專利名稱：Led陣列照明設備的散熱裝置及制作方法
技術領域：
本發明涉及大功率LED設備的散熱裝置，尤其涉及一種LED陣列照明設備的散熱 裝置及制作方法。
背景技術：
自上世紀中葉起，國際社會高度重視并競相開發新能源技術，推動核能、太陽能、 風能、生物質能等新能源的廣泛應用，特別是在應對國際金融危機的背景下，新能源越來越 受到各國的青睞，正在成為引領全球經濟復蘇的“引擎”，并在構建人與自然和諧關系方面 發揮著越來越重要的作用。隨著電子科技的不斷發展，“節能減排、綠色環保”成為了新世紀 新時代的主題。LED是綠色節能的產業，是符合新型發展觀的產業，但是功率型LED的散熱 問題一直是該領域發展的瓶頸問題。良好的散熱方案可以有效保障LED照明設備的安全， 可靠運行。與普通光源比，大功率LED具有省電、壽命長及反應時間快等優點，在城市景觀、 LCD背光板、交通標志、汽車尾燈照明和廣告招牌等方面有著廣泛的應用。LED芯片的表面 面積小，工作時電流密度大，單顆LED的輸出光束低，所以照明設備大多要求多個LED組合 而成，從而造成LED密集度較大。但由于LED的光電轉換效率不高，大約只有15% 20% 左右電能轉為光輸出，其余均轉換成為熱能，因此當大量LED集中工作時，將會產生大量的 熱量。若不能使這些熱量盡快有效地耗散，隨之而來的熱效應將會變得非常明顯，致使結溫 上升，減少芯片出射的光子，使色溫質量下降，加快芯片老化，縮短器件壽命，且由于LED芯 片輸入功率的不斷提高，因散熱問題牽扯到光、電、色等一系列的問題顯得更加突出，因此 對該結構進行熱分析和優化設計就變得異常關鍵。在設計LED發光器件時，為了較好地控 制結溫，良好的 熱設計主要是出于以下考慮一方面改善器件內部封裝結構，提高發熱芯 片向外殼傳導熱量的能力；另外一方面提高外殼向外界散熱的能力。熱管是1963年美國Los Alamos國家實驗室的G. M. Grover發明的一種傳熱元件， 它充分利用了熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質，通過在全封閉真空管內熱媒的蒸 發和冷凝傳遞熱量。熱管工作時，液態工質在吸熱段吸收管壁傳來的熱量溫度升高，氣化為 蒸汽，同時壓力也隨之增大，于是就流向壓力較低的冷凝段，在冷凝段放出熱量后又重新變 成液態，液體再沿著吸液芯依靠毛細力作用返回吸熱段，再吸收熱量進入下一次循環。如此 反復循環就實現了熱量的傳遞和轉移。因此熱管的正常工作過程是由液體的蒸發、蒸汽的 流動、蒸汽的凝結和凝結液的回流組成的閉合循環，其外觀像一個拉長的變細的暖水瓶膽， 由兩根同軸的金屬管(或玻璃管)組成，內、外管間抽成真空，一般情況下真空度小于10-4 毫米汞柱(見圖1)，試驗表明一根直徑為20mm的銅一水熱管，其導熱能力是同直徑紫銅棒 的1500倍，具有“超導熱體”之稱。濺射是一種將金屬，陶瓷和塑料等材料沉積到一個表面，從而形成一層薄膜的真 空工藝過程。基本濺射工藝如圖4所示電子撞擊惰性氣體原子(通常氬)，使其成為離子。 這些高能離子在電場的作用下轟擊欲沉積的目標材料。強烈的轟擊使目標原子逃出材料表面，在電場的作用下最終在基板的表面形成一層原子層薄膜，該原子層薄膜的厚度取決于 濺射時間。相比直流磁控濺射，脈沖磁控濺射將交流電壓頻率定為中頻(10-200KHZ)，就能 很好地克服直流反應濺射的缺點，如沉積速度低、靶材容易出現電弧放電并導致結構、組成 及性能發生改變等。