CN101832487A

CN101832487A - Led多晶集成照明单元

Info

Publication number: CN101832487A
Application number: CN201010124445A
Authority: CN
Inventors: 陈飒飒; 陈大庆
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2010-09-15

Abstract

本发明涉及一种LED多晶集成照明单元，其特征是：主要由导热器与其固接的导光导热基板及LED集成单元构成，所述LED集成单元由若干只串联的小功率蓝光LED晶片组成，所述若干只小功率蓝光LED晶片呈矩阵排列并封装成带有电源引线的LED集成照明单元。有益效果：对封装材料、封装结构、导光结构、散热结构、电路结构、供电结构、锁定结构进行综合的技术路线改进，实现高光效、低发热、大功率、可锁定、易拆卸、长寿命、高可靠的LED集成晶片的照明，可方便地应用在路灯照明、景观照明、家庭照明、航空照明、汽车照明等场所。单位成本明显降低，成本在2.5-7元/W之间。较之于同等光效(80-125lm/w)15-30元/W的价格，降低了数倍。经济效益预期良好。

Description

LED多晶集成照明单元

技术领域

本发明属于LED照明，尤其涉及一种运用在大功率LED照明场所和通用照明环境的高光效、低温度的LED多晶集成照明单元。

背景技术

当前，大功率的LED的发热以及散热的问题，制约了光效的提升，可造成明显的光衰、光谱的漂移，以及成本的上升，体积的增大。主要问题是：

1、高发热：当正向电流流经LED的PN结结电阻时，产生功耗(P_PN＝I²×R)，使结区产生发热性温升。当LED热阻小时，光通量几乎与电流成正比例增加；随着电流和热阻的增大，P-N结功耗和温度随之升高；当正向电流增加到某一定值时，P-N结功耗和温度达到“恒定值”，光通量趋于饱和；当电流和热阻继续增大，P-N结功耗和温度也随之继续增大，而且光通量还呈下降趋势。目前，许多大功率LED驱动电流均在350mA以上，散热器周边的温度高达85℃以上，甚至达到100℃。无谓的功耗，不仅造成了LED结温的升高，也影响了LED的电光转换效率；

2、低光效：目前大功率LED光电转换效率较低。单颗大功率的光效在90-120Lm/W之间，多晶片集成模块大多在70-110Lm/W之间。由大功率LED构成的照明灯具，整灯光效一般不超过90Lm/W。常见LED器件的电热转换过多，电光转换过少，蓝光的激发效率过低，直接影响了LED器件的电光转换效率和整体光通量；

3、短寿命：流明维持率与结点温度成反比。据有关资料统计，大约70％的故障是由于LED的结温过高造成的。在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1％左右。在结点T_j温度70℃下，运行1万小时后，就有20％以上的光衰；在结点T_j温度100℃时，LED的荧光粉的寿命便降低30％；在结点T_j温度120℃或以上时，LED的寿命便会大幅缩短并失效；在负载为额定功率一半的情况下，温度每升高20℃，故障就上升一倍，可见LED的发热，严重地影响LED的使用寿命。

4、大漂移：LED晶片结温每升高10℃，主波长便漂移2-3nm，且半峰值宽度随之增加，中色温区的最大流明效率V_(λ)也会随之降低，最终导致照明效果的整体降低；

5、高价位：市场常见1W-3W级大功率LED，无论是单颗封装还是多晶片封装，价格均在15-30元/W之间(光效不同，价格呈非线性上升。)特别是国际“五大联盟”对中国LED技术与市场的控制与壁垒，严重影响了大功率LED的应用进程；

6、维修难：目前的LED光源和器件，均是直接焊接在照明灯具电路板上的，电源也是使用电缆直接供电的。更换照明光源需要投入较多的人力、物理、财力和时间，且难以在现场完成，给灯具的维护、维修到来了极大的不便，有的还需更换整体电路板，造成更换、运输、维修成本的上升。

