TWI772098B

TWI772098B - 長條狀發光二極體及其應用裝置

Info

Publication number: TWI772098B
Application number: TW110125216A
Authority: TW
Inventors: 陳炎成; 張志強; 黃文星; 蔡增光; 黃國欣
Original assignee: 聯嘉光電股份有限公司
Priority date: 2021-07-09
Filing date: 2021-07-09
Publication date: 2022-07-21
Also published as: TW202303036A

Abstract

本發明公開一種長條狀發光二極體與長條狀發光二極體發光裝置，其包括一基板、多個發光二極體晶粒、多條連接發光二極體晶粒電極的電性連接導線、以及一封裝膠體。多個發光二極體晶粒呈線性排列，由封裝膠體所包覆，且封裝膠體在特定相鄰的兩個發光二極體晶粒之間存在一橫向的細橫向溝槽。

Description

長條狀發光二極體及其應用裝置

本發明涉及一種長條狀發光二極體及其應用裝置，特別是涉及一種在封裝膠體具有橫向細橫向溝槽的長條狀發光二極體，可改善長條狀發光二極體的抗冷熱溫度循環或冷熱衝擊的信賴性。

發光二極體(Light Emitting Diode，簡稱LED)具有高亮度、節能、多色彩及快速變化的諸多特性，已廣泛應用于各種需要光源的照明領域，包括汽車車燈領域。一般市面上的LED大都是採用單一顆晶粒封裝，故點亮時都是呈現點狀的光源。早期的LED車燈也以多點式光源為特徵，以分辨跟白熾燈泡之不同。

日本專利(JPA特開2012-59736、JPA特開2016-167518)分別利用多顆LED晶粒排成一列，灌膠封裝成一長條狀的LED燈條或LED燈管，應用在室內照明。有業者利用多顆LED晶粒排成一列，灌膠封裝成一長條狀的LED水管燈，應用在戶外的裝飾燈。以上多顆LED晶粒封裝的長條LED，其抗冷熱溫度循環或冷熱衝擊的信賴性均不佳，但因使用環境大多是在戶內的室溫，或戶外的-30℃到50℃之間，不是溫度變化範圍很大的嚴苛環境，短時間應用尚不致有失效的問題。相對上，LED應用在汽車外部燈具的環境就極為嚴苛。因此，汽車界對LED的品質及可靠度要求也特別嚴苛，例如業界熟知的AEC-Q102測試規範及USCAR 33測試規範等。其中USCAR 33的Thermal Shock測項的測試溫度範圍從-55℃到150 ℃，遠比前述的戶外LED裝飾燈的使用環境嚴苛。

為了開發均勻無顆粒狀亮點的線形LED車燈，專利前案TWI708908，專利名稱：纖細線型LED發光裝置，其提出了一種纖細線型LED發光裝置的構造及製作技術，是利用多個同類LED晶粒(plurality LED chips)封裝體LED Bar(或稱LED條)當光源，該LED Bar本身是一段連續且視覺上發光均勻的線光源，有別於一般採用個粒狀LED封裝體當光源的設計，特別適合應用於高質感線形車燈。該纖細線型LED發光裝置應用在具薄形導光片的線條形燈具，特別是車燈，能夠有效解決現有LED光源應用在高質感車燈燈具的諸多問題，包括在視覺上看到發光不連續、明暗不均、呈現顆粒狀亮點等先前LED線型車燈常發生的問題。

然而，含有多個晶粒的長條形發光二極體(LED)，當其內部發光二極體晶粒上電極的連接是採用金線時(wire bonding)，因金線跟封裝膠體之間的線膨脹係數(Coefficient of Linear Thermal Expansion，簡稱CLTE)差異很大，在溫度變化下，膠體對金線產生擠壓或拉扯的熱應力，隨溫度的下降或上升而來回變化。基本上，這熱應力的大小跟膠體的剛性或體模數(Bulk Modulus)及溫度變化的範圍成正比。此外，當發光二極體膠體的長度越長，對發光二極體內那些離膠膠中心越遠的金線，上述膠體施加給金線的熱應力也會越大。換句話說，當一長條狀發光二極體的長度因包含越多顆晶粒而增長，在溫度大幅變化時，其內部金線遭受的變形量或熱應力也隨之增大。這熱應力的大小跟發光二極體膠體材質息息相關，詳述如下。

