CN101963338A

CN101963338A - Led阵列照明设备的散热装置及制作方法

Info

Publication number: CN101963338A
Application number: CN2010102201168A
Authority: CN
Inventors: 黄忠; 陈中; 仲玉芳; 吴明光
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2011-02-02

Abstract

本发明公开一种LED阵列照明设备的散热装置及制作方法，该散热装置包括大功率LED阵列，电路层，均温板基座和散热翅片；电路层包括绝缘层和导电层，平面热管基座上通过磁控溅射氮化铝制作绝缘层，绝缘层上通过磁控溅射氮化铝制作金属层；本发明具有热阻低，导热性能高，储热能力强，大面积LED均温效果好等特点；此外溅射方式沉积的氮化铝绝缘层在减少封装体积的同时加强了整体的散热性能和粘合力；热管瞬间吸收大量热能，避免了LED芯片启动瞬间及工作时的高温冲击，实现了LED阵列间温度和工作环境温度的均衡，保障功率型LED的工作性能和寿命。

Description

LED阵列照明设备的散热装置及制作方法

技术领域

本发明涉及大功率LED设备的散热装置，尤其涉及一种LED阵列照明设备的散热装置及制作方法。

背景技术

自上世纪中叶起，国际社会高度重视并竞相开发新能源技术，推动核能、太阳能、风能、生物质能等新能源的广泛应用，特别是在应对国际金融危机的背景下，新能源越来越受到各国的青睐，正在成为引领全球经济复苏的“引擎”，并在构建人与自然和谐关系方面发挥着越来越重要的作用。随着电子科技的不断发展，“节能减排、绿色环保”成为了新世纪新时代的主题。LED是绿色节能的产业，是符合新型发展观的产业，但是功率型LED的散热问题一直是该领域发展的瓶颈问题。良好的散热方案可以有效保障LED照明设备的安全，可靠运行。

与普通光源比，大功率LED具有省电、寿命长及反应时间快等优点，在城市景观、LCD背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广泛的应用。LED芯片的表面面积小，工作时电流密度大，单颗LED的输出光束低，所以照明设备大多要求多个LED组合而成，从而造成LED密集度较大。但由于LED的光电转换效率不高，大约只有15％～20％左右电能转为光输出，其余均转换成为热能，因此当大量LED集中工作时，将会产生大量的热量。若不能使这些热量尽快有效地耗散，随之而来的热效应将会变得非常明显，致使结温上升，减少芯片出射的光子，使色温质量下降，加快芯片老化，缩短器件寿命，且由于LED芯片输入功率的不断提高，因散热问题牵扯到光、电、色等一系列的问题显得更加突出，因此对该结构进行热分析和优化设计就变得异常关键。在设计LED发光器件时，为了较好地控制结温，良好的散热设计主要是出于以下考虑：一方面改善器件内部封装结构，提高发热芯片向外壳传导热量的能力；另外一方面提高外壳向外界散热的能力。

热管是1963年美国Los Alamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过在全封闭真空管内热媒的蒸发和冷凝传递热量。热管工作时，液态工质在吸热段吸收管壁传来的热量温度升高，气化为蒸汽，同时压力也随之增大，于是就流向压力较低的冷凝段，在冷凝段放出热量后又重新变成液态，液体再沿着吸液芯依靠毛细力作用返回吸热段，再吸收热量进入下一次循环。如此反复循环就实现了热量的传递和转移。因此热管的正常工作过程是由液体的蒸发、蒸汽的流动、蒸汽的凝结和凝结液的回流组成的闭合循环，其外观像一个拉长的变细的暖水瓶胆，由两根同轴的金属管(或玻璃管)组成，内、外管间抽成真空，一般情况下真空度小于10-4毫米汞柱(见图1)，试验表明一根直径为20mm的铜—水热管，其导热能力是同直径紫铜棒的1500倍，具有“超导热体”之称。

溅射是一种将金属，陶瓷和塑料等材料沉积到一个表面，从而形成一层薄膜的真空工艺过程。基本溅射工艺如图4所示：电子撞击惰性气体原子(通常氩)，使其成为离子。这些高能离子在电场的作用下轰击欲沉积的目标材料。强烈的轰击使目标原子逃出材料表面，在电场的作用下最终在基板的表面形成一层原子层薄膜，该原子层薄膜的厚度取决于溅射时间。相比直流磁控溅射，脉冲磁控溅射将交流电压频率定为中频(10-200KHz)，就能很好地克服直流反应溅射的缺点，如沉积速度低、靶材容易出现电弧放电并导致结构、组成及性能发生改变等。通过脉冲磁控溅射可以与制得金属薄膜同样的效率来制得高质量的绝缘体薄膜。

