[发明专利]具有小型光学元件的高功率发光器封装

说明书

本申请是国际申请日为2004年4月28日，申请号为200480017056.2(国际申请号为PCT/US2004/013256)，名为“具有小型光学元件的高功率发光器封装”申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及于发光器，更明确地说，涉及具有配置成可经受热应力之组件的发光器封装。

背景技术

发光器是一种重要的将电能转换成光的固态装置。一种此发光器为发光二极管(LED)，其通常包含夹于两个反向掺杂的区域之间的半导电材料主动区域。当将一偏压施加于两掺杂区域时，空穴及电子被注入主动区域中并于此处重新结合而产生光。光可自该主动区域发射并穿过LED表面。

LED通常视其额定功率而分成若干等级。尽管对于不同等级没有标准范围，但是低功率LED的额定功率通常在0.1瓦特至0.3瓦特(或更低)范围内，而高功率LED通常在0.5瓦特至1.0瓦特(或更高)范围内。

低功率LED的常规封装通常包含一反射杯，其中LED安装于该反射杯底部。将阴极及阳极引线电耦接至该LED以提供功率。阴极引线可穿过该反射杯而阳极引线可经导线焊接。反射杯的主要功能在于将按某些方向所发射的光重新定向，以便控制LED之远场强度图形。该反射杯可包含一高反射抛光表面并可由板材冲压而成或以诸如铝(Al)或银(Ag)的金属电镀。

整个结构可封装于一透明而坚硬的密封件(诸如塑胶或环氧树脂)中。该密封件具有众多功能。其中一种功能在于为LED晶片提供气密封。另一种功能在于：光于密封件/空气介面处折射，以致于可使得密封件之外形成为一透镜以进一步控制LED之强度图形。

然而，这种封装配置之一缺点在于：LED晶片、反射杯及密封件通常各自具有不同的热膨胀系数。因此，在运作发热循环期间，它们以不同比率膨胀及收缩，此将对装置造成高机械应力。详言之，通常用于密封件的环氧树脂及硅树脂具有与金属或陶瓷的热膨胀系数完全不同的热膨胀系数。热膨胀系数失配亦可由制造流程(诸如环氧树脂固化过程)所产生的某些约束而加剧。另外，这种封装由于缺少良好的热性能而不能有效地使LED晶片散热。然而，由于该LED以低功率运作，所以其产生成的热量相对较低，以致于热膨胀系数的差异不会导致不能接受的失效率。

然而，通常高功率LED较大、使用较大的封装组件并产生较高的热量。因此，热膨胀系数失配对可靠性具有更大的影响，且若使用低功率LED类型封装，则封装组件之热膨胀系数差异可导致不能接受的失效率。最普遍的失效之一为密封件的断裂或破裂。

业已推广的高功率LED封装具有一散热器，其作为剩余组件的坚固平台，而该散热器由具有高导热性的材料(诸如金属或陶瓷)制成，此材料有助于将LED晶片中的热量辐射出去。一反射杯安装于该平台上，而LED晶片安置于杯的底部。LED晶片通过导线焊接与坚固的平台接触。反射杯、LED晶片及导线焊接封装于一具有环境保护作用的透光材料中。为了补偿封装组件的不同的热膨胀系数，该透光材料可包含诸如硅树脂的软凝胶。随着不同组件在热循环过程中膨胀及收缩，软凝胶易变形并补偿不同的热膨胀系数。

然而，软凝胶不如塑胶、环氧树脂及玻璃坚固，且在没有涂层或覆盖层作为气密封接的情况下不能用于某些恶劣环境中，因此会增加LED制造过程的复杂性。软凝胶往往会吸水，此可缩短LED使用寿命。也较难使软凝胶形成可控制LED封装之发射图形的形状。

业已介绍的其他高功率LED封装，它们采用硬环氧树脂密封件，而此种装置并不使用密封件内的一反射杯。相反，在散热器上包含一第二区域，该第二区域的一段经冲压、模压或蚀刻以形成一可涂覆反射材料的凹部。随后，把LED晶片放置在凹部的底部并与其接触。再用硬环氧树脂或硅树脂填充该凹部，从而覆盖LED及所有焊线。此配置会减少(但不能消除)环氧树脂或硅树脂密封件的断裂及破裂。此配置亦可遇到另一问题，即环氧树脂或硅树脂密封件于LED热循环过程中会分层并自凹部表面剥落。

Carey等人的美国专利第6,274,924号揭示了另一高功率LED封装，其包含一插入在一插入式模压引线框中的散热块。散热块可包含一反射杯，而LED晶片及导热基台配置于该杯底部。金属引线与散热块电绝缘及热隔离。藉由把一热塑性透镜安装在该散热块上来添加一光学透镜。该透镜可模压成形要给LED与该透镜内表面之间的软密封件留出空间。该发明要求在高功率条件下可靠地运作，但是其复杂、制造困难并且昂贵。热塑性透镜亦不能经受通常用于将LED焊接在一印刷电路板上的过程中的高温。

发明内容