CN102361059A

CN102361059A - 一种用于led封装的热柱及其制造方法

Info

Publication number: CN102361059A
Application number: CN2011102533647A
Authority: CN
Inventors: 汤勇; 李宗涛; 刘彬; 丁鑫锐; 周蕤
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2012-02-22

Abstract

本发明专利公开了一种用于LED封装的热柱及其制造方法。该热柱由上端盖、管壳、吸液芯、下端盖、液体工质等部分构成，其中吸液芯具有三维毛细力强化及冷凝强化结构，下端盖具有沸腾强化结构及光学结构。用于LED封装的热柱的制造方法主要可以分为管壳及端盖加工，吸液芯制备及其精密封装三个步骤。本发明制造的用于LED封装的热柱及其制造方法，具有体积小，重量轻，节省材料；吸液芯复杂多样，孔隙率高且可控；接触热阻小，散热面积大，导热速度快，传热效率高；加工工艺简单可行，成本低廉等诸多优点。将其直接用于LED封装工艺，可有效降低LED工作温度，提高工作寿命。

Description

一种用于LED封装的热柱及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种热柱，特别是涉及一种用于LED封装的热柱及其制造方法。

背景技术

LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED具有节能、环保和长寿命三大优势，与传统白炽灯比较，可节省60％～90％的电能，被公认为下一代绿色光源，目前正逐步取代传统光源，渗透到人们的日常生活当中。LED光源已成功应用在投影仪、汽车前大灯、矿灯、平面显示背光源等新领域。

LED的性能与其工作温度密切相关，随着温度的上升，发光效率逐步降低，使用寿命呈指数下降，因此热控制对LED的应用有重大影响。随着半导体光电器件的发展，半导体器件体积越来越小，然而集成度和功率越来越高，导致散热空间狭小，高热流密度等一系列致命问题。

当前LED散热器主要为采用铸造或机械加工方法加工的铝热沉，其具有体积大，重量大，制造工艺复杂，成本高，散热效率低等缺点和不足。传统金属导热率为：铝205W/(m·℃)；紫铜380W/(m·℃)，目前，多芯片LED模组内热流密度已超出普通的铝/铜等材料热沉的传热极限，传统的单纯通过增加散热快体积和表面积的方法已不适用于大功率LED封装技术的发展。相变传热技术利用器件内部工质的相变进行热量传递，其传热能力是同种材料的几十到上百倍，导热率高达10000～40000W/(m·℃)，采用相变热沉结构是解决现热问题的有效途径。

发明内容

本发明针对当前LED封装中面临的热问题，提出了一种用于LED封装的热柱及其制造方法，其具有体积小，重量轻，节省材料。

本发明通过以下技术方案来实现：

1、一种用于LED封装的热柱，其特征在于包括管壳和设置在管壳内的吸液芯，管壳的两端设置有与管壳相适配的上端盖、下端盖，所述上端盖的中部设置有与管壳相通的真空管，所述真空管的外露端密封，所述上端盖嵌入管壳上端部的阶梯口内，与管壳内壁密封配合，下端盖与管壳下端部的外壁密封配合，所述吸液芯与管壳的内壁紧密贴合，所述管壳内部充装有液体工质，所述管壳内部为真空密封。

所述管壳与下端盖为一体成型结构或者分体成型结构；所述下端盖内表面有沸腾强化结构，此结构可以是环状分布的凹槽，也可以是沿径向分布的凹槽或者圆周阵列式微小孔；所述下端盖外底面有圆形凸台。

所述吸液芯为金属粉末吸液芯或者金属纤维吸液芯中的一种或两种混合，吸液芯孔隙率为50％-90％。

所述吸液芯的截面形状为圆环状、螺纹状、向中心放射状或者气液分离式结构。

所述管壳为金属、陶瓷或者导热塑料中的任意一种。

所述金属为铜或者铜合金。

所述下端盖的下表面有镀银层；下端盖的下表面为凸台，也可以是凹槽或平面结构；下端盖的截面形状呈圆形或方形。

所述液体工质为纯净水、丙酮、甲醇或乙醇中的任意一种。

用于LED封装的热柱的制造方法，如下步骤实现：

(1)管壳及端盖加工

(1-1)准备一管壳，在管壳的上端内壁加工出阶梯口；

(1-2)准备一个与管壳上端内壁的阶梯口相适配的上端盖和一个与管壳下端外壁相适配的下端盖；上端盖中部焊接真空管；

(2)吸液芯制备

管壳下端伸入下端盖内并与端盖密封连接，由管壳上端插入事先准备好的芯棒，芯棒位于管壳中心位置，在芯棒与管壳内壁所形成的空间中填入金属粉末或金属纤维，然后连同管壳放入烧结炉中进行烧结，烧结完毕后，待冷却至室温取出芯棒；

