TWI569547B - Laser diode package structure - Google Patents

Description

雷射二極體封裝結構

本發明是有關於一種封裝結構，特別是指一種具有高散熱效率的雷射二極體封裝結構。

隨著光電產業的蓬勃發展，發光二極體(Light emitting diode，LED)、雷射二極體(Laser diode，LD)等發光元件已被廣泛地應用於各領域，例如可作為各類電子產品顯示器之背光源、光學感測器、雷射顯微鏡、掃描器等，或直接應用於照明用途。

然而，發光元件在作動的過程中會產生大量的熱能，若無法有效地將累積在發光元件中的熱能有效地釋除，累積的熱量將使發光元件的溫度升高，不僅會影響元件的穩定性及發光效率，也會降低發光元件的使用壽命。

因此，為了解決發光元件在操作時所面臨溫度上升的問題，參閱圖1，以雷射二極體為例，雷射二極體普遍的封裝方式為TO(Transistor Outline)CAN封裝，其係提供一適當的散熱結構用以散熱，如圖1所示，TO CAN雷射二極體封裝結構包含一封裝罐11、一散熱塊12、一與該散熱塊12接合的雷射二極體13、一用以傳導電能的電極單元 14，及一玻璃透鏡15，其主要利用該散熱塊12用以傳導該雷射二極體13所釋出的熱能，但該散熱塊12的導熱路徑較長會使得散熱效率不佳，且以TO CAN封裝的成本較高，封裝製程也較為複雜。

除此之外，如將雷射二極體應用於發光模組時，還需進行光學設計並搭配一透鏡，用以使該雷射二極體發出合適的光型，製程上亦需花費時間和成本進行組裝。

因此，如何提供一種簡易亦可同時降低生產成本並提升散熱效果的雷射二極體封裝結構，係為本發明研究改良的重要目標。

因此，本發明之目的，即在提供一種簡易亦具有高散熱效率的雷射二極體封裝結構。

於是，本發明雷射二極體封裝結構，包含一封裝殼、一散熱件，及一發光單元。

該封裝殼呈筒狀且包括一內表面、一外表面，與一由該內表面界定出具有至少一開口的容室。

該散熱件設置於該容室中，包括一形成於該封裝殼的部分內表面的底面、一連接該底面的兩相反端的頂面，與二分別自該頂面的另兩相反端延伸並與該底面連接的側面。

該發光單元包括一設置於該散熱件之頂面的雷射二極體，該雷射二極體之光軸方向平行於該散熱件之頂 面的延伸方向。

本發明之功效在於，提供一種新穎的雷射二極體封裝結構，利用該散熱件與該封裝殼的搭配與設置，除了可使該雷射二極體產生的熱能得以迅速的傳遞而散熱，也可使封裝製程更為簡易而能有效地節省生產成本，具有市場價值與發展潛力。

2‧‧‧封裝殼

21‧‧‧內表面

22‧‧‧外表面

221‧‧‧第一螺紋結構

23‧‧‧容室

3‧‧‧散熱件

31‧‧‧底面

32‧‧‧頂面

33‧‧‧側面

4‧‧‧發光單元

41‧‧‧電路板

42‧‧‧雷射二極體

5‧‧‧透鏡

6‧‧‧外殼

61‧‧‧內表面

611‧‧‧第二螺紋結構

62‧‧‧外表面

63‧‧‧延伸面

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一剖視示意圖，說明現有的雷射二極體TO CAN封裝結構；圖2是一剖視示意圖，說明本發明雷射二極體封裝結構的第一實施例；圖3是一剖視示意圖，說明本發明雷射二極體封裝結構的第二實施例；及圖4是一立體分解圖，說明本發明雷射二極體封裝結構的該第二實施例。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。有關本發明之技術內容、特點與功效，在以下的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖2，本發明雷射二極體封裝結構之第一實 施例包含一封裝殼2、一散熱件3、一發光單元4，及一透鏡5。

該封裝殼2呈筒狀且包括一內表面21、一外表面22，與一由該內表面21界定出具有至少一開口的容室23。要說明的是，該封裝殼2的形狀不限，例如可為圓形筒狀或方形筒狀，且該封裝殼2的兩相反端可同時為開放端，也可為其中一端為開放端，其中另一端為封閉端，於該第一實施例中，是以該封裝殼2呈圓形筒狀且兩相反端為開放端為例來做說明。該封裝殼2的材料選自導熱性佳的金屬材料或任何具導熱性的材料，較佳地，該封裝殼2的材料選自銅、鋁、錫等具高熱導率的金屬材料，而可更易於協助散熱。

