CN202839589U - 一种均热板、基于均热板的led芯片封装结构及其芯片支架 - Google Patents

一种均热板、基于均热板的led芯片封装结构及其芯片支架 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种均热板、基于均热板的LED芯片封装结构及其芯片支架。其中，均热板在其具有导热性的真空密闭壳体的腔体内注有工质，腔体内设有呈毛细结构的工质回流层和支撑柱，且工质回流层的毛细管道与支撑柱的毛细管道连通。芯片支架的机壳与均热板的密闭壳体固定连接；机壳的内部设有通孔，LED芯片置于通孔内，LED芯片的导热面与密闭壳体固定在一起，各LED芯片通过与转接端子连接或各LED芯片通过导线相互连接而构成相应的电路；在通孔的内部填充有荧光胶，以使LED芯片的发光面和所述导线的表面布满荧光胶。本实用新型LED芯片封装结构具有良好的瞬间散热、快速散热和均匀散热性能，提升了LED照明灯的亮度及光效。

Description

一种均热板、基于均热板的LED芯片封装结构及其芯片支架
技术领域
本实用新型涉及一种LED发光模组芯片封装结构及散热技术，特别涉及一种适用于路灯、工矿灯、隧道灯等大功率LED发光模组的芯片封装结构及其散热。 
背景技术
在电子产品朝向更轻薄、更节能环保的需求下，高功率LED照明灯也有材料发光效率不足、散热技术无法突破的瓶颈，从而影响LED灯具的寿命。故系统散热设计是目前所有LED照明灯供应商面临的最大难题，尤其是高功率LED照明灯具，系统热设计的成败直接影响了LED照明灯的可靠性与否。为解决散热问题，从业者提出了不同的产品方案。目前的LED照明灯制造商多数采用陶瓷基板、铝基板或铜基板上阵列式封装LED芯片技术。但此类封装技术，LED芯片光线利用率低，LED芯片封装成本高，最为关键的是，其散热效果不理想。在灯具功率超过100W时，其不能解决LED芯片瞬间散热、快速散热和均匀散热等3个问题：（a）瞬间散热——在启动时，LED芯片会生产短时间高温冲击，然后温度快速回落到正常水平，这时需要解决瞬间高温导热，否则LED芯片容易疲劳损坏；（b）快速散热——LED PN结温度在80-90℃时，寿命在3万小时左右，60-70℃时，寿命在5万小时左右，因此工作中PN结温度越低越好；（c）均匀散热——大功率LED光源目前由多芯片集合封装而成，工作中，各芯片的PN结发热有高有低，需要保证各芯片之间的温度均匀分布，方可保障各芯片寿命的一致性。故普通封装方案不能满足大功率LED照明产品散热需求，导致大功率LED灯具寿命不足，故市场接受度差，所以需要更合适的LED照明灯散热设计方案，方可适应市场需求。 
如图1和图2所示，现有技术中的普通LED照明灯设有散热器1，散热器1的上表面固定有石墨片2，石墨片2的上表面固定有散热基板3，散热基板3的上表面涂布有导热硅脂4，导热硅脂4的上表面与芯片支架5的下表面固定，芯片支架5的内部设有连线端子排6，芯片支架5的上表面阵列放置LED芯片7，芯片支架5的上表面与LED芯片7通过银胶8固定连接，LED芯片7之间由导线9连接，LED芯片7与连线端子排6通过导线9连接，芯片支架5的上表面、LED芯片7和导线9的表面涂布有荧光胶10。现有技术中的普通LED照明灯有如下的缺失和不足： 
（1）LED芯片7与散热基板3之间有两层热阻，即芯片支架5产生一层热阻，导热硅 脂4产生一层热阻，直接影响LED芯片7的散热效果，进而在LED芯片7与散热基板3之间形成导热沙漏效应，LED芯片7的热量不能及时传递到散热基板3上。 
（2）散热基板3本身靠材质热传导散热，热传导效率只有400W/m-K左右，不能满足大功率LED灯具瞬间散热、快速散热和均匀散热3个要求，导致LED照明灯工作时LED芯片7的PN结界面温度超过90℃，使LED芯片7在短时间内形成强光衰，因为LED芯片7光衰超过30%时，判定LED照明灯寿命终止，故此种散热方式不能满足LED照明灯的寿命使用要求。 
