CN1893122A - 一种基于金属铝基材料的led照明光源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于金属铝基材料的LED照明光源，通过在铝基材料的平表面形成一个或多个胶状粘性氧化铝区域，然后贴装LED芯片，有效解决了大功率LED用作照明光源的传热散热问题。该LED照明光源的外印刷线路可以在铝基平表面上制作，也可以制作专用的印刷线路板，再粘贴在铝基材料上；所使用的金属铝基材料可以是铝质板材，也可以是一侧是平面结构、另外一侧带有各种形状的铝质散热器，甚至还可以设置风扇，以增加强制散热效果。本发明结构简单、制造方便，产品防静电性能和散热效果好，并且LED的数量和位置可以灵活配置，以满足各种照明需求。

Description

一种基于金属铝基材料的LED照明光源
技术领域
本发明涉及以大功率半导体发光二极管(LED)为发光体的光源，特别一种LED照明光源，尤其是一种基于金属铝基材料的LED照明光源，属于电光源与照明技术领域。
背景技术
自从爱迪生发明了白炽灯以后人类进入了照明新时代。白炽灯是第一代电光源的代表，它是靠通电加热钨丝使其处于炽热状态而发光的，但发光效率低、使用寿命短。此后人们又发明了荧光灯，使电光源历史经历了一次新的革命，这场革命的意义是如此之大，以致目前世界上仍有70％的人造光线来自于荧光灯。然而荧光灯并不是一种十分理想的照明光源，主要表现在：一是荧光灯显色性能较差，容易发生颜色变异；二是存在亮度频闪，容易造成视力疲劳；三是荧光灯存在比较严重的汞污染问题，对灯具的制造使用和环境保护均不利。
近年来，随着LED科学研究的不断发展和芯片工艺生产的水平不断提升，大功率LED封装技术逐渐成熟，发光效率得以大大提高，其应用领域不断拓展。但是LED发光时，在将电能转变为光能的过程中，由于有电阻和非辐射复合，LED会产生一些热。如果热量不能充分散发出去，LED内部温度上升，将导致LED发光效率下降；如果LED内部温度上升过高，还可能使LED失效，难以保证LED预期的使用寿命。所以作为光源，散热依然是大功率发光二极管(LED)正常工作的巨大障碍。
目前大功率LED芯片通常按图1的模式进行封装，其主体部分是一个以模塑材料制成的带有接线片7的塑料绝缘框架1，铝、铜或合金材质的热沉2嵌装在绝缘框架1中间，带有印刷电路图形的硅载体片3用导热绝缘胶或者焊接材料6焊在热沉2上，LED裸芯片5则以倒装方式压在硅载体片3的金属接触电极接4上，通过金丝与接线片7连接；为解决LED的散热问题，通常还需将热沉2用导热绝缘胶或者焊接材料9贴装在一块专门的铝板、铜板或其它合金板材的散热片8上，再经过胶封10和配置光学透镜等工序，从而制成一种带有散热片的LED光源。由此可见，按照通常模式进行封装的发光二极管，其芯片工作时产生的热量传导路径长，需要通过硅载体片3、导热绝缘胶或者焊接材料层6、热沉2、导热绝缘胶层9、然后在散热片8上散出，从芯片到铝基片中间共经过了两层导热绝缘胶以及铝基片中的正反面氧化绝缘导热层，铝的导热系数为200w/mk，而一般热导绝缘胶的导热系数为3w/mk，导热率不高，铝基片的表面层很容易氧化，氧化铝的导热系数为40～120w/mk，最终形成比较大的热阻，使LED热量不能得到充分散发。
此外，按照传统模式进行封装的大功率LED光源通常采取单个LED芯片封装，每个部件中只封装一个LED。当增大功率需要配置多个LED时，这种单个LED芯片封装部件组合起来就比较困难，结构上就显得非常繁琐，组合后的LED的热量也不能得到充分散发。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，从改变LED的封装方式入手，提供一种结构简便、易于加工、使用寿命长、散热效果良好的基于金属铝基材料的LED光源。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种基于金属铝基材料的LED照明光源，包括基材、LED芯片、胶封材料、光学透镜和外连接线路，其中，所述基材是金属铝基材料，它至少有一个表面为平面结构，该平表面具有一个或多个氧化铝绝缘导热层，所述LED芯片贴装在该氧化铝绝缘导热层上。
本发明的目的还通过以下优选技术方案来进一步实现：
上述基于金属铝基材料的LED照明光源中，所述氧化铝绝缘导热层的厚度不小于10微米，其绝缘电阻不低于100MΩ。
