CN201780997U - 一种用于led芯片的散热结构 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种用于LED芯片的散热结构，其特征在于：一个或多个芯片安装在金属的底座上，底座被空腔所围绕，空腔内有冷却介质，芯片工作时产生的热量直接经由金属底座传导，并经冷却介质进一步将热量带走。其与现有技术相比具有以下特点：LED热传导环节少，热传导环节导热率高。

Description

一种用于LED芯片的散热结构
技术领域：
本实用新型涉及发光二极管(LED)芯片散热的技术领域，具体的说是一种用于LED芯片的散热结构，特别涉及其机械连接结构。
背景技术：
LED具有低功耗、高亮度、寿命长等优点，已广泛应用于很多领域，更作为21世纪新型绿色光源而被广泛看好。LED一般被认为是“冷光源”，这是因为LED发光的光谱较窄而且单一，不包含红外线光谱(红外LED除外)。但是LED芯片本身工作时却产生大量的热量，这是由于在目前LED生产技术水平下，LED工作时，约20％-30％左右电能转化为光能，其它的转化为热能。尤其是高功率LED，使用较大的电流，单颗电流通常在350mA-1.5A之间，而芯片面积通常在1-2平方毫米左右，所以单位热流密度较高，如果芯片散热不良，芯片温度将大幅上升，会产生发光效率下降，芯片寿命大幅缩短的情况。所以，如何解决LED芯片散热的问题，成为目前大功率LED应用的主要问题之一。随着LED技术的发展，光电转化效率会逐步提高，但是，可以预测，在相当长的一段时间内，LED发热的问题会一直存在。
目前大功率LED的散热设计，其典型的散热方式如附图3所示，一般包括以下环节，芯片(30)的热量先通过粘合层(31)、底座(32)传导至封装体外部，再通过粘合层或焊接层(33)、电路层的铜箔(34)，电路绝缘层(35)，导热基板(通常为铝基板)(36)，导热硅脂(37)，散热片或散热器(38)，最终到达热沉将热量散开。实际应用中的散热环节可能略有差异，但是基本散热环节差别不大。这种典型散热方式的问题是：导热环节多；有的环节，譬如导热硅脂层，电路绝缘层等，由于材料的局限，热阻较高，这些热阻瓶颈的存在导致整个导热链的导热率不高。这种情况造成对芯片的散热效果不理想。
故仍然需要对现有的LED散热结构进行进一步改进。
发明内容：
本实用新型的目的是这样实现的：一种用于LED芯片的散热结构，它主要包括金属材质的芯片安装底座(11)，芯片安装底座(11)表面设有一个或一个以上的LED芯片(12)，围绕底座的腔体(13)，电路层(14)和腔体内冷却介质(15)。
在上述技术方案的基础上，本实用新型还有以下进一步的方案：
所述散热结构，芯片安装底座(11)同时作为向LED芯片提供电力的一个电极。通过芯片安装底座(11)，芯片(12)，金属键合线(18)，电路层(14)形成电气回路。
所述散热结构，多个芯片安装底座可以阵列。
所述散热结构，其腔体是开放的，有进口和出口，内有循环流动的冷却介质。
所述散热结构，其腔体是封闭的，内部填充有一定数量的低沸点介质。其沸点在1个大气压下为40-85摄氏度范围内。
本实用新型的优点如下：
LED芯片通过共晶焊或者高导热的粘合剂与金属底座连结在一起，芯片产生的热量仅通过连结层和金属底座，就可以到达冷却介质，热传导环节只有2个；在这2个环节中，金属底座可以用导热率较高又相对常用的廉价的材料，如铜、铝等制成，如在20摄氏度时，铜的导热率是397w/m·k，铝的导热率237w/m·k，完全可以满足大电流LED的热量传导；LED芯片与金属底座的连结，可以使用共晶焊的方式或者高导热粘合剂的方式，目前技术水平下，共晶焊层的导热率通常在60-200w/m·k，高导热粘合剂的导热率通常在20-70w/m·k，因为连接层厚度通常在几个微米到几十微米之间，所以导热效率完全可以满足目前大电流的LED芯片产生的热量。相对于目前常用的导热铝基板通常在2-4w/m·k，陶瓷基板通常在18-28w/m·k的导热率上，本实用新型的优势是显而易见的。
