TWI446601B

TWI446601B - 發光裝置及其形成方法

Info

Publication number: TWI446601B
Application number: TW100100572A
Authority: TW
Inventors: Puru Lin
Original assignee: Fitilite S Pte Ltd
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2014-07-21
Also published as: TW201119106A

Description

發光裝置及其形成方法

本發明係關於一種發光裝置及其形成方法，特別是關於一種散熱良好之發光裝置及其形成方法。

一般使用發光二極體(LED)作為光源之發光裝置，因為LED的壽命及亮度皆會隨溫度的增加而減少且LED有大部分的電能會變成熱能，必須具有良好的散熱機制。再者，在照明的應用上，為了達到高亮度，LED模組通常包含複數的LED晶粒且使用高功率LED晶粒，又因為光學上的要求，各LED晶粒間通常緊密排列，以便模擬成為單一光源，如此的設計對於散熱之需求變得更高。

因此，在發光裝置上，特別是照明裝置上，不僅是LED模組的基板需具有良好的導熱率，而且裝設LED模組之基座(燈座)亦需要具有良好的散熱能力(輻射率高)，此外各元件間的介面(interface)亦需要有夠低的熱阻(介面氣孔)，以降低LED結點的溫度(LED的p-n半導體介面溫度)，如此可以使LED的壽命變長及亮度提高。

在LED模組之設計上，例如美國專利第7,489,076號、日本公開專利第2006-261290號公報及美國公開專利第 2005133808號等揭露使用陶瓷基板之LED模組，以改善散熱與發光特性。另外，例如美國專利第7,759,144號揭露使用三明治型陶瓷基板之LED包裝，該三明治型陶瓷基板的上下表面具有直接接合(direct bonding)的銅層。藉此，達到各元件間的介面(junction)皆具有良好的導熱效果。

然而，將LED模組裝設於燈座，構成發光裝置或照明裝置時，燈座通常具有立體造型，燈座上用以安裝LED模組的位置，不易使用習知的製造機台安裝LED模組，通常需要利用人力，使用螺絲等固定構件，鎖住固定LED模組，為了減少LED模組與燈座間的熱阻，通常在其介面會使用導熱片及散熱膏等，但不論是導熱片或散熱膏的導熱率都不高(~3W/m-K)，熱仍無法有效傳至底下的基座(燈座)，導熱的瓶頸仍在。綜合上述，現行發光裝置在生產上無法自動化且成本高，再者，LED模組與燈座間的導熱不佳。

鑒於上述之發明背景，為了符合產業上之要求，本發明之目的之一在於提供一種散熱良好之發光裝置及其形成方法。根據本發明的發光裝置之設計，改善了LED模組與基座的介面熱阻，且基座的熱輻射率高，整體發光裝置的散熱效果高，如此可降低操作時LED結點溫度，因而可提高LED壽命及發光亮度。

而且，本發明之目的之一在於提供一種發光裝置，藉由使用陶瓷基座，具有耐高電壓特性，可承受4000V以上電壓的衝擊，不會使整個裝置失效(相對於金屬基座而言，更符合國際安全規範)。

另外，本發明之目的之一在於提供一種發光裝置，藉由自動化網版印刷或點膠機印刷法，處理LED模組與立體形狀的基座之接合，除可減少組裝流程而降低成本，且降低LED模組與基座的介面熱阻而提高發光裝置的散熱效率。

為了達到上述目的，根據本發明一實施例提供一種形成發光裝置之方法，包括：提供一基座，其包含一第一表面，且具有立體形狀；直接形成一導電線路層於該第一表面上；以及提供一發光二極體模組，其中該發光二極體模組包含一基板及設置於基板上之LED晶粒；以及使該發光二極體模組的基板藉由表面貼裝(Surface mount)法設置於該導電線路層上，以形成該發光裝置。於一實施例，該基座較理想為由陶瓷材料所構成。

