TWI415305B

TWI415305B - 發光二極體照明裝置

Info

Publication number: TWI415305B
Application number: TW099116614A
Authority: TW
Inventors: Chun Jen Lin; yun lin Peng
Original assignee: Neobulb Technologies Inc
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2013-11-11
Also published as: US20110291150A1; TW201143149A

Description

發光二極體照明裝置

本發明關於一種發光二極體照明裝置，並且特別地，本發明關於一半導體發光元件封裝結構(Package structure)，用以封裝至少一半導體發光晶粒，而且特別地，本發明之承載基板包含一防靜電結構，該至少一半導體發光晶粒可以同時持續發出各種不同顏色之光源，適用於各式顯示設備和照明設備。

隨著半導體發光元件發展，發光二極體已為一種新興的光源，具有省電、耐震、反應快、適合量產等等，許多優點。因此，以發光二極體做為指示器已屬常見，並且以發光二極體做為光源的照明產品，亦已漸成趨勢。為提供足夠的照明，以發光二極體做為光源的照明裝置多使用高功率的發光二極體，然而也帶來了高散熱的需求。

一般而言，發光二極體係設置在一基板上，該基板再設置在一散熱元件上。該散熱元件可為金屬板、具較高導熱效率的熱導管或其他可提供高導熱效率之材料，其上有多個鰭片以增加散熱效率。惟發光二極體於運作中產生之熱尚需經由基板，再傳導至散熱元件，所以發光二極體與基板、基板與散熱元件間之介面熱阻即為重要議題。在習知技術中，因為發光二極體相對體積較小，且多直接形成或固著在基板上，所以發光二極體與基板間之介面熱阻改善有限。因此，整個系統的改善多著重在基板與散熱元件間之介面熱阻。

基板與散熱元件接面本身並無法保證緊密貼合，故常產生多個氣室於基板與散熱元件之間。由於每個氣室很小，因此其熱對流效益有限，其熱傳遞以熱傳導為主。並且，因為空氣的熱傳導係數太低，造成基板與散熱元件間介面熱阻過高，所以在習知技術中，基板與散熱元件間多會填充散熱膏等導熱物質以避免氣室產生，進而降低介面熱阻。然而，長時間的高溫對散熱膏會有老化效應，散熱膏的流動性亦大幅減低，亦即填充效果減弱，進而產生氣室，介面熱阻則隨之增加。嚴重的話，散熱元件無法有效導熱、散熱，發光二極體則可能因過熱而損壞。

因此，有需要提供一種發光二極體照明裝置，其基板與散熱元件之間的填充材料可抗老化效應以持續提供低介面熱阻以解決上述問題。

再者，隨著半導體技術的進步，各種電子元件的體積愈來愈小，各種物理現象也隨著電子元件尺寸的縮小而造成問題，靜電放電(electrostatic discharge,ESD)效應便是其中一個例子。於乾燥環境下，人體所累積之靜電可高達2至3千伏，只要不經意與發光二極體接觸，即可導致發光二極體特性之劣化難至損毀，嚴重影響產品品質與良率，其使得高亮度發光二極體之成本問題更嚴重。

為解決上問題，現存之習知技術多採用封裝結構中將發光二極體並聯一齊納二極體(Zener Diode)，以增強發光二極體之靜電防護能力，請參閱圖一所示發光二極體Z4與齊納二極體Z1並聯之示意圖，該電路在正常操作電壓下。

請參閱圖一，其繪述了以往發光二極體之防靜電之設計，由圖所見，第一電極與第二電極間具有一絕緣區間，而該齊納二極體體係被置放於第一電極，並以一金線與第二電極連接，以形成一電路，同時第一電極與第二電極間之電路中，亦設有發光二極體。於正常運作時，齊納二極體不導通且不耗電能，而當暫態高壓靜電產生時，將使得發光二極體晶粒Z4與齊納二極體(Zener Diode)Z1均為導通之狀態，但因該電壓已超過齊納二極體之崩潰電壓，齊納二極體Z4之電阻值將遠低於發光二極體Z1之內阻，故將乎所有之電流將流經齊納二極體Z4，籍此可穩定操作電壓，其達成保護發光二極體之功能。

為達成上述之抗靜電功能，已有不同之封裝結構實現，如美國專利第6054716號「Semiconductor light emitting device having a protecting device」以及美國專利第6333522號「Light-emitting element,semiconductor light emitting device,and manufacturing methods therefore」。

然而，現今之製程中，要將外置的齊納二極體固定於電極之上時，因為其體積過小，機台於抓取及固定時之工差要求甚高，進而造成了成本的上升。

有鑑於此，本發明的目的就是在提供一種整合有防靜電放電結構之發光二極體模組，其防靜電放電結構可整合於矽基板或以其他方式整合至模組中，籍此防止靜電突波對發光二極體晶片造成之暫態過載損害。

