CN114530440A - 一种超大功率白光led光源模组及封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超大功率白光LED光源模组及封装方法，属于LED光源模组及封装技术领域，包括基板、蓝光LED芯片组、独立散热支架、固态荧光片和绝缘导热透明垫块，所述蓝光LED芯片组固定在基板上并实现电气连接；所述独立散热支架固定在基板上并对蓝光LED芯片组形成围坝，所述围坝内沿设有台阶；所述固态荧光片固定在所述台阶上，并位于蓝光LED芯片组正上方；所述绝缘导热透明垫块安装在固态荧光片与蓝光LED芯片组之间；所述绝缘导热透明垫块通过共晶焊固定设于蓝光LED芯片组的间隙之间；绝缘导热透明垫块高度高于蓝光LED芯片组高度,其顶部与固态荧光片底部实现有效接触；本发明有效解决了现有荧光陶瓷片粘接封装存在热阻大，影响LED光源封装可靠性的问题。
Description
技术领域
本发明涉及LED光源模组及封装技术领域，具体为一种超大功率白光LED光源模组及封装方法。
背景技术
目前荧光转化型LED光源是获得白光光源最主要的技术路线，其原理：以蓝宝石/碳化硅/硅为衬底的蓝光LED芯片通过激发荧光粉发出白光实现的。其中荧光粉以及荧光粉的涂覆技术作为白光LED封装技术的关键技术之一，已经成为产业发展的核心技术壁垒，而当前国内大功率白光LED荧光粉涂覆技术主要是点胶法来实现，也即通过把荧光粉混入硅胶实现的，本质上是一混合物包裹在蓝光芯片上，一方面因硅胶等基质是有机物，难以承受高功率密度（工作温度均在200℃以内）；另一方面混合物的方式导致产品一致性难以把控，严重影响产品效率和质量。
透明荧光陶瓷因其良好的抗高温猝灭特性、高热导率特性在大功率、超大功率固态照明中备受瞩目。荧光材料在荧光转化时存在能量损失，导致荧光转化层发热，特别是在大功率、高功率密度的荧光转化型LED光源中，荧光转化层的散热问题占据主导地位。当前的基于荧光陶瓷的封装方式主要是通过采用硅胶等有机物对荧光陶瓷进行粘接封装，一方面热流负荷很高，这种单一散热通道难以满足高功率流密度的光源散热，另一方面，硅胶等有机物粘接剂热导率在0.2W/（m•K）-2W/（m•K），热阻很大，同时硅胶等有机物粘接剂耐受高温性能差，容易老化开裂，严重影响大功率LED光源的封装可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述荧光陶瓷片封装采用硅胶等有机物粘接剂对荧光陶瓷进行粘接封装，存在硅胶等有机物粘接剂热阻大，耐受高温性能差，容易老化开裂，严重影响大功率LED光源的封装可靠性，本发明提供了一种散热效果好、成本低廉、功率密度大的超大功率白光LED光源模组。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种超大功率白光LED光源模组，包括基板、蓝光LED芯片组、独立散热支架、固态荧光片和绝缘导热透明垫块，所述蓝光LED芯片组固定在基板上并实现电气连接；所述独立散热支架固定在基板上并对蓝光LED芯片组形成围坝，所述围坝内沿设有台阶；所述固态荧光片固定在所述台阶上，并位于蓝光LED芯片组正上方；所述绝缘导热透明垫块安装在固态荧光片与蓝光LED芯片组之间；所述绝缘导热透明垫块通过共晶焊固定设于蓝光LED芯片组的间隙之间,绝缘导热透明垫块高度高于蓝光LED芯片组高度,且其顶部与固态荧光片底部实现有效接触。
进一步，所述固态荧光片在紫外光或者400-500nm蓝色可见光激发下可发射380nm-780nm的可见光，其荧光量子产额为50%-98%，同时对于380nm-780nm可见光或红外光有良好的透过性,固态荧光片1还具有良好导热性，热导率高于10W/m•K。
进一步，所述固态荧光片的基材为透明陶瓷、玻璃、单晶中的一种。
进一步，所述绝缘导热透明垫块对于380nm-780nm可见光或紫外光有良好的透过性，其材质为透明陶瓷或透明单晶。
