CN102142489A

CN102142489A - 一种将led封装与应用相结合的新型散热方法和装置

Info

Publication number: CN102142489A
Application number: CN2011100047790A
Authority: CN
Inventors: 王鑫; 冉帅
Original assignee: BEIJING YIGUANG TIANYUAN SEMICONDUCTOR LIGHTING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING YIGUANG TIANYUAN SEMICONDUCTOR LIGHTING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2011-08-03

Abstract

本发明提供了一种将LED封装与应用相结合的新型散热方法和装置，通过将LED行业内生产的封装与应用两个环节作为统一整体进行考虑，在保证产品性能的条件下，减少产品中对散热效率有影响的工艺环节和结构部件，将传统LED封装形式中所采用的支架热沉与应用环节中使用的铝基板热沉、散热器热沉合三为一，使得LED芯片在工作状态下，快速、有效地传热、导热、散热，以降低LED芯片在工作状态下的结温，进而提高LED照明产品的品质、延长其使用寿命。

Description

一种将LED封装与应用相结合的新型散热方法和装置

技术领域

本发明涉及电子半导体技术领域，特别是涉及一种将LED封装与应用相结合的新型散热方法和装置。

背景技术

目前行业内生产的传统LED(Light Emitting Diode，发光二极管)，照明产品是首先将LED芯片封装成各种形式的LED光源，然后再将封装好的LED光源固定在照明产品的散热器上，配合反光、折光材料进行二次光学设计，再组合电路、外壳，形成完整的LED照明产品。将LED光源组合各种配件形成LED照明产品的过程在业内也被称之为“LED的应用”。

①传统的LED光源封装形式

当前，LED光源封装主要有单颗封装和集成封装两种形式。单颗封装的主要产品有单珠、SMD(贴片)、大功率等，其中SMD也有将几颗芯片(一般3～5颗之内)封装在同一个支架中的情况，但其主流产品仍然是单颗封装，故仍将其归为单颗封装的产品形式。集成封装是在一个较大的支架中，封装较多的芯片，一般都在几十颗以上。

无论是单颗封装还是集成封装，都是先在LED支架上进行固晶、焊线、封胶，然后再分光分色，进行后处理，形成LED光源成品，这一过程称之为“LED的封装”。固晶时，需要在支架上先涂点固晶胶(银胶/绝缘胶)，再将LED芯片(此时的LED芯片也被称之为“裸晶”)准确地放置在涂点好的固晶胶位置上，最后进行烘烤，使固晶胶固化，牢固地将LED芯片固定在支架上，以进行超声波焊线。在这一过程中，固晶胶一方面起到固定LED芯片的作用，另一方面，在LED芯片工作时，需要将LED芯片内部产生的热量源源不断地导出。而且，固晶胶是否能较好地将LED芯片中的热量导到热沉(此处的热沉为支架)上散出，对LED芯片的工作寿命起到至关重要的作用。

②传统的LED产品应用方式

单颗封装的LED光源需要先焊接在铝基板上连接驱动电路，然后再将铝基板固定在散热器上，配合光学设计和外壳，组成LED照明产品成品。

集成封装的LED光源，一般很少使用铝基板，而是直接与驱动电路相连，再将光源固定在散热器上，配合光学设计和外壳，组成LED照明产品成品。

在LED照明产品工作时，LED芯片会将无法转化成光能的电能以热能的形式散发出来，如果不及时将芯片上发出的热能导出、散开，就会使热量集中在LED芯片附近较小的区域内，从而损坏LED芯片，使其形成不可逆的损伤，影响发光效率，并缩短LED发光器件的使用寿命。

散热器是LED照明产品工作时热的主要载体、传导体和散发体。热量能否有效传导到散热器上并及时散去，直接影响到LED发光器件的寿命长短。

③传统的LED封装和应用形式存在的缺陷

A.对于单颗封装的LED

LED光源与铝基板固定、连接的载体主要是焊锡，有时也会在光源底部涂抹导热硅胶(硅质)，以利于导热；铝基板与散热器连接时，主要靠螺丝紧固力固定，传导热量，也可在铝基板底部涂抹导热硅胶(硅质)。

