TWI424593B - Light - emitting diodes of the thermal substrate and thermal module structure - Google Patents

Description

發光二極體之導熱基板及散熱模組構造

本發明係涉及一種發光二極體之導熱基板及散熱模組構造；特別是指一種採用金屬材質之導熱線與絕緣性材料形成厚度方向高導熱但平面方向絕緣的高導熱基板創新結構型態設計者。

按，發光二極體實際使用上，由於其電能與光能的轉換效率仍偏低，導致其工作時會產生熱能，其中對於高亮度使用的高功率發光二極體而言，因產生的熱量更高，如果不能將熱量導出，二極體的溫度會因此升高，進而產生色偏現象，最終致使二極體劣化而無法工作。

散熱一直是發光二極體運用上的設計重點，其主要經由導熱材料將熱能傳導至熱能交換器，再經由熱能交換器的高表面積，將熱能散逸至空氣中；所述熱能交換器通常藉由鋁擠型或壓鑄製成的鰭片所構成，利用鋁材的高熱傳特性將熱能傳送至鰭片表面，再由鰭片表面與空氣進行熱交換。在照明的產品運用上，通常需以多數個發光二極體組成光源，因此需設計一個組裝多數個發光二極體的模組結構，且需要有一電路基板焊接多數個發光二極體與電源電路，更需要具體足夠的導熱能力，以將發光二極體的熱能傳導至熱交換器，避免基板溫度升高而導致元件損壞。

發光二極體應用所需的熱傳導設計，一般包括有晶片封裝與模組結構兩部份，二者均有一基板負責連接發光二 極體電極與將其產生的熱能導出。晶片封裝部份的基板作為發光二極體晶片的載板，以獲得較高熱傳特性，基板係使用高導熱且絕緣性材料如氧化鋁與氮化鋁、鍍鑽石膜的金屬基板、含鋁的碳化矽或鑽石複材等等，此如專利JP2000297301、JP2000303126、TW224873、JP2003073169等所揭。另外，為獲得較高介面接觸緊密程度，使熱傳導經介面產生的熱阻降低，係直接在半導體基材製作導熱層，或利用導熱層的複合設計以減少熱應力，此如專利US2005070048、JP2005072069、JP2006060247、JP2006190705、US708359等所揭。另外，為使熱量快速導出基板外，也有在基板上製作貫通孔，復於該貫通孔中填充高導熱性材料如金屬膠者，此如專利JP2002289747、JP5090437、US2006006524等所揭。又發光二極體晶片的電極焊墊以金屬片焊接，利用金屬片的高導熱將熱量導出，此如專利JP2009266972、JP2009194277、JP2009188308等所揭。由於晶片封裝的基板尺寸小，可以使用絕緣性與導熱性均高的陶瓷材料，配合貫通孔製作熱傳導途徑，使封裝後的發光二極體有高熱傳導結構。進一步的晶片散熱可經由連接於晶片底部的熱傳導焊點導出，此如專利US20100110692、US20070176182所揭。

封裝完成的發光二極體係具有端電極或金屬電極腳與導熱接點，藉以提供發光二極體在電路基板組裝時的焊接電極與導熱接點，經電路基板進行電氣連接與熱量導出。電路基板上一般具有多數個發光二極體，尺寸比晶片封裝使用的基板大，使用純陶瓷的基板會有機械強度上的問題，較常使用者為印刷電路板。印刷電路板為酚醛樹脂與玻 纖材料，其熱傳導係數一般低於0.5W/m⁰ K，對功率高的應用會有溫升問題。為提高基板熱傳導效果，一般係採用兩面披覆絕緣層的金屬基板，此如專利US20080057333、JP2004047863、US2009151982、US20080190542、JP2009123980、JP2008159827所揭。另有使用結晶性的高分子配合熱硬型與熱塑型有機料的基板，其中含高導熱性的粉體或纖維如金屬或氮化物等，此如專利US2008057333、JP2008060535、JP2006165158、JP2154049、JP2004165421、KR20080028258、US2008073623、JP2008081722等所揭，均是利用高分子的結晶性提高材料的熱傳導性。然使用高分子有機材料製作的基板，因受限於有機材料本身熱傳導較低的因素，使得此類材料製作之基板，其熱傳導係數也不易達到5W/m⁰ K。陶瓷材料比有機材料具有較高導熱性能，使用多孔質陶瓷，在孔洞中充填高導熱材料的技術如專利US20090290362、JP2007173536等所揭，可以獲得比傳統有機質基板高的熱傳導效果。

