專利名稱：液浸式封裝的大功率led光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及照明光源，尤其涉及一種液浸式封裝的大功率LED光源。
背景技術(shù)：
LED光源是新一代綠色照明光源，其耗電量只有普通白熾燈的十分之一， 而壽命卻長十倍以上。除此之外，LED光源還具有體積小、堅固耐用、色彩豐 富等優(yōu)點。為了滿足更高光強的要求，LED光源通過提高單個芯片的輸出功率 或者采用LED陣列的方式來實現(xiàn)。在理想的情況下，匹配的光學(xué)材料和適當?shù)?封裝結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮LED高效的發(fā)光性能，將大部分的電能轉(zhuǎn)化為光。但是， 溫度對大功率LED光源的輸出光強和色溫性能有著非常大的影響，特別是LED 芯片的PN結(jié)長期工作在高溫狀態(tài)，其光學(xué)性能會很快衰減，這是LED封裝中 需要解決的關(guān)鍵問題。除此之外，目前LED芯片是由半導(dǎo)體材料GaN和藍寶石 等制成，這些材料的折射率非常高，產(chǎn)生的光不容易出射到低折射率空氣中， 因此需要選擇適當?shù)恼凵渎什牧献髌ヅ鋵觼硖岣吖庠吹某錾湫省?br> 目前大功率LED封裝的封裝技術(shù)大多采用高導(dǎo)熱材料作為基板，然后利用 導(dǎo)熱或?qū)α鞣绞桨褵崃繌幕迳蠋ё摺６贚ED芯片的發(fā)光面采用折射率為1.5 左右的環(huán)氧樹脂或者硅膠作為光學(xué)輸出匹配層，這種材料的導(dǎo)熱系數(shù)很低熱阻 很大，熱量基本不能散失。目前改善LED光源散熱性能的主要方法是提高基板 的導(dǎo)熱和散熱性能，采用高導(dǎo)熱系數(shù)材料、強制對流等方法，如專利 200520047169.9，提出利用微噴射流水裝置來冷卻LED光源。專利 200610060840.2提出了一種將芯片浸入冷卻液中的LED封裝方法，這種方法需 要依靠液體流動才能將熱量帶走，在小的密封結(jié)構(gòu)中粘性大的液體流動性非常 差，這樣影響了冷卻效果。為了解決這個問題，該專利提出用強制對流來解決， 但是這樣增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時這種方法也不適合小尺寸的LED封裝。
從LED光源發(fā)熱特性分析可知，LED芯片散熱的瓶頸在芯片和基板之間， 由于LED芯片體積非常小，芯片與基板之間的接觸面積非常有限，特別是倒裝 (flip-chip)結(jié)構(gòu)，發(fā)熱的有源區(qū)與基板之間存在多個介質(zhì)層，熱阻迅速增加，詳 細分析參見文獻《倒裝大功率白光LED熱場分析與測試》(光電子'激光，vol.16, num. 5， pp. 511-514,2005)。這樣LED芯片的熱量不能盡快地將散去，導(dǎo)致PN 結(jié)溫較高，而且其他光學(xué)材料如環(huán)氧樹脂、硅膠和熒光劑等長期處于高溫下工 作，整個光源裝置的性能衰減老化得很快、可靠性差，這種封裝結(jié)構(gòu)難以適用
3高功率密度的大功率LED光源。如何在低成本的前提下，采用更好的冷卻方式， 使LED光源工作在更低的溫度上工作，獲得更高的發(fā)光效率，更長的壽命，更 高的可靠性，是本本實用新型要解決的關(guān)鍵問題。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種液浸式封裝的大功率 LED光源。
液浸式封裝的大功率LED光源包括LED芯片、封裝基板、冷卻液、光學(xué)窗 口組件、殼體、散熱器；散熱器上設(shè)有殼體、封裝基板，封裝基板上設(shè)有LED 芯l，殼體頂部設(shè)有光學(xué)窗口組件，殼體內(nèi)灌裝有冷卻液。
所述的光學(xué)窗口組件包括透鏡和摻有熒光物質(zhì)的光學(xué)膜片，摻有熒光物質(zhì) 的光學(xué)膜片上設(shè)有透鏡。冷卻液為丙酮、乙醇、氟利昂或水。殼體內(nèi)壁設(shè)有光 學(xué)反射鏡。散熱器是肋片式散熱器或熱管式散熱器。殼體和散熱器的內(nèi)壁設(shè)有 液體回流的毛細溝槽。
本實用新型由LED芯片、封裝基板、冷卻液、光學(xué)窗口組件、殼體、散熱 器構(gòu)成。LED芯片安裝在封裝基板上，封裝基板安裝在散熱器上，LED芯片和 封裝基板浸沒在冷卻液中，冷卻液被封閉在光學(xué)窗口組件、密封組件和散熱器 構(gòu)成的負壓密閉空間中形成冷凝、蒸發(fā)循環(huán)。LED芯片產(chǎn)生的光從光學(xué)窗口組 件發(fā)出，熱量被冷卻液傳送至密封組件和散熱器散出，可以有效解決大功率LED 光源的散熱和光強輸出的問題。

