TWI509194B

TWI509194B - 照明裝置

Info

Publication number: TWI509194B
Application number: TW102127933A
Authority: TW
Inventors: Kuo Hsun Chen; Hsun Ching Chiang; Yi An Sha; Hsiang Yun Yang
Original assignee: Polytronics Technology Corp
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-11-21
Also published as: TW201506310A; US20150036344A1; US9291311B2; CN104344254A

Description

照明裝置

本發明係關於一種照明裝置，特別是關於具有高導熱及絕緣特性之照明裝置。

當發光二極體(LED)於60年代被使用後，過去因使用功率不高，只拿來作為顯示燈及訊號燈，故封裝散熱問題並未產生。但近年來使用於電視背光或照明用途的LED，其亮度、功率皆持續提升，因此散熱逐漸成為LED照明產業的首要問題。

傳統白熾燈有70%以紅外線輻射方式進行散熱，所以燈泡本體熱累積現象輕微。而LED產生的光，大多分布在以可見光或紫外光居多，不容易以輻射方式幫助散熱，又因LED封裝面積較小，難以將熱有效散出，導致LED容易熱衰減，由此得知LED熱能是目前急待解決的問題。

早期LED熱源透過金屬架往基板散熱，傳統的封裝熱阻相當大，約達250~350^o C/W。之後，進而由表面貼合方式(SMD)於PCB 基板上封裝，主要是藉由與基板貼合一起的FR4 載板來導熱，利用增加散熱面積的方式來大幅降低其熱阻值。以 FR4而言，雖然有導熱係數不佳，因而在高功率的LED 封裝材料不易應用的缺點，但因具有便宜的優勢，所以在低階的產品中被使用。為改善導熱性，亦有使用陶瓷基板，但有易脆的缺點且價格昂貴。另外也有使用鋁基板之金屬基電路板(metal core circuit board；MCPCB)，其導熱性佳但絕緣性差，需搭配額外的絕緣設計。

對於LED或其他發熱元件或電子零件而言，目前亦有使用一片熱傳介面材料(thermal interface material)，將上述電子零部件與散熱模組結合。傳統上，熱傳介面材料是採用有機矽高分子、有機相變化材料或導熱膏等。雖然這些材料的導熱性佳，但黏合性不佳。因此在安裝時往往需使用螺絲、鉚釘或卡榫固定。傳統的材料在長時間使用後，容易因為材料劣化，進而產生小分子裂解產物，造成導熱效能下降與電子元件汙染。

雖然市面上有推出環氧樹脂材料系統之導熱膏或雙面膠，但由於需兼顧塗佈與製程特性，陶瓷粉末若添加過多，將導致材料黏度過高，不利材料塗佈。或為顧及材料的導熱性而添加較多陶瓷粉。但陶瓷粉若添加過多，將導致材料的黏著性大幅降低。

因此如何在兼顧絕緣性、導熱性和黏著性，且不需螺絲等固定件的情況下，提供LED照明散熱的有效解決方案，實為亟需克服的問題。

本發明揭露一種照明裝置，使用絕緣膠合層黏合固定照明裝置中之發光模組及散熱座，除了提供高導熱性外，同時具有絕緣和黏著特性。發光模組及散熱座的結合無須其他螺絲、卡榫、鉚釘等固定件，可增加發光模組設計上的彈性，以提供大角度出光或全周光的照明裝置。

本發明揭露一種照明裝置，其包含散熱座、至少一發光模組及絕緣膠合層。發光模組係設於該散熱座之表面。絕緣膠合層位於該發光模組和散熱座之間，用於將發光模組黏合固定於該散熱座。其中該絕緣膠合層包含高分子成分及散佈於該高分子成分中之導熱填料，該高分子成分至少包含熱固型樹脂，絕緣膠合層之導熱率大於0.5W/m-K，厚度為0.02~10mm。該絕緣膠合層與散熱座和發光模組間之結合力大於300g/cm² ，且可承受至少500伏特之電壓。