發光二極體的基板有電極的導電與導熱接點的導熱兩部份，雖然金屬材質具有高導熱性，但在金屬基板上直接焊接電極會造成短路，所以金屬表面必須設有電絕緣結構。絕緣材料除鑽石與氮化物外，導熱特性均不佳，其耐機械衝擊性亦差，所以若直接使用高導熱性絕緣材料基板，會有成本高與機械衝集承受力差之問題。若以印刷電路板為基板，成本雖低但熱傳導性差，無法適用於高亮度的照明用途。若使用金屬基板表面鍍絕緣膜的方式，因受限於鍍膜的熱傳導性不佳之因素，故整體複合基板的熱傳導性相對亦差。高功率發光二極體配合照明產品的市場需求大 ，要普及化運用整體發光二極體組的成本必須降低；因此，兼具低成本與高導熱性，且其表面可直接作發光二極體電極焊墊的基板結構型態，顯為相關技術研發的重要方向。

有鑑於此，發明人本於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估後，終得一確具實用性之本發明。

本發明之主要目的，係在提供一種發光二極體之導熱基板及散熱模組構造，其所欲解決之問題點，係針對如何研發出一種更具理想實用性之新式發光二極體散熱結構加以思索突破；本發明解決問題之技術特點，主要包括：一複合材質導熱基板，係為多數導熱線與絕緣材料相結合所形成之板體型態，其界定形成有一正面以及一背面，其中所述導熱線彼此之間係呈相互平行之間隔分佈型態，且令所述導熱線係呈貫通該正面與背面之型態，各該導熱線之間則以該絕緣材料加以隔開，所述導熱線均勻地分佈於該絕緣材料，所述導熱線係為金屬材質之線體，該絕緣材料係採用熱固或熱塑性樹脂絕緣材料，其中，該複合材質導熱基板的製作方法為：係可將導熱線如金屬集中成束，以絕緣性的樹脂材料灌注充填導熱線間，樹脂乾燥固定後形成內含成束導熱線的樹脂棒材，再經切割製程使樹脂棒材成為片狀，即得到含有彼此平行的導熱線之複合材質導熱基板；L ED構件，結合於複合材質導熱基板之正面上，所述LED構件包括LED元件及電極接腳；電極焊墊，結合於複合材質導熱基板之正面上，且令電極焊墊與LED構件之電極接腳電性連結；絕緣層，結合於複合材質導熱基板之背面，且令絕緣層設置位置與電極焊墊所在位置相對應；導熱焊墊，結合於複合材質導熱基板之正面上，且令導熱焊墊與LED構件之LED元件的熱沉(heat sink)呈相互接觸導熱狀態；藉此創新獨特設計，使本發明對照先前技術而言，大致可達到如下優點：令發光二極體散熱模組得以透過簡易結構設計達到厚度方向高導熱但平面方向絕緣之結構特性，而能快速將熱傳導至散熱構件，同時又兼具應有之電路絕緣性，本發明設計將可提供高亮度LED照明產品一個相當具實用性且符合較佳產業經濟效益之散熱結構設計。

