專利名稱：基于復(fù)合散熱技術(shù)的led燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED照明技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用復(fù)合散熱技術(shù)的LED燈。
背景技術(shù)：
近幾年來，LED作為新光源在各個領(lǐng)域得到廣泛使用；但LED的發(fā)光需要電流驅(qū)動，輸入LED的電能中，只有約15%-25%能有效轉(zhuǎn)化為光能，意味著一個IOW的LED燈只有2W 轉(zhuǎn)化為光，而其余8W將自動轉(zhuǎn)化為熱，所以LED發(fā)光過程中會產(chǎn)生熱量。隨著LED功率的升高，熱的特性對LED的影響越來越顯著，不但會使器件壽命急劇衰減，還會嚴(yán)重影響LED 的波長，功率，光通量等參數(shù)；此外目前使用的大功率LED以及LED燈具基本都把LED管焊在鋁基板上，鋁基板再通過導(dǎo)熱膠與鋁散熱器相粘接。由于鋁基板與導(dǎo)熱膠熱阻大，許多熱量不能及時散發(fā)，因此做得LED燈尤其是球泡燈功率不敢做得大，只能做到8W以下，就是因為散熱不能解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對LED的散熱問題，提供了一種基于復(fù)合散熱技術(shù)的LED燈。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種基于復(fù)合散熱技術(shù)的LED燈， 它包括外殼單元、燈組單元與電源單元三個部分；其中，燈組單元與電源單元均固定在外殼單元內(nèi)，燈組單元與電源單元相連。進(jìn)一步地，所述外殼單元主要由金屬燈頭、塑料燈頭、殼體和燈罩組成；其中，所述金屬燈頭和殼體分別通過螺紋旋接在塑料燈頭的兩端，燈罩通過螺紋旋接在殼體的另一端。進(jìn)一步地，所述殼體為中空的塑料殼、鋁殼或鋁合金殼，其外表面涂有黑色的納米輻射涂料；殼體的四周刻有對流槽。進(jìn)一步地，所述燈組單元主要由多孔銅、鋁板、陶瓷基板與LED管組成；其中，鋁板的上下表面分別鍍錫形成第一鍍錫層與第二鍍錫層，陶瓷基板的兩個表面燒結(jié)形成第一銀箔層與第二銀箔層；多孔銅與鋁板的第一鍍錫層、鋁板的第二鍍錫層與陶瓷基板的第一銀箔層、陶瓷基板的第二銀箔層與LED管的金屬底座均通過回流焊焊在一起，成為LED燈組單元。鋁板固定在殼體上。進(jìn)一步地，所述電源單元一端通過交流輸入線與金屬燈頭相連，另一端直流輸出線與鋁板的第二鍍錫層相連。本發(fā)明共有三個單元組成外殼單元、燈組單元與電源單元。外殼單元以塑料燈頭作為連接體，其上面與金屬燈頭連接，其下面與塑料或鋁(鋁合金)的燈殼連接，燈殼下面又與燈罩相連，塑料燈頭與殼體均為中空，在中空的塑料燈頭內(nèi)部放置電源單元，在中空的燈殼內(nèi)部固定燈組單元；燈組單元由多孔銅、鋁板、陶瓷基板與LED管組成。陶瓷基板與鋁板通過陶瓷基板的銀箔與鋁板的鍍錫層緊密焊接，多孔銅焊接在鋁板的另一面，而LED管焊在陶瓷基板另一面；交流電通過金屬燈頭的兩端接入電源單元，經(jīng)電源整流降壓后的直流電，加在燈組單元的LED上使其發(fā)光。由于采用陶瓷基板、多孔銅與納米涂料等復(fù)合技術(shù)散熱，使LED燈功率做得較大，使LED球泡燈功率達(dá)到IOW以上。本發(fā)明的有益效果是由于采用復(fù)合技術(shù)，LED燈組所產(chǎn)生的熱量通過陶瓷基板良好的傳導(dǎo)性能傳送到鋁板，又能通過多孔銅與涂有黑色納米輻射涂料的外殼，進(jìn)行有效地對流與輻射散熱。