CN1824990A - 一种高效、高亮度半导体照明光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效、高亮度半导体照明光源，其具有灯头和玻壳，其特征在于灯内设有金属板，金属板上背向灯头一侧覆盖有一层导热陶瓷，导热陶瓷上粘附有发光半导体阵列，金属板及覆盖其上的导热陶瓷上设有贯通金属板及导热陶瓷的电源线引出结构。具有散热效果好，功率密度大，可获得高亮度且单个成本低的半导体照明光源，尤其是还适合用于制成LED荧光灯。

Description

一种高效、高亮度半导体照明光源

技术领域

本发明涉及一种照明装置，尤其涉及一种散热效率高且可提供高发光亮度的半导体照明光源。

背景技术

因现有可用能源有限，故开发出高效、节能的光源已经成为照明装置发展的一大目标。采用发光半导体，尤其是其中的发光二极管(LED)作为发光光源，以取代传统的灯泡，已多有报导，并已见于日常生活之中。利用发光半导体作光源最大的优点在于其耗电量可大幅度降低，长期节省下来的电力费用极为可观；其次是其使用寿命远长于传统光源，故可大幅降低设备耗损维修成本。故以发光半导体取代传统的钨丝灯或卤素灯等是节省能源、降低成本的一项可行方案。

虽然半导体光源具有长寿与节电的突出优点，但是其同时存在工作电压低、单个光源发光亮度不足及有频闪效应等需解决的问题，故已问世的采用发光半导体为光源的照明装置主要用于指示灯之类，如道路上的交通信号标志灯等，尚难以替代传统照明光源。当然，市面上也有声称可作为照明光源使用的灯具产品出现，其大体如附图7所示，具有灯头101和外壳102，外壳101内设有印刷电路板103，电路板103上朝向灯光投射方向一侧安装有LED管芯，管芯之间以导线串联或并联，LED管芯外封装有透明树脂104，电路板103的另一侧安装有用于调压等的电子元件105。另有采用单管芯的灯具，其结构如附图8所示，可见其管芯106封装在透明树脂104中，管芯106外涂敷有荧光粉110，管芯106与电源正极107、负极108之间以小导线109连接。该类产品存在的问题在于：1、有的采用电容降压(用于市电照明时)，使得开、关机瞬间有数倍于正常工作状态的电流冲击管芯，缩短了光源的寿命；2、有的为避免频闪效应，加装电解电容滤波，使灯的可靠性及寿命降低；3、有的采用降低工作电流的方式来减小冲击电流的影响(比如串联电阻)，使得灯的发光效率低下，发挥不出半导体灯的优势。4、因散热方面存在不足，故为达到传统照明装置的照明效果，通常需选用大功率的发光半导体，比如3～5瓦左右的发光二极管，且往往需要采用两个以上才能获得令人满意的照明亮度，而此种大功率的发光半导体的价格非常昂贵，单个即达数十元之多，且需要大面积的散热结构，因而难以推广。

由于单个发光半导体的亮度往往不足以达到日常照明的效果，因而此类照明装置的发光源一般应由多个发光半导体甚至阵列式排列的发光半导体集合构成，由此却又产生了一个散热的问题。因为虽然单个发光半导体的发热量并不是很大，但数量较多的发光半导体整体产生的热能却不容忽视，散热问题解决不好将严重影响管芯及封装树脂，使管芯与树脂老化、变色，故散热问题已成为制约其实际应用的一大难题。目前，一般采用成品发光二极管焊在印刷电路板上的方式来作为发光元件，管芯外封装有树脂，因而管芯的热量只能通过负极引线导出，热阻大散热效果差。也有些大功率芯片虽直接安装于PCB-金属复合板上但功率受到限制，且是单个元件，使用时还需进行二次开发。再如，中国专利ZL 03264279.2公开的“以薄型发光二极管构成的照明装置”以及美国专利6133589所公开的具散热效果的发光二极管照明装置。前者的结构复杂，制造工艺难度大。其发光面经灌胶封装后散热效果差，存在树脂老化问题，在使用紫外线芯片时尤甚。晶片产生的热量只能通过固晶绝缘层及导热胶片再传至散热器后散发，热阻大。后者是在一金属基板上涂布绝缘层，绝缘层上方即是供连接发光二极管晶粒正负两极的线路层，在发光二极管晶粒下方则通过一固晶绝缘层、一绝缘导热层与前述金属基板形成接触。其虽然采用了大面积的金属基板散热，但对每一晶粒来说，实际的散热区域仅晶粒下方的小块，且该小块还是通过一固晶绝缘层、一绝缘导热层与晶粒形成热传导，并不能完全发挥金属基板的散热功能；此外，其结构仍比较复杂，需针对每一晶粒制作一传热小区域；再者，晶粒外以树脂封装，仍存在树脂老化的问题。另外，以上两专利其管芯(或名芯片、晶片)所产生的热量均只能单向传导至散热结构进行散发。

