CN103775858B - 芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管及照明灯 - Google Patents

Abstract

一种芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管，其包括：由透光壳体和带排气管的芯柱熔封在一起构成的真空密封透光泡壳，泡壳内充散热保护气体；一个固定于泡壳内的LED发光管芯；LED发光管芯包括：一个高导热系数的透明陶瓷管；倒装于陶瓷管外管壁上的至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片；LED芯片电极经电极引出线引出泡壳外；至少一个发光管外加LED驱动器、电连接器等构成一个LED照明灯；本发明的芯片倒装的4π出光的LED发光管和照明灯与现有技术相比，具有散热好、LED芯片负载功率大、输出光通量高、发光效率高等优点。用于制造输出光通量为几百至20000lm的高光通量LED照明灯，也可用作分立发光器件。

Description

芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管及照明灯

技术领域

本发明涉及LED照明灯和LED发光器件中的4π出光LED发光管，特别涉及一种LED芯片倒装于透明陶瓷管上的4π出光LED发光管及LED照明灯；用作分立LED发光器件和LED照明灯。

背景技术

LED芯片倒装(Flipchip)技术是在1998年发展起来的，它把蓝宝石GaNLED芯片的PN结直接粘贴在导热系数高达125-150W/m-K的硅载体上，然后再把硅载体用高导热系数材料粘贴在热沉或散热器上。这种倒装技术改变了传统正装技术的热传导方式和光取出方式。传统正装技术的LEDPN结工作时产生的热要经过导热系数为25-46W/m-K的蓝宝石衬底，然后再经导热胶到LED支架、热沉、金属电路板(MPCB)或散热器，其间热阻较大、导热路径长；这对于小功率LED、例如指示或显示器用的20mA的直插式和表面贴LED不是大问题，但对于照明用的几百mA至几A电流的功率型LED就是大问题，大热阻容易导致PN结的结温升高、发光效率下降、光衰加大、甚至烧毁失效。其次，这种正装结构的LED的PN结所发的光从P-GaN一面取出，P-GaN的电导率低，需要在其表面再沉淀一层电流扩散层，例如Au、Ni、ITO等薄膜，该电流扩散层及其电连接线和电连接垫要吸收和挡住部分出射的光；同时，GaN的折射率高达2.3，其到空气的出射光的临界角θc仅25.8°，光可直接出射的立体角仅为2π的1/10(立体角＝2π(1-cosθc))，大部分光要经过多次反射、吸收后出射，因而降低了发光效率。

倒装结构克服了这些缺点，其LED的PN结直接与高导热系数的硅衬底接触，再用高导热系数的导热胶、银浆或锡浆等与热沉、MPCB、散热器等连接，散热效果好；其次，其光不从P-GaN一面取出，而从蓝宝石一面取出，P-GaN的电流扩散层可以加厚，或加一层光反射层，同时又消除了电极和引线的挡光，从而提高了光取出率，即提高了发光效率。

LED的PN结所发光子在4π立体角内各方向的几率是相同的，属于4π发光；然而上述正装或倒装LED的光出射角都≤2π，4π发光被变成≤2π出光，其中大部分光要经过多次反射、多次吸收后出射，光出射效率低，即发光效率低。

目前，用上述技术的LED球泡灯的输出光通量一般都低于1000lm，发光效率约50-90lm/W，且体积大、重量重；难于制成输出光通量更高、发光效率更高的LED照明灯。

本申请人之前申请的一种LED芯片P-N结4π出光的高效率LED发光条和用它制成的LED灯泡，见中国专利申请号201010278760.0和201010610092。LED芯片PN结4π出光，发光效率高，并无需用金属散热器；可制成输出光通量为100-800lm、整灯发光效率为110-180lm/W的重量轻、体积小的LED照明灯。但在制造更高光通量、例如几千lm的照明灯时，所述的发光条负载功率有限，难于制成高光通量LED照明灯。

发明内容

本发明的目的在于进一步改进LED的PN结4π出光的LED散热问题，而提供一种LED芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管及照明灯，可以提高LED的输出光通量和发光效率，从而可制成输出光通量为几百至20000lm的高光通量LED发光管和照明灯。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的LED芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管，其包括：

一个透光泡壳，所述透光泡壳为由透光壳体和带排气管的芯柱熔封在一起构成的真空密封透光泡壳；所述排气管用于把透光泡壳先抽真空和再充入散热保护气体之后熔封；

一个固定于所述透光泡壳之内的LED发光管芯；

所述LED发光管芯包括：

一个高导热系数的透明陶瓷管；

倒装于所述透明陶瓷管外管壁上的至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片；所述倒装是指：所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片的PN结面用透明胶直接粘贴在透明陶瓷管的外管壁上；所述LED芯片的电极经电极引出线引出透光泡壳外。