有鑑於此，本發明之一範疇在於提供一種發光二極體照明裝置，以防止靜電突波對發光二極體晶片造成之暫態過載損害。

根據一具體實施例，該發光二極體照明裝置包含載台、基板以及發光二極體晶粒。載台包含一頂表面和一底表面，該載台於該頂表面上形成一第一凹陷部，該載台於該底表面上形成一第二凹陷部，該第一凹陷部與該第二凹陷部相連接；基板係嵌入該第二凹陷部，其中該基板包含一靜電放電防護結構，發光二極體晶粒係設置於該基板上。

此外，於實際應用中，上述之第一凹陷部與第二凹陷部連接處之直徑較該第二凹陷部之直徑為小，致使該第二凹陷部具有一頂部，該基板與該頂部連接。同時該基板具有一下表面，該基板之該下表面與該載台之該底表面大致共平面，且該載台係一低溫共燒陶瓷板、一印刷電路板或一金屬核心電路板。而基板則由半導體材料所製成，例如矽基板等。

再者，該基板具有一反射層，該反射層位於該第一凹陷部上。

另外，上述之靜電放電防護結構係籍由對該基板進行雜質的滲雜製程而形成。

此外，於實際應用中，上述之發光二極體照明裝置進一步包含導熱元件，而其可為熱導管或熱導柱。

再者，上述之發光二極體照明裝置進一步包含支撐體，該支撐體包含至少一通孔，致使該支撐體可固定於該導熱元件上。

其中，上述之發光二極體照明裝置進一步包含導熱相變材料，該導熱相變材料係設置於該平坦部與該基板之間。

此外，上述之發光二極體照明裝置進一步包含一黏膠，填充於該基板與該第二凹陷部之間。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

請參閱圖二及圖三。圖二及圖三繪示根據本發明之一具體實施例之一發光二極體照明裝置1之示意圖。如圖三所示，本發明之發光二極體模組1包含一載台12、一基板14、一封裝材料17以及一發光二極體晶粒16。

載台12包含一頂表面122以及一底表面124，一第一凹陷部126形成於載台12之頂表面122，一第二凹陷部128形成於載台12之底表面124，上述之第一凹陷部126與上述之第二凹陷部128相連接。再者，頂表面122所置之表面之方向與底表面124相反。

第一凹陷部126與第二凹陷部128相連接處之直徑小於第二凹陷部128之外徑，使得第二凹陷部128形成有一頂部130。基板14與該頂部130連接。

另外，載台12可為一低溫共燒陶瓷板、一印刷電路123板、一金屬核心電路123板或其他可與基板14銜接之材料。

於本具體實施例中，一電路123係形成於載台12之頂表面122上，其透過金線分別與發光二極體晶粒16以及靜電放電防護結構148電性連接，以形成一並聯電路123。然其不以金線為必要，視其發光二極體之晶粒16種類之不同，可省略利用金線之手段。例如，當靜電放電防護結構148係被形成於基板14內部，而發光二極體之晶粒16為一疊晶晶粒，則可將該晶片直接置放於基板14之靜電放電防護結構148上，以省略設置金線之製程。

於本具體實施例中，上述之基板14嵌入於載台12之第二凹陷部128，基板14與載台12之頂部130連接。頂部130卡持基板14，並增加基板14與第二凹陷部128之接觸面積。

此外，基板14與載台12之第二凹陷部128間可填充有一黏膠(未顯示)，以讓其二者緊密連接。

另外，基板14可按其設計之需要，由矽或其他可整合一半導體結構之材料或其他習知之材料所製成。

於本具體實施例中，基板14具有一承載部146以及一下表面142，該下表面142之方向與承載部146所處表面之方向相反。基板之該下表面142與載台12之底表面124大致呈一共平面。基板14之表面可包含多於一個承載部146。各承載部146之表面承載有至少一發光二極體晶粒16。

於本具體實施例中，發光二極體晶粒16所處之承載部146之水平高度大致上等同於基板14與頂部130接觸表面之水平高度，然其不以此為限。按設計之不同，承載部146之水平高度可低於或高於基板14與頂部130接觸表面之水平高度從而個別形成凹陷結構或突出結構，分別如圖五及圖六所繪述，圖五及圖六之特徵與圖二相同，故不於此多作贅述。

再請參閱圖二，承載部146之表面可鍍有一反射層144(以虛線表示)，用以反射由發光二極體晶粒16發出之光線。承載部146上發光二極體之晶粒16數目可按其需要自由調整。

於本具體實施例中，靜電放電防護結構148整合於基板中。透過對基板14之各部進行不同成分及濃度之滲雜而於基板14中形成各種由p型半導體及n型半導體結構。該靜電放電防護結構148設計之多樣，為保持文筆之簡潔，故不於此贅述。然而，該靜電放電防護結構148不以整合於基板14內之設計為限。

