CN1874011A - 一种发光二极管装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低热阻的发光二极管装置，包括一可将电能转换为电磁波之发光二极管芯片，一组金属导线架，一绝缘材料以包覆金属导线架并形成一腔穴，一光学镜片设置于腔穴上方且与该绝缘材料固定，一次载体以承载发光二极管芯片并以焊接方式将发光二极管芯片与导线支架相连接，并同时作为该发光二极管的散热口，在发光二极管芯片上覆盖以高透光性物质。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管装置，尤其是一种具有低热阻的发光二极管装置，可使该发光二极管可在高功率下运作而不至使其装置内部温度过高而失效或损及寿命。该装置可供指示、照明、背光或装饰使用，为一种可靠的发光二极管光源。
背景技术
传统的发光二极管装置(如图1所示)将发光二极管芯片10置于金属导线架11一个电极上的凹槽内，该凹槽的功能为光的反射面，并使用金线或铝线14使该发光二极管芯片10电极引至另一极金属导线架上形成通路，该发光二极管芯片10及金属导线架11被透明环氧树脂12所包覆而仅透出两个接线脚。这种发光二极管装置已被大量广泛的使用于发光二极管交通号志灯、汽车第三煞车灯及电子产品的指示灯。
另一种被广泛使用的发光二极管装置(如图2所示)将发光二极管芯片10置于印刷线路板13上，并用金线或铝线14使该发光二极管芯片的电极接到印刷线路板上的电极，外面再覆以透光性良好的环氧树脂12，也可以在环氧树脂内添加荧光粉以产生白光。
这两种发光二极管装置都使用焊线连接芯片与导线，这种焊线大多为金线，所以均有一定的延展性及强度，广泛被半导体封装业所采用，由于金的价格昂贵，且工艺上焊线无论是在机器设备或是制作上均占有相当比例的成本，所以焊线工艺在整个封装成本上有一定的负担。同时由于芯片设计对面积及光学的考虑，基本上焊线直径大多只能是0.8至1.5mils，其所能承受的应力相当有限，因此焊线断裂成为发光二极管封装产品失效的最主要因素之一，尤其在近年来无铅焊锡工艺逐渐成为主流后，更高的焊接温度增加封装材料间因热膨胀系数造成的应力，致使产品因焊线断裂而失效，所以，取消焊线会是发光二极管封装的一项重大改善。
这两种发光二极管装置的缺点是芯片至接脚的热阻值过高，由于芯片为该装置的热源，在散热不足时会造成芯片的温度上升，当温度过高时则会造成寿命减短、亮度下降，甚至使该装置失效，所以散热是发光二极管装置的一个很重要的问题。
一般而言，发光二极管装置的散热特性是由热阻值所定义，由于发光二极管芯片为此装置的唯一热源而接脚为其散热途径，所以我们通常以发光二极管芯片的P-N接合面至其接脚之热阻值来定义该发光二极管装置的散热特性，以RθJ-P表示，其意义为从接合面(junction)至接脚(pin)的热阻，可以数学式表示：
RθJ-P＝TJ-TP/Q
TJ：发光二极管芯片接合面的温度；
TP：发光二极管装置接脚的温度；
Q：通过此热传途径的热通量(heat flux)。
由于发光二极管芯片为该装置的唯一热源，而且其所通过电能除少部分经转换后以电磁波形式散逸外，大部分能量均转换成热能。我们可简单的以该发光二极管芯片所消耗的电能代表所需经由该装置传递至接脚的热能，因此可将该数学式重新表示为：
RθJ-P＝TJ-TP/If×Vf
If：发光二极管芯片的电流；
Vf：发光二极管芯片的电压。
由于接脚温度是系统的参数，其值由该系统的散热特性所决定，在一定的热通量之下，当系统决定后其值固定，与该发光二极管装置的散热特性无关，所以我们可由上述之数学表示式得知：当发光二极管装置的热阻值愈高时，其芯片P-N接合面温度也愈高。
另一方面，从热传导学(conduction heat transfer)中得知，热传导热传的热阻可简单的表示为：
Rθ＝L/K×A
