CN210489612U - 一种led发光单元及发光模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种LED发光单元，包括至少两个LED芯片、陶瓷基板，所述LED芯片排列成a行b列的芯片组设置在陶瓷基板上，其中a<b，在陶瓷基板上设有围坝，所述围坝位于所述芯片组四周，所述围坝上设置有覆盖芯片组的聚光透镜。本实用新型同时还提供一种LED发光模块，包括上述的LED发光单元，若干个所述LED发光单元排列固定安装在铜基电路板上，所述铜基电路板上设有控制LED发光单元的电路。本实用新型以较低的成本提供一种单位面积发光效率较高的UV固化LED发光模块。

Description

一种LED发光单元及发光模块

技术领域

本实用新型属于光电子技术领域，更具体地说，涉及一种用于固化UV油墨的LED发光单元及发光模块。

背景技术

UV油墨是一类在紫外光照射下发生聚合反应而固化的油墨。和溶剂型油墨不同，UV油墨不含有机溶剂，不排放有害气体，符合环保要求。另外UV油墨瞬间固化，油墨几乎没有流动或渗透，印刷的清晰度和分辨度都明显好于溶剂性油墨。第三，UV油墨固化印刷速度快；多种颜色的油墨能依次连续印刷，印刷效率高。第四，油墨未经紫外照射不会固化，粘稠度不变，从而提高了印刷过程中的容许待机时间，避免了许多因油墨干燥引起的油墨通路堵塞。第五，UV油墨有较好的附着牢度。

目前印刷行业用于固化UV主要是中压汞灯管。近年来，随着紫外LED芯片价格的降低，越来越多的油墨固化灯具设备采用紫外LED芯片制作。紫外LED芯片制作的油墨固化灯具设备和汞灯固化设备相比，一个突出的优点是省电。省电的原因之一是，在大多数汞灯的能量分配中，约55％的能量是红外光，15％是可见光，只有约30％的能量是紫外光，红外光和可见光是不参与UV油墨固化的化学过程的。而紫外LED的光谱是单一的，并且可以精准地调制到UV油墨固化所需的波长。省电的原因之二是，汞灯发光需要较长的启动时间，为了满足快速印刷的需要，油墨固化设备的汞灯需要一直维持在工作状态，即使油墨印刷机处在待机的状态，比如换纸，添加油墨等。而LED芯片的发光启动时间是在纳秒的数量级范围，紫外LED固化灯具设备的启动和关闭可以和油墨印刷机印刷过程同步。省电的原因之三是，一根紫外LED灯管可以由许多小芯片组成，发光的长度可以随印刷纸张的幅宽来调节。而汞灯的发光长度则很难随印刷纸张幅宽来调节。基于以上三个原因，紫外LED油墨固化灯具设备，与汞灯油墨固化灯具设备相比，用电量只有汞灯油墨固化灯具设备的50％，甚至20％。

紫外LED油墨固化灯具设备与汞灯油墨固化灯具设备相比，寿命长。如果LED芯片的节点温度控制在80℃以下，紫外LED的寿命可达20000小时以上。而汞灯的寿命则一般是1000-2000小时。汞灯含汞，用坏的汞灯必须回收。另外，汞灯的光谱中不可避免地包含240nm以下的波长，会产生臭氧，对环境造成破坏；而LED的波长可控制不包含240nm以下的波长。

和长条的汞灯灯管不同，LED的发光体单元是芯片，芯片的尺寸一般是1x1mm²。如何将把芯片制成发光的元器件，便于油墨固化灯具设备的设计和制造，这个技术领域称为LED芯片封装。LED芯片封装是为了完成以下几个作用：

1.散热：目前的LED芯片的发光效率一般是50％以下，其余的50％以上的输入电能转变为热。由于LED芯片的温度低，大部分的热必须通过热传导来完成。一般将LED芯片粘接在陶瓷板上，比如氮化铝，芯片产生的热量通过陶瓷板导出。