靜電放電防護結構148亦可利用一獨立設置的靜電放電防護晶片或一經封裝之靜電放電防護模組替代之。上述的靜電放電防護晶片可為一獨立設置的奇納二極體裸晶(bare chip)。

上述之靜電放電防護模組可為一表面黏著型模組，表面黏著型模組其中包含了至少一靜電放電防護晶片，該晶片可為一奇納二極體晶粒。

靜電放電防護結構148於正常運作時，不導通且不耗電能，而當暫態高壓靜電產生時，將使得發光二極體晶粒16與靜電放電防護結構148均為導通之狀態，但因電壓已超過靜電放電防護結構148之崩潰電壓，靜電放電防護結構148之電阻值將遠低於發光二極體16之內阻，故將乎所有之電流將流經靜電放電防護結構148，籍此可穩定操作電壓以達保護發光二極體之效。

再請參閱圖二，於本具體實施例中，發光二極體晶粒16可包含各色之發光二極體晶粒或雷射二雷體晶粒。

發光二極體照明裝置1進一步包含一封裝材料17，封裝材料17填充於第一凹陷部126中或載台12之頂表面122上，並覆蓋發光二極體晶粒16，用以保護發光二極體晶粒16及金線(未顯於圖)，但是不以完全填滿第一凹陷部126為必要。

請參閱圖四，圖四繪示本發明另一具體實施例之發光二極體模組之元件分解圖。根據本較佳具體實施例，本發明之發光二極體照明裝置1進一步包含支撐體20及導熱元件22。

支撐體20之中央部份包含至少一通孔202，用以套入上述的導熱元件22。通孔202之直徑與導熱元件22之直徑幾近相同，以提供一摩擦力以固定導熱元件22與支撐體20之相對位置，致使該支撐體可固定於該導熱元件上。支撐體20按其設計之需要，可於其表面設有複數個螺孔，以供其他結構附著之用。

導熱元件22可包含一平坦部222及複數個鰭片223。

於本具體實施例中，導熱元件22之平坦部222處於導熱元件22之一末端，平坦部222表面之方向水平與導熱元件22末端之延伸方向平行。

然而，按其設計需要，上述之平坦部222亦可為導熱元件22上之任一平坦表面。導熱元件22之平坦部222與基板14之底部緊密連接。

導熱元件22之複數個鰭片223水平的設置於上述導熱元件22之一表面上。於本具體實施例中，鰭片223與該導熱元件22之延伸方向垂直，用以散逸由上述平坦部222傳導之熱。

上述之導熱元件22可為一熱導管(HEAT PIPE)、一熱導柱或其他習知的條狀散熱裝置。

導熱元件22之平坦部222與基板14間可能存有一空隙，透過填充有一導熱相變材料24以減低基板14與平坦部222間之介面熱阻。

根據較佳具體實施例，導熱相變材料24具有一相變溫度，其相變溫度在40℃至60℃之間，但本發明不以此為限。於導熱相變材料24相變後，其流動性增加，以助其更有效的填充於基板14與平坦部222間，進而避免氣室的產生，有效將發光二極體晶粒16於運作過程中所產生之熱傳導至導熱元件22並散逸出去。

於本具體實施例中，該導熱相變材料24之導熱係數介於3.6W/mK至4.0W/mK，然其不以此為限。此外，導熱相變材料24本身的黏著性有助於基板14附著於平坦部222上。

請再參閱圖四，載台12係藉由螺絲26固設於支撐體20之表面。同時，支撐體20與載台12接觸之表面與導熱元件22之平坦部222大致上處於一共同平面。

基板14嵌設於第二凹陷部128，載台12抵持該基板14並對基板14施加一下壓力，以將基板14壓設於上述導熱元件22之平坦部222上。

補充說明，支撐體20固定載台12的方式不以圖四所示者為限。支撐體20亦可利用一機構固設於載台12。亦可同時結合上述兩種方式予以固定。

請參閱圖七，於本具體實施例中，其繪述本發明之一發光二極體模組1，其包含了一載台12，該載台12包含了複數個第一凹陷部126及相對應之第二凹陷部128。再者，各個第二凹陷部128均嵌設有一相對應之基板14，以提高每單位面績之總發光量。於本具體實施例，每載台12嵌設有兩個基板14。

以其不以此為限。圖七之各特徵與圖三之特徵相同，故不於此多作贅述。

請參閱圖八，於本具體實施例中，其繪述本發明之一發光二極體模組之一基板14，其包含了複數個承載部146。於本具體實施例中，各承載部146均個別為一凹陷結構。圖八之特徵與圖三相同，故不於此多作贅述。