通過脈沖磁控濺射可以與制得金屬薄膜同樣的效率來制得高質量的絕 緣體薄膜。博物館和醫療系統中LED陣列照明的散熱問題(1)多芯片集成LED光源中每個 LED芯片的結溫不一致，嚴重影響LED的性能和壽命；(2) LED的動態工作溫度，急需解決瞬 時高溫沖擊產生的溫度不均衡性；(3)LED陣列快速散熱，防止過高溫度；提出了一種新型 的鋁基板設計技術，這種新型的LED鋁均溫板基座中腔注入熱媒連接LED光源和散熱翅片， 均溫板基座與LED陣列光源之間先利用磁控濺射氮化鋁形成一層厚度為30微米的絕緣層， 再利用磁控濺射技術在絕緣層上形成LED陣列封裝電路。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種LED陣列照明設備的散熱裝置及 制作方法。LED陣列照明設備的散熱裝置包括保護硅膠、LED芯片、電路層、均溫板基座和散 熱翅片，LED芯片安裝在電路層上，電路層與均溫板基座和散熱翅片依次連接，保護硅膠安 裝在LED芯片和電路層上面。所述的LED芯片的底部和引腳與電路層連接，LED芯片為封裝引腳同向的LED芯 片或封裝引腳反向的LED芯片，其中封裝引腳同向的LED芯片封裝引腳朝上并通過金絲或 高導電率的金屬導線與導電層連接，封裝引腳同向的LED芯片底部焊接在絕緣層上；封裝 引腳反向的LED芯片一端封裝引腳朝上并通過金絲或高導電率的金屬導線與導電層連接， 封裝引腳反向的LED芯片靠近芯片底部的引腳直接焊接在電路層上；電路層與均溫板基座 相連。所述的電路層包括導電層和絕緣層，導電層與絕緣層和均溫板基座依次連接，絕 緣層厚度為25 35um，導電層厚度為5 10um。所述的均溫板基座包括吸液芯、排氣口、上板、下板和熱媒介質，上板四周和下板 四周相連接，下板上設有排氣口，溫板基座內側設有吸液芯和熱媒介質。LED陣列照明設備的散熱裝置的制作方法包括如下步驟1)用金屬銅材料制作上板和下板，下板為可容納液體的槽體，同時保持上板和下 板外側的平整；將上板和下板去油和去銹處理后，用金屬絲網通過高溫燒結在上板和下板 內測形成吸液芯；再在上板和下板四周結合部位涂抹結合劑，利用夾具固定再送入高溫爐 進行熱熔封合，最后制作成均溫板基座；2)在均溫板基座的上板或者下板面通過磁控濺射技術沉積厚度為25 35um氮化 鋁化合物制作絕緣層，并利用掩膜或光刻的方法在絕緣層面上形成電路圖形；3)通過磁控濺射技術在絕緣層上沉淀導電金屬原子形成導電層，導電層的形狀與 掩膜或光刻的電路圖形相吻合，厚度為5 lOum，并將LED芯片焊接在導電層上，在均溫板 基座的另一側涂抹導熱硅膠并安裝散熱翅片，最后在LED芯片外側封裝保護硅膠。本發明與傳統LED照明的散熱裝置相比具有以下優點熱阻更低散熱能力大幅提升，熱媒氣化時瞬間吸收大量熱能，避免了 LED芯片啟動瞬間及工作時的高溫沖擊，實現了 LED多芯片之間溫度的均衡和持續工作環境溫度的均衡，穩定了大功率LED的工作溫度，保 障功率型LED的正常工作性能和壽命。
圖1是LED陣列照明設備的散熱裝置結構示意圖；圖2-1是本引腳同向的LED封裝示意圖；圖2-2是引腳反向的LED封裝示意圖；圖3-1是引腳同向的LED焊接電路層示意圖；圖3-2是引腳反向的LED焊接電路層示意圖；圖4是本發明的均溫板基座外觀圖；圖5是本發明的均溫板基座內部結構圖。