請參閱第1至4圖所示，係本發明發光二極體之導熱基板及散熱模組構造之較佳實施例，惟此等實施例僅供說明之用，在專利申請上並不受此結構之限制；所述發光二極體(LED)之導熱基板及散熱模組構造係包括下述構成：一複合材質導熱基板10，係為多數導熱線101與絕緣材料102相結合所形成之板體型態，其界定形成有一正面11以及一背面12，其中所述導熱線101彼此之間係呈間隔分佈型態，且令所述導熱線101係呈貫通該正面11與背面12之型態，各該導熱線101之間則以該絕緣材料102加以隔開，所述導熱線101均勻地分佈於該絕緣材料102；至少一LED構件20，結合於該複合材質導熱基板10之 正面11上，所述LED構件20包括LED元件21以及電極接腳22所構成；電極焊墊30，為導電材料構成，係結合於該複合材質導熱基板10之正面11上，且令該電極焊墊30與LED構件20之電極接腳22呈相互電性連結狀態；絕緣層40，係結合於該複合材質導熱基板10之背面12，且令該絕緣層40之設置位置與該電極焊墊30所在位置相對應，藉以避免複合材質導熱基板10與金屬質散熱構件連接時，產生電極焊墊30間的短路，其中所述絕緣層40係為含有陶瓷粉體之絕緣性樹脂材料所印製形成；導熱焊墊50，為導熱材料構成，係結合於該複合材質導熱基板10之正面11上，且令該導熱焊墊50與LED構件20之LED元件21的熱沉(heat sink)24部位呈相互接觸導熱狀態。

其中，該複合材質導熱基板10之背面12組合有一散熱構件60；該散熱構件60係為鋁、銅、石墨任其中一種材質所構成之散熱鰭片。

其中，該複合材質導熱基板10係藉由固定夾具13配合螺栓14鎖組型態與散熱構件60達成組合定位狀態，藉以降低複合材質導熱基板10與散熱構件60之間的空隙，且由於固定夾具13具有彈性，可因應複合材質導熱基板10與散熱構件60間因熱產生應力破壞情形，而避免固定位置的鬆脫；而更重要的一個優點是，由於採用所述固定夾具13夾持方式，使得複合材質導熱基板10可無須鑽設螺栓穿設孔，故可利用面積能夠因此增加，再加上所述複合材質導熱基板10散熱良好之特點，故LED構件20將可儘量佈滿。

其中，各該導熱線101彼此之間係呈相互平行之間隔 分佈型態者，使LED構件20沿導熱線101方向導熱與導電，但平面方向絕緣，由於複合材質導熱基板10平面方向呈絕緣不導電狀態，而可直接於複合材質導熱基板10上製作電極焊墊30，不會產生焊墊間短路之情形。

其中，所述導熱線101係為直徑介於0.05mm至0.5mm之間的金屬材質之線體。

其中，該複合材質導熱基板10之絕緣材料102，係採用熱固或熱塑性樹脂絕緣材料、絕緣性的陶瓷或玻璃材料等任其中一種絕緣材料所構成，所述絕緣材料102之電阻係數高於10⁹ Ω．cm。

其中，所述電極焊墊30與導熱焊墊50係為濺鍍或電鍍金屬膜或印製錫膏任其中一者所構成，由於所述錫膏可直接印製在複合材質導熱基板10上，並透過加熱錫焊製程，俾可將電極焊墊30、導熱焊墊50與複合材質導熱基板10穩定接合；且介於電極焊墊30與導熱焊墊50之間的複合材質導熱基板10表面上係可充填絕緣性的導熱膠，進一步將LED構件20的熱量傳送至導熱線101。

其中，所述導熱焊墊50之面積為電極焊墊30的2至5倍，使得導熱焊墊50下含概的導熱線101數目增加，藉以提升熱量傳送的途徑，達到增加導熱至散熱構件60的效果。

藉由上述結構組成設計，茲就本發明之使用作動情形說明如下：所述LED構件20之LED元件21所產生的熱能係傳導至導熱焊墊50，並透過該導熱線101與散熱構件60接合，俾可快速的將熱傳導至散熱構件60，經由散熱構件60的高表 面積將熱交換到空氣中，藉以達到散熱目的；且如第4圖所揭，係為多組發光二極體散熱模組構造A所構成者，所述LED構件20之間的導電連接透過外接導線23，並以跳線的方式製作，而不另外在複合材質導熱基板10上製作引線圖樣，藉此係可利用金屬質的跳線傳導部份熱量到空氣中，增加發光二極體的散熱效果。