总之，目前使用的大功率LED照明器件的致命缺陷，制约了LED照明的应用和发展，需要采取新的技术路线来突破。

发明内容

本发明是为了克服现有LED应用技术中的不足，提供一种LED多晶集成照明单元，不仅降低了发热温度，延长了LED晶片的寿命，实现了大功率白光系照明，还提高了照明光效，降低了制造成本。实行独立的“单元化”封装，可方便灯具系统的维护维修，降低维修成本和运输成本，节约维护时间。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种LED多晶集成照明单元，其特征是：主要由导热器与其固接的导光导热基板及LED集成单元构成，所述LED集成单元由若干只串联的小功率蓝光LED晶片组成，所述若干只小功率蓝光LED晶片呈矩阵排列并封装成带有电源引线的LED集成照明单元。

所述导光导热基板呈碟形，所述导光导热基板底部设有若干呈矩阵排列的四棱柱形凹槽，四棱柱凹槽内置有小功率蓝光LED晶片。

所述导光导热基板材料为纯铜，其表面设有复合镀膜层。

所述四棱柱形凹槽表面设有复合镀膜反光层，四边壁呈导光斜面。

所述LED集成照明单元表面封装有硅树脂和复合荧光粉层，所述硅树脂和复合荧光粉层上表面置有PETG聚光型或匀光型的菲涅尔透镜，匀光型菲涅尔透镜为多扇区或多镜段组合型设置。

所述LED多晶集成照明单元电源引线采用非对称、防水型、插拔式接口连接。

所述导热器四角设有安装孔，导热器与锁定机构连接，所述锁定机构由上、下、左、右锁定机构组成，所述锁定机构包括锁定上盖、锁定卡、弹簧，锁定法兰和锁定串钉，所述锁定卡上端为舌形压板，中间套装弹簧，底端套装锁定法兰并插接锁定串钉。

有益效果：对封装材料、封装结构、导光结构、散热结构、电路结构、供电结构、锁定结构进行综合的技术路线改进，实现高光效、低发热、大功率、可锁定、易拆卸、长寿命、高可靠的LED集成晶片的照明，可方便地应用在路灯照明、景观照明、家庭照明、航空照明、汽车照明等场所。单位成本明显降低，成本在2.5-7元/W之间。较之于同等光效(80-125lm/w)15-30元/W的价格，降低了数倍。经济效益预期良好。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的A-A视图；

图3是图1的B-B视图；

图4是图1的照明单元锁定机构结构示意图；

图5是图1的照明单元锁定机构结构效果图；

图6是图1的电源接口示意图；

图7-8是匀光型菲涅尔透镜示意图；

图9-10是本发明6W多晶集成照明单元的热成像测试(正反面)；

图11是6W LED供电电源测试报告；

图12-13是LED光谱分析系统测试报告。

其中：1、导热器，2、安装孔，3、导光导热基板，4、LED集成单元，5、金线，6、插拔式电源接口，7、四棱柱形凹槽，8、LED晶片，9、连接螺钉，10、复合镀膜层，10’、复合镀膜反光层，11、导光斜面，12、硅树脂和复合荧光粉层，13、菲涅尔透镜，14、锁定机构，15、锁定上盖，16、锁定卡，17、弹簧，18、锁定法兰，19、锁定串钉，20、散热器或灯具，21、电源单元插头，22、电源单元插座。

