TWM522471U - 具散熱機制之發光二極體 - Google Patents

Description

具散熱機制之發光二極體

發光二極體，尤指一種應用COB(Chip on board)晶片封裝技術之具有良好散熱機制的發光二極體。

發光二極體(light-emitting diodes，LED)因具有壽命長、省電、耐用等特點，因此LED照明裝置為綠能環保發展的一趨勢，未來將可廣泛應用，其中LED的散熱一直都是攸關LED照明裝置的使用壽命的一個問題，而因散熱不良所導致的光衰、發光效率及LED晶體壽命的降低、散熱模組的成本價格過高與加工不易等依據不同的LED封裝技術，其散熱效率皆無法滿足高功率LED所產生發熱密度高而無法有效散發的問題，請參閱圖1所示，習知一表面發光L1之LED封裝結構因於LED晶粒40的頂部與底部分別形成有不同極性之電極(圖未示)且利用一導線C10，例如銅線與一線路層30電性連接，而於一金屬基板10，例如銅或鋁基板上形成有一介電層20(絕緣材料)以形成電性隔絕，否則無法串連多個LED晶粒，其散熱途徑大致為以下方式：

熱能從頂部空氣中對流散熱。

熱能直接由LED晶粒40底部傳導至金屬基板10散熱。

熱能經導線C10傳導至金屬基板10散熱。

而此種封裝結構受限於該介電層20係為熱傳導係數僅有2~8W/mk的高熱阻絕緣材料，導致前述散熱途徑b無法即時傳導致金屬基板10而造成熱堆積於LED晶粒底部致使發光效率大幅下降、LED色衰現象以及使用壽命下降的問題。

是以，如何解決上述之問題點，即成為本創作人所需研究並且改善的目標。

本創作之一目的，在於提供一種具散熱機制之發光二極體，將LED晶粒直接配置於金屬或陶瓷基板，同時滿足複數LED晶粒串聯、直接熱導路徑以及優化光效能之功效。

為達成本創作所述之目的，本創作提供一種具散熱機制之發光二極體，主要包括一散熱基板以及至少一LED晶粒，散熱基板具有一上表面且於上表面定義一植晶區，位於植晶區之散熱基板包含有至少一導熱介質；LED晶粒配置於植晶區且包含一陶瓷基材及形成於該陶瓷基材上的一發光層，以使LED晶粒形成一表面出光；其中陶瓷基材係透過導熱介質直接附著於散熱基板的上表面。

於本案之一實施例中，其中導熱介質係選自一含錫焊料、一含銀膠材或一導熱膠帶。

於本案之一實施例中，其中陶瓷基材係選自一氮化鋁(AlN)基板。

於本案之一實施例中，其中該散熱基板係選自含銅或含鋁之金屬基板。

於本案之一實施例中，其中該導線係選自一含銅導線或一含金導線。

相較於先前技術，本創作具有以下功效：藉由高熱傳導係數之氮化鋁基材上形成發光二極體層之LED晶粒直接附著於高熱傳係數之散熱基板(金屬基板或陶瓷基板)，並透過各材料間的熱導係數與熱膨脹係數的匹配以提升LED封裝結構於各種散熱途徑的熱傳導效能，俾使需以串聯或/及並聯多顆LED晶粒形成高效能LED封裝結構所產生的高熱能順利導出，同時具有高熱導與光效能提升之優點。

有關本創作之詳細說明及技術內容，配合圖式說明如下，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本創作加以限制者。

請參閱圖2所示，本創作提供一種具散熱機制之發光二極體，其係為應用COB(Chip On Board)封裝方式的表面出光型發光二極體，而非側向或多方向出光形式的發光二極體，本創作係將複數個相互間隔排列之LED晶粒400直接銲附固定於一散熱基板100上，前述各該LED晶粒之間的配置間距會影響整體散熱表現，但在此不限制，依實際設計作考量，而於該些LED晶粒400的外圍設有一反射擋牆W以聚光，而該些LED晶粒400係可直接外露，或者設有同時將該些LED晶粒400全數覆蓋的一透光層R形成密封，該透光層R可選自矽膠、樹酯或玻璃以形成覆蓋保護，圖式中雖表示有該透光層R形成密封，但不以圖式為限制，依實際考量作設計，而各個LED晶粒400經由打線(Wire bonding)分別以並聯或/及串聯形式以電性連接一散熱基板100上所佈局電路之一正極端P與一負極端N以形成完整的LED封裝晶片，圖式中所述佈局電路的正極端P與負極端N雖以區塊型態表示整個佈局電路軌跡，僅作本實施例說明，但不以圖式所限制。