一般發光二極體封裝(Encapsulation)所用的膠材以環氧樹脂(Epoxy)或矽膠(Silicone)為主。其中，環氧樹脂為熱固型樹脂，封裝後即成為固體，其點型的線熱膨脹係數(CLTE)在玻璃轉換溫度(Tg)以下大約為20-40ppm；在玻璃轉換溫度(Tg)以上則上升為約3-4倍，均大於金線的線熱膨脹係數(CLTE)14ppm/℃(室溫下，但其值對溫度變化不大)。一般汽車用LED的Tg溫度要求較高，約80-120℃，以提升其高溫下的可靠度性能。至於環氧樹脂的體模數(Bulk Modulus)也是隨溫度而變，在Tg點以下約1-3Gpa；從Tg點到150℃則逐漸下降到0.1-1Gpa。

發光二極體封裝(Encapsulation)所用的矽膠主要有兩種；分別是甲基(Methyl Base)矽膠及苯基(Phenyl Base)矽膠。前者的Tg溫度較低(低於-50℃)，故在汽車要求的使用環境(-50℃到150℃)下，甲基矽膠的體模數相對較低，以Dow-Corning的OE-6351為例，其體模數在-50℃到150℃間都小於0.01Gpa。當溫度變化時，甲基矽膠對發光二極體內金線產生的熱應力也因之較低。在-50℃到150℃間，Dow-Corning OE-6351的線熱膨脹係數(CLTE)大約為290ppm/℃，大約是金線線熱膨脹係數(CLTE)的20倍。至於苯基(Phenyl Base)矽膠，因其光折射係數(Refractive Index)相對較高(1.5-1.6)，主要應用於高亮度及高功率發光二極體的封裝。但苯基(Phenyl Base)矽膠的Tg溫度相對較高，以Dow-Corning的多種苯基矽膠的Tg為例，大部分落在-10℃到50℃之間。故這些苯基矽膠的體模數在汽車要求的使用環境(-50℃到150℃間)變化很大，以Dow-Corning的OE-7662為例，其體模數在-50℃高達1GPa，是Dow-Corning甲基矽膠OE-6351的100倍，在Tg點附近快速下降，到50℃以上則為3.0MPa以下。當溫度變化到0到-50℃時，苯基矽膠對發光二極體內金線產生的熱應力也相對較高。苯基矽膠的線熱膨脹係數(CLTE)也是隨Tg點溫度的上下有明顯的變化，以Dow-Corning OE-7662為例，其線熱膨脹係數(CLTE)在0到-50℃間約為81ppm/℃，約是甲基矽膠OE-6351的三分之一，在50到150℃間則升高為181ppm/℃，接近甲基矽膠OE-6351，也都遠大於金線的14 ppm/℃。

在彈性變形的範圍內，材料的變形(應變，Strain)跟應力(Stress)呈線性關係，即應力=彈性係數(或剛性係數)x應變。針對樹脂類材料的剛性係數大都以體積彈性係數(Bulk Modulus，又稱體積模數，簡稱體模數)表示，即壓力=體模數x體積變形比。換句話說，當封裝所用膠材的體模數越高，在相同的變形量下，產生的應力也越大。從以上發光二極體封裝常用膠材的特性來看，環氧樹脂的體模數在-50℃到150℃都在1GPa上下，故對金線產生的熱應力最大，這也是習知環氧樹脂封裝的發光二極體無法通過前述汽車規範的主要原因。苯基矽膠的體模數在-50℃到Tg點間也在1GPa上下，在此低溫範圍，甲基矽膠的體模數才約0.01Gpa，故在熱變形量差異不大的情況，苯基矽膠對發光二極體內金線產生的熱應力也比甲基矽膠來得大很多。

