CN101436637B - 一种高效散热发光的大功率led封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高效散热发光的大功率LED封装结构，包括透镜、基板与LED发光芯片，透镜固定于基板上表面，透镜下表面设有向上凸起的安装凹陷，LED发光芯片置于基板上表面并被安装凹陷扣盖，在安装凹陷所扣盖的基板上表面设有正、负发光电极，发光电极与LED发光芯片通过金属线连接，基板上表面设有与发光电极相连的正、负连接电极，在安装凹陷外侧的透镜下表面与基板上表面之间通过环形的胶粘层相粘结，在胶粘层的内孔与安装凹陷所形成的腔体内注满硅胶，在基板上开设有向胶粘层的内孔与安装凹陷所形成的腔体内连通的灌胶通道，且透镜与基板均由水晶晶体制成。本发明具有高光通量、高导出热源与结构简单实用等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED封装结构，尤其是一种高效散热发光的大功率LED封装结构。
背景技术
LED即发光二极管，是二极管的一种，特性是电流正向导通的时候发出不同颜色的光来。大功率LED又是LED的一种，相对于小功率LED来说，大功率LED单颗功率更高，亮度更亮，价格更高。小功率LED额定电流都是20mA，额定电流高过20mA的基本上都可以算作大功率。一般功率数有：0.25w、0.5w、1w、3w、5w、8w、10w等等。主要亮度单位为lm(流明)，小功率的亮度单位一般为mcd。此两单位无法换算。目前做为一个新兴的绿色、环保、节能光源被广泛应用于汽车灯、手电筒、灯具等场所。
其中LED封装材料对大功率LED的散热和出光的影响是目前大功率LED研究的瓶颈是如何提高散热和出光以及封装互连材料在提高大功率LED散热.和出光方面所具有的重要影响。
散热对于大功率LED器件来说是关键。如果不能将电流产生的热量及时的散出，保持PN结的结温在可以接受的范围内，将无法获得稳定的光输出和器件的正常使用寿命，同时会加速LED内的硅胶等材料的老化现象，大功率LED的使用寿命，可达到100000小时。2000年以有研究指出，白光LED工作6000h后，其光强以降至原来的一半。不同光色的LED光衰减速度也是不一样的，其中红色最慢，蓝色，绿色居中，白色最快。以5MM的封装的LED来说，其封装热阻高达300度/W。不能充分的散热，致使LED的芯片的温度升高，造成器件光衰减加快。因外，环氧树脂老化，黄化也将使光输出降低。大功率LED在大电流下产生比原有的LED大10-20倍的光通量，因此必须通过有效的散热材料和采用不劣化的封装材料来解决光衰的问题。才有可能将这一绿色光源应用的更多更广的范围。
有关LED的专利很多，例如在200410027821.0中提到了使用光学玻璃作为透镜，同样还有200720192535.9中提到的水晶玻璃镜，光学玻璃在同时以上所述的光学玻璃与水晶玻璃镜，内部多含有二氧化硅，但其本质还是玻璃的范畴，由其水晶玻璃在我国的浙江省浦江县有这大规模的生产所谓水晶片、水晶灯、水晶杯、水晶茶具、水晶象棋等等基本上都是高铅玻璃制品，也不是什么“人造水晶”水晶是一种天然的透明的石英矿物晶体；人造水晶是一种高纯的(SiO2)在高压釜内装入掺有矿化剂的水溶液。将压碎的天然石英置于容器的底部。石英溶解。并进行对流。晶体形成于高压釜上部的仔晶上.也叫水热生长法。反而玻璃呢，则是一种人工制造的非晶质体。即使是石英玻璃和水晶二者化学成分都是二氧化硅，又都是透明体，然而从二者的内部结构看却有着本质上不同，近代应用X射线分析的方法，具体揭示了大量晶体的内部结构。现已证明，一切晶体不论其外形如何，它的内部质点(原子、离子和分子)都是作规律排列的，这种规律主要表现为质点的周期重复，从而构成了所谓格子状构造。因此，按照现代的概念，物质中凡是质点做规律排列，即具有格子构造者称为结晶质。结晶质在空间的有限部分即为晶体。由此，我们可以对晶体下定义为：晶体是具有格子构造的固体。
