專利名稱：無(wú)烘烤封裝型高光效高散熱性能高功率led光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型內(nèi)容屬于半導(dǎo)體照明應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有高 光效、高散熱性能和高功率的LED光源。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，具有節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命等特性的LED照明市場(chǎng)已在全 球范圍內(nèi)進(jìn)入了快速穩(wěn)固的發(fā)展階段。而大功率LED光源產(chǎn)品的研究 開發(fā)，主要是以國(guó)際上成熟的大功率LED發(fā)光芯片為基礎(chǔ)所進(jìn)行的功 率擴(kuò)展、電源控制、光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)、應(yīng)用設(shè)計(jì)等技術(shù)的研究開 發(fā)。解決了 LED發(fā)光芯片的散熱及出光率難題，使大功率LED光源能 夠最大限度的發(fā)揮LED發(fā)光芯片的功能。目前，由于單只LED燈的功率< 5w，尚達(dá)不到大功率照明的要求， 所以在大功率LED照明領(lǐng)域公知LED照明燈的光源 一般均采用由多只 小于或等于5w的LED芯片通過串聯(lián)、并聯(lián)組合而成。其基本封裝工 藝結(jié)構(gòu)是在一塊散熱基板上用銀膠粘接多只藍(lán)色發(fā)光LED芯片，在 LED芯片上面涂上硅膠質(zhì)熒光粉，再在熒光粉上面平面封裝保護(hù)硅 膠。上述公知的大功率LED光源結(jié)構(gòu)雖然基本解決了 LED照明的功率 擴(kuò)容問題，但它仍存在有出光效率低、功率密度低、組合功率小、散 熱不充分、工藝難度大、加工周期長(zhǎng)、成本高等不足。致使封裝成品 的大功率LED光源性能較低、成^f艮高且功率較小。出現(xiàn)上述問題的 主要原因可以歸結(jié)為1、在目前公知的大功率LED光源封裝結(jié)構(gòu)中，LED芯片所發(fā)出 的光束通過焚光粉后射入硅膠時(shí)形成180°光源，光線再?gòu)墓枘z射入空 間。光線是由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，是兩種不同折射率的介質(zhì)，光 線會(huì)發(fā)生向偏離法線方向折射現(xiàn)象，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)會(huì)在硅膠 中產(chǎn)生全反射。其中iu = ns=1.53 ns為硅膠折射率 n2 = nA =1. 0 iu為空氣折射率
則由斯涅爾公式得6jsirT1( n2/ni) = siif1 ( 1/1. 53) = 41°。 因?yàn)楣枘z出光面平面所致，光M硅膠射入空氣中，僅當(dāng)光束中 光線入射角度6 < 1x2 = 41、 2 = 82。的部分才能折射輸出至 空氣空間中，其余很大部分光線在硅膠內(nèi)部形成全反射損耗，不能輸 出到空氣空間。如此就會(huì)使光通量損失40%左右；另一方面光線在硅 膠內(nèi)的全反射能量產(chǎn)生熱，使LED芯片溫度升高，LED芯片工作在較 高溫度上時(shí)會(huì)大幅度降低發(fā)光效率，使LED芯片產(chǎn)生發(fā)光衰減。2、 常規(guī)封裝結(jié)構(gòu)通過銀膠把大功率LED芯片和散熱a粘接在 一起。銀膠是由高分子環(huán)氧膠和銀粉顆粒混合組成的，制備時(shí)將銀 膠在一定時(shí)間(90-120分鐘)內(nèi)以較高的溫度(180-200° C)進(jìn)行加 熱，使混合物中的高分子環(huán)氧膠固化而完成粘接作用，由混合物中 的銀粉顆粒完成導(dǎo)熱和導(dǎo)電作用。在銀膠固化過程中，高分子環(huán)氧 膠對(duì)銀粉顆粒進(jìn)行濕潤(rùn)，在銀粉顆粒周圍形成環(huán)氧膠包裹層，使固 化后銀膠層的熱阻和導(dǎo)電阻值都大幅度增大；電阻增大會(huì)使LED芯 片上的電壓降(VF)增加，導(dǎo)致LED芯片熱功耗加大；而熱阻增大又 致使LED芯片上的熱量不能充分快速的傳導(dǎo)到散熱基板上散發(fā)出去， 使LED芯片上的溫度遠(yuǎn)高于散熱基板的溫度。