CN104576875A - 一体化封装的led灯 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种一体化封装的LED灯。所述的一体化封装的LED灯包括：LED灯底盘，用作LED芯片的封装基板；LED芯片阵列，直接COB封装在所述LED灯底盘上。

Description

一体化封装的LED灯

技术领域

本发明技术涉及LED照明灯具，尤其是涉及一体化封装的LED灯。更具体地涉及LED芯片单元的板载封装（COB，下面简称COB封装）形式，通过将LED芯片阵列直接与作为灯具反射体的基板进行COB封装，来实现一体化的LED灯具的制作。

背景技术

为了实现绿色照明和能源节约，将LED照明广泛应用到人们的日常生活是本领域技术人员目前积极着手的工作。在将分立的LED芯片制成照明灯具的过程中，通常使用的LED芯片已经被板载封装（COB）在具有一定厚度的基板材料（例如金属铝基板或陶瓷基板）上。

现有技术中制作LED照明灯具的通常方式是，根据LED照明灯具的照明功率要求，将若干上述方式COB封装的LED芯片单元制成LED芯片阵列，再配备相应的驱动电路来制成LED照明灯具。但是，在现有技术中的COB封装的LED芯片无论采用何种几何形状、尺寸或材料的基板，最后形成的COB封装的LED芯片还是得再贴装在灯具的基板或热沉上。

图1示出了已有技术中将COB封装的LED芯片单元贴装在灯具基板上的截面图，其中示出灯具的基板热沉100上帖装了COB封装的LED芯片10，为了清楚起见，将COB封装的LED芯片10作了局部放大。从图1中可见，LED芯片10具有衬底/COB封装基板11和LED芯片发光部分12。通过衬底/COB封装基板11把COB封装后的LED芯片10贴装在灯具基板热沉100上。为了清晰起见，本申请附图和描述中省略了与本发明主题关系不大的例如LED电极、形成LED芯片矩阵的连线等的示出和描述，相关内容可参见例如本申请人的在先中国专利申请：201310225255.3（申请日2013年6月5日）。

上述现有技术存在的缺陷在于：从LED芯片10的光通光效（或芯片出光率）的角度来说，上述COB封装的LED芯片10在衬底/COB封装基板11和采用的灯具的基板热沉100上要损失30%以上；而且，从上述COB封装的LED芯片10热阻路径的角度考虑，要包括封装的LED芯片10的衬底/封装基板11、贴装于其上的灯具基板热沉100、灯具的外热沉（即外壳，未示出）。在这一路径中，COB封装的LED芯片10的衬底/封装基板11是贡献最大热阻的单元，且造成了制成的LED灯具的芯片散热的最主要的困难。

本发明旨在解决已有技术中的上述缺陷，提供一种一体化封装的LED灯，通过将灯具基板（如灯具底盘、反射体等）作为LED芯片COB封装的基板，即实现LED芯片与灯具基板的一体化COB封装，避免了使用已有技术中的LED芯片的COB封装基板，更进一步地剥离LED芯片的大部分衬底，从而实现LED芯片制作灯具的结构简单、散热效率提高。并且通过在所述的灯具基板设置的反光结构来实现光的引出效率的提高。

发明内容

根据本发明的一个方案，提供一种一体化封装的LED灯，包括：LED灯底盘或反射体，用作LED芯片的封装基板；LED芯片阵列，直接COB封装在所述LED灯底盘或反射体上。

根据本发明的另一方案，提供一种一体化封装的LED灯，其中所述LED灯底盘由导热性能良好的材料制作，并且其上设置有用于反光的反光结构和反射层。

根据本发明的又一个方案，提供一种一体化封装的LED灯，其中所述的LED芯片阵列中的LED芯片具有厚度为0.1-1微米的残留衬底。

根据本发明的再一个方案，提供一种一体化封装的LED灯，还包括：驱动电路，用于驱动所述的LED芯片阵列发光，其中所述的LED芯片阵列是通过串-并联接多个LED芯片形成，并且匹配所述的驱动电路。

