CN102062320A - 一种带光学整形的led光源模块及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带光学整形的LED光源模块及其制备方法，包括绝缘导热线路板、电极连接端口、电极连接块、LED芯片以及集光器；绝缘导热线路板上覆有金属引线，LED芯片的正极面焊接在绝缘导热线路板的正极金属引线上，LED芯片的负极通过连接线A与绝缘导热线路板上的负极金属引线相连；电极连接端口安装在电极连接块上，并与金属引线的接线端连接；集光器安装在固定LED芯片的位置上以收集LED芯片发出的光。本发明兼具导热和热沉绝缘的优点，且将一次光学整形和二次光学整形结合为一体，省去后期的多次光学整形光路，不但提高了光提取效率而且能够收缩LED光源发散的发散角，同时可通过改变集光器的形状来调节输出光斑形状来匹配显示芯片达到最佳光利用率。

Description

一种带光学整形的LED光源模块及其制备方法

技术领域

本发明属于LED光源领域，涉及一种带光学整形的LED光源模块及其制备方法。

背景技术

投影显示系统通常使用的光源为超高压水银灯(UHP)、金属卤化物灯、氙灯及卤素灯。多年来人类一直在寻找和开发固体发光光源，随着发光材料的开发和半导体制作工艺的改进，半导体照明用发光二极管效率不断提高。目前，超高压水银灯是投影装置的主流光源。发光二极管(简称LED)是一类直接将电能转化为光能的半导体器件。LED具有工作电压低、耗电量小、发光效率高、响应时间短、耐震动、稳定性高、体积小等一系列优点，广泛应用于指示灯、LCD背光、LED显示屏、装饰以及固态照明等各个领域。近年来，随着半导体发光材料的发展，LED在各种照明领域中越来越受到世人的瞩目，目前人们正努力研究用LED作为新型投影光源。相比高压水银灯光源，LED具有以下优点：

(1)效率高，近年来，LED的发光效率每年约以20lm/W的速度提升，现已达到100lm/W以上，而且由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以其可见光的转换效率远高于其它光源。白炽灯是最常用的照明光源，其可见光效率仅为10％～20％。

(2)色纯度高，UHP发出的光是全频段波长连续的光，而LED发出的光是单波峰的光，波峰半高宽只有几十纳米，色彩远比UHP更为鲜艳。

(3)能耗小，LED的功率一般在0.05～1W，通过集群方式可以满足不同的需要，浪费很少，而UHP灯的耗能是LED的30倍左右。

(4)寿命长，LED寿命可以达到100000h，而UHP灯的寿命只有2000h左右。

(5)响应时间短，LED的响应时间为纳秒级，在显示上可采用LED RGB三基色组合取代白光光源，通过时序电路驱动LED发光，投影系统中的色轮及其相关机械装置可以被取消，投影机可实现小型化、轻量化。

(6)绿色环保，LED光谱集中在可见光波段，光谱几乎没有紫外线和红外线，热量、辐射很少，器件中不含有害物质。此外，LED还具有驱动容易、颜色再现范围大等优点。

LED是一种具有多个离散发光元件的扩展面光源。为了使LED芯片发出的光能够更好地输出，得到最大程度的利用，并且在照明区域内满足设计要求，需要对LED进行光学系统的设计。一般来讲，提高LED光提取效率的设计被称为一次光学整形；而在LED之外进行的光学设计被称为二次光学整形。

目前国际上商业化的LED光源，多采用将芯片直接焊接在PCB电路板上或者将芯片封装在陶瓷上，然后再焊接或粘贴在PCB电路板上。以上两种封装形式都有以下缺点：

(1)散热性差，以上两种封装形式都使用PCB线路板，从而使散热效率低。

(2)结构复杂，需要多层结构，造成工艺复杂，增加成本。

(3)热膨胀系数不匹配，热沉与LED芯片热膨胀系数不匹配，影响芯片性能。

(4)光提取效率及收集效率不高，需进行一次和二次光学整形，使得元件体积变大，加大系统负担，这会带来传输过程的光能损耗。同时一次光学整形与二次光学整形之间的耦合效率有限，会造成比较大的光能损耗，收集效率低。