进一步地，上述基于金属铝基材料的LED照明光源中，控制该LED照明光源的印刷电路设置在金属铝基材料上，LED芯片与印刷电路之间进行电气连接；
或者，该LED照明光源还包括另外配置的印刷电路板，其外表面设有导电线路和接触电极，内表面通过绝缘导热胶与金属铝基材料贴合在一起；该印刷电路板与LED芯片相对应的位置开有通孔，使得LED芯片穿孔露出，并且LED芯片与印刷电路板之间进行电气连接。
更进一步地，上述基于金属铝基材料的LED照明光源中，所述金属铝基材料，在已贴装LED芯片的反侧设有铝质散热器。
再进一步地，上述基于金属铝基材料的LED照明光源中，该LED照明光源还配有起强制散热作用的风扇。
本发明提供了一种基于金属铝基材料的LED照明光源，与目前用常规方法封装的LED光源相比，其突出的实质性特点和显著的进步主要体现在以下几方面：
(1)结构简单，制造方便。这种LED照明光源零部件少，产品体积小、薄型化，直接封装成本低，可以显著提高产品的可靠性。其加工工艺稳定可靠，加工设备简单，主要的化学反应在常温下进行，操作方便、易于掌握，加工过程中使用的化学处理液是环保型，符合环保排放要求。
(2)防静电性能好。氧化铝的表面绝缘电阻可达100MΩ，据资料显示，当材料的表面电阻在10MΩ～100GΩ之间时，称为静电耗散材料，故本发明可以有效地扩散静电，防止静电击穿发光二极管。
(3)散热效果好。本发明热阻减小，具有有效的散热通道，可以轻松地突破大功率LED发热问题对半导体照明光源设计的限制，将温升对大功率LED稳定性的影响降到最低程度。
(4)由于采用芯片直接封装在氧化铝板上，可以提高LED的封装密度，各芯片之间的距离可以很近，这样在红、蓝、绿三色光配制白光的时候，可以配合出较为完美的白光。这种白光还可以根据个人的需要，通过控制电路进行色温自我调节。
(5)配置灵活，便于安装及实施，可以满足各种照明需求。封装基础部件可以按照LED配置数量进行设计与加工，多颗LED可以随意封装，当需求功率较大时，可以配置多个LED，结构上组合显得非常简便。
(6)本发明提供的产品结构牢固，其可靠性得到显著提高，LED的使用寿命得到充分保证。该产品适用于光源维护和更换比较困难、要求使用寿命特别长的LED光源的场所，可以显著降低安装和维护费用。
附图说明
图1是现有技术中比较典型的LED封装模式示意图。
图2a是本发明一种实施方式的主体结构示意图；图2b是图2a的俯视图，即单颗LED芯片的封装外观。
图3a是本发明另一种实施方式的主体结构示意图；图3b是图3a的俯视图，即带有专用印刷线路板的单颗LED芯片的封装外观。
图4a是本发明另一种实施方式的主体结构示意图；图4b是图4a的俯视图，即带有专用印刷线路板的4颗LED芯片的封装外观。
图5a是本发明再一种实施方式的主体结构示意图；图5b是图5a的俯视图，即带有专用印刷线路板的12颗LED芯片的封装外观。
具体实施方式
本发明提供了一种LED照明光源，它主要包括：金属铝基材料做成的基材，LED芯片，胶封材料，光学透镜和外连接线路。在铝基材料的平表面设置一个或均匀分布的若干个LED芯片贴装区域，该区域经处理后形成胶状粘性氧化铝，然后再贴装LED芯片。LED芯片通过金丝与外连接线路进行电气连接，外连接线路可以在铝基平面上制作印刷线路，也可以制作专用的印刷线路板粘贴在铝基平面上。再经过胶封和配置光学透镜等工序，形成本发明LED光源。
所述金属铝基材料可以是铝质板材，也可以是底面是平面、另外一侧带有各种形状的铝质散热器。前者主要是在耗散功率不大的情况下使用，此时只需封装单颗或者少数几颗LED芯片；后者用于耗散功率比较大的场合。封装后的LED组件可以采取自然冷却，或者另外设置风扇强制散热。
加工时，首先对铝质基材的表面运用机械和化学方法进行预处理，以获得足够的平整度和表面光洁度。在铝基材料平面的LED芯片贴装区域，通过反复多次进行局部等离子体表面处理，利用磁控溅射增强并激活在阳极上发生的反应，通过专用的超高频大功率脉冲电源在工件加工区施加电压，使工件表面的金属与电解质溶液相互作用，在高温、高频、强电场等因素的作用下，铝金属的工件表面形成强化陶瓷状薄膜，然后再通过化学阳极氧化方法处理，形成厚度大于10微米的氧化铝层，进而再利用化学处理的方法使氧化铝薄膜表面具有一定的胶粘性。这层胶粘性氧化铝在物理上是绝缘导热的，具有良好的绝缘性能，绝缘电阻可达100MΩ。