大部分材料都是熱脹冷縮，發光二極體中的膠體及金線也不例外。當溫度下降時，因膠體的線熱膨脹係數大於金線的線熱膨脹係數，金線會受到膠體收縮的擠壓而變形。反之當溫度上升時，因膠體的線熱膨脹係數大於金線的線熱膨脹係數，金線會受到膠體較大膨脹量的拉扯而朝反方向變形。換句話說，在溫度上下變化過程中，發光二極體內的金線受到不同方向的熱應力而來回變形，形成所謂的熱疲勞(Thermal Fatigue)。當這種溫度上下變化的循環次數持續增加時，發光二極體內的金線會因疲勞破壞機制而發生斷裂。習知的金線疲勞壽命(即造成斷裂的疲勞次數)隨疲勞的應力增加而遞減，換句話說，熱疲勞(Thermal Fatigue)的熱應力越大，金線能承受熱疲勞的次數越少。當發光二極體在做汽車規範測試時，在相同的溫度循環或冷熱衝擊測試，膠體產生熱應力越大者，發生金線斷裂的時間也較早。

另，當溫度變化時，在一般的長條形的發光二極體內，各金線所受的熱應力會不同位置而異。因發光二極體膠體的熱變形量從膠體中心到膠體外緣呈線性增加，離膠體中心越遠的金線承受的熱應力及變形量也越大。故，當發光二極體膠體長度越長時，接近膠體外緣的金線的熱應力也越大。

以實際案例說明，當一含4顆晶粒，長約5mm的發光二極體，採用金線連接(Wire Bonding)工藝封裝，而封裝膠材為苯基矽膠，包括信越的LPS-3435、KER-2460或Dow-Corning的OE-6631、OE-6636，在進行上述汽車規範USCAR 33要求的測試時，因膠體熱應力過大，導致發光二極體內部分金線斷裂，最終絕大部分發光二極體均測試失敗。進一步分析發現，所有測試失敗發光二極體的失效模式，都是最靠近封裝膠體邊緣的金線斷裂，且金線斷裂位置都發生在靠近第一銲點，也就是靠近LED晶粒上表面的銲線點。印證上述，離膠體中心越遠的金線承受的熱應力及變形量也越大。本發明針對發光二極體膠體結構設計的創新，克服上述的問題，使一含多顆晶粒的長條狀發光二極體，即使是採用金線連接(Wire Bonding)工藝封裝，且其封裝膠材為高硬度膠材，例如苯基矽膠，也能通過符合汽車規範要求的測試，使其能應用在汽車的外部車燈上。

本發明所要解決的技術問題在於，針對一含多顆晶粒的長條狀發光二極體，即使是採用金線連接(Wire Bonding)工藝封裝，且其封裝膠材為高硬度膠材，例如苯基矽膠的長條狀發光二極體，提供一種創新封裝結構及膠體結構設計，使發光二極體內金線的熱應力降低，改善其抗冷熱溫度循環或冷熱衝擊的信賴性，以達到符合汽車要求USCAR 33規範中的冷熱衝擊測試。而本發明的另一特徵是此結構同時能保有線型發光的均勻性，不會因膠體的特殊結構而造成亮點或暗區，在組裝成纖細線形發光裝置的應用時，亦不會造成組裝上或配光設計上的困難。

本發明的長條狀發光二極體可以應用在專利前案TWI708908，專利名稱：纖細線型LED發光裝置上，提供一種纖細線型發光二極體發光裝置，使應用在汽車車燈上。本發明的長條狀發光二極體包括一基板、多條電性連接導線(例如：金線、鋁線或銅線)、多個同類發光二極體晶粒以及一封裝膠體。基板上設置多個導電墊(Electric Conducting Pad)，多個發光二極體晶粒依適當間距線性排列，利用固晶(Die Bonding)工藝，使每一發光二極體晶粒固著在對應的導電墊上。依發光二極體晶粒的特性及電性連接要求，利用導線連接(Wire Bonding)工藝，使一導線的一端連接其中一發光二極體晶粒，另一端連接晶粒旁的導電墊。利用封裝(Encapsulation)工藝，使封裝膠體設置在基板上，且封裝膠體包覆每一發光二極體晶粒、每一條電性連接導線、以及基板上的每一導電墊，特殊之處是封裝膠體在特定相鄰的兩個發光二極體晶粒之間存在一細寬度的橫向溝槽。