具體實施例方式如圖1所示LED陣列照明設備的散熱裝置包括保護硅膠1、LED芯片2、電路層3、 均溫板基座4和散熱翅片5，LED芯片2安裝在電路層3上，電路層3與均溫板基座4和散 熱翅片5依次連接，保護硅膠1安裝在LED芯片2和電路層3上面。所述的電路層3用于 給LED芯片2供電同時使LED芯片2與均溫板基座4絕緣，均溫板基座4在快速導熱的同 時吸收并儲存瞬時熱量流，散熱翅片5由鋁材料制作而成，用于接收均溫板基座4熱量直接 向空氣介質散熱。如圖2-1、圖2-2、圖3-1和圖3-2所示所述的LED芯片2的底部和引腳與電路 層3連接，LED芯片2為封裝引腳同向的LED芯片21或封裝引腳反向的LED芯片22，其中 封裝引腳同向的LED芯片21封裝引腳朝上并通過金絲7或高導電率的金屬導線7與導電 層11連接，封裝引腳同向的LED芯片21底部焊接在絕緣層12上；封裝引腳反向的LED芯 片22 —端封裝引腳朝上并通過金絲7或高導電率的金屬導線7與導電層11連接，封裝引 腳反向的LED芯片22靠近芯片底部的引腳直接焊接在電路層3上；電路層3與均溫板基座 4相連。所述的電路層3包括導電層11和絕緣層12，導電層11與絕緣層12和均溫板基座 4依次連接，絕緣層12厚度為25 35um，導電層11厚度為5 10um。如圖4和圖5所示所述的均溫板基座4包括吸液芯13、排氣口 14、上板15、下板 16和熱媒介質，上板15四周和下板16四周相連接，下板16上設有排氣口 14，溫板基座4 內側設有吸液芯13和熱媒介質。排氣口 14用于向均溫板基座4內部抽真空和注入熱媒介 質。均溫板基座4內側設有吸液芯13。LED陣列照明設備的散熱裝置的制作方法包括如下步驟1)用金屬銅材料制作上板15和下板16，下板16為可容納液體的槽體，同時保持 上板15和下板16外側的平整；將上板15和下板16去油和去銹處理后，用金屬絲網通過高 溫燒結在上板15和下板16內測形成吸液芯13，燒結溫度為500°C 1000°C，吸液芯13分 別設置在均溫板基座4內壁和均溫板基座4的中心，其中在均溫板基座4中心吸液芯13以 3*3立柱的形狀連接上板15和下板16 ；熱媒介質在加熱面吸熱氣化，熱氣的熱媒介質在散
5熱面液化，通過吸液芯13將液態水送回吸熱面，形成循環帶走加熱面的熱量；再在上板和 下板四周結合部位涂抹結合劑，利用夾具固定再送入高溫爐進行熱熔封合，取出后進行冷 卻，檢漏，除氣，填裝和封接5道工序后，最后制作成均溫板基座4 ；2)在均溫板基座4的上板15或者下板16面通過磁控濺射技術沉積厚度為25 35um氮化鋁化合物制作絕緣層12，該絕緣層12具有1000V以上的耐壓能力和10倍氧化鋁 絕緣層的導熱能力，并利用掩膜或光刻的方法在絕緣層12面上形成電路圖形；3)通過磁控濺射技術在絕緣層上沉淀導電金屬原子形成導電層11，導電層11的 形狀與掩膜或光刻的電路圖形相吻合，厚度為5 lOum，并將LED芯片2焊接在導電層上， LED芯片2以N*N的形式排列組成LED照明陣列，在均溫板基座4的另一側涂抹導熱硅膠并 安裝散熱翅片5，最后在LED芯片2外側封裝保護硅膠1，LED芯片2通過絕緣層12將熱量 傳入均溫板基座4，均溫板基座4儲存熱量的同時將熱量傳向散熱翅片5直接散熱，LED芯 片2通過導電層11獲得驅動電流。
權利要求
一種LED陣列照明設備的散熱裝置，其特征在于包括保護硅膠(1)、LED芯片(2)、電路層(3)、均溫板基座(4)和散熱翅片(5)，LED芯片(2)安裝在電路層(3)上，電路層(3)與均溫板基座(4)和散熱翅片(5)依次連接，保護硅膠(1)安裝在LED芯片(2)和電路層(3)上面。
