CN101378096A

CN101378096A - 发光二极管封装结构

Info

Publication number: CN101378096A
Application number: CNA2007101424519A
Authority: CN
Inventors: 林鸿辉; 陈绍文; 周政泰; 谢瑞青; 叶旭钧; 陈嘉瑞; 陈宗耀; 陈孟壕; 王邦吉
Original assignee: NATIONAL APPLIED RESEARCH LABORATORIES NATIONAL SPACE ORGANIZATION; Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: NATIONAL APPLIED RESEARCH LABORATORIES NATIONAL SPACE ORGANIZATION; Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2009-03-04

Abstract

本发明公开了一种发光二极管封装结构，其包括第一电极、第二电极以及发光二极管芯片。发光二极管芯片是配置于第一电极上，并分别与第一电极以及第二电极电学连接，且第一电极与第二电极中至少一个为热管。由于热管具有较佳的散热效果，因此，可使整个发光二极管封装结构具有较佳的散热效果，以延长其使用寿命，并提高其发光效率。

Description

发光二极管封装结构

技术领域

本发明涉及一种发光二极管封装结构，且特别涉及一种有助于提升发光二极管芯片的散热效果的发光二极管封装结构。

背景技术

发光二极管属于一种半导体组件，其发光芯片的材料主要使用III-V族化学元素，如:磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等化合物半导体，其发光原理是将电能转换为光，也就是对化合物半导体施加电流，透过电子与空穴的复合，将过剩的能量以光的形式释出，而达成发光的效果。由于发光二极管的发光现象不是藉由加热发光或放电发光，而是属于冷性发光，因此发光二极管的寿命长达十万小时以上，且无须暖灯时间(idlingtime)。此外，发光二极管具有反应速度快(约为10^-9秒)、体积小、用电省、污染低(不含水银)、高可靠度、适合量产等优点，因此其所能应用的领域十分广泛，例如需要高速反应的扫描仪灯源、液晶显示器的背光源或前光源汽车的仪表板照明、交通信号灯以及一般的照明装置等。

现有的发光二极管是以氮化镓(GaN)为主要材质，而藉由外延(epitaxy)的方式制作而成。其中，发光二极管主要包括基板(substrate)、半导体层(semi-conductive layer)、两个外接电极，且半导体层内进一步包括分别具有N型及P型掺杂的两束缚层(confinement layer)以及位于两束缚层间的发光层(active layer)。当对外接电极施加正向偏压时，电流会流经半导体层，而在发光层内产生电子与空穴的复合，进而使得发光层发光。

发光二极管是属于一种高功率组件，其80％的功率是以热能的形式输出，而剩下20％的功率才是以光能的形式输出。因此，若发光二极管封装结构中没有搭配适当的散热装置时，其产生的热能将会导致内部温度升高，进而影响发光二极管组件的发光效率，并缩短其使用寿命。所以，高功率发光二极管的散热实为一个亟待解决的课题。

在中国台湾专利第545702号专利中，揭露了一种“发光二极管散热结构”，其包含由导热材料(例如金属块材)制作而成的阴极区与阳极区以及发光二极管芯片。发光二极管芯片是配置于阴极区上，并藉由导线与阳极区电学连接。此散热结构主要是利用位于发光二极管芯片下方的阴极区将发光二极管芯片工作时所产生的热能传导至外界。然而，由于金属块材的散热效果较慢，相对而言，其热传量较小，因此，当应用于高瓦数的发光二极管芯片时，其热传量明显不足，而会造成使用寿命缩短以及亮度不足的问题。

此外，在中国台湾第200428675号专利公开案中，揭露了一种“具有散热聚光作用的发光二极管支架结构改良”，其利用高散热金属块材作为发光二极管支架主体，并利用机械加工方式使支架成为空心柱结构，或是使其具有斜切面的结构，以增加散热面积。此方式虽有助于提升发光二极管芯片的热传导效率，然而，此支架结构的加工不易，因此，会造成制作成本增加，且会面临到无法量产的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种发光二极管封装结构，适于解决现有的发光二极管组件所遭遇到的散热问题，以延长其使用寿命，并提高其发光效率。

