CN1873973B - 一种大功率半导体发光元件的封装 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率半导体发光元件LED的封装，包括至少一个以上内外电连接的LED芯片；LED基板，至少一个以上的LED芯片每一个都在基板正面固定；基板底面接合半导体电子制冷片，半导体电子制冷片具有一冷端、一热端的，冷端与基板底面接合，热端与散热底座形成热接触。本发明与传统散热片、热管等被动散热方式封装技术相比，在通电时就具有制冷功能，主动迅速吸收大功率半导体发光芯片工作时产生的大量热量，为LED发光芯片和散热载片之间提供了一个高效的散热通道。

Description

一种大功率半导体发光元件的封装
技术领域
本发明涉及大功率半导体发光元件LED的封装，尤其是涉及一种有效散发半导体发光元件LED工作中产生的热量的封装结构。
背景技术
大功率高亮度LED(发光二极管)的应用面不断扩大，首先进入特种照明领域，并向普通照明迈进。由于LED芯片输出功率不断提高，对于大功率LED的封装结构提出了更高的要求。传统的LED封装结构，一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上，由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成。大功率LED若采用传统的LED封装结构，将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧树脂碳化变黄，从而造成器件的加速光衰直至失效，甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。
目前大功率LED采用的散热技术均是被动散热，主要是在LED发光部件周边设置铝或铜等金属散热片，辅以有助于降低热阻的硅油等散热方式，以获得良好的可靠性。中国专利说明书CN 1664433A公开了一种使用热管散热方式，与普通散热片相比，散热的热阻得到了减少，但由于热管的体积大，散热载片的设计要受热管形状的限制，由于LED发光芯片与散热载片的接触面积客观上还是相当小，而且LED热量是通过热管对流方式被动传导，散热效率并没有的到彻底提高，热管的结构需要较大的体积，影响了实际的应用。中国专利说明书CN 1707823A也揭示了一种被动散发LED工作热量的封装结构，它同样也是利用硅底座连接散热片以传导方式被动散热。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在上述用于大功率LED的散热片或热管等被动散热的基础上，利用半导体温差电制冷技术采用主动制冷的方式来吸收大功率LED工作时产生的热量，突破LED芯片与散热载片之间的热传导瓶颈，使大功率半导体发光元件散热性能更好、更稳定，发光效率更高。
为了解决上述技术问题，本发明提供的一种大功率半导体发光元件的封装，包括：
至少一个发光元件单元，该发光元件单元包括：
至少一个以上内外电连接的LED芯片；
LED基板，至少一个以上的LED芯片每一个都在基板正面固定，LED芯片选用硅质材料或环氧树脂封装；
基板底面接合半导体电子制冷片；
半导体电子制冷片具有一冷端、一热端，冷端与基板底面接合，热端与散热底座形成热接触；
该散热底座形成有一容纳部容纳该发光元件单元，发光元件单元与容纳部的接触面填充隔热材料；
容纳部开口用隔热透光片密封，使发光元件单元的容纳部形成一个隔热密封的冷腔。
所述的大功率半导体发光元件的封装，各半导体电子制冷片具有：
数对P型半导体元件，N型半导体元件，
上、下传热导电金属线路，上、下导热片；
数对P、N型半导体元件通过上、下传热导电金属线路相互连接并固定在上、下导热片之间，上、下导热片除金属线路和P、N型半导体元件所占空间之外填充隔热材料。
所述的大功率半导体发光元件的封装，进一步包括在发光元件单元的表面设一个隔热反光的压抵件，用于固定发光元件单元。
本发明与传统散热片、热管等被动散热方式封装技术相比，利用具有热电能量转换特性的半导体材料，在通电时就具有制冷功能，主动迅速吸收大功率半导体发光芯片工作时产生的大量热量，为LED发光芯片和散热载片之间提供了一个高效的散热通道，取代了传统利用热传导的散热方式。而且体积更小，使用更方便，技术性全面解开了大功率半导体发光元件的散热瓶颈。传统散热技术只是被动地散热，而半导体制冷技术则是采用主动制冷的方式来吸收大功率半导体发光芯片工作时产生的大量热量，芯片的温度自然不会过高，从而使芯片寿命更长，同时披覆在LED发光芯片上面矽胶或环氧树脂和荧光粉的物理化学特性得到稳定的保持；半导体电子制冷可以很容易地通过提高制冷片的电流来提升制冷效率，完全适应目前大功率LED发光芯片发热量的增长速度，也可以加以简单的辅助电路进行恒温控制；另外，目前传统的被动散热方式为了满足芯片的高发热量而使散热器和风扇的面积不断增大，而本发明则相对不必用大规格的散热器，节省体积。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明第一实施例的大功率半导体发光元件封装的截面图
图2为根据本发明第二实施例的大功率半导体发光元件封装的截面图