該散熱件3設置於該封裝殼2的容室23中，包括一形成於該封裝殼2的部分內表面21的底面31、一連接該底面31的兩相反端的頂面32，與二分別自該頂面32的另兩相反端延伸並與該底面31連接的側面33。要說明的是，為了令該散熱件3具有較佳的散熱效果，該散熱件3的底面31的形狀為與該封裝殼2接觸之部分內表面21的形狀相配合，而可使該散熱件3緊抵於該封裝殼2的部分內表面21。

具體的說，以該呈圓形筒狀的封裝殼2為例，該散熱件3為沿著該封裝殼2的長軸方向設置而呈半圓筒狀，該半圓筒狀的散熱件3與該部分內表面21接觸的面即 為該底面31，沿其長軸方向並連接該底面31的兩相反端所形成的平面，即為用以設置該發光單元4的頂面32，且該頂面32的延伸方向與該發光單元4的光軸方向平行，連接該底面31與該頂面32且位於該封裝殼2的兩相反端的面即為該等側面33，且其中一側面33緊鄰於該透鏡5，較佳地，該其中一側面33直接接觸該透鏡5，以利後續設置該發光單元4並可有效地提升出光效率。

該散熱件3選自導熱性佳的金屬材料或任何具導熱性的材料，較佳地，該散熱件3的材料選自銅、鋁、錫等具高熱導率的金屬材料。特別的是，當該封裝殼2與該散熱件3是選自相同的材料時，該封裝殼2與該散熱件3於製作時可為一體成形，於此並不加以限制。圖2所示即為沿該封裝殼2的長軸方向且與該散熱件3的頂面32垂直之剖面的剖視示意圖。

該發光單元4包括一設置於該散熱件3之頂面32的電路板41，及一設置於該電路板41的表面並與該電路板41電性連接的雷射二極體42。其中，該電路板41的基板可選自印刷電路基板、玻璃纖維基板、陶瓷散熱基板，且該電路板41可形成對外的電連接線路(圖未示)而對外進行電性連接。為了令該雷射二極體42於作動時產生的熱能可更迅速的經由該電路板41傳導至該散熱件3，較佳地，該電路板41的基板係選自金屬芯印刷電路板(Metal core printed circuit board，MCPCB)、陶瓷散熱基板等散熱性佳 的基板。於該第一實施例中，該雷射二極體42為邊射型雷射二極體，且該散熱件3的頂面32的延伸方向會與該雷射二極體42的光軸方向平行，換句話說，該雷射二極體42於作動時所產生的熱能便可直接以垂直於該光軸的方向傳導至該散熱件3而向外散熱，相較於習知的封裝結構需經過較長的散熱途徑，本發明該雷射二極體封裝結構可具有較佳的散熱效果。由於該電路板41及該雷射二極體42的材料選用與細部結構係屬本技術領域之習知技術，且非本發明之主要技術特徵，因此不再多加贅述。

該透鏡5與該封裝殼2的開口連接並位於該雷射二極體42的光軸方向，其中，該透鏡5可為一準直透鏡，可使該雷射二極體42發出的光線準直射出，該透鏡5也可為一聚焦透鏡，用以聚集該雷射二極體42所發出的光線。特別的是，該透鏡5亦可為一準直透鏡搭配一聚焦透鏡，而使光線可以更符合所需的光學設計，在此並不加以限制。此外，為了使該雷射二極體42所發出的光線能夠更有效率且無逸散的被利用，因此，較佳地，該透鏡5是直接接觸該發光單元4。

還要說明的是，本發明該雷射二極體封裝結構中該散熱件3、該發光單元4，及該透鏡5的設置非位於同一軸線，換句話說，該散熱件3並不位於該發光單元4之雷射二極體42的光軸方向上，該雷射二極體42於作動時所產生的熱能便可直接以垂直於該光軸的方向傳導至該散 熱件3，由於該散熱件3、該發光單元4，及該透鏡5的設置非位於同一軸線，而可具有較佳的封裝彈性，並可減少整體封裝的體積。

本發明藉由令該散熱件3設置的方向與該雷射二極體42的光軸方向相互平行，並以最大的表面積與該封裝殼2相接觸，因此，可使該散熱件3與該封裝殼2有最大的接觸面積及最短的熱傳路徑，因此，當該發光單元4作動時，該雷射二極體42的光朝向該透鏡5的方向發出，而該雷射二極體42於作動時產生的熱能，則可直接經由該電路板41傳導至該散熱件3，便能更快速地經由該散熱件3向外逸散。

參閱圖3與圖4，本發明雷射二極體封裝結構之第二實施例與該第一實施例大致相同，不同之處在於該第二實施例還包含一罩設於該封裝殼2並緊鄰於該透鏡5的外殼6。

該外殼6呈筒狀且包括一內表面61、一外表面62，及一由該外表面62的端部往中心方向延伸，且具有一開口的延伸面63，且該延伸面63緊抵於該透鏡5，而使該透鏡5夾置於該外殼6與該封裝殼2之間。

