CN101816076B - 发光二极管多芯片贴片及装有该贴片的灯条 - Google Patents

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Abstract

一种发光二极管多芯片贴片(1)包括：封装壳体、多个LED芯片和封装盖。其芯片在发射平台上从上到下以一条线排列。其封装壳体上设置有较大面积的电极。封装盖是用透光的硅胶制成，使得贴片能发射出较大光能量，并透过封装盖产生较高的照度，而芯片所产生的热量可很快由电极传导散热。一种装有该贴片的灯条(20)包括多节贴片和线路板(2)，各节贴片(1)包括四个LED多芯片贴片(1)和一限流电阻的串联电路，各串联电路则彼此并联连接，线路板(2)是印刷线路板，能为贴片的芯片提供最佳的散热结构。

Description

发光二极管多芯片贴片及装有该贴片的灯条
技术领域：
本发明涉及一种发光二极管(LED)，尤其涉及一种可用于截面三角形棱镜反光板的、由多个发光二极管芯片封装而成的LED多芯片贴片及装有该贴片制成的灯条。
背景技术
在世界能源面临供不应求、价格上涨的压力下，照明世界希望寻求一种照明和节电节能的综合效果都非常显著的灯具，于是就有了LED灯具，以便能用LED灯具取代白炽灯和紧凑型荧光灯。为了使LED灯具能很好推广应用，本领域和相关领域的很多科技人员投入了对LED光源的研制。在此之前的很长一段时间里，他们的目标集中于大功率的LED光源的开发研究，发表了大量的研究论文和实验报告。从以上实践和已试制或可销售产品的现状，使人们发现LED大功率设计以及应用在光效、散热等方面仍存在较大的技术障碍。
总结LED在照明领域里应用，我们觉得更多的是缺乏对LED本质的了解。我们往往追求是怎样把一个LED封装流明(光通量)数值做大，而忽视了如何去处理散热。一个LED灯具如何达到理想的流明，如何去散热？又如何去维持它的流明？这是我们研究的方向。
本申请人在对各种在前的截面三角形棱镜反光板和圆板灯等发明专利申请中提出了各种灯体作为光源，包括采用了LED，并被用作反光板和圆板灯的面光源光学引擎。为使LED的光源适应反光板和圆板灯的要求，还把若干LED安装在一线路板上制成一灯组件。尽管这些初步提出的LED光源和灯组件解决了LED应用上的光效和节能，但是，在散热和包括发光效率等综合性能方面乃有不足之处，亟待提高。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种截面三角形棱镜反光板，特别是等截面不等边三角形棱镜反光板和圆板灯结构相配合的一种微型的、由多个发光二极管芯片封装而成的LED多芯片贴片及装有该贴片制成的灯条。
实现上述目的的技术方案是：本发明的发光二极管多芯片贴片包括：
封装壳体，是由耐高温塑料或陶瓷制成的，其上表面中央具有一其底面为椭圆形用作安装LED光线发射平台的凹槽；
多个发光二极管芯片，以上下一字线排列安装在发射平台上；
与发光二极管芯片相应数量的电极，它设置在封装壳体的下表面，以中心线对称地配置在下表面两侧，并通过芯片引线与电极连接；
封装盖，是用硅胶填充于凹槽并覆盖在多个发光二极管芯片上形成的。
如以上所述的多芯片贴片，其中，所述一字线排列安装在安装平台上的多个发光二极管芯片是正方形的，为2至8片，芯片中心之间距离为0.5～1.1毫米，其几何中心连线与封装壳体的中心线OO′完全重合。
如以上所述的多芯片贴片，其中，所述电极各自从封装壳体的下表面向上延伸至两个侧壁的下部。
如以上所述的多芯片贴片，其中，所述封装壳体的每一电极在下表面是平面分布的，且面积相等。
