具有散熱結構的發光二極體光源模塊的製作方法
2023-05-26 19:29:56
專利名稱：具有散熱結構的發光二極體光源模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有散熱結構的發光二極體光源模塊，尤其涉及一種以發光二極體 為光源並結合高效率散熱結構的模塊。
背景技術：
發光二極體(Light Emitting Diode; LED)是一種可將電能轉換為光能的高效率冷光發 光元件，也是一種微小的固態光源。元件主要的構成部分是一個半導體p-n接面結構， 在接面兩端加入電壓通入電流後，利用電子與空穴的結合，可釋放出光子的能量，並輻 射出特定波長範圍的光線。由於發光二極體具有色彩再現性及具有單一波長的特性，使 得近年來發光二極體已成為提升液晶顯示器背光源的色域的主流技術。除此之外，發光 二極體也被廣泛應用於戶外的大型顯示屏，並將逐漸取代現有的照明設備。現行發光二極體應用於液晶顯示器作為背光源的相對位置關係，常見有直下式 (direct type)與側邊式(edge type)兩種。 一般大尺寸液晶顯示器常採用直下式作為背光源 的光線照射模式，常見的直下式發光二極體背光模塊的散熱結構是將發光二極體元件粘 著於印刷電路板的表面，再通過固定於印刷電路板的另一相對表面的熱管將熱量傳遞到 散熱片以進行熱交換。圖l是常規背光模塊的剖面結構示意圖。美國專利早期公開號US 2006/0002142 Al 揭示一背光模塊10，其包含發光二極體元件11、印刷電路板12、熱管(heatpipe)13及底 蓋14。發光二極體元件11是表面粘著在金屬核心(metalcore)印刷電路板12的上表面， 所述印刷電路板12具有控制發光二極體元件11亮暗的電路層。當發光二極體元件11 持續點亮時會產生熱量，然而所述熱量如果累積於發光二極體元件11內會造成光線亮 度的衰減。因此通過貼著於印刷電路板12背面的熱管13將熱量帶走，並經過底蓋14 的熱途徑(heat path)傳遞到周邊的散熱片(圖未示出)以散熱到環境中。另外，尚有一種常規技術揭示一背光模塊20，如圖2所示。所述背光模塊20包含 複數個固著於印刷電路板22的發光二極體元件21，同樣於印刷電路板22的下表面貼著 熱管23。熱管23的外圍設有散熱片24，所以能將熱管23從印刷電路板22帶走的熱量 逸散於大氣。類似的散熱結構也被日本第JP2005317480號專利所揭示。然而，上述常規技術均有著相同的散熱途徑，即發光二極體元件產生的熱量須先經 由印刷電路板才能傳遞到熱管。然而印刷電路板的披覆層或絕緣層均為低熱傳導性的材 料，例如防焊漆(soldermask)或樹脂(resin),所以會造成印刷電路板的熱阻值偏大，因 而發光二極體元件產生的熱量無法有效迅速地傳遞到熱管。縱使印刷電路板置換為熱阻 值較低的金屬核心印刷電路板(metalcorePCB)，然而發光二極體元件產生的熱量還是需 要經過金屬核心印刷電路板的各疊層材料，並通過界面的粘著材料或焊錫(solder)才能到 達熱管。因此，市場上急切需要一種能縮短傳熱途徑及降低對應總熱阻值的發光二極體光源 模塊，藉此發光二極體元件所產生的熱量能迅速且直接傳遞到熱管，進而提升發光二極 管元件的熱可靠度及發光效率。 發明內容本發明的目的是提供一種高散熱效率的發光二極體光源模塊，其直接在扁平狀的熱 管或平板熱管表面形成絕緣層及金屬電路層，因此固著於電路層的發光二極體元件或晶 粒所產生的熱量可以迅速且直接傳遞到熱管。此種散熱性良好的發光二極體光源模塊可 廣泛應用於液晶顯示面板的背光源，並可作為公共場所的顯示屏及照明設備等。本發明另一揭示的目的是提供一種成本低廉的具有散熱結構發光二極體光源模塊， 其是將複數個發光二極體元件直接固定於扁平狀的熱管，並電性連接到一印刷電路板。 因此可以使用現有的扁平狀熱管及印刷電路板，並還能兼具高散熱效率的優點，確實為 一具有競爭力的發光二極體光源模塊。為達到上述目的，本發明揭示一種具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其包含復 數個發光二極體及一表面具有至少一電路層的熱管裝置。所述電路層直接形成於所述熱 管裝置表面的熱傳導性佳的電絕緣層上，又所述複數個發光二極體與所述電路層電性相 連。所述熱管裝置可為一平板狀的熱管，或者為由複數個扁平狀熱管、散熱片及風扇結 合成的組件，且所述熱管可折彎打扁以適應設計的需要。所述複數個發光二極體直接固 著於所述熱管裝置的表面，因此通過所述熱管裝置內的相變化作用，能有效地將所述發 光二極體於發亮時產生的熱能迅速逸散到大氣中，或者攜帶到設於遠端的所述散熱片以 進行熱交換的目的，進而達到較佳的散熱效果且節省空間。所述發光二極體可以是封裝完後的發光二極體元件，還可為裸晶的晶粒(die)。因此， 如果以晶粒直接固定於所述熱管裝置的表面，不僅可降低封裝材料所形成的熱阻，而且 同時也能省下每個發光二極體元件封裝所需花費的成本。本發明另外揭示一種具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其包含複數個發光二極 管、 一印刷電路板及一熱管裝置。所述複數個發光二極體直接固定於所述熱管裝置的表 面，並與所述印刷電路板電性相連。不同於前一揭示的結構，所述熱管表面無需披覆一 層電路層。且所述熱管裝置可為一平板狀的熱管，或者為由複數個扁平狀熱管、散熱片 及風扇結合成的組件。