荧光灯是广为人知的一种常用照明灯具，但现有的气体放电荧光灯存在如下缺点：

1、对环境产生汞污染；2、起辉电压高，在直流低压供电状态下使用时，需将电源通过电子线路振荡升压，降低了电源效率；3、灯壁上的荧光粉受汞及灯丝电子粉溅射、灯丝挥发等污染以及热老化等因素影响，光输出衰减较大，一般只有数千小时的寿命；4、受环境气温影响较大，低温时不易起辉；5、在频繁开关的场合下使用寿命大幅降低。

另外，传统LED白光发光管是在兰光或紫外线LED芯片上敷涂荧光粉后以可见光形式发光，其除具有前述现有LED灯具的缺陷外，还存在如下不足：

1、单个发光体的功率有限，是低电压、点状光源，需经灯具企业二次开发后才可能用于实用的照明市场；

2、结构热阻大，散热不良，易使芯片及包封树脂老化；

3、如采用紫外线芯片，则所辐射的紫外线易使树脂层老化；

4、其为增加光输出效率，但包封层往往做成聚光结构，该点状光源人眼看上去很刺眼，眩光污染大。

5、荧光粉离芯片距离近，故荧光粉所处环境的温度及辐射强度都非常大，荧光粉的寿命大受影响。

6、现有生产白光LED的工艺，效果较好的一般是在芯片表面涂敷荧光粉，将芯片产生的兰光或紫外光转换成白光。而该工艺在实际生产过程中，因荧光粉沉淀和各芯片上涂敷量的不均匀使产品的色温一致性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种散热效率高、且可提供高发光亮度的高效、高亮度半导体照明光源。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案为：该种半导体照明光源，其具有灯头和玻壳，其特征在于灯内设有金属板，金属板上背向灯头一侧覆盖有一层导热陶瓷，导热陶瓷上粘附有发光半导体阵列，金属板及覆盖其上的导热陶瓷上设有贯通金属板及导热陶瓷的电源线引出结构。金属板的尽量选择散热效果理想的材料，如铝、铜、银等。

所述的发光半导体芯片为发光二极管裸芯片。

所述的导热陶瓷为铝制金属板表面经氧化处理而得的三氧化二铝陶瓷。该陶瓷层的厚度极薄，为微米级。铝基板上的铝原子以化学键与氧紧密结合，从而形成稳定的化合物，基板与陶瓷层之间不存在对传热产生阻碍作用的孔隙，且陶瓷层厚度极薄、传热面积基本与铝基板相同，故传热效率大大超过一般涂布的导热胶层或混有陶瓷粉末的绝缘胶片。另外，经处理后的三氧化二铝陶瓷层对可见光及紫外线均有反射作用，故其除能将热量迅速传导至散热结构外，未被芯片遮蔽的部分及芯片本身还可通过玻壳内填充气体的对流作用，将热量传导至玻壳而向外散发，也就是说本散热结构的前后两面均可具有散热功能，有别于现有灯具的单向传热。

所述发光二极管裸芯片之间以导线连接。

所述金属板背向灯头一侧连接有凸起的金属散热结构。

所述金属板靠灯头一侧连接有金属散热结构。

所述玻壳与金属板所围空间内充填有惰性气体。

所述玻壳内壁靠近金属板的部分涂布有光反射涂层。

所述的金属板上延设有散热片，且该散热片从玻壳与灯头的连接处伸出灯外。

所述玻壳内壁上涂布有荧光粉层。

与现有技术相比，本发明因将发光半导体及电路直接集成于金属板表面覆盖的导热陶瓷层上，发光半导体的键合引线通过在金属板上制作的电源线引出结构导出与电源电路相连，使半导体芯片产生的热量能及时散发，可有效防止封装环氧树脂变黄从而在客观上提高了功率密度，大大扩展了应用范围；其次，本发明还可采用发光半导体裸芯片直接集成于金属板表面覆盖的导热陶瓷层上而省去封装用环氧树脂，从而更加有利于提高功率密度；再者，因本发明具有优异的散热效率，因而可在较小空间内集成数量较多的发光半导体，从而大幅度提高由此获得的照明装置的发光亮度，获得令人满意的照明效果，尤其是，因此而可采用价格低廉至单价仅几角的小功率发光半导体集成作为发光源，从而大幅度降低单个照明装置的成本，有利于实际推广应用。此外，本发明可采用通用的标准灯头，外形美观，便于直接使用，系列产品可直接代换照明白炽灯泡、节能灯、汽车灯泡、仪器灯泡等，大功率产品及其派生产品还可以作射灯、景观灯使用。尤其是，本发明完全可通过在玻壳内壁涂布荧光粉层而制成球形、棒状或盘形等各种形状的系列荧光灯，显然，采用本发明技术制造的荧光灯具有以下优点：1、发光面积大，光线柔和，眩光污染轻；2、无汞污染；3、灯的启动不受气温变化及开关次数的影响，适用于需要频繁开关灯的场合；4、根据电压等级系列的不同，可生产出适用电压低至几伏特的灯，是一种真正的低压荧光灯，可用于需要移动照明的场合，也可生产用市电供电的灯；5、灯的表面温度低，使用安全性好，可用于防爆场合；6、本固体发光荧光灯不需要安装传统荧光灯的附件，如镇流器、起辉器等，使用方便，寿命长，适用于广告灯箱等更换光源不方便的地方使用。7、产品的色温一致性较好。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的结构示意图；