(5)输出光斑与后续光学系统不匹配，出射光斑一般为圆光斑，同方形显示芯片不匹配，光源利用率低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种带光学整形的LED光源模块及其制备方法，该种LED光源模块能够解决LED封装结构散热效率不高，稳定性差，LED芯片同热沉热膨胀系数不匹配以及光提取及收集效率不高的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

该种带光学整形的LED光源模块，包括用于散热的绝缘导热线路板、电极连接端口、电极连接块、LED芯片以及集光器；所述绝缘导热线路板上覆有金属引线绝缘导热线，所述金属引线包括正极金属引线和负极金属引线；LED芯片的正极面焊接在绝缘导热线路板的正极金属引线上，LED芯片的负极通过连接线A与绝缘导热线路板上的负极金属引线相连；所述电极连接端口安装在电极连接块上，并与所述金属引线的接线端连接；所述集光器安装在固定有LED芯片的位置上以收集LED芯片发出的光。

上述绝缘导热线路板上靠近所述LED芯片的位置固定有用于监测LED芯片的热敏电阻。

上述集光器是复合抛物面集光器，所述集光器的下端中心位置设有凹槽，所述LED芯片设于凹槽内。

上述集光器为横截面是矩形或圆形，周侧面为复合抛物面形状，可以是空心或者实心。

上述LED芯片是单色或混色的三基色LED芯片或者白光芯片；所述LED芯片的个数是一个或者多个；当所述LED芯片的个数为多个时，多个芯片采用串联、并联、串并结合或者分别独立与所述金属引线连接。

上述绝缘导热线路板是陶瓷、金刚石或金刚石铜复合材料。为了能够更好的散热，本发明的另一实施例中，可以在所述绝缘导热线路板上设置有热沉、散热片、散热风扇或制冷器。

在本发明的较佳实施例中，所述的LED芯片与金属引线之间设置有用于保护LED芯片的二极管。

本发明还提出一种带光学整形的LED光源模块的制备方法，包括以下步骤：

1)首先准备绝缘导热线路板、电极连接端口、电极连接块、热敏电阻、LED芯片、集光器；

4)采用回流焊接或者贴片工艺将LED芯片的正极贴在覆金属引线的绝缘导热线路板上，将热敏电阻安装在靠近LED芯片的位置上；

5)将集光器安装在固定有LED芯片的位置上用于收集LED芯片发出的光；

6)将电极连接端口安装在电极连接块上，然后与金属引线焊接，制成带光学整形的的LED的光源模块。

本发明具有以下优点：

(1)光源热阻低，本发明由于直接使用绝缘导热线路板，结构简单，成本降低，同时接触面减少，热阻降低，同时绝缘导热线路板的热膨胀系数接近LED芯片，减少了热压应力的影响。

(3)光提取效率高、光收集效率高，光提取效率提高30％以上、光收集效率大于90％，且光束发散角能控制在12°左右。

(4)光斑形状可调，可根据显示芯片需要进行光斑形状的调节从而达到最佳光利用率。

附图说明

图1为本发明的各部件拆解示意图；

图2为本发明的整体结构图；

图3为本发明工作时的热分布模拟图；

图4为本发明的光通量随电流变化曲线；

图5为本发明的光强分布曲线；

图6为本发明的模拟光斑；

图7-1为本发明的集光器6实施例一结构示意图；

图7-2为本发明的集光器6实施例二结构示意图；

图7-3为本发明的集光器6实施例三结构示意图；

图7-4为本发明的集光器6实施例四结构示意图；

其中1为绝缘导热线路板；2为金属引线；3为电极连接端口；4为电极连接块；5为热敏电阻；6为集光器；7为LED芯片；101为凹槽；102为复合抛物面；103为空心。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明的带光学整形的LED光源模块，包括绝缘导热线路板1、电极连接端口3、电极连接块4、热敏电阻5、集光器6、LED芯片7。其中绝缘导热线路板1上覆有金属引线2，并且该金属引线2包括正极金属引线和负极金属引线。LED芯片7的正极面焊接在绝缘导热线路板1的正极金属引线上，LED芯片7负极通过连接线A(可选用金线、铜线或其他其他高导电材料)与绝缘导热线路板1上负极金属引线相连；热敏电阻5安装在靠近LED芯片7的位置上；集光器6安装LED芯片7上用以收集LED芯片7发出的光。电极连接端口3安装在电极连接块4上，然后与金属引线连2接线端焊接。