大功率LED芯片工作 在很高溫度上，必然會(huì)大幅度降低LED芯片的發(fā)光效率、降低LED 光源的性能以及降低大功率LED光源的功率密度。又由于銀膠的固 化是在高溫度(180~ 200° C)和長(zhǎng)時(shí)間(90~120分鐘)下進(jìn)行的，也 會(huì)對(duì)LED芯片產(chǎn)生損傷，降低LED芯片的發(fā)光效率。此外，用銀膠 粘接大功率LED光源的封裝難度很大，封裝周期^f艮長(zhǎng)，成本也很高， 亦4吏對(duì)特大功率LED光源的封裝難于實(shí)現(xiàn)。3、 常規(guī)封裝用高溫固化型硅膠調(diào)制熒光粉和制作表面保護(hù)透光 層，珪膠的固化過程需要在高溫(150。 C)和長(zhǎng)時(shí)間(120-200分鐘)條 件烘烤完成，也會(huì)對(duì)LED芯片產(chǎn)生損傷，降低LED芯片的發(fā)光效率。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，進(jìn)而提供一種 具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、制作成本低、散熱性能好、耗電量低、光效率高、 光衰減小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的無(wú)烘烤封裝型高光效高散熱性能高功 率LED光源。用于實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是這樣的所提供的無(wú)烘 烤封裝型高光效高散熱性能高功率LED光源具有一塊由表面敷銅鍍 鎳鋁基材料板制成的散熱基板,在散熱基板上通過加入了中性高粘度的LED芯片，在各LED芯片上面分別涂一層珪膠質(zhì)熒光粉形成LED 發(fā)光體，在散熱基板上各發(fā)光體外分別罩設(shè)一個(gè)薄型等厚半球狀PC 透鏡外殼，在PC透鏡外殼與發(fā)光體和散熱基板圍成的空間內(nèi)填充有 無(wú)反射硅膠透鏡材料，由此組成無(wú)反射高出光率單元LED光源，進(jìn)而 由各個(gè)單元LED光源組合擴(kuò)容成為高光通量、高散熱性能和高功率的 LED光源。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本實(shí)用新型具有的主要優(yōu)點(diǎn)是一、 無(wú)反射、高出光率本實(shí)用新型采用了無(wú)反射單元LED光源功率擴(kuò)容封裝技術(shù)，使單 元LED光源的出光角大幅度提高，在單元LED光源內(nèi)部無(wú)光反射， 相鄰單元LED光源間光干涉很小，光損擬艮小，使光輸出效率較常 見功率擴(kuò)容擴(kuò)展技術(shù)增加光效率40%以上。二、 高散熱性、高功率密度、高性能、特大功率、無(wú)需烘烤1、 本實(shí)用新型和目前公知的封裝方式相比，使用錫鉍銀環(huán)保低 溫焊錫骨，替代了銀膠粘接材料。焊錫骨融化粘接是分子結(jié)構(gòu)，銀膠 固化粘接是4 顆粒結(jié)構(gòu)，理論分析和實(shí)際測(cè)試表明，焊錫骨焊接比 銀膠固化粘接提高散熱效果20 ~ 50倍以上，使LED芯片上的熱量能 充分快速的傳導(dǎo)到散熱基板上M出去，LED芯片和散熱J41之間的 溫度梯度很小，接近散熱基板的溫度。2、 焊錫膏焊接比銀膠固化粘接的導(dǎo)電電阻要大幅度降低，指使 LED工作壓降(VF)降低、熱功耗降低，進(jìn)而使LED芯片上的溫度進(jìn)一 步降低。高功率LED芯片工作在較低溫度下，可大幅度提高LED芯片 的發(fā)光效率，提高了大功率LED光源的功率密度；此外SMT焊機(jī)的使 用，也使高功率LED光源的封裝難度減小，封裝周期縮短。此外，使 用SMT焊機(jī)固化速度快，不需烘烤。
