極體晶片220截面的寬度W4比值為大於1並小於等於1.5。換言之，發光二極體晶片220與凸起部516之間存在有一間隙G，且一黏著層F可填滿於間隙G中，黏著層F的材質例如為銀膠、銲錫、玻璃以及合金或是其他適合的導熱材料。此時，可藉凸起部516與高導熱透光液體240接觸，來提升發光二極體晶片220之側壁224的導熱效率。底部514與凸起部516例如是一體成型。

另外，請參照圖6B，在本實施例中，可在間隙G中以及發光二極體晶片220與底部514之間設置一黏著層280，以接合發光二極體晶片220至底部514以及凸起部516。黏著層280的材質例如是銀膠、焊錫、玻璃以及合金或是其他適合的導熱材料，因此，黏著層280可有助於提升發光二極體晶片220的導熱效率。

另外，在本實施例中，可在開口OP的內壁A以及底部514之被開口OP所暴露出的部分上形成一反射層290，以反射發光二極體晶片220所產生的光線進而提高光線的利用率，反射層290的材質例如是銀或是其他適於反射光線的材料。

在其他未繪示的實施例中，開口OP截面的寬度W3與發光二極體晶片220截面的寬度W4比值可為1，換言之，發光二極體晶片220與凸起部516貼合。此時，凸起部516可直接將發光二極體晶片220於發光時所產生的熱傳導至承載基板210，並經由承載基板210傳導至發光二極體封裝結構外，以提升發光二極體晶片220之側壁224的導熱效率。

綜上所述，本發明之高導熱透光液體填滿於封閉空間中，因此，高導熱透光液體可直接接觸承載基板、光學元件與發光二極體晶片之暴露於封閉空間中的全部表面。如此一來，發光二極體晶片不僅可藉由承載基板提升其底部的導熱效率，還可藉由高導熱透光液體提升其側壁與頂面的導熱效率。本發明採用密封元件連接光學元件與承載基板，以將光學元件固定在承載基板上。此外，本發明利用貼近發光二極體晶片的側壁的凸起部來增加發光二極體晶片的側壁的導熱效率。另外，本發明的墊高部可墊高發光二極體晶片，以避免發光二極體晶片所發出的光線被密封元件阻擋，進而提升發光二極體封裝結構的出光效率。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200、400、500．．．發光二極體封裝結構

110、220．．．發光二極體晶片

112．．．主動層

114、222．．．底面

116、224．．．側壁

118、226．．．頂面

120、210．．．承載基板

132、134、C．．．導線

140．．．封裝膠體

212．．．表面

230．．．光學元件

232．．．凹槽

232a．．．開放端

234．．．外緣

240．．．高導熱透光液體

242．．．懸浮粒子

250．．．密封元件

252．．．第二頂面

260．．．連接層

270．．．固定組件

280、F．．．黏著層

290．．．反射層

410、516．．．凸起部

510．．．墊高部

512．．．第一頂面

514．．．底部

A．．．內壁

D．．．深度

E1、E2．．．電極

G．．．間隙

H1、H2．．．距離

OP．．．開口

P．．．接墊

S．．．封閉空間

T．．．溝槽

W1、W2、W3、W4．．．寬度

圖1繪示習知發光二極體封裝結構的剖面圖。

圖2繪示本發明一實施例之發光二極體封裝結構的剖面圖。

圖3繪示圖2之發光二極體封裝結構的一種變化型。

圖4A繪示本發明一實施例之發光二極體封裝結構的剖面圖。

圖4B繪示圖4A之發光二極體封裝結構的一種變化。

圖5繪示本發明一實施例之發光二極體封裝結構的剖面圖。

圖6A與圖6B繪示圖5之發光二極體封裝結構的二種變化型。

200．．．發光二極體封裝結構

210．．．承載基板

220．．．發光二極體晶片

222．．．底面

224．．．側壁

226．．．頂面

230．．．光學元件

232．．．凹槽

232a．．．開放端

234．．．外緣

240．．．高導熱透光液體

242．．．懸浮粒子

250．．．密封元件

260．．．連接層

C．．．導線

E1、E2．．．電極

P．．．接墊

S．．．封閉空間

Claims (15)

1. 一種發光二極體封裝結構，包括：一承載基板；至少一發光二極體晶片，配置於該承載基板上，並具有一主動層；一光學元件，配置於該承載基板上，該光學元件與該承載基板之間形成一封閉空間，且該發光二極體晶片位於該封閉空間中；一隔絕層，其包覆該發光二極體晶片的多個接墊、分別與該發光二極體晶片的多個接墊電性連接的多條導線以及該主動層；以及一高導熱透光液體，填滿於該封閉空間中而該隔絕層位於該高導熱透光液體中。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，更包括一密封元件，該密封元件連接該光學元件外緣與該承載基板，且位於該封閉空間外。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體封裝結構，更包括一固定組件，該固定組件配置於該承載基板上，且連接於該密封元件與該承載基板之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該高導熱透光液體直接接觸該承載基板、該光學元件與該發光二極體晶片之暴露於封閉空間中的全部表面。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結 構，其中該高導熱透光液體含有至少一抗凍材料。
6. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該高導熱透光液體摻雜有多個懸浮粒子。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該高導熱透光液體為一不導電液體。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中相對於該發光二極體晶片所發出之主波長的光該高導熱透光液體的光穿透率大於80%。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該高導熱基板的導熱係數大於25W/mK。
10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該高導熱透光液體的導熱係數大於環氧樹脂的導熱係數。
11. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，其中該光學元件為一弧形光學元件，該光學元件具有一凹槽，且該承載基板配置於該凹槽的一開放端上，以密封該凹槽並形成該封閉空間。
12. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，更包括一光轉換層，該光轉換層位於該發光二極體晶片的出光路徑上。
13. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結構，更包括一連接層，其位於該密封元件與該承載基板之間，該連接層的材質為金屬或合金。
14. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體封裝結 構，其中該隔絕層直接貼覆至該發光二極體晶片，且該隔絕層為一光轉換層。
15. 如申請專利範圍第14項所述之發光二極體封裝結構，其中該高導熱透光液體的材質包括一導電材料。