这样，在LED照明产品工作时，热源——LED芯片与主要的有效散热器件——散热器之间，存在固晶胶、支架热沉、焊锡/导热硅胶(硅质)、铝基板、螺丝/导热硅胶(硅质)五层媒介。而每一层媒介导热的效率都不可能是100％。假设固晶胶的导热效率为a₁，支架热沉的导热效率为b₁，连接LED光源与铝基板的焊锡/导热硅胶(硅质)的导热效率为c₁，铝基板的导热效率为d₁，连接铝基板和散热器的螺丝/导热硅胶(硅质)的导热效率为e₁，则传统LED照明产品从LED芯片到散热器之间的导热效率A₁＝a₁×b₁×c₁×d₁×e₁(a₁＜1，b₁＜1，c₁＜1，d₁＜1，e₁＜1)。

假设这五个导热媒介中任何一个或两个媒介的导热效率较低，那么就会从整体上绝对影响产品的导热性，使热量集中在芯片内，影响芯片发光效率和寿命长短。

热通道详见附图1

B.对于集成封装的LED

集成封装的LED光源一般是在一个比较大的SMD支架上封装几十颗甚至上百颗大功率LED芯片。然后用螺丝直接将光源拧固在散热器上。

这样，集成封装的LED照明产品在工作时，热源——LED芯片与主要的有效散热器件——散热器之间，存在固晶胶、支架热沉、螺丝三层媒介。

假设固晶胶的导热效率为a₂，支架热沉的导热效率为b₂，从LED光源将热量导向散热器的螺丝的导热效率为e₂，则传统LED照明产品从LED芯片到散热器之间的导热效率A₂＝a₂×b₂×e₂(a₂＜1，b₂＜1，e₂＜1)。

热通道：

芯片→(固晶胶)→支架热沉→(螺丝)→散热器

显然，LED作为新一代的高效节能光源，广泛应用在照明领域还存在无法完美解决散热的问题。因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新地提出一种有效解决的导热、散热方式，以解决现有技术中存在的问题，有效提高LED照明产品的品质、延长其使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种将LED封装与应用相结合的新型散热方法和装置，用以有效提高产品的导热、散热效率，提高LED照明产品的品质、延长其使用寿命。

为了解决上述问题，本发明公开了一种将LED封装与应用相结合的新型散热方法，所述方法包括：

选取导热系数大于等于80瓦/米·开尔文的载体材料作为直接热沉；

在所述载体上布置导电线路，并在所述载体上进行固晶、焊线和点胶封装作业；

在完成所述作业后将所述载体与散热器进行无缝结合后，与驱动电路相连，获得完成产品。

优选的，所述无缝结合的方式为无缝嵌合或无缝冲压。

优选的，所述作为直接热沉的载体材料为银、铜、金、铝或铁。

优选的，所述作为直接热沉的载体材料为铝合金或镁合金。

优选的，所述驱动电路是为LED提供直流电的电源。

本发明还公布了一种将LED封装与应用相结合的新型散热装置，所述装置包括：

第一处理模块，用于选取导热系数大于等于80瓦/米·开尔文的载体材料作为直接热沉；

第二处理模块，用于在所述载体上布置导电线路，并在所述载体上进行固晶、焊线和点胶封装作业；

第三处理模块，用于在完成所述作业后将所述载体与散热器进行无缝结合后，与驱动电路相连，获得完成产品。

优选的，所述第一处理模块进行无缝结合的方式为无缝嵌合或无缝冲压。

优选的，所述第一处理模块所选取的作为直接热沉的载体材料为银、铜、金、铝或铁。

优选的，所述第一处理模块所选取的作为直接热沉的载体材料为铝合金或镁合金。

优选的，所述第三处理模块中的驱动电路是为LED提供直流电的电源。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过将LED行业内生产的封装与应用两个环节作为统一整体进行考虑，在保证产品性能的条件下，减少产品中对散热效率有影响的工艺环节和结构部件，将传统LED封装形式中所采用的支架热沉与应用环节中使用的铝基板热沉、散热器热沉合三为一，使得LED芯片在工作状态下，快速、有效地传热、导热、散热，以降低LED芯片在工作状态下的结温，进而提高LED照明产品的品质、延长其使用寿命。

