專利名稱：無烘烤封裝型高光效高散熱性能高功率led光源的制作方法
技術領域：
本實用新型內容屬于半導體照明應用技術領域，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：
近年來，具有節能、環保、長壽命等特性的LED照明市場已在全 球范圍內進入了快速穩固的發展階段。而大功率LED光源產品的研究 開發，主要是以國際上成熟的大功率LED發光芯片為基礎所進行的功 率擴展、電源控制、光學設計、散熱設計、應用設計等技術的研究開 發。解決了 LED發光芯片的散熱及出光率難題，使大功率LED光源能 夠最大限度的發揮LED發光芯片的功能。目前，由于單只LED燈的功率< 5w，尚達不到大功率照明的要求， 所以在大功率LED照明領域公知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、并聯組合而成。其基本封裝工 藝結構是在一塊散熱基板上用銀膠粘接多只藍色發光LED芯片，在 LED芯片上面涂上硅膠質熒光粉，再在熒光粉上面平面封裝保護硅 膠。上述公知的大功率LED光源結構雖然基本解決了 LED照明的功率 擴容問題，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、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。出現上述問題的 主要原因可以歸結為1、在目前公知的大功率LED光源封裝結構中，LED芯片所發出 的光束通過焚光粉后射入硅膠時形成180°光源，光線再從硅膠射入空 間。光線是由光密介質射入光疏介質，是兩種不同折射率的介質，光 線會發生向偏離法線方向折射現象，當入射角大于臨界角時會在硅膠 中產生全反射。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°。 因為硅膠出光面平面所致，光M硅膠射入空氣中，僅當光束中 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部形成全反射損耗，不能輸 出到空氣空間。如此就會使光通量損失40%左右；另一方面光線在硅 膠內的全反射能量產生熱，使LED芯片溫度升高，LED芯片工作在較 高溫度上時會大幅度降低發光效率，使LED芯片產生發光衰減。2、 常規封裝結構通過銀膠把大功率LED芯片和散熱a粘接在 一起。銀膠是由高分子環氧膠和銀粉顆粒混合組成的，制備時將銀 膠在一定時間(90-120分鐘)內以較高的溫度(180-200° C)進行加 熱，使混合物中的高分子環氧膠固化而完成粘接作用，由混合物中 的銀粉顆粒完成導熱和導電作用。在銀膠固化過程中，高分子環氧 膠對銀粉顆粒進行濕潤，在銀粉顆粒周圍形成環氧膠包裹層，使固 化后銀膠層的熱阻和導電阻值都大幅度增大；電阻增大會使LED芯 片上的電壓降(VF)增加，導致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到散熱基板上散發出去， 使LED芯片上的溫度遠高于散熱基板的溫度。大功率LED芯片工作 在很高溫度上，必然會大幅度降低LED芯片的發光效率、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)和長時間(90~120分鐘)下進行的，也 會對LED芯片產生損傷，降低LED芯片的發光效率。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，成本也很高， 亦4吏對特大功率LED光源的封裝難于實現。3、 常規封裝用高溫固化型硅膠調制熒光粉和制作表面保護透光 層，珪膠的固化過程需要在高溫(150。 C)和長時間(120-200分鐘)條 件烘烤完成，也會對LED芯片產生損傷，降低LED芯片的發光效率。實用新型內容本實用新型的目的在于克服現有技術存在的不足，進而提供一種 具有結構設計合理、制作成本低、散熱性能好、耗電量低、光效率高、 光衰減小、使用壽命長等優點的無烘烤封裝型高光效高散熱性能高功 率LED光源。用于實現上述發明目的的技術解決方案是這樣的所提供的無烘 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熒光粉形成LED 發光體，在散熱基板上各發光體外分別罩設一個薄型等厚半球狀PC 透鏡外殼，在PC透鏡外殼與發光體和散熱基板圍成的空間內填充有 無反射硅膠透鏡材料，由此組成無反射高出光率單元LED光源，進而 由各個單元LED光源組合擴容成為高光通量、高散熱性能和高功率的 LED光源。與現有技術比較，本實用新型具有的主要優點是一、 無反射、高出光率本實用新型采用了無反射單元LED光源功率擴容封裝技術，使單 元LED光源的出光角大幅度提高，在單元LED光源內部無光反射， 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 見功率擴容擴展技術增加光效率40%以上。二、 高散熱性、高功率密度、高性能、特大功率、無需烘烤1、 本實用新型和目前公知的封裝方式相比，使用錫鉍銀環保低 溫焊錫骨，替代了銀膠粘接材料。焊錫骨融化粘接是分子結構，銀膠 固化粘接是4 顆粒結構，理論分析和實際測試表明，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，進而使LED芯片上的溫度進一 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 的發光效率，提高了大功率LED光源的功率密度；此外SMT焊機的使 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焊機固化速度快，不需烘烤。