如以上所述的多芯片贴片，其中，所述封装壳体的每一电极在下表面和两个侧壁的下部上是直角分布的，且面积相等。
如以上所述的多芯片贴片，其中，所述封装壳体的外形是方形或矩形的，所述封装壳体的凹槽为方形、矩形或椭圆形的槽。
如以上所述的多芯片贴片，其中，所述多个发光二极管芯片可成双并联，它们相并联的正负极各焊接到一电极上。
本发明的装有发光二极管多芯片贴片制成的灯条包括：
多节贴片，每一节贴片包括串联的四个发光二极管多芯片贴片和一限流电阻，各节贴片则以并联连接；
一长条状的线路板，它的一个表面上以高度分为上下两个部分，上部设有电源端子通孔接点、限流电阻通孔焊点和负极连线通孔焊点，下部设有多个发光二极管贴片电源电极焊盘；它的另一个表面上与发光二极管电源电极位置相背对的部分设有散热铜片；
所述各节贴片的发光二极管多芯片贴片以节贴片顺序相间一定距离安置在线路板的发光二极管电源电极上，发光二极管多芯贴片正极和负极分别连接电源端子通孔接点和负极通孔连线焊点，限流电阻焊接在限流电阻通孔焊点并连接于每一节贴片串联的两个发光二极管多芯贴片之间。
如以上所述的灯条，其中，所述设有电源端子通孔接点、限流电阻通孔焊点和负极通孔连线焊点的上部和设有多个发光二极管电源电极的下部分别占有上表面面积为20～50％和80～50％。
如以上所述的灯条，其中，所述发光二极管电源电极是铜质焊盘，所述电源端子通孔接点、限流电阻通孔焊点和负极连线通孔焊点是通孔的焊盘。
如以上所述的灯条，其中，所述线路板以胶木板为基层和两面覆以作为散热片和多个发光二极管贴片电源电极的部分铜片的复合板或印刷线路板，该线路板的厚度小于1毫米。
由上可见，本发明的贴片由封装壳体、多个发光二极管芯片和封装盖组成，其芯片以上下一字线排列安装在发射平台上，其封装壳体的下表面设有较大面积的电极，其封装盖是用透光性能较佳的硅胶制成，使得各个贴片能发射出较大光能量，并通过封装盖基本上全部透射以产生较高的照度，同时在芯片导通时所产生的热量可很快传导到其下部的电极而有利于贴片的散热；本发明的装有以上贴片制成的灯条包括多节贴片和线路板，各节贴片包括四个LED多芯片贴片和一限流电阻的串联电路，各节贴片的串联电路则彼此并联连接，所述线路板是印刷线路板，每一面上以高度分为上下两个部分，上部设有电源端子通孔接点、限流电阻通孔焊点和负极连线通孔焊点，下部设有由散热铜片构成的多个发光二极管贴片电源电极焊盘及与发光二极管电源电极焊盘位置相背对的导电和散热部；可为贴片的芯片提供最佳的散热结构。
我们发现，照明世界需要的是一个面光源，而不是点光源。申请人的上述发明是为了给反光板和圆板灯中作为光学棱镜部分的等截面不等边三角形棱镜提供一种可实现面光源式照明的光学引擎。
附图简要说明
图1a是具有六个LED芯片的椭圆形封装贴片的剖视图，主要表示在封装壳体内这些芯片排列结构；
图1b是沿图1a的C-C线所作的截面视图；
图1c是图1a的仰视图；
图2a是具有四个LED芯片的椭圆形封装贴片的剖视图，主要表示在封装壳体内这些芯片排列结构；
图2b是沿图2a的A-A线所作的截面视图；
图2c是图2a的仰视图；
图3是本发明用宽度16毫米的长条状线路板和多个LED多芯片贴片制成的灯条之一的装配图；
图4是本发明用宽度8毫米的长条状线路板和多个LED多芯片贴片制成的灯条之二的装配图；
图5是四个LED多芯片贴片和一个限流电阻构成一节贴片的串联连接和若干相同节贴片的并联连接以及并联后的输入和输出端连接到LED驱动器的电路图；
图6是采用三组同样的图5的电路图的LED多芯片贴片驱动结构图、表示在一截面三角形棱镜反光板中可安装3个独立的节贴片串联和若干节贴片并联的驱动电路；
图7是本发明16毫米宽线路板上安装封装的LED多芯片贴片时的布线焊接点等排列图；
