TWI395345B - 具有低熱阻之發光二極體燈 - Google Patents

Description

具有低熱阻之發光二極體燈

本發明係關於發光二極體(LED,Light－Emitting Diode)燈技術之領域，尤有關於LED燈封裝。

對於發光二極體(LED,Light－Emitting Diode)燈的設計者來說，熱傳處理是一件重要的事，其希望增加效率，因而在同量的發光輸出上，使LED燈在成本競爭上更接近傳統白熾燈及螢光燈。當用高電流驅動LED燈時，由於從半導體活性層之p－n接面到週遭環境的熱傳不足，會產生高元件溫度。這樣的高溫會傷害半導體，且導致如加速老化、LED晶片從導線架分離及銲線斷裂之損害。除了前面提及的問題之外，LED之光學特性亦隨著溫度而變。例如，一LED之光輸出一般會隨著接面溫度的增加而減少。再者，由於半導體能隙能量中的改變，發射波長會隨著溫度而改變。

在先前技術中，散熱的主要路徑(熱徑)是從p－n接面到導線架，及接著經由熱傳導通過導線之端點。當黏著在一印刷電路板上時，在導線之端點，熱傳導、對流及輻射用來將熱傳離LED。從半導體晶粒之表面到塑膠機殼之表面也有一次要熱傳導路徑。此設計的問題在於大部分的導線架坐落在作為一熱絕緣體的塑膠機殼中，因而自元件散熱的主要路徑就被導線的尺寸所限制。即使設計已經增加了導線之尺寸或數量試圖促進熱傳，由於導線還是夾在熱絕緣塑膠機殼中，所以此設計還是具有一散熱的本身瓶頸。

因此，所需要的是一改善散熱之封裝LED燈的技術。

本發明之一實施例提供一發光二極體(LED,Light－Emitting Diode)結構。此結構通常包含一發光二極體半導體活性層，沉積在包圍有一機殼之金屬基板上；一次要金屬板電性連接到該活性層上的一銲墊；及一主要金屬板經由一金屬接合層，電性及熱性傳導連接到該金屬基板，其中該主要及次要金屬板係穿過該機殼之一底部部分而外露，且提供該發光二極體結構之外部電連接。

本發明之另一實施例提供一不同LED結構。該結構通常包含一發光二極體半導體活性層，沉積在包圍有一機殼之金屬基板上；一次要金屬板電性連接到該活性層上的一銲墊，且穿過該機殼之一底部部分而外露；及一主要金屬板，具有一上及一下階層，其中該主要金屬板之上階層，經由一第一金屬接合層，電性及熱性傳導連接到該金屬基板，並包圍在該機殼中，而該主要金屬板之下階層，穿過該機殼之一底部部分而外露。

本發明之另一實施例提供一不同於先前兩實施例之LED結構。該結構通常包含一發光二極體半導體活性層，沉積在包圍有一機殼之金屬基板上；一次要金屬板電性連接到該活性層上的一銲墊；及一主要金屬板經由一第一金屬接合層，電性及熱性傳導連接到該金屬基板，其中該主要及次要金屬板係定位在該機殼之一內底部表面，且橫向延伸超過該機殼，以提供該發光二極體結構之外部電連接。

本發明之實施例提供一具有低於習知LED燈之熱阻的改善熱傳路徑。對某些實施例來說，提供具有一活性層之表面黏著發光二極體結構，該活性層沉積在一金屬基板上，該金屬基板直接接合到一金屬板，藉由將該金屬板定位在該發光二極體結構之底部上，該金屬板係實質上為了低熱阻而外露。此金屬板可接著銲接到具有一散熱片之印刷電路板(PCB,Printed Circuit Board)。對本發明之某些實施例來說，該金屬板經由數個熱傳導層，熱性及電性傳導連接到一包含於此結構中的大散熱片。

圖1為具有低熱阻之發光二極體(LED,Light－Emitting Diode)燈的橫剖面略圖，符合本發明之第一實施例。此略圖顯示一可由AlInGaN或AlInGaP組成的LED半導體活性層110。為了要創造二極體之電的特性，該活性層110之一端係摻雜所欲的雜質以創造一p摻雜端(未顯示)，而在該活性層110之另一端上創造一n摻雜端(也未顯示)。可代表多個晶粒的活性層110，沉積在一金屬基板120上，該金屬基板120可由銅、一銅合金或一複合金屬合金組成。為了有效立即的將熱傳離該活性層110，該活性層110之p摻雜端可緊密地耦合到該金屬基板120。

夾在金屬基板120與供外部連接的一主要金屬板141之間是一金屬接合層130，其可由一金屬銲劑，如Au－Sn、Ag－Sn或一Sn合金組成。該金屬接合層130將活性層110及金屬基板120，熱性及電性傳導連接到主要金屬板141。一次要金屬板142可經由一銲線150，電性連接到活性層110上的銲墊，該銲線150由一傳導物質，如金所組成。對某些實施例來說，該主要金屬板141盡可能的做大(在該LED燈封裝之尺寸範圍內)，設法容許較大的熱傳，且在如此的情形中，該主要金屬板141一般將大於該次要金屬板142。