3、 焊錫骨焊接比銀膠固化粘接的機械強度要大幅度提高；采用 低造價較粗規格硅鋁線進行導電連接，使導線抗拉強度增加5倍以 上；采用鍍鎳鋁基板，使導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艮環保低 溫焊錫骨在SMT機內進行多溫段、短時間(全部溫段共需要2 ~ 3分鐘) 內完成的，最高溫度150。 C溫段內僅有20秒。避免了銀膠的高溫度、 長時間固化過程對LED芯片產生損傷，不會降低LED芯片的發光效率。5、 采用具有室溫硫化型(RTV)、高透光率、高折射率和高掛壁性 能硅凝膠進行熒光粉調制和表面無反射透鏡封裝，使用室溫固化。避 免了傳統硅膠的長時間高溫烘烤過程對LED芯片產生損傷，不會降低 LED芯片的發光效率。以上技術方案的實施使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光源的批量生產奠定了 基礎，提供了技術保障。三、低成本1、 本實用新型LED光源功率擴容釆用的封裝技術和常見封裝方 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。目前市場上鍍 鎳鋁基板造價為0. 06元/cm2，鍍金鋁基板造價為0. 50元/cm2。3、 采用錫鉍銀環保低溫焊錫骨，替代了昂貴的銀膠粘接材料。 目前市場上錫鉍銀環保低溫焊錫骨造價為0. 50元/g,銀膠粘接材料 造價為35. 00元/g。4、 采用低成本較大規格的硅鋁線，替代了昂貴的較小規格金線 導線。目前市場上50pm直徑的硅鋁絲造價為0. 04元/m， 0. 8pm直 徑的金絲造價為0. 8元/m。5、 本實用新型把LED芯片焊接在鍍鎳鋁基板上的全過程，是錫 鉍銀環保低溫焊錫青在SMT機內進行多溫段(最高溫度150° C, 20 秒)、短時間(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時間 (90~ 120分鐘)、高溫(180~ 200。 C)加熱，使高分子粘接材料固化 完成的，因而大幅度節省了電力和人力成本，提高了產品成品率。6、 本實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，進行熒光粉調制和表面無反射透鏡封裝。使用室溫 固化，替代了傳統硅膠的長時間高溫固化過程(150 ~ 180。 C, 90 ~ 120 分鐘)，同樣也大幅度節省了電力和人力成本，提高了產品成品率。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，降低了錫鉍銀環保低溫焊錫骨損耗量，提高 了生產率和節省人力成本。8、 本實用新型采用高透光率、高強度PC作為無反射硅膠透鏡成 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是本實用新型一個具體實施例的結構示意圖。 圖2是根據本實用新型技術方案設計的980W廣場照明燈特大功 率LED光源的示意圖。
具體實施方式
參見圖1,本實用新型所述的LED光源由散熱基板6、設置在散 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、在硅膠質熒光粉表面封裝的帶有PC保護外殼1的無反射硅膠透 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、導熱、導電、抗拉力條件配比合成的合金粉末再加入中性高 粘度助焊劑構成的膏狀混合物。錫鉍銀錫骨對銅、鎳等金屬具有良 好契合力，具有很好的導熱導電特性和抗拉力特性。產品制作中， 使用SMT焊機把各個大功率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LED芯片無傷損的
清洗劑對焊有LED芯片的散熱基^L 6進行超聲清洗烘干，用硅鋁絲 把LED芯片的導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^膠質焚光粉3，再在硅膠質熒光粉表面封裝帶 有PC保護外殼1的無反射硅膠透鏡2。進而形成低成本的高光效高 散熱性能高功率LED光源。圖2為根據本實用新型技術方案設計的980W廣場照明燈特大功 率LED光源示意圖。在厚度為5. 0咖的高導熱性能敷銅鍍鎳鋁基板上 按串并聯關系制成大功率印制電路散熱M，在散熱a上按無反射 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 成為廣場照明燈等燈具。圖2中標號7為鍍鎳鋁基板對散熱面加固孑L, 8為線路引出孔，9為均流采樣電路及串并聯擴容保護穩壓管矩陣。本實用新型設計者在上述技術方案的基礎上已開發出了多種高 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 有廣場照明燈、工礦照明燈、路燈、應急照明燈、地鐵及機場安全 照明燈、醫院和賓館用照明燈等LED燈具產品。
權利要求1. 一種無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保低溫焊錫膏(5)焊接有多個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熒光粉(3)形成LED發光體，在散熱基板(6)上各發光體外分別罩設一個薄型等厚半球狀PC透鏡外殼(1)，在PC透鏡外殼(1)與發光體和散熱基板(6)圍成的空間內填充有無反射硅膠透鏡材料(2)。
專利摘要本實用新型涉及一種無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保低溫焊錫膏規則焊接有多個LED芯片，在各LED芯片上均涂有硅膠質熒光粉，形成LED發光體，在各發光體外分別罩設一個半球狀PC透鏡外殼，在透鏡外殼與發光體和散熱基板圍成的空間內填充有無反射硅膠透鏡材料，由此組成無反射高出光率單元LED光源，進而由各個單元LED光源組合擴容成為高光效、高散熱性能和高功率的LED光源。該光源可制成廣場照明燈、工礦照明燈、路燈、地鐵及機場安全照明燈、醫院和賓館用照明燈等LED燈具產品，具有結構設計合理、制作成本低、散熱性能好、光效率高、光衰減小、使用壽命長等優點。
文檔編號F21V19/00GK201081170SQ200720032949
公開日2008年7月2日 申請日期2007年10月12日 優先權日2007年10月12日
發明者胡家培, 胡民海 申請人:胡家培;胡民海