JP2013516076A - 発光ダイオードのパッケージ構造 - Google Patents

Abstract

発光ダイオードのパッケージ構造は、内部空洞（２１）と、２つの開口端が設けられる金属シェル（２）と、取付平面（４１）を有する二相流熱伝導装置（４）とを含む。金属シェル（２）の第１開口端にレンズ（３）が設置され、少なくとも１つの発光ダイオードチップ（１）は金属シェル（２）の内部空洞（２１）内に位置し、二相流熱伝導装置（４）の取付平面（４１）上に設置される。発光ダイオードチップ（１）は外部電気接続装置（５）と接続し、このうち二相流熱伝導装置（４）、外部電気接続装置（５）、および発光ダイオードチップ（１）は、固定台（６）によって一緒に固定される。二相流熱伝導装置を採用するため、発光ダイオードのパッケージ構造は、長時間の連続動作に対応することができ、さらに、長い使用寿命および高い発光効率を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体パッケージモジュールに関し、特に発光ダイオードのパッケージ構造に関する。

公知の発光ダイオードは、省電力省エネルギー、高集積度の特性を有しており、現在、すでに各種照明分野で広く使用されている。発光ダイオードを使用するとき、放散される熱量は比較的大きい。さらに科学技術の発展に伴って、高輝度照明のニーズに対応するため、発光ダイオードチップのパワーおよび配置密度が次第に高くなっている。このようにして、発光ダイオードチップの熱量蓄積が高いという問題が生じる。発光ダイオードチップの動作時に生じる熱量を、効果的に排出することができない場合、これらの熱量は発光ダイオードチップの発光性能に重大な影響を与えることがある。したがって、業界の発光ダイオードパッケージの放熱に対する要求は高い。現在、公知の発光ダイオードパッケージ構造は、通常、プリント回路上に取り付けられ、プリント回路板を通し、熱量を放熱器に伝達する方式を採用して放熱が行われる。このような構造では、その放熱の効果はあまり良好ではなく、最終的に発光ダイオードチップの損傷を引き起こし、使用寿命が短くなる恐れが生じる。

発光ダイオードチップから発せられる光線は、点光源であり、輝度が不均一である特徴を有するため、光線の収束および発光効率の向上に着手し、その欠点を改善する必要がある。

上述の問題に対して、本発明の目的は、発光ダイオードのパッケージ構造を提供することにある。これは、発光ダイオードチップから生じる熱を迅速かつ効果的に排出し、さらに発光効率を効果的に高め、使用寿命を保証する。

本発明において、その技術的問題に対して採用された技術案は、以下のとおりである。

発光ダイオードのパッケージ構造は、内部空洞を有し、２つの開口端が設けられる金属シェル、および取付平面を有する二相流熱伝導装置（ｔｗｏ−ｐｈａｓｅ−ｆｌｏｗ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｄｅｖｉｃｅ）を含む。金属シェルの第１開口端にはレンズが設置される。少なくとも１つの発光ダイオードチップは、金属シェルの内部空洞内に位置し、二相流熱伝導装置の取付平面上に設置される。発光ダイオードチップは、対外電性接続装置と電気的に接続し、このうち、二相流熱伝導装置、対外電性接続装置および発光ダイオードチップは、固定台によって一緒に固定される。

上記案のさらなる改善として、前記レンズは、フレネルレンズである。

上記案のさらなる改善として、前記二相流熱伝導装置はヒートカラム（ｈｅａｔ ｃｏｌｕｍｎ）であり、該ヒートカラムの上平面は、発光ダイオードチップを設置する取付平面である。

このうち、前記二相流熱伝導装置の取付平面から離れた方向に、少なくとも１つのヒートシンクが設けられる。

上記案のさらなる改善として、前記二相流熱伝導装置は、屈曲および／または平坦なヒートパイプ（ｈｅａｔ ｐｉｐｅ）であり、その取付平面はヒートパイプの中部に位置する。

このうち、前記二相流熱伝導装置の両側に、それぞれ少なくとも１つのヒートシンクが設けられる。

上記技術案のさらなる改善として、前記二相流熱伝導装置は、少なくとも１つの凸平面を有するベイパーチャンバー（ｖａｐｏｒ ｃｈａｍｂｅｒ）である。前記凸平面は、発光ダイオードチップを設置する取付平面である。

