CN101872826A - 基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率led光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源。它包括LED芯片、荧光胶层、螺丝封装基板、室温液态金属、有螺纹孔的散热器、密封层；在螺丝封装基板上端设有凹坑，螺丝封装基板下端侧面设有螺丝，LED芯片安装在螺丝封装基板的凹坑上，LED芯片上覆盖有荧光胶层，螺丝封装基板安装在有螺纹孔的散热器上，螺纹之间有空隙，空隙内被室温液态金属充满，螺丝封装基板和有螺纹孔的散热器之间由密封层密封。本发明利用液态金属高导热性有效解决大功率LED封装基板与散热器之间的接触热阻问题，实现更好的导热效果，将LED芯片产生的热量传输出来，保障LED芯片的结温保持在较低水平，从而提高大功率LED的运行可靠性和使用寿命。

Description

基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源

技术领域

本发明涉及照明光源，尤其涉及一种基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源。

背景技术

LED光源是新一代绿色照明光源，其耗电量只有普通白炽灯的十分之一，而寿命却长十倍以上。除此之外，LED光源还具有体积小、坚固耐用、色彩丰富等优点。为了满足更高光强的要求，LED光源通过提高单个芯片的输出功率或者采用LED阵列的方式来实现。在理想的情况下，匹配的光学材料和适当的封装结构能够充分发挥LED高效的发光性能，将大部分的电能转化为光。但是由于LED芯片面积非常小，因此大量的热量无法及时散去，因此导致LED工作时温度过高。温度过高对大功率LED光源的输出光强和色温性能有着非常大的影响，特别是LED芯片的PN结长期工作在高温状态，其光学性能会很快衰减，严重影响LED的使用寿命。这是LED封装中需要解决的关键问题。

从LED光源发热特性分析可知，LED封装基板与散热器之间的接触热阻严重影响LED的散热性能，特别当封装基板与散热器之间的表面不平整时，解决这一问题的方法在于利用导热硅胶或其他导热材料来填充在两个表面之间。但是这些材料导热系数非常小而且容易老化，影响器件的散热和长期稳定性。如何在低成本的前提下，采用更好的冷却方式，使LED光源工作在更低的温度上工作，获得更高的发光效率，更长的寿命，更高的可靠性，是本发明要解决的关键问题。

液态金属是一种在常温下(如摄氏100度以下)呈现为液态的金属，这种材料具有导热系数大，常温下具有流动性，能渗透到非常细微的空间中，能够用来减小两种不同材料间的接触热阻。2009201925254公开了一种利用液态金属冷却LED芯片的方法，这种方法主要针对LED芯片散热，通过在两个热界面间加入液态金属减小热阻。但是那一发明中封装基板与散热器的安装固定需要其它手段进行辅助，例如外加螺丝进行固定。本发明充分利用LED封装基板的特性，将封装基板改成螺丝的形状，而散热器作为螺母，这样两者之间的连接直接通过螺纹耦合在一起非常方便。除此之外，还可以利用使两个接触面形成相互咬合的螺纹表面，大大增加了两者之间的接触面积，同时利用液态金属的渗透性和流动性将两个相互咬合的螺纹接触面之间的空隙充满液态金属，利用液态金属的高导热性改善封装基板和散热器之间散热，这种方法能够从根本上解决封装基板和散热器之间接触热阻过大的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源。

基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源包括LED芯片、荧光胶层、螺丝封装基板、室温液态金属、有螺纹孔的散热器、密封层；在螺丝封装基板上端设有凹坑，螺丝封装基板下端侧面设有螺丝，LED芯片安装在螺丝封装基板的凹坑上，LED芯片上覆盖有荧光胶层，螺丝封装基板安装在有螺纹孔的散热器上，螺纹之间有空隙，空隙内被室温液态金属充满，螺丝封装基板和有螺纹孔的散热器之间由密封层密封。