根据本发明技术方案制作的一体化封装的LED灯具有的优点在于：由于将灯具（外壳）底盘或(内在的)反射体作为LED芯片COB封装的基板，使得LED芯片COB封装操作成为LED灯具制作的一个加工处理工序，在完成LED芯片COB封装的同时，也实现了一体化封装的LED灯具核心部件的制作。由于去掉了已有技术中的LED芯片的封装基板和部分衬底，所以在实现LED芯片制作灯具的结构简单的同时还降低了热阻，进而提高了散热效率。通过在灯具基板上设置的反光结构，进一步提高了光的引出效率。

附图说明

图1示出了已有技术中将COB封装的LED芯片单元贴装在灯具基板上的截面示意图；

图2示出了把根据本发明的LED芯片COB封装在灯具基板上的截面示意图；

图3示出了把根据本发明的LED芯片COB封装在具有反光结构的灯具基板上的截面示意图；

图4示出了把根据本发明的LED芯片COB封装在具有反光结构的灯具基板上的平面示意图；

图5示出了一个灯具示意图，其中采用了图3/图4所示的灯具基板。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的实施例。

图2示出了把根据本发明的LED芯片COB封装在灯具基板上的截面示意图，其中在灯具基板100上直接进行LED芯片120的COB封装。从图2中可见，此时被封装的LED芯片120包括LED发光部分12和用于将该LED发光部分12与基板100结合的结合层T，此时该结合层T还应该包括该LED芯片的原有衬底。但如下面将描述的那样，该结合层T可以只包括极薄（例如100纳米（nm）的残留衬底。对比图1所示已有技术中COB封装的LED芯片10，图2中被COB封装的LED芯片120去掉了图1中的LED芯片10的COB封装基板，仅存留下LED芯片的原有衬底，甚至仅是芯片的部分衬底。换句话说，图2中把LED芯片120的COB封装过程作为LED灯具制作的一部分，即：进行LED芯片的一次性封装过程：将只包括LED发光部分12和结合层T的LED芯片120直接COB封装在灯具的基板100上而不是象图1所示的那样，将带有衬底的LED芯片10先COB封装在基板11上，然后再贴装在灯具基板100上。

在进行LED灯具的制作时，该基板100即作为LED灯底盘。以如此COB封装的方式在该LED灯底盘上100布局需要的LED芯片阵列，其采用的LED芯片的数量既要考虑所制作的LED灯具的功率需要，也要考虑灯具性状和使用场合的要求。通过这样的一体化的制作来去掉已有技术中的COB封装的基板甚至部分芯片衬底11，从而也就去除了图1的已有技术中的LED芯片10中的最大热阻。作为LED灯底盘的优选材料可以是导热性能良好的金属材料或陶瓷材料，例如铝合金材料，普通三氧化二铝陶瓷材料，或高档氮化铝、氮化硅陶瓷材料等。

把LED芯片直接COB封装在灯具基板上的处理可以有两种实现方式。

第一种方式是把带衬底的LED芯片120发光部分12直接COB封装在将要作为灯具基板的材料上，例如通过导电锡膏/透明硅胶将带衬底的LED芯片120的发光部分12与灯具基板100结合。导电锡膏/透明硅胶在固化之后与原有的LED芯片衬底共同形成结合层T。例如在金属铝制成的灯具的基板上进行这种LED芯片贴装固晶，从而实现将衬底的LED芯片120发光部分12直接COB封装在将要作为灯具基板的材料上。

第二种方式是先将LED芯片的部分衬底剥离后再实施LED芯片的COB封装。即形成图2所示的LED芯片，其中将衬底11的部分（甚至是大部分）剥离。再把被剥离掉大部分衬底的LED芯片120发光部分12直接COB封装在将要作为灯具基板的材料上，例如通过导电锡膏/透明硅胶将加工后（几乎没有衬底）的LED芯片120的发光部分12与灯具基板100结合。导电锡膏/透明硅胶在固化之后与很少的LED芯片的残留衬底共同形成结合层T。例如在金属铝制成的灯具的基板上进行这种LED芯片贴装固晶，从而实现将只残留部分衬底的LED芯片120发光部分12直接COB封装在将要作为灯具基板的材料上。