2.保护：芯片本身易被划伤损坏，芯片表面的金线连接线直径只有20多微米，易被损坏。另外油墨固化时，也有一些气体挥发物质。如果这些气体物质沉淀在芯片表面，在紫外光的照射下变黄，会影响光的输出。一般在陶瓷板上，围绕着芯片筑围坝，形成腔体。腔体上面盖玻璃。为了增加光输出，腔体内有时填充硅胶。LED芯片物质的光折射系数一般为2.4，而空气的折射系数为1。在芯片和空气中间填充折射系数为1.4-1.5左右的硅胶，能提高光输出20％以上。

3.电驱动：陶瓷基板上形成金属的导电电路。除了正负极焊盘外，因为单颗LED芯片的驱动电压为3.5-4V，芯片一般需要串联或并联以匹配外加电源的电压和电流。

4.光学效果：LED芯片的发光强度和发光角度的关系遵守兰伯特的余弦定律，半峰全宽为120°。高速印刷的油墨固化往往需要较高的辐照强度，其聚光透镜一般分为一次光学透镜和二次光学透镜。一次光学透镜指和光源封装在一起的透镜；二次光学透镜指光源以外的透镜。

用于油墨固化的光源一般是长方形的，长度方向和印刷纸张的宽度匹配。移动的纸张从固定的线性光源下走过，光源的宽度控制着纸张被辐射的时间，即辐照的能量。

目前油墨固化灯具设备所用的光源有两种方法封装。第一种是以单个LED芯片封装的正方形灯珠为基本单元，灯珠排列组合而成各种不同长度和宽度的长方形光源，如图1所示。第二种是以多个LED芯片排列成m*n矩阵固定在陶瓷基板电路板上封装而成的模组，在陶瓷基板上设有电路，然后将多个模组沿陶瓷基板长度方向排成一行形成长方形的光源，模组的宽度决定光源的宽度，如图2和图3所示。

第一种封装方式，单颗LED灯珠2焊在铜基电路板1上排成行列。陶瓷和铜的热膨胀系数相差很大，但因为单颗灯珠的陶瓷基板尺寸较小(目前通用的是3.5x3.5mm²的正方形)，陶瓷基板和铜围坝之间，陶瓷基板和铜基电路板1之间不会产生较大的弯曲。1电路板通过导热膏和机械螺丝连接到散热器上。

第二种封装方式，发光模组由陶瓷电路板和多颗LED芯片排列成m*n矩阵的模组，在多颗LED芯片表面设有光学透镜。关于光学透镜，目前主要有两种解决方案。A方案，如图2所示，在每一颗LED芯片周围不设围坝，也不设一次光学透镜，多个LED芯片紧紧排列成一行，根据需要设置多行LED芯片，聚焦靠二次光学透镜完成；B方案，如图3所示，在每一颗LED芯片周围有金属围坝和围坝上镶嵌的半球透镜及盖板3。A方案的好处是芯片可以排列得非常紧密，从而提高单位面积的发光功率，缺点是二次光学透镜需要做得很大。一般来说，二次光学透镜的直径是模组芯片排列宽度的2-3倍。例如，模组沿走纸方向排6行芯片。因为芯片的尺寸约为1x1mm²，6行芯片一般需要12mm以上的宽度(芯片尺寸+打线+间距，1行芯片需要约2mm宽度)。于是二次光学透镜的直径需要24-36mm，大尺寸的二次光学透镜价格昂贵，成本高昂。另外，紫外光通过很长距离的透镜，光衰很大。再则，大尺寸的二次光学透镜使得发光的LED芯片不能靠近被印刷的纸张，照射效果不好。而B方案，在LED芯片上设有尺寸较小(直径约为3mm)的半球透镜，但如此一来芯片排列的密集度受到限制，单位面积的发光效率受到影响。因此，对第二种封装方式来说，光学透镜的问题尚没有比较好的解决办法。