所述的螺丝封装基板上端设有凹坑的横截面为方形、梯形、三角形、圆形或矩形。所述的有螺纹孔的散热器是翅片形散热器或者热管散热器。所述的室温液态金属是在摄氏100度以下就呈现为液态的金属或合金。所述的在摄氏100度以下就呈现为液态的金属或合金是镓、铟、锌、锡、镁、铜或金的一种或多种。所述的密封层的材料是硅胶或者环氧树脂。

本发明充分利用LED封装基板的特性，改变封装基板和散热器之间接触面的形态，使两个螺纹接触面形成相互咬合的结构，大大增加了两者之间的接触面积，同时利用液态金属的渗透性和流动性将两个接触面之间的空隙充满液态金属，利用液态金属的高导热性改善封装基板和散热器之间散热，这种方法能够从根本上解决封装基板和散热器之间接触热阻过大的问题。

螺丝封装基板和有螺纹孔的散热器这种设计非常便于安装和拆卸，只需将螺丝封装基板旋进或旋出有螺纹孔的散热器上即可。室温液体金属是一种在摄氏100度以下就呈现为液态的金属，例如镓等，这些金属具有非常大的导热系数，是普通硅胶导热系数的几十倍到上百倍，将这种材料填充在封装基板和散热器之间，LED芯片产生的热量经过封装基板向散热器传导的热阻降极大减小，除此之外液态金属还会在空隙中产生对流传热，进一步增强了散热效果。这种方法所起到的效果相当于将封装基板和散热器完全融合在一起。这种融合不同于将封装基板和散热器之间的焊接或银胶绑定，可以有效避免两者之间因焊接和绑定带来的应力和变形问题。为了进一步增加封装基板和散热器之间的散热面积，利用螺丝封装基板和有螺纹孔的散热器散热器的螺纹接触面，这种结构相互咬合在一起，中间的空隙充满室温液体金属，能实现更好的传热效果，将LED芯片产生的大量热量传输出来，保障LED芯片的结温保持在较低水平，从而提高了大功率LED的运行可靠性和使用寿命。

附图说明

图1是利用液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源的整体结构示意图；

图2是利用液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源的分解结构示意图；

图中：LED芯片1、荧光胶层2、螺丝封装基板3、室温液态金属4、有螺纹孔的散热器5、密封层6。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源包括LED芯片1、荧光胶层2、螺丝封装基板3、室温液态金属4、有螺纹孔的散热器5、密封层6；在螺丝封装基板3上端设有凹坑，螺丝封装基板3下端侧面设有螺丝，LED芯片1安装在螺丝封装基板3的凹坑上，LED芯片1上覆盖有荧光胶层2，螺丝封装基板3安装在有螺纹孔的散热器5上，螺纹之间有空隙，空隙内被室温液态金属4充满，螺丝封装基板3和有螺纹孔的散热器5之间由密封层6密封。

所述的螺丝封装基板上端设有凹坑的横截面为方形、梯形、三角形、圆形或矩形。所述的有螺纹孔的散热器是翅片形散热器或者热管散热器。所述的室温液态金属是在摄氏100度以下就呈现为液态的金属或合金。所述的在摄氏100度以下就呈现为液态的金属或合金是镓、铟、锌、锡、镁、铜或金的一种或多种。所述的密封层的材料是硅胶或者环氧树脂。