(3)封装

取出芯棒后，将上端盖置于步骤(1-1)所述的阶梯口内，然后将液体工质通过步骤(1-2)所述的真空管加入到管壳内，然后通过该真空管对管壳内抽真空，最后密封真空管，即得到用于LED封装的热柱。

上述步骤(1)还包括管壳及端盖的清洗过程，具体是，首先将加工好的管壳、上端盖、下端盖放入体积浓度5％～10％的稀酸溶液中洗去表面油污及加工后残留碎屑，然后将其放入乙醇溶液中超声波清洗，最后用清水冲洗洗去表面残留溶液；

所述步骤(2)烧结温度为600℃～1000℃，烧结时间为30min-120min，烧结过程采用分段升温；烧结炉为氢气、氮气或氩气保护气氛烧结炉或真空烧结炉中的任意一种。

与现有技术相比本发明的有益效果在于：

(1)该热柱下表面直接封装LED芯片，减小了接触热阻，提高了传热速度；整个管壳外表面为散热面，并可加太阳花散热器等模组，增大了散热面积，提高传热效率；热柱依靠管壳内液体工质气化冷凝进行相变传热，传热能力大；可显著降低LED的工作温度，有利于LED工作寿命的延长。

(2)该热柱吸液芯结构复杂多样，孔隙率高且可控，比表面积大，传热面积大，有效地提高了毛细力，降低了液体回流阻力，提高热柱性能，同时带三维毛细力强化、冷凝强化结构能增加蒸汽传播时绕流效果，提高蒸汽在壁面的冷凝效果，降低了壁面热阻；烧结式吸液芯结构稳定，不易脱落，使用性能可靠。

(3)该热柱为中空结构，具有体积小，重量轻等优点，节省材料；加工工艺简单可行，制造成本低廉。

附图说明

图1为本发明用于LED封装的热柱的结构示意图。

图2a为本发明粉末烧结式吸液芯截面示意图。

图2b为本发明纤维烧结式吸液芯截面示意图。

图2c为本发明粉末纤维复合式吸液芯截面示意图。

图3a、3b为本发明下端盖及其A-A剖视结构示意图。

图3c、3d为本发明下端盖另一种结构及其A-A剖视结构示意图。

图4a为本发明圆环状烧结式吸液芯横截面示意图。

图4b为本发明螺纹状烧结式吸液芯横截面示意图。

图4c为本发明向中心放射状烧结式吸液芯横截面示意图。

图4d为本发明气液分离式结构烧结式吸液芯横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本发明所述的用于LED封装的热柱，包括管壳3和设置在管壳3内的吸液芯4，管壳3的两端设置有与管壳3相适配的上端盖2、下端盖5，所述上端盖2的中部设置有与管壳3相通的真空管1，所述真空管1的外露端密封，所述上端盖2嵌入管壳3上端部的阶梯口内，与管壳3内壁密封配合，下端盖5与管壳3下端部的外壁密封配合，所述吸液芯4与管壳3的内壁紧密贴合，所述管壳3内部充装有液体工质，所述管壳3内部为真空密封。所述管壳3与下端盖5可以为一体成型结构也可以为分体成型结构。所述液体工质为纯净水、丙酮、甲醇或乙醇中的任意一种。

如图1所示。所述管壳3为金属、陶瓷或者导热塑料中的任意一种。如果管壳3、上端盖2、下端盖5采用金属时可选用铜或者铜合金，优选用材料为紫铜。

如图3a、3b为下端盖5其中一种结构，即所述下端盖5内表面加工有环状分布的凹槽。如图3c、3d为下端盖5另外一种结构。所述下端盖内表面加工有圆周阵列式微小孔。所述下端盖5外底面有圆形凸台、凹槽或平面结构。在下端盖5的下表面有镀银层，下端盖5的截面形状可以呈圆形或方形等。