进一步，所述固态荧光片与独立散热支架通过高温封接工艺连接在一起，使独立散热支架连接层与固态荧光片具有良好的热膨胀匹配性，对独立散热支架和固态荧光片起到良好的缓冲作用，同时缓冲层能够耐受高温200℃-1500℃，导热系数大于10W/m•K，并且能够保证固态荧光片与独立散热支架的连接可靠性。
进一步，所述独立散热支架两端向外延伸并超出基板边沿后与外部热沉的连接，对光源模组形成3D立体散热结构。
进一步，一种超大功率白光LED光源模组中所述焊接封接工艺包含以下步骤：
S1：制备金属化膏剂
将钼粉料、锰粉料、二氧化钛粉料和粘接剂按重量比为(45～75)：(5～22)：(10～15)：(10～23)搅拌混合均匀后进行湿磨，得到粒度为1.3-1.8μm的金属化膏剂；
S2：将S1所得到的金属膏剂印刷在固态荧光片焊接位置，烘烤，烧结去除有机物杂质；
S3：上镍，镀银或镀金；
S4：根据封装模组尺寸准备独立散热支架，并定位固定固态荧光片，以140～160℃的温度烘烤8～18h，得半成品；
S5：将S4烘烤得到的半成品送入烧结炉中进行真空烧结，烧结温度为1500～1600℃，烧结时间为4～6h，制得成品。
进一步，所述独立散热支架采用热导率高于20W/m•K的金属材质制成。
本发明提供的一种超大功率白光LED光源模组及封装方法，具备以下有效效果：
本发明采用金属陶瓷一体化复合封装技术，有效改善光源荧光层散热性能和封装可靠性，同时工艺简单成熟，适合批量生产，成本低廉；本发明的独立散热支架增加光源模组荧光层散热通道，形成远程荧光激发结构，可以避免芯片和荧光层的热量相互影响，有效减少热流累积，降低节温，提高光源寿命，独立散热结构加工方便、结构灵活；本发明固态荧光片的为主要的荧光转化层，能够耐受高功率密度光热辐射，可实现大功率小发光面出光，可制备千瓦级的白光LED光源，满足远程搜救探照灯、投影仪光源等特种领域的需求，同时，本发明透明荧光陶瓷具有良好的致密性，有效防止盐雾腐蚀，在海上船舶、港口码头等领域有非常出色的优势。
本发明通过调节蓝光LED芯片组排布及数量和固态荧光片发光离子掺杂浓度及厚度来调节色坐标，可得到高光效、高流明密度的白光LED光源；所述绝缘导热透明垫块具有良好的绝缘性、导热性以及可见光透过性；拥有良好的散热特性和封接可靠性，封接效果有良好的气密性，本发明采用的陶瓷金属一体化封接工艺，封接层免除有机物粘接方式，能够降低荧光层热阻，快速带走光源模组热量，有效降低模组节温；同时陶瓷金属一体化封接层能保证良好的气密性，对蓝光模组电路实现有效的保护；本发明操作便捷，实用性强，有效解决了现有荧光陶瓷片封装采用硅胶等有机物粘接剂对荧光陶瓷进行粘接封装，存在硅胶等有机物粘接剂热阻大，耐受高温性能差，容易老化开裂，严重影响大功率LED光源封装可靠性的问题。
附图说明
图1为本发明超大功率白光LED光源模组的结构示意图。
图2为本发明超大功率白光LED光源模组独立散热支架的俯视结构示意图。
图中，1-固态荧光片，2-独立散热支架，3-基板，4-蓝光LED芯片组，5-绝缘导热透明垫块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或同种要素。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，如图1-2所述，本发明提供的一种超大功率白光LED光源模组，包括基板3、蓝光LED芯片组4、独立散热支架2、固态荧光片1和绝缘导热透明垫块5，所述蓝光LED芯片组4固定在基板3上并实现电气连接，在基板3上采用共晶焊固定蓝光LED芯片组4和绝缘导热透明垫块5，绝缘导热透明垫块5分布在蓝光LED芯片组4间隙之间；基板3上设置可与电源连接的正电极与负电极；蓝光LED芯片组4中的芯片通过金属导线串联后再并联连接在基板3正负电极上；所述独立散热支架2固定在基板3上并对蓝光LED芯片组4形成围坝，所述围坝内沿设有台阶；所述固态荧光片1固定在所述台阶上，并位于蓝光LED芯片组4正上方，形成远程荧光激发结构，固态荧光片1与绝缘导热透明垫块5接触，同时远离蓝光芯片；所述绝缘导热透明垫块5安装在固态荧光片1与蓝光LED芯片组4之间；所述绝缘导热透明垫块5通过共晶焊固定设于蓝光LED芯片组4的间隙之间；绝缘导热透明垫块5高度高于蓝光LED芯片组4高度,且其顶部与固态荧光片1底部实现有效接触；通过调节蓝光LED芯片组4排布及数量和固态荧光片1发光离子掺杂浓度及厚度来调节色坐标，可得到高光效、高流明密度的白光LED光源，实现远程荧光技术，通过独立的立体散热结构对荧光层进行散热。
