CN108321277A - 一种uv led封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种UV LED封装结构，包括散热器、密封地覆盖在散热器上由玻璃制成的透光罩，散热器与透光罩一起围成一个密闭空腔，在密闭空腔内设有LED主板，在LED主板上侧设有若干UV LED芯片，密闭空腔内充注有二硫化碳，所述UV LED芯片采用无影胶封装，在散热器与LED主板之间设有由低熔点合金制成的金属导热垫，所述金属导热垫的熔点在58℃‑60℃之间，所述金属导热垫的厚度在0.1‑0.2mm之间，所述金属导热垫内嵌设有若干铜质的支撑点，通过加热使金属导热垫熔化成液态，然后再冷却成固态，金属导热垫与两侧的散热器及LED主板密致结合。本发明既可有效地解决有机封装容易变质的问题，有利于延长使用寿命，又可显著地提高UV LED的出光效率，并改善UV LED的导热效果。
Description
技术领域
本发明涉及LED照明灯具制造技术领域，尤其是涉及一种UV LED封装结构。
背景技术
LED照明灯具由于具有节能、使用寿命长等优点而得到越来越广泛的应用，随着技术的发展，目前，可发出特定波长的紫外线的UV LED也在工业生产上得到广泛的应用。目前，UV LED的封装大都沿用原有的LED封装技术和封装方式，即通过环氧树脂或硅胶等有机材料进行封装，从而导致UV LED在使用过程中会产生如下问题：由于UV LED工作发出的紫外光会使环氧树脂、硅胶之类的有机材料很快发黄变质，从而造成光衰，影响封装质量。另外，为了有利于散热，人们通常是在灯板与散热器之间设置导热硅脂，有机的导热硅脂在长期受到紫外光的辐射后同样存在容易变质的问题。为此，有人在中国专利文献上公开了一种“LED无机UV封装体”，其公告号为CN205282502U，具体包括：基板，其四周围绕有封装壁；复数个UV波段晶片；透光板，密闭地覆盖于该基板上，从而在该基板与该透光板之间形成一密闭空腔，如此让LED无机UV封装体无需以有机材料作为固晶胶体的封装结构，避免因有机材料的固晶胶体或有机材料绝缘胶体造成长时间UV曝照后的光衰问题产生。
然而上述UV LED封装方式仍然存在如下问题：首先，由于LED芯片的GaN的折射率、以及最外侧通常由玻璃制成的透光板或透光罩的折射率要远大于密闭空腔内气体的折射率，因此，较大的折射率差会导致全反射限制光的逸出较为严重，从而降低封装后LED的出光效率。其次，导热硅脂的导热系数通常为1.0-5.0W/mk，现在UV LED的功率越来越大，导热硅脂的导热性能已然难以满足要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的UV LED封装结构所存在的有机封装材料容易变质、全反射限制光的逸出严重、以及导热效果差的问题，提供一种UV LED封装结构，既可有效地解决有机封装容易变质的问题，有利于延长使用寿命，又可显著地提高UV LED的出光效率，并改善UV LED的导热效果。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种UV LED封装结构，包括散热器、密封地覆盖在散热器上由玻璃制成的透光罩，散热器与透光罩一起围成一个密闭空腔，在密闭空腔内设有LED主板，在LED主板上侧设有若干UV LED芯片，所述密闭空腔内充注有二硫化碳，所述UV LED芯片采用无影胶封装，在散热器与LED主板之间设有由低熔点合金制成的金属导热垫，所述金属导热垫的熔点在58℃-60℃之间。
