CN103594615A - 大功率led模组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及LED模组技术。本发明解决了现有大功率LED模组中，由于功率集中和温度场的叠加效应而引起基板中心温度过高问题，提供了一种大功率LED模组，其技术方案可概括为：大功率LED模组，包括散热基板及多个发光芯片，每个发光芯片都设置于散热基板上，所述多个相同的发光芯片按照内疏外密的排列方式设置在散热基板上。本发明的有益效果是，具有更好的温度均匀性和更好的散热效果，适用于大功率LED模组。

Description

大功率LED模组

技术领域

本发明涉及LED模组技术，特别涉及大功率LED模组。

背景技术

LED是一种新型半导体固体光源，具有安全可靠性高、耗电量少、发光效率高、适用性强、稳定性好、响应时间短、颜色可变化、环保等优点，广泛应用于照明，显示等领域。

当LED灯具功率较大时，若产生的热量无法及时有效的散发出去，会导致发光芯片PN结结温升高，从而加速芯片和封装树脂的老化，还可能导致焊点融化，使芯片失效，进而直接影响LED的使用寿命与发光效率。如何增强散热，降低芯片温度成为业界关注的重点。常用的解决办法是对封装材料和散热结构进行改进来增强散热，但会导致成本增加。

理论上，当基板上只有一个芯片时，该芯片的热传导达到稳恒状态时基板温度分布与时间无关，应满足Laplace方程。如基板上有均匀排布的多个芯片，由于温度场的线性叠加，温度分布呈现基板中心的温度高，边缘温度低的特征。这种温度分布的不均匀性，将影响芯片与灯具性能。

最高温度和温度分布均匀度是常用的LED散热性能的两个重要恒量指标，即以平均温度和各芯片上的中心温度为参数，用标准方差衡量

来衡量温度分布均匀度，其中

代表基板上芯片的平均温度，u_j代表第j个芯片的中心温度。当σ越小，温度分布均匀性越好，当σ为理想值0时，基板上芯片温度相等，散热最好，此时芯片的最高温度最低。

发明内容

本发明针对目前大功率LED模组中，由于功率集中和温度场的叠加效应而引起基板中心温度过高，提供了一种大功率LED模组芯片排列方式，可以改善大功率LED模组的温度分布均匀性。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，大功率LED模组，包括散热基板及多个发光芯片，每个发光芯片都设置于散热基板上，其特征在于，所述多个相同的发光芯片按照内疏外密的排列方式设置在散热基板上。

具体的，所述散热基板的形状为方形或多边形或圆形。

进一步的的，所述多个发光芯片是指至少为10个发光芯片。

具体的，所述内疏外密的排列方式是指：以散热基板的中心为排列中心，LED芯片形成圆形或方形或其他多边形的环状排列。

进一步的，所述排列环状是指所有环形均为位似图形。

进一步的，所述内疏外密的圆形排列方式是指第k个圆形环的半径R(k)和k之间的函数关系是对数函数或幂函数。

所述内疏外密的多边形排列方式是指排列中心原点到第k个多边形的最短距离m(k)和k之间的函数关系是对数函数或幂函数。

具体地，所述环状排列中，每一环上的相邻发光芯片之间的间距相同。

本发明的有益效果是，上述的大功率LED模组，相对于现有的均匀排列的大功率LED模组，在不增加材料成本、不改变其他工艺条件的情况下，具有更好的温度均匀性和更好的散热效果。

附图说明

图1为发光芯片设置在基板上的形状示意图；

图2为发光芯片设置在基板上的剖视图；

图3为现有大功率LED模组的圆形排列方式上单个发光芯片的有效面积示意图；

图4为现有大功率LED模组的圆形排列方式的发光芯片分布示意图；

图5为本发明实施例中大功率LED模组的圆形排列方式的发光芯片分布示意图；

图6为现有大功率LED模组的方形排列方式的发光芯片分布示意图；

图7为本发明实施例中大功率LED模组的方形排列方式的发光芯片分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明所述的大功率LED模组，由散热基板及多个发光芯片组成，与现有技术的大功率LED模组将发光芯片以矩形或圆形均匀排列设置于散热基板上不同的是，本发明中，多个相同的发光芯片按照内疏外密的排列方式设置在散热基板上。