所述独立散热支架2内壁设有向内凹陷的多条气流纹路，对超大功率白光LED光源模组产生的热量进行疏导，所述固态荧光片1与独立散热支架2通过高温封接工艺连接在一起，使独立散热支架2连接层与固态荧光片1具有良好的热膨胀匹配性，对独立散热支架2和固态荧光片1起到良好的缓冲作用，同时缓冲层能够耐受高温200℃-1500℃，导热系数大于10W/m•K，并且能够保证固态荧光片1与独立散热支架2的连接可靠性；所述独立散热支架2采用热导率高于20W/m•K的金属材质制成；所述独立散热支架2两端向外延伸并超出基板3边沿后与外部热沉的连接，对光源模组形成3D立体散热结构，本发明的独立散热支架2增加光源模组荧光层散热通道，形成远程荧光激发结构，可以避免蓝光LED芯片组4和荧光层的热量相互影响，有效减少热流累积，降低节温，提高光源寿命，独立散热结构加工方便、结构灵活。
所述固态荧光片1的基材为透明陶瓷、玻璃、单晶中的一种；固态荧光片1的基材采用透明陶瓷，包含钇铝石榴石（Y3Al5O12, YAG）、镥铝石榴石（Lu3Al5O12，LuAG）、尖晶石（MgAl2O4）、CaAlSiN3、Al2O3中一种或多种组合，荧光掺杂稀土离子为Ce3+、Eu2+、Mn4+、Mn2+、Cr3 +等中的一种或者多种组合所述固态荧光片1主要为荧光转化层，固态荧光片1采用荧光陶瓷使其具备良好的致密性，有效防止盐雾腐蚀，同时可实现大功率小发光面出光，耐受高功率密度光热辐射，所述固态荧光片1在紫外光或者400-500nm蓝色可见光激发下可发射380nm-780nm的可见光，其荧光量子产额为50%-98%，同时对于380nm-780nm可见光或红外光有良好的透过性；所述固态荧光片1还具有良好导热性，热导率高于10W/m•K；所述绝缘导热透明垫块5对于380nm-780nm可见光或紫外光具有良好的透过性，其材质为透明陶瓷或透明单晶。
本发明提供的一种超大功率白光LED光源模组焊接封接工艺的实现方案是采用的陶瓷金属一体化封接工艺，封接层免除有机物粘接方式，能够降低荧光层热阻，快速带走光源模组热量，有效降低模组节温；同时陶瓷金属一体化封接层能保证良好的气密性，对蓝光模组电路实现有效的保护，超大功率白光LED光源模组封装方法，包含以下步骤：
S1：制备金属化膏剂
将钼粉料、锰粉料、二氧化钛粉料和粘接剂按重量比为(45～75)：(5～22)：(10～15)：(10～23)搅拌混合均匀后进行湿磨，得到粒度为1.3-1.8μm的金属化膏剂；
S2：将S1所得到的金属膏剂印刷在固态荧光片1焊接位置，烘烤，烧结去除有机物杂质；
S3：上镍，镀银或镀金；
S4：根据封装模组尺寸准备独立散热支架2，固定定位固态荧光片1，以140～160℃的温度烘烤8～18h，得半成品；
S5：将S4烘烤得到的半成品送入烧结炉中进行真空烧结，烧结温度为1500～1600℃，烧结时间为4～6h，制得成品。