圖1是常規背光模塊的剖面結構示意圖；圖2是另一常規背光模塊的剖面結構示意圖；圖3是本發明具有散熱結構的發光二極體光源模塊的上視圖；圖4是圖3中沿l一l剖面線的剖面示意圖；圖5是本發明第二實施例具有散熱結構的發光二極體光源模塊的剖視圖； 圖6(a)是本發明第三實施例具有散熱結構的發光二極體光源模塊的剖視圖； 圖6(b)是本發明第四實施例具有散熱結構的發光二極體光源模塊的剖視圖 圖7是本發明第五實施例具有散熱結構的發光二極體光源模塊的上視圖； 圖8是本發明第六實施例具有散熱結構的發光二極體光源模塊的上視圖；以及 圖9是本發明第六實施例具有散熱結構的發光二極體光源模塊的剖視圖。
具體實施方式
圖3是本發明具有散熱結構的發光二極體光源模塊的上視圖。發光二極體光源模塊 30包含複數個發光二極體元件31及至少一熱管32，另外還可包含複數個散熱片33及 複數個增加光線利用率的反光板34。發光二極體元件31被點亮時所產生的熱量會直接 由熱管32傳遞到設有散熱片33的冷凝區，並通過散熱片33逸散到大氣中。熱管32由 銅或鋁等熱傳導性佳的金屬製成，其內部具有一可在液體及蒸汽間進行潛熱相變化的工 作物質，所以能將發光二極體元件31產生的熱量通過熱傳導傳遞到熱管32的加熱區中， 管內液體型態的工作物質迅速吸熱相變而形成蒸汽，經由蒸汽快速移動將熱能傳輸到冷 凝區，再通過散熱片33以自然對流形式將熱能迅速帶走，以解決散熱的問題。如果於 散熱片33處加裝風扇(圖未示)形成強制對流，則將增加熱能逸散的速度。圖4是圖3中沿l一l剖面線的剖面示意圖。在熱管32的上表面披覆至少一電絕緣層35，例如陶瓷材料或金屬氧化物(三氧化二鋁(Al203))等，再利用塗布印製或堆疊等 方式將電路層36形成於電絕緣層35上。所述熱管32、電絕緣層35及電路層36形成一 熱管裝置37。另外，可在電路層36再依序形成一上電絕緣層及一上電路層(圖未示)， 所述發光二極體元件31直接與所述上電路層電性連接。如此熱管32表面可具有多個電
路層的結構，從而增加發光二極體光源模塊30的功能與應用。由於陶瓷材料的熱傳導 性極佳，所以發光二極體元件31產生的熱量可經由電絕緣層35傳導到熱管32。相較於 前述常規技術中使用的印刷電路板，本發明不僅簡化傳熱途徑，更大幅降低了總熱阻值。為提供一種能使用既有元件的發光二極體光源模塊，併兼具高散熱效率的特性，圖 5是本發明第二實施例具有散熱結構的發光二極體光源模塊的剖視圖。複數個發光二極 管元件41直接以熱傳導性佳的焊錫48或銀膠固定於熱管32表面，而發光二極體元件 41的引腳(lead)411則延伸到側邊的印刷電路板47，並與印刷電路板47電性相連。同樣 地，為能增加光線利用率，可在印刷電路板47上設置反光板34，如此發光二極體元件 41發出的光線可集中向上射出。相較於圖4，雖然發光二極體元件31可以使用具有散熱板的導線架(leadframe)以增 強封裝體的散熱，但如果能將發光二極體晶粒直接固定於熱管32上，則不但節省封裝 所需的成本，更免去封裝材料所造成的熱阻。圖6(a)是本發明第三實施例具有散熱結構 的發光二極體光源模塊的剖視圖。複數個發光二極體晶粒(bare die)61是固定於熱管32 表面上的電絕緣層35，並通過焊線技術以金屬導線69連接發光二極體晶粒61與電路層 36。發光二極體晶粒61表面及金屬導線69可覆蓋一透明材料65，例如樹脂或矽膠 (Silicone rubber),以保護髮光二極體晶粒61及金屬導線69。另外，圖6(b)是本發明第四實施例具有散熱結構的發光二極體光源模塊的剖視圖。 具有凸塊(bump)68的複數個發光二極體晶粒(bare die)61直接以倒裝晶片(flip chip)技術 固定於熱管32表面的電路層36上，而此電路層同樣披覆於電絕緣層35上。因此同樣 節省封裝所需的成本，並免去封裝材料所造成的熱阻。發光二極體晶粒61表面還可覆 蓋一透明材料65，例如樹脂或矽膠(Silicone rubber),以保護髮光二極體晶粒61 。圖7是本發明第五實施例具有散熱結構的發光二極體光源模塊的上視圖。相較於圖 3，發光二極體光源模塊70是將發光二極體元件31以陣列方式固定於熱管32表面。並 可將不同顏色的發光二極體元件(如紅光、藍光、綠光)分散交錯排列設置，且元件31彼 此間相隔一固定距離，以達到不同的出光效果。圖8是本發明第六實施例具有散熱結構的發光二極體光源模塊的上視圖。發光二極 管光源模塊80包含複數個發光二極體元件81及一平板熱管82,其中所述發光二極體元 件81固定於平板熱管82上的金屬氧化層86的區域，同樣金屬氧化層86上設有電路層 (圖未示)。大面積的散熱片83可固定於平板熱管82的背面，更能有效增加熱交換的作 用面積，如圖9的剖視圖所示。本發明的技術內容及技術特點已揭示如上，然而所屬領域的技術人員仍可能基於本
發明的教示及揭示而作種種不背離本發明精神的替換及修改。因此，本發明的保護範圍 應不限於實施例所揭示的內容，而應包括各種不背離本發明的替換及修改，並為所附的 權利要求書所涵蓋。
權利要求
1.一種具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於包含一熱管裝置，包括至少一熱管、一設於所述熱管表面的電絕緣層及一設於所述電絕緣層表面的電路層；以及複數個發光二極體，固定於所述熱管裝置表面，並與所述電路層電性連接。