实施例

图5为本发明实施例中的大功率LED模组的圆形排列方式的发光芯片分布示意图。本例中大功率LED模组，由散热基板及多个相同的发光芯片组成，与现有技术的大功率LED模组将发光芯片以矩形或圆形均匀排列设置于散热基板上不同的是，本例中多个相同的发光芯片按照内疏外密的排列方式设置在散热基板上，这里，散热基板的形状可以为方形或多边形或圆形，多个发光芯片是指至少为10个发光芯片，发光芯片可以采用粘结材料粘结的方式设置在散热基板上。

本例中，该内疏外密的排列方式是指：以散热基板的中心为排列中心，使用圆排列或方形排列或其他多边形排列形成多个环状排列，所有环形均为位似图形。

本例以圆排列为例。环状排列中，每一环上的相邻发光芯片之间的间距相同，且环状排列中，以排列中心为基点向外延伸射线，相邻环之间的发光芯片可以不在同一条射线上，该内疏外密的排列方式所对应的发光芯片的分布函数为对数函数或幂函数，由散热基板中心向外延伸，按此排列下的所述芯片功率密度逐渐增大，所述芯片功率密度记为ρ，其计算公式为：

其中P为单个发光芯片的功率，S为该发光芯片在所述散热基板上所占据的有效面积。

对于图3或图4所示的现有大功率LED模组的圆形排列方式，圆环R_i上三个小方块代表发光芯片位置，同一个圆环上发光芯片等间距排列，根据对称性，可假定圆环R_i上一个芯片的有效面积S为图中的阴影部分的面积，即r_内与r_外之间的扇形部分，其中r_内与r_外分别位于对应相邻圆环的中心处，扇形左右两边界位于芯片中心线上，则R_i上芯片对应的功率密度为：

设θ为图3中阴影部分扇形所对应的圆心角，将各环半径R及芯片间距d代入上述公式可得各环上的功率密度值，拟合各芯片所在位置的功率密度值即可得到功率密度函数。

在实际发光芯片布局中以最佳功率密度函数作为发光芯片布局密集程度参照，使各发光芯片温度相同或尽可能接近，最高发光芯片温度降低。与散热基板尺寸相比，发光芯片可看做点热源，即发光芯片内部以及所占据的基板表面温度一致。基板芯片i位置的温度为：

$u\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_j(x,y)$

上式代表N个芯片的温度场的叠加。其中，u(i)是指发光芯片i所占区域的温度，是散热基板上所有发光芯片的温度场在此处的叠加。其中u_j(x,y,z=0)是第j个发光芯片相对于环境的温度场。对于如图1和图2所示的芯片与基板结构，以基板左下角为坐标原点，基板长为x轴，基板宽为y轴。对应的温度分布函数为：

$\begin{array}{c}{u}_j(x,y)=A_0^j+\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_m^j\cos \left(x{\mathrm{\λ}}_m\right)+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{n=1}^j\cos \left(y{\mathrm{\δ}}_n\right)\\ +\underset{m=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{mn}}^j\cos \left(x{\mathrm{\λ}}_m\right)\cos \left(y{\mathrm{\δ}}_n\right)\end{array}$

其中， $\left\{\begin{array}{c}{A}_0^j=\frac{P}{\mathrm{ab}}(\frac{t_1}{k_1}+\frac{1}{h})\\ {\mathrm{\λ}}_m=\mathrm{m\π}/a,{\mathrm{\δ}}_n=\mathrm{n\π}/b,{\mathrm{\β}}_{\mathrm{mn}}=\sqrt{{\mathrm{\λ}}^2+{\mathrm{\δ}}^2}\\ A_m=\frac{2P[\sin \left(\frac{{2x}_j+c}{2}{\mathrm{\λ}}_m\right)-\sin \left(\frac{{2x}_j-c}{2}{\mathrm{\λ}}_m\right)]}{{\mathrm{abck}}_1{\mathrm{\λ}}_m^2\mathrm{\φ}\left({\mathrm{\λ}}_m\right)}\\ A_n^j=\frac{2P[\left(\frac{{2y}_j+d}{2}{\mathrm{\δ}}_n\right)-\sin \left(\frac{{2y}_j-d}{2}{\mathrm{\δ}}_n\right)]}{{\mathrm{abck}}_1{\mathrm{\δ}}_n^2\mathrm{\φ}\left({\mathrm{\δ}}_n\right)}\\ A_{\mathrm{mn}}^j=\frac{16P\cos \left({\mathrm{\λ}}_m{x}_j\right)\sin \left(\frac{1}{2}{\mathrm{\λ}}_{m}c\right)\cos \left({\mathrm{\δ}}_n{y}_j\right)\sin \left(\frac{1}{2}{\mathrm{\δ}}_{n}d\right)}{{\mathrm{abcdk}}_1{\mathrm{\β}}_{\mathrm{mn}}{\mathrm{\λ}}_m{\mathrm{\δ}}_n\mathrm{\φ}\left({\mathrm{\β}}_{\mathrm{mn}}\right)}\\ \mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ζ}\right)=\frac{({\∂e}^{4\mathrm{\ζ}{t}_1}-e^{2\mathrm{\ζ}{t}_1})+\mathrm{\ζ}(e^{2\mathrm{\ζ}({2t}_1+t_2)}-{\∂e}^{2\mathrm{\ζ}(t_1+t_2)})}{({\∂e}^{4\mathrm{\ζ}{t}_1}+e^{2\mathrm{\ζ}{t}_1})+\mathrm{\ζ}(e^{2\mathrm{\ζ}({2t}_1+t_2)}-{\∂e}^{2\mathrm{\ζ}(t_1+t_2)})},\mathrm{\ζ}=\frac{\mathrm{\ζ}+h/k_2}{\mathrm{\ζ}-h/k_2},\∂=\frac{1-\frac{k_2}{k_1}}{1+\frac{k_2}{k_1}}\end{array}\right.,$