活性層110、金屬基板120及金屬接合層130可直接坐落在主要金屬板141頂上，且定位於該LED燈之底部，其導致比先前技術更低熱阻及更佳散熱能力。此LED燈可被包圍在一機殼160中，此機殼160由一絕緣材質如矽膠或環氧樹脂組成，試圖導引發出的光線。金屬板141、142兩者，且特別是主要金屬板141，可為了較佳熱傳導到一黏著表面，延伸超過該機殼160。

圖2為具有低熱阻之發光二極體(LED,Light－Emitting Diode)燈的橫剖面略圖，符合本發明之另一實施例。不同於先前實施例，此實施例包含一散熱片290及其熱傳導路徑。此略圖顯示一可由AlInGaN或AlInGaP組成的LED半導體活性層210，沉積在一可由銅、一銅合金或一複合金屬合金組成的金屬基板220上。該活性層210可代表多個晶粒。夾在金屬基板220與供外部連接的一主要金屬板241之間是一金屬接合層230，其可由一金屬銲劑，如Au－Sn、Ag－Sn或一Sn合金組成。該金屬接合層230將活性層210及金屬基板220，熱性及電性傳導連接到主要金屬板241。一次要金屬板242可經由一銲線250，電性連接到活性層210上的銲墊，該銲線由一傳導物質，如金所組成。對某些實施例來說，該主要金屬板241之表面面積盡可能的做大(在該LED燈封裝之尺寸範圍內)，設法容許較大的熱傳，且在如此的情形中，該主要金屬板241之表面面積一般將大於該次要金屬板242，該金屬板241、242之厚度通常為1到20 μm。

活性層210、金屬基板220、金屬接合層230、銲線250，及金屬板241、242之上階層，可被包圍在一機殼260中，該機殼260由一陶瓷絕緣材質，如氮化鋁(AlN)或氧化鋁(Al₂ O₃ )組成，亦用來導引發出的光線。活性層210、金屬基板220及金屬接合層230，可直接位於主要金屬板241頂上，且定位於該機殼260之內底部表面，其可導致比先前技術更低熱阻及更佳散熱能力。金屬通孔245、246可穿過陶瓷機殼260，且將金屬板241、242之上階層，連接到該機殼260下之金屬板247、248之下階層。一亦由Au－Sn、Ag－Sn或一Sn合金組成的附屬金屬接合層271(272)，可位於金屬板247(248)之下階層與一第一導電層243(第二導電層244)之間，以將此兩層做熱性及電性傳導連接。導電層243、244可為金屬或合併附屬電路之印刷電路板，且這些即為本發明之第二實施例的外部連接可設置的地方。一介電層280可直接存在於導電層243、244的下方，該介電層280由電鍍鋁組成以提供電性隔離，並在導電層243、244與散熱片290之間提供足夠的熱傳導，該散熱片290可位於該介電層280正下方。

圖3為具有低熱阻之發光二極體(LED,Light－Emitting Diode)燈的橫剖面略圖，符合本發明之另一實施例。同於先前實施例，此實施例也包含一散熱片390及其熱傳導路徑。此略圖顯示一可由AlInGaN或AlInGaP組成的LED半導體活性層310，沉積在一可由銅、一銅合金或一複合金屬合金組成的金屬基板320上。該活性層310可代表多個晶粒。夾在金屬基板320與供外部連接的一主要金屬板341之間是一金屬接合層330，其可由一金屬銲劑，如Au－Sn、Ag－Sn或一Sn合金組成。該金屬接合層330將活性層310及金屬基板320，熱性及電性傳導連接到主要金屬板341。一次要金屬板342可經由一銲線350，電性連接到活性層310上的銲墊，該銲線由一傳導物質，如金所組成。對某些實施例來說，該主要金屬板341之表面面積盡可能的做大(在該LED燈封裝之尺寸範圍內)，設法容許較大的熱傳，且在如此的情形中，該主要金屬板341之表面面積一般將大於該次要金屬板342。本發明之此實施例的外部連接可做在金屬板341、342上，且這些金屬板341、342之厚度通常為1到20 μm。

活性層310、金屬基板320、金屬接合層330、銲線350，及一部分金屬板341、342，可被包圍在一機殼360中，該機殼360由一陶瓷絕緣材質，如氮化鋁(AlN)或氧化鋁(Al₂ O₃ )組成，亦用來導引發出的光線。活性層310、金屬基板320及金屬接合層330，可直接位於主要金屬板341頂上，且定位於該機殼360之內底部表面，其可導致比先前技術更低熱阻及更佳散熱能力。一上部熱傳導層371直接位於該機殼360底下，該上部熱傳導層371由Ag膠、Au膠或另一型合適的金屬膠組成。一亦由Au－Sn、Ag－Sn或Sn合金組成的第二金屬接合層331，可位於該上部熱傳導層371與一下部熱傳導層372之間。該下部熱傳導層372可由Ag膠、Au膠或另一型合適的金屬膠組成。一介電層380可直接存在於該下部熱傳導層372的下方，該介電層380由電鍍鋁組成以提供電性隔離，並在該下部熱傳導層372與一散熱片390之間提供足夠的熱傳導，該散熱片390位於該介電層380正下方。