首先，本发明在散热器与透光罩一起围成的密闭空腔内充注有透明的二硫化碳液体，由于二硫化碳的折射率要远大于气体的折射率，并且与玻璃制成的透光罩的折射率大致相同，因此，可显著地缩小UV LED芯片的GaN、透光罩以及密闭空腔内二硫化碳的折射率差，从而改善全反射限制光的逸出，有利于提高UV LED的出光效率。此外，本发明采用无影胶封装UV LED芯片，无影胶不会产生VOC挥发物，对环境空气无污染，并且可燃性低，可提高安全性。特别是，无影胶固化速度快、固化强度高，有利于提高封装效率，并且固化后完全透明、在紫外线的辐射下长期不变黄、不白化，因而可显著地延长UV LED的使用寿命。需要说明的是，本发明在散热器与LED主板之间设置由低熔点合金制成的金属导热垫，金属导热垫可通过冲压工艺制成与LED主板适配的形状，从而可方便准确地将金属导热垫设置在散热器与LED主板之间，避免金属导热垫的外露而破坏美观。UV LED在工作时，当金属导热垫的温度超过其熔点时，即由固态转变成液态，从而可完全填充散热器与LED主板之间的空隙以及散热器与LED主板表面的凹凸纹路；当UV LED停止工作时，金属导热垫的温度降低而低于熔点温度，金属导热垫重新固化，实现金属导热垫与散热器以及LED主板之间的密致结合。这样，LED主板的热量可通过密致接合的金属导热垫快速地传导到散热器上，从有利于UVLED的良好散热。
作为优选，所述金属导热垫内嵌设有若干铜质的支撑点，所述金属导热垫采用如下方法制成：先将低熔点合金轧制成薄板坯料，然后若干薄板坯料叠合固定在一起形成坯料堆；接着在叠合在一起的坯料堆上钻出若干间隔分布的镶嵌孔；将钻有镶嵌孔的坯料堆放置到一块轧制底板上，并在镶嵌孔内填充紫铜粉；在坯料堆上放置一块轧制顶板，然后进入轧钢机冷轧；分开坯料堆的每一层薄板坯料，此时薄板坯料的镶嵌孔内的紫铜粉因受到碾压延展而胀紧在镶嵌孔内；将薄板坯料进入轧钢机冷轧，从而得到符合厚度要求的金属导热垫，镶嵌孔内的紫铜粉被轧制成支撑点；当金属导热垫被组装到散热器与LED主板之间时，通过加热使金属导热垫熔化成液态，然后再冷却成固态，从而使金属导热垫与两侧的散热器及LED主板密致结合。
当金属导热垫的温度高于其熔点时，金属导热垫会转变成液态，此时嵌设在金属导热垫内由紫铜制成的支撑点仍然保持固态不变，从而可对LED主板与散热器形成良好的支撑，使LED主板与散热器之间的间隙保持不变，避免液态的金属导热垫因受到挤压而从LED主板与散热器之间的间隙内向外泄出，进而使冷却后形成的金属导热垫始终保持其厚度不变。由于紫铜具有良好的延展性，因此，当坯料堆进入轧钢机冷轧时，充满在坯料堆的镶嵌孔内的紫铜粉会因为挤压延展而相互粘结在一起，从而使每一片薄板坯料的镶嵌孔内的紫铜粉与薄板坯料连接成一体。当薄板坯料再次进入轧钢机冷轧后，既可得到符合厚度要求的金属导热垫，同时使镶嵌孔内的紫铜粉被轧制成与金属导热垫等厚的支撑点，并且支撑点与金属导热垫可靠连接在一起。可以理解的是，由薄板坯料叠合在一起形成的坯料堆可方便地加工出镶嵌孔，并在镶嵌孔内填充紫铜粉。本发明通过现有的冷轧工艺便可实现支撑点在金属导热垫内的方便嵌设，从而有利于提高其生产效率。
作为优选，所述金属导热垫的厚度在0.1-0.2mm之间，所述薄板坯料的厚度等于金属导热垫厚度的1.5倍至2倍。
通过合理地设计金属导热垫的厚度，既可实现LED主板与散热器之间热量的有效传导，同时方便加工和组装，薄板坯料通过冷轧后可方便压延形成符合厚度要求的金属导热垫，同时确保压延后的金属导热垫的镶嵌孔内的支撑点与金属导热垫的可靠连接。
