CN109524374B - 一种led发光模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED发光模块，包括LED芯片、陶瓷板、金属板，其中，LED芯片安装在陶瓷板的上表面，金属板的表面设有凹槽，陶瓷板安装在凹槽里，陶瓷板的下表面带有金属镀层，陶瓷板通过金属镀层和金属板有凹槽的一面连接，金属板的另一面连接散热器。由于陶瓷板、金属板和散热器直接连接，因此具有更好的散热效果，另外陶瓷板上的电路为单层电路，也能够更好地节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及LED封装领域，更具体地说，涉及一种LED发光模块。
背景技术
发光二极管(LED)光源封装技术的核心问题是散热。散热的效率、或者说由散热效率决定的LED的节点温度直接影响LED的发光效率和寿命。尤其是功率密度大的光源，也就是大功率小尺寸的光源，大量热量产生于很小的区域。如何将热量分散、传输，使其离开发热的 LED芯片，是LED光源制造技术的关键。LED芯片散热的第一关口是电路板基板，也就是和芯片直接接触的物体。电路板基板主要提供三个功能：(1)为易碎易损的芯片提供机械支撑；(2)为LED芯片提供电驱动的线路；(3)为LED芯片提供热传导的路径。除了应具有一定的机械强度，电绝缘、和较高的导热性能外，电路板基板的材料和结构还应该和芯片保持热膨胀的匹配。商业成本也是需要考虑的重要因素。
陶瓷经常被用来作为LED芯片电路板的基板，因为陶瓷电绝缘，导热好，热膨胀系数和 LED芯片匹配。电路基板常用的陶瓷有氧化铝和氮化铝，导热系数分别约为30瓦/米*度和 270瓦/米*度。氧化铝和氮化铝的热膨胀系数分别约为7×10-6/K和4.5×10-6/K，氧化铝和氮化铝和LED芯片的热膨胀系数接近。但陶瓷脆，容易断裂或破碎。另外陶瓷尤其是氮化铝，价格昂贵。
发光模块，这里定义为，在电路板上排列成行列矩阵的LED芯片。芯片排成行列的原因是为了产生面光源。尤其是用于工业生产中固化胶水、油墨的紫外光源模块，辐射能量密度要求高，很多发光芯片紧凑地排列在一起。大量的热量产生于很小的面积里。发光模块的电路板基板的功能之一是将芯片的热量分散到基板中，再由基板传送到散热器中。用于能量密度高的散热器一般是水冷或热管连接的风冷散热器。发光模块电路板基板和散热器的界面连接非常重要，直接关系到热量的进一步传输。发光模块电路板基板和散热器的界面通常是导热膏。界面紧密连接是通过拧紧的机械螺丝完成。在工业化生产中，机械螺丝拧得太紧会造成陶瓷基板的破碎；但拧得不够紧，又可能使得基板和散热器的界面不够紧密，影响热流的通过。
现有发光模块电路板基板的技术缺陷如下：
现有商业产品的发光模块主要采用了两种电路板的结构和制造技术。第一种：灯珠/基板结构。先将LED芯片封装成灯珠，每颗灯珠1个或数个芯片。然后将许多灯珠组装在一块金属基电路板上。
图1是一个灯珠的结构示意图。陶瓷板11作LED芯片13的基板，陶瓷板11可以是氮化铝等，上表面有上层电路14，下表面有下层电路15。陶瓷板11有上下层电路通电孔12连接上层电路14和下层电路15。陶瓷板11的下表面还有导热焊盘16，LED芯片13通过光学透镜17封装。
图2显示许多灯珠21粘贴在一块电路基板24上。电路板是金属基电路板，分三层：下面是金属板24，一般为铜或铝；金属板24上面是电绝缘层23，一般为树脂和陶瓷粉的复合材料；电绝缘层23上是电路层(电路板22)，是铜。灯珠21和电路板22之间通过焊接连接。电路板22和散热器27的连接层是导热膏25；导热膏可以是永久性的粘接胶(thermal set)或是油脂类连接剂，通过机械螺丝维持紧密的界面接触。这个结构和制造方法是目前工业的主流。其缺点是导热性能不够好，还有很大的改善余地。导热性能不够好的原因是导热通道上的材料层次太多，每层材料都产生热阻。尤其是金属基电路板的绝缘层，树脂和陶瓷混合体组成的绝缘层的导热系数一般最好也就是3℃/瓦/米，显然电路板的电绝缘层是热通路的瓶颈。
