CN103185236A - 高度集成化的发光二极管灯芯和包含其的照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体照明技术，特别涉及一种高度集成化的发光二极管灯芯和包含该发光二极管灯芯的照明装置。本发明的照明装置具有散热效率高、制造工艺简单和制造成本低等优点。按照本发明的实施例，照明装置包括灯头、灯罩和设置在由灯头和灯罩限定的空间内的发光二极管灯芯。

Description

高度集成化的发光二极管灯芯和包含其的照明装置
技术领域
本发明涉及半导体照明技术，特别涉及一种高度集成化的发光二极管灯芯和包含该发光二极管灯芯的照明装置。
背景技术
发光二极管(LED)光源具有其它光源所不具备的一系列优点，例如无污染、寿命长、能耗低、耐振动、控制方便和便于调光等。面对未来的巨大市场和潜在商机，业界在LED照明装置的商品化方面已经投入了大量的人力和物力。
目前在照明装置中用作光源的发光二极管(LED)是一种固态的半导体器件，它的基本结构一般包括带引线的支架、设置在支架上的半导体晶片以及将该晶片四周密封起来的封装材料(例如荧光硅胶或环氧树脂)。上述半导体晶片包含有P-N结构，当电流通过时，电子被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后以光子的形式发出能量，而光的波长则是由形成P-N结构的材料决定的。
LED在工作过程中，只有一部分电能被转换为热能，其余部分都转换成为热能，从而导致LED的温度升高，这是其性能劣化和失效的主要原因。可以说，散热问题已经成为当前半导体照明技术发展的技术瓶颈。为此，业界已经从芯片、电路板到系统的每一个层面，针对散热问题提出了各种优化设计，以获得最佳的散热效果。
就芯片层面而言，一般可以通过增加芯片尺寸和改变材料结构来提高散热能力。
在电路板层面，目前许多LED灯具中都采用铝基板作为印刷电路板，这种基板为多层结构，中间层使用具有较高导热系数的绝缘层材料，从而使LED芯片的热能透过下层的铝板快速扩散并传递出去。
对于系统层面，常用的散热策略是为LED灯具配置散热组件(例如鳍片、热管、均温板、回路式热管及压电风扇等)，从而借助其快速的散热能力将LED产生的热量迅速散发到周围环境中。例如题为“球形LED灯”的美国专利US8058782公开了一种LED灯，包括冷却结构、LED模组、透明罩和灯头，其中，冷却结构包括导热板和配置在导热板周边的冷却翅片，LED模组包括安装在导热板一个表面上的电路基板、设置在电路基板上的LED以及与电路基板电气连接的第一和第二引线，透明罩与导热板固定连接在一起并且罩住LED模组，灯头包括可使冷却翅片的端部插入其中的收缩件、电气连接体和空心管。该篇参考文献的内容以整体引用的方式包含在本说明书中。
但是需要指出的是，散热效果的改善往往是以制造成本的上升和灯具结构的复杂化为代价的，而这不利于LED照明装置的普及推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种发光二极管灯芯，其具有结构紧凑、制造工艺简单和散热效果优良等优点。
本发明的上述目的可通过下列技术方案实现：
一种发光二极管灯芯，包括：
至少一个发光二极管单元；
驱动电源，其与所述发光二极管单元电气连接；以及
承载所述发光二极管单元和驱动电源的散热部件，其至少一部分表面以红外辐射材料覆盖。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述绝缘导热材料为陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述红外辐射材料为常温红外陶瓷辐射材料。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述常温红外陶瓷辐射材料选自下列材料中的至少一种：氧化镁、氧化铝、氧化钙、氧化钛、氧化硅、氧化铬、氧化铁、氧化锰、氧化锆、氧化钡、堇青石、莫来石、碳化硼、碳化硅、碳化钛、碳化钼、碳化钨、碳化锆、碳化钽、氮化硼、氮化铝、氮化硅、氮化锆、氮化钛、硅化钛、硅化钼、硅化钨、硼化钛、硼化锆和硼化铬。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述散热部件呈壳体形状，所述发光二极管单元设置在所述壳体的外表面并且所述驱动电源设置在所述壳体的内部。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述驱动电源采用电路模块的形式，并且在所述壳体的内表面和外表面上形成布线层以在所述发光二极管单元与所述驱动电源之间提供电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述布线层通过印制电路工艺形成于所述壳体的内表面和外表面。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述发光二极管单元为发光二极管管芯，其被设置在所述壳体的外表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述发光二极管单元为发光二极管单体，其被设置在所述壳体的外表面并且通过焊接方式与与所述布线层电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述布线层使得多个所述发光二极管单元以串联、并联、混联或交叉阵列的形式相连。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述壳体包含盖板，在其内表面和外表面上形成布线层以在所述发光二极管单元与所述驱动电源之间提供电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述布线层通过印制电路工艺形成于所述盖板的内表面和外表面。