为达上述或是其它目的，本发明提出一种发光二极管封装结构，其包括第一电极、第二电极以及发光二极管芯片。第一电极与第二电极彼此电学绝缘。发光二极管芯片配置于第一电极上，并分别与第一电极以及第二电极电学连接，其中第一电极与第二电极中至少一个为热管。

在本发明的一个实施例中，上述的第一电极为阴极，且第二电极为阳极。

在本发明的一个实施例中，上述的第一电极具有反射凹槽，以容置发光二极管芯片。

在本发明的一个实施例中，发光二极管封装结构进一步包括导线，而发光二极管芯片是透过导线与第二电极电学连接。

在本发明的一个实施例中，发光二极管封装结构进一步包括透镜，此透镜是配置于第一电极与第二电极上，且覆盖发光二极管芯片。

在本发明的一个实施例中，发光二极管封装结构进一步包括绝缘黏着层，此绝缘黏着层是配置于第一电极与第二电极之间。

在本发明的一个实施例中，发光二极管封装结构进一步包括散热基板，上述的第一电极与第二电极是配置于散热基板上方。

在本发明的一个实施例中，发光二极管封装结构进一步包括导热块，此导热块是位于第一电极与第二电极的下方，且位于散热基板的上方。

在本发明的一个实施例中，热管包括回路式热管、平板式热管及液态流体循环***。更进一步而言，此液态流体可为水、丙酮、冷却介质、纳米流体及液态金属。

在本发明的一个实施例中，上述的第一电极为热管。

在本发明的一个实施例中，上述的第二电极为另一热管或金属块材。

在本发明的一个实施例中，上述的第二电极为热管，且第一电极为金属块材。

在本发明的一个实施例中，上述的第一电极为热管，而第二电极为金属管，且第二电极是套设于第一电极的***。更进一步而言，此发光二极管封装结构进一步包括散热器，此散热器是配置于第一电极的***远离发光二极管芯片的一端。

本发明的发光二极管封装结构主要包含有第一电极、第二电极以及发光二极管，发光二极管芯片是配置于第一电极(即阴极)上，并分别与第一电极与第二电极电学连接，且第一电极与第二电极中至少有一个为热管。由于热管具有较佳的散热效果，因此，可使整个发光二极管封装结构具有较佳的散热效果，以延长其使用寿命，并提高其发光效率。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1A绘示为依照本发明的第一实施例的一种发光二极管封装结构的上视示意图。