具体实施方式

以下结合较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式详述如下。

详见附图，一种LED多晶集成照明单元，主要由导热器1与其固接的导光导热基板3及LED集成单元4构成，导热器1与导光导热基板3通过连接螺孔与螺钉9固接，其中间为导热硅油(图中未示)。所述LED集成单元由若干只通过晶片间的连接金线5串联的小功率蓝光LED晶片组成，所述若干只小功率蓝光LED晶片8呈矩阵排列并封装成带有电源引线的LED集成照明单元。所述导光导热基板呈碟形，所述导光导热基板底部设有若干呈矩阵排列的四棱柱形凹槽7，四棱柱凹槽内置有小功率蓝光LED晶片。所述导光导热基板材料为纯铜，其表面设有复合镀膜层10。所述四棱柱形凹槽表面设有复合镀膜反光层10’，四边壁呈导光斜面11。冲压后的四棱柱型凹槽，经过抛光处理设有复合镀膜反光层，四壁呈高光洁度、高反射性的导光斜面，形成小型LED晶片反光器。所述LED集成照明单元表面封装有硅树脂和复合荧光粉层12，小功率蓝色LED晶片与相应波长的复合稀土荧光粉匹配，使其蓝光LED激发荧光粉后产生白光，并使之在色温变化时发光效率不受影响或提高激发效率。所述硅树脂和复合荧光粉层上表面置有PMMA或PETG聚光型(重点考虑区域照度)或匀光型(重点考虑照度均匀度)的菲涅尔透镜13，匀光型菲涅尔透镜为多扇区或多镜段组合型设置，以适用不同的使用场合。所述LED多晶集成照明单元电源引线采用非对称、防水型、插拔式接口6连接。详见图4，所述导热器四角设有安装孔2，导热器与锁定机构14连接，锁定机构置于散热器或灯具20的圆柱槽中，可方便光源的维护、维修。所述锁定机构由上、下、左、右锁定机构组成，所述锁定机构包括锁定上盖15、锁定卡16、弹簧17，锁定法兰18和锁定串钉19，所述锁定卡上端为舌形压板，中间套装弹簧，底端套装锁定法兰并插接锁定串钉。

工作原理：

1、全部选用小功率蓝光晶片，综合解决成本问题。

为降低多晶集成照明单元的成本，减少大功率LED多晶集成照明单元的发热，全部采用小功率蓝光晶片作为大功率LED多晶集成照明单元的光源。其原理为：小功率蓝光晶片的正常工作电流较小，自身发热量也较小，加之充分考虑和解决了散热系统，简化了散热系统用材，为降低大功率LED多晶集成照明单元的价格，提供了技术上的可行性。使LED照明产品在80-125Lm/W光效条件下，单位价格由15-30元/W降低到2.5-7元/W，成本明显降低，经济效益明显提升，使LED的应用成为可能和现实。并可改善高光效LED光源(130-150Lm/W及其以上)受制于国际贸易战略、国际价格垄断和“禁输出”的状况。

2、实行恒压恒流供电，确保供电的安全性。

为保证电源产品的生产管理和在世界范围内的安全运行，其电源系统设计可输入电压范围为85～265VAC，以满足国际110V和220V两种供电电压；

采用恒压方式供电。LED多晶集成照明单元的电路结构采用“大串联”的恒压形式供电，根据多晶集成照明单元功率设计的需要，确定LED晶片的串联数量。供电电压一般控制在200V之内。设计照明单元功率较大，需串联的LED晶片数量过多时，也可以再分为两路并联；

供电电流实行恒流方式。依据不同厂家提供的晶片，严格的将多晶集成照明单元的工作电流控制在100mA之内，并在恒流源的输入电压得到合理控制的前提下，减少LED晶片的内部损耗，减少晶片的发热，使多晶集成照明单元的可靠性得到有效保障。

3、采取多项措施，保证电源效能大大提升。

采用专有电源技术，提升电源的整体效率，使电源的效率达到97％左右，功率因数达到98％左右；

采用独特低次谐波滤波技术，滤除高次谐波，特别是3次、5次谐波的含量，减少谐波的能耗和电网的污染；

为提高系统的安全性，恒流源还采用PTC(高分子聚合物正温度热敏电阻)等器件，提高安全保护功能，包括空载保护、过流保护、短路保护功能等安全保护功能。

4、采用导热与出光良好的基板，安装固定LED晶片。

多晶集成照明单元采用的纯铜复合镀膜的导光导热基板，减少了基板的热阻，并采用阶梯型导热结构，使晶片中心部位的热量能够及时传导到纯铜镀膜基板上，再将基板连接在铝质导热器上，利用铜的高导热率将晶片产生的热量高效地传递给铝基散热器，再通过铝基散热器将热量散出，以提高产品的可靠性与稳定性，并使成本得到合理化控制。