雖然本發明此處係以具體化於一表面黏著發光二極體燈結構中之方式來圖解及說明，不過並非意指其限制在此所示的細節中，因為在不離開本發明之精神及申請專利範圍之相等物的範圍下，可以做出不同修正及結構改變。

110．．．活性層

120．．．金屬基板

130．．．金屬接合層

141．．．主要金屬板

142．．．次要金屬板

150．．．銲線

160．．．機殼

210．．．活性層

220．．．金屬基板

230．．．金屬接合層

241．．．主要金屬板

242．．．次要金屬板

243．．．第一導電層

244．．．第二導電層

245．．．金屬通孔

246．．．金屬通孔

247．．．金屬板

248．．．金屬板

250．．．銲線

260．．．機殼

271．．．金屬接合層

272．．．金屬接合層

280．．．介電層

290．．．散熱片

310．．．活性層

320．．．金屬基板

330．．．金屬接合層

331．．．第二金屬接合層

341．．．主要金屬板

342．．．次要金屬板

350．．．銲線

360．．．機殼

371．．．上部熱傳導層

372．．．下部熱傳導層

380．．．介電層

390．．．散熱片

根據本發明之一實施例，圖1為一低熱阻LED燈之橫剖面略圖；根據本發明之一實施例，圖2為一低熱阻LED燈之橫剖面略圖；及根據本發明之一實施例，圖3為一低熱阻LED燈之橫剖面略圖。

110．．．活性層

120．．．金屬基板

130．．．金屬接合層

141．．．主要金屬板

142．．．次要金屬板

150．．．銲線

160．．．機殼

Claims (13)

1. 一種發光二極體結構，包含：一發光二極體半導體活性層，沉積在被包圍於一機殼中之金屬基板上；一次要金屬板，電性連接到該活性層上的一銲墊，且穿過該機殼之一底部部分而外露；及一主要金屬板，具有一上階層及一下階層，其中該主要金屬板之該上階層，經由一第一金屬接合層，電性及熱性傳導連接到該金屬基板，並包圍在該機殼中，而該主要金屬板之該下階層，穿過該機殼之一底部部分而外露。
2. 如申請專利範圍第1項之發光二極體結構，更包含：一第二金屬接合層，位於該主要金屬板之該下階層與一供外部連接之第一導電層之間；及一第三金屬接合層，位於該次要金屬板之一下階層與一供外部連接之第二導電層之間。
3. 如申請專利範圍第2項之發光二極體結構，更包含：一供熱傳導之介電層，夾在該等導電層與一散熱片之間，其中該散熱片係外露在該發光二極體結構之底部上。
4. 如申請專利範圍第2項之發光二極體結構，其中該三種金屬接合層包含Au-Sn、Ag-Sn或一Sn合金至少其中一種。
5. 如申請專利範圍第1項之發光二極體結構，其中該機殼包含氮化鋁(AlN)及氧化鋁(Al₂ O₃ )至少其中一種。
6. 如申請專利範圍第2項之發光二極體結構，其中該等導電層之至少一者包含一印刷電路板(PCB,Printed Circuit Board)。
7. 如申請專利範圍第3項之發光二極體結構，其中該介電層包含電鍍鋁。
8. 如申請專利範圍第1項之發光二極體結構，其中金屬通孔連接該主要金屬板之該上及下階層。
9. 一種發光二極體結構，包含：一發光二極體半導體活性層，沉積在被包圍於一機殼中之金 屬基板上；一次要金屬板，電性連接到該活性層上的一銲墊；一主要金屬板，經由一第一金屬接合層，電性及熱性傳導連接到該金屬基板，其中該主要及次要金屬板係定位在該機殼之一內底部表面上，且橫向延伸穿過該機殼，以提供該發光二極體結構之外部電連接；一上部熱傳導層，位於該機殼之一底部表面下；一第二金屬接合層，位於該上部熱傳導層與一下部熱傳導層之間；及一供熱傳導之介電層，夾在該下部熱傳導層與一散熱片之間，其中該散熱片係外露於該發光二極體結構之一底部上。
10. 如申請專利範圍第9項之發光二極體結構，其中該機殼包含氮化鋁(AlN)及氧化鋁(Al₂ O₃ )至少其中一種。
11. 如申請專利範圍第9項之發光二極體結構，其中該第一及第二金屬接合層包含Au-Sn、Ag-Sn或一Sn合金至少其中一種。
12. 如申請專利範圍第9項之發光二極體結構，其中該上部及下部熱傳導層包含銀(Ag)膠及金(Au)膠至少其中一種。
13. 如申請專利範圍第9項之發光二極體結構，其中該介電層包含電鍍鋁。