專利名稱：基于金屬線路板的led白光光源的制作方法
技術領域：
本發明涉及以半導體發光二極管(LED)為發光體的光源，尤其涉及適合通用照明的LED白光光源，特別為一種基于金屬線路板的LED白光光源，屬于電光源與照明技術領域。
背景技術：
自從愛迪生發明了白熾燈泡以后人類進入了照明新時代。白熾燈是第一代電光源的代表，它是靠通電加熱鎢絲使其處于熾熱狀態而發光的，但發光效率低、使用壽命短。此后人們又發明了熒光燈，使電光源歷史經歷了一次新的革命，這場革命的意義是如此之大，以致目前世界上仍有70％的人造光線來自于熒光燈。然而熒光燈并不是一種十分理想的照明光源，主要表現在一是熒光燈顯色性能較差，容易發生顏色變異；二是存在亮度頻閃，容易造成視力疲勞；三是熒光燈存在比較嚴重的汞污染問題，對燈具的制造使用和環境保護均不利。
近年來，隨著LED科學研究不斷發展和芯片工藝生產水平不斷提升，大功率LED封裝技術逐漸成熟，發光效率得以大大提高，其應用領域逐步拓展。目前1W白光LED的批量產品的光效指標已經超過60lm/W，科學技術的進步使LED極有可能成為新一代照明光源。
目前大功率LED照明通常是將大尺寸藍光LED芯片按照圖1的模式進行封裝，其主體部分是一個以模塑材料制成的帶有接線片11的塑料絕緣框架1，鋁、銅或合金材質的熱沉2嵌裝在絕緣框架1中間，絕緣框架1和熱沉2之間涂有軟性膠13，帶有印刷電路圖形的硅載體片3用焊接材料4焊在熱沉2上，LED芯片5則以倒裝方式壓在硅載體片3的金屬接觸電極接點6上，通過金絲7與電極接點接線片11接。在LED芯片5的四周均勻涂敷一層黃色熒光粉9；另外，在絕緣框架1上固定有光學透鏡8，芯片和光學透鏡之間的空隙需要填補環氧或硅類樹脂12。組裝后的LED芯片全部罩于光學透鏡8的內部。當通電的時候，藍光LED芯片產生藍光，同時激發黃色熒光粉產生黃光，黃光與藍光混合后產生白光。為解決LED的散熱問題，通常還需將熱沉2安裝在一塊專門的鋁板、銅板或其它合金板材的散熱片10上，從而制成一種帶有散熱片的LED白光光源。
由此可見，現有技術封裝后的LED白光光源結構復雜、制造工序繁瑣，使用的零部件較多，其中熱沉、光學透鏡、散熱片等部件的安裝以及軟性膠的填充等過程還需手工完成，使得生產成本過高、產品質量難以保證。目前面市的LED照明燈具基本上是在傳統燈具的基礎上加裝上述LED白光光源，這只是一種簡單形式的組裝，應用這種照明燈具，LED工作時產生的熱量并不能充分散發到燈具所處的外部環境當中，使LED內部溫度上升，導致發光效率下降乃至整個產品失效，LED預期的使用壽命難以保證；另一方面，由于LED光源是非常強烈眩目的點光源，用于照明燈具還必須另外配裝光擴散片或漫反射板等光學組件，使光線變成均勻柔和的一體化的面光源，該技術問題在現有技術中也未能得到有效解決。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，從改變LED的封裝方式入手，提供一種結構簡便、易于加工、使用壽命長、效果良好的基于金屬線路板的LED白光光源。
本發明的目的通過以下技術方案來實現一種基于金屬線路板的LED白光光源，以藍光LED芯片為發光體，芯片的底面直接焊接在其控制電路的金屬線路板上，芯片的其它表面涂敷環氧或硅類透明樹脂，在金屬線路板的一側形成半球體；所述半球體的四周設有表面鍍銀的光反射區，其形狀為倒置的圓錐面；在光反射區的上方設有半球冠形狀的含有黃色熒光粉的透光片，透光片的內表面與光反射區的圓錐面吻合，形成一個封閉的立體結構，所述包含LED芯片的半球體位于該立體結構的底部。