本发明中钼粉料、锰粉料、二氧化钛粉料和粘接剂经申请人试验测试得按重量比为60：15：12：17搅拌混合均匀后进行湿磨，得到粒度为1.5μm的金属化膏剂，制备出的超大功率白光LED光源模组能够降低荧光层热阻，快速带走光源模组热量，有效降低模组节温，从而提高其稳定性以及使用寿命，经检测制备出的光源模组热导率高于20W/m•K；经申请人测试本发明中钼粉料、锰粉料、二氧化钛粉料和粘接剂经申请人试验测试得按重量比为60：15：12：15搅拌混合均匀后进行湿磨，得到粒度为1.5μm的金属化膏剂，将得到的金属膏剂印刷在固态荧光片1焊接位置，烘烤，烧结去除有机物杂质，制备出的超大功率白光LED光源模组封装可靠性不足，易造成热阻大，耐受高温性能差，从而影响其使用寿命，经检测制备出的光源模组热导率低于14W/m•K；若本发明中钼粉料、锰粉料、二氧化钛粉料和粘接剂经申请人试验测试得按重量比为60：15：12：18搅拌混合均匀后进行湿磨，得到粒度为1.5μm的金属化膏剂，将得到的金属膏剂印刷在固态荧光片1焊接位置，烘烤，烧结去除有机物杂质，制备出的超大功率白光LED光源模组热导传输效率低，容易老化开裂，严重影响大功率LED光源封装可靠性，经检测制备出的光源模组热导率低于12.5W/m•K。
本发明中钼粉料、锰粉料、二氧化钛粉料和粘接剂经申请人试验测试得按重量比为59：15：12：15搅拌混合均匀后进行湿磨，得到粒度为1.5μm的金属化膏剂，将得到的金属膏剂印刷在固态荧光片1焊接位置，烘烤，烧结去除有机物杂质，制备出的超大功率白光LED光源模组，经检测热导率低于12W/m•K，热流负荷较高，对高功率流密度的光源散热不足，严重将会影响其使用寿命；若本发明中钼粉料、锰粉料、二氧化钛粉料和粘接剂经申请人试验测试得按重量比为61：15：12：15搅拌混合均匀后进行湿磨，得到粒度为1.5μm的金属化膏剂，将得到的金属膏剂印刷在固态荧光片1焊接位置，烘烤，烧结去除有机物杂质，制备出的超大功率白光LED光源模组，经检测热导率低于13.5W/m•K，LED照明功率密度较低，对高功率流密度的光源散热不足，影响光源可靠性及LED光源寿命。
本发明中钼粉料、锰粉料、二氧化钛粉料和粘接剂经申请人试验测试得按重量比为60：15：12：17搅拌混合均匀后进行湿磨，得到粒度为1.5μm的金属化膏剂，制备出的超大功率白光LED光源模组能够降低荧光层热阻，快速带走光源模组热量，有效降低模组节温，从而提高其稳定性以及使用寿命，经检测热导率高于20W/m•K；经申请人测试本发明中钼粉料、锰粉料、二氧化钛粉料和粘接剂经申请人试验测试得按重量比为60：15：12：17搅拌混合均匀后进行湿磨，得到粒度为1.4μm的金属化膏剂，将得到的金属膏剂印刷在固态荧光片1焊接位置，烘烤，烧结去除有机物杂质，制备出的超大功率白光LED光源模组焊接连接稳固性不足，易造成热阻大，耐受高温性能差，从而影响其使用寿命，经检测热导率低于18.5W/m•K；若本发明中钼粉料、锰粉料、二氧化钛粉料和粘接剂经申请人试验测试得按重量比为60：15：12：18搅拌混合均匀后进行湿磨，得到粒度为1.6μm的金属化膏剂，将得到的金属膏剂印刷在固态荧光片1焊接位置，烘烤，烧结去除有机物杂质，制备出的超大功率白光LED光源模组热导传输效率低，容易老化开裂，严重影响大功率LED光源封装可靠性，经检测热导率低于19.5W/m•K。
综上所述参照本申请超大功率白光LED光源模组封装方法中制备金属化膏剂配比成份混合均匀后进行湿磨，按照本申请操作步骤生产出的超大功率白光LED光源模组能够降低荧光层热阻，快速带走光源模组热量，有效降低模组节温，从而提高其稳定性以及使用寿命，其热导率优于本申请实施例以及现有技术中硅胶等有机物粘接剂生产出的光源模组，避免了热阻大，耐受高温性能差，易老化开裂，严重影响大功率LED光源封装可靠性的问题出现。
本发明采用模组级3D立体散热远程荧光封装结构设计，增强单颗LED光源功率，提高LED照明功率密度，提高光源可靠性及延长LED光源寿命；本发明固态荧光片1与独立散热支架2连接，同时置于绝缘导热透明垫块5上，实现远程荧光技术，通过独立的立体散热结构对荧光层进行散热；再通过绝缘导热透明垫块5来完成大功率白光LED光源模组的大部分导热，构成固态荧光片1-绝缘导热透明垫块5-独立散热支架2的导热通道；通过三重导热通道的设计将大功率白光LED光源模组的热源分隔开来进行充分的导热，固态荧光片1和蓝光LED芯片组4的热量通过各自的通道到达基板3，再由基板3导致热沉传递到空气中，同时通过独立散热支架2内壁设置的气流纹路，提高大功率白光LED光源模组内热量传递效率，从而降低固态荧光片1和蓝光LED芯片组4两者的温度，提高其使用寿命；本发明通过陶瓷金属一体化封装技术解决荧光陶瓷片封装问题，保证良好的散热特性和封接可靠性，提供一种超大功率、超高功率密度的LED光源。