如图2a、2b、2c所示。所述吸液芯4为金属粉末吸液芯或者金属纤维吸液芯中的一种或两种混合，吸液芯4孔隙率为50％-90％。

如图4a、4b、4c、4d所示。所述吸液芯4的截面形状为圆环状、螺纹状、向中心放射状或者气液分离式结构。

上述用于LED封装的热柱的制造方法，可通过如下步骤实现：

(1)管壳及端盖加工

(1-1)准备一管壳3，在管壳3的上端内壁加工出阶梯口；

(1-2)准备一个与管壳3上端内壁的阶梯口相适配的上端盖2和一个与管壳3下端外壁相适配的下端盖5；上端盖2中部焊接真空管1；

(2)吸液芯制备

管壳3下端伸入下端盖5内并与端盖5密封连接，由管壳3上端插入事先准备好的芯棒(比如石墨芯棒)，芯棒位于管壳3中心位置，在芯棒与管壳3内壁所形成的空间中填入金属粉末或金属纤维，然后连同管壳3放入烧结炉中进行烧结，烧结完毕后，待冷却至室温取出芯棒；

(3)封装

取出芯棒后，将上端盖2置于步骤(1-1)所述的阶梯口内，然后将液体工质通过步骤(1-2)所述的真空管1加入到管壳3内，然后通过该真空管1对管壳3内抽真空，最后密封真空管1，即得到用于LED封装的热柱。

上述步骤(1)还包括管壳及端盖的清洗过程，具体是，首先将加工好的管壳3、上端盖2、下端盖5放入体积浓度5％～10％的稀酸溶液中洗去表面油污及加工后残留碎屑，然后将其放入乙醇溶液中超声波清洗，最后用清水冲洗洗去表面残留溶液；

上述步骤(2)烧结温度为600℃～1000℃，烧结时间为30min-120min，烧结过程采用分段升温；烧结炉为氢气、氮气或氩气保护气氛烧结炉或真空烧结炉中的任意一种。结合本发明烧结温度宜采用900℃左右，烧结烧结时间30min左右。

本发明管壳3、上端盖2、下端盖5、真空管1尺寸，根据具体情况，自行制定尺寸。

上述金属纤维的直径约为50-100μm，采用多齿车削法加工获得。

上述铜粉采用粒径约为200目枝形铜粉。

如上所述便可较好地实现本发明。

Claims

1.一种用于LED封装的热柱，其特征在于包括管壳和设置在管壳内的吸液芯，管壳的两端设置有与管壳相适配的上端盖、下端盖，所述上端盖的中部设置有与管壳相通的真空管，所述真空管的外露端密封，所述上端盖嵌入管壳上端部的阶梯口内，与管壳内壁密封配合，下端盖与管壳下端部的外壁密封配合，所述吸液芯与管壳的内壁紧密贴合，所述管壳内部充装有液体工质，所述管壳内部为真空密封。

2.根据权利要求1所述的用于LED封装的热柱，其特征在于所述管壳与下端盖为一体成型结构或者分体成型结构；所述下端盖内表面有沸腾强化结构，此结构为环状分布的凹槽、沿径向分布的凹槽或圆周阵列式微小孔；所述下端盖外底面有圆形凸台。

3.根据权利要求2所述的用于LED封装的热柱，其特征在于所述吸液芯为金属粉末吸液芯或者金属纤维吸液芯中的一种或两种混合，吸液芯孔隙率为50％-90％。

4.根据权利要求3所述的用于LED封装的热柱，其特征在于所述吸液芯的截面形状为圆环状、螺纹状、向中心放射状或者气液分离式结构。

5.根据权利要求4所述的用于LED封装的热柱，其特征在于所述管壳为金属、陶瓷或者导热塑料中的任意一种。

6.根据权利要求5所述的用于LED封装的热柱，其特征在于所述金属为铜或者铜合金。

7.根据权利要求6所述的用于LED封装的热柱，其特征在于所述下端盖的下表面有镀银层；下端盖的下表面为凸台、凹槽或平面结构；下端盖的截面形状呈圆形或方形。

8.根据权利要求7所述的用于LED封装的热柱，其特征在于所述液体工质为纯净水、丙酮、甲醇或乙醇中的任意一种。

9.权利要求1至8中任一项所述的用于LED封装的热柱的制造方法，其特征在于如下步骤：

(1)管壳及端盖加工

(1-1)准备一管壳，在管壳的上端内壁加工出阶梯口；

(2)吸液芯制备

(3)封装

10.根据权利要求9所述的用于LED封装的热柱的制造方法，其特征在于所述步骤(1)还包括管壳及端盖的清洗过程，具体是，首先将加工好的管壳、上端盖、下端盖放入体积浓度5％～10％的稀酸溶液中洗去表面油污及加工后残留碎屑，然后将其放入乙醇溶液中超声波清洗，最后用清水冲洗洗去表面残留溶液；

所述步骤(2)烧结温度为600℃～1000℃，烧结时间为30min～120min，烧结过程采用分段升温；烧结炉为氢气、氮气或氩气保护气氛烧结炉或真空烧结炉中的任意一种。