於一實施例中，該直接形成一導電線路層於該第一表面上之步驟，包含使用一金屬糊料(Metal paste)，以網版印刷法或利用點膠機印刷於該第一表面後，進行燒結(Firing)而形成該導電線路層。於一實施例中，該金屬糊料為銀膏較理想。

於一實施例中，該表面貼裝法可藉由焊料(Solder paste)，回流焊接(Reflow soldering)該基板與該導電線路層。

於一實施例中，該導電線路層可具有一配線圖案，上述焊料為錫膏較理想。

於一實施例中，上述發光裝置之該基板與該導電線路層的接面錫膏之熱傳導率為50W/mK以上。

於一實施例中，該網版印刷法可藉由一特定治具與該陶瓷基座耦合(Coupling)，以便塗佈該金屬糊料於該第一表面上。

於一實施例中，該陶瓷基座與該發光二極體模組的基板之間，可承受4000V以上電壓的衝擊，不會使整個裝置失效。

根據本發明另一實施例提供一種發光裝置，包括：一基座，其包含一第一表面；一導電線路層，直接形成於該第一表面上；以及一發光二極體模組，其包含一基板及設置於基板上之至少一發光二極體，其中該發光二極體模組的基板係以表面貼裝(Surface mount)法設置於該導電線路層上。於一實施例，該基座係由選自下列群組之一材質所構成：表面氧化處理之鋁、表面具有氧化層之鋁、氧化鋁及氮化鋁，該基座較理想為由陶瓷材料所構成，例如較理想為氧化鋁。

於一實施例中，該發光裝置之該基板與該導電線路層的接面材料之熱傳導率為50W/mK以上。於一實施例中，上述導電線路層可為銀膏所構成且具有一配線圖案。於一實施例中，該發光二極體模組的基板與該導電線路層之間，包含焊錫。於一實施例中，該陶瓷基座與該發光二極體模組的基板之間，可承受4000V以上電壓的衝擊，不會使整個裝置失效。

因此，根據本發明的發光裝置及其形成方法之設計，在生產上可以自動化且降低成本，再者提高LED模組與燈座間的導熱率，進而提高整體發光裝置的散熱性，降低操作時LED界面溫度，因而可提高LED壽命及發光亮度。此外，藉由使用陶瓷基座，具有耐高電壓特性，承受4000V以上電壓時不會失效。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。此外，「A層(或元件)設置於B層(或元件)上」之用語，並不限定為A層直接貼覆接觸B層表面的態樣，例如A層與B層中間尚間隔其他疊層亦為該用語所涵蓋範圍。圖示中，相同的元件係以相同的符號表示。

圖1表示習知的發光裝置10，其包含LED模組20、基座30及夾於該LED模組與該基座間的導熱片40。該LED模組20包含一基板及設置於該基板上之複數LED晶粒，其中該基板可為鋁基板、銅基板、金屬核心電路板(MCPCB；metal core printed circuit board)、氧化鋁、氮化鋁基板、其他陶瓷基板等。LED晶粒可為各種LED晶粒，或者高功率LED晶粒。基座30可由例如陶瓷、氧化鋁、氮化鋁等材料構成，此外基座30 的形狀，圖1中僅為例示，可依據應用的需求成形為各種形狀，亦可附有各種散熱用鰭片，或者具有作為散熱的功能之各種形狀。導熱片40例如為0.5mm厚之含矽高分子材料。但是，如此的構成，由於LED模組20與導熱片40間、導熱片40與基座30間，介面存在著許多微空洞，即使使用散熱膏來填補這些微空洞，導熱效果依舊不佳，以致於散熱不良，致使LED模組的溫度隨操作的時間增加而增加。另一方面，若基座30使用金屬材料製成時，雖然塗佈釉漆形成絕緣層，由於薄絕緣層無法抵抗高壓，所以無法通過4000V高壓測試，即4000V的衝擊下無法通過安全測試。

