CN104633486A - 一种led灯泡 - Google Patents

Abstract

一种LED灯泡。所述的LED灯泡包括灯头；透明灯杯，其外表面设置有用于反光的反光结构和反射层；LED芯片阵列，直接贴装在所述透明灯杯的内表面，并且所述的LED芯片阵列中的LED芯片具有0.1-1微米的残留衬底。

Description

一种LED灯泡

技术领域

本发明涉及LED照明领域，具体地涉及采用LED芯片制作的LED照明灯具，即一种LED灯泡。

背景技术

LED照明已经在工业上广泛使用，例如作为液晶显示器的背光源。而且就目前能够看到的未来实现节能绿色日常照明的应用方面，LED开发照明灯具无疑也是首选方案。

但是目前开发出的LED照明灯具产品仍存在各种问题而无法取代现行的普通节能灯，例如亮度不足、散热不良、光成分不适于人眼照明所需、光斑干扰、光照区域不集中，等等。

图1示出了已有技术的LED照明灯的发光表面。其中在半径为R的基板盘面上贴装了若干发光LED芯片形成的LED阵列，每一个LED芯片集成了数以千百计LED发光二极管。通过串-并连接并以适配的驱动器所驱动而发光。这样的LED光源存在例如下列的问题或缺陷。光线散乱而不集中：从一个平面内的不同点发出的光线很难有统一有序的反光结构进行集中，因此，必须进行二次出光设计（配置出光角度），但二次配光势必降低出光效率；亮度和体积的矛盾：如果为了增加亮度必然要增大发光面积（即加大R）而使得制成的照明灯具笨重，但是随着面积的加大，二次配光困难增加、成本提高，光线散乱而不集中的问题更加突出；难以散热：由于是将直接贴装在平面上，就算是采用散热良好的基板材料并且采用热沉散热，由于LED发光基片衬底的存在形成了大值热阻而造成基板盘面的温度升高，芯片贴装功率密度大，芯片热峰值高，散热增加困难；光斑干扰；主要是分散的LED发光基片发光间的干扰。

发明内容

本发明旨在克服已有技术中的上述问题而提供一种采用LED芯片制作的LED照明灯具，即一种LED灯泡。

根据本发明的一个技术方案，一种LED灯泡，包括：

灯头；

透明灯杯，其外表面设置有用于反光的反光结构和反射层；

LED芯片阵列，直接贴装在所述透明灯杯的内表面，并且所述的LED芯片阵列中的LED芯片具有0.1-1微米的残留衬底。

根据本发明上述方案的LED灯泡，其特征在于：

所述透明灯杯由导热性能良好的材料制作,其外表面覆有散热层。

根据本发明上述方案的LED灯泡，其特征在于：

所述透明灯杯的厚度与形成LED芯片阵列的单个LED芯片的面积成正比，并且所述设置在透明灯杯外表面上的反光结构和反射层与所述LED芯片阵列的结构相对应。

根据本发明上述方案的LED灯泡，还包括：

驱动电路，用于驱动所述的LED芯片阵列发光，其特征在于：

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

根据本发明上述方案的LED灯泡，还包括：

毛玻璃灯罩，所述毛玻璃灯罩与所述透明灯杯共同形成一个完整的灯泡外壳。

采用本发明上述技术方案制作的LED灯泡在同样出光孔径的条件下大大提高了出光量。反光结构和反射层增加了光被反射到有用空间的比率而提高了光线引出效率。同时由于消除了原有LED芯片的绝大部分的衬底，即消除了散热路径上的最大的热阻并且辅以灯杯外部涂敷的散热层，从而达到提高了本发明的LED灯泡的散热效果。除了制成的外观形象与传统灯泡相似而易于被使用者接受之外，毛玻璃灯罩的作用直接消除了光斑干扰而提高了照明质量。

附图说明

下面将参照附图对本发明的实施例进行描述以进一步理解本发明的构思。其中：

图1是已有技术中将若干LED芯片阵列地贴装在基板上而形成的发光表面的示意图；

图2是说明本发明构思的基本原理的示意图；

图3是根据上述图2的原理构成的本发明的LED灯泡基本结构的示意图；

图4a和图4b示出了用于实现本发明LED灯泡的两种可选的反光结构。

图5示出了根据本发明的LED灯泡的外观效果图。

具体实施方式

先来说明本申请下面的描述使用的两个术语及含义。

发光面积S_f：是指光从其发出的表面的面积。例如在图1所示阵列地布满发光LED芯片的圆表面，其发光面积是πR²；

通光面积S_t：由物理边界限定的光通道的面积。同样参考图1所示阵列地布满发光LED芯片的圆表面，如果考虑该圆表面是一个直筒的筒底，在从筒底发出的光将沿着筒壁穿出筒口，此筒口的面积就是通光面积S_t。