所述的至少一串LED芯片用透明胶直接粘贴在透明陶瓷管的外管壁上，所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片由芯片电接线相互串联或串并联；所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片的二端电极引出线由固定装置固定在透明陶瓷管外管壁上。

所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片为发蓝光或/和紫外光的LED芯片，所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片上涂覆有第一发光粉层；所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片和透明陶瓷管外管壁还涂覆有第二发光粉层。

所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片5被用透明胶先固定在一个透明基板上，再在所述LED芯片和透明基板四周涂覆透明胶层和发光粉层以构成一个LED发光条；所述LED发光条用透明胶倒装在透明陶瓷管的外管壁上。

所述透明陶瓷管安装LED发光条的地方有一凹槽22，所述LED发光条装在所述凹槽中。

所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片的每个LED芯片有一个或多个PN结。

本发明提供的具有芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光发光管的照明灯，其具有一个或多个所述LED发光管、LED驱动器、驱动器外壳和电连接器；所述驱动器的输出经所述电极引出线与所述至少一串LED芯片连接，所述驱动器的输入经连接线与电连接器连接；电连接器用于连接外电源点亮LED照明灯；所述驱动器外壳将所述LED芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光发光管、驱动器和电连接器相互连接构成一个LED照明灯。

所述至少一串LED芯片相互串联或串并联，由外直流或交流电压驱动，外电压经驱动器输出与所述至少一串LED芯片相匹配的电压，所述至少一串LED芯片的总驱动电压为外驱动直流电压或交流电压的峰值的20-200％。

所述LED发光管芯被用上端固定装置和下端固定装置固定在所述透光泡壳内；下端固定装置和上端固定装置为金属丝或金属片。

所述透光泡壳形状为柱型、A-型、G-型、R-型、BR-形、PAR-型、T-型、烛型或现有灯泡形状中的一种。

本发明的LED芯片所发的光、例如为蓝光或紫外光、经一发光粉层转变为其它色的光、例如为白光时，LED芯片上和透明管四周可有至少一层发光粉层，它可把LED芯片所发的光转变成所需的白光或其它色的光；为了得到所需的色温和显色指数的白光，还可同时加有发红光或其它色光的芯片。

本发明的LED芯片可用透明胶先正装在一透明基板上，即LED芯片的蓝宝石衬底一面粘贴在透明基板上，所述透明基板为玻璃、塑料或陶瓷板；各芯片之间用金属线相互电连接，芯片四周或芯片和透明基板四周有透明胶和发光粉层，构成一4π出光的LED发光条；然后，再将LED发光条用透明胶倒装在透明陶瓷管4上，即LED芯片的PN结一面面向透明陶瓷管安装；LED芯片的PN结工作时所产生的热经透明胶和发光粉层传导给高导热系数的透明管并散发掉。

为了增加LED发光条与透明陶瓷管的热接触面积、以减小LED芯片到透明陶瓷管的热阻，所述透明陶瓷管安装发光条的地方可有一凹槽，LED发光条被用透明胶安装在凹槽内，从而降低热阻、提高传热和散热能力。

所述LED发光管芯被密封并固定在一个真空密封的透光泡壳内，LED芯片的电极经由与泡壳密封的电极引出线引出，泡壳内充有散热和保护气体，所述散热和保护气体例如为氦、氢、氦氢混合气、氮或氖等惰性气体；所述LED发光管芯和透管泡壳构成一个可独立工作的LED发光管。

本发明的一个或多个LED发光管、外加LED驱动器及驱动器外壳和电连接器，构成一个LED照明灯泡。

每个芯片可有一个或多个P-N结。

本发明的LED芯片倒装的4π出光的LED发光管和照明灯与现有技术相比，具有散热好、LED芯片负载功率大、输出光通量高、发光效率高等优点。用于制造输出光通量为几百至20000lm的高光通量LED照明灯，也可用作分立发光器件。

附图说明

图1为本发明的LED芯片倒装在透明陶瓷管上的4π出光的LED发光管一个实施例的结构示意图。

图2为图1中的A—A剖视图。

图3也为图1中的A-A剖面的示意图。

图4为用本发明的LED芯片倒装的4π出光的LED发光管的LED照明灯的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细介绍。