因此，有鑑於上述問題，本發明提供一種發光裝置，具有良好的散熱機制且可通過安全測試。圖2表示根據本發明一實施例之發光裝置100，其包括：一基座200，其包含一第一表面200a；一導電線路層300，直接形成於該第一表面200a上；以及一發光二極體模組400，其包含一基板410及設置於基板上之至少一發光二極體450，其中該發光二極體模組的基板410係以表面貼裝(Surface mount)法設置於該導電線路層300上。於一實施例，該基座係由選自下列群組之一材質所構成：表面氧化處理之鋁、表面具有氧化層之鋁、氧化鋁及氮化鋁，該基座較理想為由陶瓷材料所構成，例如較理想為氧化鋁，發光裝置具有耐高電壓特性，可承受4000V以上電壓時不會使發光裝置失效。

前述表面貼裝(Surface mount)法，係指利用習知的表面貼裝技術(SMT；Surface mount technology)，可以將LED模組固定於該導電線路層上。例如，先將金屬線路形成於基座上，可藉由網版印刷法或點膠機印刷銀膏於該基座的第一表面後，進行燒結，然後以鋼板(stainless steel stencil)塗佈錫膏，再經過回流焊接(reflow soldering)，除去助焊劑，使錫與LED模組的基板結合(bonding)。藉此，無需使用螺絲等的結合構件，即可結合基座與LED模組。此外，前述製作過程可以藉由設置定位點或者利用治具，可以容易地自動化。

該導電線路層300之形成方法，包含使用一金屬糊料(metal paste)，以網版印刷法塗佈於該第一表面後，進行燒結(firing)而形成該導電線路層。

於一實施例，該發光裝置之該基板與該導電線路層的接面錫膏之熱傳導率為50W/mK以上。上述導電線路層可為銀膏所構成且具有一配線圖案。於一實施例，該發光二極體模組的基板與該導電線路層之間，可包含焊錫。

根據本發明另一實施例，揭露一種形成發光裝置之方法，如圖4的流程圖所示，包括：提供一基座，其包含一第一表面，且具有立體形狀；直接形成一導電線路層於該第一表面上；以及提供一發光二極體模組，其中該發光二極體模組包含一基板及設置於基板上之發光二極體晶粒；以及使該發光二極體模組的基板藉由表面貼裝(Surface mount)法設置於該導電線路層上，以形成該發光裝置。於一實施例，該基座係由選自下列群組之一材質所構成：表面氧化處理之鋁、表面具有氧化層之鋁、氧化鋁及氮化鋁，該基座較理想為由陶瓷材料所構成，該陶瓷材料可例如為氧化鋁或氮化鋁，較理想為氧化鋁。

由於發光裝置的基座通常具有立體形狀，因為一般的網版印刷機僅是在平板狀物體上印刷，所以本發明在利用網版印刷法進行塗佈的步驟時，需要一特殊的治具，且修改網版印刷機，才能處理本發明的發光裝置之基座。於另一實施例，本發明可利用點膠機印刷所需的圖型。

於一實施例中，該直接形成一導電線路層於該第一表面上之步驟，包含使用一金屬糊料(metal paste)，以網版印刷法或利用點膠機塗佈於該第一表面後，進行燒結(firing)而形成該導電線路層。該金屬糊料例如可為W、Mo-Mn、Cu、Ag之糊料，銀膏較理想。前述表面貼裝法可藉由焊料(solder paste)，回流焊接(reflow soldering)該基板與該導電線路層。前述導電線路層可具有一配線圖案，上述焊料為錫膏較理想。該配線圖案例如圖5(a)所示的圖案。

上述例如形成發光裝置之方法，例如圖4的流程圖所示，步驟S10：提供一陶瓷基座；步驟S20：使用如銀膏之金屬糊料，以網版印刷法或利用點膠機印刷金屬糊料於該第一表面，形成例如圖5(a)所示的圖案；步驟S30：燒結金屬糊料而形成該導電線路層；步驟S40：使用例如錫膏之焊料，回流焊接 LED模組之基板與該導電線路層；最後步驟S50：得到根據本發明之發光裝置。