本發明的長條狀發光二極體，其封裝膠體存在至少一細寬度的橫向溝槽，使發光二極體內包覆電性連接導線的等效膠體長度變短，以有效降低膠體對電性連接導線(例：金線)的熱應力，進而降低電性連接導線因熱疲勞而斷裂的風險。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

Z:長條狀發光二極體發光裝置

U:長條狀發光二極體

W:橫向溝槽寬度

H:橫向溝槽底部高度

B:印刷電路板

C:電性連接器

1:基板

11、11a、11b、11c、11d、11e、11f:導電墊

12:導電墊

2:電性連接導線

3a、3b、3c、3d、3e、3f:發光二極體晶粒

4:封裝膠體

5:橫向溝槽

51:第一橫向溝槽

52:第二橫向溝槽

501:橫向溝槽底部

6:固晶膠

圖1為本發明第一實施例的長條狀發光二極體的立體示意圖。

圖2為本發明第一實施例的長條狀發光二極體的側視示意圖。

圖3為本發明第二實施例的長條狀發光二極體的立體示意圖。

圖4為本發明第二實施例的長條狀發光二極體的側視示意圖。

圖5為本發明多個長條狀發光二極體應用在一長條狀發光二極體發光裝置的立體示意圖。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“長條狀發光二極體及其應用裝置”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件，但這些元件不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

參閱圖1及圖2所示，圖1為本發明實施例一長條狀發光二極體(U)的立體示意圖，圖2為本發明實施例一長條狀發光二極體(U)的側視示意圖。圖1中，長條狀發光二極體(U)包括一基板(1)、12條電性連接導線(2)、6個發光二極體晶粒(3a、3b、3c、3d、3e、3f)、及一封裝膠體(4)。其中，該封裝膠體(4)存在一橫向溝槽(5)，即該橫向溝槽的方向跟該6個發光二極體晶粒(3a、3b、3c、3d、3e、3f)排列方向垂直。該6個發光二極體晶粒(3a、3b、3c、3d、3e、3f)皆屬於水平型發光二極體晶粒，其正電極(P)跟負電極(N)都在晶粒的上表面，也因此每個發光二極體晶粒各需要2條分開的電性連接導線(2)做電性連接。基板(1)包括對應6個發光二極體晶粒(3a、3b、3c、3d、3e、3f)的6個導電墊(11，包括11a、11b、11c、11d、11e、11f)及1個不設置發光二極體晶粒的導電墊(12)。其中導電墊(12)的面積因無需設置發光二極體晶粒而相較導電墊(11)小。6個發光二極體晶粒(3a、3b、3c、3d、3e、3f)呈等間距線性排列，利用固晶(Die Bonding)工藝，使每一發光二極體晶粒藉固晶膠(6)固著在對應的導電墊(11)上。利用打線(Wire Bonding)工藝，使每一電性連接導線(2)的一端連接至其中一發光二極體晶粒，另一端連接至相鄰的導電墊(11)或導電墊(12)。本實施例的電性連接導線(2)係採用線徑為1.2mil的金線。利用封膠(Encapsulation)工藝，使封裝膠體(4)設置在基板1的上面並且包覆每一個發光二極體晶粒、每一條電性連接導線(2)、以及基板(1)上的每一個導電墊(11、12)。本發明案的特徵之一是封裝膠體(4)在特定相鄰的兩個發光二極體晶粒之間存在一橫向溝槽(5)。本實施例中，封裝膠體(4)中的橫向溝槽(5)是設置在第三個發光二極體晶粒(3c)及第四個發光二極體晶粒(3d)之間，該橫向溝槽(5)的方向跟該6個發光二極體晶粒排列方向垂直。