根据上面的说明可以理解到，在图1所示已有技术的阵列地布满发光LED芯片的圆表面的情况中，发光面积S_f和通光面积S_t是相等的。

参见图2来说明本发明构思的基本原理。

图1的已有技术中实际是将图2锥形的底面作为发光面积S_f。如果要增加光量，除去增加LED芯片的贴装功率密度之外（通常，已有技术中已经充分考虑到采用技术上允许的LED芯片贴装的最大密度）就只能加大发光面积，即加大底面的半径R。但问题是，虽然半径R的加大可以容纳更多的LED芯片来增加功率，但并不能正比地提高单位面积的光照度，而且过大的体积不仅在制作上困难，而且难以被消费者接受。

为了克服已有技术的上述缺陷，本发明的实施例考虑将LED芯片贴装在灯杯的内表面，即“灯泡”的内侧壁上。以图2的示意图来说，是将LED芯片贴装在所示出的锥体的内表面S上。

假设锥体的截面是等边三角形，如图2所示，当锥体的底面积是πR²时，其锥体的内表面S是2πR²。即如果将LED芯片贴装在“灯泡”的内侧壁上，其获得的发光面积S_f将会远大于贴装在作为“灯泡”水平横截面（相当于图2的圆椎底面）的圆表面上。以图2所示的角度为例，理论上的发光面积S_f提高一倍。事实上，通常灯泡从灯头到泡顶的截面所具有的顶角会小于60°（即图2中等边三角形的顶角），因此上述理论中的发光面积S_f提高一倍的效果在实际中是可以实现的。同时，如果将这些发出的光全部从“灯泡”水平横截面（相当于图2的圆椎底面）的圆表面引出，则此时的光照度比图1的已有技术中的情况相比提高了一倍。

下面参照图3说明根据图2的原理构成的本发明的LED灯泡基本结构。图3是一个截面图。图3中自上而下地示出LED灯泡100的灯头101、连接塑件102、由该连接塑件102包括在其内部的驱动电路D、灯杯103、贴装在灯杯103内表面的LED芯片10的阵列。可以假设此时LED芯片10的阵列的贴装密度已经达到技术参数允许的最大值。

更进一步，灯杯103是采用透光性能、导热性能良好的材料制成，例如优选地采用高硼玻璃材料，厚度h在2-5mm。

为了使得LED灯泡的正常工作并提高使用寿命，需要保障其充分高的散热效率，在本发明的实施例中采用了如下的措施：

第一个措施是降低路径中的热阻。除了导热性能良好的材料制成灯杯103之外，从图3可见，由于LED芯片10的阵列的贴装密度已经达到技术参数允许的最大值，且该LED芯片10的阵列是此LED灯泡的最大热源，所以本发明采用来将LED芯片10阵列产生的LED芯片的内电阻产生的热量快速地散出到LED灯泡的外部一个措施是去掉LED芯片10的衬底，从而降低散热路径中的垂直热阻。

具体地说，是将LED芯片10的原有衬底大部分去除，仅保留极薄（例如100纳米（nm））的残留衬底。随后将几乎不包括衬底的LED芯片10直接贴装在灯杯103的内表面而构成LED阵列。通过目前已属成熟的蚀刻工艺将COB封装的LED芯片10的衬底几乎全部剥离，形成厚度极微的残留衬底，再使用透明导电锡膏/硅胶将其贴装在灯杯103的内表面。此时的残留衬底的厚度已经达到接近分子尺寸级（例如小于100nm），其透光率可以高达70%以上。在实际操作中，残留衬底可以达到1微米(μm)的厚度，这100nm-1μm厚度的残留衬底几乎不构成热阻贡献而且具有很高的通光率。

关于去除LED芯片衬底的方法可参见本申请人在先中国专利申请：201310225255.3（申请日2013年6月5日），该申请结合在此作为背景技术。

第二个措施是将LED芯片散射的可见光尽量地引出到照明空间中成为有用光，同时将无用光（例如红外光）产生的热量尽快散出到LED灯泡的外部。

具体地说，如图3所示，在灯杯103的外表面上设置一层覆（镀）膜f，该覆膜f具有“反射-散热”的性质，即能够反射可见光并且能够迅速扩散红外等不可见光产生的热量。

这样，参看图3，由于贴装在灯杯103内表面上的LED芯片的衬底基本被去除，所以LED芯片从贴装表面出射的可见光经过灯杯103的厚度为h的透光壁到达覆膜f的表面，被覆膜f反射后回到LED芯片的另一面，即灯泡的出光空间，而成为有用光。同时将红外等不可见光产生的热量迅速扩散。可以采用例如一氧化硅材料来形成这种所需的反射-散热覆膜f。