目前極大部分LED燈組采用鋁基板導(dǎo)熱，由于鋁基板與散熱器通過導(dǎo)熱膠粘結(jié)，熱量散熱途徑有鋁基板中的環(huán)氧樹脂與導(dǎo)熱膠的阻擋，它們的導(dǎo)熱系數(shù)分別是 0. 2ff/mK與lW/mK，散熱效果差，而本發(fā)明使用的陶瓷基板與鋁都是直接焊接，不僅熱阻小， 而且堅固，不易脫落，陶瓷基板與鋁的導(dǎo)熱系數(shù)分別是24W/mK與MOW/mK，是鋁基板的幾百倍；所以目前普通的LED球泡燈只能做到8W以下，而本發(fā)明的基于復(fù)合散熱技術(shù)的LED燈， 其功率可以做到IOW以上。


圖1是本發(fā)明LED燈的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明LED燈的結(jié)構(gòu)剖視圖3是多孔銅的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是多孔銅焊接示意圖； 圖5是是本發(fā)明LED燈的正視圖； 圖6是LED燈電路圖中，金屬燈頭1、塑料燈頭2、電源單元3、殼體4、對流槽5、燈罩6、多孔銅7、鋁板8、 陶瓷基板9、LED管10、鋁板的固定螺孔11、電源單元的交流輸入線12、鋁板的第一鍍錫層 13、鋁板的第二鍍錫層14、陶瓷基板的第一銀箔層15、陶瓷基板的第二銀箔層16、LED金屬底座17、螺絲18、電源單元的直流輸出線19。
具體實施例方式如圖1-5所示，本發(fā)明基于復(fù)合散熱技術(shù)的LED燈包括外殼單元、燈組單元與電源單元三個部分。其中，燈組單元與電源單元均固定在外殼單元內(nèi)，燈組單元與電源單元相連。外殼單元包括金屬燈頭1、塑料燈頭2、殼體4、燈罩6。而燈組單元包括多孔銅7、鋁板8、陶瓷基板9與LED管10。電源單元包括電源3、電源交流輸入線12、電源直流輸出線 19。本發(fā)明利用復(fù)合技術(shù)，通過外殼、陶瓷基板9和多孔銅7，充分應(yīng)用傳導(dǎo)、對流與輻射的散熱方式進(jìn)行有效地散熱，使LED燈泡能在大功率情況下工作。1、外殼單元主要由金屬燈頭1、塑料燈頭2、殼體4和燈罩6組成。圖1中金屬燈頭1和殼體4分別通過螺紋旋接在塑料燈頭2的兩端，燈罩6通過螺紋旋接在殼體4的另一端。殼體4為中空的塑料或鋁(鋁合金)殼，其外表面涂有黑色的納米輻射涂料。殼體4 的四周刻有對流槽5，使燈組單元的發(fā)出熱量可以通過對流槽5發(fā)到外界。在中空的塑料燈頭2內(nèi)部放置電源單元3。金屬燈頭可采用E27的標(biāo)準(zhǔn)燈頭，也可采用其他能與電源相連的 B、⑶、MR、PAR等燈頭，金屬燈頭1緊密旋緊在塑料燈頭2上，并加壓固定，見圖2，金屬燈頭 1的金屬兩端為取交流電用，交流電經(jīng)電源單元的交流輸入線12輸入到電源單元后成直流電流，直流電源經(jīng)過直流輸出線19，穿過鋁板8焊在陶瓷基板9的第二銀箔上(第二銀箔為銀制的印刷電路)，見圖5。殼體4的材料可以為塑料、鋁或鋁合金，如可采用PBT塑料，PBT是結(jié)晶型熱塑性聚酯，具有高耐熱性、韌性、耐疲勞性，自潤滑、低摩擦系數(shù)，耐候性、吸水率低的特點，也可采用PC、ABS等塑料；殼體4也可由鋁或鋁合金通過壓鑄或擠壓而成，殼體4 外部噴涂黑色納米納米輻射涂料；通過以上方式制備的殼體4表面是黑色與粗糙的。燈罩 6經(jīng)磨砂處理，使LED發(fā)出的光經(jīng)過磨砂燈罩而均勻無眩光。2、燈組單元見圖3，主要由多孔銅7、鋁板8、陶瓷基板9與LED管10組成。