比较两种封装方式，从设计的灵活性来说，第一种单个LED芯片封装的灯珠比较容易、灵活地排列组合成不同形状的长方形光源，配合不同串、并联的电源驱动。特别是在产品开发的初期，设计和试验不同形状的光源，或者采用不同电压的驱动电源，只需设计和制造不同的铜基电路板。而第二种m*n矩阵排列的模组，其串、并联的电路固定形成在陶瓷电路板上，只能排成一行组成长方形的光源。如果要设计不同宽度的长方形光源，或者使用不同电压的驱动电源，必须要重新设计和制作陶瓷电路板，在设计上带来不便。

从透镜的实现来说，第一种封装方式的一次光学的透镜比较容易实现，但芯片的排列密度受到限制。而第二种封装方式可以增加芯片排列密度，但是如果密度增高，则无法使用一次光学透镜。

从散热的效果来说，第一种封装方式，LED灯珠2焊在铜基电路板1上，虽然灯珠基板的陶瓷和电路板的铜有非常大区别的热膨胀系数(4x10^-6/℃对比16x10^-6/℃)，但由于灯珠的陶瓷基板尺寸小(3.5x3.5mm²)，引起的弯曲变形小，热传导效率受影响的程度较小。而第二种由于模组尺寸大，基板的陶瓷和围坝的金属之间，基板的陶瓷和散热器的铝之间，由于热膨胀系数差别引起的弯曲变形较大，弯曲变形使得陶瓷基板和散热器的界面的结合不紧密，影响热传导的效率。

目前，业内大多采用上述两种封装方式来实现UV油墨固化灯具，如申请日为2014年11月5日，公开号为CN104129160A，名称为一种用于单张纸胶印机UV油墨固化的LED的专利披露了一种采用单个发光单体的技术方案，它同时采用了两种方案，一种是以紫外发光半导体组合成一个紫外线发光模块，再以模块组装成一个长形的紫外线对UV油墨的固化单元。第二种是以多个紫外发光半导体组成单个紫外线灯珠，再由单个紫外线灯珠组合成一个紫外线发光模块，再以紫外线发光模块组成一个长形的紫外线对UV油墨的固化单元。

虽然目前的两种封装方式各有优点，但缺点同样也非常明显，对此，有必要提出一种有效的解决办法，克服上述两种封装方式存在的缺点。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有技术中LED封装方式存在的或者成本高或者芯片的排列密度受限导致单位面积发光效率低的问题，本实用新型提供一种LED发光单元及发光模块，成本较低而又能取得较高的单位面积发光效率。

2.技术方案

为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：一种LED发光单元，包括至少两个LED芯片、陶瓷基板，所述LED芯片排列成a行b列的芯片组设置在陶瓷基板上，其中a<b，在陶瓷基板上设有围坝，所述围坝位于所述芯片组四周，所述围坝上设置有覆盖芯片组的聚光透镜。由于UV油墨固化的特殊需求，需要做长条形的光源，从成本和工艺的角度综合考虑，LED发光单元做成长条形的比较合理。沿长度方向，芯片排列的紧密程度可以根据辐照强度的要求来灵活设置。对于高速胶印的印刷机，辐照强度要求很高，对于这种应用，沿长度的方向可以非常紧密地排列，甚至是无缝地排列芯片，使单位面积获得较大的发光效率。由于芯片排列得非常紧密，那么透镜的尺寸也不会很大，可以很好地控制成本，从而实现用较低的成本来获得较大的单位面积发光效率。

进一步地，所述LED芯片为垂直芯片，所述a≤2。对于垂直型LED芯片来说，如果排列超过两行，排在中间的芯片上表面的电极走线困难。为了走线，势必在芯片的行与行之间留出空隙，这样会影响芯片在光源宽度方向上的排列紧密程度，从而影响了透镜的聚光效果。因此，为了获得较好的聚光效果，LED芯片的排列控制在两行之内。