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述发光二极管单元为发光二极管管芯，其被设置在所述盖板的外表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述发光二极管单元为发光二极管单体，其被设置在所述盖板的外表面并且通过焊接方式与与所述布线层电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述布线层使得多个所述发光二极管单元以串联、并联、混联或交叉阵列的形式相连。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述驱动电源包含半导体晶片形式的驱动控制器，其被设置在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述驱动电源包含封装芯片形式的驱动控制器，其被设置在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过焊接方式电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，进一步包括下列电路中的至少一种：传感电路、调光控制电路、通信电路和功率因数校正电路。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述电路的至少一种与所述驱动控制器集成在同一半导体晶片或封装芯片内。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述电路为半导体晶片形式，其固定在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述电路为封装芯片形式，其设置在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过焊接工艺实现电气连接。
本发明的上述目的还可通过下列技术方案实现：
一种发光二极管灯芯，包括：
至少一个发光二极管单元；
驱动电源，其与所述发光二极管单元电气连接；以及
承载所述发光二极管单元和驱动电源的散热部件，其由红外辐射材料构成或者包含由红外辐射材料构成的部分。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述散热部件还包含由绝缘导热材料构成的部分，所述绝缘导热材料为陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述红外辐射材料为常温红外陶瓷辐射材料。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述常温红外陶瓷辐射材料选自下列材料中的至少一种：氧化镁、氧化铝、氧化钙、氧化钛、氧化硅、氧化铬、氧化铁、氧化锰、氧化锆、氧化钡、堇青石、莫来石、碳化硼、碳化硅、碳化钛、碳化钼、碳化钨、碳化锆、碳化钽、氮化硼、氮化铝、氮化硅、氮化锆、氮化钛、硅化钛、硅化钼、硅化钨、硼化钛、硼化锆和硼化铬。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述散热部件呈壳体形状，所述发光二极管单元设置在所述壳体的外表面并且所述驱动电源设置在所述壳体的内部。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述驱动电源采用电路模块的形式，并且在所述壳体的内表面和外表面上形成布线层以在所述发光二极管单元与所述驱动电源之间提供电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述布线层通过印制电路工艺形成于所述壳体的内表面和外表面。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述发光二极管单元为发光二极管管芯，其被设置在所述壳体的外表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述发光二极管单元为发光二极管单体，其被设置在所述壳体的外表面并且通过焊接方式与与所述布线层电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述布线层使得多个所述发光二极管单元以串联、并联、混联或交叉阵列的形式相连。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述壳体包含盖板，在其内表面和外表面上形成布线层以在所述发光二极管单元与所述驱动电源之间提供电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述布线层通过印制电路工艺形成于所述盖板的内表面和外表面。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述发光二极管单元为发光二极管管芯，其被设置在所述盖板的外表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述发光二极管单元为发光二极管单体，其被设置在所述盖板的外表面并且通过焊接方式与与所述布线层电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述布线层使得多个所述发光二极管单元以串联、并联、混联或交叉阵列的形式相连。