（3）LED芯片7之间由导线9串联，导线9和LED芯片7的连接处发生断裂时会导致整串LED芯片7失效，从而使LED照明灯有较大的品质隐患。 
（4）芯片支架5的上表面、LED芯片7和导线9的表面整体涂布荧光胶10。此种结构，荧光胶10使用量高，而荧光胶10本身价格高昂，导致LED照明灯成本高，且LED芯片7发光会与荧光胶10作用产生热作用，导致LED照明灯发热量增加。 
（5）LED芯片7在芯片支架5上阵列排布，LED芯片7侧面的光线不可利用，导致LED芯片7光线利用率低，进而影响LED照明灯光效。 
（6）因芯片支架5本身不具有保障各区域温度一致的特性，LED芯片7的PN结发热有高有低，芯片间的温度不一致会导致LED芯片7寿命的不一致，进而影响LED照明灯的寿命。 
（7）芯片支架5与散热基板3之间使用导热硅脂4，而导热硅脂4需要低温存储，使用前需要回温，涂布均匀性难控制，涂胶不均匀会导致胶体间产生气泡，阻碍热传递，故为保障导热硅脂4涂布均匀性及精密性，导热硅脂4涂布作业耗费人工多。 
（8）导热硅脂4长时间工作后会因挥发产生硬化，硬化后会在胶体间产生空气腔体，导致热导率下降，直接对路灯寿命产生影响，降低了路灯的可靠性。 
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种均热板、基于均热板的LED芯片封装结构及其支架，以克服现有技术中的部分或全部缺陷。 
为实现上述目的，本实用新型所采用的具体技术方案是： 
本实用新型提供了一种用于LED芯片封装的均热板，它包括具有导热性的真空密闭壳体，密闭壳体的腔体内注有工质，在密闭壳体的腔体的内壁表面设有工质回流层，工质回流层呈毛细结构；在密闭壳体的腔体内还设有呈毛细结构的支撑柱，各支撑柱的两端分别与密闭壳体的内壁固定连接，且工质回流层的毛细管道与支撑柱的毛细管道连通。 
进一步地，本实用新型均热板在所述密闭壳体的外壁的上表面设有导热薄膜；优选使用 金属银导热薄膜。 
进一步地，本实用新型均热板在所述密闭壳体的外壁的下表面固定有导热层。 
进一步地，本实用新型均热板在所述导热层的下表面固定有散热器。 
本实用新型提供了一种用于LED芯片封装的的芯片支架，它包括机壳，机壳的内部设有转接端子、LED芯片的输入正电极和输入负电极、以及用于置放LED芯片的通孔，各LED芯片的电极能够分别与转接端子的一个输出电极点连接，所述LED芯片的输入正电极、输入负电极分别与转接端子的输入电极点连接。 
本实用新型提供了另一种用于LED芯片封装的的芯片支架，它包括机壳，机壳的内部设有LED芯片的输入正电极和输入负电极、以及用于置放LED芯片的通孔，各LED芯片的电极之间能通过导线连接组成相应的电路，且该电路分别与所述LED芯片的输入正电极、输入负电极连接。 
本实用新型所提供的LED芯片封装结构包括均热板、芯片支架和LED芯片。其中，均热板包括具有导热性的真空密闭壳体，密闭壳体的腔体内注有工质，在密闭壳体的腔体的内壁表面设有工质回流层，工质回流层呈毛细结构；在密闭壳体的腔体内还设有呈毛细结构的支撑柱，各支撑柱的两端分别与密闭壳体的内壁固定连接，且工质回流层的毛细管道与支撑柱的毛细管道连通。优选地，均热板在所述密闭壳体的外壁的上表面设有导热薄膜，并优选使用金属银导热薄膜。优选地，均热板在所述密闭壳体的外壁的下表面固定有导热层。进一步地，本实用新型均热板还优选在所述导热层的下表面固定有散热器。所述芯片支架包括机壳，机壳与所述均热板的密闭壳体固定连接；机壳的内部设有转接端子、通孔、芯片的输入正电极和输入负电极，所述LED芯片置于所述通孔内，LED芯片的导热面与密闭壳体固定在一起，各LED芯片的电极分别通过导线与转接端子的一个输出电极点连接，所述输入正电极、输入负电极分别与转接端子的输入电极点连接；在通孔的内部填充有荧光胶，以使LED芯片的发光面和所述导线的表面布满荧光胶。 