L：热传导途径的长度；
K：热传导物质的热传导系数(thermal conductivity coefficient)；
A：热传导途径的法向截面积。
因此我们可以得知，发光二极管装置的散热路程愈长、该路程的截面积愈小且该材质的热传导系数愈低时，该装置的热阻就愈大。所以要设计低热阻的发光二极管装置就必须使其散热路程愈短愈好，增大其散热面积并且选用热传导系数高的材质。
而上述发光二极管装置其主要散热途径是从芯片经由支架或印刷线路板散热，印刷线路板的材质大都为塑料类，其热传导系数大都非常低，所以无法由印刷线路板直接散热，而印刷线路板上的镀铜线路厚度多只有数十至数百微米，其散热截面积太小，所以该设计的热阻值很大，一般多在500-1000K/W之间。当使用功率稍高时，很容易造成发光二极管芯片过热。而以支架为散热途径，其材质多半为铜材或铁材，其散热特性颇佳，但是其截面积却太小，所以其热阻大约为150-250K/W之间，该装置可负荷的电流也只有在30mA左右。
为解决此问题，也有其它设计，来改良先前散热截面积不足的问题。如图3所示，用增加接脚的方式将其接脚面积增大，如此的确可有效降低其热阻，但是因为其散热途径仍然很长，所以其热阻值仍高达50-75K/W。
其后更进一步的发明如美国专利US6,274,924(如图4)，使用绝缘材料15包覆之导线架11，该绝缘材料中间留有一腔穴，并从该腔穴置入一额外增加的热终端件(heat sink)16，再将发光二极管芯片10固定在一个次载体(submount)17上，再固定于该热终端件上，并以金线连接其线路至正负极导线架上。该发明由于使用一额外增加的热终端件，可有效降低热传导路程的长度、增大热传导截面积，从而可降低该发光二极管装置的热阻至10-15K/W。但是，从制造角度而言，外加的热终端件增加了制造的复杂程度，也增加了工序，而且也增加了该发光二极管装置的整体高度。另一个问题是这种封装设计使用更大的芯片，封装面积增加使得材料间因热膨胀系数差异所引起的应力也相对增加，焊线断裂的风险也大增。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种发光二极管装置，其除具有低热阻的特性外，并可同时兼顾其制造的简单性及使该发光二极管装置的厚度能降到最低，达到轻薄短小的要求，同时要缩短焊线距离或完全取消焊线来大幅提升产品的可靠度。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是，包括一金属导线架，该导线架以蚀刻或冲压方式分割成正极导线支架及负极导线支架，该支架被一绝缘体所固定，该绝缘体中有一腔穴形成固晶区，所述正负极导线支架背面有部分露出于该绝缘体所形成的腔穴。发光二极管芯片以覆晶方式置于硅基板所形成之次载体上，该次载体上印刷有线路，并使用焊接方式将该发光二极管芯片通过该次载体上的线路与正极导线支架及负极导线支架相连接，高透光性之材料置于固晶区内用以覆盖该发光二极管芯片。
作为发明的进一步改进是在该高透光性材料上设置光学透镜，该透镜之材料可为环氧树脂、硅胶、玻璃、铁氟龙或其它符合透光性要求的材料，该透镜可减少内部全反射光(Total internal reflection)而提高亮度，并且可依其光学设计达到改变出光光型(light pattern)的目的，以符合不同的光学需求。
本发明的另一种进一步改进是，使用射出成型(injection molding)或压模(transfer molding)方式在所述由正负极导线支架及绝缘体所形成的支架组合的固晶腔穴中以高透光性材料形成一光学透镜。
本发明的再一种进一步改进是，使用多个发光二极管芯片，其可以是同色光芯片或异色光芯片，其连接结构可为串联、并联或者共阴、共阳。由此可提高其亮度，或在使用异色光芯片时达到混光变色的功能。
