TWI619273B - High heat dissipation LED package module - Google Patents

Abstract

本發明為一種高散熱發光二極體封裝模組，係提供更多散熱途徑之模組，透過本發明模組中的特株結構、導熱薄模與流體，進一步將發光二極體所產生的熱，擁有更多的途徑向外遞散，此外，結合覆晶技術與透明基板的搭配，與使用立體堆疊之方式，提高發光二極體混合白光的演色性與出光角度，並且此發明不需要在發光二極體的表面做矽膠或環氧樹脂的封裝保護，達到封裝簡化之效果，而垂直堆疊使發光二極體在進行混光時能藉由上下穿透之方式提升演色性，不同色溫的發光二極體又可藉由不同控制電源操控，使之不只擁有白光，更可藉由電源的調變產生各種色溫。

Description

高散熱發光二極體封裝模組

本發明係屬一種發光二極體之技術領域，尤指一種高散熱發光二極體封裝模組，藉由該散熱模組與該流體的流動增加其散熱之效果，可幫助該等發光二極體之耐用性與可靠度，使得該等發光二極體可承受更高的操作電流而不因高溫而損壞，並且可藉由該流體代替矽膠、環氧樹脂封裝方法，以達到更完整的防護設計，且本發明使用之立體堆疊式發光二極體，使不同色溫之發光二極體錯開在不同基板上，使光源能夠均勻的混光，提升演色性。

發光二極體(Light-Emitting Diode，縮寫：LED)是1960年代所發展的一種特殊的半導體二極體形式。最簡單的發光二極體型態包括由p-型半導體與n-型半導體之間所形成的pn接面(pn junction)。當電流通過上述pn接面時，便產生電荷載子，即電子與電洞。於此過程中，電子與電洞結合而以光子(photon)形式釋放出能量。現今之高效能發光二極體(LED)更包括有一或多層之發光層，其係夾置於p-型與n-型半導體區域之間，以改善發光效能。上述的一或多層之發光層係用以獲致所欲之發光波長。發光二極體之基本結構包括小塊的上述材料疊層，通稱做晶粒(die)。晶粒可置於框架(frame)或基板(baseboard)上，供電性接觸或機械性承載，並且膠封以保護。發光二極體的封裝接合方式主要有兩種，一為 打線(wire bonding)方式，另一為覆晶(flip-chip)方式；其中打線方式所使用之導線會阻擋到光路，覆晶方式則可避免此缺點，進而提升元件的光量，又因為覆晶結構能直接藉由電極或是凸塊與散熱基板直接接觸，使得發光二極體可得到較佳的電氣特出光量，又因為覆晶結構能直接藉由電極或是凸塊與散熱基板直接接觸，使得發光二極體可得到較佳的電氣性，並可大幅提升元件的散熱效果，更可適用於大面積高功率之發光二極體產品，例如，藍色、綠色等短波長的發光二極體。

發光二極體的表面保護封裝方式主要係在表面塗上一層矽膠或環氧樹脂，保護發光二極體及導線，提供良好的可靠度。

然而，運用在發光二極體時，因為熱與短波長光的關係導致矽膠、環氧樹脂變質加速老化，因此，對於發光二極體矽膠、環氧樹脂封裝來說，要如何避免矽膠老化是一項重要之課題。特性，並可大幅提升元件的散熱效果，更可適用於大面積高功率之發光二極體產品，例如，藍色、綠色等短波長的發光二極體。

發光二極體的表面保護封裝方式主要係在表面塗上一層矽膠或環氧樹脂，保護發光二極體及導線，提供良好的可靠度，然而，運用在發光二極體時，因為熱與短波長光的關係導致矽膠、環氧樹脂變質加速老化，因此，對於發光二極體矽膠、環氧樹脂封裝來說，要如何避免矽膠老化是一項重要之課題。

而現有的紅.綠.藍三原色發光二極體，大多封裝在一平面使用不同色溫之發光二極體進行混光，此方法相對於立體堆疊成本較低，但對於演色性與近距離的直視下，會因為靠近其中一色源之發光二極體，使人 眼產生色差與演色性低落之問題。且習知使用透明基板封裝之發光二極體，以造價最便宜的玻璃基板來說，因其導熱細數極差(1W/m.K)，所以對於散熱的部分極需改善。

是以，針對上述習知結構所存在之問題點，如何開發一種更具理想實用性之創新結構，實是消費者所殷切企盼，亦係相關業者須努力研發突破之目標及方向。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。