作为优选，所述散热器包括间隔设置的固定基板和散热基板，所述LED主板通过金属导热垫连接在固定基板的一侧，固定基板和散热基板之间设有两端封闭的导热铜管，导热铜管一端嵌设在固定基板上远离LED主板一侧对应UV LED芯片处，导热铜管另一端嵌设在散热基板内，在导热铜管的内侧壁上设有通过烧结层，在导热铜管内设有液态的导热介质。
固定基板和散热基板可由铝合金压铸成型，而导热铜管可作为镶嵌件可靠地嵌设在固定基板和散热基板之间。由于导热铜管内设有液态的导热介质，而导热铜管上的烧结层具有大量细微的孔隙，从而使其具有毛细作用，液态的导热介质即可在烧结层的毛细作用下自主流动到导热铜管上靠近LED主板一端。当嵌设在固定基板内的导热铜管一端吸附在烧结层内的导热介质吸收来自LED主板的热量时，即可快速地蒸发成气体而迅速充满导热铜管内部，此时嵌设在散热基板内的导热铜管上温度较低的一端吸收导热介质气体的热量而使导热介质重新冷凝成液体，然后在烧结层的毛细作用下再次渗透到导热铜管上靠近LED主板一端，而散热基板吸收导热铜管上远离LED主板一端的热量并通过空气散发出去，从而实现UV LED芯片热量的快速转移。可以理解的是，本发明通过导热铜管可实现UV LED芯片的点对点散热，从而显著地提高导热效率。
作为优选，所述导热铜管采用如下方法制成：先用一个密封塞封堵一根铜管的一端开口，在密封塞内侧的中心设有与铜管同轴的圆形的定位槽，然后将铜管竖直固定，并且使密封塞位于铜管的下端；将一根长度大于铜管的定位杆从铜管上端的开口处放进铜管内，该定位杆包括中心的定位基杆以及螺旋状地紧密缠绕在定位基杆外侧的弹性片条，定位基杆的下端适配在定位槽内，定位杆伸出铜管的上端套设有定位环，定位环上径向地设有若干在圆周方向均匀分布的定位筋条；在铜管的上端套设一个上大下小的漏斗，并使定位筋条的外端抵靠漏斗的内侧壁，此时定位杆和铜管保持同轴，并在定位杆和铜管之间保持均匀的间隙；在漏斗内放入铜粉，铜粉进入铜管和定位杆之间的间隙内，然后进入烧结炉中烧结，铜管的内侧壁即形成厚度均匀的烧结层；完成烧结后，去除漏斗和定位环，即可向外抽出定位基杆，再向外抽出螺旋状的弹性片条；将铜管按长度要求切割成若干长度单元，在长度单元的二端焊接密封盖，并在一端的密封盖上设置充注口；通过充注口向长度单元内充注导热介质，并抽出空气形成负压，然后对充注口封口。
在进行铜管的烧结时，本发明创造性地用一根定位杆在铜管内分隔出一个均匀的间隙，从而可形成厚度一致的铜粉，进而可在铜管的内侧壁上烧结出厚度均匀一致的烧结层。通过控制定位杆的外径，我们可方便地控制烧结层的厚度，而漏斗和定位筋条的设置则可确保定位杆和铜管保持同轴，同时方便铜粉的注入。特别是，为了避免烧结时定位杆与烧结层之间产生粘结，本发明的定位杆包括中心的定位基杆和外侧的弹性片条，这样，烧结后，我们可先方便地向外抽出定位基杆，从而使定位片条内部形成空隙，此时即可方便地向外抽出有弹性且呈螺旋状的定位片条，使定位片条与烧结层分离。
因此，本发明具有如下有益效果：既可有效地解决有机封装容易变质的问题，有利于延长使用寿命，又可显著地提高UV LED的出光效率，并改善UV LED的导热效果。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图。
图2是金属导热垫的一种结构示意图。
图3是导热铜管在加工状态的结构示意图。