博物馆和医疗系统中LED阵列照明的散热问题：(1)多芯片集成LED光源中每个LED芯片的结温不一致，严重影响LED的性能和寿命；(2)LED的动态工作温度，急需解决瞬时高温冲击产生的温度不均衡性；(3)LED阵列快速散热，防止过高温度；提出了一种新型的铝基板设计技术，这种新型的LED铝均温板基座中腔注入热媒连接LED光源和散热翅片，均温板基座与LED阵列光源之间先利用磁控溅射氮化铝形成一层厚度为30微米的绝缘层，再利用磁控溅射技术在绝缘层上形成LED阵列封装电路。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种LED阵列照明设备的散热装置及制作方法。

LED阵列照明设备的散热装置包括保护硅胶、LED芯片、电路层、均温板基座和散热翅片，LED芯片安装在电路层上，电路层与均温板基座和散热翅片依次连接，保护硅胶安装在LED芯片和电路层上面。

所述的LED芯片的底部和引脚与电路层连接，LED芯片为封装引脚同向的LED芯片或封装引脚反向的LED芯片，其中封装引脚同向的LED芯片封装引脚朝上并通过金丝或高导电率的金属导线与导电层连接，封装引脚同向的LED芯片底部焊接在绝缘层上；封装引脚反向的LED芯片一端封装引脚朝上并通过金丝或高导电率的金属导线与导电层连接，封装引脚反向的LED芯片靠近芯片底部的引脚直接焊接在电路层上；电路层与均温板基座相连。

所述的电路层包括导电层和绝缘层，导电层与绝缘层和均温板基座依次连接，绝缘层厚度为25～35um，导电层厚度为5～10um。

所述的均温板基座包括吸液芯、排气口、上板、下板和热媒介质，上板四周和下板四周相连接，下板上设有排气口，温板基座内侧设有吸液芯和热媒介质。

LED阵列照明设备的散热装置的制作方法包括如下步骤：

1)用金属铜材料制作上板和下板，下板为可容纳液体的槽体，同时保持上板和下板外侧的平整；将上板和下板去油和去锈处理后，用金属丝网通过高温烧结在上板和下板内测形成吸液芯；再在上板和下板四周结合部位涂抹结合剂，利用夹具固定再送入高温炉进行热熔封合，最后制作成均温板基座；

2)在均温板基座的上板或者下板面通过磁控溅射技术沉积厚度为25～35um氮化铝化合物制作绝缘层，并利用掩膜或光刻的方法在绝缘层面上形成电路图形；

3)通过磁控溅射技术在绝缘层上沉淀导电金属原子形成导电层，导电层的形状与掩膜或光刻的电路图形相吻合，厚度为5～10um，并将LED芯片焊接在导电层上，在均温板基座的另一侧涂抹导热硅胶并安装散热翅片，最后在LED芯片外侧封装保护硅胶。

本发明与传统LED照明的散热装置相比具有以下优点：热阻更低散热能力大幅提升，热媒气化时瞬间吸收大量热能，避免了LED芯片启动瞬间及工作时的高温冲击，实现了LED多芯片之间温度的均衡和持续工作环境温度的均衡，稳定了大功率LED的工作温度，保障功率型LED的正常工作性能和寿命。

附图说明

图1是LED阵列照明设备的散热装置结构示意图；

图2-1是本引脚同向的LED封装示意图；

图2-2是引脚反向的LED封装示意图；

图3-1是引脚同向的LED焊接电路层示意图；

图3-2是引脚反向的LED焊接电路层示意图；

图4是本发明的均温板基座外观图；

图5是本发明的均温板基座内部结构图。

具体实施方式

如图1所示：LED阵列照明设备的散热装置包括保护硅胶1、LED芯片2、电路层3、均温板基座4和散热翅片5，LED芯片2安装在电路层3上，电路层3与均温板基座4和散热翅片5依次连接，保护硅胶1安装在LED芯片2和电路层3上面。所述的电路层3用于给LED芯片2供电同时使LED芯片2与均温板基座4绝缘，均温板基座4在快速导热的同时吸收并储存瞬时热量流，散热翅片5由铝材料制作而成，用于接收均温板基座4热量直接向空气介质散热。

如图2-1、图2-2、图3-1和图3-2所示：所述的LED芯片2的底部和引脚与电路层3连接，LED芯片2为封装引脚同向的LED芯片21或封装引脚反向的LED芯片22，其中封装引脚同向的LED芯片21封装引脚朝上并通过金丝7或高导电率的金属导线7与导电层11连接，封装引脚同向的LED芯片21底部焊接在绝缘层12上；封装引脚反向的LED芯片22一端封装引脚朝上并通过金丝7或高导电率的金属导线7与导电层11连接，封装引脚反向的LED芯片22靠近芯片底部的引脚直接焊接在电路层3上；电路层3与均温板基座4相连。

所述的电路层3包括导电层11和绝缘层12，导电层11与绝缘层12和均温板基座4依次连接，绝缘层12厚度为25～35um，导电层11厚度为5～10um。

如图4和图5所示：所述的均温板基座4包括吸液芯13、排气口14、上板15、下板16和热媒介质，上板15四周和下板16四周相连接，下板16上设有排气口14，温板基座4内侧设有吸液芯13和热媒介质。排气口14用于向均温板基座4内部抽真空和注入热媒介质。均温板基座4内侧设有吸液芯13。