上記技術案のさらなる改善として、前記二相流熱伝導装置はヒートパイプである。その上方の平滑端面は、発光ダイオードチップを設置する取付平面である。ヒートパイプに、追加のヒートパイプを取り付けるためのらせん状のくぼみが設けられる。

本発明の有益な効果は次の通りである。本発明は、二相流熱伝導装置を含む発光ダイオードパッケージ構造を採用し、二相流熱伝導装置の優れた熱交換性能を通して、発光ダイオードチップの動作時に生じる熱量を、二相流熱伝導装置からパッケージ構造外に、迅速、効果的に発散することができる。したがって、良好な作業効果および使用寿命を達成する。本発明は、フレネルレンズを採用して照射ウィンドウとし、金属シェル内部の発光ダイオードチップから発せられる点光源を屈折照射させ、集光および発光効率を高める効果を達成する。フレネルレンズ全体は偏平状であるため、金属シェルと組み立てるとき、占有空間は小さく、組立はさらに容易であり、金属シェル内部の発光ダイオードチップの位置を、開口部にさらに近づけて設置することができる。光源を十分に取り入れ、チップから生じる熱量はレンズに影響を及ぼすことがなく、より長時間の動作における使用性能を保証した。本発明で採用した二相流熱伝導装置は、ヒートパイプ、ヒートカラムまたはベイパーチャンバーである。これらは、真空環境下で冷却媒体の高速熱伝導原理を採用して放熱を行う。さらに、異なる形状を採用することも、ヒートシンクまたは追加のヒートパイプを増設して放熱面積を増やすこともでき、さらに良好な放熱効果を達成する。本発明のパッケージ構造の発光ダイオードを採用すると、その動作時の熱量を速やかに排出することができる。長時間連続した動作にも対応することができ、その上、長い使用寿命を有する。

以下に図および具体的実施例を組み合わせて、本発明についてさらに説明を行う。
図１は、本発明の発光ダイオードのパッケージ構造における、実施例１の構造概要図である。 図２は、本発明の発光ダイオードのパッケージ構造における、実施例２の構造概要図である。 図３は、本発明の発光ダイオードのパッケージ構造における、実施例３の構造概要図である。 図４は、本発明の発光ダイオードのパッケージ構造における、実施例４の構造概要図である。 図５は、本発明の発光ダイオードのパッケージ構造における、実施例４の全体組立構造の概要図である。 図６は、本発明の好ましい実施方式において採用した、フレネルレンズの構造概要図である。 図７は、本発明の好ましい実施方式における、フレネルレンズの側面断面図である。 図８は、フレネルレンズの光線経路の概要図である。 図９は、本発明の使用効果の概要図である。

図１、図２、図３、図４、図５および図９を参照されたい。これらは、本発明の発光ダイオードのパッケージ構造である。主に以下の構造で構成される。

金属シェル２は、内部空洞２１を有し、２つの開口が設けられる。内部空洞２１は内部の素子、例えば発光ダイオードチップ１を収容する。これらの素子は、金属シェル２の底部から内部空洞２１内に取り付けられる。

レンズ３は、金属シェル２の第１開口端に設置される。レンズ３は、発光ダイオードチップ１から発せられる光線を集めて、光線にさらに良好な効果を発揮させる。

取付平面４１を有する二相流熱伝導装置４は、金属シェル２の第２開口端と連結する。本発明で採用した二相流熱伝導装置４は、二相物質で構成されるフローシステムであり、通常使用される相状態は、気液系、液液系、液固系、気固系に分けられる。例えば、本発明で採用した装置の典型的な構造は、高度に真空である密閉空間を１つ含む。該密閉空間は、媒質の相状態の転換に有利であり、一般に液体である。例えば密閉空間に少量の作動流体、例えば水、エタノール、アンモニア水、またはその混合物を充填して、二相流伝導の媒質とし、さらに該密閉空間の内壁に一連の毛細管構造を形成しているため、液体媒質を伝送できる。動作時は、作動流体の二相変化の潜熱を利用する。該二相流熱伝導装置は、一端で受けた熱を迅速かつ大量に別の一端に伝導し、熱交換の効果を達成する。本発明の以下に記載する実施例において、二相流熱伝導装置は典型的なヒートパイプ、ヒートカラムまたはベイパーチャンバーの構造形式を採用して実現される。