水晶是具有格子构造的固体，所以称它为晶体。而石英玻璃状似固体，但其内部质点不作规律排列，即不具格子构造，所以称它为非晶质或非晶质体。具体地说，在水晶晶体中每个硅原子周围的氧原子的排列是一样的，这种规律叫做近程规律；不但如此，在水晶晶体中硅和氧的这种排列方式在空间作有规律的重复而形成格子构造，这种规律称为远程规律。但在石英玻璃的结构中只有近程规律，则没有远程规律，也就不能形成格子构造，而称为非晶质体。
由于水晶与石英玻璃二者的内部结构不同，因此它们的物理性质也不同。详见下表：
| 名称 | 偏光性 | 折光率 | 硬度 | 密度 | 导热率 |
| 人造水晶晶体 | 非均质体 | 1.544-1.533 | 7 | 2.65g/cm3 | 140-264 |
| 石英玻璃 | 非晶质体 | 1.460 | 6.5 | 2.20g/cm3 | 33 |
| 光学玻璃K9 | 非晶质体 | 1.516 | 5.2 | 2.0g/cm3 | 7-20 |
| 高铅玻璃 | 非晶质体 | 1.46-1.7 | 4.65 | 2.1g/cm3 | 10-22 |
由此可见，这些材料的本质是不同的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种具有高光通量、高导出热源、结构简单实用的高效散热发光的大功率LED封装结构。
按照本发明提供的技术方案，所述高效散热发光的大功率LED封装结构，包括透镜、基板与LED发光芯片，透镜固定于基板上表面，透镜下表面设有向上凸起的安装凹陷，LED发光芯片置于基板上表面并被安装凹陷扣盖，在安装凹陷所扣盖的基板上表面设有正、负发光电极，发光电极与LED发光芯片通过金属线连接，基板上表面设有与发光电极相连的正、负连接电极，在安装凹陷外侧的透镜下表面与基板上表面之间通过环形的胶粘层相粘结，在胶粘层的内孔与安装凹陷所形成的腔体内注满硅胶，在基板上开设有向胶粘层的内孔与安装凹陷所形成的腔体内连通的灌胶通道，且透镜与基板均由水晶晶体制成。
在基板下表面开设有散热沟渠。在基板上表面设有振荡电极。在基板放置LED发光芯片处开设有多个穿透基板上下表面的散热孔。基板至少有一端露于透镜外部。
透镜与基板均为平板状。
透镜与基板均为半球形，在基板上表面开设贯穿其本体的两条沟渠，在LED发光芯片一侧的沟渠形成灌胶通道，LED发光芯片另一侧的沟渠形成便于支脚状连接电极插入的通道。
透镜为半球形，基板为平板状。透镜与基板由无色水晶或者有色水晶构成。
本发明本发明主体由作为透镜与作为基板的二块高透明的水晶(SiO2)板粘合而制成，基板与透镜因其材料的特性都具有很高的导热性能同时又具有高透光性能，也可根据不同的需要：利用其水晶具有的震荡功能，在基板上通过振荡电极给一个电压使其在透镜与基板间产生一个的震荡效果，或者，也可以只给振荡电极一个特定的电压使基板定向震荡，使基板与其相连接的外部散热部件加快散热。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图所示：本发明主要由透镜1、基板2、LED发光芯片3、安装凹陷4、发光电极5、连接电极6、胶粘层7、硅胶8、灌胶通道9、散热沟渠10、振荡电极11与散热孔12等构成。
本发明的高效散热发光的大功率LED封装结构，包括透镜1、基板2与LED发光芯片3，透镜1固定于基板2上表面，透镜1下表面设有向上凸起的安装凹陷4，LED发光芯片3置于基板2上表面并被安装凹陷4扣盖，在安装凹陷4所扣盖的基板2上表面设有正、负发光电极5，发光电极5与LED发光芯片3通过金属线连接，基板2上表面设有与发光电极5相连的正、负连接电极6，在安装凹陷4外侧的透镜1下表面与基板2上表面之间通过环形的胶粘层7相粘结，在胶粘层7的内孔与安装凹陷4所形成的腔体内注满硅胶8，在基板2上开设有向胶粘层7的内孔与安装凹陷4所形成的腔体内连通的灌胶通道9，且透镜1与基板2均由水晶晶体制成。