本发明采用的LED芯片7是LED RGB三基色芯片或者白光芯片。并且以上LED芯片7的个数可以是一个，也可以是多个；当LED芯片7具有多个时，多个LED芯片7采用串联、并联、串并联结合或者分别独立与金属引线2连接的方式设置在绝缘导热线路板1上。

为了能够使LED芯片7在工作时产生的热量很快散去，本发明要求绝缘导热线路板1具有较高的导热效果，这里可以采用导热率高的陶瓷、金刚石、金刚石铜复合材料或其他高导热材料。另外也可以通过在绝缘导热线路板1上设置热沉、散热片、散热风扇或制冷器的方式来加强散热效果。

为了提高各部分连接的稳定性，金属引线2的材质选用铜或金。在LED芯片7与金属引线2之间也可以设置用于保护LED芯片7的二极管。

参见图7，本发明采用的集光器6是复合抛物面集光器，该种集光器6的下端中心位置设有凹槽101，将LED芯片7设于凹槽101内。集光器6的形式也可以设置多种，以下介绍本发明中较佳实施例的几种集光器6：

(1)实心集光器

该种集光器为上端大下端小的实心棒状体，该棒状体的横截面可以是矩形(如图7-1)，也可以是圆形(如图7-2)，棒状体的周侧面为复合抛物面102形状，该种结构的集光器光路是在集光器介质内通过的。

(2)具有空心的集光器

参见图7-3或图7-4：该种集光器是一横截面是矩形或者圆形的棒状体，该棒状体内部有一空心103，棒状体内部的空心103的上端大，下短小，且空心103的周侧壁为复合抛物面102。另外空心103的形状也可以是多种，如横截面是矩形的空心103，或者横截面是圆形的空心103。这种集光器当LED发光芯片从下端的凹槽101出射入后，大部分光以空心103为光路，发散的光线通过空心103内周壁的复合抛物面102也会被反射回来。

综上所述，本发明集光器外形结构可以稍作改进，如将外形制作成菱形柱状等。以上给出了本发明的结构，以下详细说明本发明的带光学整形的LED光源模块的制备方法：

(1)首先准备绝缘导热线路板1、电极连接端口3、电极连接块4、热敏电阻5、LED芯片7、集光器6；本发明的最佳实施例中，绝缘导热线路板1材质选用具有高导热性能的陶瓷板、金刚石、金刚石铜复合材料；

(2)将绝缘导热板1用有机溶液和去离子水清洗干净、烘干，然后直接将金属箔(如：Cu)在高温下直接烧结到绝缘导热板1的表面形成金属层，金属层厚度为0.1-1.0毫米，最后放入氮气柜中储存；

(3)在覆金属层的绝缘导热板1上刻蚀金属引线2，形成如图1或图2所示的成矩阵形式排列的正极金属引线和负极金属引线，使各金属引线最后引出至绝缘导热板1的一边侧；

(4)采用回流焊接或者贴片工艺或导电胶将LED芯片7的正极贴在绝缘导热线路板1上并与正极金属引线连接，并将热敏电阻5安装在靠近LED芯片7的位置上；

(5)将集光器6安装在固定有LED芯片7的位置上，使集光器6的光入射端和LED芯片7的光出射端对准用于收集LED芯片7发出的光；

(6)将电极连接端口3安装在电极连接块4上，然后与金属引线2焊接，制成本发明所述的带光学整形的LED光源模块。

本发明的工作原理如下：

首先，电极连接块4与电源相连。工作时，电源通过金属引线2给LED芯片7供电，LED芯片7发光。LED芯片7发光的同时会产生大量的热，热会传导至绝缘导热线路板1上。由于绝缘导热线路板1采用的材料具有高导热特性使得芯片热量很容易散掉，可以在绝缘导热线路板1上安装热沉、散热片、风扇、制冷器也是为了达到更好的散热效果。另外，安装保护二极管是为了对芯片起保护作用，以免出现过载。同时，靠近LED芯片7的热敏电阻5可探测LED芯片7周围的温度，热敏电阻5与控制器连接，可以将检测的温度反馈回控制器，一旦温度超过一定范围，停止供电。LED芯片7工作时，，集光器控制LED芯片7出射的光束角度满足显示芯片的要求同时进行光学整形从而较大限度地提高LED的光能利用率，实现高功率、高亮度的光输出。