圖1是液浸式封裝的大功率LED光源的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本實用新型的光學(xué)窗口組件的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本實用新型的散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖中LED芯片1、封裝基板2、冷卻液3、光學(xué)窗口組件4、密封組件5、 散熱器6、透鏡7、摻有熒光物質(zhì)的光學(xué)膜片8、毛細溝槽9。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖詳細說明本實用新型的具體實施方式
。
如圖1所示，液浸式封裝的大功率LED光源包括LED芯片1、封裝基板2、 冷卻液3、光學(xué)窗口組件4、殼體5、散熱器6;散熱器6上設(shè)有殼體5、封裝基 板2，封裝基板2上設(shè)有LED芯片1，殼體5頂部設(shè)有光學(xué)窗口組件4，殼體5 內(nèi)灌裝有冷卻液3。
LED芯片通過焊接綁定等方法固定在封裝基板上，封裝基板由高導(dǎo)熱系數(shù)的材料制成，其上敷設(shè)有芯片連接所需的電路，封裝基板被固定安裝在散熱器 上。由光學(xué)窗口組件、殼體和散熱器構(gòu)成的一個負壓的密閉空間，然后在其中
充入適量冷卻液，LED芯片和封裝基板完全浸沒在冷卻液中，冷卻液在光學(xué)窗 口組件、殼體和散熱器構(gòu)成的負壓密閉空間中形成蒸發(fā)、冷凝循環(huán)。殼體是一 個由金屬或其他材料制成的容器，其內(nèi)壁可以制作成光學(xué)反射鏡，以增強光在 光學(xué)窗口組件中的輸出。為了增強散熱效果，散熱器可以增加肋片擴大散熱面 積或者采用熱管式等散熱器。
冷卻液蒸發(fā)需要吸收大量的熱量，而在冷凝的過程中需要釋放同樣多的熱 量，利用冷卻液蒸發(fā)和冷凝循環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)最有效的傳熱方式，熱管就是利用這 種方式實現(xiàn)的傳熱器件，其導(dǎo)熱率是銅的上千倍。本實用新型的基本思想是利 用冷卻液的蒸發(fā)和冷凝循環(huán)將LED芯片的熱量快速帶走。利用光學(xué)窗口組件、 殼體和散熱器構(gòu)成一個密閉空間，然后將這一密閉空間的空氣抽出形成負壓， 將適量的冷卻液加入到密閉空間中，由于冷卻液在負壓的密閉空間中其蒸發(fā)溫 度大大降低，因此當LED芯片發(fā)熱時，冷卻液迅速蒸發(fā)形成氣體，在殼體和散 熱器的內(nèi)表面氣體冷凝為液體，液體通過殼體和散熱器設(shè)置的毛細溝槽回流到 LED芯片附近重新被蒸發(fā)形成循環(huán)，這種循環(huán)不需要任何的外部動力，只需要 LED芯片和殼體、散熱器之間存在溫度差。這種封裝結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，而 且傳熱效率遠遠高于熱傳導(dǎo)和熱對流。
冷卻液為丙酮、乙醇、氟利昂或水，冷卻液的選擇非常重要，冷卻液是一 種透明的具有電絕緣性、熱穩(wěn)定性、光學(xué)穩(wěn)定性、折射率處于L3 1.S之間、 沸點低于180°、對電路和芯片沒有腐蝕性的液體。這種液體由于具有電絕緣性， 不會導(dǎo)致電路短路。冷卻液的透明性保證了 LED芯片1產(chǎn)生的光不會被冷卻液 吸收。冷卻液具有光學(xué)穩(wěn)定性，長期處于高強度藍光或紫外光照射，不會發(fā)生 成份和性能改變。進一步，選擇高折射率的冷卻液有利于提高光從LED芯片中 的出射效率，但考慮到光出射到空氣中的效率，冷卻液的折射率不能太高，應(yīng) 該和光學(xué)窗口組件的材料折射率基本一致(這種光學(xué)材料一般選擇玻璃或者環(huán) 氧樹脂，折射率在1.5左右)。考慮到冷卻液隨成份不同折射率有一定變化范圍， 因此將折射率選擇在1.3 1.8之間。此外，冷卻液不能對電路和芯片材料有腐 蝕作用。此外，冷卻液要具有熱穩(wěn)定性，長期工作在高溫下不分解不變質(zhì)。為 了使冷卻液易于蒸發(fā)，達到更好的傳熱效果，冷卻液的沸點不能太高，同時通 過調(diào)節(jié)冷卻液的加入量，可以控制冷卻液在負壓空間中的沸點。