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述驱动电源包含半导体晶片形式的驱动控制器，其被设置在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述驱动电源包含封装芯片形式的驱动控制器，其被设置在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过焊接方式电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，进一步包括下列电路中的至少一种：传感电路、调光控制电路、通信电路和功率因数校正电路。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述电路的至少一种与所述驱动控制器集成在同一半导体晶片或封装芯片内。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述电路为半导体晶片形式，其固定在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述发光二极管灯芯中，所述电路为封装芯片形式，其设置在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过焊接工艺实现电气连接。
本发明的还有一个目的是提供一种采用发光二极管作为光源的照明装置，其具有结构紧凑、制造工艺简单和散热效果优良等优点。
本发明的上述目的是通过下列技术方案实现的：
一种采用发光二极管作为光源的照明装置，其特征在于，包括：
灯头；
灯罩；以及
发光二极管灯芯，包括：
至少一个发光二极管单元；
驱动电源，其与所述发光二极管单元电气连接；以及
承载所述发光二极管单元和驱动电源的散热部件，其至少一部分表面以红外辐射材料覆盖并且被设置在由所述灯头和所述灯罩限定的空间内。
优选地，在上述照明装置中，通过下列方式将所述散热部件设置在由所述灯头和所述灯罩限定的空间内：所述散热部件的端部与所述灯头的内底面和/或内侧面固定在一起，并且所述灯罩的开口端与所述灯头的内侧面固定在一起。
优选地，在上述照明装置中，通过下列方式将所述散热部件设置在由所述灯头和所述灯罩限定的空间内：所述散热部件靠近端部的外表面与所述灯罩的开口端固定在一起，所述散热部件的端部与所述灯头的内底面和/内侧面固定在一起。
优选地，在上述照明装置中，所述散热部件由绝缘导热材料构成或者包含绝缘导热材料构成的部分，所述绝缘导热材料为陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料。
优选地，在上述照明装置中，所述红外辐射材料为常温红外陶瓷辐射材料。
优选地，在上述照明装置中，所述常温红外陶瓷辐射材料选自下列材料中的至少一种：氧化镁、氧化铝、氧化钙、氧化钛、氧化硅、氧化铬、氧化铁、氧化锰、氧化锆、氧化钡、堇青石、莫来石、碳化硼、碳化硅、碳化钛、碳化钼、碳化钨、碳化锆、碳化钽、氮化硼、氮化铝、氮化硅、氮化锆、氮化钛、硅化钛、硅化钼、硅化钨、硼化钛、硼化锆和硼化铬。
优选地，在上述照明装置中，所述散热部件呈壳体形状，所述发光二极管单元设置在所述壳体的外表面并且所述驱动电源设置在所述壳体的内部。
优选地，在上述照明装置中，所述驱动电源采用电路模块的形式，并且在所述壳体的内表面和外表面上形成布线层以在所述发光二极管单元与所述驱动电源之间提供电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述布线层通过印制电路工艺形成于所述壳体的内表面和外表面。
优选地，在上述照明装置中，所述发光二极管单元为发光二极管管芯，其被设置在所述壳体的外表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述发光二极管单元为发光二极管单体，其被设置在所述壳体的外表面并且通过焊接方式与与所述布线层电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述布线层使得多个所述发光二极管单元以串联、并联、混联或交叉阵列的形式相连。
优选地，在上述照明装置中，所述壳体包含盖板，在其内表面和外表面上形成布线层以在所述发光二极管单元与所述驱动电源之间提供电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述布线层通过印制电路工艺形成于所述盖板的内表面和外表面。
优选地，在上述照明装置中，所述发光二极管单元为发光二极管管芯，其被设置在所述盖板的外表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述发光二极管单元为发光二极管单体，其被设置在所述盖板的外表面并且通过焊接方式与与所述布线层电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述布线层使得多个所述发光二极管单元以串联、并联、混联或交叉阵列的形式相连。
优选地，在上述照明装置中，所述驱动电源包含半导体晶片形式的驱动控制器，其被设置在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述驱动电源包含封装芯片形式的驱动控制器，其被设置在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过焊接方式电气连接。
优选地，在上述照明装置中，进一步包括下列电路中的至少一种：传感电路、调光控制电路、通信电路和功率因数校正电路。
优选地，在上述照明装置中，所述电路的至少一种与所述驱动控制器集成在同一半导体晶片或封装芯片内。
优选地，在上述照明装置中，所述电路为半导体晶片形式，其固定在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述电路为封装芯片形式，其设置在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过焊接工艺实现电气连接。