进一步地，所述LED芯片排列为两行，两行LED芯片呈镜像排列。

进一步地，所述聚光透镜的横截面为半圆形。对于印刷机来说，光源是条状的，长方形的，在某种意义上说是线性光源。所需要的光学聚光效果是在线性光源的宽度方向；在线性光源的长度方向，不需要进行光学聚光，因此采用横截面为半圆形的透镜，使芯片能够沿着长度方向能更紧密地排列，另外也避免了在长度方向聚光引起的光损失。

进一步地，所述聚光透镜焊接在围坝上。

进一步地，所述围坝里填充有硅胶。在围坝里填充硅胶可以有效提高光输出的效率。

本实用新型同时提供一种LED发光模块，包括铜基电路板和上述的LED发光单元，所述铜基电路板上设有控制LED发光单元的电路，若干个所述LED发光单元设置在铜基电路板上与所述电路电连接。利用LED发光单元根据需要自由排列在电路板上形成长方形光源，可满足油墨固化领域的特殊需求。

进一步地，所述铜基电路板安装在铝基板散热器上。

3.有益效果

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型中的发光单元，在长度方向上可以将LED芯片排列得非常紧密，从而带来较高的发光效率；

(2)本实用新型中的发光单元在宽度方向上排列一行或两行LED芯片，这样在一次光学透镜上采用横截面为半圆形的透镜，实现起来比较容易，而且相比较m*n矩阵的模组的大透镜来说，成本也能得到有效控制；

(3)本实用新型中的发光单元在长度方向上可长可短，因而能够比较灵活地组成发光模块；

(4)本实用新型结构简单，设计合理，易于制造。

附图说明

图1为现有技术中采用单颗LED封装灯珠制作UV固化灯具的结构示意图；

图2为现有技术中采用多颗LED芯片排列成m*n矩阵的模组结构示意图(无一次光学透镜)；

图3为现有技术中采用多颗LED芯片排列成m*n矩阵的模组结构侧视图(有一次光学透镜)；

图4为利用图2中的模组制作UV固化灯具的结构示意图；

图5为本实用新型LED发光单元的实施方式之一的结构示意图；

图6为图5的横截面结构示意图；

图7为图5的仰视图；

图8为本实用新型LED发光单元的实施方式之二结构示意图；

图9为本实用新型LED发光单元的实施方式之三结构示意图；

图10为本实用新型发光模块的实施方式之一结构示意图；

图11为本实用新型发光模块的实施方式之一的横截面结构示意图；

图12为本实用新型发光模块的实施方式之二结构示意图；

图中：1：铜基电路板；2：LED灯珠；3：盖板；4：陶瓷基板；5：透镜；6：LED芯片；6-1：打线盘；6-2：金线；7：围坝；8：电极；9：热焊盘；10：LED发光单元；11：电焊盘。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进一步进行描述。

首先，对以下两个概念进行一下说明：

1.LED灯珠2和LED芯片6，LED灯珠2是由单颗的LED芯片6加上一次光学透镜、导电线路及陶瓷基板组成的，两者并不相同。

2.铜基板和铜基电路板，铜基电路板是由铜基板加上在其上设置的控制LED发光单元的电路组成的。

LED发光单元实施例一

如图5、6、7所示，16颗LED芯片6组成LED发光单元10，采用氮化铝的陶瓷基板4，宽6.8mm，长约20mm。16颗LED芯片6排成两行，每行8颗芯片6串联。围坝7约0.4mm高，其上焊接着直径为6.1mm的横截面为半圆形的透镜5。