請參閱圖3與4所示，本創作之發光二極體散熱結構，主要包括一散熱基板100以及至少一LED晶粒400，雖圖式中表示有複數個LED晶粒400，但不依此為限。

散熱基板100具有一上表面S1且於該上表面S1定義出一電路佈局區Z1與一植晶區Z2，而散熱基板100於電路佈局區Z1的上表面S1形成有一介電層(P200/N200)，以及形成於介電層(P200/N200)上的一線路層(P300/N300)，進一步說明，前述本案說明書以及圖式中所揭露之元件符號P與N係用以分別表示線路層之正極端(positive)與負極端(Negative)。

LED晶粒400係配置於植晶區Z2中且直接附著於散熱基板100的該上表面S1，而LED晶粒400係由一陶瓷基材410上形成一發光層420並封裝成形該LED晶粒400，而關於LED個膜層結構並非本案之重點，故在此不另行贅述，發光層420包含有一P電極430與一N電極440，其中P電極430與N電極440係形成於相同側，圖式中雖表示LED晶粒400係為複數個，但不以此為限，僅作為本案一實施例說明，而每一LED晶粒400之各P電極430與各N電極440係分別以一導線C100作相同極性連接形成並聯，或以不同極性連接以形成串聯，並再分別電性連接正極端P與負極端N。

呈上所述，請參閱圖3所示，本案所述LED晶粒400係可透過一導熱介質110a直接焊合固定於散熱基板100上，其中該導熱介質110a可選自一含錫的固晶焊料，例如無鉛錫膏、金錫焊膏，熱傳導係數約為65~70W/mk，或含銀的固晶膠材，例如銀膠，熱傳導係數約為10~60W/mk；本案再提供一實施例，請參閱圖4所示，LED晶粒400係可透過貼設於散熱基板100之上表面S1上之一導熱介質110b直接貼合固定於散熱基板100上，其中該散熱材110b可選自一導熱雙面膠帶，例如丙烯酸聚合物之導熱雙面膠帶，其厚度僅約為0.05mm~0.2mm之間，其熱傳導係數約為2W/mk。

呈上所述，前述LED晶粒400中的陶瓷基材410係選用一氮化鋁(AlN)基材，其與傳統FR-4或鋁基板不同的是氮化鋁基材具有與半導體接近的熱膨脹係數及高熱導能力，熱傳導係數約150~200W/mk，而散熱基板100係可選自具加工性且不易碎裂之金屬基板，例如含銅基板，其熱傳導係數約為380W/mk；或者含鋁基板，其熱傳導係數約為170W/mk；或者可選自具有低翹曲率、化學穩定性佳且適應高溫高濕環境之陶瓷基板，例如氮化鋁基板(AlN)，其熱傳導係數約為150~200W/mk且熱膨脹係數約為5x10-6/K；或者石墨基板(Graphite Circuit Board)，其熱傳導係數約為100~400W/mk且熱膨脹係數約為3~5x10-6/K，再者，前述介電層(P200/N200)之絕緣材料可選自一碳化矽(SiC)，其熱傳導係數約為200~300W/mk且熱膨脹係數約為4x10-6/K，而用以電性連接LED之電極以及線路層(P300/N300)之導線C100可選用含銅導線或含金導線。

呈上所述，本案所述之散熱結構更可於散熱基板100的一下表面S2配置有導熱柱、熱管、散熱鰭片或者致冷晶片(圖未示)以強化整體LED封裝結構的散熱效能。

呈上所述，藉由各元件間的熱膨脹係數以及高熱傳導係數之間的匹配，使其具有LED封裝結構的散熱途徑b(熱能直接由LED晶粒400底部傳導至散熱基板100散熱)，以及散熱途徑c(熱能經導線C100傳導至散熱基板100散熱)皆具有極佳的熱傳導效率，當串聯或/及並聯多顆LED晶粒以提供高功率或高電流LED使用時，可使LED晶粒400所產生的熱不易堆積於LED晶粒400底部，俾使需以串聯或/及並聯多顆LED晶粒形成高效能LED封裝結構所產生的高熱能順利導出，同時具有高熱導與光效能提升之散熱結構，以改善LED色衰、發光效率下降甚至元件失效等等問題。