本发明的上述目的还可以通过下列技术方案实现：
一种采用发光二极管作为光源的照明装置，包括：
灯头；
灯罩；以及
发光二极管灯芯，包括：
至少一个发光二极管单元；
驱动电源，其与所述发光二极管单元电气连接；以及
承载所述发光二极管单元和驱动电源的散热部件，其由红外辐射材料构成或者包含由红外辐射材料构成的部分，并且被设置在由
所述灯头和所述灯罩限定的空间内。
优选地，在上述照明装置中，通过下列方式将所述散热部件设置在由所述灯头和所述灯罩限定的空间内：所述散热部件的端部与所述灯头的内底面和/或内侧面固定在一起，并且所述灯罩的开口端与所述灯头的内侧面固定在一起。
优选地，在上述照明装置中，通过下列方式将所述散热部件设置在由所述灯头和所述灯罩限定的空间内：所述散热部件靠近端部的外表面与所述灯罩的开口端固定在一起，所述散热部件的端部与所述灯头的内底面和/内侧面固定在一起。
优选地，在上述照明装置中，所述散热部件还包含由绝缘导热材料构成的部分，所述绝缘导热材料为陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料。
优选地，在上述照明装置中，所述红外辐射材料为常温红外陶瓷辐射材料。
优选地，在上述照明装置中，所述常温红外陶瓷辐射材料选自下列材料中的至少一种：氧化镁、氧化铝、氧化钙、氧化钛、氧化硅、氧化铬、氧化铁、氧化锰、氧化锆、氧化钡、堇青石、莫来石、碳化硼、碳化硅、碳化钛、碳化钼、碳化钨、碳化锆、碳化钽、氮化硼、氮化铝、氮化硅、氮化锆、氮化钛、硅化钛、硅化钼、硅化钨、硼化钛、硼化锆和硼化铬。
优选地，在上述照明装置中，所述散热部件呈壳体形状，所述发光二极管单元设置在所述壳体的外表面并且所述驱动电源设置在所述壳体的内部。
优选地，在上述照明装置中，所述驱动电源采用电路模块的形式，并且在所述壳体的内表面和外表面上形成布线层以在所述发光二极管单元与所述驱动电源之间提供电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述布线层通过印制电路工艺形成于所述壳体的内表面和外表面。
优选地，在上述照明装置中，所述发光二极管单元为发光二极管管芯，其被设置在所述壳体的外表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述发光二极管单元为发光二极管单体，其被设置在所述壳体的外表面并且通过焊接方式与与所述布线层电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述布线层使得多个所述发光二极管单元以串联、并联、混联或交叉阵列的形式相连。
优选地，在上述照明装置中，所述壳体包含盖板，在其内表面和外表面上形成布线层以在所述发光二极管单元与所述驱动电源之间提供电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述布线层通过印制电路工艺形成于所述盖板的内表面和外表面。
优选地，在上述照明装置中，所述发光二极管单元为发光二极管管芯，其被设置在所述盖板的外表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述发光二极管单元为发光二极管单体，其被设置在所述盖板的外表面并且通过焊接方式与与所述布线层电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述布线层使得多个所述发光二极管单元以串联、并联、混联或交叉阵列的形式相连。
优选地，在上述照明装置中，所述驱动电源包含半导体晶片形式的驱动控制器，其被设置在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述驱动电源包含封装芯片形式的驱动控制器，其被设置在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过焊接方式电气连接。
优选地，在上述照明装置中，进一步包括下列电路中的至少一种：传感电路、调光控制电路、通信电路和功率因数校正电路。
优选地，在上述照明装置中，所述电路的至少一种与所述驱动控制器集成在同一半导体晶片或封装芯片内。
优选地，在上述照明装置中，所述电路为半导体晶片形式，其固定在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。
优选地，在上述照明装置中，所述电路为封装芯片形式，其设置在所述盖板的内表面并且与所述布线层通过焊接工艺实现电气连接。
在本发明的实施例中，通过在散热部件上覆盖红外辐射材料或者采用红外辐射材料制作散热部件，可使发光二极管单元和驱动电源产生的热量主要以热辐射的方式散发到环境中去，这大大提高了散热效率。另一方面，由于散热部件主要以热辐射的方式散热，因此其无需与环境直接接触而是可以安装在灯罩内，这种布局使得将LED灯设计为具有与普通白炽灯类似的结构成为可能，从而能够将简单、成熟的白炽灯制造工艺应用于LED灯。此外，散热部件在用作散热器的同时，还起着承载电路的基板的作用，因而可以省去专门配备的印刷电路板的成本。另外，无论是封装还是未封装的发光二极管单元，均可采用本发明的技术方案，因此本发明具有广泛的适应性。再者，在本发明的实施例中，由于布线层与陶瓷材料之间、发光二极管单元与陶瓷材料和布线之间均具有良好的结合能力，因此提高了灯芯结构和照明装置结构的可靠性。
附图说明
本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示，附图包括：
图1为按照本发明一个实施例的发光二极管灯芯的示意图。
图2示出了按照本发明另一个实施例的发光二极管灯芯的示意图。