一實施例中，發光模組的涵蓋面積小於該絕緣膠合層的涵蓋面積。優選地，發光模組的涵蓋面積除以絕緣膠合層的涵蓋面積之值介於65%~95%。

一實施例中，該發光模組包含發光元件及電路載板，該發光元件係設置於電路載板表面。

一實施例中，絕緣膠合層的涵蓋面積大於發光模組的涵蓋面積，特別是該發光模組的涵蓋面積除以絕緣膠合層的涵蓋面積之值介於25%~93%時，該發光元件可承受至少1~10kV之電壓而不發生跳火。

一實施例中，絕緣膠合層的涵蓋面積小於發光模組的涵蓋面積，特別是該發光模組的涵蓋面積除以絕緣膠合層的涵蓋面積之值介於100%~300%時，該發光元件可承受至少0.8~3.4kV之電壓而不發生跳火。

一實施例中，照明裝置另包含基座外殼，而該散熱座凸出於該基座外殼上緣。散熱座可為圓柱形，該發光模組至少設於圓柱形之上表面及側表面中之一者。該絕緣膠合層罩覆該圓柱形上緣且可向下延伸至超過發光模組設置之位置。另外，散熱座可為多邊柱形，該發光模組至少設於多邊柱形之上表面及側表面中之一者。該絕緣膠合層罩覆該圓柱形上緣且可向下延伸至超過發光模組設置之位置。

一實施例中，該高分子成分另包含熱塑型塑膠。導熱填料可包含氮化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、二氧化矽、二氧化鈦、碳化矽、金、銀、鋁或其混合物。

一實施例中，該絕緣膠合層依據ASTM D2240A規範所測得的硬度介於65A~98A。該絕緣膠合層依據ASTM D5470規範所測得的熱阻率小於0.5^o C/W。

本發明之絕緣膠合層並無傳統矽高分子黏合材料的流油和劣化等缺點，且本發明之絕緣膠合層具有高導熱率及強黏著力，因此特別適用於例如LED照明之高導熱需求場合。

為讓本發明之上述和其他相關技術內容、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出相關實施例，作詳細說明如下。

鑒於前述高功率照明裝置所遭遇的熱管理問題，本發明採用高導熱及強黏合性之絕緣膠合層作為照明模組和散熱座(heat sink)間之結合介面，可有效將照明模組產生的熱傳導至散熱座，且一併考慮絕緣膠合層的覆蓋方式，以提供較佳的絕緣耐電壓特性，以防止跳火(arcing)發生。

圖1及圖2顯示本發明第一實施例之照明裝置示意圖，圖1係照明裝置之立體示意圖，圖2則為側剖面示意圖。照明裝置10包含發光模組11、散熱座14、絕緣膠合層15、基座外殼16、電連接座17以及透光罩體18。發光模組11主要是由發光元件12及電路載板13所組成，且設置於散熱座14表面。發光元件12可為LED發光件，其數量至少有一個，且設置於電路載板13表面。透光罩體18可為一透明燈罩，下緣連接基座外殼16，而形成容置空間19，以容納發光模組11、部分之散熱座14及其間之絕緣膠合層15等。基座外殼16中可容納發光驅動電路板或其他相關電子元件。基座外殼16下緣連接電連接座17，以連接電源。

本實施例中，散熱座14為凸出該基座外殼16上緣之圓柱形凸出平台，其具有一上表面，供發光模組11設置其上。散熱座14凸出基座外殼16部分的高度大約為透光罩體18高度的1/5至1/2，且側面可設計為略微傾斜的角度，如此可將發光模組11設置於較高位置以獲得大出光角度或全周光的效果。絕緣膠合層15位於該發光模組11和散熱座14之間，用於將發光模組11黏合固定於該散熱座14上。實際應用上，為達到較佳的散熱特性及結構剛性，散熱座14通常會使用金屬材料製作，但此設計也增加了發光模組11和散熱座14間跳火的風險。為避免跳火，絕緣膠合層15較佳地相較於發光模組11或電路載板13有較大的面積，亦即該絕緣膠合層15的涵蓋面積大於該發光模組11的涵蓋面積。一實施例中，發光模組11或電路載板13的涵蓋面積和絕緣膠合層15的涵蓋面積的比值在65%~95%，或特別是90%、80%或70%。本實施例中，絕緣膠合層15罩覆散熱座14的上緣且可延伸向下，也就是利用增加絕緣的罩覆面積的方式，進而增加發光元件12和散熱座14間未有絕緣保護的距離，以避免跳火發生。經測試，如果發光元件12和未覆蓋絕緣膠合層15之散熱座14之距離達3mm以上時，至少可耐3kV之電壓。