为了提高灯杯103的反射-散热效果，可在对灯杯的侧壁进行加工，形成反射结构。图4a和图4b分别示出了根据本发明的LED灯泡200和LED灯泡300中采用的两种可选的反光结构。

图4a示出的是相对简单的一种反光结构，其中在灯杯103的外表面制出多个同心圆的三角形（例如直角）的反光楞槽T，同时镀有反射-散热覆膜f。LED芯片则对应地贴装在灯杯103的内表面上对应该反光楞槽T形成的一个梯形槽K内，反光楞槽T的顶点对准LED芯片的中心，借助该反光楞槽T的两个斜面把LED芯片从贴装表面出射的可见光经过LED芯片矩阵中的两个LED芯片之间的间隙而更多地反射回到LED芯片的另一面，即灯泡的出光空间而成为有用光。可以根据采用LED芯片的面积的大小来优化调整所述反光楞槽T、梯形槽K的深度和相对位置，达到最佳的反射效果。可以理解的是，透明灯杯130的厚度h与形成LED芯片阵列中的单个LED芯片10的面积成正比，并且设置在透明灯杯外表面上的反光楞槽T以及反射-散热覆膜f与所述LED芯片10的阵列结构相对应。

图4b示出的反光结构相对图4a稍复杂，但原理和目的与图4a相同。此时的非对称楞槽T’配合了正对下方的一个平台K’，一方面使得容纳更多的LED芯片10，另一方面使得LED芯片阵列中的每个LED芯片10发出的光更容易投射到照明空间中成为有用光。

采用的驱动电路D设置在连接塑件102包括的空间内部。与采用的LED芯片10的串-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，在一个实际制作的样品LED灯泡中，驱动电路D采用了LED高压芯片，电源驱动器匹配直接采用二极管桥式整流后的逐流式APF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灯杯Mr16，其中采用的LED芯片阵列是N×M阵列（其中的N=12mm，M=2.0mm），每一个LED芯片面积是1.2×0.55mm²。将这些LED芯片阵列贴装在灯杯103的内表面的9个同心圆上。其实际使用的测量表明，当采用PWM驱动电源恒功率输出，实际功耗7.8W/输入电压85-265V时，该LED灯具的实际检测光电参数为：光通650lm、色温2980K、显示指数Ra>85，实测光强、照度均超过Mr16/50W卤素灯杯，2.5米距离测试中心照度330Lx，在半径1.5米地面照度均匀度>0.85。

图5示出了根据本发明的LED灯泡400的外观效果图。此时的LED灯泡配置了毛玻璃灯罩B，该毛玻璃灯罩B与所述透明灯杯103共同形成一个完整的灯泡的外壳，同时起到消除了光斑干扰而提高了照明质量的作用。

根据本发明实施例制作的LED灯泡在同样出光孔径的条件下大大提高了出光量，提高了光线引出效率，降低了工作温度。在消除了光斑干扰而提高了照明质量的同时，接近于传统形状的灯泡外观易于被使用者接受。

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 (5)

1.一种LED灯泡，包括：

灯头；

透明灯杯，其外表面设置有用于反光的反光结构和反射层；

LED芯片阵列，直接贴装在所述透明灯杯的内表面，并且所述的LED芯片阵列中的LED芯片具有0.1-1微米的残留衬底。

2.根据权利要求1的LED灯泡，其特征在于：

所述透明灯杯由导热性能良好的材料制作,其外表面覆有散热层。

3.根据权利要求1的LED灯泡，其特征在于：

所述透明灯杯的厚度与形成LED芯片阵列的单个LED芯片的面积成正比，并且所述设置在透明灯杯外表面上的反光结构和反射层与所述LED芯片阵列的结构相对应。

4.根据权利要求1-3任意之一的LED灯泡，还包括：

驱动电路，用于驱动所述的LED芯片阵列发光，其特征在于：

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

5.根据权利要求1-3任意之一的LED灯泡，还包括：

毛玻璃灯罩，所述毛玻璃灯罩与所述透明灯杯共同形成一个完整的灯泡外壳。