图3示出了按照本发明还有一个实施例的发光二极管灯芯的示意图。
图4A和4B示出了按照本发明一个实施例的安装了发光二极管单元和驱动电路之后的盖板的示意图，其中，图4A示出了安装发光二极管单元的表面的视图，图4B示出了安装驱动电源的表面的视图。
图5示出了按照本发明另一个实施例的安装了发光二极管单元和驱动电路之后的盖板的示意图。
图6为按照本发明一个实施例的采用发光二极管作为光源的照明装置的分解示意图。
图7为图6所示采用发光二极管作为光源的照明装置的剖视图。
图8为按照本发明另一个实施例的采用发光二极管作为光源的照明装置的剖视图。
具体实施方式
下面参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的上述各实施例旨在使本文的披露全面完整，更为全面地传达给本领域技术人员本发明的保护范围。
术语
在本说明书中，术语“照明装置”应该广义地理解为所有能够通过提供光线以实现实用的或美学的效果的设备，包括但不限于台灯、壁灯、射灯、吊灯、吸顶灯、路灯、手电筒、舞台布景灯和城市景观灯等。
术语“灯壳”应该广义地理解为一种用于承载或容纳光源的物理结构，光源例如可以设置在由灯壳壳体包围的完全封闭或半封闭的空间内，也可以设置在灯壳的外部表面或内部表面。
除非特别说明，在本说明书中，术语“半导体晶圆”指的是在半导体材料(例如硅、砷化镓等)上形成的多个独立的单个电路，“半导体晶片”或“晶片(die)”指的是这种单个电路，而“封装芯片”指的是半导体晶片经过封装后形成的物理结构，在典型的这种物理结构中，半导体晶片例如被安装在支架上并且用密封材料封装。
术语“发光二极管单元”指的是包含电致发光材料的单元，这种单元的例子包括但不限于P-N结无机半导体发光二极管和有机发光二极管(OLED和聚合物发光二极管(PLED))。
P-N结无机半导体发光二极管可以具有不同的结构形式，例如包括但不限于发光二极管管芯和发光二极管单体。其中，“发光二极管管芯”指的是包含有P-N结构的、具有电致发光能力的半导体晶片，而“发光二极管单体”指的是将管芯封装后形成的物理结构，在典型的这种物理结构中，管芯例如被安装在支架上并且用密封材料封装。
术语“布线”、“布线图案”和“布线层”指的是在绝缘表面上布置的用于元器件间电气连接的导电图案，包括但不限于走线(trace)和孔(如焊盘、元件孔、紧固孔和金属化孔等)。
术语“热辐射”指的是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。在本发明中，发光二极管单元和驱动电源产生的热量可以借助经表面覆盖红外辐射材料的散热部件或者由兼具绝缘导热和红外辐射功能的材料制成的散热部件，主要以热辐射方式被传送到环境中去。
术语“热传导”指的是热量在固体中从温度较高的部分传送到温度较低的部分的传递方式。
术语“陶瓷材料”泛指需高温处理或致密化的非金属无机材料，包括但不限于硅酸盐、氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硼化物等。
术语“导热绝缘高分子复合材料”指的是这样的高分子材料，通过填充高导热性的金属或无机填料在其内部形成导热网链，从而具备高的导热系数。导热绝缘高分子复合材料例如包括但不限于添加氧化铝的聚丙烯材料、添加氧化铝、碳化硅和氧化铋的聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物等。有关导热绝缘高分子复合材料的具体描述可参见李丽等人的论文“聚碳酸酯及聚碳酸酯合金导热绝缘高分子材料的研究”(《材料热处理学报》2007年8月，Vol.28，No.4，pp51-54)和李冰等人的论文“氧化铝在导热绝缘高分子复合材料中的应用”(《塑料助剂》2008年第3期，pp14-16)，这些文献以全文引用的方式包含在本说明书中。
术语“红外辐射材料”指的是在工程上能够吸收热量而发射大量红外线的材料，其具有较高的发射率。进一步地，在本发明中可采用常温红外陶瓷辐射材料作为覆盖在散热部件表面的红外辐射材料或构成散热部件的红外辐射材料，其例如包括但不限于下列材料中的至少一种：氧化镁、氧化铝、氧化钙、氧化钛、氧化硅、氧化铬、氧化铁、氧化锰、氧化锆、氧化钡、堇青石、莫来石、碳化硼、碳化硅、碳化钛、碳化钼、碳化钨、碳化锆、碳化钽、氮化硼、氮化铝、氮化硅、氮化锆、氮化钛、硅化钛、硅化钼、硅化钨、硼化钛、硼化锆和硼化铬。有关红外陶瓷辐射材料的详细描述可参见李红涛和刘建学等人的论文“高效红外辐射陶瓷的研究现状及应用”(《现代技术陶瓷》2005年第2期(总第104期)，pp24-26)和王黔平等人的论文“高辐射红外陶瓷材料的研究进展及应用”(《陶瓷学报》2011年第3期)，这些文献以全文引用的方式包含在本说明书中。
在本发明中，比较好的是将下列准则作为选用红外辐射材料的其中一个考虑因素：在设定的发光二极管单元的P-N结温度(例如50-80摄氏度范围内的一个温度值)以下，红外辐射材料仍然具有较高的发射率(例如大于或等于70％)。
“电气连接”应当理解为包括在两个单元之间直接传送电能量或电信号的情形，或者经过一个或多个第三单元间接传送电能量或电信号的情形。
“驱动电源”或“LED驱动电源”指的是连接在照明装置外部的交流(AC)或直流(DC)电源与作为光源的发光二极管之间的“电子控制装置”，用于为发光二极管提供所需的电流或电压(例如恒定电流、恒定电压或恒定功率等)。
诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。
诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。
以下借助附图描述本发明的实施例。
发光二极管灯芯
图1为按照本发明一个实施例的发光二极管灯芯的示意图。
按照本实施例的发光二极管灯芯10包括散热部件110、多个发光二极管单元120以及驱动电源(未画出)。
