CN201853745U - 大功率led陶瓷热沉 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及到一种大功率LED陶瓷热沉，其特征在于，包括：陶瓷本体及通过陶瓷金属化工艺制作出的金属电路图层。本实用新型把传统设计中绝缘性能好但是热传导性差的PCB、导热性能好的金属热沉统一为具有绝缘导热、热电分离特性的陶瓷本体，在陶瓷散热模块表面通过陶瓷金属化工艺制作出金属电路图层，得到一个带有金属电路布线方案的陶瓷热沉。本实用新型的有益效果是：消除了散热瓶颈，使得从LED芯片到热沉的热传导变得顺畅，极大提高了LED的散热效率，有助于改善因温升而导致的LED芯片光衰大及寿命下降的问题。

Description

大功率LED陶瓷热沉 

【技术领域】

本实用新型涉及用于器件散热的热沉，特别涉及适用于大功率LED的陶瓷热沉。 

【背景技术】

由于近二成的居民用电被用于照明，而传统白炽灯只能以5％左右的低效率将电能转化为光能，所以具有更高能量转化效率的节能照明技术在世界范围内受到特别的重视。其中，LED(light emitting diode，发光二极管)技术因为具有发光效率高、使用寿命长、驱动电压低、安全性好、开关响应速度快、环境友好等优点而最受瞩目，最近十余年间技术水平飞速发展。 

尽管LED照明技术有着突出的优点和光明的应用前景，但是迄今为止，它在大规模商业应用方面仍受限于过高的购置成本以及一些技术问题。其中，热管理是大功率LED应用中极重要的技术课题，关系到大功率LED的可靠性和发光效率。因为LED进行能量转化的场所是在发光半导体薄膜的p-n结狭小的界面上。因此，尽管单颗LED装置的整体功率比较小，但是在发光芯片上的功率密度却很大——未能完全转化为光能的那部分电能，相当于在以＞300W/cm²的功率密度在加热芯片区域(可参考：A.Christensen and S.Graham，Thermal Effects in Packaging High Power Light Emitting Diode Arrays.Appl.Thermal Eng.29，364(2009).)。而根据文献报道，当LED芯片的工作温度从40℃提升到50℃，其工作寿命最多有可能从42,000小时缩短到18,000小时(可参考：N.Narendran and Y.Gu，Life of LED-Based White Light Sources.IEEE/OSA J.Display Technol.1，167(2005).)。随着芯片温度进一步提高，还将在工作过程中出现临时性的光衰、色差等一系列问题。更不幸的是由于单粒LED的输出亮度无法跟传统光源相比，实际的照明应用中常将多粒LED集成在一起，从而对系统散热能力提出了更苛刻的要求。 

当前业内的通用方案如图1所示：下游应用厂商从上游生产厂家购买LED灯粒4，将灯粒4焊接在PCB(printed circuit board，印刷电路板)3表面的电 路图案上，然后再把PCB板3用导热胶2粘在金属热沉1上。图2是这种组合方式的侧面示意图。其中，PCB的作用是提供电路，金属热沉1的作用是吸纳LED产生的热量并向空气中散发出去。在这种通用方案中，PCB和导热胶构成了热量传递的瓶颈。由于制作PCB的树脂材料(如FR4)的热导率通常不高于1W/m·K，所以即便热沉材料使用高热导率的金属如铝(室温热导率为237W/m·K)甚至铜(室温热导率为401W/m·K)，也无法很好地解决大功率LED的散热问题。近年来也有采用更高性能的MCPCB(metal core printedcircuit board，金属芯印刷电路板)取代普通PCB的，不过MCPCB表面氧化膜的热导率通常也只在2-5W/m·K之间(可参考：李华平，柴广跃，彭文达和牛憨笨，“大功率LED的封装及其散热基板研究”，《半导体光电》，28，47(2007)。)，仍然是散热瓶颈所在。 

【实用新型内容】

本实用新型目的是提供一种结构简化、散热效果更好的大功率LED热沉。 

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案： 

一种大功率LED陶瓷热沉，其特征在于，包括：陶瓷本体及通过陶瓷金属化工艺制作出的金属电路图层。 

所述陶瓷本体为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。 

所述的金属为钼、锰、钨、银、金、铂、银钯合金、铜。 

所述金属电路图层表面镀覆一层金属，该层金属为镍、金或镍磷合金。 

本实用新型把传统设计中绝缘性能好但是热传导性差的PCB、导热性能好的金属热沉统一为具有绝缘导热、热电分离特性的陶瓷本体，在陶瓷散热模块表面通过陶瓷金属化工艺制作出金属电路图层，得到一个带有金属电路布线方案的陶瓷热沉。本实用新型消除了大功率LED应用方案中的传热瓶颈，极大提高了LED的散热效率。 