圖3及圖4顯示本發明第二實施例之照明裝置20示意圖，圖3係照明裝置 20之立體示意圖，圖4則為側剖面示意圖。類似於前述第一實施例，但本實施例中於散熱座14的圓柱形側面另設置有發光模組21，以加強側面發光效能，進一步增加出光角度。發光模組21包含電路載板23及設置於電路載板23表面之發光元件22。類似地，發光模組11和21與散熱座14間以絕緣膠合層15進行黏合固定，且絕緣膠合層15較佳地相較於發光模組11和21或電路載板13和23有較大的涵蓋面積，特別是發光模組11和21或電路載板13和23的面積總和與絕緣膠合層15涵蓋面積的比值在65%~95%，或特別是90%、80%或70%。本實施例中，絕緣膠合層15罩覆散熱座14的上緣且可延伸向下至超過發光模組21所在的位置，也就是利用增加絕緣的罩覆面積的方式，進而增加發光元件22和散熱座14間未有絕緣保護的距離，以避免跳火發生。特而言之，可視情況省略上方的發光模組11，例如將散熱座14作為圓錐形的設計，而同樣可得到大出光角度。

圖5顯示本發明第三實施例之照明裝置30示意圖。類似於前述第一實施例，但其中散熱座14為多邊形柱體(本實施例為六邊形柱體)。該散熱座14的上表面設置發光模組11，同時於每個側表面設置發光模組31。發光模組31可包含發光元件32及電路載板33，其中發光元件32設置於電路載板33表面。類似地，發光模組11和31與散熱座14間以絕緣膠合層15進行黏合固定，且絕緣膠合層15較佳地相較於發光模組11和31或電路載板13和33有較大的涵蓋面積，特別是電路載板13和33的面積總和與絕緣膠合層15涵蓋面積的比值在65%~95%，或特別是90%、80%或70%。本實施例中，絕緣膠合層15罩覆散熱座14的上緣且可延伸向下至超過發光模組31所在的位置，也就是利用增加絕緣的罩覆面積的方式，進而增加發光元件32和散熱座14間未有絕緣保護的距離，以避免跳火發生。特而言之，可視情況省略上方的發光模組11，例如可將散熱座14設計為多邊錐形，如此亦可獲得大出光角度。

上述實施例係以球泡燈為例進行說明，但本發明並非僅限於球泡燈的應用，其他需要高導熱之照明裝置若使用本發明的技術內容亦為本發明所涵蓋。本發明之照明裝置（特別是其中的散熱座14）包含但不限於上述實施例，只要絕緣膠合層15具有以下的導熱性、絕緣性及黏合性，他種結構變化亦在本發明之範圍內。

為同時達到導熱性、絕緣性及黏合性的要求，本發明之絕緣膠合層15的導熱率大於0.5W/m-K、厚度為0.02~10mm，且該絕緣膠合層15與散熱座14和發光模組11間之結合力至少為300g/cm² 。絕緣膠合層15所使用的黏合材料主要係於高分子成分中添加導熱填料而成。高分子成分包括熱固性環氧樹脂，並可搭配熱塑性塑膠、橡膠或其組合之改質聚合物，以針對熱固性環氧樹脂進行耐衝擊性質改善。本發明之絕緣膠合層15的導熱率約在0.5W/m-K至15W/m-K，例如1W/m-K、3W/m-K、5W/m-K、7W/m-K、8W/m-K、10W/m-K或12W/m-K。散熱座14、發光模組11、21或31是在溫度與壓力使用黏合材料結合，黏合材料即形成絕緣膠合層15，其中結合溫度大於50^o C。因為絕緣膠合層15使用之黏合材料可填補發光模組11、21或31和散熱座14間之孔隙而可進一步降低熱阻，若將絕緣膠合層15使用的黏合材料製成200mm厚度的片狀材料，依據ASTM D5470的規範所測得的熱阻率小於0.5^o C/W或0.4^o C/W。另外，依據ASTM D2240A規範，本發明之絕緣膠合層15的硬度約在65A至98A之間，例如75A、85A或95A，而具有良好的耐衝擊特性，非常適合於作為與金屬材料間的黏合應用。金屬材料可以為銅、鋁、鎳、鐵、錫、金、銀或其合金。當黏合材料與金屬材料壓著固化後，其間的黏著力至少300kg/cm² 。其中又以於高分子材料中添加有熱塑性塑膠的黏合材料對於提升黏著力更為明顯。因熱塑型塑膠之特性使該黏合材料可以擁有強韌不易脆裂的熱塑型塑膠之特性，故可與金屬材料，例如金屬電極或基板產生強力接著，其黏著力甚至可大於350kg/cm² 或400kg/cm² 。絕緣膠合層15的厚度可以做的很薄，但通常厚度愈厚，其絕緣耐電壓特性愈佳。絕緣膠合層15的厚度通常在0.02~10mm間，或可為0.1mm、0.5mm、1mm、5mm。通常厚度大於0.2mm時具有良好的耐電壓特性。

