專利名稱:一種基于金屬鋁基材料的led照明光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及以大功率半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)為發(fā)光體的光源,特別一種LED照明光源,尤其是一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源,屬于電光源與照明技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
自從愛迪生發(fā)明了白熾燈以后人類進(jìn)入了照明新時代。白熾燈是第一代電光源的代表,它是靠通電加熱鎢絲使其處于熾熱狀態(tài)而發(fā)光的,但發(fā)光效率低、使用壽命短。此后人們又發(fā)明了熒光燈,使電光源歷史經(jīng)歷了一次新的革命,這場革命的意義是如此之大,以致目前世界上仍有70%的人造光線來自于熒光燈。然而熒光燈并不是一種十分理想的照明光源,主要表現(xiàn)在一是熒光燈顯色性能較差,容易發(fā)生顏色變異;二是存在亮度頻閃,容易造成視力疲勞;三是熒光燈存在比較嚴(yán)重的汞污染問題,對燈具的制造使用和環(huán)境保護(hù)均不利。
近年來,隨著LED科學(xué)研究的不斷發(fā)展和芯片工藝生產(chǎn)的水平不斷提升,大功率LED封裝技術(shù)逐漸成熟,發(fā)光效率得以大大提高,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。但是LED發(fā)光時,在將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿倪^程中,由于有電阻和非輻射復(fù)合,LED會產(chǎn)生一些熱。如果熱量不能充分散發(fā)出去,LED內(nèi)部溫度上升,將導(dǎo)致LED發(fā)光效率下降;如果LED內(nèi)部溫度上升過高,還可能使LED失效,難以保證LED預(yù)期的使用壽命。所以作為光源,散熱依然是大功率發(fā)光二極管(LED)正常工作的巨大障礙。
目前大功率LED芯片通常按圖1的模式進(jìn)行封裝,其主體部分是一個以模塑材料制成的帶有接線片7的塑料絕緣框架1,鋁、銅或合金材質(zhì)的熱沉2嵌裝在絕緣框架1中間,帶有印刷電路圖形的硅載體片3用導(dǎo)熱絕緣膠或者焊接材料6焊在熱沉2上,LED裸芯片5則以倒裝方式壓在硅載體片3的金屬接觸電極接4上,通過金絲與接線片7連接;為解決LED的散熱問題,通常還需將熱沉2用導(dǎo)熱絕緣膠或者焊接材料9貼裝在一塊專門的鋁板、銅板或其它合金板材的散熱片8上,再經(jīng)過膠封10和配置光學(xué)透鏡等工序,從而制成一種帶有散熱片的LED光源。由此可見,按照通常模式進(jìn)行封裝的發(fā)光二極管,其芯片工作時產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)路徑長,需要通過硅載體片3、導(dǎo)熱絕緣膠或者焊接材料層6、熱沉2、導(dǎo)熱絕緣膠層9、然后在散熱片8上散出,從芯片到鋁基片中間共經(jīng)過了兩層導(dǎo)熱絕緣膠以及鋁基片中的正反面氧化絕緣導(dǎo)熱層,鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為200w/mk,而一般熱導(dǎo)絕緣膠的導(dǎo)熱系數(shù)為3w/mk,導(dǎo)熱率不高,鋁基片的表面層很容易氧化,氧化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為40~120w/mk,最終形成比較大的熱阻,使LED熱量不能得到充分散發(fā)。
此外,按照傳統(tǒng)模式進(jìn)行封裝的大功率LED光源通常采取單個LED芯片封裝,每個部件中只封裝一個LED。當(dāng)增大功率需要配置多個LED時,這種單個LED芯片封裝部件組合起來就比較困難,結(jié)構(gòu)上就顯得非常繁瑣,組合后的LED的熱量也不能得到充分散發(fā)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,從改變LED的封裝方式入手,提供一種結(jié)構(gòu)簡便、易于加工、使用壽命長、散熱效果良好的基于金屬鋁基材料的LED光源。