由上式可以求出受芯片j影响时，基板上坐标为(x,y)点的温度。上式中，u_j(x,y)代表第j个芯片在基板上的温度，x_j，y_j代表第j个芯片的坐标。其中，第一项为常数项，第二项，第三项和第四项是1到无穷的求和项，其中的m，n均是正整数。m，n取不同的整数值时，上式中的对应的λ_m、δ_n和β_m,n的值就不同。P代表发光芯片的功率，h代表基板下表面的对流系数，t₁、t₂分别代表银胶与基板的厚度，k₁、k₂分别代表银胶（即粘结材料）与基板的热导率，a、b代表基板长和宽，c、d代表LED芯片的长和宽。

当以各发光芯片温度标准差作为温度均匀度的衡量指标时，温度标准差为：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{\‾}{u}-u\left(i\right))}^2}$

其中代表散热基板上发光芯片的平均温度，u(i)代表第j个发光芯片的温度。

当σ越小，温度分布均匀性越好，当σ为理想值0时，散热基板上各发光芯片温度相等，为理想情况。

当发光芯片采用其他排列方式，如方形排列或多边形排列时，根据功率密度定义类似得到基板上各点的功率密度值，拟合可得对应的功率密度函数。鉴于不同芯片数量规模下芯片最佳分布函数不同，对应最佳功率密度函数不同，因此可根据基板尺寸和芯片数量进行规划划分，具体可分为小规模、中规模和大规模等情况。

实际芯片布局时根据芯片数量选用不同规模内的功率密度函数对芯片进行布局。同一规模下可以采用同一种功率密度函数排列芯片。当不是采用圆形排列，可根据各区域功率密度来计算该区域处的芯片数量。

由于圆排列具有较好的对称性，因此圆排列是大功率LED模组芯片布局常采用的方案。对于此种排列，排列参数的确定与优化方法如下：

1.首先根据总功率和单个发光芯片功率要求确定发光芯片总数N。根据散热基板尺寸大小和发光芯片数目估计需要的同心圆数目，首先根据散热基板尺寸确定最外圆环半径，然后在假设均匀排列的前提下，使环上相邻发光芯片间距与相邻环间距相等确定圆环数。

2.确定同心圆的相对位置。以散热基板中心为坐标原点建立坐标系如图3所示，R(k)是第k个环的半径。假定半径从里到外按R(k)=α×k^β+φ或R(k)=α×lnk^β+φ的函数关系变化，以满足芯片外密内疏的变化特征。其中α,β,φ是待优化参数，设定不同的初始值即可得到对应的圆环半径值。

3.根据各圆环半径，调整各环上相邻发光芯片间距，使得发光芯片总数等于N，从而确定各圆环上发光芯片间距d。具体可假定各圆环上发光芯片间距相同，各圆环长度之和除以发光芯片总数得到一个初始发光芯片圆弧间距，然后通过调节d来调整发光芯片总数，调整规则为使各调整规则为使各圆环上相邻芯片间距尽可能相等。当发光芯片总数等于N时对应的相邻发光芯片间距即为发光芯片间距d。但实际优化中各圆环上d可以为不同值。

