專利名稱：一種基于金屬鋁基材料的led照明光源的制作方法
技術領域：
本發明涉及以大功率半導體發光二極管(LED)為發光體的光源，特別一種LED照明光源，尤其是一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源，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科學研究的不斷發展和芯片工藝生產的水平不斷提升，大功率LED封裝技術逐漸成熟，發光效率得以大大提高，其應用領域不斷拓展。但是LED發光時，在將電能轉變為光能的過程中，由于有電阻和非輻射復合，LED會產生一些熱。如果熱量不能充分散發出去，LED內部溫度上升，將導致LED發光效率下降；如果LED內部溫度上升過高，還可能使LED失效，難以保證LED預期的使用壽命。所以作為光源，散熱依然是大功率發光二極管(LED)正常工作的巨大障礙。
目前大功率LED芯片通常按圖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7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，帶有印刷電路圖形的硅載體片3用導熱絕緣膠或者焊接材料6焊在熱沉2上，LED裸芯片5則以倒裝方式壓在硅載體片3的金屬接觸電極接4上，通過金絲與接線片7連接；為解決LED的散熱問題，通常還需將熱沉2用導熱絕緣膠或者焊接材料9貼裝在一塊專門的鋁板、銅板或其它合金板材的散熱片8上，再經過膠封10和配置光學透鏡等工序，從而制成一種帶有散熱片的LED光源。由此可見，按照通常模式進行封裝的發光二極管，其芯片工作時產生的熱量傳導路徑長，需要通過硅載體片3、導熱絕緣膠或者焊接材料層6、熱沉2、導熱絕緣膠層9、然后在散熱片8上散出，從芯片到鋁基片中間共經過了兩層導熱絕緣膠以及鋁基片中的正反面氧化絕緣導熱層，鋁的導熱系數為200w/mk，而一般熱導絕緣膠的導熱系數為3w/mk，導熱率不高，鋁基片的表面層很容易氧化，氧化鋁的導熱系數為40～120w/mk，最終形成比較大的熱阻，使LED熱量不能得到充分散發。
此外，按照傳統模式進行封裝的大功率LED光源通常采取單個LED芯片封裝，每個部件中只封裝一個LED。當增大功率需要配置多個LED時，這種單個LED芯片封裝部件組合起來就比較困難，結構上就顯得非常繁瑣，組合后的LED的熱量也不能得到充分散發。
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、散熱效果良好的基于金屬鋁基材料的LED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鋁基材料的LED照明光源，包括基材、LED芯片、膠封材料、光學透鏡和外連接線路，其中，所述基材是金屬鋁基材料，它至少有一個表面為平面結構，該平表面具有一個或多個氧化鋁絕緣導熱層，所述LED芯片貼裝在該氧化鋁絕緣導熱層上。
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鋁基材料的LED照明光源中，所述氧化鋁絕緣導熱層的厚度不小于10微米，其絕緣電阻不低于100MΩ。
進一步地，上述基于金屬鋁基材料的LED照明光源中，控制該LED照明光源的印刷電路設置在金屬鋁基材料上，LED芯片與印刷電路之間進行電氣連接；或者，該LED照明光源還包括另外配置的印刷電路板，其外表面設有導電線路和接觸電極，內表面通過絕緣導熱膠與金屬鋁基材料貼合在一起；該印刷電路板與LED芯片相對應的位置開有通孔，使得LED芯片穿孔露出，并且LED芯片與印刷電路板之間進行電氣連接。
更進一步地，上述基于金屬鋁基材料的LED照明光源中，所述金屬鋁基材料，在已貼裝LED芯片的反側設有鋁質散熱器。
再進一步地，上述基于金屬鋁基材料的LED照明光源中，該LED照明光源還配有起強制散熱作用的風扇。
本發明提供了一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源，與目前用常規方法封裝的LED光源相比，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)結構簡單，制造方便。這種LED照明光源零部件少，產品體積小、薄型化，直接封裝成本低，可以顯著提高產品的可靠性。其加工工藝穩定可靠，加工設備簡單，主要的化學反應在常溫下進行，操作方便、易于掌握，加工過程中使用的化學處理液是環保型，符合環保排放要求。