实施例

根据本发明的带光学整形的LED光源模块结构及其制备方法，本实施例制作出了投影显示的LED光源，其结构也如图2所示，以下给出这种带光学整形的LED光源的测试结果。

如图3所示，此带光学整形的LED光源模块在热沉为25℃，风速为4.8m/s下工作时，其芯片工作温度只有56℃，本发明的光源模块热阻只有0.87K/W。

如图4所示为此带光学整形的LED光源模块选用绿光LED芯片时在8A的电流下可输出1150lm的光。

如图5所示为此带光学整形的LED光源模块选用绿光LED芯片输出光束发散角，其测试结果表明本发明输出光束发散角较小，约为12°。

如图6所示为本发明输出的光斑，为方形光斑。

综上所述，本发明兼具导热和热沉绝缘的优点，且将一次光学整形和二次光学整形结合为一体，省去后期的多次光学整形光路，不但提高了光提取效率而且能够收缩LED光源发散的发散角，同时且可以通过改变光收集器的形状来调节输出光斑形状来匹配显示芯片达到最佳光利用率。

Claims (9)

1.一种带光学整形的LED光源模块，其特征在于：包括用于散热的绝缘导热线路板(1)、电极连接端口(3)、电极连接块(4)、LED芯片(7)以及集光器(6)；所述绝缘导热线路板(1)上覆有金属引线(2)，所述金属引线(2)包括正极金属引线和负极金属引线；LED芯片(6)的正极面焊接在绝缘导热线路板(1)的正极金属引线上，LED芯片(6)的负极通过连接线A与绝缘导热线路板(1)上的负极金属引线相连；所述电极连接端口(3)安装在电极连接块(4)上，并与所述金属引线(2)的接线端连接；所述集光器(6)安装在固定有LED芯片(7)的位置上以收集LED芯片(7)发出的光。

2.根据权利要求1所述的带光学整形的LED光源模块，其特征在于：所述绝缘导热线路板(1)上于靠近所述LED芯片(7)的位置可固定有用于监测LED芯片(7)温度的热敏电阻(5)。

3.根据权利要求1所述的带光学整形的LED光源模块，其特征在于：所述集光器(6)是复合抛物面集光器。

4.根据权利要求3所述的带光学整形的LED光源模块，其特征在于：所述集光器(6)的下端中心位置设有凹槽(101)，所述LED芯片(7)设于凹槽(101)内。

5.根据权利要求1所述的带光学整形的LED光源模块，其特征在于：所述LED芯片(7)是RGB单色或混色的三基色LED芯片或者白光芯片；所述LED芯片(7)的个数是一个或者多个；当所述LED芯片(7)的个数为多个时，多个芯片采用串联、并联、串并联结合或者分别独立与所述金属引线(2)连接。

6.根据权利要求1所述的带光学整形的LED光源模块，其特征在于：所述绝缘导热线路板(1)是陶瓷板、金刚石或金刚石铜复合材料。

7.根据权利要求1所述的带光学整形的LED光源模块，其特征在于：所述绝缘导热线路板(1)上设置有热沉、散热片、散热风扇或制冷器。

8.根据权利要求1所述的带光学整形的LED光源模块，其特征在于：所述LED芯片(7)与金属引线(2)之间设置有用于保护LED芯片(7)的二极管。

9.一种带LED光源模块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先准备绝缘导热线路板(1)、电极连接端口(3)、电极连接块(4)、热敏电阻(4)、LED芯片(7)和集光器(6)；

2)采用回流焊接或者贴片工艺或用导电胶将LED芯片(7)的正极贴在绝缘导热线路板(1)上导热线路板，将热敏电阻(4)安装在靠近LED芯片(7)的位置上；

3)将集光器(6)安装在固定有LED芯片(7)的位置上收集LED芯片(7)发出的光；

4)将电极连接端口(3)安装在电极连接块(4)上，然后与金属引线(2)焊接，制成带光学整形的LED的光源模块。

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