导光导热纯铜复合镀膜基板上部为纯铜薄板，经机器冲压后形成四棱柱凹槽，具有良好的光洁度；四棱柱凹槽实行三层复合镀膜，底层镀膜为碳化铬镍钛合金，中层镀膜为氮化铬镍钛合金，表层镀膜为铬镍钛合金，反射率在70％左右，该复合镀膜层具有硬度高、镀层薄、耐腐蚀、耐高温、不剥落的特点；四棱柱凹槽的底部，用于安装晶片，通过硅油与纯铜基板连接；凹槽的斜面，用于收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射；四棱柱凹槽内所复合镀膜质层，形成一个小型反射器，用于提高出光效率。

大功率LED多晶集成照明单元的基板采用锡片焊作为晶片与基板之间的粘接材料，以获得较为理想的导热效果(热阻约为16℃/W)，将LED晶片直接粘贴在纯铜镀基材的四棱柱凹槽内，再用φ1mil的金线将单面双电极的单元晶片正极、负极串联，依据拟封装的集成晶片功率，形成横向×纵向阵列。

在出光通道、电流通道和导热通道上，都是综合处理的。

5、用复合稀土荧光粉调剂多晶集成照明单元的色温

选择中心波长在450nm或460nm之间的LED蓝光晶片，与相应波长的荧光粉进行匹配，实现LED蓝光晶片对荧光粉10-15倍或以上的有效激发，从而保证较高的量子效率且出光稳定。

为降低集成晶片的色温，提高显色性，在选定的YAG荧光粉中适量加入其他调光荧光材料，形成复合荧光粉。

复合荧光粉技术，可实现色温的变化，而不影响或提高多晶集成照明单元光效的输出。

6、表面封装采用硅树脂，并配置菲涅尔透镜

详见图7，采用热稳定性表现优秀，折射率大于1.5，具有耐湿性、绝缘性、机械强度的硅树脂，实现表面封装。即在固晶、焊接、涂粉后，用硅树脂将纯铜复合镀膜的金属槽灌满，有效保护晶片、金线和反射器，实现折射率的过渡，以提高出光效率。避免使用环氧树脂造成的老化变黄、龟裂等，影响光效、光纯度及失效。

在LED多晶集成照明单元的外侧安装有光学级的PMMA或PETG材料的菲涅尔透镜。PETG(聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯)材料较之于常用的PMMA材料，更加适用于做透镜和灯罩。具有高透光性、高光洁度、低光晕、高韧性、高抗冲击强度，机加工性能优良、耐化学药剂和抗应力白化能力的特点。

在照明单元总光通量为常数的条件下，对区域照度标准要求较高时，以提升照射范围的照度、牺牲照射范围的物理面积为代价，采用聚光型菲涅尔透镜，提高区域照度(如工矿灯、投光灯)；对区域照度均匀度要求较高时，以增加照射范围的物理面积、牺牲照射范围的照度为代价，采用匀光型菲涅尔透镜，降低照度标准，提高照度均匀度标准(如路灯。)