图8是本发明8毫米宽线路板上安装封装的LED多芯片贴片时的布线焊接点等排列图；
图9是图7的线路板背面的结构布置图；
图10是图8的线路板背面的结构布置图；
图11a和图11b分别表示将图3的灯条安装在等截面不等边三角形定向棱镜圆形反光板中配合装配成一个圆板灯的剖视图和移去散热盖后的平面视图；
图12a和图12b分别表示将图4的灯条安装在等截面不等边三角形定向棱镜反光片中配合装配成一个板灯的剖视图和移去散热盖后的平面视图。
具体实施方式
请参阅图1a～图2c，图中示出了本发明LED多芯片贴片封装的两种结构分布各自提供的三个视图。图1a～图1c是贴片中装有6个LED芯片的分布结构，图2a～图2c是贴片中装有4个LED芯片的分布结构。因无论6芯片还是4芯片构成的贴片，只是多芯片贴片中的芯片数量不同而拥有的电极数量和产生的光能不同，但是在结构上除了体积大小外其它方面布置是基本相同的，故在本实施例中以6个发光二极管芯片为例加以说明。
如此，本发明分发光二极管多芯片贴片1包括封装壳体11，6个发光二极管芯片12、电极13和封装盖14，其中，封装壳体11的上表面111中央设有一其底面具有用作安装LED的光线发射平台(简称发射平台)的凹槽112，较佳，凹槽112为椭圆形，相应地底面平台也是椭圆形的。一般，封装壳体11是由耐高温塑料或陶瓷材料制成的。
6个发光二极管芯片12以阵列方式，上下一字线排列安装在发射平台上并处于整个椭圆形平台的轴对称中心，进一步地说，在本实施例中，6个LED芯片都是正方形，它们的几何中心连线与封装壳体的中心线OO′完全重合。按照要求，可具体配置成6个芯片到中间距离例如为0.8毫米，并达到各个芯片与水平面垂直的1字线封装。
6个电极13设置在封装壳体的下表面，以中心线OO′对称地配置在下表面两侧。这里，贴片的电极也正是电源的焊脚，由于每个电极13是等宽的，所以芯片得到的电流是相等的。各个芯片通过芯片引线，如金丝15与电极13连接。在本实施例中，6个发光二极管芯片是两个两个地成双并联，它们相并联后形成3个正极和3个负极，共有6个极，所以各自焊接到6个电极13之一上。上述的封装壳体11的每一电极13在下表面，其外表面是平面形分布设置的，并且面积相等的。另外，电极13还各自从封装壳体11的下表面向上延伸至两个侧壁的下部，因此，所述封装壳体11的每一电极在下表面和两个侧壁的下部上形成由两个垂直平面构成的直角分布电极，并且它们的面积相等。这样，一方面作为芯片得到的电流是相等的，另一方面因为PN结紧贴着金属电极，PN结上产生的热量的同时，金属电极立即把热量带走，而且电极是平面分布的，因此所带走的热量也更多。
封装盖14是用硅胶，最好是有利于用作光的发射，热量驱散性光学填充料的硅胶，填充于凹槽并覆盖在6个发光二极管芯片12上形成的。因此，在由塑封或陶瓷封装成的封装壳体1的椭圆平面的芯片发射面上，覆盖了薄薄一层硅胶。
上述6个发光二极管芯片12可成双并联，它们将相并联后的正负极各焊脚到一电极上。但是，6个发光二极管芯片12又要不可先并联，那么就有12个正负极，相应在封装壳体的底面上要设置12个电极。这会使电极的总面积减小，不利于散热。
通常，封装壳体11的高度小于等于2毫米，所述封装盖的厚度小于等于1毫米。封装壳体的下表面两侧电极13的中间位置设有一键形槽17。较佳，对称地配置在下表面两侧的电极13相邻的面是通过与其同高的塑封凸起隔开和定位。
通过以上方式制成的发光二极管多芯片贴片是小功率、小电流的，每一发光二极管多芯片贴片功率在0.01～0.5瓦。以适应不同尺寸和功率规格的等截面不等边三角形定向棱镜反光片的需要。