具体实施方式
以下，本发明的优选实施例将参照附图来说明。参考附图，尽可能在全部附图中使用相同的参考数字指代相同或相似部份。同时，认为对本发明关键点的已知功能和结构详细说明将被省略。
图1为本发明大功率半导体发光元件封装的截面图，大功率半导体发光元件封装包括至少一个以上内外电连接的LED芯片1；LED基板2，至少一个以上的LED芯片1每一个都在基板2正面固定，LED芯片1选用矽质材料或环氧树脂封装。其中，设置内外电连接的每个LED芯片1通过金属线11和12与外部电路键合；每个LED芯片1使用粘胶剂13直接粘在基板2的正面(上表面)，粘胶剂13应具有极好的导热性，如：银胶等；LED芯片1选用硅质材料或环氧树脂14呈倒杯状披覆封装在基板2表面，采用现有成熟封装工艺，如要实现白光，需添加荧光粉。
基板2底面接合半导体电子制冷片3，半导体电子制冷片3具有一冷端31、一热端32的，冷端31与基板2底面接合，热端32与散热底座4形成热接触。本发明的半导体电子制冷片3具有数对P型半导体元件，N型半导体元件，上、下传热导电金属线路33，上、下导热片31、32。数对P、N型半导体元件通过上、下传热导电金属线路33相互连接并固定在上、下导热片31、32之间，上、下导热片31、32间除金属线路33和P、N型半导体元件所占空间之外应填充隔热材料34。散热底座4采用极好导热性的材料，如：铝、铜，从而可达到充分释放热端32的热量。
半导体制冷是由半导体所组成的一种冷却装置，其理论基础Peltiereffect可追溯到19世纪，是由两种不同的金属导线所组成的封闭线路。通上电源之后，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，这就是著名的Peltier effect。半导体制冷器的结构由许多N型和P型半导体颗粒互相排列而成，而N、P之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其它金属导体，最后由两片导热片像夹心饼干一样夹起来，导热片必须绝缘且导热良好。半导体制冷材料不仅需要N型和P型半导体特性，还要根据掺入的杂质改变半导体的温差电动势率，导电率和导热率使这种特殊半导体能满足制冷的材料。目前常用材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金，其中P型是Bi2Te3-Sb2Te3，N型是Bi2Te3-Bi2Se3，采用垂直区熔法提取晶体材料。
图2为根据本发明的第二实施例，说明大功率半导体发光元件封装的截面图。包括至少一个发光元件单元100，该发光元件单元100包括至少一个以上内外电连接用矽质材料或环氧树脂封装后的LED芯片1、LED芯片1正面固定的基板2、基板2底面接合的半导体电子制冷片3、与半导体电子制冷片3热接触的散热底座4。发光元件单元100的LED芯片1、基板2、半导体电子制冷片3具体实施的方式与第一实施例相同。具有不同的是在该散热底座4形成有一容纳部41容纳该发光元件单元100，容纳部41形状呈凹形，将第一实施例的各组成部分组合为发光元件单元100放于散热底座4的容纳部41凹槽内。发光元件单元100与容纳部41的接触面填充隔热材料43，隔热材料43的作用在于阻止散热底座4的热量传导到发光元件单元100。容纳部41的开口处用隔热透光片42密封，使发光元件单元100的容纳部41形成一个隔热密封的冷腔，隔热透光片42应采用具有隔热透光的产品，如：双层玻璃透镜等。本实施例在发光元件单元100的表面设一个隔热反光的压抵件44，用于固定发光元件单元100，压抵件44螺设在容纳部41，也可采用其它的固定方式，有助于半导体电子制冷片3的热端32与散热底座4形成更紧密的热接触。
尽管本发明的优选实施例已公开了大功率半导体发光元件封装的解决方案，本领域的技术人员应该理解，在不脱离所附权利要求的范围和实质的情况下，对其进行多样的变更、添加和替代是可能的。

Claims (3)

1.一种大功率半导体发光元件的封装，包括：
至少一个发光元件单元，该发光元件单元包括：
至少一个以上内外电连接的LED芯片；
LED基板，至少一个以上的LED芯片每一个都在基板正面固定，LED芯片选用硅质材料或环氧树脂封装；
基板底面接合半导体电子制冷片；
半导体电子制冷片具有一冷端、一热端，冷端与基板底面接合，热端与散热底座形成热接触；
该散热底座形成有一容纳部容纳该发光元件单元，发光元件单元与容纳部的接触面填充隔热材料；
容纳部开口用隔热透光片密封，使发光元件单元的容纳部形成一个隔热密封的冷腔。
2.根据权利要求1所述的大功率半导体发光元件的封装，各半导体电子制冷片具有：
数对P型半导体元件，N型半导体元件，
上、下传热导电金属线路，上、下导热片；
数对P、N型半导体元件通过上、下传热导电金属线路相互连接并固定在上、下导热片之间，上、下导热片除金属线路和P、N型半导体元件所占空间之外填充隔热材料。
3.根据权利要求1所述的大功率半导体发光元件的封装，进一步包括在发光元件单元的表面设一个隔热反光的压抵件，用于固定发光元件单元。
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