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源,包括基材、LED芯片、膠封材料、光學(xué)透鏡和外連接線路,其中,所述基材是金屬鋁基材料,它至少有一個表面為平面結(jié)構(gòu),該平表面具有一個或多個氧化鋁絕緣導(dǎo)熱層,所述LED芯片貼裝在該氧化鋁絕緣導(dǎo)熱層上。
本發(fā)明的目的還通過以下優(yōu)選技術(shù)方案來進(jìn)一步實現(xiàn)上述基于金屬鋁基材料的LED照明光源中,所述氧化鋁絕緣導(dǎo)熱層的厚度不小于10微米,其絕緣電阻不低于100MΩ。
進(jìn)一步地,上述基于金屬鋁基材料的LED照明光源中,控制該LED照明光源的印刷電路設(shè)置在金屬鋁基材料上,LED芯片與印刷電路之間進(jìn)行電氣連接;或者,該LED照明光源還包括另外配置的印刷電路板,其外表面設(shè)有導(dǎo)電線路和接觸電極,內(nèi)表面通過絕緣導(dǎo)熱膠與金屬鋁基材料貼合在一起;該印刷電路板與LED芯片相對應(yīng)的位置開有通孔,使得LED芯片穿孔露出,并且LED芯片與印刷電路板之間進(jìn)行電氣連接。
更進(jìn)一步地,上述基于金屬鋁基材料的LED照明光源中,所述金屬鋁基材料,在已貼裝LED芯片的反側(cè)設(shè)有鋁質(zhì)散熱器。
再進(jìn)一步地,上述基于金屬鋁基材料的LED照明光源中,該LED照明光源還配有起強(qiáng)制散熱作用的風(fēng)扇。
本發(fā)明提供了一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源,與目前用常規(guī)方法封裝的LED光源相比,其突出的實質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步主要體現(xiàn)在以下幾方面(1)結(jié)構(gòu)簡單,制造方便。這種LED照明光源零部件少,產(chǎn)品體積小、薄型化,直接封裝成本低,可以顯著提高產(chǎn)品的可靠性。其加工工藝穩(wěn)定可靠,加工設(shè)備簡單,主要的化學(xué)反應(yīng)在常溫下進(jìn)行,操作方便、易于掌握,加工過程中使用的化學(xué)處理液是環(huán)保型,符合環(huán)保排放要求。
(2)防靜電性能好。氧化鋁的表面絕緣電阻可達(dá)100MΩ,據(jù)資料顯示,當(dāng)材料的表面電阻在10MΩ~100GΩ之間時,稱為靜電耗散材料,故本發(fā)明可以有效地擴(kuò)散靜電,防止靜電擊穿發(fā)光二極管。
(3)散熱效果好。本發(fā)明熱阻減小,具有有效的散熱通道,可以輕松地突破大功率LED發(fā)熱問題對半導(dǎo)體照明光源設(shè)計的限制,將溫升對大功率LED穩(wěn)定性的影響降到最低程度。
(4)由于采用芯片直接封裝在氧化鋁板上,可以提高LED的封裝密度,各芯片之間的距離可以很近,這樣在紅、藍(lán)、綠三色光配制白光的時候,可以配合出較為完美的白光。這種白光還可以根據(jù)個人的需要,通過控制電路進(jìn)行色溫自我調(diào)節(jié)。
(5)配置靈活,便于安裝及實施,可以滿足各種照明需求。封裝基礎(chǔ)部件可以按照LED配置數(shù)量進(jìn)行設(shè)計與加工,多顆LED可以隨意封裝,當(dāng)需求功率較大時,可以配置多個LED,結(jié)構(gòu)上組合顯得非常簡便。
(6)本發(fā)明提供的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)牢固,其可靠性得到顯著提高,LED的使用壽命得到充分保證。該產(chǎn)品適用于光源維護(hù)和更換比較困難、要求使用壽命特別長的LED光源的場所,可以顯著降低安裝和維護(hù)費(fèi)用。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中比較典型的LED封裝模式示意圖。
圖2a是本發(fā)明一種實施方式的主體結(jié)構(gòu)示意圖;圖2b是圖2a的俯視圖,即單顆LED芯片的封裝外觀。
圖3a是本發(fā)明另一種實施方式的主體結(jié)構(gòu)示意圖;圖3b是圖3a的俯視圖,即帶有專用印刷線路板的單顆LED芯片的封裝外觀。