LED的热量传导到底座后，还需要冷却介质进一步将热量带走。本实用新型涉及了2种进一步将热量散走的方式。一种是将腔体设计为开放式的，有进口和出口，通过腔体内循环流动的冷却介质，将底座的热量带走。该冷却介质可以为空气，液体的水、油等。另外一种是将腔体设计成封闭的，内部填充一定数量的低沸点冷却介质，通过该冷却介质的沸腾相变将热量传导出去，再通过热交换器将热量散走。该类冷却介质沸点在1个大气压下为40-85摄氏度的范围比较理想，如氟碳化合物中的FC-78，1个大气压下沸点在50摄氏度；酒精在一个大气压下沸点在78摄氏度，都可以作为理想的冷却介质。
附图说明：
图1为本实用新型结构示意图
图2为本实用新型另一实施示意图
图3为目前一般大功率LED的散热设计示意图
具体实施方式：
下面结合附图详述本实用新型的实施方式：
参看图1。一种LED芯片的散热结构，包括有芯片的安装底座11，LED芯片12通过共晶焊方式安装在底座11上。电路层14并不承担导热的功能，所以可由普通的印刷线路板制成，根据需要制作适合的电路和形状，粘贴在底座11上。在本实施方式中，采用底部电极供电类型的LED芯片12，即电源通过芯片的底部提供，并由芯片顶部的电极导出。腔体13在本实施方式中与底座连为一体，将电源的正极与腔体连接，就相当于通过底座对芯片12供电，芯片的电极通过金属键合线18与电路层14的电路连接，这样就构成完整的电气回路。在本实施方式中，电路的基本形式是2个LED芯片并联，电路层14也制作成相应的并联电路。
参看图1。腔体13内有循环流动的冷却介质15。该介质可以是空气或者是其它液态冷却介质，譬如水，油等。冷却介质的循环流动，可由另外设置的风扇或泵实现。如果冷却介质循环的管路是封闭的，回路中冷却介质的降温，可由另外设置的热交换器实现；如果管路是开放的，则不需要额外的散热器对冷却介质进行降温。为增加安装底座11与冷却介质15的换热效果，底座11可以加工成带翅片106的形状，或者其它能增强换热效果的形状，譬如带微孔的烧结铜或微流道的形状。
在图1的实施方式中，底座和腔体都是带电的，在实际的生产中可根据需要在适当部位增加绝缘或隔离装置，冷却介质也可以采用譬如纯水，硅油等绝缘的介质。由于本实用新型只涉及到散热结构，不涉及到封装结构，故在此不做进一步叙述。
参看图2。本实施方案是每个底座11安装一个LED芯片12，8个底座阵列的方式。本实施方式采用绝缘衬底类型的LED芯片12，即芯片底部是绝缘的，2个电极在芯片的发光侧。电路层14可以由普通的印刷线路板制成，上面制作适当的电路，可以实现8个芯片的并联或串联。通过金属键合线18，将LED芯片的电极与电路层连接，形成电气回路。LED芯片工作时，热量传导到底座11上。腔体13围绕着金属底座11，腔体内可通过循环流动的冷却介质205将底座的热量带走。

Claims (5)

1.一种用于LED芯片的散热结构，它主要包括金属材质的芯片安装底座(11)，芯片安装底座(11)表面设有一个或一个以上的LED芯片(12)，围绕底座的腔体(13)，电路层(14)和腔体内冷却介质(15)。
2.根据权利要求1所述的一种用于LED芯片的散热结构，其特征在于：芯片安装底座(11)同时作为向LED芯片提供电力的一个电极，通过芯片安装底座(11)，芯片(12)，金属键合线(18)，电路层(14)形成电气回路。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于LED芯片的散热结构，其特征在于：多个芯片安装底座可以阵列。
4.根据权利要求1所述的一种用于LED芯片的散热结构，其特征在于：所述腔体是开放的，有进口和出口，内有循环流动的冷却介质。
5.根据权利要求1所述的一种用于LED芯片的散热结构，其特征在于：所述腔体是封闭的，内部填充有一定数量的低沸点介质，其沸点在1个大气压下为40-85摄氏度范围内。 
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