CN206003823U - 提高散热性能的高功率led光源模组 - Google Patents

提高散热性能的高功率led光源模组 Download PDF

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郭宏
杨华
韩媛媛
卢鹏志
王建伟
郑怀文
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Abstract

本实用新型提供一种提高散热性能的高功率LED光源模组,包括:一基板,其上面的中间加工有圆形或方形的凹槽;一中间基板,其镶嵌在基板上的圆形或方形凹槽中并与基板的表面齐平;一上基板,其上开有两个通孔;一下电极,其制作在上基板背面,与中间基板连接;一上电极,其制作在上基板上,该上电极和下电极通过上基板上开的通孔连接;一LED芯片阵列,其制作在上电极上。本实用新型实现了高功率LED光源模组的有效散热,而且体积小、重量轻,提高了高功率LED光源模组的光效、寿命和可靠性。采用金刚石铜复合材料降低了成本,在LED阵列区域下方采用金刚石铜散热,周边其他区域仍是铜,可以进一步降低成本。

Description

提高散热性能的高功率LED光源模组
技术领域
[0001] 本实用新型涉及LED照明领域,尤其涉及一种提高散热性能的高功率LED光源模组。
背景技术
[0002] LED被称为绿色光源,具有节能、环保、寿命长、体积小等特点,可以广泛应用于显示、装饰、背光源、普通照明等领域。
[0003] 300W以上的高功率光源是室内外照明的重要组成部分,广泛应用于道路照明、广场照明、立交桥照明、体育场馆照明、高空间厂房照明、工矿场地照明等场合。这些场所通常采用大功率高压钠灯或金属卤化物等传统光源,这两种高强气体放电灯光源由于整体上光效低和寿命短,造成了巨大的能源浪费,而高功率LED光源以其高效、节能、寿命长、显色指数高、环保、体积小等优点,正成为室内外高空间照明的后起之秀,有着取代传统光源,并形成巨大产业规模的发展前景。
[0004]由于受LED封装、散热、寿命等技术门槛所限,目前,高功率LED光源及其应用灯具的发展还不够成熟。高功率LED光源通常采用大功率倒装结构LED芯片或大功率垂直结构LED芯片,通过在陶瓷基板上串并连组成阵列实现较高的功率输出。相比较正装结构LED芯片,倒装或垂直结构LED芯片的电流拥堵效应更小、散热更好、可以在较大的电流下驱动使用。但是倒装或垂直结构LED芯片与基板的接触面都是导电的,要求基板必须是绝缘基板,并且在绝缘基板上进行电极图形的制备,通常使用陶瓷基板作为LED芯片进行串并连的绝缘基板,最后将陶瓷基板通过焊料焊接到铜或铝散热基板上,最后进行荧光粉涂敷、灌胶、透镜安装等封装步骤。由于高功率LED光源的电功率密度一般都大于0.2W/mm2,对散热要求较高,传统的铜或铝基板热导率不高,而且热膨胀系数也较大,难以将LED光源的热量传导出去,造成光源寿命和可靠性下降。
实用新型内容
[0005] 鉴于上述技术问题,本实用新型提供了一种提高散热性能的高功率LED光源模组。其是采用高导热性低热膨胀系数的的金刚石铜代替铜或铝散热基板,实现了高功率LED光源模组的有效散热,而且体积小、重量轻,提高了高功率LED光源模组的光效、寿命和可靠性。采用金刚石铜复合材料降低了成本,在LED阵列区域下方采用金刚石铜散热,周边其他区域仍是铜,可以进一步降低成本。
[0006] 本实用新型提供一种提高散热性能的高功率LED光源模组,包括:
[0007] —基板,其上面的中间加工有圆形或方形的凹槽;
[0008] —中间基板,其镶嵌在基板上的圆形或方形凹槽中并与基板的表面齐平;
[0009] 一上基板,其上开有两个通孔;
[0010] —下电极,其制作在上基板背面,与中间基板连接;
[0011] —上电极,其制作在上基板上,该上电极和下电极通过上基板上开的通孔连接;
[0012] 一 LED芯片阵列,其制作在上电极上。
[0013] 其中该基板的材料为铜或铝,该基板的厚度为2-20_。
[0014] 其中该基板上的凹槽深度为0.3-15mm。
[0015] 其中该中间基板的材料为金刚石铜的复合散热材料,其热导率为400_1000W/k.m,该中间基板的厚度与基板上凹槽的深度相同。
[0016] 其中该上基板的材料为陶瓷。
[0017] 从上述技术方案可以看出,本实用新型全光谱LED光源单元模组具有以下有益效果:
[0018] 1、采用金刚石铜作为散热基板2,金刚石铜复合材料的热导率通常为600-800W/k.m,而传统铜散热基板的热导率小于400W/k.m,导热性能大大提高,提高了高功率LED光源模组的寿命和可靠性;
[0019] 2、金刚石铜的热膨胀系数为5 X 10—6/°C,与基板I (通常为AlN)和LED芯片的蓝宝石衬底的热膨胀系数匹配,AlN和蓝宝石的热膨胀系数分别为3.5 X 10—V°C和5.8 X 10—6/°C,光源模组在高低温冲击时的可靠性能得以提高。而传统铜散热基板的热膨胀系数为17.7X10一6/°C,与基板I (通常为AlN)和LED芯片的蓝宝石衬底的热膨胀系数失配较大,界面应力较大,容易在长期使用过程中出现焊接不牢等问题。
附图说明
[0020] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本实用新型进一步详细说明,其中:
[0021]图1为本实用新型的结构俯视不意图;
[0022]图2为图1中A-A/方向的剖面图。
具体实施方式