LED阵列照明设备的散热装置的制作方法包括如下步骤：

1)用金属铜材料制作上板15和下板16，下板16为可容纳液体的槽体，同时保持上板15和下板16外侧的平整；将上板15和下板16去油和去锈处理后，用金属丝网通过高温烧结在上板15和下板16内测形成吸液芯13，烧结温度为500℃～1000℃，吸液芯13分别设置在均温板基座4内壁和均温板基座4的中心，其中在均温板基座4中心吸液芯13以3*3立柱的形状连接上板15和下板16；热媒介质在加热面吸热气化，热气的热媒介质在散热面液化，通过吸液芯13将液态水送回吸热面，形成循环带走加热面的热量；再在上板和下板四周结合部位涂抹结合剂，利用夹具固定再送入高温炉进行热熔封合，取出后进行冷却，检漏，除气，填装和封接5道工序后，最后制作成均温板基座4；

2)在均温板基座4的上板15或者下板16面通过磁控溅射技术沉积厚度为25～35um氮化铝化合物制作绝缘层12，该绝缘层12具有1000V以上的耐压能力和10倍氧化铝绝缘层的导热能力，并利用掩膜或光刻的方法在绝缘层12面上形成电路图形；

3)通过磁控溅射技术在绝缘层上沉淀导电金属原子形成导电层11，导电层11的形状与掩膜或光刻的电路图形相吻合，厚度为5～10um，并将LED芯片2焊接在导电层上，LED芯片2以N*N的形式排列组成LED照明阵列，在均温板基座4的另一侧涂抹导热硅胶并安装散热翅片5，最后在LED芯片2外侧封装保护硅胶1，LED芯片2通过绝缘层12将热量传入均温板基座4，均温板基座4储存热量的同时将热量传向散热翅片5直接散热，LED芯片2通过导电层11获得驱动电流。

Claims

1.一种LED阵列照明设备的散热装置，其特征在于包括保护硅胶(1)、LED芯片(2)、电路层(3)、均温板基座(4)和散热翅片(5)，LED芯片(2)安装在电路层(3)上，电路层(3)与均温板基座(4)和散热翅片(5)依次连接，保护硅胶(1)安装在LED芯片(2)和电路层(3)上面。

2.根据权利要求1所述的一种LED阵列照明设备的散热装置，其特征在于所述的LED芯片(2)的底部和引脚与电路层(3)连接，LED芯片(2)为封装引脚同向的LED芯片(21)或封装引脚反向的LED芯片(22)，其中封装引脚同向的LED芯片(21)封装引脚朝上并通过金丝(7)或高导电率的金属导线(7)与导电层(11)连接，封装引脚同向的LED芯片(21)底部焊接在绝缘层(12)上；封装引脚反向的LED芯片(22)一端封装引脚朝上并通过金丝(7)或高导电率的金属导线(7)与导电层(11)连接，封装引脚反向的LED芯片(22)靠近芯片底部的引脚直接焊接在电路层(3)上；电路层(3)与均温板基座(4)相连。

3.根据权利要求1所述的一种LED阵列照明设备的散热装置，其特征在于所述的电路层(3)包括导电层(11)和绝缘层(12)，导电层(11)与绝缘层(12)和均温板基座(4)依次连接，绝缘层(12)厚度为25～35um，导电层(11)厚度为5～10um。

4.根据权利要求1所述的一种LED阵列照明设备的散热装置，其特征在于所述的均温板基座(4)包括吸液芯(13)、排气口(14)、上板(15)、下板(16)和热媒介质，上板(15)四周和下板(16)四周相连接，下板(16)上设有排气口(14)，温板基座(4)内侧设有吸液芯(13)和热媒介质。

5.一种如权利要求1所述LED阵列照明设备的散热装置的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

1)用金属铜材料制作上板(15)和下板(16)，下板(16)为可容纳液体的槽体，同时保持上板(15)和下板(16)外侧的平整；将上板(15)和下板(16)去油和去锈处理后，用金属丝网通过高温烧结在上板(15)和下板(16)内测形成吸液芯(13)；再在上板和下板四周结合部位涂抹结合剂，利用夹具固定再送入高温炉进行热熔封合，最后制作成均温板基座(4)；

2)在均温板基座(4)的上板(15)或者下板(16)面通过磁控溅射技术沉积厚度为25～35um氮化铝化合物制作绝缘层(12)，并利用掩膜或光刻的方法在绝缘层(12)面上形成电路图形；

3)通过磁控溅射技术在绝缘层上沉淀导电金属原子形成导电层(11)，导电层(11)的形状与掩膜或光刻的电路图形相吻合，厚度为5～10um，并将LED芯片(2)焊接在导电层上，在均温板基座(4)的另一侧涂抹导热硅胶并安装散热翅片(5)，最后在LED芯片(2)外侧封装保护硅胶(1)。