图1B绘示为沿着图1A的发光二极管封装结构中I-I’剖面线所绘的剖面示意图。

图2绘示为依照本发明的第二实施例的一种发光二极管封装结构的剖面示意图。

图3绘示为依照本发明的第三实施例的一种发光二极管封装结构的剖面示意图。

图4绘示为依照本发明的第四实施例的一种发光二极管封装结构的剖面示意图。

图5绘示为依照本发明的第五实施例的一种发光二极管封装结构的剖面示意图。

图6绘示为依照本发明的第六实施例的一种发光二极管封装结构的剖面示意图。

图7A绘示为依照本发明的第七实施例的一种发光二极管封装结构的上视示意图。

图7B绘示为沿着图7A的发光二极管封装结构中II-II’剖面线所绘的剖面示意图。

图8A绘示为现有以金属块材作为发光二极管芯片的阴极区的仿真示意图。

图8B绘示为本发明以热管作为发光二极管芯片的第一电极的模拟示意图。

图9A及9B所示分别为以图8A及8B中所示的发光二极管封装结构的模型进行计算机仿真后所得的金属块材与真空腔体其沿重力方向的温度分布曲线。

附图标记说明

100、100a、100b、100c、100d、100e、100f:发光二极管封装结构

110、110b、110c、110d、110e、110f:第一电极

112、112f:反射凹槽 114:微结构

120、120a、120b、120c、120d、120e、120f:第二电极

130:发光二极管芯片 140、140c:黏着层

150:导线 160:散热基板

170:透镜 180:导热块

190:散热器 200:印刷电路板

300:发光二极管封装结构 310:发光二极管芯片

320:金属块材 330:散热器

400:发光二极管封装结构 410:发光二极管芯片

420:真空腔体 430:散热器

具体实施方式

第一实施例

图1A绘示为依照本发明的第一实施例的一种发光二极管封装结构的上视示意图。图1B绘示为沿着图1A的发光二极管封装结构中I-I’剖面线所绘的剖面示意图。请参考图1A及1B，本发明的发光二极管封装结构100主要包含第一电极110、第二电极120以及至少一个发光二极管芯片130。

第一电极110与第二电极120彼此电学绝缘，且二者之间可藉由绝缘的黏着层140将二者连结在一起。一般而言，第一电极110与第二电极120可以分别作为阴极端与阳极端来使用。发光二极管芯片130配置于第一电极110上。在此实施例中，第一电极110上配置有五个发光二极管芯片130，然而，使用者可依据不同的使用需求，于第一电极110上配置一个或是两个以上的发光二极管芯片130，本发明对于发光二极管芯片130的数目及其排列方式不作任何限制。更进一步而言，各发光二极管芯片130的下表面及上表面上分别设置有接垫(图中未示)，位于发光二极管芯片130的下表面上的接垫可透过导电胶体或是其它方式与第一电极110电学连接，而位于发光二极管芯片130的上表面上的接垫则可透过利用打线方式形成的导线150与第二电极120电学连接。然而，本发明对于发光二极管芯片130与第一电极110以及第二电极120之间电学连接的方式不作任何限制。

为使发光二极管芯片130工作时所产生的热能可以迅速排除，上述的第一电极110与第二电极120中需至少有一个为热管(Heat Pipe)，以藉由热管将发光二极管芯片130所产生的热能迅速排除。相较于现有技术中以高导热的金属块材(例如:铜、铝)作为发光二极管封装结构中的阳极区以及阴极区，由于热管具有较佳的热传导能力，因此，可有助于将发光二极管芯片130工作时所产生的热能迅速排除，以延长其使用寿命，并可提升其发光效率。

上述的热管可为传统的热管、回路式热管、平板式热管及液态流体循环***，本发明对于热管的形式不作任何限制。此外，热管内的工作流体可为液体(例如:甲醇、丙酮、水、冷却介质及液态金属等)、气体、液体混合气体的两相流或是掺杂有纳米粒子的液体等。

在此实施例中，第一电极110是由散热效果良好的热管所组成，而第二电极120是由高导热的金属块材(例如:铜、铝)所组成，如此，藉由热管与金属块材的搭配，以提升发光二极管封装结构100的散热效率。此具有热管型态的第一电极110在制作时，可先经由外型设计使其上表面形成反射凹槽112，以反射发光二极管芯片130所发出的光线。此外，在热管的内壁面上可选择性地形成微结构114，以提升热管内的毛细结构所产生的毛细力。由于毛细力是热管内的工作流体流动时主要的驱动力，因此，毛细力增加后可加速流体循环的过程，以进一步地提升热管的散热效率。此微结构114的形式可为烧结粉粒式微结构、网状结构式微结构、表面凹凸式微结构，或是将上述几种不同形式的微结构混合使用亦可，本发明对于微结构114的形式不作任何限制。

此外，发光二极管封装结构100可进一步包含散热基板160，此散热基板160是设置于第一电极110与第二电极120的下方，且其可由导热金属板或是散热组件所组成，以将多余的热能排除至外界。再者，在第一电极110与第二电极120的上方可设置透镜170，如此，由发光二极管芯片130所发出的光线可经由反射凹槽112与透镜170的反射与折射而出射至外界。