2. 如權利要求l所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述發光二 極管為裸晶的晶粒。
3. 如權利要求2所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述發光二 極管覆蓋一透明材料。
4. 如權利要求3所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述透明材 料是樹脂或矽膠。
5. 如權利要求2所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述晶粒是 以金屬導線或凸塊與所述電路層電性相連。
6. 如權利要求l所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述發光二 極管為封裝後的發光二極體元件。
7. 如權利要求l所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述電絕緣 層是一陶瓷材料層。
8. 如權利要求l所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述電絕緣 層是一金屬氧化物層。
9. 如權利要求l所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於進一步包含 一上電絕緣層及一上電路層，所述上電絕緣層及所述上電路層依序疊設於所述電路 層上，其中所述複數個發光二極體直接與所述上電路層電性連接。
10. 如權利要求l所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述熱管裝 置由複數個所述熱管所組裝形成。
11. 如權利要求l所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述熱管是 平板熱管或扁平狀的熱管。
12. 如權利要求l所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於進一步包含 至少一固定於所述熱管裝置表面的散熱片。
13. 如權利要求l所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述熱管是 由熱傳導性佳的金屬製成。
14. 如權利要求l所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述熱管是 由銅製成。
15. 如權利要求l所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述熱管是 由鋁製成。
16. —種具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於包含至少一熱管；至少一印刷電路板；以及複數個發光二極體，固定於所述熱管表面，並與所述印刷電路板電性連接。
17. 如權利要求16所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述發光二 極管為封裝後的發光二極體元件，所述發光二極體元件具有複數個引腳，且所述引 腳與所述印刷電路板直接電性連接。
18. 如權利要求16所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述熱管是 平板熱管或扁平狀的熱管。
19. 如權利要求16所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於進一步包含 至少一固定於所述熱管表面的散熱片。
20. 如權利要求16所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述熱管是 由熱傳導性佳的金屬製成。
21. 如權利要求16所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述熱管是 由銅製成。
22. 如權利要求16所述的具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其特徵在於所述熱管是 由鋁製成。
全文摘要
本發明揭示一種具有散熱結構的發光二極體光源模塊，其包含複數個發光二極體及一表面具有至少一電路層的熱管裝置。所述電路層直接形成於所述熱管裝置表面的熱傳導性佳的電絕緣層上，又所述複數個發光二極體與所述電路層電性相連。所述熱管裝置可為一平板狀的熱管，或者為由複數個扁平狀熱管、散熱片及風扇結合成的組件。所述複數個發光二極體直接固著於所述熱管裝置的表面，因此通過所述熱管裝置內的潛熱相變化作用，能有效地將所述發光二極體在發亮時產生的熱能迅速逸散到大氣中，或者攜帶到設於遠端的所述散熱片以進行熱交換的目的，進而達到較佳的散熱效果且節省空間。
文檔編號G02F1/1335GK101126863SQ20061011121
公開日2008年2月20日 申請日期2006年8月15日 優先權日2006年8月15日
發明者楊書榮, 譚瑞敏 申請人:財團法人工業技術研究院