在图1所示的实施例中，散热部件110为壳体形状，其全部由绝缘导热材料(例如陶瓷或导热绝缘高分子复合材料)构成，但是散热部件110仅仅一部分由绝缘导热材料构成也是可行的和有益的(例如当采用少量绝缘导热材料就能够满足将热量传导给红外辐射材料的需求并且需要降低材料成本时)。如前面所述，在本发明中，主要借助热辐射的方式将发光二极管单元和驱动电源产生的热量散发到环境中去。为此，在图1所示实施例中，在散热部件110的整个外表面覆盖红外辐射材料(例如诸如碳化硅之类的常温红外陶瓷辐射材料)，但是可选地，也可以仅在散热部件110的一部分表面覆盖红外辐射材料。例如可以仅在散热部件110的外表面覆盖红外辐射材料；或者如果红外辐射材料是非绝缘材料时，应避免在设置或靠近发光二极管单元和驱动电源的表面区域覆盖红外辐射材料。
如果红外辐射材料同时具有较好的绝缘导热性能(例如碳化硅材料)，则散热部件110可以全部由红外辐射材料构成。或者可选地，散热部件110可以仅仅一部分(例如散热部件上设置发光二极管单元或驱动电路的部分以外的部分)由红外辐射材料构成，而其余部分则采用更便宜的、适合用作印刷电路板基板的绝缘导热材料或其他材料。
除非特别指明，下面将要描述的内容都同时适用于红外辐射材料覆盖在散热部件表面和红外辐射材料构成散热部件本体这两种情形。
参见图1，呈壳体状的散热部件110的侧部外表面包含多个环形外凸部分以增加壳体的表面积，从而进一步增强散热部件的热辐射能力。值得指出的是，散热部件并不局限于壳体形状，其例如还可以是实心的，此时可以考虑将发光二极管单元和驱动电源设置在散热部件的外部。
此外，散热部件的外表面也可以采用其它形状。图2和3示出了外表面具有不同形状的散热部件。如图2所示，散热部件110的侧部外表面上设置纵向延伸的凸块以达到增加表面积的目的。而在图3中，散热部件110呈圆筒状，其底部面积略小于顶部面积。
参见图1-3，多个发光二极管120被设置在散热部件110的底部的外表面，它们与驱动电源电气连接。驱动电源则被设置在散热部件110的内部，其经由从散热部件110延伸出来的第一引线130A和第二引线130B与外部电源(例如各种直流电源或交流电源)相连。当将本实施例的灯芯安装到照明装置内时，第一引线130A和第二引线130B分别与灯头的第一电极区(例如灯头的由导电材料构成的端部)和第二电极区(例如灯头侧面由导电材料构成的部分)电气连接。如图1-3所示，第二引线130B在引出散热部件110后向上折返，从而在灯芯安装到照明装置内时可抵靠住灯头的内侧表面以实现电气连接。
在图1-3所示的实施例中，散热部件110的底部包含盖板111。该盖板111与散热部件的其它部分可以处于分离状态，也就是说，如果需要，盖板111与散热部件的其它部分在空间上是可以分离的。例如，出于降低制造工艺难度的需要，可以先在盖板111的表面安装发光二极管单元120和驱动电源，然后再将盖板111与散热部件的其余部分固定连接在一起(例如借助导热胶、导热的双面胶片与其余部分粘合在一起)。虽然在本实施例中，盖板111位于散热部件110的底部，但是视实际应用需要，也可以将盖板111设于散热部件的其它位置(例如侧面)。
图4A和4B示出了按照本发明一个实施例的安装了发光二极管单元和驱动电路之后的盖板的示意图，其中，图4A示出了安装发光二极管单元的表面的视图，图4B示出了安装驱动电源的表面的视图。
盖板111采用绝缘导热材料(例如陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料等)或兼具绝缘导热能力的红外辐射材料(例如碳化硅)制成。参见图4A和4B，发光二极管单元120和驱动电源140分别设置在盖板111的两个表面111A和111B上，借助形成在两个表面上的布线112和112’(例如通过在陶瓷材料上烧结银浆图案而形成布线层)，发光二极管单元120和驱动电源140连接在一起。因此在图4A和4B所示的实施例中，盖板111一方面相当于印刷线路板，为发光二极管单元和驱动电源提供承载平台和电气连接，另一方面其还起着将发光二极管单元120和驱动电源140所产生的热量散发出去的作用。优选地，可以采用模具压制法来制作陶瓷材料构成的盖板，这种方法制造的盖板较厚(例如1.5-3mm)并且硬度高。
在图4A和4B所示的实施例中，发光二极管单元120采用管芯形式，它们通过粘附方式设置在盖板111的表面111A上以在LED单元120与盖板111之间形成较好的热传导。另一方面，位于表面111A上的布线112包含多个焊盘1121和走线1122A和1122B，发光二极管单元120通过引线113(例如金丝、银丝或合金丝)直接连接至焊盘1121以形成串联的发光二极管组，该发光二极管组两端的发光二极管单元通过引线113连接至走线1122A和1122B，而走线1122A和1122B则经穿越通孔114的导线115A和115B连接至位于盖板111另一面111B上的驱动电源140。在本实施例中，可以利用绑定工艺实现发光二极管管芯经引线到布线的连接。
如果需要调整发光二极管单元120的发光波长，可以用混合荧光粉的环氧树脂或硅胶将发光二极管单元120粘附在表面111A上，或者在发光二极管单元120的表面涂覆荧光层，再将其借助环氧树脂或硅胶粘合到表面111A上。
参见图4B，在盖板111的另一表面111B上设置有驱动电源140。根据外部供电的方式，驱动电源可采用各种拓扑架构的电路，例如包括但不限于非隔离降压型拓扑电路结构、反激式拓扑电路结构和半桥LLC拓扑电路结构等。有关驱动电源电路的详细描述可参见人民邮电出版社2011年5月第1版的《LED照明驱动电源与灯具设计》一书，该出版物以全文引用方式包含在本说明书中。