本實施例中，該橫向溝槽(5)係在發光二極體的封膠預形體(未在圖中顯示)上，利用鑽石切割片切割封膠預形體而成。故圖2中，該橫向溝槽(5)寬度(W)係由選用鑽石切割片的厚度而定。基本上，橫向溝槽(5)寬度(W)不宜過大，以免影響發光二極體的光形，或造成視覺上不均勻。故，受限鑽石切割片的厚度極限，本發明案的較佳橫向溝槽(5)寬度(W)為 0.1-0.3mm。圖2中，橫向溝槽(5)的深度由橫向溝槽底部(501)跟基板(1)上層導電墊層表面的垂直距離或橫向溝槽底部高度(H)而定，以盡量接近發光二極體晶粒(3c、3d)的上表面為控制原則。本發明案的較佳實施例是控制橫向溝槽底部高度(H)介於100微米(μm)到500微米(μm)之間，使膠體仍可以完整包覆每一發光二極體晶粒及基板上的每一導電墊，且能有效降低膠體對電性連接導線的熱應力。

至於，如何選定特定相鄰的兩個發光二極體晶粒設置橫向溝槽(5)，或要設置幾個橫向溝槽(5)，依封裝膠體的總長度，封裝膠體材料，電性連接導線(2)的拉力強度及冷熱循環(或冷熱衝擊)的溫度範圍有關。整個來說，發光二極體膠體上橫向溝槽數量越多，發光二極體內電性連接導線承受的熱應力就越小，其抗冷熱溫度循環或冷熱衝擊的信賴性也就越高。相對的，當發光二極體膠體上橫向溝槽數量越多，製造困難度或成本也相對的增高。

本發明案的功效說明如下：本實施例中的長條狀發光二極體，其封裝膠體中間存在一深度接近發光二極體表面的橫向溝槽，效果上如同將原先膠體分成兩個長度減半的封裝膠體，即形成兩個分開的新膠體中心。這對位於發光二極體最右邊緣的金線來說，等同其離右邊包覆膠體的中心距離減半。當包覆膠體對該金線產生熱應力的有效長度變短，膠體對金線的熱應力相對減小，因而降低金線因熱疲勞而斷裂的風險，提升發光二極體承受冷熱循環或冷熱衝壓的壽命及信賴性。承上述，本發明不以基板(1)的材質及型態為限。舉例來說，基板(1)是上下層(正背面)都有導電層的兩層(2-layer)基板(Substrate)，可以是BT(Bismaleimide Triazine)板、陶瓷基板，也可以是分離金屬塊鑲埋于樹脂的複合基板(Composite Substrate)。或者，基板(1)也可以是兩層導電層以上的BT板或陶瓷基板，藉以增加電路走線設計彈性。另外，本發明亦不以導電墊(11)、(12)的形狀為限制。

本發明可適用於不同實施樣態的發光二極體晶粒，包括垂直型的發光二極體晶粒(指LED晶粒的正極(P)或負極(N)分開在LED晶粒的不同面，即一在正面另一在底面)、水平型的發光二極體晶粒(指LED晶粒的正極(P)及負極(N)都在LED晶粒的正面或上表面)等。其中，垂直型的發光二極體晶粒及水平型的發光二極體晶粒都需經由固晶及打線製程完成封裝，因而有前述的金線受熱疲勞而斷裂的問題。