要說明的是，該封裝殼2與該外殼6除了可利用膠黏的方式彼此貼合固定，亦可利用螺紋的方式相互鎖固，於該第二實施例中，該封裝殼2與該外殼6是以螺紋的方式相互鎖固為例來做說明。也就是說，該封裝殼2具 有一由該外表面22形成的第一螺紋結構221，而該外殼6具有一由該內表面61形成且與該第一螺紋結構221相互匹配的第二螺紋結構611，該封裝殼2與該外殼6便利用該第一螺紋結構221與該第二螺紋結構611相互鎖固。

此外，還要說明的是，當該外殼6與該封裝殼2是利用膠黏的方式貼合時，該外殼6與該封裝殼2則可不具有該第一、二螺紋結構221、611。

本發明該第二實施例不僅可藉由該第一螺紋結構221增加該封裝殼2的散熱表面積之外，還可利用該第一螺紋結構221與另一相配合的第二螺紋結構611相互鎖固。此外，該外殼6除了可用於保護該封裝殼2，還可利用該延伸面63將該透鏡5固定於該封裝殼2與該外殼6之間，不需再透過額外的元件進行固定，可有效地節省製程時間與製作成本，並減少封裝完成後的體積。

本發明雷射二極體封裝結構利用該封裝殼2與該散熱件3的搭配與設置，可使由該雷射二極體42產生的熱能直接往該散熱件3傳遞而向外逸散，其導熱路徑較短而可有效地提升散熱效果。且本發明該雷射二極體封裝結構如應用於發光模組時，也不需再額外設置一光學透鏡，亦即本發明該透鏡5已具有整合現有的雷射二極體封裝結構之玻璃透鏡與光學透鏡的功效，因此，本發明該雷射二極體封裝結構同時具有降低生產成本的優點。

綜上所述，本發明利用該封裝殼2與該散熱件3 的搭配與設置，而可確實發揮該散熱件3的散熱效能，進而將該雷射二極體42的熱能迅速傳導而釋除，因此可有效地降低元件的溫度，不僅可提高發光元件之操作品質，更可有效地延長元件之使用壽命；此外，本發明該雷射二極體封裝結構不僅結構簡單，製作方式簡易更能有效地節省生產成本，以改良現有的雷射二極體TO CAN封裝製程繁瑣且高成本的缺點，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧封裝殼

21‧‧‧內表面

22‧‧‧外表面

23‧‧‧容室

3‧‧‧散熱件

31‧‧‧底面

32‧‧‧頂面

33‧‧‧側面

4‧‧‧發光單元

41‧‧‧電路板

42‧‧‧雷射二極體

5‧‧‧透鏡

Claims (10)

1. 一種雷射二極體封裝結構，包含：一封裝殼，該封裝殼呈筒狀且包括一內表面、一外表面，與一由該內表面界定出具有至少一開口的容室；一散熱件，設置於該容室中，包括一形成於該封裝殼的部分內表面的底面、一連接該底面的兩相反端的頂面，與二分別自該頂面的另兩相反端延伸並與該底面連接的側面；及一發光單元，包括一設置於該散熱件之頂面的雷射二極體，該雷射二極體之光軸方向平行於該散熱件之頂面的延伸方向，且該雷射二極體與該散熱件非位於同一軸線。
2. 如請求項1所述的雷射二極體封裝結構，其中，該封裝殼與該散熱件為一體成形。
3. 如請求項1所述的雷射二極體封裝結構，還包含一透鏡，該透鏡與該封裝殼的開口連接並位於該雷射二極體的光軸方向。
4. 如請求項3所述的雷射二極體封裝結構，其中，該透鏡為一聚焦透鏡或一準直透鏡。
5. 如請求項3所述的雷射二極體封裝結構，還包含一罩設於該封裝殼並緊鄰於該透鏡的外殼。
6. 如請求項5所述的雷射二極體封裝結構，其中，該封裝殼的該外表面具有一第一螺紋結構且該外殼的一內表面 具有一與該第一螺紋結構相互匹配的第二螺紋結構，該封裝殼與該外殼利用該第一螺紋結構與該第二螺紋結構相互固定。
7. 如請求項3所述的雷射二極體封裝結構，其中，該發光單元還包括一電路板，該電路板與該散熱件之頂面連接，且該雷射二極體是電性連接於該電路板。
8. 如請求項3所述的雷射二極體封裝結構，其中，該透鏡直接接觸該發光單元。
9. 如請求項3所述的雷射二極體封裝結構，其中，該散熱件的其中一側面直接接觸該透鏡。
10. 如請求項3所述的雷射二極體封裝結構，其中，該散熱件、該發光單元，及該透鏡的設置非位於同一軸線。