请参阅图3～图6，本发明的装有以上发光二极管多芯片贴片制成的灯条20包括多节贴片N，一长条状的线路板(Printed circuit board PCB)2，其中，多节贴片N中的每一节贴片10包括串联的四个发光二极管多芯片贴片1(多芯片贴片有6个和4个发光二极管芯片的，只是芯片数量和结构大小的不同，原理是一样的，本实施例中还是以6个发光二极管芯片为例予以说明，4个发光二极管芯片的附图，供作参考)和一限流电阻R，各节贴片N采用并联连接。
请参阅图5和图6，LED多芯片封装贴片1及由其制成的灯条20的典型电路图。这是一个串联-并联电路，由于灯具电压要求是低压，这里的驱动电压是直流12V。每一节贴片电路10为Z1，Z2，…….Zn(是并联电路的支路)，LED多芯片贴片1在支路是串联，R是支路中的限流电阻。这个电路的优点是，即使其中一个LED不工作，只会使一个支路停止工作，而其他支路则仍然可以正常工作。图6是由3个驱动器驱动的电路，这样虽然会增加成本，由于本发明提供一个铝框均匀散热的条件，因此各支路的电流是均匀的。三个或多个驱动器驱动的好处是即使有个别驱动器损坏，其他驱动电路仍然可以工作。
请再参阅图7和图9，图中示出了高度分别为16mm和8mm的长条状的线路板2，它们的一个表面上以高度分为上下两个部分，上部设有电源端子接点21、限流电阻焊点22和负极连线焊点23，下部设有多个发光二极管贴片电源电极焊盘24；它的另一个表面上与发光二极管电源电极位置相背对的部分设有散热片25。实际上，发光二极管电源电极焊盘24是铜质焊盘，所述电源端子接点21、限流电阻焊点22和负极连线焊点23是通孔的焊盘。
在将各节贴片10焊接到线路板2上时，各节贴片10的发光二极管多芯片贴片1以节贴片顺序并相间一定距离焊接在线路板的发光二极管电源电极焊盘24上，发光二极管多芯贴片正极和负极分别连接电源端子接点21和负极连线焊点22，限流电阻R焊接在限流电阻焊点23并连接于每一节贴片串联的两个发光二极管多芯贴片1之间。
在多芯贴片PCB灯条20装配好后，将被用作下面要详细描述的LED等截面不等边三角形棱镜板灯和圆板灯的重要配套部件。如果我们把要安装灯条20的LED等截面不等边三角形棱镜板灯和圆板灯看作为一个大的LED封装元件，那么多芯片封装的贴片1及其制成的PCB灯条20是所述板灯和圆板灯不可分割的一部分。多芯片封装贴片灯条的所有特性，都从属于棱镜反光板和圆板灯片，而能良好地起到面光源光学引擎的光的动力源的作用。
应该理解的是，为适应板灯或圆板灯的灯槽的需要，在所述板灯中灯条20是安装在直线形灯槽中，以长度L计量，在圆板灯中灯条2是安装在环形灯槽中，其长度以周长C计量。由于灯具的特殊电路设计要求整个电路分为多节贴片N，这N节贴片电路是12V直流低压并联，而在每一节贴片中保持4个贴片和一个限流电阻是串联的。于是，板灯或圆板灯的灯条2的长度L或周长C可通过每一节贴片的节长δ或灯槽直径D(也是与灯槽配合的线路板直径)加以计算出来。例如，板灯的灯条可利用公式：L＝δ×N，圆板灯的灯条可利用公式C＝π×D。若圆板灯周长等于N个节长之和(δ×N，已知δ＝30毫米，N为20)，所以可利用等式π×D＝N×δ，求出与灯槽相适配的线路板直径D＝N·δ/π。很明显，圆板灯或板灯在确定了功率以后，它们的长度和直径才能确定下来。由于受每一节贴片长度(节长)制约，所以灯具的功率的确定也还须同时考虑节长的因素。
这里的LED多芯片贴片宽度为A，一般4A≠δ，A不能过宽，过宽会影响灯具功率分布和影响直径小的圆盘灯成型，如图3和图4所示。