出于改进以上结构的导热性能，业界出现了第二种结构：芯片/基板(chip onboard,COB)。关于芯片/基板结构，存在两种设想。一种想法是去掉陶瓷层，将芯片直接焊接在金属基电路板上。这种想法的问题是芯片的热膨胀系数，一般为5×10-6/℃，而金属铜的热膨胀系数为 18.3×10-6/℃，不匹配，而且金属基电路板的电绝缘层仍然造成热传导的瓶颈。另一种想法是去掉金属基电路板，如同图3所示，所有LED芯片33直接设置陶瓷板31上，电路板32也设置在陶瓷板31上，陶瓷板31的下表面不再设置电路，陶瓷板31通过螺丝35安装在散热器37上，陶瓷板31与散热器37之间填充导热膏34。不同于第一种的封装结构，芯片不是分别粘贴在许多小的陶瓷片上，所有芯片粘贴在一块大的陶瓷板上。原来在金属基电路板上的驱动电路也移植到大的陶瓷板上。显然这样的改进减少了热传导通道中材料的层次，尤其是去掉了金属基电路板和其中的导热瓶颈的电绝缘层，大大改善了结构的导热性能。从成本上考虑，有增加的部分，也有减少的部分。成本减少的部分是由于去掉了金属基电路板，陶瓷板由双面电路变成单面电路，去掉了陶瓷板上为了连接上下电路层所需的导电孔。陶瓷电路板中的打孔工艺的成本很高。增加部分是由于金属基电路板的驱动电路部分被移植到陶瓷板上，因此陶瓷板的尺寸增大。但是这种结构的一个致命缺陷是拧紧螺丝的力度掌握不好，会导致陶瓷板的破碎。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的散热差、加工成本高，安装时候容易造成陶瓷板破碎等问题，本发明提供了一种LED发光模块，它可以实现散热好，加工简单，成本低以及安装稳定牢固等效果。
2.技术方案
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种LED发光模块，包括LED芯片、陶瓷板、金属板，其中，LED芯片固定在陶瓷板上，金属板的一面上设有凹槽，陶瓷板安装在金属板的凹槽里，陶瓷板的另一面连接金属板，金属板直接连接在散热器上，热通道上没有导热瓶颈，可以取得更好的导热性能。本发明通过金属板与散热器等连接，无需在陶瓷板上打孔，避免陶瓷板受力破碎。
进一步地，安装在凹槽里的陶瓷板和金属板表面平齐，以便于后期安装。
进一步地，金属板的材质为铜或表面镀镍或镀铜的铝。和铝相比，用铜制作金属板，导热效果更好。当然，也可以用表面镀镍的铝来做金属板，不过铝的导热性能略差，散热效果略差。
进一步地，陶瓷板的厚度为0.2mm-1mm。当陶瓷板的厚度在0.5mm时，可以取得最佳的散热效果。
进一步地，陶瓷板的上表面设置有电路。和现有技术中陶瓷板上下两侧都设计有电路的双层电路的结构相比，只在陶瓷板的一侧设计有单层电路的结构不需要连接上下层电路的导电通孔，能够有效降低成本，同时避免了在陶瓷板上打孔。
进一步地，金属板的非凹槽部分具有绝缘涂层，绝缘涂层上设置有电路。本发明可以将对散热要求高的电路设置在陶瓷板上，将散热要求低的电路设置在金属板上，提高空间利用率，大大提高散热效率。
进一步地，陶瓷板上的电路和金属板上的电路之间通过零欧姆电阻连接。当然零欧姆电阻也可以用铜导线代替。
进一步地，陶瓷板的下表面具有金属镀层，陶瓷板的下表面与金属板的凹槽表面接触。这样能够取得比较好的散热效果。
进一步地，陶瓷板的下表面通过焊锡膏和金属板连接。用焊锡膏连接陶瓷板和金属板能够取得比较好的散热效果。
金属板的非凹槽处设有通孔，所述的金属板通过螺钉固定在散热器上。避免了现有技术中螺钉打在陶瓷板上容易造成陶瓷板破裂的问题。
进一步地，所述金属板上的通孔为4个。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)导热性能好。相对前述第一种结构，芯片粘贴在陶瓷板上，陶瓷板焊接在金属板上，金属板直接连接在散热器上，热通道上没有导热瓶颈。