本发明一种发光二极管装置，使用芯片次载体直接散热，省却传统设计在次载体下再使用热终端件或金属支架散热，可有效降低整体高度，同时由于次载体上设有电路，可直接以焊接的方式连接导线支架，省却焊线工艺，无论在制造成本或产品可靠度方面都可大幅改善，其具有低热阻的特性，同时兼顾工艺的简单性及高可靠性。由于其低热阻的特性，该发光二极管装置可被使用于高功率的条件，将使用电流由传统的20mA提升至350mA或更高，也由于其工艺的简单性可以降低材料及制造成本，又由于其高可靠度，可适用于对可靠度有严苛要求的应用如汽车、飞机或大尺寸背光源，也可应用于更高温的环境及无铅焊锡工艺。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为穿孔(through hole)支架型发光二极管的结构示意图；
图2为印刷电路板表面黏着型发光二极管的结构示意图；
图3、图4分别为两种现有的低热阻发光二极管结构示意图；
图5为本发明安装有光学透镜实施例的分解示意图；
图6为本发明安装有光学透镜实施例的组合示意图；
图7为本发明低热阻发光二极管实施例的结构示意图；
图8为本发明安装有多个发光二极管芯片实施例的俯视图；
图9为本发明安装有多个发光二极管芯片实施例的侧视图；
图10为本发明设有静电保护线路实施例的结构示意图。
图中，10.发光二极管芯片；11.金属导线架；12.环氧树脂；13.印刷线路板；14.金线或铝线；15.塑料绝缘体；16.热终端件；17.次载体；18.支架之正极；19.支架之负极；21.硅胶；22.光学透镜；23.一对背对背之齐纳二极管。
具体实施方式
图5、图6所示为本发明一实施例，其将一金属支架以冲模方式将其分开为正极导线支架18及负极导线支架19，以射出成型(injection molding)方式使用塑料绝缘材质15包覆并固定上述导线架并形成腔穴，其中正极导线支架18及负极导线支架19的背面露出于腔穴中。以转进成型方式(transfer molding)用环氧树脂材料设置一光学透镜22于该腔穴上并与所述绝缘体15结合，且其底部有一凹槽，该光学透镜22与该绝缘体15互相嵌合所以无法从腔穴的上方或下方脱离。发光二极管芯片10以覆晶方式置于硅基板制成之次载体17上，该次载体上设有线路且以锡铅焊锡(Pb/Snsolder paste)焊接于导线架在腔穴的裸露部分，将发光二极管芯片与导线支架18、19相连接。以硅胶21覆盖该发光二极管芯片10并填充于该芯片与所述光学镜片之间的空隙，形成一无焊线工艺的低热阻与高可靠度的发光二极管装置。
图7为本发明的另一实施例，其将一金属支架以冲模方式将其分开为正极导线支架18及负极导线支架19，以射出成型(injection molding)方式使用塑料绝缘材质15包覆并固定上述导线架并形成腔穴，其中正极导线支架18及负极导线支架19的背面露出于腔穴中。发光二极管芯片10以覆晶方式置于氮化铝基板制成之次载体17上，该次载体上设有线路且以焊锡(solder paste)焊接于导线架在腔穴的裸露部分，将发光二极管芯片与导线支架18、19相连接。以硅胶21覆盖该发光二极管芯片10，则形成一无焊线工艺的低热阻与高可靠度的发光二极管装置。
图8、图9为本发明的另一实施例，其为将金属支架以冲模方式将其分开为三个正极导线支架18及一个负极导线支架19，以射出成型(injectionmolding)方式使用塑料绝缘材质15包覆并固定上述导线架并形成腔穴，其中上述之三个正极导线支架18及负极导线支架19的背面露出于腔穴中。以转进成型方式(transfer molding)以环氧树脂材料设置一光学透镜22于该腔穴上并与上述绝缘体15结合且其底部有一凹槽，该光学透镜22与该绝缘体15互相嵌合所以无法从腔穴的上方或下方脱离。三个分别可发出红色、绿色及蓝色光之发光二极管芯片10以覆晶方式置于硅基板制成的次载体17上，该次载体上设有线路且以焊锡(solder paste)焊接于导线架在腔穴的裸露部分，将发光二极管芯片与导线支架18、19相连接，以硅胶21覆盖该发光二极管芯片10并填充于该芯片与所述光学镜片之间的空隙，形成一无焊线工艺的低热阻、高可靠度且可发出红绿蓝及混光颜色的发光二极管装置。