下述係關於複合材質導熱基板10製作說明：係可將導熱線101如金屬集中成束，以絕緣性的樹脂材料灌注充填導熱線間，樹脂乾燥固定後形成內含成束導熱線的樹脂棒材，再經切割製程使樹脂棒材成為片狀，即得到如本發明所揭含有彼此平行的導熱線101之複合材質導熱基板10。

其中，所述LED元件21可為以一電極層加以封裝完成的元件或尚未封裝的晶片(chip)等任其中一者所構成之實施型態者；如第5、6圖所示，本實施例中，係使該LED元件21直接以錫膏或打線方式固定於一具有電極焊墊30及導熱焊墊50之複合材質導熱基板10上，並在該複合材質導熱基板10上製作接腳15，並於導熱基板10背面以錫膏41接合金屬塊作為熱沉，再以封裝材料(molding compound)或封裝盒(package encapsulation)將整體結構封住，以形成預定之發光二極體成品型態。又本實施例中，該複合材質導熱基板10背面12所結合的二絕緣層40之間對應該導熱焊墊50位置處並結合有錫膏41，藉以連結下方散熱構件60而獲致較佳熱傳效果。

本發明之優點： 本發明相較於習知技術功效增進之事實如下：

本發明所揭「發光二極體之導熱基板及散熱模組構造」主要藉由所述複合材質導熱基板、LED構件、電極焊墊、絕緣層及導熱焊墊所構成之創新獨特設計，藉此，俾可令發光二極體散熱模組得以透過簡易結構設計達到厚度方向高導熱但平面方向絕緣之結構特性，而能快速將熱傳導至散熱構件，同時又兼具應有之電路絕緣性，本發明設計將可提供高亮度LED照明產品一個相當具實用性且符合較佳產業經濟效益之散熱結構設計。

本發明可產生之新功效如下：

1、利用導熱線形成厚度方向高導熱平面方向高絕緣的複合材料基板，解決傳統高導熱與高絕緣不易在同一基板實現的問題，提供功率發光二極體高導熱性的基板用途。

2、所述複合材質導熱基板係藉由固定夾具配合螺栓鎖組型態與散熱構件達成組合定位狀態，藉此，係降低複合材質導熱基板與散熱構件之間的空隙，且藉由固定夾具具有彈性之特性，俾可因應複合材質導熱基板與散熱構件間因熱產生應力破壞情形，而避免固定位置的鬆脫之特點。

3、藉由所述電極焊墊與導熱焊墊係為濺鍍或電鍍金屬膜或印製錫膏任其中一者所構成之設計，使得所述錫膏可直接印製在複合材質導熱基板上，並透過加熱錫焊 製程，俾可將電極焊墊、導熱焊墊與複合材質導熱基板呈穩定接合之特點。

4、藉由所述導熱焊墊之面積為電極焊墊2至5倍之結構設計，使得導熱焊墊下涵蓋的導熱線數目增加，藉以提升熱量傳送的途徑，達到增加導熱至散熱構件的效果。

上述實施例所揭示者係藉以具體說明本發明，且文中雖透過特定的術語進行說明，當不能以此限定本發明之專利範圍；熟悉此項技術領域之人士當可在瞭解本發明之精神與原則後對其進行變更與修改而達到等效之目的，而此等變更與修改，皆應涵蓋於如后所述之申請專利範圍所界定範疇中。