驱动电源可以多种驱动方式(例如恒压供电、恒流供电和恒压恒流供电等方式)向发光二极管单元120提供合适的电流或电压，其可以由一个或多个独立的部件组成。在本实施例中，驱动电源中的一个或多个部件以晶片或封装芯片的形式实现，以下将驱动电源中以晶片或封装芯片的形式实现的部件称为“驱动控制器”。
可选地，在驱动电源120中还可以集成实现其它功能的电路，例如调光控制电路、传感电路、功率因数校正电路、智能照明控制电路、通信电路和保护电路等。这些电路可以与驱动控制器集成在同一半导体晶片或封装芯片内，或者这些电路可以单独地以半导体晶片或封装芯片的形式提供，或者这些电路中的一些或全部可以组合在一起并以半导体晶片或封装芯片的形式提供。
如图4B所示，接线柱141A和141B分别与图1-3所示实施例中的第一和第二引线130A和130B电气连接，由此使得外部电源(例如各种直流电源或交流电源)接入整流电路142(在这里以集成电路封装芯片的形式实现)，而驱动电路143(在这里以集成电路封装芯片的形式实现，例如可以是美信(Maxim)集成产品公司制造的LED驱动器MAX16820、恩智浦(NXP)半导体公司制造的反激式驱动器SSL系列控制IC、Clare公司制造的HB LED驱动器MXHV9910、安森美公司制造的LED驱动器NCP1351、Active半导体公司制造的LED驱动器ACT355A等)经表面111B上的布线112’与整流电路142电气连接。驱动电路143还经布线112’与电容器144A和144B以及实现其它功能的电路(这里以无线通信收发器芯片145为例)电气连接。参见图4B，驱动电源140的输出端经穿越通孔114的导线115A和115B与位于盖板表面111A上的发光二极管单元120电气连接。
在图4A和4B所示的实施例中，对于封装芯片形式的驱动控制器和实现其它功能的电路，例如可以利用焊接工艺将其直接连接到表面111B的布线112’上，而对于晶片形式的驱动控制器和实现其它功能的电路，例如可以利用绑定工艺或在板上倒装芯片(FCOB)工艺将其直接连接到表面111B的布线112’上。此外，可选地，也可以采用将整流电路142之类的电源变换元器件与驱动电路143集成在一个封装芯片内的结构。
值得指出的是，虽然在图4A和4B所示的实施例中，利用绑定工艺将管芯形式的发光二极管单元120直接连接到布线112上，但是也可以利用在板上倒装芯片(FCOB)工艺将发光二极管管芯与布线电气连接。此外，虽然在图4A和4B所示实施例中，发光二极管单元120以串联方式连接在一起，但是也可以并联、混联或交叉阵列的形式连接在一起。
还需要指出的是，上述盖板结构并非是必需的。可选地，散热部件110也可以是一体成型的构件。对于这种结构，为了便于装配，驱动电源可以采用物理上独立的电路模块的形式(例如被塑封为一个独立的部件)来实现，此时该电路模块可被设置于散热部件110的内部空间并且与发光二极管单体120电气连接在一起。
图5为按照本发明另一个实施例的装了发光二极管单元和驱动电路之后的盖板的示意图。
与上述借助图4A和4B所示的实施例相比，本实施例的主要不同之处在于发光二极管单元120的形式，因此这里仅示出设置发光二极管单元的盖板表面的视图。
参见图5，在盖板111的表面111A上形成布线112，采用封装芯片形式的发光二极管单元120被焊接在布线112上从而与盖板111之间形成热传导。为了加强热传导，例如还可以用粘合剂将LED单元120粘合在表面111A上。在图5中，布线112分为多段以将多个LED单体120依次串联连接在一起。此外，在盖板111的中央开设有通孔114，布线112借助穿越通孔114的导线115A和115B电气连接至设置于盖板111的另一表面上的驱动电源的驱动控制器或者位于散热部件111内部的电路模块形式的驱动电源。
照明装置
图6为按照本发明一个实施例的采用发光二极管作为光源的照明装置的分解示意图。
如图6所示，按照本实施例的照明装置1包括发光二极管灯芯10、灯头20和灯罩30。
在图6所示的实施例中，发光二极管灯芯10可以采用上面结合图1-5所描述的实施例及其它们的变化形式。灯头20为发光二极管灯芯10提供了与外部电源(例如各种直流电源或交流电源)电气连接的接口，其例如可采用与普通白炽灯和节能灯类似的螺纹状旋接口或旋转卡口等形式。灯罩30采用透明或半透明材料制成，主要作用在于保护光源和功能电路以及使光线更柔和、更均匀地向空间发散。参见图6，灯罩30可以与灯头20固定在一起，从而形成可容纳发光二极管灯芯10的空间。如上所述，发光二极管灯芯10借助热辐射的方式将LED单元和驱动电源产生的热量散发到环境中去，因此应选择对红外辐射的透过率能满足实际应用需求的材料来制作灯罩(例如玻璃等)。
图7为图6所示采用发光二极管作为光源的照明装置的剖视图，其示出了发光二极管灯芯10、灯头20和灯罩30装配在一起后的状态。
参见图6和7，灯头20包括由诸如金属之类的导电材料制成的端部210、绝缘部分220和外表面呈螺纹状的、由导电材料制成的螺纹部分230，其中，绝缘部分220设置在端部210与螺纹部分230之间，其可采用塑料之类的绝缘材料制成。端部210和螺纹部分230分别适于与灯座(未画出)的两个电极相连接。
继续参见图6和7，发光二极管灯芯10的散热部件110的上端部116插入灯头20内并且与灯头20的内底面和/或内侧面通过粘合剂(例如胶泥)固定在一起，第一引线130A延伸至与端部210相接，而第二引线130B在伸出散热部件110之后向下折返并抵靠住螺纹部分230的内表面，由此外部电源可经灯头20向发光二极管灯芯10供电。
发光二极管灯芯10、灯头20和灯罩30例如可通过粘合方式固定在一起，从而实现如图7所示的装配状态。在该装配状态下，灯罩310的开口端310伸入螺纹部分230内部并且与散热部件110的外表面固定在一起。此外，通过在螺纹部分230与开口端310之间的空隙内填充粘合剂，可以将开口端310与的螺纹部分230的内表面固定在一起。如图6和7所示，散热部件110的外表面形成有台阶117，当在装配状态下时，该台阶117可为灯罩30提供支承；此外，灯罩30的开口端310向内收缩以使其内表面与散热部件110的外表面的接触面积增大，从而提高了发光二极管灯芯10、灯头20和灯罩30之间的结合强度。