LED发光单元10包括透镜5、LED芯片6、围坝7、陶瓷基板4、电极8、热焊盘9，16个LED芯片6呈两行八列排列形成一个LED芯片组排列在陶瓷基板4上，陶瓷基板4上有焊盘(图中未示出)、打线盘6-1和走线(图中未示出)，LED芯片6焊接在焊盘上，其上表面的电极8通过金线6-2连在打线盘6-1上，然后通过走线完成LED芯片6之间的连接。在LED芯片组的周围设有围坝7，具体实施时，围坝7里可以填充硅胶，来提高光输出；围坝7上设置有横截面为半圆形的透镜5，透镜5焊接在围坝7上，形成一个长条形的LED发光单元10。在宽度方向，排列两行芯片，两行芯片之间紧密排列，呈镜像排列；芯片在长度方向排列的紧密程度可依据需要进行设置，两行芯片沿宽度方向紧密排列是为了取得更好的光学聚光效果。在LED发光单元10的背部设有热焊盘9，热焊盘9连接铜基电路板1用于散热。

LED芯片6排列沿长度方向的紧密程度可以根据辐照强度的要求来灵活设置。对于高速胶印的印刷机，辐照强度要求很高。对于这种应用，沿长度的方向可以非常紧密地排列，甚至是无缝地排列，这点和单芯片封装的LED灯珠2沿长度方向的排列紧密程度受到限制不同。单芯片封装中，芯片中心到中心的间距为3.5mm。单芯片封装的LED灯珠2是正方形的，尺寸固定为3.5x3.5mm²。当然也可以缩小些，但缩小的程度受到半球透镜尺寸的限制。LED芯片6的尺寸一般是1x1mm²，而透镜的尺度必须大于芯片的2-3倍，从而能够取得有效的聚光效果。因此，半球透镜的直径至少为2-3mm。半球透镜的最小尺寸限制了LED芯片6的排列密度。对于印刷机来说，光源是条状的、长方形的，在某种意义上说是线性光源。所需要的光学聚光效果是在线性光源的宽度方向；在线性光源的长度方向，不需要进行光学聚光。采用本实用新型中的LED发光单元10的设计就可以把半球透镜改成横截面为半圆形的透镜，使得LED芯片6能够沿着长度方向能更紧密地排列，另外也避免了在长度方向聚光引起的光损失。

本实施例中LED发光单元10中的LED芯片6在宽度方向，排成两行主要是为了便于LED芯片6的走线。目前大量使用的LED芯片6是垂直芯片。垂直芯片的正负极分别分布在芯片的上下面。当芯片排列为两行时，芯片上表面的电极可以走线到芯片的两侧；如果是三行芯片，中间一行芯片上表面的电极则走线困难。为了走线，势必要在芯片的行与行之间留出空隙。这样做，影响了芯片在光源宽度方向上的排列紧密程度，从而影响了横截面为半圆形的透镜的聚光效果。

如果采用倒装芯片，其正负极都在芯片的下表面，那么由于垂直芯片上表面电极走线而引起的芯片排列问题都将不存在，可以在光源的宽度方向排列超过两行以上的芯片。

本实用新型的LED发光单元10，在长度方向可长可短。如果短些，则比较容易和灵活地排列成不同长度的LED发光单元10，当LED发光单元10焊接在铜基电路板1上，由于陶瓷和铜之间热膨胀系数不同而引起的弯曲变形减小(根据计算，弯曲的程度和陶瓷基板的长度的平方成正比)。短的坏处则在于，制造成本比较高；另外，当许多短的LED发光单元10拼成较长的固化灯具设备时，拼起来的许多个横截面为半圆形透镜之间的界面会造成光的反射，造成光输出的损失，所以LED发光单元10也不能太短。

LED发光单元实施例二

如图8所示，8颗LED芯片6组成了LED发光单元10，采用氮化铝的陶瓷基板4，宽3.5mm，长约20mm，8颗串联的LED芯片6排成一行。围坝7约0.4mm高，其上焊接着直径为3mm的横截面为半圆形的透镜5。本实施例和实施例一大部分内容均相同，不同之处在于芯片只排列呈一行，主要考虑到应用场合的不同，可以将LED发光单元10在宽度上做得窄一点，满足对更窄的线性光源的需求。