圖4中鋁板8經(jīng)鍍錫處理形成上面的第一鍍錫層13與下面的第二鍍錫層14，陶瓷基板經(jīng)過燒結(jié)形成上面的第一銀箔層15與下面的第二銀箔層16。多孔銅7與鋁板8的第一鍍錫層13，鋁板8的第二鍍錫層14與陶瓷基板9的第一銀箔層15，陶瓷基板9的第二銀箔層16與LED 管10的金屬底座17都通過回流焊焊在一起，成為LED燈組單元。在中空的燈殼4上有螺 ？L，能與鋁板的固定孔11相對應(yīng)。把LED燈組電源用螺絲18固定在殼體4底部的螺孔內(nèi)， 見圖5。3、電源單元3 —端通過交流輸入線12與金屬燈頭1相連，另一端直流輸出線與印刷電路14相連，如圖5所示，電源單元見圖6，該單元包括XL5002集成片一個、7個二極管、 1個穩(wěn)壓管、3個電阻、5個電容、1個三極管和1個電感。其中XL5002集成片可以采用上海芯龍半導(dǎo)體有限公司的產(chǎn)品，4個二極管D1-D4組成全波整流電路，全波整流電路的輸入端與金屬燈頭1相連，整流電路的正輸出端分別與電容Cl的一端、二極管D7的負(fù)極、三極管 Ql的集電極，電阻Rl的一端和XL5002集成片的電壓輸入端(管腳5、6，VIN)相連，整流電路的負(fù)輸出端分別與二極管D5的正極、電容C2的一端、穩(wěn)壓管D8的正極和電容C5的一端相連；電容Cl的另一端分別與二極管D5的負(fù)極和二極管D6的正極相連，二極管D6的負(fù)極分別與二極管D7的正極和電容C2的另一端相連，三極管Ql的基極分別與電阻Rl的另一端和XL5002集成片的啟動端(管腳1，START)相連，三極管Ql的發(fā)射極與XL5002集成片的基準(zhǔn)電壓引腳(管腳2，VREG)及電容C3的一端相連，而C3另一端與XL5002集成片的電流檢測負(fù)極(管腳7、8，CSN)以及與電阻R2、電感Ll的一端相連；電阻R2的另一端與XL5002 的功率輸出端(管腳4，SW)、穩(wěn)壓管D8的負(fù)極，電阻R3與電容C4的一端相連，電阻R3與電容C4的另一端相連后與XL5002的電流檢測正極(管腳3，CSP)相連；電感Ll的另一端與電容C5的另一端相連后作為直流電源的正極輸出到LED的正極，而電容C5與整流電路的負(fù)輸出端作為直流電源的負(fù)極輸出到LED管的負(fù)極。圖6中，D1、D2、D3、D4為整流二極管，經(jīng)整流后為310V左右的直流電加在Cl、D5 及C2、D7兩端，中間有D6與這兩組電路相連，該電路稱“填谷”電路，能把全被整流后的波谷通過電容Cl與C2的充放電盡量填平。它是一種無源PFC電路，其作用提高功率因數(shù)至 0. 85 ；D7與Cl的上端相連為電源的正極，又與電壓調(diào)整管Ql、調(diào)整電阻Rl與)(L5002的5、 6直接相連。C2的下端與D5的正極端相連為電源負(fù)極，又與穩(wěn)壓管D8、濾波電容C5以及 LED的負(fù)極直接相連。經(jīng)整流的310V直流高壓加在XL5002的5、6及L1、R2以及LED管中。 XL5002管腳3與R3、C4相連，其作用是利用穩(wěn)壓管D8的標(biāo)準(zhǔn)電壓，檢測輸出電壓大小，通過調(diào)整Ri與R3的大小，調(diào)整輸入與輸出的電壓。XL5002的管腳7、8與R2、Ll相連，可通過為檢測輸出電流R2的電流，調(diào)整R2可控制輸出電流的大小，管腳4為功率開關(guān)輸出，輸出恒流經(jīng)過Ll的濾波，推動LED管發(fā)光。C3為消振電容，C4為旁路電容；Ll與C5組成濾波電路，濾除電路中的雜波部分，使產(chǎn)生穩(wěn)定的恒流電流供LED使用。該電路LED可以從1 個至10個串聯(lián)，電流為350mA左右。LED的直接輸出功率可從IW至IOW變化。