本实用新型所提供的另一种LED芯片封装结构包括均热板、芯片支架和LED芯片。其中，均热板包括具有导热性的真空密闭壳体，密闭壳体的腔体内注有工质，在密闭壳体的腔体的内壁表面设有工质回流层，工质回流层呈毛细结构；在密闭壳体的腔体内还设有呈毛细结构的支撑柱，各支撑柱的两端分别与密闭壳体的内壁固定连接，且工质回流层的毛细管道与支撑柱的毛细管道连通。优选地，均热板在所述密闭壳体的外壁的上表面设有导热薄膜，并优选使用金属银导热薄膜。优选地，均热板在所述密闭壳体的外壁的下表面固定有导热层。进一步地，本实用新型均热板还优选在所述导热层的下表面固定有散热器。所述芯片支架包括机壳，机壳与所述均热板的密闭壳体固定连接；在机壳的内部设有通孔、芯片的输入正电 极和输入负电极，所述LED芯片置于所述通孔内，LED芯片的导热面与密闭壳体固定在一起，各LED芯片的电极之间通过导线连接组成相应的电路，且该电路分别与所述输入正电极、输入负电极连接；在通孔的内部填充有荧光胶，以使LED芯片的发光面和所述导线的表面布满荧光胶。 
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型直接在均热板上封装LED芯片的结构，在保持现有技术的LED芯片封装结构的优点下，去除了现有技术的芯片支架和导热硅脂所带来的两层热阻，同时利用均热板的高导热性，能快速将LED芯片的热量带到散热器上，并使散热面加大。本实用新型这种新的LED芯片封装结构，克服了LED芯片与散热器之间散热的沙漏效应，克服了导热硅脂使用可靠性差及作业成本高的问题，同时利用均热板各面温度均等的特性，使LED灯具各芯片的PN结发热一致性好，各芯片PN结温度保持在60℃左右，从而解决了LED芯片瞬间散热、快速散热和均匀散热三个关键问题，使LED芯片寿命达到10万小时的理论值。此外，本实用新型新的芯片支架结构通过芯片支架上的通孔为每个芯片提供反射杯罩，提升了芯片发光的利用率，并减少了荧光胶的使用；同时也减少了荧光胶与LED芯片产生的热作用，进而降低了发热量，提升了LED照明灯的光效，并使均热板的散热效果达到最佳并降低了制造成本。此外，本实用新型新的芯片支架结构能够克服LED芯片单独依靠导线进行电气连接的缺点，在支架内部使用转接端子实现了电气连接，转接端子间根据需求形成相应回路，使单一线路受损时不会影响整个LED照明灯的工作，使整个LED照明灯的寿命达到最大值。 
附图说明
图1是现有普通LED照明灯的结构示意图； 
图2是图1中A部的放大图； 
图3是使用本实用新型封装结构的LED照明产品的结构示意图； 
图4是图3中B部的放大图； 
图5是图3的左视图； 
图6是图5中C部的放大图； 
图7是本实用新型芯片支架的结构示意图； 
图8是图7中D部的放大图； 
1.散热器，2.石墨片，3.散热基板，4.导热硅脂，5.芯片支架，6.连线端子排，7.LED芯片，8.银胶，9.导线，10.荧光胶，11.密闭壳体，12.腔体，13.工质回流层，14.支撑柱，15.工质，16.导热薄膜，17.芯片支架，18.芯片的输入正电极，19.LED芯片，20.通孔，21.转接端子，22.导线，23.银胶，24.荧光胶，25.导热层，26.散热器，27.机壳，28.芯片的输入 负电极。 
具体实施方式
本实用新型基于均热板的LED芯片封装结构主要包括均热板、芯片支架17和LED芯片19。 
如图3和图4所示，本实用新型所用的均热板包括具有导热性的真空的密闭壳体11，密闭壳体11的导热系数优选在200W/m-K以上而使之具有较理想的导热效果。在密闭壳体11的真空腔体12的内壁的表面设有工质回流层13，工质回流层13呈毛细结构。在密闭壳体11的腔体12内还设有多个呈毛细结构的支撑柱14。各支撑柱14的一端与密闭壳体11的顶部固定连接，支撑柱14的另一端与密闭壳体11的底部固定连接；各支撑柱14的两端分别与密闭壳体11的内壁的工质回流层连通，从而使工质回流层的毛细管道与支撑柱的毛细管道连通，由此，工质回流层13的毛细管道和支撑柱14的毛细管道共同构成工质回流管路。此外，各支撑柱14还能够支撑密闭壳体11的腔体12。 