图1为本发明的LED芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管一个实施例的结构示意图。

如图1所示，所述LED发光管1包括有一个发光管芯2，一个透光泡壳3，所述发光管芯2包括有一个透明陶瓷管4，至少一串相同或不相同发光色的LED芯片5被用透明胶6倒装在透明陶瓷管4的外表面上，所述倒装为LED芯片5的PN结一面面向透明陶瓷管4安装；每一个LED芯片5有一个或多个LEDPN结，各LED芯片5的电极经透明陶瓷管外表面上的电连接线7相互串联或串并联，串联或串并联的芯片的二端电极引出线9a由固定装置8固定在透明陶瓷管4上，并电极引出线9经透光泡壳3引出，用于连接外工作电压；所述LED发光管芯2被用下固定装置10和上固定装置11固定在透光泡壳3内；透光泡壳3内充有散热保护气体12，所述散热保护气体12为氦气、氢气、氦氢混合气、氮气或氖气等惰性气体或它们的混合气或干燥空气。

所述LED芯片5的PN结经一薄层透明胶6直接粘贴在有高导热系数的透明陶瓷管4上，LED工作时产生的热很快传导到透明陶瓷管4上，该透明陶瓷管4具有比LED芯片5大得多的散热面积，其热量容易经透明陶瓷管4表面传导给散热保护气体12，再经散热保护气体12的对流和传导，经透光泡壳3散发掉；从而减小了LED芯片5的PN结到透光泡壳3的热阻，有效降低了LED芯片5的温升，提高LED芯片5的负载能力、发光效率和输出光通量，同时，还可使用额定电流较大的LED芯片，以减少LED芯片数量及其连接线数，提高生产效率和成品率，从而制成输出光通量高达800-20000lm的高光通量LED发光管。

所述固定二端电极引出线9a的电极固定装置8可为高温胶、高温塑料、陶瓷、改性树脂、低熔点玻璃或银浆等制成。

所述透光泡壳3由透光壳体3a和带有排气管3b、电极引出线9的芯柱3c熔封构成，排气管3b用于把透光泡壳3抽真空和充入散热保护气体12后熔封，把充入的气体密封在透光泡壳3内。

所述LED发光管芯2分别有上端固定装置11和下端固定装置10固定在透光泡壳3内；上端固定装置11可为金属丝或金属片等；下端固定装置10的一端与透明陶瓷管4固定，另一端与电极引出线9固定，在透明陶瓷管4较小，重量较轻时，可直接由电极引出线9与芯柱3c固定，即下端固定装置10可不用。

所述至少一串LED芯片5为单色光芯片或多种发光色芯片，以得到单色光或多色光的混合色光，例如用红、蓝、绿等芯片混合得白光。

在所述至少一串LED芯片5为发蓝光或紫外光的芯片，并需要把所述蓝光或紫外光用发光粉把它转变成其它色的光时，所述LED芯片5和透明陶瓷管4上有至少一层发光粉层13，详细见图2。

所述透光泡壳3的形状为柱型、A-型、G-型、R-型、BR-形、PAR-型、T-型、烛型或现有灯泡形状中的一种。

图2为图1的A—A剖面的一个实施例的结构示意图。如图2所示，LED芯片5上有二层发光粉层，其中第一发光粉层13a覆盖在LED芯片上，第二发光粉层13b覆盖在LED芯片5和透明陶瓷管4上；透明陶瓷管4的安装LED芯片5的一面设有一方便芯片安装的平面14；所述发光粉层由发光粉和透明介质混合制成。图2中的其它数字所代表的意义与图1中的相同。

图3为图1的A—A剖面的又一结构示意图。如图3所示，所述至少一串相同或不相同发光色的LED芯片5用透明胶15先正装在一透明基板16上，即LED芯片5的蓝宝石衬底一面粘贴在透明基板16上，透明基板16为玻璃、塑料或陶瓷板；各LED芯片之间用金属线17相互电连接，LED芯片5和透明基板16四周有透明胶18和发光粉层19，构成一4π出光的LED发光条20，然后，所述LED发光条20用透明胶21倒装在透明陶瓷管4上，即LED芯片5的PN结面向透明陶瓷管4安装；LED芯片5的PN结工作时所产生的热经透明胶21和发光粉层19传导给高导热系数的透明陶瓷管4并散发掉；为了增加发光条20与透明陶瓷管4的传热接触面积，透明陶瓷管4上可有一凹槽22，把发光条20安装在所述凹槽内，以使LED芯片5更好散热。这种方法的工艺比较简单，但LED芯片5的PN结到透明管4的散热途径要经过发光粉层，热阻较大。