在基板2下表面开设有散热沟渠10。在基板2上表面设有振荡电极11。在基板2放置LED发光芯片3处开设有多个穿透基板2上下表面的散热孔12。基板2至少有一端露于透镜1外部。
透镜1与基板2均为平板状。
透镜1为半球形，基板2为平板状。透镜1与基板2由无色水晶或者有色水晶构成。
按照本发明提供的技术方案，所述可提高亮度的大功率LED封装结构的配件，包括透镜1、基板2的材料本体都由水晶或石英制成，排除以上材料以外的材料。
本发明利用这一震荡特性使这一封装结构有了更好的散热。
为了使基板2快速散发热源并与后面的金属基板间加速交换热源，水晶基板2与金属基板相连接的那个面，可以通过各种方式制备出散热沟渠10，用于扩大基板2的散热面积，同时在水晶基板2与金属基板间产生空间，加速了热源的散发。也可以在水晶基板2与金属基板间放置有导热的胶类，同样可以起到加速导热的作用。
根据不同的散热沟渠10，通过振荡电极11施加不同的电压使基板产生震荡，加大了水晶基板2与金属基板间的空隙，产生更好的散热效果。
透镜1的本体的外形是根据需要可以是任意的外形，在定向发光的大功率LED封装：其中优选的是一个长方形，透镜1下表面设有向上凸起的安装凹陷4，LED发光芯片3封装在这一安装凹陷4的空间中.同时这一安装凹陷4的腔体也用于灌注硅胶8完成封装。
基板2的本体的外形是一平板的外形，其二端大于透镜，并二端外露，在这二端制备正负连接电极6，在基板2的径向制备有一条封装完成后通过腔体的灌胶通道9，并利用这一灌胶通道9向腔体内灌注硅胶8封闭腔体，在基板2本体放置LED发光芯片3处有多个纵向空洞，形成散热孔12，可以通过在基板1本体的上下二个面涂布银胶，并同时利用这多个洞穿基板的二面的散热孔12中的残存银胶将上下二面的银胶相连加速了导出热源，在基板2的本体上方设有发光电极5，因现有科技在晶体上根据不同的使用目地排布发光电极5是比较成熟的技术，在这不作详细的说明。将LED发光芯片3固定在基板2制备有电气线路的一面上，通过金属线将LED发光芯片3与基板2上的正负发光电极5相连，盖上透镜1并用胶粘层7(环氧胶层)将透镜1与基板2相粘合，等到环氧胶固化后，通过灌胶通道9的一端向腔体内注入硅胶8，排出空气，完成封装。
根据以上所述的封装方式也可采用将基板制成一内凹，形成一个汇聚反射的面，并将LED发光芯片3固定在内凹腔体底，应用以上所述材料与方式封装，同时可根据这种方案将透镜1与基板2同时作成内凹形，这种组合在这不一一作出描述。
同时在本发明中根据不同的使用目的，可以在透镜1的本体与基板2相连接处径向，制备一组或多组沟渠孔洞用于插入金属支脚，并利用这一支脚去适用更多的安装方式。
根据以上所述的封装方式，根据对散热要求的不同，可以在基板1外露的二端制备一组与本体相连的连接电极6，通过给予基板2上与本体相连的振荡电极11不同的电压使其基板2产生一个焊线所能接受的震荡，使水晶基板2下方与金属基板间产生空气的对流，同时水晶基板2的本体与金属基板相连的那个面因为有散热沟渠10作用，加速了空气的流动性，通过空气将热能尽快散发。
本发明中所提到大功率封装水晶晶体材质，本体具有很高的透光率，同时具有很高的导热散热率，通过利用这些材料本体的特性，根据不同的使用目的可以将起到作为基板2作用的本体制成外形是个半球的外形，同时在基板2的本体平面处设有正、负极发光电极5，并在其上表面上制备平行的并与正负电极相连的沟渠，每条沟渠都惯穿基板2平面的二端，沟渠分布与LED发光芯片3的二侧。