对于成条的LED芯片贴片PCB灯条20，会使我们联想到爱迪生发明的白炽灯中的灯丝，因为它们有一个共性，都会发光，不过这里的灯条20已完全不同于原本的钨丝。这个灯条可以用N节节长的灯条长短任意组合。灯条和灯壳(板灯或圆板灯)可以分离，进行“内脏修复”，而早先的灯泡灯丝绝对不能与灯壳自由分离。
上述的LED芯片的1字线垂直封装的设计是服从于LED灯具设计的要求。回顾以上介绍图3时所说的，多芯片椭圆形封装的贴片是灯具的发光源。也是如本申请人在“等截面三角形定向棱镜圆形反光板及其制成的圆板灯”专利申请文本中所作的如下叙述“所叙发光二极管的发射平面和棱镜面上的各截面三角形顶点的连线相交成90°-α的夹角”。这是出于光学设计的需要。同时，多芯片椭圆形LED贴片封装的对称设计除了光学上的要求，还有输电和散热的需要。
请再参阅图7和图8，实际使用的线路板2是以胶木板为基层和两面覆以作为散热片和多个发光二极管贴片电源电极焊盘的部分铜片的复合板，该线路板的厚度小于1毫米。通过加工处理，线路板上形成电源端子接21点、限流电阻焊点22和负极连线焊点23的上部和设有多个发光二极管电源电极焊盘24的下部，上部和下部分别应占有上表面面积为20～50％和80～50％。在本实施例中，线路板2中的所示的高度H表示LED贴片焊接区。就整个版面而论，H部分占了五分之三，这部分既是LED贴片焊接区，同时也是LED电源电极，它还是LED的散热区，由于贴片灯条的厚度为0.8mm，当LED结点产生了热量以后立即经过电极13传递到PCB焊盘板面，热又透过PCB的胶木层传到背面散热铜板25。同时版面上的电阻焊盘由于前后贯通也可以导热到背面铜板。这里的限流电阻R采用悬空焊接，尽可能避免和LED热量积聚。
请再参阅图9和图10，是LED多芯片椭圆形贴片PCB灯条的线路板的背面，H高的斜线部分是线路的正极导线，在这里它同时又充当了LED散热铜板的作用，它承担了把PCB线路板传递来的热量通过它的宽带面再传递给它们背面所依靠的铝合金灯框，进一步再由灯框和外部空气发生对流，以求散热。总结图7，图8，这里采用了“大”的散热方针，尽可能扩大LED结点的接触，传导，散热面积。本设计和传统的直径5毫米子弹型封装发光二极管设计相比较。散热面积扩大了几十倍。因此这样的散热系统，效果较好。
图11是本发明在圆板灯上应用的例子。所述圆板灯除了灯条20外，还包括圆形反光板30、散热框40、散热板50、反射衬片60。我们从点光源、点数、面光源几个方面来叙述。
在此以直径为180mm圆板灯为例，它的功率为5W在它的周边灯槽52内分布了20节LED椭圆形贴片。每节有4块贴片，每块贴片平面有6个芯片点光源，那么直径180mm圆板灯周长共分布了6×4×20＝480个点光源。直径180mm圆板灯上刻有33条等截面不等边棱镜环。点亮LED多芯片灯条，圆板灯周围的各贴片LED芯片发光点射向板灯棱镜环，经过全反射在棱面上将产生480×33＝15840个反光束，出射出圆板灯平面。
Figure GPA00001119032800081
的圆板灯，它的通光孔径为254平方厘米。15840÷254＝62即每平方厘米反射出62个光束。这就是一个5W到15840光束的光学和数学演变。一个从点光源到面光源的变化。
请参阅图12，图中示出了一种矩形的板灯，它除了灯条200外，还包括直线型棱镜反光板300、散热框400、散热板500、反射衬片600。它的功率为5W，在它的两侧灯槽520内分布了若干节LED贴片。每节有4块贴片，每块贴片平面有6个芯片点光源，
从图11和图12中还可看到，LED多芯片贴片灯条是等截面不等边三角形棱镜板灯和圆板灯的脊梁。等截面不等边三角形棱镜板和板圆是一个灵魂驱动的健康体格。并且，作为应用的实例，它们是在板灯和圆板灯的中心开孔，用螺钉70、700安装在天花板中放置的板条80、800上以成为一种平顶灯具或吊顶灯。