第二实施例

图2绘示为依照本发明的第二实施例的一种发光二极管封装结构的剖面示意图。请参考图2，此发光二极管封装结构100a大致上是与图1B中所示的发光二极管封装结构100相同，而二者不同之处在于:发光二极管封装结构100a中的第二电极120a也是由热管所组成，如此，可更进一步地提升其散热效率。

第三实施例

图3绘示为依照本发明的第三实施例的一种发光二极管封装结构的剖面示意图。请参考图3，此发光二极管封装结构100b大致上是与图2中所示的发光二极管封装结构100a相同，而二者不同之处在于:发光二极管封装结构100b中的第一电极110b是由高导热的金属块材(例如:铜、铝)所组成，而第二电极120b是由热管所组成。

第四实施例

图4绘示为依照本发明的第四实施例的一种发光二极管封装结构的剖面示意图。请参考图4，此发光二极管封装结构100c与图1B的发光二极管封装结构100稍有不同，发光二极管封装结构100c中的第一电极110c是由长条型的热管所组成，而第二电极120c是由长条型的金属块材所组成。此第一电极110c与第二电极120c之间是藉由绝缘的黏着层140c而彼此连结在一起。此外，在第一电极110c与第二电极120c的下方以及散热基板160的上方设置有导热块180，第一电极110c、第二电极120c以及导热块180三者之间是彼此电学绝缘。第一电极110c与第二电极120c是固定于导热块180上，如此，各组件之间不致因加工过程而彼此分离。由于发光二极管封装结构100c中的其它组件大致与图1B中所示的组件相同，所以，在此不再重述。

第五实施例

图5绘示为依照本发明的第五实施例的一种发光二极管封装结构的剖面示意图。请参考图5，此发光二极管封装结构100d大致上是与图4中所示的发光二极管封装结构100c相同，而二者不同之处在于:发光二极管封装结构100d中的第一电极110d是由高导热的金属块材(例如:铜、铝)所组成，而第二电极120d是由热管所组成。

第六实施例

图6绘示为依照本发明的第六实施例的一种发光二极管封装结构的剖面示意图。请参考图6，此发光二极管封装结构100e大致上是与图5中所示的发光二极管封装结构100d相同，而二者不同之处在于:发光二极管封装结构100e中的第一电极110e与第二电极120e皆是由热管所组成，以进一步地提升其散热效率。

第七实施例

图7A绘示为依照本发明的第七实施例的一种发光二极管封装结构的上视示意图。图7B绘示为沿着图7A的发光二极管封装结构中II-II’剖面线所绘的剖面示意图。请参考图7A与7B，本发明的发光二极管封装结构100f同样包含第一电极110f、第二电极120f以及发光二极管芯片130。在此实施例中，第一电极110f是由管状的热管所组成，其同样可为传统的热管、回路式热管或是平板式热管。发光二极管芯片130同样是设置于第一电极110f的反射凹槽112f中。第二电极120f是由具有高导热性质的金属管(例如:铜、铝)所构成，此第二电极120f是套设于第一电极110f的***邻近于配置有发光二极管芯片130的一端。由于第一电极110f是由管状的热管所组成，因此，其可穿设并固定于印刷电路板200上。此外，在第一电极110f的***远离发光二极管芯片130的一端更可设置散热器190，以更进一步地将热能排除至外界。

为证明本发明的发光二极管封装结构实质上具有较佳的散热效果，发明人以计算机仿真的方式仿真出现有的发光二极管封装结构的阴极端与本发明的发光二极管封装结构的第一电极二者的温度分布，以分别计算出二者的最高温度与均温性，进而得知其散热效果的优劣。