详见图7-8，匀光型菲涅尔透镜的结构与照度分布图。匀光型菲涅尔透镜内侧由多扇区、多镜段的锯齿型凹槽构成，外侧为表面光洁的平面，主要用于指向性要求特别高的场所(如路灯)。透镜采用“三段式”设计，即近端采用疏而浅的锯齿型凹槽组合透镜，注重近端的照明；远端采用密而深的锯齿型凹槽组合透镜，注重远端的照明；中段采用介于二者之间的密度与深度的方法，强化中段的照明。1’-3’为不同环距和齿深的菲涅尔透镜组合。近端为两扇区组合的镜段，中段为三扇区组合的镜段，远端为五扇区组合的镜段，主要用于提高各镜段的投射均匀度。在对称安装时，使照度接近“矩形”。同等投射功率下，可使远端投射面积减少10-15％，而照度提10-15％。4’-6’分别为一、二、三镜段投光分布。7’为路灯。坐标X，为水平投光距离，坐标Y为灯杆高度。聚光型菲涅尔透镜内侧为同心圆、纹理清晰的锯齿型凹槽，外侧为表面光洁的平面，“锯齿”的环距和深度，实现聚光率(增益系数)的变化，使远、中、近端的照度趋于接近。匀光型菲涅尔透镜内侧由多扇区、多镜段的锯齿型凹槽构成，外侧为表面光洁的平面，主要用于指向性要求特别高的的场所(如路灯)。透镜的材质为光学级的PMMA高纯度亚克力或PETG，厚度为1mm左右，环距为0.2-0.4mm。

7、多晶集成照明单元采用“单元化”，可方便灯具的维护维修

详见图6，多晶集成照明单元采用非对称式插拔式电源接口6。电源接口6通过电源单元插头21和电源单元插座22插接。

其中，中间的电极为负极(接黑线)，左侧的电极(相距较近)为接地极(接黄间绿线)，右侧的电极(相距较远)为正极(接红线)，以避免接错供电电源。

详见图5，集成晶片照明单元的四边设有机械锁定机构，锁定状态或开锁状态的变换无需复杂工具，仅需十字螺丝刀转动锁定卡上端的舌形压板，即可在1分钟内完成拆卸；在照明单元的四角，还设有固定孔，以方便照明单元的不同安装形式。“单元化”的设计，可方便照明单元的拆卸，降低维修成本和运输成本，节省维护时间。尤其是对路灯等高空作业的场所，可明显提高作业效率。

1、电光主要指标

实测主要数据如下：

序号	检测日期	色品坐标	相关色温(k)	显色指数	电功率(w)	光通量(lm)	光效率(lm/w)
序号	检测日期	色品坐标	相关色温(k)	显色指数	电功率(w)	光通量(lm)	光效率(lm/w)	1	20091105	X＝0.3255Y＝0.3888	5748	68.3	2.118	252.51	119.25
2	20091217	X＝0.3555Y＝0.4151	4872	66.3	10.28	1268.7	123.40	1	20091105	X＝0.3255Y＝0.3888	5748	68.3	2.118	252.51	119.25
2	20091217	X＝0.3555Y＝0.4151	4872	66.3	10.28	1268.7	123.40	3	20091217	X＝0.3563Y＝0.4180	4860	66.3	6.104	769.66	126.09
4	20091225	X＝0.3639Y＝0.4137	4640	69.2	6.096	756.99	124.09	3	20091217	X＝0.3563Y＝0.4180	4860	66.3	6.104	769.66	126.09
4	20091225	X＝0.3639Y＝0.4137	4640	69.2	6.096	756.99	124.09	5	20100222	X＝0.3645Y＝0.4142	4658	69.5	6.156	882.75	143.39

(测试仪器：远方EVERFINE PMS-80、中为ZWL-600E)

由上表可见，采用蓝光晶片所封装的集成晶片，随着技术的进一步提高和完善，光效在不断提升，有望在2010年达到108Lm/w以上；光效指标远远超越了国内的封装水准，也超越了同功率的国际封装水平(首尔半导体公布的同类封装光效为120Lm/w)；随着多晶集成照明单元功率的增加，光效有所下降，但下降幅度不大；相关色温(Tc)和显色指数(Ra)与多晶集成照明单元制作时荧光粉的成分调配有关，与光效没有直接关系。

2、多晶集成照明单元的热场分布

详见图10，6W多晶集成照明单元(正面)的热成像测试图。测试中，以平面图左下角为坐标原点，选取多晶集成照明单元的实际位置，取10点进行测试温度。图中相同颜色为“等温线”。1点为多晶集成照明单元的中心位置，温度最高，为51.9℃，最低温度46.1℃。