圖3及圖4所示為本發明案的第二實施例，圖中顯示的發光二極體晶粒是垂直型的發光二極體晶粒。垂直型的發光二極體晶粒的其中一電極(例如正極(P))位在晶粒上表面，另一電極(例如負極(N))位在晶粒下表面。本實施例中，發光二極體晶粒(3a、3b、3c、3d、3e、3f)先以具導電性的固晶膠(6)(例如銀膠)固著在對應的導電墊(11，包括11a、11b、11c、11d、11e、11f)，接著再分別以電性連接導線(2)經由打線(Wire Bonding)工藝分別連接每一發光二極體晶粒上表面的電極(P)及旁邊的另一導電墊(11)或導電墊(12)。本實施例中，發光二極體晶粒(3a)固著在對應的導電墊(11a)，連接發光二極體晶粒(3a)表面上電極(P)的電性連接導線(2)打在導電墊(11b)，以此類推，惟有連接發光二極體晶粒(3f)表面上電極(P)的電性連接導線(2)是打在導電墊(12)。

本實施例中，封裝膠體(4)中包含兩個橫向溝槽(51、52)，其中第一橫向溝槽(51)是設置在第二個發光二極體晶粒(3b)及第三個發光二極體晶粒(3c)之間，第二橫向溝槽(52)是設置在第四個發光二極體晶粒(3d)及第五個發光二極體晶粒(3e)之間，該橫向溝槽(51、52)的方向跟該6個發光二極體晶粒(3a、3b、3c、3d、3e、3f)排列方向垂直。如前所述，本實施例的發光二極體膠體上橫向溝槽數增加，因而其抗冷熱溫度循環或冷熱衝擊的信賴性也隨之增高。

本發明的長條狀發光二極體，其封裝膠體存在至少一細寬度的橫向溝槽，使膠體對電性連接導線產生熱應力的有效長度變短，包括位以有效降低膠體對導線的熱應力，進而降低導線因熱疲勞而斷裂的風險。

須進一步說明的是，本發明並不對發光二極體的電性連接導線的打線方向做出限制，惟在每一膠體橫向溝槽兩旁的電性連接導線的打線方向需使盡量平行橫向溝槽的方向，以避免影響膠體橫向溝槽的形成，或膠體無法包覆每一電性連接導線。

另外，需說明的是，本發明不以發光二極體晶粒的數量為限制。本發明也不以發光二極體膠體上橫向溝槽的數量為限制。本發明發光二極體膠體上橫向溝槽的形成，也不侷限以利用鑽石切割片切割封膠預形體而成，也可以利用模製成型(Molding)工藝，例如直接模製成型、轉送模製成型(Transfer Molding)或射出成形(Injection Molding)等工藝，進行膠體包覆，同時在膠體上形成橫向溝槽。惟膠體橫向溝槽採用模製成型(Molding)工藝成形時，受限脫模條件，膠體橫向溝槽要有拔模斜度，橫向溝槽寬度也需相對較寬，即發光二極體晶粒設置間距相對要較大，且膠體中能設置的橫向溝槽數也相對較少。

本發明案的一實際樣品功能測試中，發光二極體封膠選用的樹脂是Dow Corning的一種苯基矽膠。將相同長度且內部設置的發光二極體晶粒也相同的兩種不同發光二極體，一著為膠體有橫向溝槽及另一者為膠體無橫向溝槽的發光二極體，做車規LED的USCAR 33中Thermal Shock測試，測試條件為低溫-55℃高溫150℃間冷熱衝擊，測試時間為1512小時(等同3000cycle)。測試結果顯示，在測試時間為1344小時後，膠體無橫向溝槽的發光二極體樣品失效率是80/80，即80個測試樣品全部失效。而膠體有橫向溝槽的發光二極體樣品，在測試時間為1512小時後，測試樣品失效率為0/80，即無一失效。測試結果充分證實本發明案的具體功效及進步性。

圖5所示為利用本發明案的長條狀發光二極體應用在一長條狀發光二極體發光裝置(Z)的立體示意圖。該實施例中，該長條狀發光二極體發光裝置(Z)包括一印刷電路板(B)、多數個本發明案的長條狀發光二極體(U)、至少一電性連接器(C)。該長條狀發光二極體(U)及電性連接器(C)是利用SMT工藝設置在印刷電路板(B)上，製成該長條狀發光二極體發光裝置(Z)。本發明不以長條狀發光二極體(U)的數量為限制。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。