上述胶状粘性氧化铝区域可以根据需要在基础部件上处理成一个或者均匀分布的若干个，从而使铝基材料成为LED芯片的封装基础部件。再将LED裸芯片施以一定压力，使其直接贴装在粘性氧化铝区域中间，然后在100～150℃高温下烘烤，使芯片与铝板结合牢固。封装多颗LED芯片时，可以使其在铝基材料的同侧呈集束状态排布。这样，封装后的LED芯片与铝基材料之间只有一层氧化铝绝缘导热层，非常有利于传热散热。铝基材料表平面的其它部分可以制作精细的印刷电路，LED芯片通过线径为25～50微米的金丝与铝基材料的印刷电路进行电气连接。
为了降低LED封装制作成本，也可以根据铝基材料封装基础部件的尺寸大小另外制作一块专用印刷电路板，在其表面加工出精细的导电线路和接触电极，并在LED芯片贴装部位开孔，再用绝缘导热胶将其贴装在基础部件表面上。LED芯片穿孔露出，通过金丝球焊与粘贴在铝基材料平面上的印刷线路板进行电气连接。接下来再按照传统的封装工艺，完成灌密封胶密封、安装光学透镜等全部工序。
经过技术检测和精确测量，对于传统的封装方式，稳定状态下从芯片到热沉底座底部的热阻一般为30℃/W，加上散热片从芯片到底座的底部热阻为40℃/W，从芯片到空气的热阻为50℃/W；采用本发明将芯片直接贴装在氧化铝基板上之后，稳定状态下从芯片到空气的热阻只有20℃/W。可见，本发明与传统的封装方式相比较，热阻大大降低，这对提高芯片的工作性能大有帮助。
下面是本发明的几种具体实施方式。
〖实施例一〗
如图2a和图2b所示，单颗LED芯片15通过胶粘状态的氧化铝层14贴装在铝板基片17上，铝板基片17的外边缘设有两只安装孔18。在芯片贴装区域外围，铝板基片17上还设有印刷电路，LED芯片15通过焊接金丝16与其电气连接。在LED芯片15上方覆有胶封材料11，最外面罩有光学透镜19。
〖实施例二〗
如图3a和图3b所示，单颗LED芯片25通过胶粘状态的氧化铝层24贴装在铝板基片27上，铝板基片27的外边缘设有两只安装孔28。另有专门的印刷线路板23，其表面设有印刷电路，中间开有容纳LED芯片穿过的通孔。印刷线路板23与铝板基片27之间通过胶粘材料22固定在一起，LED芯片25通过焊接金丝26与印刷线路板23电气连接，在LED芯片25上方覆有胶封材料21，最外面罩有光学透镜29。
〖实施例三〗
如图4a和图4b所示，四颗LED芯片通过胶粘状态的氧化铝层贴装在带有散热器的铝板基片上，其单颗LED芯片的封装模式与实施例二相同。图中33为印刷线路板，39为光学透镜，40为散热器。
〖实施例四〗
如图5a和图5b所示，十二颗LED芯片通过胶粘状态的氧化铝层贴装在带有散热器的铝板基片上，其单颗LED芯片的封装模式与实施例二相同。图中43为印刷线路板，49为光学透镜，50为散热器，51为强制散热风扇。

Claims (6)

1.一种基于金属铝基材料的LED照明光源，包括基材、LED芯片、胶封材料、光学透镜和外连接线路，其特征在于：所述基材是金属铝基材料，它至少有一个表面为平面结构，该平表面具有一个或多个氧化铝绝缘导热层，所述LED芯片贴装在该氧化铝绝缘导热层上。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属铝基材料的LED照明光源，其特征在于：所述氧化铝绝缘导热层的厚度不小于10微米，其绝缘电阻≥100MΩ。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于金属铝基材料的LED照明光源，其特征在于：控制该LED照明光源的印刷电路设置在金属铝基材料上，LED芯片与印刷电路之间进行电气连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于金属铝基材料的LED照明光源，其特征在于：该LED照明光源还包括另外配置的印刷电路板，其外表面设有导电线路和接触电极，内表面通过绝缘导热胶与金属铝基材料贴合在一起；该印刷电路板与LED芯片相对应的位置开有通孔，使得LED芯片穿孔露出，并且LED芯片与印刷电路板之间进行电气连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于金属铝基材料的LED照明光源，其特征在于：所述金属铝基材料，在已贴装LED芯片的反侧设有铝质散热器。
6.根据权利要求1或6所述的一种基于金属铝基材料的LED照明光源，其特征在于：该LED照明光源还配有起强制散热作用的风扇。
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