圖4a是本發(fā)明另一種實施方式的主體結(jié)構(gòu)示意圖;圖4b是圖4a的俯視圖,即帶有專用印刷線路板的4顆LED芯片的封裝外觀。
圖5a是本發(fā)明再一種實施方式的主體結(jié)構(gòu)示意圖;圖5b是圖5a的俯視圖,即帶有專用印刷線路板的12顆LED芯片的封裝外觀。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了一種LED照明光源,它主要包括金屬鋁基材料做成的基材,LED芯片,膠封材料,光學(xué)透鏡和外連接線路。在鋁基材料的平表面設(shè)置一個或均勻分布的若干個LED芯片貼裝區(qū)域,該區(qū)域經(jīng)處理后形成膠狀粘性氧化鋁,然后再貼裝LED芯片。LED芯片通過金絲與外連接線路進(jìn)行電氣連接,外連接線路可以在鋁基平面上制作印刷線路,也可以制作專用的印刷線路板粘貼在鋁基平面上。再經(jīng)過膠封和配置光學(xué)透鏡等工序,形成本發(fā)明LED光源。
所述金屬鋁基材料可以是鋁質(zhì)板材,也可以是底面是平面、另外一側(cè)帶有各種形狀的鋁質(zhì)散熱器。前者主要是在耗散功率不大的情況下使用,此時只需封裝單顆或者少數(shù)幾顆LED芯片;后者用于耗散功率比較大的場合。封裝后的LED組件可以采取自然冷卻,或者另外設(shè)置風(fēng)扇強(qiáng)制散熱。
加工時,首先對鋁質(zhì)基材的表面運(yùn)用機(jī)械和化學(xué)方法進(jìn)行預(yù)處理,以獲得足夠的平整度和表面光潔度。在鋁基材料平面的LED芯片貼裝區(qū)域,通過反復(fù)多次進(jìn)行局部等離子體表面處理,利用磁控濺射增強(qiáng)并激活在陽極上發(fā)生的反應(yīng),通過專用的超高頻大功率脈沖電源在工件加工區(qū)施加電壓,使工件表面的金屬與電解質(zhì)溶液相互作用,在高溫、高頻、強(qiáng)電場等因素的作用下,鋁金屬的工件表面形成強(qiáng)化陶瓷狀薄膜,然后再通過化學(xué)陽極氧化方法處理,形成厚度大于10微米的氧化鋁層,進(jìn)而再利用化學(xué)處理的方法使氧化鋁薄膜表面具有一定的膠粘性。這層膠粘性氧化鋁在物理上是絕緣導(dǎo)熱的,具有良好的絕緣性能,絕緣電阻可達(dá)100MΩ。
上述膠狀粘性氧化鋁區(qū)域可以根據(jù)需要在基礎(chǔ)部件上處理成一個或者均勻分布的若干個,從而使鋁基材料成為LED芯片的封裝基礎(chǔ)部件。再將LED裸芯片施以一定壓力,使其直接貼裝在粘性氧化鋁區(qū)域中間,然后在100~150℃高溫下烘烤,使芯片與鋁板結(jié)合牢固。封裝多顆LED芯片時,可以使其在鋁基材料的同側(cè)呈集束狀態(tài)排布。這樣,封裝后的LED芯片與鋁基材料之間只有一層氧化鋁絕緣導(dǎo)熱層,非常有利于傳熱散熱。鋁基材料表平面的其它部分可以制作精細(xì)的印刷電路,LED芯片通過線徑為25~50微米的金絲與鋁基材料的印刷電路進(jìn)行電氣連接。
為了降低LED封裝制作成本,也可以根據(jù)鋁基材料封裝基礎(chǔ)部件的尺寸大小另外制作一塊專用印刷電路板,在其表面加工出精細(xì)的導(dǎo)電線路和接觸電極,并在LED芯片貼裝部位開孔,再用絕緣導(dǎo)熱膠將其貼裝在基礎(chǔ)部件表面上。LED芯片穿孔露出,通過金絲球焊與粘貼在鋁基材料平面上的印刷線路板進(jìn)行電氣連接。接下來再按照傳統(tǒng)的封裝工藝,完成灌密封膠密封、安裝光學(xué)透鏡等全部工序。
經(jīng)過技術(shù)檢測和精確測量,對于傳統(tǒng)的封裝方式,穩(wěn)定狀態(tài)下從芯片到熱沉底座底部的熱阻一般為30℃/W,加上散熱片從芯片到底座的底部熱阻為40℃/W,從芯片到空氣的熱阻為50℃/W;采用本發(fā)明將芯片直接貼裝在氧化鋁基板上之后,穩(wěn)定狀態(tài)下從芯片到空氣的熱阻只有20℃/W??梢?,本發(fā)明與傳統(tǒng)的封裝方式相比較,熱阻大大降低,這對提高芯片的工作性能大有幫助。
下面是本發(fā)明的幾種具體實施方式
。
〖實施例一〗如圖2a和圖2b所示,單顆LED芯片15通過膠粘狀態(tài)的氧化鋁層14貼裝在鋁板基片17上,鋁板基片17的外邊緣設(shè)有兩只安裝孔18。在芯片貼裝區(qū)域外圍,鋁板基片17上還設(shè)有印刷電路,LED芯片15通過焊接金絲16與其電氣連接。在LED芯片15上方覆有膠封材料11,最外面罩有光學(xué)透鏡19。