3、 焊錫骨焊接比銀膠固化粘接的機(jī)械強(qiáng)度要大幅度提高；采用 低造價(jià)較粗規(guī)格硅鋁線進(jìn)行導(dǎo)電連接，使導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度增加5倍以 上；采用鍍鎳鋁基板，使導(dǎo)熱基板具有很高的抗氧化性。4、 把LED芯片焊接在鍍鎳鋁基板上的全過程，是錫4st4艮環(huán)保低 溫焊錫骨在SMT機(jī)內(nèi)進(jìn)行多溫段、短時(shí)間(全部溫段共需要2 ~ 3分鐘) 內(nèi)完成的，最高溫度150。 C溫段內(nèi)僅有20秒。避免了銀膠的高溫度、 長(zhǎng)時(shí)間固化過程對(duì)LED芯片產(chǎn)生損傷，不會(huì)降低LED芯片的發(fā)光效率。5、 采用具有室溫硫化型(RTV)、高透光率、高折射率和高掛壁性 能硅凝膠進(jìn)行熒光粉調(diào)制和表面無(wú)反射透鏡封裝，使用室溫固化。避 免了傳統(tǒng)硅膠的長(zhǎng)時(shí)間高溫烘烤過程對(duì)LED芯片產(chǎn)生損傷，不會(huì)降低 LED芯片的發(fā)光效率。以上技術(shù)方案的實(shí)施使LED光源具有高散熱性、高功率密度和高 可靠性，大大提高了大功率LED光源的使用壽命；降低了 LED光源的 光衰減。為高性能、特大功率(Po〉 500W)LED光源的批量生產(chǎn)奠定了 基礎(chǔ)，提供了技術(shù)保障。三、低成本1、 本實(shí)用新型LED光源功率擴(kuò)容釆用的封裝技術(shù)和常見封裝方 式相比，在相同光通量條件下，可減少LED芯片用量30%,減少珪膠 用量40%。2、 采用鍍鎳鋁基板，替代了昂貴的鍍金鋁基板。目前市場(chǎng)上鍍 鎳鋁基板造價(jià)為0. 06元/cm2，鍍金鋁基板造價(jià)為0. 50元/cm2。3、 采用錫鉍銀環(huán)保低溫焊錫骨，替代了昂貴的銀膠粘接材料。 目前市場(chǎng)上錫鉍銀環(huán)保低溫焊錫骨造價(jià)為0. 50元/g,銀膠粘接材料 造價(jià)為35. 00元/g。4、 采用低成本較大規(guī)格的硅鋁線，替代了昂貴的較小規(guī)格金線 導(dǎo)線。目前市場(chǎng)上50pm直徑的硅鋁絲造價(jià)為0. 04元/m， 0. 8pm直 徑的金絲造價(jià)為0. 8元/m。5、 本實(shí)用新型把LED芯片焊接在鍍鎳鋁基板上的全過程，是錫 鉍銀環(huán)保低溫焊錫青在SMT機(jī)內(nèi)進(jìn)行多溫段(最高溫度150° C, 20 秒)、短時(shí)間(2 ~ 3分鐘)完成的，而銀膠粘接材料是由銀粉顆粒和高
分子粘接材料組成，LED芯片固化過程是在給銀膠粘接材料長(zhǎng)時(shí)間 (90~ 120分鐘)、高溫(180~ 200。 C)加熱，使高分子粘接材料固化 完成的，因而大幅度節(jié)省了電力和人力成本，提高了產(chǎn)品成品率。6、 本實(shí)用新型采用室溫硫化型(RTV)、高透光率、高折射率、高 掛壁性能硅凝膠，進(jìn)行熒光粉調(diào)制和表面無(wú)反射透鏡封裝。使用室溫 固化，替代了傳統(tǒng)硅膠的長(zhǎng)時(shí)間高溫固化過程(150 ~ 180。 C, 90 ~ 120 分鐘)，同樣也大幅度節(jié)省了電力和人力成本，提高了產(chǎn)品成品率。7、 LED芯片散熱面和散熱^L鍍鎳印制電路表面平面接觸，以 便于印刷焊錫骨和焊接，降低了錫鉍銀環(huán)保低溫焊錫骨損耗量，提高 了生產(chǎn)率和節(jié)省人力成本。8、 本實(shí)用新型采用高透光率、高強(qiáng)度PC作為無(wú)反射硅膠透鏡成 型外殼，可大幅度提高硅膠的灌鑄效率，使硅膠在固化過程中不外泄。


圖l是本實(shí)用新型一個(gè)具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是根據(jù)本實(shí)用新型技術(shù)方案設(shè)計(jì)的980W廣場(chǎng)照明燈特大功 率LED光源的示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1,本實(shí)用新型所述的LED光源由散熱基板6、設(shè)置在散 熱基板6上的多只LED芯片4、涂抹在LED芯片4上的珪旨熒光粉 3、在硅膠質(zhì)熒光粉表面封裝的帶有PC保護(hù)外殼1的無(wú)反射硅膠透 鏡2以及用于將LED芯片4印刷焊接在基板6的焊錫骨5組成.散 熱基板6根據(jù)功率要求，由2 ~ 5咖厚的表面覆銅鋁基板M板，在 其覆銅表面鍍有6 ~ 10 |i m厚度的鎳，在銅鎳金屬上按LED光源的功 率和無(wú)反射的要求制成和LED芯片散熱面平面接觸的鍍鎳印制電路 表面，以便于焊錫青的印刷和焊接。焊錫骨5是由錫+鉍+銀合金按 溫度、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、抗拉力條件配比合成的合金粉末再加入中性高 粘度助焊劑構(gòu)成的膏狀混合物。錫鉍銀錫骨對(duì)銅、鎳等金屬具有良 好契合力，具有很好的導(dǎo)熱導(dǎo)電特性和抗拉力特性。產(chǎn)品制作中， 使用SMT焊機(jī)把各個(gè)大功率LED芯片4的散熱金屬面(或電極)用錫 4Jt^錫骨5直接焊接在散熱基板6上后，采用對(duì)LED芯片無(wú)傷損的
