CN102135248A - 基于液态金属散热的螺纹连接结构的大功率led光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于室温液态金属微孔导热的大功率LED光源。它包括LED芯片、微孔封装基板、荧光胶层、室温液态金属、密封层、散热器、金线、LED芯片电极和微孔；散热器上顺次设有密封层、微孔封装基板，在微孔封装基板的微孔上设有LED芯片，微孔封装基板的微孔内充满室温液态金属，LED芯片设有LED芯片电极，LED芯片电极上连有金线，LED芯片上覆盖有荧光胶层。在本发明中，LED芯片底部直接与导热能力非常好的液态金属接触，而液态金属又与微孔基板紧密接触，并且通过液态金属直接与散热器紧密接触，LED芯片在工作时产生的热量被有效的散发。使得大功率LED的散热效果更好，并且减少了LED封装的固晶过程，增加了LED芯片底部的反射率，使光效得到了很大的提升。

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，尤其涉及一种基于室温液态金属微孔导热的大功率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（最高可达80W/K/m以上），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。但是那一发明中还有一个热界面的导热问题没有完全解决，就是芯片与封装基板之间。这一界面目前是利用银胶固晶进行连接，银胶的导热系数并不大（约为20W/K/m），更为复杂的是银胶需要长时间高温固化，工艺上复杂而且对芯片会产生热损伤。为了解决这一难题，本发明充分利用LED封装基板的特性，将封装基板改成带有微孔的封装基板，LED芯片安装在微孔封装基板的微孔上，微孔中充满室温液态金属，微孔封装基板安装在散热器上。这样LED芯片发出的热量直接通过液态金属传导给封装基板和散热器。由于室温液态金属的导热系数远高于银胶，而且液态金属具有渗透性和流动性的特点，更加增强了液态金属的导热效果，这样液态金属将两个热界面完全融合。在这一LED芯片封装过程中完全不需要长时间高温热固化，不仅降低了LED芯片的热损伤而且降低了生产成本，利用液态金属的高导热性改善LED芯片、封装基板和散热器之间散热性能，这种方法能够从根本上解决LED芯片、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，提供一种室温液态金属微孔导热的大功率LED光源。
基于室温液态金属微孔导热的大功率LED光源包括LED芯片、微孔封装基板、荧光胶层、室温液态金属、密封层、散热器、金线、LED芯片电极和微孔；散热器上顺次设有密封层、微孔封装基板，在微孔封装基板的微孔上设有LED芯片，微孔封装基板的微孔内充满室温液态金属，LED芯片设有LED芯片电极，LED芯片电极上连有金线，LED芯片上覆盖有荧光胶层。
所述的LED芯片为多个，相邻两LED芯片上的LED芯片电极之间通过金线相连。所述的微孔封装基板的微孔直径小于LED芯片的正方形边长。所述的荧光胶层的材料是硅胶与荧光粉混合形成的胶体材料。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。所述的有散热器是翅片形散热器或者热管散热器。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：在这种LED封装中，LED芯片底部直接与导热能力非常好的液态金属接触，而液态金属又与微孔基板紧密接触，并且通过液态金属直接与散热器紧密接触，LED芯片在工作时产生的热量被有效的散发。这种方法使得大功率LED的散热效果更好，并且减少了LED封装的固晶过程，增加了LED芯片底部的反射率，使光效得到了很大的提升。
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，例如金属镓及其合金等，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微孔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LED芯片、封装基板和散热器完全融合在一起。这种融合不同于将LED芯片、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。这种结构相互结合在一起，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是基于室温液态金属微孔导热的大功率LED光源的整体结构示意图；
图2是基于室温液态金属微孔导热的大功率LED光源的微孔基板结构示意图；
图中：LED芯片1、微孔封装基板2、荧光胶层3、室温液态金属4、密封层5、散热器6、金线7、LED芯片电极8、微孔9。