(2)防靜電性能好。氧化鋁的表面絕緣電阻可達100MΩ，據資料顯示，當材料的表面電阻在10MΩ～100GΩ之間時，稱為靜電耗散材料，故本發明可以有效地擴散靜電，防止靜電擊穿發光二極管。
(3)散熱效果好。本發明熱阻減小，具有有效的散熱通道，可以輕松地突破大功率LED發熱問題對半導體照明光源設計的限制，將溫升對大功率LED穩定性的影響降到最低程度。
(4)由于采用芯片直接封裝在氧化鋁板上，可以提高LED的封裝密度，各芯片之間的距離可以很近，這樣在紅、藍、綠三色光配制白光的時候，可以配合出較為完美的白光。這種白光還可以根據個人的需要，通過控制電路進行色溫自我調節。
(5)配置靈活，便于安裝及實施，可以滿足各種照明需求。封裝基礎部件可以按照LED配置數量進行設計與加工，多顆LED可以隨意封裝，當需求功率較大時，可以配置多個LED，結構上組合顯得非常簡便。
(6)本發明提供的產品結構牢固，其可靠性得到顯著提高，LED的使用壽命得到充分保證。該產品適用于光源維護和更換比較困難、要求使用壽命特別長的LED光源的場所，可以顯著降低安裝和維護費用。
圖1是現有技術中比較典型的LED封裝模式示意圖。
圖2a是本發明一種實施方式的主體結構示意圖；圖2b是圖2a的俯視圖，即單顆LED芯片的封裝外觀。
圖3a是本發明另一種實施方式的主體結構示意圖；圖3b是圖3a的俯視圖，即帶有專用印刷線路板的單顆LED芯片的封裝外觀。
圖4a是本發明另一種實施方式的主體結構示意圖；圖4b是圖4a的俯視圖，即帶有專用印刷線路板的4顆LED芯片的封裝外觀。
圖5a是本發明再一種實施方式的主體結構示意圖；圖5b是圖5a的俯視圖，即帶有專用印刷線路板的12顆LED芯片的封裝外觀。
具體實施例方式
本發明提供了一種LED照明光源，它主要包括金屬鋁基材料做成的基材，LED芯片，膠封材料，光學透鏡和外連接線路。在鋁基材料的平表面設置一個或均勻分布的若干個LED芯片貼裝區域，該區域經處理后形成膠狀粘性氧化鋁，然后再貼裝LED芯片。LED芯片通過金絲與外連接線路進行電氣連接，外連接線路可以在鋁基平面上制作印刷線路，也可以制作專用的印刷線路板粘貼在鋁基平面上。再經過膠封和配置光學透鏡等工序，形成本發明LED光源。
所述金屬鋁基材料可以是鋁質板材，也可以是底面是平面、另外一側帶有各種形狀的鋁質散熱器。前者主要是在耗散功率不大的情況下使用，此時只需封裝單顆或者少數幾顆LED芯片；后者用于耗散功率比較大的場合。封裝后的LED組件可以采取自然冷卻，或者另外設置風扇強制散熱。
加工時，首先對鋁質基材的表面運用機械和化學方法進行預處理，以獲得足夠的平整度和表面光潔度。在鋁基材料平面的LED芯片貼裝區域，通過反復多次進行局部等離子體表面處理，利用磁控濺射增強并激活在陽極上發生的反應，通過專用的超高頻大功率脈沖電源在工件加工區施加電壓，使工件表面的金屬與電解質溶液相互作用，在高溫、高頻、強電場等因素的作用下，鋁金屬的工件表面形成強化陶瓷狀薄膜，然后再通過化學陽極氧化方法處理，形成厚度大于10微米的氧化鋁層，進而再利用化學處理的方法使氧化鋁薄膜表面具有一定的膠粘性。這層膠粘性氧化鋁在物理上是絕緣導熱的，具有良好的絕緣性能，絕緣電阻可達100MΩ。
上述膠狀粘性氧化鋁區域可以根據需要在基礎部件上處理成一個或者均勻分布的若干個，從而使鋁基材料成為LED芯片的封裝基礎部件。再將LED裸芯片施以一定壓力，使其直接貼裝在粘性氧化鋁區域中間，然后在100～150℃高溫下烘烤，使芯片與鋁板結合牢固。封裝多顆LED芯片時，可以使其在鋁基材料的同側呈集束狀態排布。這樣，封裝后的LED芯片與鋁基材料之間只有一層氧化鋁絕緣導熱層，非常有利于傳熱散熱。鋁基材料表平面的其它部分可以制作精細的印刷電路，LED芯片通過線徑為25～50微米的金絲與鋁基材料的印刷電路進行電氣連接。
為了降低LED封裝制作成本，也可以根據鋁基材料封裝基礎部件的尺寸大小另外制作一塊專用印刷電路板，在其表面加工出精細的導電線路和接觸電極，并在LED芯片貼裝部位開孔，再用絕緣導熱膠將其貼裝在基礎部件表面上。LED芯片穿孔露出，通過金絲球焊與粘貼在鋁基材料平面上的印刷線路板進行電氣連接。接下來再按照傳統的封裝工藝，完成灌密封膠密封、安裝光學透鏡等全部工序。