图4所示为用本发明的LED芯片倒装在透明陶瓷管上的LED发光管制成的LED照明灯的一个实施例的结构示意图。如图4所示，1为本发明的LED芯片倒装在透明陶瓷管上的LED发光管，23为LED的驱动器，24为驱动器外壳，25为电连接器，驱动器外壳24把LED发光管1、驱动器23和电连接器25相互连接构成一个LED照明灯26；驱动器23的输出与LED发光管的电极引出线9连接，其输入经连接线27与电连接器25连接，电连接器25用于连接外电源，接通外电源、即可点亮LED灯26。

所述至少一串LED芯片5相互串联或串并联，由外直流或交流电压驱动，外电压经驱动器23输出与所述LED相匹配的电压，所述串联或串并联后的LED的总驱动电压为外驱动直流电压或交流电压的峰值的20-200％。

所述LED照明灯26可有一个或多个本发明的LED发光管1，以制成单管或多管LED照明灯，可制成输出光通量为几百至20000lm的高光通量LED照明灯。

本发明要求保护的范围不限于本文中介绍的各实施例，凡基于本发明申请专利范围和说明书内容所作的各种形式的变换和代换、皆属本发明专利涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管，其包括：一个透光泡壳，所述透光泡壳为由透光壳体和带排气管的芯柱熔封在一起构成的真空密封透光泡壳；所述排气管用于把透光泡壳先抽真空和再充入散热保护气体之后熔封；

一个固定于所述透光泡壳之内的LED发光管芯；所述LED发光管芯包括：

一个高导热系数的透明陶瓷管；

倒装于所述透明陶瓷管外管壁上的至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片；所述倒装是指：所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片的PN结面用透明胶直接粘贴在透明陶瓷管的外管壁上；所述LED芯片的电极经电极引出线引出透光泡壳外；

所述发光管芯的上端通过上端固定装置固定在透光泡壳内，所述发光管芯的下端通过所述电极引出线与芯柱固定；所述上端固定装置的弯折的中部插入所述透明陶瓷管的中空的内部，弯折的两端分别与所述透光泡壳的顶部的内壁接触。

2.按权利要求1所述的芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管，其特征在于，所述的至少一串LED芯片用透明胶直接粘贴在透明陶瓷管的外管壁上，所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片由透明陶瓷管的外管壁上的电接线相互串联或串并联；所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片的二端电极引出线经芯柱的电引出线引出。

3.按权利要求1或2所述的芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管，其特征在于，所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片为发蓝光或/和紫外光的LED芯片，所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片上涂覆有第一发光粉层；所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片和透明陶瓷管外管壁还涂覆有第二发光粉层。

4.按权利要求1所述的芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管，其特征在于，所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片被用透明胶先固定在一个透明基板上，再在所述LED芯片和透明基板四周涂覆透明胶层和发光粉层，以构成一个LED发光条；所述LED发光条用透明胶倒装在透明陶瓷管的外管壁上，即芯片PN结一面面向透明陶瓷管安装在透明陶瓷管的外管壁上。

5.按权利要求4所述的芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管，其特征在于，所述透明陶瓷管安装LED发光条的地方有一凹槽，所述LED发光条装在所述凹槽中。

6.按权利要求1所述的芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管，其特征在于，所述至少一串相同发光色或不相同发光色的LED芯片的每个LED芯片有一个或多个LED PN结。

7.一种具有芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管的照明灯，其特征在于，所述照明灯具有一个或多个权利要求1-6中任一所述的4π出光LED发光管、LED驱动器、驱动器外壳和电连接器；所述驱动器的输出经电极引出线与至少一串LED芯片连接，所述驱动器的输入经连接线与电连接器连接；电连接器用于连接外电源点亮LED照明灯；所述驱动器外壳将所述4π出光LED发光管、驱动器和电连接器相互连接构成一个LED照明灯。

8.按权利要求7所述的具有芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管的照明灯，其特征在于，所述至少一串LED芯片相互串联或串并联，由外直流或交流电压驱动，外电压经驱动器输出与所述至少一串LED芯片相匹配的电压，所述至少一串LED芯片的总驱动电压为外驱动直流电压或交流电压的峰值的20-200％。

9.按权利要求7所述的具有芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管的照明灯，其特征在于，所述LED发光管芯用下端固定装置固定在所述透光泡壳内；下端固定装置的一端与透明陶瓷管的下端固定，另一端与所述电极引出线固定；下端固定装置和上端固定装置为金属丝或金属片。

10.按权利要求7所述的具有芯片倒装于透明陶瓷管的4π出光LED发光管的照明灯，其特征在于，所述透光泡壳形状为柱型、A-型、G-型、R-型、BR-形、PAR-型、T-型、烛型或现有灯泡形状中的一种。