習知的矽膠、環氧樹脂封裝方法，係在發光二極體的上方塗上一層矽膠或環氧樹脂，保護發光二極體及導線，但僅限於發光二極體的保護，對於散熱的部分並無改善與提升，且會面臨矽膠與環氧樹脂老化及散熱途徑有限的問題。且混光發光二極體，使用一平面多種色溫發光二極體進行混光，但會因靠近其中一色源之發光二極體，使人眼產生色差與演色性低落之問題。又習知使用透明基板封裝之發光二極體，以造價最便宜的玻璃基板來說，因其導熱細數極差(1W/m.K)，所以對於散熱的部分極需改善。

提供一種高散熱發光二極體封裝模組，係包括：一散熱模組；至少一紅光發光二極體、至少一綠光發光二極體及至少一藍光發光二極體，各該紅光發光二極體、各該綠光發光二極體及各該藍光發 光二極體的封裝接合方式是以覆晶方式使用金球凸塊各別鍵合於至少一基板上，各該基板係從該散熱模組向上依序堆疊，該散熱模組上係依序堆疊各該紅光發光二極體、各該綠光發光二極體及各該藍光發光二極體；各該紅光發光二極體、各該綠光發光二極體及各該藍光發光二極體係以陣列的方式覆晶於各該基板上。

數間隔墊，各該間隔墊係設置於該等基板之間，且各該間隔墊係設置於鄰近各該基板之邊緣，讓該等基板之間留有空隙；一外殼，該外殼係設置於該散熱模組上且係圍繞該等基板周圍，當該外殼設置於該散熱模組上時係形成一容置空間；一流體，該流體係添加於該容置空間內，且該流體係充斥於各該紅光發光二極體、各該綠光發光二極體及各該藍光發光二極體之間；一蓋子，該蓋子係覆蓋該容置空間；其中該散熱模組之材料可為銀、銅、鐵、鋁、鋼、碳、陶瓷，且該散熱模組上有數散熱鰭片；藉由以上構造，利用該流體可代替矽膠與環氧樹脂之封裝，免除了老化與黃化的問題，且該流體在該等發光二極體產生熱的時候，藉由熱傳導與熱對流之特性，該流體能左右及上下流動將熱源分散至整個該散熱模組，且在該散熱模組的周圍加上該等散熱鰭片可增加與空氣的對流與散熱面積，達到更好的散熱效果。

1．本發明可讓發光二極體在封裝的過程中，除了直接將熱傳導到基板的途徑外，進而使用流體代替矽膠、環氧樹脂封裝，保護元件、 增加元件可靠度、提升散熱，並在散熱模組周圍加上散熱鰭片，同時再增加熱與空氣之間的對流與傳導，達到更佳的散熱，藉以解決先前技術存在之缺失。

2．本發明使用之立體堆疊式發光二極體，使不同色溫之發光二極體錯開在不同基板上，使光源能夠均勻的混光，提升演色性；又因立體堆疊的關係，使堆疊的上下縫隙之間能注入該流體，並藉由該流體，額外增加其散熱。

有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明於後，相信本發明上述之目的、構造及特徵，當可由之得一深入而具體的瞭解。

10‧‧‧散熱模組

11‧‧‧散熱鰭片

12‧‧‧透光孔

20‧‧‧基板

21‧‧‧紅光發光二極體

22‧‧‧綠光發光二極體

23‧‧‧藍光發光二極體

30‧‧‧間隔墊

40‧‧‧外殼

41‧‧‧容置空間

50‧‧‧流體

60‧‧‧蓋子

第1圖係本發明之立體分解示意圖。

第2圖係本發明之局部立體分解示意圖。

第3圖係本發明之剖面圖。

首先，如第1圖至第3圖所示，係本發明之較佳實施例，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。

如第1圖至第3圖所示，所述該高散熱發光二極體封裝模組，係包括：一散熱模組10；至少一紅光發光二極體21、至少一綠光發光二極體22及 至少一藍光發光二極體23，各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23的封裝接合方式是以覆晶方式使用金球凸塊各別鍵合於至少一基板20上，各該基板20係從該散熱模組10向上依序堆疊，如第2圖所示，該散熱模組10上係依序堆疊各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23；各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23係以陣列的方式覆晶於各該基板20上。