如图4所示，密闭壳体11的腔体12内注有工质15。工质15通常为纯水、无水酒精等。密闭壳体11的腔体12保持真空状态。工质15可以利用毛细现象在密闭壳体的腔体12、工质回流层13和支撑柱14之间流动。工质15遇热蒸发时，工质15由液态变成气态，由工质回流层13或支撑柱14的毛细管道进入密闭壳体11的腔体12，从而将热量快速均匀散布到腔体12的低温处；工质15在腔体12的低温处遇冷冷凝后变成液态，由腔体12经工质回流层13和支撑柱14的毛细管道回到发热端。由此，工质15在密闭壳体11的腔体12内能够以高速重复做蒸发、冷凝动作，从而实现热能快速传导，大大提升密闭壳体11的导热性能，从而克服了现有技术的散热基板3的导热性能不足的问题，使LED芯片19快速散热。而密闭壳体11的腔体12保持真空状态，故工质15遇热蒸发时能快速到达密闭壳体11的腔体12内的任意位置，使密闭壳体11的各处温度保持一致，从而克服了各LED芯片7的PN结温度不一致的问题。 
在密闭壳体11的外壁的上表面可设有导热薄膜16，其导热系数通常大于等于200W/m-K。本实用新型所谓的密闭壳体11的外壁的上表面是指用于与LED芯片19的导热面连接的一面，密闭壳体11的外壁的下表面则是指与密闭壳体11的外壁的上表面相反的另一面。导热薄膜16优选导热系数大于429W/m-K的金属银导热薄膜。进一步利用银金属本身的镜面反射效果，可加强对LED芯片19所产生的光线的反射，从而提升LED照明灯的发光效率。为进一步提升散热效果，可密闭壳体11的外壁的下表面固定有导热层25，导热层25可以选用石墨片、导热硅脂等；此外，还可导热层25的下表面固定有散热器26，散热器26用于LED照明灯的整体散热。 
本实用新型LED芯片封装结构，利用均热板的真空密闭壳体11的腔体12内的工质蒸发，将热量快速均匀散布到低温处，工质遇冷冷凝后再由腔体内毛细结构构成的回流管路返回至热源的特性，它能以超音波速度重复做蒸发、冷凝动作，从而实现热能快速传导，使均热板的导热系数达到800W/m-K以上。故本实用新型基于均热板的LED芯片封装结构能将大量的热量在极短的时间内排除，并使均热板各处温度保持一致，从而实现大功率LED照明产品的散热。本实用新型基于均热板的大功率LED芯片封装结构具有短、小、轻、薄、不必维修、坚固耐用、价廉物美的特点，大大降低了LED照明灯系统设计的复杂性，减轻了LED照明灯的重量，使LED照明灯的寿命、可靠性得到大幅提升，降低了LED照明灯的成本，使本实用新型基于均热板的LED芯片封装结构能成为后续LED照明产品的市场主流。 
参见图3、4、7和8，导热薄膜16的外表面与芯片支架17固定在一起，具体地说，是与芯片支架17的机壳27固定在一起，从而使芯片支架17的机壳27通过导热薄膜16与密闭壳体11固定连接。当密闭壳体11的外壁的上表面未设有导热薄膜16时，芯片支架17的机壳27则直接与密闭壳体11固定连接。芯片支架17的大小、形状、厚度及电极引出方式可根据LED照明灯的功率大小进行相应的选择。 
在本实用新型中，如图5和图6所示，芯片支架17由芯片的输入正电极18、输入负电极28、通孔20、转接端子21和对支架起保护作用的机壳27组成。输入正电极18、输入负电极28分别置于芯片支架17上。机壳27的内部设有若干个通孔20，每个通孔20内置有LED芯片19。LED芯片19的导热面通过银胶23与密闭壳体11的外壁的上表面直接固定在一起；若密闭壳体11的外壁的上表面设有导热薄膜16，则LED芯片19的导热面通过银胶23与导热薄膜16固定在一起，从而使LED芯片19的导热面与密闭壳体11固定在一起。转接端子21按照芯片驱动的要求预先形成电路。转接端子21嵌入到机壳27内，通孔20内的各LED芯片19的电极分别通过导线22与转接端子21的一个输出电极点连接。输入正电极18、输入负电极28分别与转接端子21的输入电极点连接。此外，转接端子21、导线22、芯片的输入正电极18、输入负电极28均不应与导热薄膜16和密封壳体11接触。由此，本实用新型的芯片支架17的结构可以避免当一个LED芯片19发生断裂时，整个LED照明灯都出现失效的问题。本实用新型也可以不使用转接端子21，而在各LED芯片19之间使用导线22连接成一个能够满足芯片驱动要求的整体电路，该整体电路再通过导线22与芯片的输入正电极18、输入负电极28连接。 