图中：1、LED主板 11、UV LED芯片 2、散热器 21、散热基板 22、固定基板 3、金属导热垫 4、透光罩 5、支撑点 6、定位杆 61、定位基杆 62、弹性片条 63、定位环 64、定位筋条 7、导热铜管 71、密封塞 72、漏斗 73、铜管。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示，一种UV LED封装结构，包括由铝合金制成的散热器2、密封地覆盖在散热器上由玻璃制成的透光罩4，散热器与透光罩一起围成一个密闭空腔，在密闭空腔内设置LED主板1，在LED主板上侧具有若干UV LED芯片11，UV LED芯片采用通过紫外线照射固化的无影胶封装，并在散热器与LED主板之间设置由低熔点合金制成的金属导热垫3，低熔点合金包括铋、铟、铜、银，其中铋的质量百分比为60-70%，铟的质量百分比为20%-35%，铜的质量百分比为2%-8%，银的质量百分比为0.2%-3.5%，从而使低熔点合金的熔点为在50℃-100℃之间。由于UV LED在工作时的温度通常会超过60℃，因此，我们可通过调整低熔点合金中各成分的质量百分比，使金属导热垫的熔点控制在58℃-60℃之间。
这样，UV LED在工作时，当金属导热垫的温度超过其熔点时，即由固态转变成液态，从而可完全填充散热器与LED主板之间的空隙以及散热器与LED主板表面的凹凸纹路；当UV LED停止工作时，金属导热垫的温度降低而低于熔点温度，金属导热垫重新固化，此时的金属导热垫与散热器以及LED主板之间即可密致结合。对于一些功率较小的UV LED，我们可通过加热装置使装配好的UV LED升温至超过金属导热垫的熔点，从而实现金属导热垫与散热器以及LED主板之间的密致结合。LED主板的热量可通过密致接合的金属导热垫快速地传导到散热器上，从有利于UV LED的良好散热。
此外，我们还可在密闭空腔内充注透明的二硫化碳液体。由于二硫化碳的折射率与玻璃制成的透光罩的折射率大致相同，因此，当UV LED芯片发光时，可显著地缩小透光罩与密闭空腔内二硫化碳的折射率差，从而改善全反射限制光的逸出，有利于提高UV LED的出光效率。
为了确保金属导热垫的厚度保持不变，如图2所示，我们可在金属导热垫4内嵌设若干直径在1-2mm的圆形的支撑点5，该支撑点可用紫铜制成，既可确保金属导热垫的导热性能，又可避免金属导热垫由固态转变成液态时支撑点的相变。具体地，金属导热垫可采用如下方法制成：第一步，先用冷轧等工艺将低熔点合金轧制成薄板坯料，然后将若干薄板坯料叠合固定在一起形成坯料堆；第二部，在叠合在一起的坯料堆上钻出若干间隔分布的镶嵌孔，镶嵌孔的孔径在1-2mm之间，各镶嵌孔在坯料堆上形成矩形阵列排布。也就是说，此时各薄板坯料上的镶嵌孔相互重合在一起；第三部，将钻有镶嵌孔的坯料堆放置到一块轧制底板上，并在坯料堆的上表面撒布粉末状的紫铜粉，通过来回划扫紫铜粉，即可使紫铜粉进入并充满镶嵌孔。可以理解的是，为了便于紫铜粉充满镶嵌孔，我们可先将少量的薄板坯料叠合在轧制底板上从而形成高度较低的坯料堆，等该坯料堆的镶嵌孔内充满紫铜粉后，我们可刮干净该坯料堆的上表面，然后在上面再叠合少量的薄板坯料，并在镶嵌孔内重新注入紫铜粉。以此类推，即可确保在高度较高的坯料堆的镶嵌孔内充满紫铜粉；第四部，在坯料堆上放置一块轧制顶板，使中间的坯料堆被夹持在轧制顶板和轧制底板之间，此时即可使坯料堆连同上下两侧的轧制顶板和轧制底板一起进入轧钢机冷轧；第五步，完成冷轧后，分开坯料堆的每一层薄板坯料，此时薄板坯料的镶嵌孔内的紫铜粉因受到碾压延展而胀紧在镶嵌孔内；第六步，将单张的薄板坯料进入轧钢机再次进行冷轧，从而得到符合厚度要求的金属导热垫，此时镶嵌孔内的紫铜粉被轧制成与金属导热垫等厚的圆形的支撑点。