LED芯片1产生的光通过荧光胶层2发出，LED芯片1产生的绝大部分热量经过螺丝封装基板3向有螺纹孔的散热器5传导。螺丝封装基板3和有螺纹孔的散热器5一般采用的金属材质，导热系数较高。但是螺丝封装基板3和有螺纹孔的散热器5之间依靠螺纹咬合接触传热，由于加工精度的原因，两个面之间难以做到很好地接触，因此螺丝封装基板3和有螺纹孔的散热器5之间的接触热阻非常大。为了减少接触热阻，在螺丝封装基板3和有螺纹孔的散热器5之间添加液体金属4。这种液态金属是一种在摄氏100度以下就呈现为液态的金属或合金，是镓、铟、锌、锡、镁、铜或金的一种或多种。例如金属镓是一种在摄氏30度即可成为液体的金属，这种液态金属具有很大的导热系数以及很好的流动性和浸润性，能够完全渗入到螺丝封装基板3和有螺纹孔的散热器5之间的螺纹咬合空隙中。这样螺丝封装基板3传导过来的热量通过液态金属4传导到有螺纹孔的散热器5。这种液态金属具有非常大的导热系数，是普通硅胶导热系数的几十倍到上百倍，将这种材料填充在螺丝封装基板3和有螺纹孔的散热器5之间，LED芯片1产生的热量经过螺丝封装基板3向有螺纹孔的散热器5传导的热阻降极大减小，除此之外液态金属还会在空隙中产生对流传热，进一步增强了散热效果。这种方法所起到的效果相当于将螺丝封装基板3和有螺纹孔的散热器5完全融合在一起。这种融合不同于将螺丝封装基板3和有螺纹孔的散热器5之间的焊接或银胶绑定，可以有效避免两者之间因焊接和绑定带来的应力和变形问题。

如图2所示，基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源包括两个分解结构，一个是LED芯片1、荧光胶层2和螺丝封装基板3的一体结构。另一个是和螺丝封装基板3的螺丝尺寸相匹配的有螺纹孔的散热器5。在螺丝封装基板3上端设有凹坑，螺丝封装基板3下端侧面设有螺丝，LED芯片1安装在螺丝封装基板3的凹坑上，凹坑的横截面可以为方形、梯形、三角形、圆形或者矩形。LED芯片1上覆盖有荧光胶层2。LED芯片1、荧光胶层2和螺丝封装基板3的一体结构安装在有螺纹孔的散热器5上，螺丝封装基板和有螺纹孔的散热器这种设计非常便于安装和拆卸，只需将螺丝封装基板旋进或旋出有螺纹孔的散热器上即可。螺丝封装基板3与有螺纹孔的散热器5之间具有相互咬合的螺纹，螺纹空隙内充满室温液态金属4。利用螺丝封装基板和有螺纹孔的散热器散热器的螺纹接触面，这种结构相互咬合在一起，中间的空隙充满室温液体金属，能实现更好的传热效果，将LED芯片产生的大量热量传输出来，保障LED芯片的结温保持在较低水平，从而提高了大功率LED的运行可靠性和使用寿命。

Claims (6)

1.一种基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源，其特征在于包括LED芯片(1)、荧光胶层(2)、螺丝封装基板(3)、室温液态金属(4)、有螺纹孔的散热器(5)、密封层(6)；在螺丝封装基板(3)上端设有凹坑，螺丝封装基板(3)下端侧面设有螺丝，LED芯片(1)安装在螺丝封装基板(3)的凹坑上，LED芯片(1)上覆盖有荧光胶层(2)，螺丝封装基板(3)安装在有螺纹孔的散热器(5)上，螺纹之间有空隙，空隙内被室温液态金属(4)充满，螺丝封装基板(3)和有螺纹孔的散热器(5)之间由密封层(6)密封。

2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源，其特征在于所述的螺丝封装基板(3)上端设有凹坑的横截面为方形、梯形、三角形、圆形或矩形。

3.根据权利要求1所述的一种基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源，其特征在于所述的有螺纹孔的散热器(5)是翅片形散热器或者热管散热器。

4.根据权利要求1所述的一种基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源，其特征在于所述的室温液态金属(4)是在摄氏100度以下就呈现为液态的金属或合金。

5.根据权利要求4所述的一种基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源，其特征在于所述的在摄氏100度以下就呈现为液态的金属或合金是镓、铟、锌、锡、镁、铜或金的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率LED光源，其特征在于所述的密封层(6)的材料是硅胶或者环氧树脂。

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