本發明的目的還通過以下優選技術方案來進一步實現上述基于金屬線路板的LED白光光源中，可以在金屬線路板上設置碗狀凹坑，LED芯片焊接在凹坑的底部，凹坑的四周經拋光鍍銀后成為光反射區；金屬線路板也可以為平板結構，LED芯片直接焊接在線路板上，在LED芯片四周另外設置光反射碗。
進一步地，上述基于金屬線路板的LED白光光源中，所述黃色熒光粉可以涂覆在透光片的內、外表面；當透光片采用模塑材料制造時，還可以在制造材料中直接添加黃色熒光粉，然后再注塑成透光片，使黃色熒光粉均勻分布在透光片的材料內部。
更進一步地，上述基于金屬線路板的LED白光光源中，所述碗狀凹坑是一個下凹的圓錐臺，圓錐臺高度為1.5～6毫米，圓錐角優選30°～120°；所述光反射碗的高度也為1.5～6毫米，圓錐角也優選在30°～120°范圍之內。
本發明提供了一種采用高效藍光LED芯片、基于金屬線路板直接封裝的半導體發光二極管白光光源，其突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在以下幾方面(1)采用帶金屬夾層的線路板直接封裝LED芯片，結構簡便。透光片相當于燈罩，黃色熒光粉設置在透光片上可以有多種方式，并且能夠制造加工得非常均勻，完全解決了現有技術中單顆白光大功率LED封裝過程中時有出現的白光不均勻的技術難題，而且本發明中熒光粉不與芯片直接接觸，能夠有效防止熒光粉因長期接觸高溫而導致性能快速衰退；
(2)金屬線路板與LED芯片呈一體化設計，芯片直接安裝在帶有散熱功能的金屬線路板上，構成的一體化光源具有有效的散熱通道，散熱面積增加、熱阻減小，突破了發熱問題對半導體照明二維光源設計的限制，把溫升對大功率LED穩定性的影響降到最低程度，有效地解決了光源使用中的散熱問題，延長了光源使用壽命；(3)解決了目前LED燈具在二次光學設計方面遇到的技術難題。采用大功率LED作為光源，發光平穩、無頻閃、不含紅外線和紫外線，在LED的發光部位設置導光裝置，能夠提高芯片的出光效率，有效控制出光角度和光強分布，再通過優化光反射區與透光片在幾何尺寸方面的匹配關系，使藍光LED形成的點光源變成光線柔和的一體化的面光源，提高了視覺舒適性，可以直接應用于LED燈具；(4)可實施標準化規模生產，與現有技術相比大大減少光源及燈具的零部件，生產成本顯著降低。產品體積小、薄型化、結構牢固、可靠性高、使用壽命長，它不含玻璃燈泡、燈絲等易損壞的部件，是一種實心的全固體結構，能夠經受得住震動、沖擊而不致引起損壞，使用壽命長達五萬小時以上，而傳統光源中白熾燈只有1000小時左右，熒光燈也只有5000小時左右。
圖1是現有技術中比較典型的LED封裝模式示意圖。
圖2是本發明一種實施方式的主體結構示意圖，圖2a是圖2中金屬線路板部分的結構示意圖，圖2b是圖2a的俯視圖。
圖3是本發明另一種實施方式的主體結構示意圖，圖3a是圖3中金屬線路板及光反射碗部分的結構示意圖，圖3b是圖3a的俯視圖。
圖中20金屬線路板，21凹坑，22是LED芯片，23光反射區，24是LED芯片涂敷環氧或硅類透明樹脂而形成的半球體，25透光片，26安裝孔，27接觸電極，28合金涂層，29光反射碗。
具體實施例方式