LED发光单元实施例三

图9示出了LED发光单元10的具体实施方式之三，由28颗LED芯片6组成，采用氮化铝的陶瓷基板4，宽6.8mm，长约20mm。28颗LED芯片6排成两行，每行14颗芯片串联。围坝7约0.4mm高，其上焊接着直径为6.1mm的横截面为半圆形透镜5。本实施例和实施例一大部分内容均相同，不同之处在于LED芯片6的数量不同。从数据可以看出来，图5和图9中示出的LED发光单元10，虽然每行排列的LED芯片数量不同，但整体的LED发光单元10的长度相同，这主要是因为可以根据不同的辐照需求，可以将LED芯片6排列得紧密一点或松散一点，以取得不同的辐照照度。

LED发光模块实施例一

如图10、11所示，LED发光单元10的正负极可以通过导电孔从陶瓷基板4的上表面传输到下表面。然后，若干个LED发光单元10可以焊接在铜基电路板1上，铜基电路板1上设有控制连接LED发光单元10的电路，铜基电路板1再通过焊接、或者导热膏加机械螺丝等方式固定在铝基散热器上，从而形成长条形的发光模块。

图7是LED发光单元10的背部视图，在组成LED发光模块的时候，LED发光单元10的背部和铜基电路板1相连接。在图7中，中间的平行排列的12个长方形是金属焊盘，这些焊盘与陶瓷基板4正面的电路没有任何电连接，这些焊盘的作用是导热，称为热焊盘9；铜基电路板1上有裸露的铜基板，也有建立在电绝缘层上的电路，铜基电路板1上裸露的铜基板部分直接与热焊盘9通过焊接相连，之间没有任何热绝缘的材料层，确保良好的导热效果。图7两端的长方形和正方形也是金属焊盘，这些焊盘与LED发光单元10的陶瓷基板4正面的电路通过导电孔相连，称为电焊盘11，各种形状和尺寸的光源的电路设计是在铜基电路板1上来完成的。铜基电路板1上的电绝缘层上的金属走线和绝缘层的设计，满足LED发光单元10的串或并联的电连接要求，以及LED发光单元10的焊接要求。

具体实施时，LED发光单元10的正负极可以保持在陶瓷基板4的上表面，陶瓷基板4的下表面镀可焊金属，将若干个LED发光单元10直接焊铜基电路板1上，然后再焊接在散热器上。LED发光单元10的正负极也可以通过导电孔，从陶瓷的上表面传输到下表面并焊接在铜基电路板1上，然后再焊接在散热器上。

LED发光模块实施例二

用LED发光单元10组合成的LED发光模块在长度和宽度方向上都可以自由组合，更好地满足需求。图12就示出了另一种更长的LED发光模块，在长度方向上排列更多的LED发光单元10，该实施例用于幅宽更宽的纸张的油墨固化场合。

以上示意性地对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本实用新型的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种LED发光单元，其特征在于：包括至少两个LED芯片、陶瓷基板，所述LED芯片排列成a行b列的芯片组设置在陶瓷基板上，其中a<b，在陶瓷基板上设有围坝，所述围坝位于所述芯片组四周，所述围坝上设置有覆盖芯片组的聚光透镜。

2.根据权利要求1所述的LED发光单元，其特征在于：所述LED芯片为垂直芯片，a≤2。

3.根据权利要求2所述的LED发光单元，其特征在于：所述LED芯片排为两行，两行LED芯片呈镜像排列。

4.根据权利要求1所述的LED发光单元，其特征在于：所述聚光透镜的横截面为半圆形。

5.根据权利要求1所述的LED发光单元，其特征在于：所述聚光透镜焊接在围坝上。

6.根据权利要求1所述的LED发光单元，其特征在于：所述围坝里填充有硅胶。

7.一种LED发光模块，其特征在于：包括铜基电路板和权利要求1-6任一权利要求所述的LED发光单元，所述铜基电路板上设有控制LED发光单元的电路，若干个所述LED发光单元设置在铜基电路板上与所述电路电连接。

8.根据权利要求7所述的LED发光模块，其特征在于：所述铜基电路板安装在铝基板散热器上。

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