[0023] 本发明提供的一种高散热性能高功率光源模组,利用多颗倒装结构LED芯片或垂直结构LED芯片直接固定在布有电路的陶瓷基板上,然后将陶瓷基板通过导热硅脂等焊料焊接到金刚石铜复合散热基板上,可以实现高功率LED光源模组的有效散热,而且体积小、重量轻,提高了高功率LED光源模组的光效、寿命和可靠性,成本较低。
[0024] 请参阅图1-图2所示,本实用新型提供一个示例性实施例,本实施例高散热性能高功率LED光源模组包括:
[0025] —基板I,其上面的中间加工有圆形或方形的凹槽;
[0026] —中间基板2,其镶嵌在基板I上的圆形或方形凹槽中并与基板I的表面齐平;
[0027] 一上基板3,其上开有两个通孔;
[0028] —下电极4,其制作在上基板3背面,与中间基板2连接;
[0029] —上电极5,其制作在上基板3上,该上电极5和下电极4通过上基板3上开的通孔连接;
[0030] 一LED芯片阵列6,其制作在上电极5上。
[0031] 基板I是铜或铝等热导率较高的金属,主要作用是散热和支撑作用,帮助散发来自LED芯片阵列6的热量。基板I的厚度2-20mm。在基板I的中间加工圆形或方形或其他与中间基板2相似形状的凹槽,用于镶嵌中间基板2,凹槽内部和侧壁打磨光滑平整,凹槽的深度为
0.3_15mm0
[0032]中间基板2是金刚石铜复合散热材料,是金刚石和铜根据一定比例互溶形成的复合材料,金刚石铜复合材料的热导率通常为600-800W/k.m,而传统铜散热基板的热导率小于400W/k.m,导热性能大大提尚,可以提尚尚功率LED光源_旲组的寿命和可罪性。金刚石铜复合材料的热膨胀系数可以调节为5 X 10—6/°C,与上基板3 (通常为AlN)和LED芯片阵列6的蓝宝石衬底的热膨胀系数匹配,AlN和蓝宝石的热膨胀系数分别为3.5X 10—6/°C和5.8X10—6/°C,光源模组在高低温冲击时的可靠性能得以提高。而传统铜散热基板的热膨胀系数为17.7X 10—6/°C,与上基板3 (通常为AlN)和LED芯片的蓝宝石衬底的热膨胀系数失配较大,界面应力较大,容易在长期使用过程中出现焊接不牢等问题。
[0033] 此外,中间基板2热膨胀系数与基板I的铜或铝散热材料接近,能够将来自上面LED芯片阵列6的热量有效地传导到基板I上。
[0034]中间基板2采用铅焊或其他无缝低热阻焊接方法镶入式焊接到基板I里,实现热量的有效快速散发。中间基板2的厚度与基板I的凹槽深度一致。
[0035] 上基板3是高导热绝缘材料,通常为A1N、A1203或树脂基板,其中AlN陶瓷基板的热导率最高(320W/k.m)。上基板3的作用除了对LED芯片阵列6起到支撑作用外,最主要是通过上基板3上面的上电极5实现多颗倒装结构LED或多颗垂直结构LED的串并联,形成高功率LED光源阵列6,同时有效地传导热量。上基板3通过导电通孔将上电极5与下电极4连接起来,下电极5与散热基板I上的驱动电路连接,便于对LED发光阵列6的驱动和控制。上基板3通过导热硅脂等低热阻材料与基板I和中间基板2相连接。
[0036] LED芯片阵列6,由多颗大功率倒装结构LED芯片或大功率垂直结构LED芯片按照N*N或N*M阵列排布而成。倒装结构LED芯片或垂直结构LED芯片的发光层离上基板3更近,其热阻较大功率正装结构LED更小,可以在较大的驱动电流下工作,电流拥堵效应更小,寿命更长。如果是倒装结构LED芯片,直接通过倒装焊或共晶焊工艺与上电极5相接。如果是垂直结构LED芯片,由于正负电极分别在芯片的上面和下面,还需要在芯片上面打金线与上电极5相连。
[0037] 最后在LED芯片阵列6上面涂敷黄色荧光粉,将蓝光转换成白光即可。
[0038]以上所述的具体实施例,对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已,并不用于限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高散热性能的高功率LED光源模组,其特征在于,包括: 一基板,其上面的中间加工有圆形或方形的凹槽; 一中间基板,其镶嵌在基板上的圆形或方形凹槽中并与基板的表面齐平; 一上基板,其上开有两个通孔; 一下电极,其制作在上基板背面,与中间基板连接; 一上电极,其制作在上基板上,该上电极和下电极通过上基板上开的通孔连接; 一 LED芯片阵列,其制作在上电极上。
2.根据权利要求1所述的提高散热性能的高功率LED光源模组,其特征在于,其中该基板的材料为铜或铝,该基板的厚度为2_20mm。
3.根据权利要求1所述的提高散热性能的高功率LED光源模组,其特征在于,其中该基板上的凹槽深度为0.3-15mm。
4.根据权利要求1所述的提高散热性能的高功率LED光源模组,其特征在于,其中该中间基板的材料为金刚石铜的复合散热材料,其热导率为400-1000W/k.m,该中间基板的厚度与基板上凹槽的深度相同。
5.根据权利要求1所述的提高散热性能的高功率LED光源模组,其特征在于,其中该上基板的材料为陶瓷。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112234037A (zh) * 2020-09-17 2021-01-15 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种嵌入式金刚石硅基微流体散热转接板及其制备方法

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