附图说明

图1是本发明现有技术中所述的热通道示意图；

图2是本发明实施例一所述的一种将LED封装与应用相结合的新型散热方法流程；

图3是本发明实施例一所述的传统LED结构的示意图；

图4是本发明实施例一所述本发明的LED结构示意图；

图5是本发明实施例二所述的一种将LED封装与应用相结合的新型散热方法和装置结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

参照图2，示出了本发明的一种将LED封装与应用相结合的新型散热方法流程图，所述方法具体包括：

步骤S101，选取导热系数大于等于80瓦/米·开尔文的载体材料作为直接热沉；

载体热沉选择的材料是具有良好导热性能的物质，基于背景技术中的介绍，其对热量的传导、吸收能力不次于传统LED光源封装中使用的支架热沉，也不次于传统LED应用过程中使用的铝基板；所以，b₃≤b₁，b₃≤b₂。

更为优选的，所述作为直接热沉的载体材料为铝合金或镁合金。

本实施例中，选取的具有良好导热性能的载体材料作为直接热沉，实际中，导热系数值较高的物质包括银(导热系数429瓦/米·开尔文-W/m·K)、铜(导热系数401W/m·K)、金(导热系数317W/m·K)、铝(导热系数237W/ m·K)、铁(导热系数80W/m·K)。广泛用于LED照明产品的导热、散热材料主要是铜和铝，以铝合金、镁合金为主。其中，使用最多的6063型铝合金导热系数为201W/m·K。而最好的导热硅胶(硅质)的导热系数仅仅只有4～6W/m·K左右，一般的导热硅胶(硅质)的导热系数则更低。

步骤S102，在所述载体上布置导电线路，并在所述载体上进行固晶、焊线和点胶封装作业；

具体的，载体热沉是作为散热器的一部分进行设计的，其表面积、体积都会绝对地大于传统LED光源封装中使用的支架热沉。因此，当LED芯片正常工作时，载体热沉能够更多地分担聚集在LED芯片内及其周围的热量，减轻LED芯片所受到的热量损伤；如果不存在其他的导热、散热手段，那么，这种表面积更大、体积更大的载体热沉显然会比同样材质的小面积、小体积支架热沉起到更好的散热、导热、承热作用。另外，在结构允许或者结构需要的情况下，我们还可以将这种载体热沉加大、加厚，以满足、优化产品的需要，更大更好地发挥它对热量的分散作用。

步骤S103，在完成所述作业后将所述载体与散热器进行无缝结合后，与驱动电路相连，获得完成产品。

优选的，所述无缝结合的方式包括无缝嵌合或无缝冲压。

将热沉材料与散热器通过无缝嵌合或者无缝冲压的方式进行紧密结合，进而实现载体热沉与散热器的紧密结合。

作为散热器结构的一部分，载体热沉与散热器的结合采用接近无缝的硬接合方式。可使载体热沉的一部分完全嵌入散热器，使得载体热沉材料与散热器材料紧密接合，合而为一。这种结合方式，与通过螺丝紧固力将铝基板固定在散热器上的点接触/局部接触方式相比，具有更大的导热接触面，能够形成更大的传热、导热通道，可以更加有效地将热量从载体热沉上传导至散热器；所以，e₃＜e₁，e₃＜e₂。

优选的，所述驱动电路是为LED提供直流电的电源。

在实际应用中，所述驱动电路可能将交流电转化为LED所需的直流电或直接为LED提供直流电。

上述方法中，热源——LED芯片与主要的有效散热器件——散热器之间，只存在固晶胶一层媒介。

假设固晶胶的导热效率为a3，则本发明技术LED照明产品从LED芯片到散热器之间的导热效率A₃＝a₃(a₃＜1)。

热通道：

芯片→(固晶胶)→载体热沉(散热器)

假如仍然将载体热沉与散热器割裂来看，那么不妨将载体热沉称为散热器I，将与载体热沉无缝相连的散热器称为散热器II。

那么，在热源——LED芯片与散热器II之间，存在固晶胶、载体热沉、散热器I与散热器II的连接介质三层媒介。

假设固晶胶的导热效率为a3，载体热沉的导热效率为b3，散热器I、II之间的连接介质导热效率为e3，则从LED芯片到散热器II之间的导热效率A₃’＝a₃×b₃×e₃(a₃＜1，b₃＜1，e₃＜1)。