详见图11，6W多晶集成照明单元(背面)的热成像测试。由于背面安装了散热片，温度分布较为均匀。1点为多晶集成照明单元的中心位置，温度最高，为39.9℃和36.1℃。

经现场测试，多晶集成照明单元在热平衡条件下，照明单元中心点的最高温度约为51.9℃，明显低于市场同等功率LED光源85℃的温度，有效的保证了照明单元的稳定性、可靠性和安全性，有利于LED照明设备的结构设计的简单化、灯具体积的小型化、系统成本的最小化。

具体制作步骤

1、冲压纯铜厚板，形成碟形导光导热基板。

2、冲压纯铜薄板，形成四棱柱形凹槽。

3、对四棱柱导光凹槽的内侧实施三重复合镀膜层。

4、对四棱柱形凹槽和碟形导光导热基板进行导热结构处理与固定。

5、对纯铜镀膜四棱柱形凹槽内进行“点胶”、“固晶”处理，将LED晶片固定在纯铜复合镀膜四棱柱形凹槽内。

6、对LED晶片使用金线正负极串联焊接。

7、进行第一次通电检测。

8、根据拟制造的LED多晶集成照明单元的色温，调配相应的复合YAG荧光粉。

9、用复合YAG荧光粉和硅胶混合物，对LED晶片进行“点粉”。

10、用适当温度对封装基本完成的多晶集成照明电源进行烘干处理。

11、依据不同的使用场所和要求，配置不同形式的PETG菲涅尔透镜。

12、依据设计要求，配置相应的恒压、恒流供电电源。

13、进行第二次通电测试。

14、进行高低温、老化测试。

15、对照明单元的初始光效、光通量、色温、显色性等主要指标进行分级、分类筛选。

选用的硅胶：深圳市恒成科技专业代理德国DELU公司生产的硅胶、大功率LED透镜填充硅胶、大功率LED模条封装用硅胶、大功率LED模顶硅胶、贴片(TOP)LED硅胶、SMD贴片硅胶等光电产品用硅胶。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims

1.一种LED多晶集成照明单元，其特征是：主要由导热器与其固接的导光导热基板及LED集成单元构成，所述LED集成单元由若干只串联的小功率蓝光LED晶片组成，所述若干只小功率蓝光LED晶片呈矩阵排列并封装成带有电源引线的LED集成照明单元。

2.根据权利要求1所述的LED多晶集成照明单元，其特征是：所述导光导热基板呈碟形，所述导光导热基板底部设有若干呈矩阵排列的四棱柱形凹槽，四棱柱凹槽内置有小功率蓝光LED晶片。

3.根据权利要求1或2所述的LED多晶集成照明单元，其特征是：所述导光导热基板材料为纯铜，其表面设有复合镀膜层。

4.根据权利要求2所述的LED多晶集成照明单元，其特征是：所述四棱柱形凹槽表面设有复合镀膜反光层，四边壁呈导光斜面。

5.根据权利要求1或2所述的LED多晶集成照明单元，其特征是：所述LED集成照明单元表面封装有硅树脂和复合荧光粉层，所述硅树脂和复合荧光粉层上表面置有聚光型或匀光型的菲涅尔透镜，匀光型菲涅尔透镜为多扇区或多镜段组合型设置。

6.根据权利要求1所述的LED多晶集成照明单元，其特征是：所述LED多晶集成照明单元电源引线采用非对称、防水型、插拔式接口连接。

7.根据权利要求1所述的LED多晶集成照明单元，其特征是：所述导热器四角设有安装孔，导热器与锁定机构连接，所述锁定机构由上、下、左、右锁定机构组成，所述锁定机构包括锁定上盖、锁定卡、弹簧，锁定法兰和锁定串钉，所述锁定卡上端为舌形压板，中间套装弹簧，底端套装锁定法兰并插接锁定串钉。