(2)制造成本低。相对前述的第一种结构，陶瓷板是单层电路结构，没有连接上下层电路的导电通孔；相对前述的第二种结构，陶瓷板的用材减少，替代为成本较低的金属板，总成本降低。
(3)相对前述第二种结构，避免了机械螺丝拧紧时产生的应力对陶瓷板的破坏，因为螺丝拧在金属板上。
附图说明
图1为单颗LED芯片封装的发光灯珠的剖面结构示意图；
图2为现有的发光模块结构第一种模式：灯珠/基板的发光模块及安装其上的散热器的剖面结构示意图；
图3为现有的发光模块结构第二种模式：芯片/基板的发光模块及安装其上的散热器的剖面结构示意图；
图4为本发明及安装其上的散热器的剖面结构示意图；
图5为本发明的立体示意图；
图6为本发明的俯视图；
图7为本发明的侧视图
图中标号说明：
图1中，11：陶瓷板；12：上下层电路通孔；13：LED芯片；14：上层电路；15：下层电路；16：导热焊盘；17：光学透镜。
图2中，21：灯珠；22：电路板；23：电绝缘层；24：金属板；25：导热膏；26：螺丝； 27：散热器。
图3中，31：陶瓷板；32：电路板；33：LED芯片；34：导热膏；35：螺丝；36：透镜； 37：散热器。
图4中，41：金属板；42：陶瓷板；43：LED芯片；45：导热膏；46：螺丝；47：透镜； 49：散热器。
图5中，41：金属板；42：陶瓷板；52：零欧姆电阻；53：凹槽；54：通孔。
图6中，41：金属板；42：陶瓷板；51：零欧姆电阻焊盘；52：零欧姆电阻；54：通孔。
图7中，41：金属板；42：陶瓷板；47：透镜。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
金属例如铜很少用来作为LED芯片的电路板基板，虽然其导热系数高，400瓦/米度，机械强度好，价格相对陶瓷便宜很多，但它导电，且其热膨胀系数16.5x10-6/K，远大于半导体芯片的热膨胀系数。本发明结合陶瓷和金属铜的优点，将陶瓷和铜焊接在一起，做成陶瓷和铜的复合型电路板基板。金属基电路板的绝缘层，树脂和陶瓷混合体组成的绝缘层的导热系数一般最好也就是3瓦/米*度，相比之下铜的导热系数约为400瓦/米*度。
当然，金属板也可以采用其他金属制作，如用铝制成，相比之下，铝的导热系数约为200 C/瓦/米，导热效果比铜略差，虽然铝的导热系数较铜低，但其比重(2.73g/cm3)是铜的比重 (8.9g/cm3)约1/3，制作的电路板比较轻。不过铝很难直接和陶瓷焊接，所以在具体实施的时候需要在铝的表面镀上一层可以直接焊接的金属，如镍、铜等。
如图4-7所示，LED发光模块的电路基板有两部分：陶瓷板42和金属板41，金属板41的上表面设有凹槽53，陶瓷板42安装在凹槽53里，陶瓷板42上表面安装有LED芯片43，陶瓷板上设置有电路与LED芯片43相连。上述电路为单层电路，设置在陶瓷板42的上表面，陶瓷板42的下表面没有电路，因此无需在陶瓷板42上设置连接上下电路的穿孔，因而可以节约成本。陶瓷板42的下表面有金属镀层，其通过金属镀层和金属板41相连。将陶瓷板42 安装在金属板41上的方式有很多种，本发明利用焊锡膏将陶瓷板42焊接在金属板41上，使用焊锡膏可以获得更好的导热效果。金属板41上有凹槽53，陶瓷板42安装在凹槽53里，凹槽53的深度比陶瓷板42的厚度稍厚，这样安装在凹槽53里的陶瓷板42和金属板41表面平齐。在金属板41的非凹槽的部分，有电绝缘涂层，在绝缘层上设置有电路。陶瓷板42上的电路和金属板41上的电路是通过零欧姆电阻52来连接，在具体实施时，也可以用铜导线来代替零欧姆电阻。在金属板41上有为机械螺丝46匹配的通孔54，使用螺丝46将金属板与散热器49进行连接。
由于陶瓷的价格昂贵，为了节省成本，在设计电路的时候，可以选择将部分散热要求高的电路设计在陶瓷板42上，部分散热要求不高的电路设计在金属板41上；当然也可以选择将全部电路设计在金属板41上或者全部设计在陶瓷板42上。