2.根據權利要求1所述的一種LED陣列照明設備的散熱裝置，其特征在于所述的LED 芯片⑵的底部和引腳與電路層⑶連接，LED芯片⑵為封裝引腳同向的LED芯片(21) 或封裝引腳反向的LED芯片(22)，其中封裝引腳同向的LED芯片(21)封裝引腳朝上并通過 金絲(7)或高導電率的金屬導線(7)與導電層(11)連接，封裝引腳同向的LED芯片(21) 底部焊接在絕緣層(12)上；封裝引腳反向的LED芯片(22) —端封裝引腳朝上并通過金絲 (7)或高導電率的金屬導線(7)與導電層(11)連接，封裝引腳反向的LED芯片(22)靠近芯 片底部的引腳直接焊接在電路層(3)上；電路層(3)與均溫板基座(4)相連。
3.根據權利要求1所述的一種LED陣列照明設備的散熱裝置，其特征在于所述的電路 層⑶包括導電層(11)和絕緣層(12)，導電層(11)與絕緣層(12)和均溫板基座⑷依次 連接，絕緣層(12)厚度為25 35um，導電層(11)厚度為5 10um。
4.根據權利要求1所述的一種LED陣列照明設備的散熱裝置，其特征在于所述的均溫 板基座⑷包括吸液芯(13)、排氣口(14)、上板(15)、下板(16)和熱媒介質，上板(15)四 周和下板(16)四周相連接，下板(16)上設有排氣口(14)，溫板基座(4)內側設有吸液芯 (13)和熱媒介質。
5.一種如權利要求1所述LED陣列照明設備的散熱裝置的制作方法，其特征在于包括 如下步驟1)用金屬銅材料制作上板(15)和下板(16)，下板(16)為可容納液體的槽體，同時保 持上板(15)和下板(16)外側的平整；將上板(15)和下板(16)去油和去銹處理后，用金 屬絲網通過高溫燒結在上板(15)和下板(16)內測形成吸液芯(13)；再在上板和下板四周結合部位涂抹結合劑，利用夾具固定再送入高溫爐進行熱熔封合，最后制作成均溫板基座 ⑷；2)在均溫板基座(4)的上板(15)或者下板(16)面通過磁控濺射技術沉積厚度為25 35um氮化鋁化合物制作絕緣層(12)，并利用掩膜或光刻的方法在絕緣層(12)面上形成電 路圖形；3)通過磁控濺射技術在絕緣層上沉淀導電金屬原子形成導電層(11)，導電層(11)的 形狀與掩膜或光刻的電路圖形相吻合，厚度為5 lOum，并將LED芯片(2)焊接在導電層 上，在均溫板基座(4)的另一側涂抹導熱硅膠并安裝散熱翅片(5)，最后在LED芯片(2)外 側封裝保護硅膠(1)。
全文摘要
本發明公開一種LED陣列照明設備的散熱裝置及制作方法，該散熱裝置包括大功率LED陣列，電路層，均溫板基座和散熱翅片；電路層包括絕緣層和導電層，平面熱管基座上通過磁控濺射氮化鋁制作絕緣層，絕緣層上通過磁控濺射氮化鋁制作金屬層；本發明具有熱阻低，導熱性能高，儲熱能力強，大面積LED均溫效果好等特點；此外濺射方式沉積的氮化鋁絕緣層在減少封裝體積的同時加強了整體的散熱性能和粘合力；熱管瞬間吸收大量熱能，避免了LED芯片啟動瞬間及工作時的高溫沖擊，實現了LED陣列間溫度和工作環境溫度的均衡，保障功率型LED的工作性能和壽命。
文檔編號F21Y101/02GK101963338SQ20101022011
公開日2011年2月2日 申請日期2010年7月6日 優先權日2010年7月6日
發明者仲玉芳, 吳明光, 陳中, 黃忠 申請人:浙江大學