例如安裝9W的球泡燈，在陶瓷基板上安裝4顆LED管，管子應(yīng)該對稱，使其出光均勻。見圖5，LED采用飛利浦的Luxeon Rebel管子，型號為LXML-PW31，色溫為6500K的白光管，該管電流可從350mA至700mA，功率從IW至3W。本次電流調(diào)到550mA，實際輸出功率單管為3. 3V*0. 55mA，即為1.82W，輸出功率為1. 82*4為7. 3W，考慮電源效率是0. 85，總功率為7. 3W/0. 85約為9W。整流管D1、D2、D3、D4采用安森美Onsemi公司的型號為MRA4007T3G的二極管；IC 為上海芯龍半導(dǎo)體有限公司的XL5002 ；電容Cl與C2采用日本紅寶石(rubycon)的鋁電解，規(guī)格為4. 7uF/200V ；三極管Ql采用湯姆遜ST公司的13001管子；D5穩(wěn)壓管為安森美 Onsemi公司的MURA160T3G;C3與C4采用日本黑金剛公司即NCC的規(guī)格為2. 2uF/35V與 IOOpF的貼片陶瓷電容；Rl、R2、R3采用臺灣的國巨公司Yageo生產(chǎn)的貼片電阻，規(guī)格分為 1Μ、0. 47Ω、2K ；Ll采用美商線藝coilcraft公司的規(guī)格為2. 2mH/0. 5A電感。本發(fā)明所述的復(fù)合散熱技術(shù)具體包括以下三種散熱方式
1、多孔銅7的對流散熱多孔銅是多孔金屬材料的一種，是當(dāng)前材料科學(xué)中發(fā)展較為迅速的一種新材料，目前生產(chǎn)多孔金屬，內(nèi)部為相通的三維立體網(wǎng)格，孔隙率在90%以上， 通孔率可高達(dá)97%以上，多孔銅應(yīng)用在過濾器、吸熱器、催化劑等領(lǐng)域，尤其是作為散熱材料。因為大功率發(fā)光二極管由于使用時溫升高，功率只能做到3瓦，而功率3瓦按計算就需要80平方厘米以上的散熱面積，采用刻槽加鰭來增加散熱面的效果已經(jīng)不大，而且今后大功率發(fā)光二極管多管芯的模塊組合將達(dá)到100瓦，而面積要求更小，在1平方厘米中要做到幾十瓦功率，散熱將提出更高要求。另外現(xiàn)有的大功率發(fā)光二極管要采用大量的銅或鋁材料，導(dǎo)致成本高，這些因素都嚴(yán)重地制約了半導(dǎo)體照明的發(fā)展。而多孔銅能極地增加散熱面積(實際增加約200-1000倍以上)，所以有利于大功率發(fā)光二極管的散熱。據(jù)推算，采用普通散熱器，5瓦大功率發(fā)光二極管散熱面積需200平方厘米，而10瓦大功率發(fā)光二極管散熱面積需500平方厘米，這在實際應(yīng)用中肯定不現(xiàn)實，而多孔銅只需幾個平方厘米的實際面積， 就能用于10瓦左右的大功率發(fā)光二極管散熱，散熱效果非常明顯。熱對流時在固體表面與流體之間傳遞熱量的流熱傳遞可表示為Φ= hA ( tw - tf )，A為固體的表面積，tw為固體的表面溫度，tf為流體溫度，h為熱傳遞率或傳遞系數(shù)，其單位為W/(°Cm2 )。這一關(guān)系式稱為牛頓冷卻公式。從中可知熱量傳遞的對流的效果主要是由熱源與空氣接觸的表面積的大小有關(guān)，有效接觸面積越大，溫度差越高，所能帶走的熱量也就越多。而采用多孔銅作為散熱裝置，與同樣體積的銅相比，多孔銅表面積是原先的200-1000倍，也就是說原先就是說原先散熱面；是說原先散熱面積要200平方厘米，現(xiàn)在只要1平方厘米就可以了，