当金属导热垫被组装到散热器与LED主板之间时，我们可通过加热使金属导热垫熔化成液态，然后再冷却成固态，从而使金属导热垫与两侧的散热器及LED主板密致结合。当UV LED工作时，一旦金属导热垫的温度高于其熔点温度时，金属导热垫熔化呈液态，此时嵌设在金属导热垫内由紫铜制成的支撑点仍然保持固态不变，从而可对LED主板与散热器形成良好的支撑，使LED主板与散热器之间的间隙保持不变，避免液态的金属导热垫因受到挤压而从LED主板与散热器之间的间隙内向外泄出，进而使金属导热垫始终保持其厚度不变。
本发明的金属导热垫的厚度可控制在0.1-0.2mm之间，相应地，薄板坯料的厚度可控制在金属导热垫厚度的1.5倍至2倍之间，从而方便薄板坯料通过冷轧工艺形成金属导热垫。
进一步地，本发明的散热器包括相互平行且间隔设置的固定基板22和散热基板21，LED主板通过金属导热垫连接在固定基板上远离散热基板的外侧，固定基板和散热基板之间置若干两端封闭的导热铜管7，导热铜管一端嵌设在固定基板上远离LED主板的内侧与UV LED芯片对应处，导热铜管另一端则嵌设在散热基板内。此外，在导热铜管的内侧壁上设置烧结层，并在导热铜管内设置液态的导热介质。固定基板和散热基板可由铝合金压铸成型，而导热铜管可作为镶嵌件可靠地嵌设在固定基板和散热基板内。由于导热铜管内设有液态的导热介质，而导热铜管上的烧结层具有大量细微的孔隙，从而使其具有毛细作用，液态的导热介质即可在烧结层的毛细作用下自主蔓延并吸附在整个导热铜管内侧壁的烧结层上。当嵌设在固定基板一端的导热铜管内吸附在烧结层内的导热介质吸收来自LED主板的热量时，即可快速地蒸发成气体而迅速充满导热铜管内部，此时导热铜管上嵌设在散热基板内温度较低的一端吸收导热介质气体的热量而使导热介质重新冷凝成液体，然后在烧结层的毛细作用下再次渗透到导热铜管上靠近LED主板一端，而嵌设在散热基板内的导热铜管则将吸收的热量通过散热基板散发出去，从而实现UV LED芯片热量的快速转移。由于导热铜管使设置在与UV LED芯片对应处，因此可实现UV LED芯片的点对点快速散热，从而显著地提高导热效率。
最后，本发明的导热铜管可采用如下方法制成：如图3所示，先用一个密封塞71封堵一根铜管73的一端开口，在密封塞内侧的中心设置与铜管同轴的圆形的定位槽，然后将铜管竖直固定，并且使密封塞位于铜管的下端；将一根长度大于铜管的定位杆6从铜管上端的开口处放进铜管内，该定位杆包括中心的定位基杆61以及螺旋状地紧密缠绕在定位基杆外侧的弹性片条62，缠绕有弹性片条的定位杆的外径比铜管的内径小0.5-0.7mm，定位基杆的下端适配在定位槽内，从而使定位杆的下端定位，定位杆伸出铜管的上端套设一个定位环63，该定位环上径向地设置6-8个在圆周方向均匀分布的定位筋条64；在铜管的上端套设一个上大下小的漏斗72，并使定位筋条的外端抵靠漏斗的内侧壁，此时定位杆和铜管保持同轴，并在定位杆和铜管之间形成0.25-0.35mm的均匀间隙；在漏斗内放入铜粉，铜粉进入铜管和定位杆之间的间隙内，然后进入烧结炉中烧结，铜管的内侧壁即形成厚度均匀的烧结层；完成烧结后，去除漏斗和定位环，由于定位基杆和弹性片条之间不会产生粘结，因此可方便地向外抽出定位基杆，此时定位片条内部形成空隙，因此可方便地再向外抽出螺旋状的弹性片条，使定位片条向中心收缩而与烧结层分离；将铜管按长度要求切割成若干长度单元，在长度单元的二端焊接密封盖，并在一端的密封盖上设置充注口；通过充注口向长度单元内充注导热介质，并抽出空气形成负压，然后对充注口封口。需要说明的是，导热介质优选地可采用三氯三氟乙烷，该导热介质的沸点在47℃-48℃之间，因而可确保在UV LED在工作时能可靠地蒸发。