於一實施例中，上述發光裝置之基座為陶瓷材料所構成時，該基板與該導電線路層的接面材料之熱傳導率為50W/mK以上。

於一實施例中，該陶瓷基座與該發光二極體模組的基板之間，承受4000V以上電壓時不會失效。

圖3表示模擬散熱效果用的發光裝置的構造之俯視示意圖，其中500表示LED模組之基板(假設為MCPCB)，501表示LED晶粒(寬1mm×長1mm×厚2mm)，520表示基座，521表示基座上的貫通孔。在模擬計算中，假設LED晶粒的熱通量(heat flux)為1W/mm²，總共需散熱9W，各部件(component)的界面間的熱通量為連續。MCPCB的熱傳導率為160W/m-K。基座520可使用陶瓷基座，或鋁基座，其中假設陶瓷基座(Al₂O₃)的表面積為2.037×10^-2m²，體積為3.605×10^-5m³，其熱傳導率為24W/m-K，輻射率為0.9；鋁基座(Al)的表面積為2.037×10^-2m²，體積為3.605×10^-5m³，其熱傳導率為160W/m-K，噴塗於鋁基座表面的釉料之輻射率為0.5~0.7。另外，假設導熱片的熱傳導率為5W/m-K，焊錫的熱傳導率為60W/m-K。

由散熱效果的模擬結果，(1)在MCPCB與陶瓷基座間使用導熱片時，LED結點溫度為93.3℃，而(2)在MCPCB與陶瓷基座間使用焊錫時，LED結點溫度降為88.8℃，顯示與傳統使用導熱片的方法比較，根據本發明使用焊錫的散熱效果較佳，且此模擬結果未考慮導熱片與基座、導熱片與MCPCB基板介面存在的氣孔，故焊錫與導熱片的實際散熱效果會比模擬得到的結果差距更大。

此外，比較輻射率不同時之散熱效果，以鋁基座進行模擬時，發現輻射率高者散熱效果較佳，因此發現雖然金屬鋁之熱傳導率高，但因輻射率低，鋁基座之輻射的散熱效果較陶瓷基座差。

根據本發明之發光裝置，基座可為陶瓷材料所成，其形狀例如圖5(b)所示，圖5(a)表示形成於該基座上面之導電線路層，基座底部可具有螺旋式接頭，例如E26或E27等的標準連接頭(screw-cap fittings)，因此在基座尾端的表面具有導電用連接器，與LED模組電連接，以便連接至燈座，例如家用的燈座上。

綜上所述，根據本發明的發光裝置及其形成方法之設計，藉由減少各元件間的熱組，且在生產上可以自動化而降低成本，提高LED模組與燈座間的導熱率，進而提高整體發光裝置的散熱性，降低操作時LED結點溫度，因而可提高LED壽命及發光亮度。此外，藉由使用陶瓷基座，具有耐高電壓特性，承受4000V以上電壓時不會使發光裝置失效。

以上雖以特定實施例說明本發明，但並不因此限定本發明之範圍，只要不脫離本發明之要旨，熟悉本技藝者瞭解在不脫離本發明的意圖及範圍下可進行各種變形或變更。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

10‧‧‧發光裝置

20‧‧‧LED模組

30‧‧‧基座

40‧‧‧導熱片

100‧‧‧發光裝置

200‧‧‧基座

200a‧‧‧第一表面

300‧‧‧導電線路層

400‧‧‧發光二極體模組

410‧‧‧基板

450‧‧‧發光二極體

500‧‧‧基板

501‧‧‧LED晶粒

520‧‧‧基座

521‧‧‧貫通孔

S10~S50‧‧‧製作流程

圖1表示習知的發光裝置之示意圖。

圖2表示根據本發明一實施例之發光裝置之示意圖。

圖3表示模擬散熱效果用的發光裝置的構造之俯視示意圖。

圖4表示根據本發明一實施例之形成發光裝置的方法之示意圖。

圖5(a)表示根據本發明一實施例之導電線路層之圖案示意圖及圖5(b)表示根據本發明一實施例之發光裝置之示意圖。