由于安裝在封裝基板上的LED芯片浸入在冷卻液中，大部分產(chǎn)生的熱量被冷卻液通過蒸發(fā)和冷凝循環(huán)直接帶走，然后冷卻液將熱量傳送到殼體和散熱器 散出，還有一小部分熱量通過封裝基板熱傳導(dǎo)到散熱器散出。對比傳統(tǒng)的封裝 方法，本實用新型所公開的方法能夠更好地冷卻LED芯片，其理由為(1)蒸 發(fā)和冷凝循環(huán)是一種非常有效的傳熱方式，只需要極小的溫差就能夠自動形成 循環(huán)，這樣有效避免LED芯片局部溫度過高；(2) LED芯片浸入冷卻液中，傳 熱面積大于LED芯片與封裝基板之間的接觸面積；(3)冷卻液具有非常大的熱 容量，同樣的熱量導(dǎo)致的溫度升高量要比空氣屮的小得多。
如圖2所示，光學(xué)窗口組件4包括透鏡7和摻有熒光物質(zhì)的光學(xué)膜片8，摻 有熒光物質(zhì)的光學(xué)膜片8上設(shè)有透鏡7。光學(xué)窗口組件的作用是輸出光強，并且 根據(jù)實際需要對輸出光的特性進行調(diào)整。光學(xué)窗口組件被安裝在LED芯片發(fā)光 面的方向上。透鏡可以改變輸出光束的發(fā)散角度，摻有熒光物質(zhì)的光學(xué)膜片能 夠改變輸出光的頻率分布，實現(xiàn)不同顏色的光源，如白光LED等。摻有熒光物 質(zhì)的光學(xué)膜片的作用也可以通過在冷卻液中直接摻入熒光物質(zhì)來實現(xiàn)。
如圖3所示，散熱器6的內(nèi)壁設(shè)有液體回流的毛細溝槽9。這種毛細溝槽圍 繞LED芯片呈向心布置。為了使得冷凝的冷卻液回流到LED芯片附近，需要在 殼體和散熱器的內(nèi)壁設(shè)置多孔毛細網(wǎng)或者毛細溝槽。這種結(jié)構(gòu)具有非常細小的 孔或者溝槽，冷卻液由于毛細現(xiàn)象會充滿這些孔和溝槽，利用這種毛細結(jié)構(gòu)可 以使冷卻液克服重力的影響回流到LED芯片附近?？紤]到多孔毛細網(wǎng)會對光產(chǎn) 生散射，本實用新型選擇在殼體和散熱器的內(nèi)壁設(shè)置毛細溝槽。
權(quán)利要求1. 一種液浸式封裝的大功率LED光源，其特征在于包括LED芯片(1)、封裝基板(2)、冷卻液(3)、光學(xué)窗口組件(4)、殼體(5)、散熱器(6)；散熱器(6)上設(shè)有殼體(5)、封裝基板(2)，封裝基板(2)上設(shè)有LED芯片(1)，殼體(5)頂部設(shè)有光學(xué)窗口組件(4)，殼體(5)內(nèi)灌裝有冷卻液(3)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液浸式封裝的大功率LED光源，其特征在 于所述的光學(xué)窗口組件(4)包括透鏡(7)和摻有熒光物質(zhì)的光學(xué)膜片(8)，摻有熒光 物質(zhì)的光學(xué)膜片(8)上設(shè)有透鏡(7)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液浸式封裝的大功率LED光源，其特征在 于所述的冷卻液(3)為丙酮、乙醇、氟利昂或水。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液浸式封裝的大功率LED光源，其特征在 于所述的殼體(5)內(nèi)壁設(shè)有光學(xué)反射鏡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液浸式封裝的大功率LED光源，其特征在 于所述的散熱器(6)是肋片式散熱器或熱管式散熱器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液浸式封裝的大功率LED光源，其特征在 于所述的殼體(5)和散熱器(6)的內(nèi)壁設(shè)有液體回流的毛細溝槽(9)。
專利摘要本實用新型公開了一種液浸式封裝的大功率LED光源，它包括LED芯片、封裝基板、冷卻液、光學(xué)窗口組件、殼體、散熱器；散熱器上設(shè)有殼體、封裝基板，封裝基板上設(shè)有LED芯1，殼體頂部設(shè)有光學(xué)窗口組件，殼體內(nèi)灌裝有冷卻液。LED芯片安裝在封裝基板上，封裝基板安裝在散熱器上，LED芯片和封裝基板浸沒在冷卻液中，冷卻液被封閉在光學(xué)窗口組件、殼體和散熱器構(gòu)成的負壓密閉空間中形成冷凝、蒸發(fā)循環(huán)。LED芯片產(chǎn)生的光從光學(xué)窗口組件發(fā)出，熱量被冷卻液傳送至密封組件和散熱器散出，可以有效解決大功率LED光源的散熱和光強輸出的問題。
文檔編號F21V29/00GK201255387SQ20082008722
公開日2009年6月10日 申請日期2008年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月14日
發(fā)明者建 符 申請人:浙江大學(xué)