图3为本发明实施例一的局部放大图；

图4为本发明实施例三的结构示意图；

图5为本发明实施例四的结构示意图；

图6为本发明实施例五的结构示意图；

图7为现有半导体照明光源的结构示意图；

图8为另一现有半导体照明光源的结构示意图。

具体实施例

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一

如图1、图3所示，为本发明的一个较佳实施例。如图1、图3所示，本实施例所述的半导体照明光源具有灯头1和玻壳2，灯头1可为通用螺口或卡口灯头，灯头1和玻壳2之间由金属外罩3连接，灯内玻壳2与金属外罩3连接处设有一块铝板4，铝板4的表面覆盖有一层经表面氧化处理而得的三氧化二铝导热陶瓷层5，参见图3，该三氧化二铝导热陶瓷层5上粘附有发光二极管6裸芯片阵列，阵列中的发光二极管6之间以导线7连接，铝板4上设有贯通铝板4及导热陶瓷层5的电源线引出孔，引出孔内设有导电介质，导电介质外设有绝缘介质8并因此而将引出孔完全堵死以形成密封，导电介质则在引出孔的两端形成有触点9，而发光二极管6阵列的电源线则与该触点9连接，铝板4的靠灯头1一侧还整体成型有散热翅片10，翅片10上载有电路板(图中未示出)，而电路板上则设有必要的电子元件11。此外，玻壳2与铝板4所围空间内充填有惰性气体，玻壳2内壁靠近铝板4的部分涂布有光反射涂层12。因整个铝板4、铝板背面整体成型的散热翅片10及金属外罩3可以说是三位一体，因而具有非常好的散热效果，有利于提高发光二极管的排列密度，以获得高亮度的照明装置。

实施例二

如图2所示，为本发明的另一个较佳实施例。如图2所示，并参见图3，本实施例所述的半导体照明光源具有灯头1和玻壳2，灯头1与玻壳2之间设有一铜板13，且铜板13伸出灯头1与玻壳2的连接处外，并且伸出在外的部分被加工成弯曲形状以增大散热面积、提高散热效果。铜板13位于玻壳2内的部分的表面粘附有一层三氧化二铝导热陶瓷层5。其余与实施例一基本相同。

实施例三

如图4所示，为本发明的另一个较佳实施例。如图4所示，并参见图3，本实施例所述的半导体照明光源的外形与普通卡口白炽灯相似，具有灯头1和玻壳2，灯头1和玻壳2之间由金属外罩3连接，灯内玻壳2与金属外罩3连接处设有一块铝板4，铝板4背向灯头1一侧延伸有凸起的金属散热结构14，以增大散热面积、提高散热效果。整个玻壳2内壁上涂布有荧光粉层15，而无实施例一中的光反射涂层12。其余与实施例一基本相同。

实施例四

如图5所示，为本发明的另一个较佳实施例。本实施例与实施例三中灯具相比，二者的区别在于：本实施例灯具呈长条棒状，金属铝板4背向灯头1一侧无金属散热结构14(见图4)。其余同实施例三。

实施例五

如图6所示，为本发明的另一个较佳实施例。本实施例与实施例四中灯具相比，二者的区别仅在于在于本实施例灯具呈扁盘状，而实施例四中灯具呈长条棒状。

Claims (10)

1、一种高效、高亮度半导体照明光源，其具有灯头和玻壳，其特征在于灯内设有金属板，金属板上背向灯头一侧覆盖有一层导热陶瓷，导热陶瓷上粘附有发光半导体芯片阵列，金属板及覆盖其上的导热陶瓷上设有贯通金属板及导热陶瓷的电源线引出结构。

2、根据权利要求1所述的半导体照明光源，其特征在于所述的导热陶瓷为铝制金属板表面经氧化处理而得的三氧化二铝陶瓷。

3、根据权利要求1所述的半导体照明光源，其特征在于所述的发光半导体芯片为发光二极管裸芯片。

4、根据权利要求3所述的半导体照明光源，其特征在于所述发光二极管裸芯片之间以导线连接。

5、根据权利要求1至4中任一权利要求所述的半导体照明光源，其特征在于所述金属板背向灯头一侧连接有凸起的金属散热结构。

6、根据权利要求1至4中任一权利要求所述的半导体照明光源，其特征在于所述金属板靠灯头一侧连接有金属散热结构。

7、根据权利要求1至4中任一权利要求所述的半导体照明光源，其特征在于所述玻壳与金属板所围空间内充填有惰性气体。

8、根据权利要求1至4中任一权利要求所述的半导体照明光源，其特征在于所述玻壳内壁靠近金属板的部分涂布有光反射涂层。

9、根据权利要求1至4中任一权利要求所述的半导体照明光源，其特征在于所述的金属板上延设有散热片，且该散热片从玻壳与灯头的连接处伸出灯外。

10、根据权利要求1至4中任一权利要求所述的半导体照明光源，其特征在于所述玻壳内壁上涂布有荧光粉层。

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