【附图说明】

图1为现有的大功率LED热沉的分解结构示意图； 

图2为现有的大功率LED热沉的整体结构侧视图； 

图3为本实用新型提供的陶瓷热沉的分解示意图； 

图4为本实用新型提供的陶瓷热沉的侧视剖面图； 

图5为本实用新型装设了大功率LED后的陶瓷热沉的侧视图。 

【具体实施方式】

氧化铝陶瓷或者氮化铝陶瓷材料具有优秀的电气性能，好的电磁兼容性，以及与半导体材料相近的热膨胀系数。与此同时，它们还防水、耐腐蚀，具有很好的可靠性。通常96％氧化铝陶瓷和氮化铝陶瓷的体积电阻率都在10^13Ω·cm量级，它们的热导率分别为20-28W·m^-1·K^-1和170-230W·m^-1·K^-1，是兼具优良的绝缘性能和导热性能的材料。 

陶瓷金属化是一个复杂的物理化学过程。通过玻璃结合和反应结合等不同的机制，可以在片状，管状，棒状以及其他各类异形陶瓷表面形成附着牢固、致密的金属膜层。目前已有钼锰法陶瓷金属化技术、厚膜技术、薄膜技术、直接敷接技术、活性钎焊技术、化学镀技术等多种可供选择的公知技术，可以对氧化铝、氮化铝陶瓷表面实施金属化处理，获得不同材质的金属电路图案。金属可以为钼锰、钨、银、金、铂、银钯合金、铜或含钛的活性钎料合金。 

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的介绍： 

实施例一 

如图3及图4所示，本实施例提供的大功率LED陶瓷热沉包括陶瓷本体1和金属电路图层2。陶瓷本体1采用氧化铝陶瓷(例如96％氧化铝陶瓷)。金属电路图层2系采用公知的厚膜技术在陶瓷本体1表面实施金属化得到的，所述金属材料可以是银、金、铂、银钯合金等贵金属。陶瓷本体1与表面金属化得到的金属电路图层2紧密结合的整体构成本实施例提供的陶瓷热沉。装设大功率LED灯粒4后的陶瓷热沉的侧视图如图5所示。 

实施例二 

本实施例与实施例一相似，可参照图3-4，区别在于：陶瓷本体1采用氮化铝陶瓷，金属电路图层2系采用公知的直接敷接技术在陶瓷本体1表面金属化得到的，其材料可以是铜。为获得更佳的焊接性能，在金属电路图层2表面 还用电化学或化学方法镀覆一层或多层金属层，如镀覆镍、镍磷合金，又或者在镍基金属层上再镀上银、银铜合金镀层等(图中未示)。 

虽然陶瓷主体的热导率不如铝、铜等金属，但本实用新型由于省略了导热性能低下的PCB/MCPCB绝缘基板，结构中不存在散热瓶颈的陶瓷热沉方案仍可获得更加出色的整体散热效果。本实用新型所述的陶瓷热沉具备导热性能好、强度大、耐冷热冲击等优点，为大功率LED的热控制提供了一种高效率、高可靠性的解决方案。表面经过金属化处理的陶瓷热沉，适于为大功率LED应用提供高效、可靠的热管理解决方案，使得从LED芯片到热沉的热传导变得顺畅。本实用新型将有助于改善因温升而导致的LED芯片光衰大及寿命下降的问题。 

以上实施例仅为充分公开而非限制本实用新型。 

Claims (4)

1.一种大功率LED陶瓷热沉，其特征在于，包括：陶瓷本体及通过陶瓷金属化工艺制作出的金属电路图层。

2.根据权利要求1所述的大功率LED陶瓷热沉，其特征在于：所述陶瓷本体为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。

3.根据权利要求1所述的大功率LED陶瓷热沉，其特征在于：所述的金属为钼、锰、钨、银、金、铂、银钯合金、铜。

4.根据权利要求1或2或3所述的大功率LED陶瓷热沉，其特征在于：所述金属电路图层表面镀覆一层金属，该层金属为镍、金或镍磷合金。 

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