10‧‧‧複合材質導熱基板

101‧‧‧導熱線

102‧‧‧絕緣材料

11‧‧‧正面

12‧‧‧背面

13‧‧‧固定夾具

14‧‧‧螺栓

15‧‧‧接腳

20‧‧‧LED構件

21‧‧‧LED元件

22‧‧‧電極接腳

23‧‧‧外接導線

24‧‧‧熱沉

30‧‧‧電極焊墊

40‧‧‧絕緣層

41‧‧‧錫膏

50‧‧‧導熱焊墊

60‧‧‧散熱構件

第1圖：本發明較佳實施例之組合立體圖。

第2圖：本發明複合材質導熱基板藉由固定夾具呈組合狀態之示意圖。

第3圖：本發明複合材質導熱基板之立體示意圖。

第4圖：本發明之複數個LED構件組合於一個複合材質導熱基板所構成之示意圖。

第5圖：本發明複合材質導熱基板應用於LED晶片封裝實施例型態之俯視圖。

第6圖：本發明複合材質導熱基板應用於LED晶片封裝實 施例型態之側視圖。

10‧‧‧複合材質導熱基板

101‧‧‧導熱線

102‧‧‧絕緣材料

11‧‧‧正面

12‧‧‧背面

20‧‧‧LED構件

21‧‧‧LED元件

22‧‧‧電極接腳

24‧‧‧熱沉

30‧‧‧電極焊墊

40‧‧‧絕緣層

50‧‧‧導熱焊墊

60‧‧‧散熱構件

Claims (10)

1. 一種發光二極體(LED)之導熱基板及散熱模組構造，包括：一複合材質導熱基板，係為多數導熱線與絕緣材料相結合所形成之板體型態，其界定形成有一正面以及一背面，其中所述導熱線彼此之間係呈相互平行之間隔分佈型態，且令所述導熱線係呈貫通該正面與背面之型態，各該導熱線之間則以該絕緣材料加以隔開，所述導熱線均勻地分佈於該絕緣材料，所述導熱線係為金屬材質之線體，該絕緣材料係採用熱固或熱塑性樹脂絕緣材料，其中，該複合材質導熱基板的製作方法為：係可將導熱線如金屬集中成束，以絕緣性的樹脂材料灌注充填導熱線間，樹脂乾燥固定後形成內含成束導熱線的樹脂棒材，再經切割製程使樹脂棒材成為片狀，即得到含有彼此平行的導熱線之複合材質導熱基板；至少一LED構件，結合於該複合材質導熱基板之正面上，所述LED構件包括LED元件以及電極接腳所構成；電極焊墊，為導電材料構成，係結合於該複合材質導熱基板之正面上，且令該電極焊墊與LED構件之電極接腳呈相互電性連結狀態；絕緣層，係結合於該複合材質導熱基板之背面，且令該絕緣層之設置位置與該電極焊墊所在位置相對應；導熱焊墊，為導熱材料構成，係結合於該複合材質導熱基板之正面上，且令該導熱焊墊與LED構件之LED元件的熱沉呈相互接觸導熱狀態。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體之導熱基板及散熱模組構造，其中該複合材質導熱基板之背面組合有一散熱構件。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之發光二極體之導熱基板及散熱模組構造，其中該散熱構件係為鋁、銅、石墨任其中一種材質所構成之散熱鰭片。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體之導熱基板及散熱模組構造，其中該複合材質導熱基板係藉由一固定夾具配合螺栓鎖組型態與一散熱構件達成組合定位狀態。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體之導熱基板及散熱模組構造，其中所述導熱線的直徑介於0.05mm至0.5mm之間。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體之導熱基板及散熱模組構造，其中所述絕緣材料之電阻係數高於10⁹ Ω．cm。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體之導熱基板及散熱模組構造，其中所述電極焊墊與導熱焊墊係為濺鍍或電鍍金屬膜或印製錫膏任其中一者所構成。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體之導熱基板及散熱模組構造，其中所述導熱焊墊之面積為電極焊墊2至5倍。
9. 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體之導熱基板及散熱模組構造，其中所述絕緣層係為含有陶瓷粉體之絕緣性樹脂材料所印製形成。
10. 依據申請專利範圍第1項所述之發光二極體之導熱基板及散熱模組構造，其中所述LED元件為以一電極層加以封裝完成的元件或尚未封裝的晶片(chip)等任其中一者所構成之型態；係能夠使該LED元件直接以錫膏或打線方式固定於該複合材質導熱基板上，並在該複合材質導熱基板上製作接腳，復於導熱基板背面以錫膏接合金屬塊作為熱沉，再以封裝材料或封裝盒將整體結構封住。