由于本实用新型的芯片支架17设有通孔20的结构，可使LED芯片19的导热面与密闭壳体11的外壁的上表面直接连接或通过高导热系数的导热薄膜16与密闭壳体11的外壁上表面进行连接，去除了现有技术的芯片支架5和导热硅脂4所带来的两层热阻，使LED芯片 19的热量快速传递至密闭壳体11，再通过密闭壳体11将热量快速传递至导热层25和散热器26上。不仅如此，导热硅脂的去除，克服了导热硅脂带来的涂布作业以及因硬化而影响使用可靠性的问题，进而提升了LED照明灯的寿命。 
LED芯片19的导热面通过银胶23与导热薄膜16固定在一起或直接与密闭壳体11固定在一起。本实用新型只需在通孔20的内部填充有荧光胶24，以使LED芯片19的发光面、导线22的表面布满荧光胶24，无需如现有技术那般在整个芯片支架5的上表面涂布荧光胶，进而大大节约了荧光胶24的用量，降低了LED照明灯的材料成本，同时也大大降低了LED芯片19与荧光胶24作用产生的发热量。此外，通孔20本身呈杯罩的外形，可以将每个LED芯片19侧面发光面的光线在通孔内进行反射并加以利用，进而提升了LED照明灯的亮度及发光效率。 

Claims (9)

1. 一种用于LED芯片封装的均热板，其特征是：包括具有导热性的真空密闭壳体，密闭壳体的腔体内注有工质，在密闭壳体的腔体的内壁表面设有工质回流层，工质回流层呈毛细结构；在密闭壳体的腔体内还设有呈毛细结构的支撑柱，各支撑柱的两端分别与密闭壳体的内壁固定连接，且工质回流层的毛细管道与支撑柱的毛细管道连通。
2. 根据权利要求1所述的用于LED芯片封装的均热板，其特征是：在所述密闭壳体的外壁的上表面设有导热薄膜。
3. 根据权利要求2所述的用于LED芯片封装的均热板，其特征是：所述导热薄膜为金属银导热薄膜。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的用于LED芯片封装的均热板，其特征是：所述密闭壳体的外壁的下表面固定有导热层。
5. 根据权利要求4所述的用于LED芯片封装的均热板，其特征是：所述导热层的下表面固定有散热器。
6. 一种用于LED芯片封装的的芯片支架，其特征是：包括机壳，机壳的内部设有转接端子、LED芯片的输入正电极和输入负电极、以及用于置放LED芯片的通孔，各LED芯片的电极能够分别与转接端子的一个输出电极点连接，所述LED芯片的输入正电极、输入负电极分别与转接端子的输入电极点连接。
7. 一种用于LED芯片封装的的芯片支架，其特征是：包括机壳，机壳的内部设有LED芯片的输入正电极和输入负电极、以及用于置放LED芯片的通孔，各LED芯片的电极之间能通过导线连接组成相应的电路，且该电路分别与所述LED的输入正电极、输入负电极连接。
8. 一种使用权利要求5的均热板的LED芯片封装结构，其特征是：包括所述均热板、芯片支架和LED芯片，所述芯片支架包括机壳，机壳与所述均热板的密闭壳体固定连接；机壳的内部设有转接端子、通孔、LED芯片的输入正电极和输入负电极，所述LED芯片置于所述通孔内，LED芯片的导热面与密闭壳体固定在一起，各LED芯片的电极分别通过导线与转接端子的一个输出电极点连接，所述输入正电极、输入负电极分别与转接端子的输入电极点连接；在通孔的内部填充有荧光胶，以使LED芯片的发光面和所述导线的表面布满荧光胶。
9. 一种使用权利要求5的均热板的LED芯片封装结构，其特征是：包括所述均热板、芯片支架和LED芯片，所述芯片支架包括机壳，机壳与所述均热板的密闭壳体固定连接；在机壳的内部设有通孔、LED芯片的输入正电极和输入负电极，所述LED芯片置于所述通孔内，LED芯片的导热面与密闭壳体固定在一起，各LED芯片的电极之间通过导线连接组成相应的电路，且该电路分别与所述LED芯片的输入正电极、输入负电极连接；在通孔的内部填充有荧光胶，以使LED芯片的发光面和所述导线的表面布满荧光胶。
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