〖實施例二〗如圖3a和圖3b所示,單顆LED芯片25通過膠粘狀態(tài)的氧化鋁層24貼裝在鋁板基片27上,鋁板基片27的外邊緣設(shè)有兩只安裝孔28。另有專門的印刷線路板23,其表面設(shè)有印刷電路,中間開有容納LED芯片穿過的通孔。印刷線路板23與鋁板基片27之間通過膠粘材料22固定在一起,LED芯片25通過焊接金絲26與印刷線路板23電氣連接,在LED芯片25上方覆有膠封材料21,最外面罩有光學(xué)透鏡29。
〖實施例三〗如圖4a和圖4b所示,四顆LED芯片通過膠粘狀態(tài)的氧化鋁層貼裝在帶有散熱器的鋁板基片上,其單顆LED芯片的封裝模式與實施例二相同。圖中33為印刷線路板,39為光學(xué)透鏡,40為散熱器。
〖實施例四〗如圖5a和圖5b所示,十二顆LED芯片通過膠粘狀態(tài)的氧化鋁層貼裝在帶有散熱器的鋁板基片上,其單顆LED芯片的封裝模式與實施例二相同。圖中43為印刷線路板,49為光學(xué)透鏡,50為散熱器,51為強(qiáng)制散熱風(fēng)扇。
權(quán)利要求
1.一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源,包括基材、LED芯片、膠封材料、光學(xué)透鏡和外連接線路,其特征在于所述基材是金屬鋁基材料,它至少有一個表面為平面結(jié)構(gòu),該平表面具有一個或多個氧化鋁絕緣導(dǎo)熱層,所述LED芯片貼裝在該氧化鋁絕緣導(dǎo)熱層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源,其特征在于所述氧化鋁絕緣導(dǎo)熱層的厚度不小于10微米,其絕緣電阻≥100MΩ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源,其特征在于控制該LED照明光源的印刷電路設(shè)置在金屬鋁基材料上,LED芯片與印刷電路之間進(jìn)行電氣連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源,其特征在于該LED照明光源還包括另外配置的印刷電路板,其外表面設(shè)有導(dǎo)電線路和接觸電極,內(nèi)表面通過絕緣導(dǎo)熱膠與金屬鋁基材料貼合在一起;該印刷電路板與LED芯片相對應(yīng)的位置開有通孔,使得LED芯片穿孔露出,并且LED芯片與印刷電路板之間進(jìn)行電氣連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源,其特征在于所述金屬鋁基材料,在已貼裝LED芯片的反側(cè)設(shè)有鋁質(zhì)散熱器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源,其特征在于該LED照明光源還配有起強(qiáng)制散熱作用的風(fēng)扇。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源,通過在鋁基材料的平表面形成一個或多個膠狀粘性氧化鋁區(qū)域,然后貼裝LED芯片,有效解決了大功率LED用作照明光源的傳熱散熱問題。該LED照明光源的外印刷線路可以在鋁基平表面上制作,也可以制作專用的印刷線路板,再粘貼在鋁基材料上;所使用的金屬鋁基材料可以是鋁質(zhì)板材,也可以是一側(cè)是平面結(jié)構(gòu)、另外一側(cè)帶有各種形狀的鋁質(zhì)散熱器,甚至還可以設(shè)置風(fēng)扇,以增加強(qiáng)制散熱效果。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、制造方便,產(chǎn)品防靜電性能和散熱效果好,并且LED的數(shù)量和位置可以靈活配置,以滿足各種照明需求。
文檔編號H01L25/03GK1893122SQ200510040920
公開日2007年1月10日 申請日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者王勁, 梁秉文, 劉乃濤, 張佃環(huán), 高澤山 申請人:南京漢德森科技股份有限公司