少なくとも１つの発光ダイオードチップ１は、金属シェル２の内部空洞２１内に位置し、二相流熱伝導装置４の取付平面上に設置される。通常、溶接方式を採用して固定される。

対外電性接続装置５は、発光ダイオードチップ１および外部の電気回路を接続する。一般に、少なくとも１つの該対外電性接続装置５を有し、少なくとも１つの発光ダイオードチップ１と電気的に接続される。例えば、よく見られる構造は、金属導線または金属コンタクトが採用される。

固定台６は、二相流熱伝導装置４、対外電性接続装置５および発光ダイオードチップ１を一緒に固定する。

本発明で記載したレンズ３および金属シェル２は、業界で標準的な構造を採用した。しかしながら、本発明の好ましい実施方式として、前記レンズ３はフレネルレンズであり、その構造は図６および図７で参照できる。フレネルレンズの構造は、一面が平面で、別の一面に大きさが異なる同心円の筋が設けられる。この筋は、光の干渉および回り込みを利用し、相対感度および受容角度の要求に基づき設計され、集束作用を発揮することができる。この特性は、集光効果に優れ、さらに発光効率を高めることができると同時に、構造が簡単で体積が小さく、空間材料などを節約する効果も兼ね備える。図８に示すのは、点光源７の光線がフレネルレンズを通過して屈折した後の効果であり、このことから、発光ダイオードチップが発する点光源について、フレネルレンズによる屈折の後、比較的平均した、かつ集中した光線を照射することができることがわかる。反対に、平行の光源の光線がフレネルレンズを通過する場合、屈折後、光線を集束することができる。したがって、フレネルレンズは、本発明のパッケージ構造に応用され、比較的優れた使用効果を得ることができる。フレネルレンズ全体は偏平状であるため、金属シェル２と組み立てるとき、占有空間が小さく、組立をさらに容易にする。また金属シェル２内部の発光ダイオードチップ１の位置をさらに開口に接近させて設置することができる。したがって、光源を十分に利用し、発光ダイオードチップ１から生じる熱量が、距離が近いためにレンズ３に影響を及ぼすということがなく、さらに長い時間の動作での使用性能を保証した。その実際の使用を図９に示す。本発明のパッケージ構造に実際に応用するとき、該レンズ３の背面に蛍光体材料（図示せず）を塗布しなければならず、さらに発光ダイオードチップに面してパッケージングされる。

さらに、好ましい方式として、前記金属シェル２の内部空洞２１は平滑表面を有し、その形状は碗状または円錐状を呈する。発光ダイオードチップ１の点光源から発せられる光線が屈折して、レンズ３まで達し、それを集束して発光効率を高める。このように、全体設計は最も優れた効果を達成することができる。

前述したように、本発明の二相流熱伝導装置４は、典型的に高度に真空である密閉空間を含む。さらにその内壁に毛細管構造が形成され、この密閉空間内に必要な作動流体が充填される。以下に複数の異なる実施例を挙げて参考とする。

（実施例）
図１に示すのは、本発明の実施例１である。このうち、前記二相流熱伝導装置４はヒートカラムであり、固定台６は金属シェル２の下方に設置される。二相流熱伝導装置４は、固定台６の中部に位置し、下方から延伸および突出して放熱部を形成する。該ヒートカラムの内部は真空であり、作動液および毛細管構造が設けられ、熱伝導を行う。その上平面は、発光ダイオードチップ１を設置する取付平面４１であり、取付平面４１から離れた方向にヒートシンク４２が設けられる。ヒートシンク４２を複数設置してもよく、放熱面積が増加するため、放熱効果の向上に役立つ。

図２に示すのは、本発明の実施例２である。このうち、前記二相流熱伝導装置４は屈曲および／または平坦にして製造されたヒートパイプである。ヒートパイプ内部は二相流伝導の構造であり、さらにその取付平面４１はヒートパイプの中部に位置し、このようにして両端は放熱部となる。固定台６は金属シェル２の下方に設置される。二相流熱伝導装置４はそこに位置し、両方から延伸および突出して両側の放熱部が形成される。その中部に取り付けられた発光ダイオードチップ１の動作時に生じる熱量は、両側から同時に伝達でき、熱交換効率が向上する。さらに、該二相流熱伝導装置４の両側にそれぞれヒートシンク４２が設けられる。ヒートシンク４２を複数設置してもよく、放熱面積が増加するため、熱伝導効果の向上に役立つ。