Claims (5)
1.一种UV LED封装结构，包括散热器、密封地覆盖在散热器上由玻璃制成的透光罩，散热器与透光罩一起围成一个密闭空腔，在密闭空腔内设有LED主板，在LED主板上侧设有若干UV LED芯片，其特征是，所述密闭空腔内充注有二硫化碳，所述UV LED芯片采用无影胶封装，在散热器与LED主板之间设有由低熔点合金制成的金属导热垫，所述金属导热垫的熔点在58℃-60℃之间。
2.根据权利要求1所述的一种UV LED封装结构，其特征是，所述金属导热垫内嵌设有若干铜质的支撑点，所述金属导热垫采用如下方法制成：先将低熔点合金轧制成薄板坯料，然后若干薄板坯料叠合固定在一起形成坯料堆；接着在叠合在一起的坯料堆上钻出若干间隔分布的镶嵌孔；将钻有镶嵌孔的坯料堆放置到一块轧制底板上，并在镶嵌孔内填充紫铜粉；在坯料堆上放置一块轧制顶板，然后进入轧钢机冷轧；分开坯料堆的每一层薄板坯料，此时薄板坯料的镶嵌孔内的紫铜粉因受到碾压延展而胀紧在镶嵌孔内；将薄板坯料进入轧钢机冷轧，从而得到符合厚度要求的金属导热垫，镶嵌孔内的紫铜粉被轧制成支撑点；当金属导热垫被组装到散热器与LED主板之间时，通过加热使金属导热垫熔化成液态，然后再冷却成固态，从而使金属导热垫与两侧的散热器及LED主板密致结合。
3.根据权利要求1所述的一种UV LED封装结构，其特征是，所述金属导热垫的厚度在0.1-0.2mm之间，所述薄板坯料的厚度等于金属导热垫厚度的1.5倍至2倍。
4.根据权利要求1所述的一种UV LED封装结构，其特征是，所述散热器包括间隔设置的固定基板和散热基板，所述LED主板通过金属导热垫连接在固定基板的一侧，固定基板和散热基板之间设有两端封闭的导热铜管，导热铜管一端嵌设在固定基板上远离LED主板一侧对应UV LED芯片处，导热铜管另一端嵌设在散热基板内，在导热铜管的内侧壁上设有通过烧结层，在导热铜管内设有液态的导热介质。
5.根据权利要求4所述的一种UV LED封装结构，其特征是，所述导热铜管采用如下方法制成：先用一个密封塞封堵一根铜管的一端开口，在密封塞内侧的中心设有与铜管同轴的圆形的定位槽，然后将铜管竖直固定，并且使密封塞位于铜管的下端；将一根长度大于铜管的定位杆从铜管上端的开口处放进铜管内，该定位杆包括中心的定位基杆以及螺旋状地紧密缠绕在定位基杆外侧的弹性片条，定位基杆的下端适配在定位槽内，定位杆伸出铜管的上端套设有定位环，定位环上径向地设有若干在圆周方向均匀分布的定位筋条；在铜管的上端套设一个上大下小的漏斗，并使定位筋条的外端抵靠漏斗的内侧壁，此时定位杆和铜管保持同轴，并在定位杆和铜管之间保持均匀的间隙；在漏斗内放入铜粉，铜粉进入铜管和定位杆之间的间隙内，然后进入烧结炉中烧结，铜管的内侧壁即形成厚度均匀的烧结层；完成烧结后，去除漏斗和定位环，即可向外抽出定位基杆，再向外抽出螺旋状的弹性片条；将铜管按长度要求切割成若干长度单元，在长度单元的二端焊接密封盖，并在一端的密封盖上设置充注口；通过充注口向长度单元内充注导热介质，并抽出空气形成负压，然后对充注口封口。
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