可选地，当灯罩30的开口端未收口而导致外径较大时，也可以考虑将灯罩30完全设置在螺纹部分230之外。在这种布置下，为了使发光二极管灯芯10、灯头20和灯罩30三者固定在一起，可先使灯罩30与散热部件110固定在一起(例如将开口端310的边沿和部分内表面与散热部件110的外表面粘合)，然后将散热部件110与螺纹部分230固定在一起(例如将散热部件110的上端部116插入灯头20内并且与灯头20的内底面和/或侧面粘合)。
当将图6和7所示实施例的照明装置1的灯头20插入灯座后，发光二极管灯芯10的驱动电源(未画出)即可电气连接至外部电源，将外部电力(例如220V交流电或者6V/12V/24V直流电)转换为发光二极管单元130工作所需的电流和/或电压。另一方面，发光二极管单元130和驱动电源工作时产生的热量基本上以热传导的方式被传递到散热部件110，上述热量进而被散热部件110吸收并且主要转换为红外线后透过灯罩30发射到环境中去。
图8为按照本发明另一个实施例的采用发光二极管作为光源的照明装置的剖视图。
与上述借助图6和7所示的实施例相比，本实施例的主要不同之处在于发光二极管灯芯10、灯头20和灯罩30三者之间的结合部位的布置以及散热部分110的外表面形状，因此这里仅示出照明装置的剖视图，并且省略描述与图6和7所示的实施例相同的方面。
参见图8，灯头20的螺纹部分230在开口端附近向内略微收缩，而发光二极管灯芯10的散热部件110的上部的外表面上也形成有台阶117，当散热部件110装入螺纹部分230内之后，螺纹部分230开口端的内边沿恰好阻挡住台阶117，以阻止散热部件110的上部从螺纹部分230滑出。另一方面，当灯罩30的开口端310插入散热部件110与螺纹部分230之间时，螺纹部分230的开口端的外边沿可为灯罩30提供支承。在图8所示的实施例中，为了使发光二极管灯芯10、灯头20和灯罩30之间的结合具有足够的强度，可以采用下列方式：首先在螺纹部分230的内表面涂覆粘合剂(例如胶泥)，接着将发光二极管灯芯10的散热部件110和灯罩30的开口端310装配到螺纹部分230内的相应位置，最后使粘合剂固化以使发光二极管灯芯10、灯头20和灯罩30固定在一起。
虽然在上面借助图6-8描述的实施例中都以结构类似于普通白炽灯的球泡灯(bulb-type lamp)作为照明装置的示例，但是对于本领域内的技术人员来说，在阅读本说明书之后将会认识到，本发明的上述内容也可以应用于其它类型的照明装置，它们例如包括但不限于LED射灯、LED筒灯和LED日光灯等。
虽然已经展现和讨论了本发明的一些方面，但是本领域内的技术人员应该意识到，可以在不背离本发明原理和精神的条件下对上述方面进行改变，因此本发明的范围将由权利要求以及等同的内容所限定。

Claims (10)

1.一种发光二极管灯芯，其特征在于，包括：
至少一个发光二极管单元；
驱动电源，其与所述发光二极管单元电气连接；以及
承载所述发光二极管单元和驱动电源的散热部件，其至少一部分表面以红外辐射材料覆盖。
2.如权利要求1所述的发光二极管灯芯，其中，所述散热部件由绝缘导热材料构成或者包含绝缘导热材料构成的部分，所述绝缘导热材料为陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料。
3.如权利要求1或2所述的发光二极管灯芯，其中，所述红外辐射材料为常温红外陶瓷辐射材料。
4.如权利要求3所述的发光二极管灯芯，其中，所述常温红外陶瓷辐射材料选自下列材料中的至少一种：氧化镁、氧化铝、氧化钙、氧化钛、氧化硅、氧化铬、氧化铁、氧化锰、氧化锆、氧化钡、堇青石、莫来石、碳化硼、碳化硅、碳化钛、碳化钼、碳化钨、碳化锆、碳化钽、氮化硼、氮化铝、氮化硅、氮化锆、氮化钛、硅化钛、硅化钼、硅化钨、硼化钛、硼化锆和硼化铬。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的发光二极管灯芯，其中，所述散热部件呈壳体形状，所述发光二极管单元设置在所述壳体的外表面并且所述驱动电源设置在所述壳体的内部。
6.如权利要求5所述的发光二极管灯芯，其中，所述驱动电源采用电路模块的形式，并且在所述壳体的内表面和外表面上形成布线层以在所述发光二极管单元与所述驱动电源之间提供电气连接。
7.如权利要求5所述的发光二极管灯芯，其中，所述壳体包含盖板，在其内表面和外表面上形成布线层以在所述发光二极管单元与所述驱动电源之间提供电气连接。
8.一种发光二极管灯芯，其特征在于，包括：
至少一个发光二极管单元；
驱动电源，其与所述发光二极管单元电气连接；以及
承载所述发光二极管单元和驱动电源的散热部件，其由红外辐射材料构成或者包含由红外辐射材料构成的部分。
9.一种采用发光二极管作为光源的照明装置，其特征在于，包括：
灯头；
灯罩；以及
发光二极管灯芯，包括：
至少一个发光二极管单元；
驱动电源，其与所述发光二极管单元电气连接；以及
承载所述发光二极管单元和驱动电源的散热部件，其至少一部分表面以红外辐射材料覆盖并且被设置在由所述灯头和所述灯罩限定的空间内。
10.一种采用发光二极管作为光源的照明装置，其特征在于，包括：
灯头；
灯罩；以及
发光二极管灯芯，包括：
至少一个发光二极管单元；
驱动电源，其与所述发光二极管单元电气连接；以及
承载所述发光二极管单元和驱动电源的散热部件，其由红外辐射材料构成或者包含由红外辐射材料构成的部分，并且被设置在由所述灯头和所述灯罩限定的空间内。
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