請參閱圖九，圖九繪示本發明另一具體實施例之發光二極體模組之元件分解圖。根據本較佳具體實施例，其大部份特徵均與前述之具體實施例相同。然而，於本具體實施例中，發光二極體照明裝置1設有一微形透鏡組18，發光二極體晶粒16與微形透鏡組18之間填裝有一封裝材料(未見於圖)，並且覆蓋等發光二極體晶粒16，但是不以完全填充第一凹陷部126為必要。再者，於本具體實施例中，靜電放電防護結構148為一靜電放電防護晶片。圖九之特徵與圖五相同，故將不於此贅述。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

Z1．．．齊納二極體

Z2．．．第一電極

Z3．．．第二電極

Z4．．．發光二極體晶粒

Z5．．．金線

Z6．．．絕緣區間

1．．．發光二極體照明裝置

12．．．載台

122．．．頂表面

123．．．電路

124．．．底表面

126．．．第一凹陷部

128．．．第二凹陷部

130．．．頂部

14．．．基板

142．．．下表面

144．．．反射層

146．．．承載部

148．．．靜電放電防護結構

16．．．發光二極體晶粒

17．．．封裝材料

18．．．透鏡

20．．．支撐體

202．．．通孔

22．．．導熱元件

222．．．平坦部

223．．．鰭片

24．．．導熱相變材料

26．．．螺絲

圖一繪示根據先前技術之一具體實施例之發光二極體模組示意圖。

圖二繪示本發明一具體實施例之發光二極體模組之示意圖。

圖三繪示本發明一具體實施例之發光二極體模組之示意圖。

圖四繪示本發明一具體實施例之發光二極體模組之元件組合圖。

圖五繪示本發明另一具體實施例之發光二極體模組之載台之示意圖。

圖六繪示本發明另一具體實施例之發光二極體模組之載台之示意圖。

圖七繪示本發明另一具體實施例之發光二極體模組之載台之示意圖。

圖八繪示本發明另一具體實施例之發光二極體模組之基板之示意圖。

圖九繪示本發明另一具體實施例之發光二極體模組之元件分解圖。

1‧‧‧發光二極體照明裝置

12‧‧‧載台

122‧‧‧頂表面

26‧‧‧螺絲

124‧‧‧底表面

126‧‧‧第一凹陷部

128‧‧‧第二凹陷部

130‧‧‧頂部

14‧‧‧基板

148‧‧‧靜電放電防護結構

16‧‧‧發光二極體晶粒

17‧‧‧封裝材料

20‧‧‧支撐體

202‧‧‧通孔

22‧‧‧導熱元件

222‧‧‧平坦部

223‧‧‧鰭片

Claims

一種發光二極體照明裝置，包含：一載台，該載台包含一頂表面和一底表面，該載台於該頂表面上形成一第一凹陷部，該載台於該底表面上形成一第二凹陷部，該第一凹陷部與該第二凹陷部相連接；一基板，該基板具有一下表面，該基板嵌入該第二凹陷部，其中該基板包含一靜電放電防護結構以及一承載部，其中該靜電放電防護結構與該載台、該基板以及一發光二極體晶粒電性連接；以及該發光二極體晶粒，該發光二極體晶粒係設置於該基板上；其中，該基板之該下表面與該載台之該底表面大致共平面。
如申請專利範圍第1項之發光二極體照明裝置，其中該第一凹陷部與第二凹陷部連接處之直徑較該第二凹陷部之直徑為小，致使該第二凹陷部具有一頂部，該基板與該頂部連接。
如申請專利範圍第2項之發光二極體照明裝置，其中該承載部之水平高度低於或高於該基板與該頂部連接之表面之水平高度。
如申請專利範圍第1項之發光二極體照明裝置，其中該載台係一低溫共燒陶瓷板、一印刷電路板或一金屬核心電路板。
如申請專利範圍第1項之發光二極體照明裝置，其中該靜電放電防護結構為一獨立設置之奇納二極體晶粒。
如申請專利範圍第1項之發光二極體照明裝置，其中該靜電放電防護結構係籍由對該基板進行滲雜而形成。
如申請專利範圍第1項之發光二極體照明裝置，其中進一步包含一導熱元件，該導熱元件具有一平坦部，用以設置該基板。
如申請專利範圍第7項之發光二極體照明裝置，其中該導熱元件為一熱導管或一熱導柱。
如申請專利範圍第7項之發光二極體照明裝置，其中進一步包含一支撐體，該支撐體包含至少一通孔，致使該支撐體可固定於該導熱元件上。
如申請專利範圍第7項之發光二極體照明裝置，其中進一步包含一導熱相變材料，該導熱相變材料係設置於該平坦部與該基板之間。
如申請專利範圍第1項之發光二極體照明裝置，其中進一步包含一黏膠，填充於該基板與該第二凹陷部之間。