图10为本发明的另一实施例，其将一金属支架以冲模方式将其分开为正极导线支架18及负极导线支架19，以射出成型(injection molding)方式使用塑料绝缘材质15包覆并固定所述导线架并形成腔穴，其中所述之三个正极导线支架18及负极导线支架19的背面露出于腔穴中。以转进成型方式(transfer molding)以环氧树脂材料设置一光学透镜22于该腔穴上，并与所述绝缘体15结合且其底部有一凹槽，该光学透镜22与该绝缘体15互相嵌合所以无法从腔穴的上方或下方脱离。一个可发出蓝色光的发光二极管芯片10及一对背对背之齐纳二极管23，以银胶黏着方式置于铝基板制成之次载体17上，并以焊线14将发光二极管芯片10和齐纳二极管23与该铝基板制成之次载体17相连接，其中所述一对背对背之齐纳二极管23与所述发光二极管芯片10并联。该铝基板制成的次载体17实际上为一种金属基材印刷线路板(MCPCB，metal core printing circuit board)，且该金属基材印刷线路板以焊锡焊接于导线架在腔穴的裸露部分，将发光二极管芯片与导线支架18、19相连接，再以硅胶21覆盖该发光二极管芯片10并填充于该芯片与上述光学镜片之间的空隙，则形成一低热阻、高可靠度且具有静电保护装置的发光二极管装置。
Claims (9)
1.一种发光二极管装置，其特征在于，包括：
金属导线架，该导线架被间隔为互不相连的正极导线架和负极导线架；
绝缘材料，以包覆所述金属导线架，并形成一个腔穴，且所述金属导线架的背面部分裸露在腔穴中；
单个或多个发光二极管芯片，以覆晶方式置于一个次载体上，该次载体表面设有线路，将所述发光二极管芯片与金属导线架相连接，该次载体以焊接或黏着方式与金属导线架相连接；
在发光二极管芯片上覆以折射率大于1.3、透光性高于80％的透光性材料并包覆芯片。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管装置，其特征在于，还包括光学透镜，所述光学透镜以射出成型、转进成型或其它成型方式设置在腔穴上方并与所述绝缘体结合；所述透光性材料填充在发光二极管芯片与光学透镜间。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管装置，其特征在于，单个或多个发光二极管芯片，以热传导系数高于1W/m-K的材料黏着于次载体上。
4.根据权利要求1所述的一种发光二极管装置，其特征在于，承载芯片的次载体的基板材质可为硅、金属、金属合金、陶瓷、氮化铝或其组合。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管装置，其特征在于，该光学透镜在波长550nm的透光性大于70％，其材质可为光学塑料、环氧树脂、玻璃、硅胶、铁氟龙或其组合。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管装置，其特征在于，该包覆芯片的透光性材料的材质可为光学塑料、环氧树脂、玻璃、硅胶或其组合。
7.根据权利要求1所述的一种发光二极管装置，其特征在于，该装置具有多个的正极导线架，或具有多个的负极导线架，或同时具有多个正极导线架和负极导线架。
8.根据权利要求1所述的一种发光二极管装置，其特征在于，该装置具有多个次载体承载芯片。
9.根据权利要求1所述的一种发光二极管装置，其特征在于，该装置内设有静电保护线路。
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