絕緣耐電壓特性除了與絕緣膠合層厚度有關外，也和絕緣膠合層涵蓋面積與發光模組的涵蓋面積有直接相關。當發光模組的整體涵蓋面積小於絕緣膠合層的涵蓋面積(即發光模組的涵蓋面積除以絕緣膠合層的涵蓋面積之比值A在25%至93%間)，並搭配不同絕緣膠合層厚度的情況下，絕緣耐電壓的測試結果如下表1所示。由表1可知，比值A愈小且厚度愈厚，亦即絕緣膠合層之相對面積愈大或愈厚，絕緣耐電壓效果愈佳。根據表1，本發明之照明裝置之發光元件可承受約1kV至約10kV之電壓而不發生跳火，非常適合於需要耐高電壓的場合。

本發明同樣可應用於發光模組的涵蓋面積大於絕緣膠合層的涵蓋面積的情況，例如發光模組的涵蓋面積除以絕緣膠合層的涵蓋面積之比值A在100至300%間。不同比值A並搭配不同絕緣膠合層，其絕緣耐電壓的測試結果如下表2所示。由表2可知，比值A愈小且厚度愈厚，亦即絕緣膠合層之相對面積愈大或愈厚，絕緣耐電壓效果愈佳。根據表2，本發明之照明裝置之發光元件可承受約0.8kV至約3.4kV之電壓而不發生跳火，可適用於不需要耐特別高電壓的場合。

上述之熱固型環氧樹脂可包含未固化之液態環氧樹脂、聚合環氧樹脂、酚醛環氧樹脂或酚甲烷樹脂。熱固型環氧樹脂亦可由多種環氧樹脂混合而成，其中，至少包括末端環氧官能基之環氧樹脂、側鏈型環氧官能基、或四官能基之環氧樹脂或其組合物。一實施例中，熱固型環氧樹脂可為雙酚 A環氧樹脂。熱固型環氧樹脂佔該黏合材料之體積百分比係介於30%至60%之間，或較佳介於35%至50%之間。優選地，高分子成分中可加入熱塑性塑膠或橡膠。熱塑性塑膠可包含苯氧樹脂、聚堸、聚醚碸、聚苯乙烯、聚氧化二甲苯、聚苯硫醚、聚醯胺、聚亞醯胺、聚醚醯亞胺、聚醚醯亞胺與矽酮之塊體共聚合物、聚氨酯、聚酯樹脂、聚碳酸酯、壓克力樹脂、苯乙烯/丙烯及苯乙烯塊體共聚合物。橡膠可選自丁腈橡膠((Nitrile-Butadiene Rubber； BNR)。

導熱填料可包含陶瓷粉末或金屬。例如：氮化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、二氧化矽、二氧化鈦、碳化矽、金、銀、鋁或其混合物。導熱填料均勻分散於該高分子成分中，且佔該黏合材料之體積百分比介於40%至70%之間，較佳地在50%至65%之間。