热通道：

芯片→(固晶胶)→载体热沉(散热器I)→(散热器I、II之间的连接介质)→散热器II。

下面对传统产品单颗封装的LED照明产品、集成封装的LED照明产品以及本实施例所述方法的LED照明产品进行比较，具体的参见图3和图4分别示出了传统LED结构和本发明所述LED结构的示意图，假设采用同样的固晶胶、同样材质制作的支架热沉和载体热沉(a₁＝a₂＝a₃，b₁＝b₂＝b₃)，其导热效率分别为：

A₁＝a₁×b₁×c₁×d₁×e₁(a₁＜1，b₁＜1，c₁＜1，d₁＜1，e₁＜1)；

A₂＝a₂×b₂×e₂(a₂＜1，b₂＜1，e₂＜1)；

A₃＝a₃(a₃＜1)；

A₃’＝a₃×b₃×e₃(a₃＜1，b₃＜1，e₃＜1)。

考虑e₃＜e₁，e₃＜e₂，则A₁＜A₂＜A₃’＜A₃。

所以，由此可见，从理论上而言，由本实施例所述方法所制作的产品，其导热性能要优于传统方法所制作的LED照明产品。

为了进一步介绍本发明的核心思想，与实际应用相结合，采用一种覆铜铝基板作为本发明技术方案中所说的载体热沉，在其表面进行通导/绝缘的线路设计和布置，然后在其上进行固晶、焊线、封胶操作，使其起到传统LED产品中所使用的支架热沉和铝基板的双重作用。

这种覆铜铝基板的面积和体积都远远大于传统LED光源封装时所使用的支架热沉的面积和体积。

从外型设计上，这种覆铜铝基板上会有专门的结合面或结合口与散热器相接。这种结合面或结合口通过机械力的作用将会和散热器紧密相连，以达到热量是从金属介质向金属介质相传递的效果。这种热量传递远远优于通过导热硅胶(硅质)来传递热量的效果。

需要说明的是，本实施例所述的方法不仅仅可用于LED球型灯、LED射灯、LED日光灯、LED工矿灯、LED庭院灯、LED隧道灯、LED路灯等照明类产品的生产，也可用于LED汽车灯、LED广告灯、LED景观灯、LED交通灯、LED指示灯、LED显示灯等各种类型LED产品的生产。

实施例二：

参照图5，示出了本发明的一种将LED封装与应用相结合的新型散热方法和装置结构图，所述装置包括：

第一处理模块401，用于选取导热系数大于等于80瓦/米·开尔文的载体材料作为直接热沉；

第二处理模块402，用于在所述载体上布置导电线路，并在所述载体上进行固晶、焊线和点胶封装作业；

第三处理模块403，用于在完成所述作业后将所述载体与散热器进行无缝结合后，与驱动电路相连，获得完成产品。

优选的，所述第一处理模块401进行无缝结合的方式为无缝嵌合或无缝冲压。

优选的，所述第一处理模块401所选取的作为直接热沉的载体材料为银、铜、金、铝或铁。

优选的，所述第一处理模块401所选取的作为直接热沉的载体材料为铝合金或镁合金。

优选的，所述第三处理模块403中的驱动电路是为LED提供直流电的电源。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种将LED封装与应用相结合的新型散热方法和装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种将LED封装与应用相结合的新型散热方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述无缝结合的方式为无缝嵌合或无缝冲压。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述作为直接热沉的载体材料为银、铜、金、铝或铁。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

所述作为直接热沉的载体材料为铝合金或镁合金。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述驱动电路是为LED提供直流电的电源。

6.一种将LED封装与应用相结合的新型散热装置，其特征在于，所述装置包括：

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述第一处理模块进行无缝结合的方式为无缝嵌合或无缝冲压。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述第一处理模块所选取的作为直接热沉的载体材料为银、铜、金、铝或铁。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：

所述第一处理模块所选取的作为直接热沉的载体材料为铝合金或镁合金。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述第三处理模块中的驱动电路是为LED提供直流电的电源。