經過技術檢測和精確測量，對于傳統的封裝方式，穩定狀態下從芯片到熱沉底座底部的熱阻一般為30℃/W，加上散熱片從芯片到底座的底部熱阻為40℃/W，從芯片到空氣的熱阻為50℃/W；采用本發明將芯片直接貼裝在氧化鋁基板上之后，穩定狀態下從芯片到空氣的熱阻只有20℃/W。可見，本發明與傳統的封裝方式相比較，熱阻大大降低，這對提高芯片的工作性能大有幫助。
下面是本發明的幾種具體實施方式
。
〖實施例一〗如圖2a和圖2b所示，單顆LED芯片15通過膠粘狀態的氧化鋁層14貼裝在鋁板基片17上，鋁板基片17的外邊緣設有兩只安裝孔18。在芯片貼裝區域外圍，鋁板基片17上還設有印刷電路，LED芯片15通過焊接金絲16與其電氣連接。在LED芯片15上方覆有膠封材料11，最外面罩有光學透鏡19。
〖實施例二〗如圖3a和圖3b所示，單顆LED芯片25通過膠粘狀態的氧化鋁層24貼裝在鋁板基片27上，鋁板基片27的外邊緣設有兩只安裝孔28。另有專門的印刷線路板23，其表面設有印刷電路，中間開有容納LED芯片穿過的通孔。印刷線路板23與鋁板基片27之間通過膠粘材料22固定在一起，LED芯片25通過焊接金絲26與印刷線路板23電氣連接，在LED芯片25上方覆有膠封材料21，最外面罩有光學透鏡29。
〖實施例三〗如圖4a和圖4b所示，四顆LED芯片通過膠粘狀態的氧化鋁層貼裝在帶有散熱器的鋁板基片上，其單顆LED芯片的封裝模式與實施例二相同。圖中33為印刷線路板，39為光學透鏡，40為散熱器。
〖實施例四〗如圖5a和圖5b所示，十二顆LED芯片通過膠粘狀態的氧化鋁層貼裝在帶有散熱器的鋁板基片上，其單顆LED芯片的封裝模式與實施例二相同。圖中43為印刷線路板，49為光學透鏡，50為散熱器，51為強制散熱風扇。
權利要求
1.一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源，包括基材、LED芯片、膠封材料、光學透鏡和外連接線路，其特征在于所述基材是金屬鋁基材料，它至少有一個表面為平面結構，該平表面具有一個或多個氧化鋁絕緣導熱層，所述LED芯片貼裝在該氧化鋁絕緣導熱層上。
2.根據權利要求1所述的一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源，其特征在于所述氧化鋁絕緣導熱層的厚度不小于10微米，其絕緣電阻≥100MΩ。
3.根據權利要求1或2所述的一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源，其特征在于控制該LED照明光源的印刷電路設置在金屬鋁基材料上，LED芯片與印刷電路之間進行電氣連接。
4.根據權利要求1或2所述的一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源，其特征在于該LED照明光源還包括另外配置的印刷電路板，其外表面設有導電線路和接觸電極，內表面通過絕緣導熱膠與金屬鋁基材料貼合在一起；該印刷電路板與LED芯片相對應的位置開有通孔，使得LED芯片穿孔露出，并且LED芯片與印刷電路板之間進行電氣連接。
5.根據權利要求1所述的一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源，其特征在于所述金屬鋁基材料，在已貼裝LED芯片的反側設有鋁質散熱器。
6.根據權利要求1或6所述的一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源，其特征在于該LED照明光源還配有起強制散熱作用的風扇。
全文摘要
本發明涉及一種基于金屬鋁基材料的LED照明光源，通過在鋁基材料的平表面形成一個或多個膠狀粘性氧化鋁區域，然后貼裝LED芯片，有效解決了大功率LED用作照明光源的傳熱散熱問題。該LED照明光源的外印刷線路可以在鋁基平表面上制作，也可以制作專用的印刷線路板，再粘貼在鋁基材料上；所使用的金屬鋁基材料可以是鋁質板材，也可以是一側是平面結構、另外一側帶有各種形狀的鋁質散熱器，甚至還可以設置風扇，以增加強制散熱效果。本發明結構簡單、制造方便，產品防靜電性能和散熱效果好，并且LED的數量和位置可以靈活配置，以滿足各種照明需求。
文檔編號H01L25/03GK1893122SQ200510040920
公開日2007年1月10日 申請日期2005年7月7日 優先權日2005年7月7日
發明者王勁, 梁秉文, 劉乃濤, 張佃環, 高澤山 申請人:南京漢德森科技股份有限公司