2、納米涂料的輻射散熱輻射是一種有效散熱的方式，當(dāng)高溫物體置于低溫環(huán)境時，該物體不需介質(zhì)就能放出熱量，這種現(xiàn)象稱為熱輻射。輻射出來的熱量是電磁波，其波長范圍為ο. 1μ m到15μ m，可見光也包含這一范圍內(nèi)。輻射率等于1的物質(zhì)是理想輻射，稱為黑體。輻射散熱降溫涂料是一種新興涂料，輻射散熱降溫涂料是一種輻射能帶走物體熱量并隔熱防水的涂料，涂料直接涂刷在要散熱降溫的物體表面，輻射散熱降溫涂料能夠以 8-13. 5 μ m紅外波長向大氣空間自動輻射走所涂刷在物體上的熱量，降低物體表面和內(nèi)部溫度，散熱降溫明顯。涂料在起到輻射降溫的同時，也有很好的自潔性、絕緣性、防腐性、防水性、抗酸堿、施工方便的特點。輻射熱傳遞是物體不通過中介物質(zhì)所進(jìn)行的熱量授受行為，納米涂料可以采用中科院唐山高新技術(shù)研究與轉(zhuǎn)化中心的產(chǎn)品，但不限于此。
3、陶瓷基板9的傳導(dǎo)散熱熱是一種能量，而溫度表所表示的能量的平均狀態(tài)。熱量從溫度為、的面，穿過厚度為L面積為A的均質(zhì)平板，到達(dá)溫度為t2的面時，單位時間所流過的熱量稱為熱流。熱流Φ (W)與溫度差U2I1)及面積A成正比，與厚度L成比，可用傅里葉傳導(dǎo)定律表示φ =-λ A (Vt1) / L，比例常數(shù)λ稱為該物體的熱傳導(dǎo)系數(shù)，其單位為W/(m .°C)0平常的鋁基板盡管有鋁，但內(nèi)部為了與銅箔板絕緣必須有環(huán)氧樹脂隔開， 而環(huán)氧樹脂熱傳導(dǎo)系數(shù)只有0. 2ff/(m .0C).采用陶瓷基板其熱傳導(dǎo)系數(shù)為24W/(m . °C )， 是鋁基板的100多倍，所以散熱效果更好。陶瓷基板是一種新型的發(fā)熱元件的工作載體，目前有氧化鋁、氮化鋁以及低溫共燒陶瓷LTCC三種。陶瓷基板具有優(yōu)良電絕緣性能，高導(dǎo)熱特性，抗腐蝕與紫外線。并可像PCB板一樣能刻蝕出各種圖形，具有很大的電流載流能力。 因此陶瓷基板已成為大功率電力電子電路結(jié)構(gòu)技術(shù)和互連技術(shù)的基礎(chǔ)材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為 24W/mK，而氮化鋁甚至高達(dá)200W/mK，已經(jīng)與鋁的導(dǎo)熱系數(shù)接近。本發(fā)明就是用我們用自己制作的燒結(jié)銀的陶瓷基板代替鋁基板，收到很好的傳熱效果。陶瓷的厚膜燒結(jié)可以把銀箔燒制在陶瓷上。其過程有絲網(wǎng)涂感光膠、制電路板、絲網(wǎng)曝光、沖洗、涂銀漿膏、印刷、送陶瓷燒結(jié)爐燒結(jié)銀箔。
權(quán)利要求
1.一種基于復(fù)合散熱技術(shù)的LED燈，其特征在于，它包括外殼單元、燈組單元與電源單元三個部分；其中，燈組單元與電源單元均固定在外殼單元內(nèi)，燈組單元與電源單元相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于復(fù)合散熱技術(shù)的LED燈，其特征在于，所述外殼單元主要由金屬燈頭(1)、塑料燈頭(2)、殼體(4)和燈罩(6)等組成；其中，所述金屬燈頭(1)和殼體 (4)分別通過螺紋旋接在塑料燈頭(2)的兩端，燈罩(6)通過螺紋旋接在殼體(4)的另一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述基于復(fù)合散熱技術(shù)的LED燈，其特征在于，所述殼體(4)為中空的塑料殼、鋁殼或鋁合金殼，其外表面涂有黑色的納米輻射涂料；殼體(4)的四周刻有對流槽(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于復(fù)合散熱技術(shù)的LED燈，其特征在于，所述燈組單元主要由多孔銅(7)、鋁板(8)、陶瓷基板(9)與LED管(10)等組成；其中，鋁板(8)的上下表面分別鍍錫形成第一鍍錫層(13)與第二鍍錫層(14)，陶瓷基板(9)的兩個表面燒結(jié)形成第一銀箔層(15)與第二銀箔層(16);多孔銅(7)與鋁板(8)的第一鍍錫層(13)、鋁板(8)的第二鍍錫層(14)與陶瓷基板(9)的第一銀箔層(15)、陶瓷基板(9)的第二銀箔層(16)與LED管(10) 的金屬底座(17)均通過回流焊焊在一起，成為LED燈組單元；鋁板(8)固定在殼體(4)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于復(fù)合散熱技術(shù)的LED燈，其特征在于，所述電源單元(3)— 端通過交流輸入線(12)與金屬燈頭(1)相連，另一端通過直流輸出線(19)與鋁板的第二鍍錫層(14)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于復(fù)合散熱技術(shù)的LED燈，其特征在于，所述電源單元包括 1個XL5002集成片、7個二極管、1個穩(wěn)壓管、3個電阻、5個電容、1個三極管和1個電感等； 其中，4個二極管D1-D4組成全波整流電路，全波整流電路的輸入端與金屬燈頭1相連，整流電路的正輸出端分別與電容Cl的一端、二極管D7的負(fù)極、三極管Ql的集電極、電阻Rl的一端和XL5002集成片的電壓輸入端相連，整流電路的負(fù)輸出端分別與二極管D5的正極、電容C2的一端、穩(wěn)壓管D8的正極和電容C5的一端相連；電容Cl的另一端分別與二極管D5 的負(fù)極和二極管D6的正極相連，二極管D6的負(fù)極分別與二極管D7的正極和電容C2的另一端相連，三極管Ql的基極分別與電阻Rl的另一端和XL5002集成片的啟動端相連，三極管Ql的發(fā)射極與XL5002集成片的基準(zhǔn)電壓引腳及電容C3的一端相連，而電容C3另一端與XL5002集成片的電流檢測負(fù)極以及與電阻R2、電感Ll的一端相連；電阻R2的另一端與 XL5002的功率輸出端、穩(wěn)壓管D8的負(fù)極，電阻R3與電容C4的一端相連，電阻R3與電容C4 的另一端相連后與XL5002的電流檢測正極相連；電感Ll的另一端與電容C5的另一端相連后作為直流電源的正極輸出到LED的正極，而電容C5與整流電路的負(fù)輸出端作為直流電源的負(fù)極輸出到LED管(10)的負(fù)極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于復(fù)合散熱技術(shù)的LED燈，它包括外殼單元、燈組單元與電源單元三個部分；所述外殼單元以塑料燈頭作為連接體，其上面與金屬燈頭連接，其下面與塑料或鋁的燈殼連接，殼體四周刻有對流槽燈，外面涂有黑色納米輻射涂料；燈組單元的陶瓷基板與鋁板通過陶瓷基板的銀箔與鋁板的鍍錫層緊密焊接，多孔銅焊接在鋁板的另一面，而LED管焊在陶瓷基板另一面。由于采用陶瓷基板、多孔銅與納米涂料等復(fù)合技術(shù)散熱，充分發(fā)揮傳導(dǎo)、對流與輻射的散熱方式進(jìn)行有效的散熱，使LED燈功率可以做得較大。
文檔編號F21V23/06GK102297352SQ201110242939
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者何永祥, 沈穎玲, 甄海威 申請人:何永祥, 沈穎玲, 甄海威