數間隔墊30，各該間隔墊30係設置於該等基板20之間，且各該間隔墊30係設置於鄰近各該基板20之邊緣，讓該等基板20之間留有空隙；一外殼40，該外殼40係設置於該散熱模組10上且係圍繞該等基板20周圍，當該外殼40設置於該散熱模組10上時係形成一容置空間41；一流體50，該流體50係添加於該容置空間41內，且該流體50係充斥於各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23之間；一蓋子60，該蓋子60係覆蓋該容置空間41；其中，該流體50為液體或氣體，並具絕緣之特性，且該流體50具有透光性，並可在該散熱模組10中對流驅使熱的散逸；其中，該散熱模組10之材料可為銀、銅、鐵、鋁、鋼、碳、陶瓷，且該散熱模組10上有數散熱鰭片11，並可在該散熱模組10上 鍍上一層反射層，可反射各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23的光，該散熱模組10中各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23的光是上下穿透的，所以向下的光需藉由該反射層來防止向下的光被吸收，該反射層可為銀、鋁或鎳；其中，如第3圖所示，該散熱模組10底部設有一透光孔12可讓各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23向下的光也能射出，使得各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23不僅能向上方180度出光，向下也能有光射出，可讓光近乎360度射出。

其中，各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23是藉由成長n型半導體層、主動層、p型半導體層、n型接觸層以及p型接觸層於一發光二極體基板上所製成，該發光二極體基板可為藍寶石基板、三氧化二鋁基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板、砷化鎵基板或氧化鋅基板，n型半導體層則設置於該發光二極體基板上，主動層與n型接觸層設置於n型半導體層上，p型半導體層設置於主動層上，p型接觸層設置於p型半導體層上，且p型接觸層與n型接觸層分別與正電壓源與負電壓源連接，以供導入順向電壓，使p型半導體層之電洞與n型半導體層之電子可於主動層結合而發光。各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23是以覆晶方式使用金球凸塊鍵合於基板20，且金球凸塊的形狀並不予以限定，其可以是圓形、方形或是任何需要應用的形狀。利用覆晶鍵合發方法配合該基板2 0，相較於傳統發光二極體鍵合方法或其他鍵合方法，提供了透光性，並大幅提升了散熱與發光效率。

其中，各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23可為水平式發光二極體、垂直式發光二極體、覆晶式發光二極體、共晶式發光二極體或陣列式發光二極體。

其中，各該基板20可為透光基板、非透光基板或金屬基板；而位於最下層之該基板20為一透光基板或一非透光基板，其他層之各該基板20為可透光之基板。而透光基板可為藍寶石基板、玻璃基板、氮化鎵基板、氮化鋁基板或砷化鎵基板。藉此，本發明可於該基板20上製作一層石墨烯導熱薄膜(Graphene導熱係數5300W/m.K)，相較於玻璃基板(1W/m.K)，此導熱薄膜將對於散熱較差之該基板20的幫助極其之大。

其中，各該間隔墊30可為矽膠或金屬；其中，該外殼40可為一透明外殼或金屬外殼，若為金屬外殼則內側會鍍上高折射率之材料防止光被吸收，並增加出光率，該外殼40可為玻璃、塑膠、壓克力等。

其中，該蓋子60可為一透光材質的蓋子，該透光材質可為玻璃、塑膠或壓克力；本發明的高散熱發光二極體封裝模組製作方法如下，首先，製作該發光二極體基板，使用軟體(AUTOCAD)設計其陣列電路，並以黃光薄膜製程與電子束蒸鍍機完成該發光二極體基板，其中電極使用之金屬為Cr/Au(鉻/金)，厚度為350Å/1200Å。在黃光製程後，將一石墨烯導熱薄膜轉移置電極上；其中，該導熱薄膜也可優先成長於該發光二極體基板。

最後將發光二極體晶粒，以覆晶及銀膠鍵合於基板。會先在各該紅光發光二極體21之該發光二極體基板的背面成長一反射層，銀，厚度500Å，並再鍍上一層二氧化矽，防止銀的氧化，厚度2000Å。再將各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23與各該基板20依序固置該散熱模組10後，套上該外殼40，再將該流體50置入該容置空間41內，此該流體50代替矽膠與環氧樹脂之分裝，免除了老化與黃化的問題，並再藉由該流體50在各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23產生熱時的熱對流效應使該散熱模組10中各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23的熱再增添一遞散熱的途徑使熱源更容易的傳導出去。

藉此，本發明可讓各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23在封裝的過程中，除了直接將熱傳導到基板的途徑外，進而使用該流體50替矽膠、環氧樹脂封裝，保護元件、增加元件可靠度、提升散熱，並在該散熱模組10週圍加上各該散熱鰭片11，同時再增加熱與空氣之間的對流，達到更佳的散熱，藉以大體上解決先前技術存在之缺失。