4.根据各圆环半径R和各圆环上发光芯片间距d确定各发光芯片坐标。

5.以温度均匀性好和最高温度低为目的对各圆半径和各圆上相邻发光芯片之间的间距进行调整，获得最终最佳的发光芯片排列方案。然后根据发光芯片排列情况进行各圆环上发光芯片功率密度求解。因为实际发光芯片的布局与单个发光芯片的功率和发光芯片的数量有关，但产生的热量与对应区域的功率有关，对于不同的发光芯片功率和排列方式，只要对应区域产生的功率相同时，则其散热特性也将相同。因此当散热基板上设置的发光芯片总功率与优化的布局方案对应的总功率相同或相近时，可按照优化的功率密度函数来对发光芯片进行设置，使得二者获得相同或相近的功率分布情况，从而具有好的散热特性。

本例中对发光芯片布局根据发光芯片数量的不同进行分规模优化，根据发光芯片数量的不同分为小规模（10-100个芯片），中规模（101-200个芯片）和大规模（>201个芯片）。实际布局过程中，根据不同的待布局发光芯片数量，采用不同的功率密度函数进行优化布局。

对于小规模发光芯片布局，以64个1W芯片为例进行优化布局得到对应的优化功率密度函数为幂函数：

ρ=-10^-4×x⁴+3×10^-3×x²+0.0118

上式中，x指代该圆环距离基板中心的距离，说明与基板中心距离相同的地方功率密度相同。

根据上述功率密度函数对64个芯片进行排布，散热基板尺寸为60×60mm²，外密内疏排列下温度分布与均匀排列温度分布如表1所示。

表1.外密内疏与均匀排列参数对比

对于中规模芯片布局，以144个1W芯片为例进行优化布局得到对应的优化功率密度函数为：

ρ=-0.3×10^-3×x⁵+0.48×10^-2×x⁴-0.0277×x³+0.075×x²-0.0777×x+0.0419

根据优化后的功率密度函数对144个1W发光芯片进行排布，散热基板尺寸为100×100mm²，外密内疏排列下温度分布与均匀排列温度分布如表2所示，对应的均匀分布与外密内疏分布发光芯片排列如图4与图5所示，其中图4-图5中小方块代表发光芯片。

表2.外密内疏与均匀排列参数对比

对于大规模发光芯片布局，以256个1W发光芯片为例进行优化布局得到对应的优化功率密度函数为：

ρ=4×10^-4×x⁴-0.31×10^-2×x³+1.25×10^-2×x²-1.68×10^-2×x+0.0169

根据优化后的功率密度函数对256个发光芯片进行排布，散热基板尺寸为120×120mm²进行布局仿真计算得到外密内疏、均匀排布方式的温度分布情况如表3所示。

表3.外密内疏与均匀排列参数对比

类似内疏外密圆排列，用方形环代替圆环，对方形环采用与圆排列相同的方式优化与求解功率密度，并根据功率密度得对应的发光芯片布局。

1.首先根据总功率和单个发光芯片功率要求确定发光芯片总数N。根据散热基板尺寸大小和发光芯片数目估计需要的同心方环数目，首先根据散热基板尺寸确定最外方环，然后再假设均匀排列的前提下，使环上相邻发光芯片间距与相邻环间距相等确定方环数。

2.确定方形环的相对位置。各方形同心且长宽比一致。以方形中心为原点，从里到外，按照m(k)=α×k^β+φ或m(k)=α×k^β+φ的函数关系变化，以满足发光芯片外密内疏的变化特征,其中m(k)是第k个环的中心到该环上的最短距离，即各方环到中心的最短距离。α,β,φ是待优化参数，设定不同的初始值即可得到对应的各方环到中心的最短距离。

3.根据各方环的m(k)，调整各环上相邻发光芯片间距，使得发光芯片总数等于N，从而确定各方环上发光芯片间距d。具体为假定各方环上发光芯片间距相同，各方环长度之和除以发光芯片总数得到一个初始发光芯片间距，然后通过调节d来调整发光芯片总数，当发光芯片总数等于N时对应的相邻发光芯片间距即为发光芯片间距d。但实际优化中各方环上d可以为不同值。

4.根据各方环m值和各方环上发光芯片间距d确定各发光芯片坐标。

5.以温度均匀性好和最高温度低为目的对各方环到中心的最短距离和各方环上相邻发光芯片之间的间距进行调整，获得最终最佳的发光芯片排列方案。然后根据发光芯片排列情况进行各方环上发光芯片功率密度求解。因为实际发光芯片的布局与单个发光芯片的功率和发光芯片的数量有关，但产生的热量与对应区域的功率有关，对于不同的发光芯片功率和排列方式，只要对应区域产生的功率相同时，则起散热特性也将相同。因此当散热基板上摆放的发光芯片总功率与优化的摆放方案对应的总功率相同或相近时，可按照优化的功率密度函数来对发光芯片进行摆放，使得二者获得相同或相近的功率分布情况，从而具有好的散热特性。