采用上述第二种方法时的一个必要的操作是剥离LED芯片10的衬底11的部分，甚至是大部分。

例如，通过目前已属成熟的蚀刻工艺将现有技术中的成品COB封装LED芯片10的衬底11几乎全部剥离，形成厚度极微的残留部分（也称“残留衬底”），与进一步使用的透明导电锡膏/硅胶一起形成结合层T。事实上，由于此时的残留衬底的厚度已经达到接近分子尺寸级（例如100nm），其芯片总透光率可以到达70%以上。在实际操作中，可以接受达到1微米(μm)的厚度，因为这100nm-1μm厚度且几乎不构成热阻贡献。图2中结合层T是一个示意性的表示，以便于理解在本发明的实现过程中该结合层T的结构上的存在。事实上，与形成LED发光部分12相关半导体层（以及所附加的透明电极）极的厚度相比较，该结合层T的厚度可以忽略不计。通常，在透光衬底层T上形成透明阴极。

以蓝宝石作为衬底材料并且在蓝宝石衬底材料上生长GaN层的LED芯片为例来说明上述的LED芯片衬底11的剥离工艺。具体地说，可以采用脉冲准分子激光剥离技术，例如高能量的248nm脉冲准分子激光器工艺。在激光剥离过程中，LED芯片直接受到高能量密度的紫外激光脉冲的照射，由于蓝宝石衬底带隙很高，相对于248nm激光而言是透明的，所以激光脉冲会透过蓝宝石衬底打到GaN层，而GaN层和蓝宝石的连接层处（约2nm）会强烈吸收紫外激光能量，在激光能量密度为800-900J/cm²时，连接层的局部区域温度可以达到大约1000℃，导致连接层的材料产生气化，从而使蓝宝石衬底与GaN层安全分离。

激光剥离对于采用独立设计的准分子激光器而言是比较容易实现的，采用准分子激光剥离设备去除蓝宝石则是一种有效的工艺手段，在新一代高亮LED芯片的制备中，将会成为不可或缺的关键技术。

随着248nm准分子激光器技术的发展，使得激光输出脉冲能量可以达到1J以上。原有的激光剥离技术需要使用500mJ的激光脉冲，一个6英寸的晶片需要1500个脉冲才能够完全剥离。而现在使用50Hz重复频率的准分子激光器，只需要30秒就可以完成这个任务。随着准分子激光技术的进步，激光剥离技术将会在高亮度LED芯片制造行业取得巨大发展。通过上述的脉冲准分子激光剥离技术，还可以实现一个透明阴极(未示出)与结合层T的结合。

在生产实际操作中，采用上述的第二种方法来完成图2所示的LED芯片120的制作能够比第一种方式更好地实现本发明的目的。这是因为，当采用上述第一种方式直接在灯具基板100上进行LED发光部分12的封装时，仍然保留了LED发光部分12的全部衬底11。因此在与第二种方式比较而言，形成的结合层T的热阻贡献显然大于后者。

目前提供外延生产COB封装的LED芯片的厂商可以根据客户的要求，采用上述的激光剥离技术来提供衬底剥离的LED芯片120，这使得对于灯具的制造商来说，无论在产品设计还是制作加工处理上，采用上述的第一种还是第二种方法来完成图2所示的LED芯片120的制作都是非常方便的。

可见，优选采用图2的方案，LED灯具的基板100担当着几个功能：光的反射基板、LED芯片承载基板（芯片封装基板）、灯具的外壳底板、散热基板（热沉）。

为了提高光的引出效率，本发明对于作为反射部件的LED灯具基板100进行反光结构的改进。具体请参见图3示出了的根据本发明的LED芯片COB封装在具有反光结构的灯具基板上的截面示意图、以及图4示出的把根据本发明的LED芯片COB封装在具有反光结构的灯具基板上的平面示意图。