大部份的LED靠散熱片來導熱，但在本發明模組中的該流體50可同時提供熱傳導與熱對流，再配合該散熱模組10與各該散熱鰭片11提升熱的散逸，進而提升元件之可靠度。且本發明使用之立體堆疊式發光二極體，使不同色溫之發光二極體錯開在不同基板上，使光源能夠均勻的混光，提升演色性；又因立體堆疊的關係，使堆疊的上下縫隙之間能 注入該流體50，並藉由該流體50，額外增加其散熱。

本發明在該基板20上，製作一層石墨烯導熱薄膜(Graphene導熱係數5300W/m.K)，相較於玻璃基板(1W/m.K)，此導熱薄膜將對於散熱較差之基板的幫助極其之大。

綜上所述，根據本發明之模組，藉由該散熱模組10與該流體50的流動增加其散熱之效果，可幫助覆晶式發光二極體之耐用性與可靠度，使得發光二極體可承受更高的操作電流而不因高溫而損壞，並且，可藉由該流體50代替矽膠、環氧樹脂封裝方法，以達到更完整的防護設計，與避開矽膠、環氧樹脂之封裝。

綜上所述，本發明之該高散熱發光二極體封裝模組，藉由該散熱模組10與該流體50的流動增加其散熱之效果，可幫助各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23之耐用性與可靠度，使得各該紅光發光二極體21、各該綠光發光二極體22及各該藍光發光二極體23可承受更高的操作電流而不因高溫而損壞，並且可藉由該流體50代替矽膠、環氧樹脂封裝方法，以達到更完整的防護設計。

歸納上述的說明，藉由本發明結構的設計，具有上述眾多的優點及實用價值，因此本發明為一創意極佳之發明創作，且在相同的技術領域中未見相同或近似的產品創作或公開使用，故本發明已符合發明專利有關『新穎性』與『進步性』的要件，乃依法提出申請。

Claims (10)

1. 一種高散熱發光二極體封裝模組，係包括：一散熱模組；至少一紅光發光二極體、至少一綠光發光二極體及至少一藍光發光二極體，各該紅光發光二極體、各該綠光發光二極體及各該藍光發光二極體係以覆晶方式使用金球凸塊各別鍵合於至少一基板上，各該基板係從該散熱模組向上依序堆疊，各該基板之間留有空隙，其中位於最下層之該基板為一透光基板，該透光基板為氮化鎵基板，其他層之各該基板為透光之基板，而各該基板上設有一層石墨烯導熱薄膜；一外殼，該外殼係設置於該散熱模組上且係圍繞各該紅光發光二極體、各該綠光發光二極體及各該藍光發光二極體，當該外殼設置於該散熱模組上時係形成一容置空間；一流體，該流體係添加於該容置空間內，且該流體係充斥於各該紅光發光二極體、各該綠光發光二極體及各該藍光發光二極體之間。
2. 如請求項1所述之高散熱發光二極體封裝模組，其中更包括數間隔墊，各該間隔墊係設置於各該等基板之間，且各該間隔墊係設置於鄰近各該基板之邊緣，讓各該基板之間留有空隙。
3. 如請求項2所述之高散熱發光二極體封裝模組，其中各該間隔墊可為矽膠或金屬。
4. 如請求項1所述之高散熱發光二極體封裝模組，其中更包括一蓋子，該蓋子係覆蓋該容置空間，該蓋子可為一透光材質的蓋子，該透光材質可為玻璃、塑膠或壓克力。
5. 如請求項1所述之高散熱發光二極體封裝模組，其中該散熱模組之材料可為銀、銅、鐵、鋁、鋼、碳或陶瓷。
6. 如請求項1所述之高散熱發光二極體封裝模組，其中各該發光二極體可為水平式發光二極體、垂直式發光二極體、覆晶式發光二極體、共晶式發光二極體或陣列式發光二極體。
7. 如請求項1所述之高散熱發光二極體封裝模組，其中該散熱模組上設有數散熱鰭片，並可在該散熱模組上鍍上一層反射層，而該反射層可為銀、鋁或鎳。
8. 如請求項1所述之高散熱發光二極體封裝模組，其中該散熱模組底部設有一透光孔。
9. 如請求項1所述之高散熱發光二極體封裝模組，其中該外殼可為一透明外殼或一金屬外殼，該透明外殼可為玻璃、塑膠、壓克力，該金屬外殼內側鍍上高折射率之材料。
10. 如請求項1所述之高散熱發光二極體封裝模組，其中該流體為液體或氣體，並具絕緣之特性，且該流體具有透光性，並可在該散熱模組中對流驅使熱的散逸。