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种超大功率白光LED光源模组，包括基板（3）、蓝光LED芯片组（4）、独立散热支架（2）、固态荧光片（1）和绝缘导热透明垫块（5），所述蓝光LED芯片组（4）固定在基板（3）上并实现电气连接；所述独立散热支架（2）固定在基板（3）上并对蓝光LED芯片组（4）形成围坝，所述围坝内沿设有台阶；所述固态荧光片（1）固定在所述台阶上，并位于蓝光LED芯片组（4）正上方；所述绝缘导热透明垫块（5）安装在固态荧光片（1）与蓝光LED芯片组（4）之间；其特征在于：所述绝缘导热透明垫块（5）通过共晶焊固定设于蓝光LED芯片组（4）的间隙之间,绝缘导热透明垫块（5）高度高于蓝光LED芯片组（4）高度,且其顶部与固态荧光片（1）底部实现有效接触。
2.根据权利要求1所述的超大功率白光LED光源模组，其特征在于：所述固态荧光片（1）在紫外光或者400-500nm蓝色可见光激发下可发射380nm-780nm的可见光，其荧光量子产额为50%-98%，同时对于380nm-780nm可见光或红外光有良好的透过性,固态荧光片（1）还具有良好导热性，热导率高于10W/m•K。
3.根据权利要求1或2所述的超大功率白光LED光源模组，其特征在于：所述固态荧光片（1）的基材为透明陶瓷、玻璃、单晶中的一种。
4.根据权利要求1所述的超大功率白光LED光源模组，其特征在于：所述绝缘导热透明垫块（5）对于380nm-780nm可见光或紫外光具有良好的透过性，其材质为透明陶瓷或透明单晶。
5.根据权利要求1所述的超大功率白光LED光源模组，其特征在于：所述固态荧光片（1）与独立散热支架（2）通过高温封接工艺连接在一起，使独立散热支架（2）连接层与固态荧光片（1）具有良好的热膨胀匹配性，对独立散热支架（2）和固态荧光片（1）起到良好的缓冲作用，同时缓冲层能够耐受高温200℃-1500℃，导热系数大于10W/m•K，并且能够保证固态荧光片（1）与独立散热支架（2）的连接可靠性。
6.根据权利要求1或5所述的超大功率白光LED光源模组，其特征在于：所述独立散热支架（2）两端向外延伸并超出基板（3）边沿后与外部热沉的连接，对光源模组形成3D立体散热结构。
7.根据权利要求1或5所述焊接封接工艺包含以下步骤： S1：制备金属化膏剂 将钼粉料、锰粉料、二氧化钛粉料和粘接剂按重量比为(45～75)：(5～22)：(10～15)：(10～23)搅拌混合均匀后进行湿磨，得到粒度为1.3-1.8μm的金属化膏剂； S2：将S1所得到的金属膏剂印刷在固态荧光片（1）焊接位置，烘烤，烧结去除有机物杂质； S3：上镍，镀银或镀金； S4：根据封装模组尺寸准备独立散热支架（2），并定位固定固态荧光片（1），以140～160℃的温度烘烤8～18h，得半成品；
S5：将S4烘烤得到的半成品送入烧结炉中进行真空烧结，烧结温度为1500～1600℃，烧结时间为4～6h，制得成品。
8.根据权利要求6或7所述的超大功率白光LED光源模组，其特征在于：所述独立散热支架（2）采用热导率高于20W/m•K的金属材质制成。
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| CN202210030769.2A CN114530440A (zh) | 2022-01-12 | 2022-01-12 | 一种超大功率白光led光源模组及封装方法 |
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