大功率LED發光平穩、無頻閃、不含紅外線和紫外線，是一種非常有益于人們身心健康的電光源，應用它制造照明燈具時必須解決兩大技術難題。其一，LED將電能轉變為光能過程中，由于有電阻和非輻射復合等作用必然會產生一些熱，如果熱量不能充分散發出去，LED內部溫度將上升，導致LED發光效率下降；溫度上升過高，LED將失效。因此，在設計LED照明光源時，要切實保證散熱良好，否則將難以保證LED預期使用壽命。其二，LED光源是一種發光強度非常高的點光源，若簡單應用于照明會令人感覺光亮眩目、很不舒服，所以在設計照明光源時，要將發光二極管的點光源與光擴散片或漫反射板等光學組件配合使用，光線通過折射、散射和漫反射變成光線均勻柔和的一體化的面光源。
本發明從解決上述兩大技術難題入手，克服現有技術的種種不足，采用與傳統的白光LED設計和組合燈具完全不同的白光產生方式，提出了一種適合通用照明的半導體白光光源。其技術措施是將1W以上的大功率藍光LED芯片的底面焊接在其控制電路的金屬線路板上，芯片的其它表面涂敷環氧或硅類透明樹脂，在金屬線路板的一側形成半球體，以保護LED芯片和幫助導出LED的發光。所述半球體的四周設有表面鍍銀的光反射區，其形狀為倒置的圓錐面。在光反射區的上方設有半球冠形狀的含有黃色熒光粉的透光片，透光片的內表面與光反射區的圓錐面吻合，形成一個封閉的立體結構，所述包含LED芯片的半球體位于該立體結構的底部。
光反射區的設置有兩種方案，一種是將金屬線路板局部沖擊壓成凹坑，LED芯片焊接在凹坑的底部，凹坑的四周經拋光鍍銀后成為光反射區；另一種是金屬線路板仍舊是平板結構，LED芯片直接焊接在金屬線路板上，然后在LED芯片四周設置光反射碗，光反射碗的內表面加工成為光反射區。碗狀凹坑實際上是一個下凹的圓錐臺，圓錐臺的高度范圍是1.5～6毫米、圓錐角優選30°～120°；光反射碗的高度也為1.5～6毫米，圓錐角也在30°～120°范圍之內。
透光片可視為燈罩，黃色熒光粉有多種方式附著到透光片上。一是通過濺射、蒸發或涂敷工藝等方法將黃色熒光粉或含有黃色熒光粉的材料均勻、牢固地涂布在燈罩的內表面或者外表面，形成黃色熒光粉層；也可以在用于加工燈罩的透明模塑材料中按一定比例添加黃色熒光粉，然后注塑成型，制得的透光片中即均勻分布有黃色熒光粉。
當引入電源以后，LED芯片產生藍光，經環氧或硅類透明樹脂進行光學調整，在光反射區的作用下發散并透過含有黃色熒光粉的透光片，通過擴散和混色形成整體組合一體化、適合通用照明的半導體白光光源。
下面結合附圖對本發明主體結構的加工過程作進一步說明。
如圖2、圖2a和圖2b所示，金屬線路板20的基材使用厚度為0.5～3毫米的金屬鋁、銅或其它合金板材，大面積的基材表面運用機械和化學方法先進行預處理，再經過機械沖壓加工出圓形安裝孔26和圓錐臺形狀的凹坑21，然后對凹坑21的底部和四周進行拋光鍍銀，形成光亮的反射碗，LED芯片22焊接在反射碗的底部，而碗的四周則成為光反射區23。其中，在反射碗底部芯片就位之處需要專門蒸發或涂復銦金、金錫或相似的合金，形成適合芯片底面焊接的合金涂層28。在進一步加工前，對于拋光及鍍銀部分涂覆防護膜加以局部保護。接著，采用化學氧化的方法在金屬基材上覆蓋一層絕緣導熱層，在絕緣導熱層上采用沉積和電鍍工藝覆蓋一層主要成分是銅的導電金屬，然后在該金屬層上采用普通印刷線路板制作工藝加工出非常精細的導電線路和接觸電極27。經過以上加工處理的大面積金屬線路板，經過沖裁和表面清洗處理，制得單只LED芯片的封裝基礎部件。