从理论到实践，LED半导体照明取代传统的白炽灯，取代紧凑型荧光灯已经在一步、一步逼近，通过摆脱传统灯具设计的束缚，我们在这崎岖的路上已开始奋进，并取得了一定突破，以在不长的时间内可让世人共享节能环保、高亮度的LED半导体照明灯具。

Claims (14)

1.一种发光二极管多芯片贴片，其特征在于，它包括：
封装壳体，是由耐高温塑料或陶瓷制成的，其上表面中央具有一其底面为椭圆形用作安装LED光线发射平台的凹槽；
多个发光二极管芯片，以上下一字线排列安装在发射平台上；
与发光二极管芯片相应数量的电极，它设置在封装壳体的下表面，以中心线对称地配置在下表面两侧，并通过芯片引线与电极连接；以及
封装盖，是用硅胶填充于凹槽并覆盖在多个发光二极管芯片上形成的；
其中，所述多个发光二极管芯片可成双并联，它们相并联的正负极各焊接到一电极上。
2.如权利要求1所述的多芯片贴片，其特征在于，所述一字线排列安装在安装平台上的多个发光二极管芯片是正方形的，为2至8片，芯片中心之间距离为0.8毫米，其几何中心连线与封装壳体的中心线OO′完全重合。
3.如权利要求1所述的多芯片贴片，其特征在于，所述电极各自从封装壳体的下表面向上延伸至两个侧壁的下部。
4.如权利要求1所述的多芯片贴片，其特征在于，所述封装壳体的每一电极在下表面是平面分布的，且面积相等。
5.如权利要求1所述的多芯片贴片，其特征在于，所述封装壳体的每一电极在下表面和两个侧壁的下部上是直角分布的，且面积相等。
6.如权利要求1所述的多芯片贴片，其特征在于，所述封装壳体的外形是方形或矩形的，所述封装壳体的凹槽为方形、矩形或椭圆形的槽。
7.如权利要求1所述的多芯片贴片，其特征在于，所述封装壳体的高度小于等于2毫米，所述封装盖的厚度小于等于1毫米。
8.如权利要求1所述的多芯片贴片，其特征在于，所述封装壳体下表面两侧电极的中间位置设有一键形槽。
9.如权利要求1所述的多芯片贴片，其特征在于，所述对称地配置在下表面两侧的电极相邻的面由与其同高的塑封凸起隔开和定位。
10.一种装有发光二极管多芯片贴片制成的灯条，其特征在于。包括：
多节贴片，每一节贴片包括串联的四个发光二极管多芯片贴片和一限流电阻，各节贴片则以并联连接；
一长条状的线路板，它的一个表面上以高度分为上下两个部分，上部设有电源端子通孔接点、限流电阻通孔焊点和负极连线通孔焊点，下部设有多个发光二极管贴片电源电极焊盘；它的另一个表面上与发光二极管电源电极位置相背对的部分设有散热铜片；
所述各节贴片的发光二极管多芯片贴片以节贴片顺序相间一定距离安置在线路板的发光二极管电源电极上，发光二极管多芯贴片正极和负极分别连接电源端子通孔接点和负极通孔连线焊点，限流电阻焊接在限流电阻通孔焊点并连接于每一节贴片串联的两个发光二极管多芯贴片之间。
11.如权利要求10所述的灯条，其特征在于，所述限流电阻在限流电阻通孔焊点上是悬空焊脚的。
12.如权利要求10所述的灯条，其特征在于，所述设有电源端子通孔接点、限流电阻通孔焊点和负极通孔连线焊点的上部和设有多个发光二极管电源电极的下部分别占有上表面面积为20～50％和80～50％。
13.如权利要求10所述的灯条，其特征在于，所述发光二极管电源电极是铜质焊盘，所述电源端子通孔接点、限流电阻通孔焊点和负极连线通孔焊点是通孔的焊盘。
14.如权利要求10所述的灯条，其特征在于，所述线路板以胶木板为基层和两面覆以作为散热片和多个发光二极管贴片电源电极的部分铜片的复合板或印刷线路板，该线路板的厚度小于1毫米。
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