清洗劑對(duì)焊有LED芯片的散熱基^L 6進(jìn)行超聲清洗烘干，用硅鋁絲 把LED芯片的導(dǎo)電極超聲焊接到印制線路上，然后按色溫要求在各 LED芯片4表面涂^膠質(zhì)焚光粉3，再在硅膠質(zhì)熒光粉表面封裝帶 有PC保護(hù)外殼1的無(wú)反射硅膠透鏡2。進(jìn)而形成低成本的高光效高 散熱性能高功率LED光源。圖2為根據(jù)本實(shí)用新型技術(shù)方案設(shè)計(jì)的980W廣場(chǎng)照明燈特大功 率LED光源示意圖。在厚度為5. 0咖的高導(dǎo)熱性能敷銅鍍鎳鋁基板上 按串并聯(lián)關(guān)系制成大功率印制電路散熱M，在散熱a上按無(wú)反射 條件焊接封裝196只5W大功率LED芯片4，形成980W特大功率LED 光源。把此光源加固到一體化散熱燈具的外殼上，加上控制電路后即 成為廣場(chǎng)照明燈等燈具。圖2中標(biāo)號(hào)7為鍍鎳鋁基板對(duì)散熱面加固孑L, 8為線路引出孔，9為均流采樣電路及串并聯(lián)擴(kuò)容保護(hù)穩(wěn)壓管矩陣。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)者在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上已開發(fā)出了多種高 性能、低成本、特大功率LED光源。利用特大功率LED光源研制成功 有廣場(chǎng)照明燈、工礦照明燈、路燈、應(yīng)急照明燈、地鐵及機(jī)場(chǎng)安全 照明燈、醫(yī)院和賓館用照明燈等LED燈具產(chǎn)品。
權(quán)利要求1. 一種無(wú)烘烤封裝型高光效高散熱性能高功率LED光源，其特征在于具有一塊由表面敷銅鍍鎳鋁基材料板制成的散熱基板(6)，在散熱基板(6)上通過加入了中性高粘度助焊劑的錫鉍銀環(huán)保低溫焊錫膏(5)焊接有多個(gè)按行列式燈陣排布組成的LED芯片(4)，在各LED芯片(4)上面分別涂一層硅膠質(zhì)熒光粉(3)形成LED發(fā)光體，在散熱基板(6)上各發(fā)光體外分別罩設(shè)一個(gè)薄型等厚半球狀PC透鏡外殼(1)，在PC透鏡外殼(1)與發(fā)光體和散熱基板(6)圍成的空間內(nèi)填充有無(wú)反射硅膠透鏡材料(2)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種無(wú)烘烤封裝型高光效高散熱性能高功率LED光源，在鋁基散熱基板上通過錫鉍銀環(huán)保低溫焊錫膏規(guī)則焊接有多個(gè)LED芯片，在各LED芯片上均涂有硅膠質(zhì)熒光粉，形成LED發(fā)光體，在各發(fā)光體外分別罩設(shè)一個(gè)半球狀PC透鏡外殼，在透鏡外殼與發(fā)光體和散熱基板圍成的空間內(nèi)填充有無(wú)反射硅膠透鏡材料，由此組成無(wú)反射高出光率單元LED光源，進(jìn)而由各個(gè)單元LED光源組合擴(kuò)容成為高光效、高散熱性能和高功率的LED光源。該光源可制成廣場(chǎng)照明燈、工礦照明燈、路燈、地鐵及機(jī)場(chǎng)安全照明燈、醫(yī)院和賓館用照明燈等LED燈具產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、制作成本低、散熱性能好、光效率高、光衰減小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F21V19/00GK201081170SQ200720032949
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2007年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日
發(fā)明者胡家培, 胡民海 申請(qǐng)人:胡家培;胡民海