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、2所示，基于室温液态金属微孔导热的大功率LED光源包括LED芯片1、微孔封装基板2、荧光胶层3、室温液态金属4、密封层5、散热器6、金线7、LED芯片电极8和微孔9；散热器6上顺次设有密封层5、微孔封装基板2，在微孔封装基板2的微孔9上设有LED芯片1，微孔封装基板2的微孔9内充满室温液态金属4，LED芯片1设有LED芯片电极8，LED芯片电极8上连有金线7，LED芯片1上覆盖有荧光胶层3。
所述的LED芯片1为多个，相邻两LED芯片1上的LED芯片电极8之间通过金线7相连。所述的微孔封装基板2的微孔9直径小于LED芯片1的正方形边长。所述的荧光胶层3的材料是硅胶与荧光粉混合形成的胶体材料。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。所述的金属或合金是镓、铟、锌、锡、镁、铜或金的一种或多种。所述的密封层5的材料是硅胶或者环氧树脂。所述的有散热器6是翅片形散热器或者热管散热器。
LED芯片1产生的光通过荧光胶层3发出，LED芯片1产生的绝大部分热量经过微孔封装基板2向散热器6传导。微孔封装基板2和散热器6一般采用的金属材质，导热系数较高。LED芯片1安装在微孔封装基板2的微孔9上，LED芯片1上的电极8通过金线7相互连接形成电流通道，微孔9中充满室温液态金属4，微孔封装基板2安装在散热器6上。这样LED芯片1发出的热量直接通过液态金属4传导给封装基板2和散热器6。为了减少接触热阻，在微孔封装基板2和散热器6之间填充液体金属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，包括以下元素的至少一种：镓、铟、锌、锡、镁、铜或金。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，能够完全渗入到微孔封装基板2和散热器6之间的微孔9和孔隙中。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，将这种材料填充在微孔封装基板2和散热器6之间，LED芯片1产生的热量经过微孔封装基板2向散热器6传导的热阻降极大减小，除此之外液态金属还会在微孔9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LED芯片1、微孔封装基板2和散热器6完全融合在一起。这种融合不同于将封装基板2和散热器6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。
基于室温液态金属微孔导热的大功率LED光源的微孔封装基板2结构，与一般的LED封装基板不同的是在金属基板上分布着许多微孔，每一个微孔对应着一个LED芯片1的安装位置，微孔9的直径一般小于LED芯片1的尺寸，这样LED芯片1覆盖微孔9上而不会跌落在微孔9中，LED芯片1与微孔9形成一个封闭的圆柱形微孔，其中填充室温液态金属4。这样，LED芯片1产生的热量通过液态金属4传导到微孔封装基板2和散热器6上，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 (8)

1.一种基于室温液态金属微孔导热的大功率LED光源，其特征在于包括LED芯片（1）、微孔封装基板（2）、荧光胶层（3）、室温液态金属（4）、密封层（5）、散热器（6）、金线（7）、LED芯片电极（8）和微孔（9）；散热器（6）上顺次设有密封层（5）、微孔封装基板（2），在微孔封装基板（2）的微孔（9）上设有LED芯片（1），微孔封装基板（2）的微孔（9）内充满室温液态金属（4），LED芯片（1）设有LED芯片电极（8），LED芯片电极（8）上连有金线（7），LED芯片（1）上覆盖有荧光胶层（3）。
2.根据权利要求1所述的一种基于室温液态金属微孔导热的大功率LED光源，其特征在于所述的LED芯片（1）为多个，相邻两LED芯片（1）上的LED芯片电极（8）之间通过金线（7）相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于室温液态金属微孔导热的大功率LED光源，其特征在于所述的微孔封装基板（2）的微孔（9）直径小于LED芯片（1）的正方形边长。
4.根据权利要求1所述的一种基于室温液态金属微孔导热的大功率LED光源，其特征在于所述的荧光胶层（3）的材料是硅胶与荧光粉混合形成的胶体材料。
5.根据权利要求1所述的一种基于室温液态金属微孔导热的大功率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。
6.根据权利要求5所述的一种基于室温液态金属微孔导热的大功率LED光源，其特征在于所述的金属或合金是镓、铟、锌、锡、镁、铜或金的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种基于室温液态金属微孔导热的大功率LED光源，其特征在于所述的密封层（5）的材料是硅胶或者环氧树脂。
8.根据权利要求1所述的一种基于室温液态金属微孔导热的大功率LED光源，其特征在于所述的有散热器（6）是翅片形散热器或者热管散热器。
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