綜上所述，本創作具散熱機制之發光二極體，確可達到預期之使用目的，而解決習知之缺失，又因極具新穎性及進步性，完全符合新型專利申請要件，爰依專利法提出申請，敬請詳查並賜准本案專利，以保障創作人之權利。

﹤先前技術﹥

10‧‧‧金屬基板

20‧‧‧介電層

30‧‧‧線路層

40‧‧‧LED晶粒

C10‧‧‧導線

L1‧‧‧表面出光

＜本創作＞

100‧‧‧散熱基板

110a‧‧‧導熱介質

110b‧‧‧導熱介質

P200‧‧‧介電層

P300‧‧‧線路層之正極端

N200‧‧‧介電層

N300‧‧‧線路層之負極端

400‧‧‧LED晶粒

410‧‧‧陶瓷基材

420‧‧‧發光層

430‧‧‧P電極

440‧‧‧N電極

C100‧‧‧導線

P‧‧‧正極端

N‧‧‧負極端

R‧‧‧透光層

S1‧‧‧上表面

S2‧‧‧下表面

W‧‧‧反射擋牆

Z1‧‧‧電路佈局區

Z2‧‧‧植晶區

圖1係習知表面發光型LED封裝結構剖面圖。

圖2係本創作之表面發光型LED封裝結構立體圖。

圖3係本創作之具散熱機制之發光二極體一實施例剖面圖。

圖4係本創作之具散熱機制之發光二極體另一實施例剖面圖。

100‧‧‧散熱基板

110a‧‧‧導熱介質

P200‧‧‧介電層

P300‧‧‧線路層之正極端

N200‧‧‧介電層

N300‧‧‧線路層之負極端

400‧‧‧LED晶粒

410‧‧‧陶瓷基材

420‧‧‧發光層

430‧‧‧P電極

440‧‧‧N電極

C100‧‧‧導線

P‧‧‧正極端

N‧‧‧負極端

R‧‧‧透光層

S1‧‧‧上表面

S2‧‧‧下表面

W‧‧‧反射擋牆

Z1‧‧‧電路佈局區

Z2‧‧‧植晶區

L1‧‧‧表面出光

Claims (10)

1. 一種具散熱機制之發光二極體，包括：   一散熱基板，具有一上表面且於該上表面定義一植晶區，位於該植晶區之該散熱基板包含有至少一導熱介質；以及   至少一LED晶粒，配置於該植晶區，該LED晶粒包含一陶瓷基材及形成於該陶瓷基材上的一發光層，以使該LED晶粒形成一表面出光；   其中該陶瓷基材透過該導熱介質直接附著於該散熱基板的該上表面。
2. 如請求項1所述之具散熱機制之發光二極體，其中該導熱介質係選自一含錫焊料或者一含銀膠材。
3. 如請求項1所述之具散熱機制之發光二極體，其中該導熱介質係選自一導熱膠帶。
4. 如請求項1所述之具散熱機制之發光二極體，其中該陶瓷基材係選自一氮化鋁(AlN)基材。
5. 如請求項1所述之具散熱機制之發光二極體，其中該散熱基板係選自含銅或含鋁之金屬基板。
6. 如請求項1所述之具散熱機制之發光二極體，其中該散熱基板係選自氮化鋁(AlN)或碳化矽基石墨之陶瓷基板。
7. 如請求項1所述之具散熱機制之發光二極體，其中該上表面更定義一電路佈局區，位於該電路佈局區的該上表面形成有一介電層，該介電層的材料係選自一碳化矽(SiC)。
8. 如請求項7所述之具散熱機制之發光二極體，其中該介電層上形成有一線路層，該線路層定義有一正極端與一負極端，而該發光體層遠離該陶瓷基材的一側設有一P電極與一N電極，該P電極與該N電極分別以一導線電性連接該正極端與該負極端。
9. 如請求項8所述之具散熱機制之發光二極體，其中該LED晶粒係為複數個，而各該LED晶粒之各該P電極與各該N電極係分別以該導線以相同極性，或者不同極性電性連接以形成並聯或串聯。
10. 如請求項8所述之具散熱機制之發光二極體，其中該導線係選自一含銅導線或一含金導線。