在具体实施时，金属板41上的凹槽53可以设计成四条边均小于对应的金属板41的四条边的边长，也可以设计成其中两条平行边的边长和对应的金属板41的两条平行边的边长相等。
制造工艺是：(1)分别制造陶瓷电路板和金属电路板。(2)将芯片粘贴(焊锡膏或银胶) 到陶瓷电路板上，成行成列。(3)将陶瓷电路板用焊锡膏焊接到金属电路板上。(4)连接陶瓷电路板和金属电路板的零欧姆电阻，和其它电子元件用焊锡膏焊接到金属电路板上。(5) 在散热器上涂导热膏，用机械螺丝把金属电路板拧接到散热器上。
以6×12 72芯紫外光LED发光模块为例，2.5mm厚的金属板41中镶嵌着一块0.2mm-1.0mm厚度的氮化铝的陶瓷板42，实验表明陶瓷板42的厚度为0.5mm厚时可以取得最佳的散热效果。陶瓷板42表面有银的电路走线，是采用丝网印刷银浆、厚膜烧结工艺将银镀在陶瓷板表面。72颗紫外光LED芯片43，采用焊锡工艺，用96.5锡-3银-0.5铜的共晶焊锡膏,熔点是219℃,回流焊峰值温度保持在250℃，粘贴在氮化铝的陶瓷板42上。通过银的电路走线，LED芯片连成6并12串的结构。陶瓷板42和其上的LED芯片43封装好后，将陶瓷板42焊接到金属板41的凹槽53里。陶瓷板42的背面全部表面镀上银，镀银采用丝网印刷银浆、厚膜烧结工艺制作。焊接的焊锡膏是58铋-42锡，熔点是138℃。回流焊的峰值温度保持在160℃。金属板41的凹槽53的深度和陶瓷板42的厚度相近，安装以后，金属板 41的表面和陶瓷板42的表面平齐。金属板41上涂有绝缘层，绝缘层上印有电路。陶瓷板42 上的电路和金属板41上的电路通过零欧姆电阻52跨接完成，金属板41上设置有零欧姆电阻焊盘52，零欧姆电阻51设置在零欧姆电阻焊盘52上。
陶瓷板42上的电路和金属板41上的电路采用零欧姆电阻51连接的原因是可以有效降低成本，当然也可以采用铜导线实现电路之间的连接。
这样的结构和工艺流程的好处是：(1)导热性能好。芯片粘贴在陶瓷板上，陶瓷板焊接在金属板上，金属板直接连接在散热器上。热通道上没有导热瓶颈。(2)制造成本低。相对前述的第一种结构，陶瓷板是单层电路结构，没有连接上下层电路的导电通孔。在脆性陶瓷板上打孔一般用激光。打孔后还需填充导电的材料，和后续的烧结。加工成本可观。甚至超过陶瓷材料本身的价格。相对前述的第二种结构，陶瓷板的面积减少，换之为金属板。陶瓷的价格，尤其是氮化铝的价格比金属板高很多。(3)避免了机械螺丝拧紧时产生的应力对陶瓷板的破坏，因为螺丝拧在金属板上。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (6)
1.一种LED发光模块，包括LED芯片、陶瓷板，其特征在于：还包括金属板，其中，所述LED芯片安装在陶瓷板的上表面，金属板的表面设有凹槽，陶瓷板安装在所述凹槽里，所述陶瓷板的上表面设置有电路，所述的金属板的非凹槽部分具有绝缘涂层，绝缘涂层上设置有电路，所述陶瓷板的下表面具有金属镀层，所述陶瓷板的下表面与金属板的凹槽表面接触，陶瓷板的下表面通过焊锡膏和金属板连接。
2.根据权利要求1所述的LED发光模块，其特征在于：安装在凹槽里的陶瓷板的上表面和金属板的上表面平齐。
3.根据权利要求1所述的LED发光模块，其特征在于：所述金属板的材质为铜，或表面镀镍或镀铜的铝。
4.根据权利要求1所述的LED发光模块，其特征在于：所述陶瓷板的厚度为0.2mm-1mm。
5.根据权利要求4所述的LED发光模块，其特征在于：所述的陶瓷板上的电路和金属板上的电路之间通过零欧姆电阻或铜导线连接。
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的LED发光模块，其特征在于：所述的金属板的非凹槽处设有通孔，所述的金属板通过螺钉固定在散热器上。
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