如图3所示，其中示出了在图2的基础上添加的反射结构R，形成新型灯具基板101。该反射结构R是例如一个斜面（例如45°）瓦楞，围绕每一个COB封装阵列的LED发光芯片120设置，高度是所用LED发光芯片120的厚度的10-20倍（图中为了清楚起见夸大了芯片的厚度），表面具有反射层（例如金属铝通过电镀抛光构成），以便把从COB封装的LED发光芯片120侧面发出的光反射（二次出光）到灯具的照明空间中成为有用光。尤其在形成的LED发光阵列的情况下，如图4所示，与已有技术中的LED灯具相比，本发明的这种反光结构的设计并且采用上述第二种（芯片衬底剥离）方法会使得制成的LED灯具的光线引出效率提高15%-30%。

图5示出了一个灯具示意图，其中采用了图3/图4所示的灯具基板。具体地说是一个吸顶灯，包括：金属材料或其它导热性能良好的材料制成的上壳体B1，此时优选的上壳体B1就是承载LED芯片阵列的COB基板101；透光材料（例如玻璃、有机玻璃或透明PVC）制成的下壳体B2；与上壳体B1连接的固定装置K，用于例如与房间的天花板固定；以及驱动LED芯片阵列发光的驱动电路D。从图5示出的开口看到由上壳体B1和下壳体B2形成的“箱体”的内部情况。此情况下的灯具基板101的反光结构提高了光线的引出效率，同时承载着的LED芯片产生的热量迅速通过基板101传导散出，通过自身作为上壳体B1散发到所述箱体的外部。

采用的驱动电路D与采用COB封装的LED芯片120而串-并连接形成的阵列匹配对应。具体的匹配方法可参见引用的已有技术中的相关部分的描述。具体地，在本实施例实现的一个实际制作的灯具中，由于芯片阵列的串联构成了LED高压芯片，电源驱动器D匹配直接采用二极管桥式整流后的逐流式PFC无源功率因数调整电路给LED芯片阵列直接供电，就能够获得不错的HPF和高转换效率。根据本发明的实施例制成的一个一体化封装的LED灯具,其中优选采用的LED芯片阵列是N×M阵列（其中的N=10-12mm，M=30-35mm），每一个LED芯片面积是0.75×2.0mm²，厚度约0.15mm。将这些LED芯片阵列分布在面积为47cm（长）×37cm（宽）×1-2cm（厚）、具有图4所示形状而高度为10-20mm（即为芯片厚度的10-20倍）的反射结构R的灯具基板101上。其实际使用的测量表明，当实际功耗为35.1W/输入电压为220V时，该LED灯具的实际检测光电参数为：光通4250lm、色温4130K、显示指数Ra>83，实测照度相当于两支36W日光灯，3米距离测试中心照度265Lx，在9×5m地面照度均匀度>0.7。

根据本发明技术方案的一体化封装的LED灯克服了已有技术中的缺陷，在实现LED芯片制作灯具的结构简单的同时还降低了热阻，进而提高了散热效率。通过在灯具基板上设置的反光结构，进一步提高了光的引出效率。

对于本领域技术人员来说明显的是，可在不脱离本发明的范围的情况下对本发明的照明灯进行各种改变和变形。所描述的实施例仅用于说明本发明，而不是限制本发明；本发明并不限于所述实施例，而是仅由所附权利要求限定。

Claims (4)

1.一体化封装的LED灯，包括：

LED灯底盘，用作LED芯片的封装基板；和

LED芯片阵列，其直接板载封装在所述LED灯底盘上。

2.根据权利要求1的一体化封装的LED灯，其特征在于：

所述LED灯底盘由导热性能良好的材料构成，并且其上设置有用于反光的反光结构和反射层。

3.根据权利要求1或2的一体化封装的LED灯，其特征在于：

其中所述的LED芯片阵列中的LED芯片具有厚度为0.1-1微米的残留衬底。

4.根据权利要求3的一体化封装的LED灯，还包括：

驱动电路，用于驱动所述LED芯片阵列发光，其特征在于，

所述LED芯片阵列是通过串-并联接多个LED芯片形成，并且匹配所述的驱动电路。