直接封裝的LED芯片通常被制成單極或雙極形式。藍光LED裸芯片22安放在合金涂層28上，在120～350℃溫度下進行焊接，芯片能夠牢固地焊接在金屬線路板20上。另一方面，采用25～50微米的金絲焊接，使LED芯片與導電線路之間實現電氣連接。
LED芯片在金屬線路板貼裝工序完成之后，在LED芯片的其余表面上涂敷環氧或硅類透明樹脂，在金屬線路板的一側形成一個半球體式結構24，用以保護芯片和增加出光率，然后在凹坑21的上方加裝表面涂有或者內部摻有黃色熒光粉的透光片25，從而制成基于金屬線路板的LED白光光源。
上述透光片25又稱為光擴散透光片，它可以作為LED光源的燈罩，采用透明或半透明模塑材料按照光學原理設計成半球冠形狀。
圖3、圖3a和圖3b示意了本發明另外一種主體結構，這種結構不是在金屬線路板上加工凹坑，而是用金屬或塑料材料另外加工一只倒圓錐臺形狀的光反射碗29，其內表面經過拋光電鍍銀層形成光亮的反射面23，當LED芯片貼裝工序完成之后將光反射碗29安置在LED芯片四周。除此之外，這種結構的其它加工過程與上述情況基本類似。
采用光反射碗29結構時，其內表面還可以采用鍍膜方式，能夠有效地控制出光角度和光強分布，提高芯片的出光效率。
權利要求
1.基于金屬線路板的LED白光光源，其特征在于藍光LED芯片的底面焊接在其控制電路的金屬線路板上，芯片的其它表面涂敷環氧或硅類透明樹脂，在金屬線路板的一側形成半球體；所述半球體的四周設有表面鍍銀的光反射區，其形狀為倒置的圓錐面；在光反射區的上方設有半球冠形狀的含有黃色熒光粉的透光片，透光片的內表面與光反射區的圓錐面吻合，形成一個封閉的立體結構，所述包含LED芯片的半球體位于該立體結構的底部。
2.根據權利要求1所述的基于金屬線路板的LED白光光源，其特征在于所述金屬線路板上設有碗狀凹坑，LED芯片焊接在凹坑的底部，凹坑的內表面經拋光鍍銀后成為光反射區。
3.根據權利要求1所述的基于金屬線路板的LED白光光源，其特征在于所述金屬線路板為平板結構，LED芯片直接焊接在金屬線路板上，LED芯片四周安裝有光反射碗，光反射碗的內表面為光反射區。
4.根據權利要求1或2或3所述的基于金屬線路板的LED白光光源，其特征在于所述黃色熒光粉涂覆在透光片的內表面和/或外表面。
5.根據權利要求1或2或3所述的基于金屬線路板的LED白光光源，其特征在于所述黃色熒光粉均勻分布在透光片的材料內部。
6.根據權利要求2所述的基于金屬線路板的LED白光光源，其特征在于所述碗狀凹坑是一個下凹的圓錐臺，圓錐臺高度為1.5～6毫米，圓錐角為30°～120°。
7.根據權利要求3所述的基于金屬線路板的LED白光光源，其特征在于所述光反射碗的高度為1.5～6毫米，圓錐角為30°～120°。
全文摘要
本發明涉及以LED作為發光體的白光光源，通過在金屬線路板上制作平面或凹坑形狀的光反射碗，在光反射碗的中心蒸發或涂復銦金、金錫或相似的合金涂層，然后焊接高效藍光LED裸芯片，并在LED芯片表面覆蓋環氧或硅類透明樹脂，使二維藍光能夠高效均勻放出，藍光透過內部摻有或表面涂有黃色熒光粉的透光片，經過激發與混光，形成整體組合一體化、具有很好的散熱功能和均勻發光效果的適合通用照明的半導體白光光源。
文檔編號F21S2/00GK1848463SQ20051003889
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月15日 優先權日2005年4月15日
發明者梁秉文, 劉乃濤, 高澤山 申請人:南京漢德森科技股份有限公司