綜言之，本發明之照明裝置利用絕緣膠合層將發光模組黏合固定於該散熱座，且藉由較大的絕緣覆蓋面積，可有效防止跳火事件發生。該絕緣膠合層的導熱率大於0.5W/m-K，厚度為0.02~10mm，且結合力至少為300g/cm² 。本發明採用高黏合力之絕緣膠合層，因此不需要使用螺絲等固定件即可將發光模組固定於散熱座上。另外，絕緣膠合層具有良好的耐衝擊和絕緣特性，可耐至少500伏特以上電壓，或甚至可耐至少1kV或甚至10kV以上之電壓。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而本領域具有通常知識之技術人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

10、20、30‧‧‧照明裝置

11、21、31‧‧‧發光模組
12、22、32‧‧‧發光元件
13、23、33‧‧‧電路載板
14‧‧‧散熱座
15‧‧‧絕緣膠合層
16‧‧‧基座外殼
17‧‧‧電連接座
18‧‧‧透光罩體
19‧‧‧容置空間

圖1顯示本發明第一實施例之照明裝置之立體示意圖。圖2顯示本發明第一實施例之照明裝置之側剖示圖。圖3顯示本發明第二實施例之照明裝置之立體示意圖。圖4顯示本發明第二實施例之照明裝置之側剖示圖。圖5顯示本發明第三實施例之照明裝置示意圖。

10‧‧‧照明裝置

11‧‧‧發光模組

12‧‧‧發光元件

13‧‧‧電路載板

14‧‧‧散熱座

15‧‧‧絕緣膠合層

16‧‧‧基座外殼

17‧‧‧電連接座

18‧‧‧透光罩體

19‧‧‧容置空間

Claims

一種照明裝置，包含：一散熱座；至少一發光模組，設於該散熱座之表面，發光模組包含發光元件及電路載板，該發光元件係設置於電路載板表面；一絕緣膠合層，係位於該發光模組和散熱座之間且物理接觸該發光模組和散熱座的單一材料層，用於將發光模組黏合固定於該散熱座；其中該絕緣膠合層包含高分子成分及散佈於該高分子成分中之導熱填料，該高分子成分至少包含熱固型樹脂，絕緣膠合層之導熱率大於0.5W/m-K，厚度為0.02~10mm，該絕緣膠合層與散熱座和發光模組間之結合力大於300g/cm² ，且可承受至少500伏特之電壓；其中該絕緣膠合層的涵蓋面積大於該發光模組的涵蓋面積，且該發光模組的涵蓋面積除以絕緣膠合層的涵蓋面積之值介於25%~93%，該發光元件可承受至少1~10kV之電壓而不發生跳火。
根據請求項1之照明裝置，其中該發光模組的涵蓋面積除以絕緣膠合層的涵蓋面積之值介於65%~90%。
根據請求項1之照明裝置，其另包含基座外殼，該散熱座凸出於該基座外殼上緣。
根據請求項3之照明裝置，其中散熱座為圓柱形，該發光模組至少設於圓柱形之上表面及側表面中之一者。
根據請求項4之照明裝置，其中該絕緣膠合層罩覆該圓柱形上緣且向下延伸至超過發光模組設置之位置。
根據請求項3之照明裝置，其中散熱座為多邊柱形，該發光模組至少設於多邊柱形之上表面及側表面中之一者。
根據請求項6之照明裝置，其中該絕緣膠合層罩覆該多邊柱形上緣且向下延伸至超過發光模組設置之位置。
根據請求項3之照明裝置，其另包含一透光罩體，其下緣連接該基座外殼，且該散熱座凸出該基座外殼部分的高度為透光罩體高度的1/5至1/2。
根據請求項1之照明裝置，其中該熱固型環氧樹脂包含雙酚A環氧樹脂。
根據請求項1之照明裝置，其中該高分子成分另包含熱塑型塑膠。
根據請求項1之照明裝置，其中該導熱填料包含氮化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、二氧化矽、二氧化鈦、碳化矽、金、銀、鋁或其混合物。
根據請求項1之照明裝置，其中該絕緣膠合層依據ASTM D2240A規範所測得的硬度介於65A~98A。
根據請求項1之照明裝置，其中該絕緣膠合層依據ASTM D5470規範所測得的熱阻率小於0.5℃/W。
根據請求項1之照明裝置，其中該散熱座與發光模組係於大於50℃之溫度以絕緣膠合層進行結合。