図３に示すのは、本発明の実施例３である。このうち、前記二相流熱伝導装置４は、少なくとも１つの凸平面を有するベイパーチャンバーである。ベイパーチャンバーも内部が真空であり、作動液が注入される。このうち凸平面は、発光ダイオードチップ１を設置する取付平面４１である。固定台６は二相流熱伝導装置４の上方に設置され、取付平面４１は、固定台６の間に位置する。ベイパーチャンバーの放熱面積は比較的大きく、したがって、追加のヒートシンクを増やさなくてもよい。

図４に示すのは、本発明の実施例４である。このうち、二相流熱伝導装置４はヒートパイプであり、ヒートパイプの内部は典型的な二相流伝導の構造である。固定台６の上方に各種の素子が固定され、中部に二相流熱伝導装置４を提供し、外に延伸および突出する。二相流熱伝導装置４の上方の平滑端面は、発光ダイオードチップ１を設置する取付平面４１である。このほか、放熱効果を向上させるため、ヒートパイプにらせん状のくぼみ４３が設けられる。該くぼみ４３は、形状が互いに適合する追加のヒートパイプ４４を固定することができる。これは、最終的には１つに組み立てられる構造で、図５に示す通りである。

このほか、実際の運用において、電気接続を便利にするため、対外電性接続装置５の末端は、前記固定台６を突き抜けて外部電極を形成する。このようにして、外部の電気回路と直接接続される。

当然、上述の内容は本発明について、比較的優れた実施例を参照して行った説明および模範に過ぎない。ただ、本発明から逸脱しない精神および範疇において、当業者が、依然として多くの変化および修正を行うことを理解すべきである。したがって、本発明は開示した実施例に制限されず、添付する特許請求の範囲の記載を基準とする。つまり、本発明で出願する特許範囲から逸脱しない均等変化および修飾は、すべて本発明の包含する範囲に属するべきである。

Claims (10)

1. 発光ダイオードチップ（１）を含む、発光ダイオードのパッケージ構造であって、
   内部空洞（２１）を有し、２つの開口端が設けられる金属シェル（２）と、
   金属シェル（２）の第１開口端に設置されるレンズ（３）と、
   金属シェル（２）の第２開口端と接続し、取付平面（４１）を有する二相流熱伝導装置（４）と、
   金属シェル（２）の内部空洞（２１）内に位置し、二相流熱伝導装置（４）の取付平面（４１）上に設置される、少なくとも１つの発光ダイオードチップ（１）と、
   発光ダイオードチップ（１）および外部の電気回路を接続する、対外電性接続装置（５）と、
   二相流熱伝導装置（４）、対外電性接続装置（５）および発光ダイオードチップ（１）を一緒に固定する固定台（６）と、
   をさらに含む、パッケージ構造。
2. 前記レンズ（３）がフレネルレンズである、請求項１に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
3. 前記金属シェル（２）の内部空洞（２１）が平滑表面を有し、その形状が碗状または円錐状である、請求項１に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
4. 前記二相流熱伝導装置（４）がヒートカラムであり、該ヒートカラムの上平面が、発光ダイオードチップ（１）を設置する取付平面（４１）である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
5. 前記二相流伝導装置（４）の取付平面（４１）から離れた方向に、少なくとも１つのヒートシンク（４２）が設けられる、請求項４に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
6. 前記二相流熱伝導装置（４）が、屈曲および／または平坦なヒートパイプであり、その取付平面（４１）がヒートパイプの中部に位置する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
7. 前記二相流熱伝導装置（４）の両側に、それぞれ少なくとも１つのヒートシンク（４２）が設けられる、請求項６に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
8. 前記二相流熱伝導装置（４）が、少なくとも１つの凸平面を有するベイパーチャンバーであり、前記凸平面が、発光ダイオードチップ（１）を設置する取付平面（４１）である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
9. 前記二相流熱伝導装置（４）がヒートパイプであり、その上方の平らな端面が発光ダイオードチップ（１）を設置する取付平面（４１）であり、ヒートパイプに追加のヒートパイプ（４４）を取り付けるらせん状のくぼみ（４３）が設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。
10. 前記対外電性接続装置（５）の末端が、前記固定台（６）を突き抜けて外部電極を形成する、請求項１に記載の発光ダイオードのパッケージ構造。

Images