同圆排列的实施例，根据发光芯片数量的不同分为小规模（10-100个发光芯片），中规模（101-300个发光芯片）和大规模（>301个发光芯片）。实际布局过程中，根据不同的待布局发光芯片数量，采用不同的功率密度函数进行优化布局。

对于小规模发光芯片布局，以64个1W发光芯片为例进行优化布局得到对应的优化功率密度函数为幂函数：

ρ=1.5×10^-3×x⁵-9.5×10^-3×x⁴+1.020×10^-1×x²-1.97910^-1×x+0.1600

其中方形排列的功率密度中自变量x为与功率密度分布的关系为：以散热基板中心为原点，以平行于基板长度方向为x轴，基板宽度方向为y轴，方形长边（或短边）到原点的距离为x，同一方形上功率密度相同。

根据上述功率密度函数对64个发光芯片进行排布，散热基板尺寸为60×60mm^2，外密内疏排列与均匀排列如表4所示。

表4.外密内疏与均匀排列参数对比

对于中规模发光芯片布局，以144个1W发光芯片为例进行优化布局得到对应的优化功率密度函数为：

ρ=-1.2×10^-3×x⁴+7.4×10^-3×x³-1.07×10^-2×x²+3.62×10^-2×x+0.0277

根据优化后的功率密度函数对144个1W发光芯片进行排布，散热基板尺寸为100×100mm^2，外密内疏排列与均匀排列如表2所示，对应的均匀分布与内疏外密分布发光芯片排列与对应发光芯片分布如图6与图7所示，其中图6-图7中小方块代表发光芯片。

表5.外密内疏与均匀排列参数对比

对于大规模发光芯片布局，以256个1W发光芯片为例进行优化布局得到对应的优化功率密度函数为：

ρ=-3×10^-4×x⁵+6.2×10^-3×x⁴-0.0542×x³+0.2157×x²-0.3637×x+0.248

根据优化后的功率密度函数对256个发光芯片进行排布，散热基板尺寸为120×120mm²进行布局仿真计算得到外密内疏、均匀排布方式的温度分布情况如表3所示。

表6.外密内疏与均匀排列参数对比

综以上两个实施例，无论对于圆排列还是方排列，采用外密内疏排列方式都能够降低发光芯片最高温度，提升温度均匀性，提升电路性能。

上述实施例给出了LED芯片相同但规模不同时的芯片排布方案。在实际发光芯片布局的时候，依据此种方法可以求出不同规模下的功率密度函数，根据发光芯片数量和散热基板尺寸选择合适的功率密度函数，然后根据功率密度函数的定义，对发光芯片进行布局以获得合适的外密内疏排列，从而获得好的温度分布均匀性和低的最高温度。当芯片不相同时，根据最优功率密度函数在不同位置放置对应功率的芯片，或将芯片相同和不相同两种情况结合，得到相对应的功率密度函数。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.大功率LED模组，包括散热基板及多个发光芯片，每个发光芯片都设置于散热基板上，其特征在于，所述多个相同的发光芯片按照函数规律的内疏外密的排列方式设置在散热基板上。

2.根据权利要求1所述大功率LED模组，其特征在于，所述散热基板的形状为方形或多边形或圆形。

3.根据权利要求1所述大功率LED模组，其特征在于，所述多个发光芯片是指至少为10个发光芯片。

4.根据权利要求1所述大功率LED模组，其特征在于，所述函数规律的内疏外密的排列方式是指：以散热基板的中心为排列中心，LED芯片形成圆形或方形或其他多边形的环状排列。

5.根据权利要求4所述大功率LED模组，其特征在于，所述排列环状是指所有环形均为位似图形。

6.根据权利要求4所述大功率LED模组，其特征在于，所述函数规律的内疏外密的圆形排列方式是指第k个圆形环的半径R(k)和k之间的函数关系是对数函数或幂函数。

7.根据权利要求4所述大功率LED模组，其特征在于，所述函数规律的内疏外密的多边形排列方式是指排列中心原点到第k个多边形的最短距离m(k)和k之间的函数关系是对数函数或幂函数。

8.根据权利要求5所述大功率LED模组，其特征在于，所述环状排列中，每一环上的相邻发光芯片之间的间距相同。

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