在进行计算机仿真时，是以下列两种不同状况进行计算机仿真。图8A绘示为现有以金属块材作为发光二极管芯片的阴极区的仿真示意图；图8B绘示为本发明以热管作为发光二极管芯片的第一电极的模拟示意图。请参考图8A，现有的发光二极管封装结构300包含18个2W的发光二极管芯片310、金属块材320以及散热器330。这些发光二极管芯片310是配置于金属块材320的上表面，而散热器330则是配置于金属块材320的下表面。接下来，请参考图8B，此发光二极管封装结构400包含18个2W的发光二极管芯片410、真空腔体420以及散热器430。这些发光二极管芯片410是配置于热管420的上表面，而散热器430则是配置于热管420的下表面。此真空腔体420是用以模拟本发明的发光二极管封装结构中的第一电极，其包含有微结构422以及二相流424。图8A与8B中的发光二极管芯片310与410具有相同的规格，且其散热器330与430也具有相同的规格；此外，其金属块材320与热管420具有相同的几何外型。

图9A及9B所示分别为以图8A及8B中所示的发光二极管封装结构的模型进行计算机仿真后所得的金属块材与真空腔体其沿长轴方向的温度分布曲线。由图9A及9B可知:图8A中所示的金属块材320其沿着长轴方向上的温度变化较大，而图8B中所示的真空腔体420其沿着长轴方向上的温度变化较小。

由上述计算机仿真的结果可知:相较于现有以金属块材作为阴极区的发光二极管封装结构而言，本发明的发光二极管封装结构实其真空腔体(即热管)具有较低的最高温度以及较佳的均温性，如此，可使整个发光二极管封装结构具有较佳的散热效果。

综上所述，本发明的发光二极管封装结构是利用热管作为发光二极管芯片的第一电极或第二电极，或是同时以热管作为其第一电极与第二电极。相较于传统以金属块材作为发光二极管的阴极区与阳极区的发光二极管散热结构而言，由于热管具有较佳的散热效果，因此，可使整个发光二极管封装结构具有较佳的散热效果，以延长其使用寿命，并提高其发光效率。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围由权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种发光二极管封装结构，包括:

第一电极；

第二电极，其中该第一电极与该第二电极电学绝缘；以及

发光二极管芯片，配置于该第一电极上，并分别与该第一电极以及该第二电极电学连接，其中该第一电极与该第二电极中至少一个为热管。

2.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该第一电极为阴极，且该第二电极为阳极。

3.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该第一电极具有反射凹槽，以容置该发光二极管芯片。

4.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，进一步包括导线，其中该发光二极管芯片透过该导线与该第二电极电学连接。

5.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，进一步包括透镜，其中该透镜配置于该第一电极与该第二电极上，且覆盖该发光二极管芯片。

6.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，进一步包括绝缘黏着层，配置于该第一电极与该第二电极之间。

7.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，进一步包括散热基板，其中该第一电极与该第二电极配置于该散热基板上方。

8.如权利要求7所述的发光二极管封装结构，进一步包括导热块，其中该导热块位于该第一电极与该第二电极的下方，且位于该散热基板的上方。

9.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该热管包括回路式热管。

10.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该热管包括平板式热管。

11.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该热管包括液态流体循环***。

12.如权利要求11所述的发光二极管封装结构，其中该液态流体循环***中的液态流体为水。

13.如权利要求11所述的发光二极管封装结构，其中该液态流体循环***中的液态流体为丙酮。

14.如权利要求11所述的发光二极管封装结构，其中该液态流体循环***中的液态流体为冷却介质。

15.如权利要求11所述的发光二极管封装结构，其中该液态流体循环***中的液态流体为纳米流体。

16.如权利要求11所述的发光二极管封装结构，其中该液态流体循环***中的液态流体为液态金属。

17.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该第一电极为该热管。

18.如权利要求17所述的发光二极管封装结构，其中该第二电极为另一热管或金属块材。

19.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该第二电极为该热管，且该第一电极为金属块材。

20.如权利要求1所述的发光二极管封装结构，其中该第一电极为该热管，而该第二电极为金属管，且套设于该第一电极的***。

21.如权利要求20所述的发光二极管封装结构，进一步包括散热器，配置于该第一电极的***远离该发光二极管芯片的一端。