透镜1的外观是一个外径与基板2相同的半球，同样是由水晶晶体制成，并在透镜1内部有一个安装凹陷4用于放置LED发光芯片3，灌注硅胶8封闭腔体，同时这一安装凹陷4还有另一作用，用于限位发光电极5，防止发光电极5移位。连接电极6由金属材料制成，连接电极6插入腔体内的一端是根据透镜1安装凹陷4来设定连接电极6的长度，连接电极6在插入安装凹陷4的部分是一个大于沟渠的横(结)面，使其插入安装凹陷4的部分不会移动，同时连接电极6插入安装凹陷4内部分与基板2上的所对应的正负极发光电极5相连。安装时，先将LED发光芯片3固定在制备有发光电极5的基板2上，通过金属线将LED发光芯片3与相应的正负极发光电极5相连，在将一组发光电极5与相对应的正负极连接电极6相连，连接电极6通过基板2上方的沟渠插入基板2与透镜1组成的安装凹陷4内，支脚状连接电极6一端外露。
透镜1在与外部电源外接处引出二根正负极电源支脚导线，使大功率LED形成一个可以向周围360度的全方向发光的大功率LED，根据这个封装目地作为灯珠使用。
依据以上所述的封装结构也可以根据不同的要求在灌注硅胶8后，同时在LED发光芯片3的透镜1上方加一外部下压重力，通过缓慢的压力将封装LED内部的硅胶8通过在上述的透镜1或基板2间的散热孔12，排出部分硅胶8，直至硅胶8固化，减少内部的存在的硅胶8可以起到提高光通量，加速导热的作用，在白光的封装中可以起到减少荧光胶的不均匀性，减少外部光晕的效果。
同时本发明中提到的透镜1、基板2材料也可以在生产过程中加入荧光类物质，使透镜1本体具有荧光特性从而可以在其封装LED白光的过程中不用在LED发光芯片3的本体上方在加涂荧光粉胶，这样可以减少封装工艺，同时也可以解决大功率LED的黄斑问题。同理根据需要达到不同的光色或色温的要求在人工养晶的过程中加入的别的材料，可以得到有不同颜色的透镜1或基板2，在利用不同的透镜1或基板2间的组合以达到不同的光色与色温的LED的目的。
如图所示：本发明主要由形成起到导光与导热作用的透镜，以及一个起到粘连芯片，并使芯片与外部电源相连通电的基板，同时基板也可以本体有一电极使其震荡散热，并根据不同的使用要求采用不同的封装结构并有一组支脚插入LED的封装内部，并与内部的正负电极相连。
实施例1
透镜1为一个长3～10mm、宽2～9mm、厚1～5mm的长方体板体。在水晶晶体透镜1，透镜1的本体的中心部位有一个安装凹陷4，安装凹陷4的外径以不大于透镜1的本体为标准，这个安装凹陷4是用于放置LED发光芯片3，并在封装过程中应用于注入硅胶8的腔体。
基板2是一个3～14mm、宽2～9mm、厚1～10mm的板体，在水晶晶体基板2的本体上有根据不同的需要基板2形成不同的正、负发光电极5，其中的正、负发光电极5是与LED发光芯片3连接的电极，在水晶晶体基板1本体有与外部电源相连的正、负连接电极6，并通过蚀刻的工艺将电气线路相连，一个LED发光芯片用高导热率的银胶类的胶类，固定在基板中心位置，这个基板1的放置芯片处的周边有多个洞穿基板本体的纵向孔，形成散热孔12，使LED发光芯片3发出的热源加速向下传导。同时通过在基板1本体的上下二个面涂布银胶，并利用这多个洞穿基板的二面的散热孔12将上下二面的银胶相连加速了导出热源。在水晶基板1的径向有一个惯穿透镜本体的灌胶通道9，这一个灌胶通道9起到灌注硅胶的目的。在水晶基板2的本体底部制备有纵横交错的散热沟渠10，以达到加大散热面积，加速导出热源的目的。
将LED发光芯片3固定在基板1有电路的面，用金属线将LED与基板上的发光电极5连接，在LED发光芯片3上方涂布荧光胶，将透镜1用胶粘层7(环氧胶层)与基板2粘连，等透镜1与基板2间的胶粘层7固化后，在基板2上的灌胶通道9的一端注入硅胶8，同时通过注入的硅胶8将安装凹陷4内的空气通过另一端排出安装凹陷4，得到一个完整的LED，同时基板2的长度大于透镜1使基板的二侧外露，并在外露的地侧各有一个正、负连接电板6，便于与外部的电源相连。
作为优选，在基板1的一端设有一个可以与外部相连的振荡电极11，该振荡电极11电极端电源电压为2～10V，其标准频率为1～360MHz，其牵引度从±1ppm～±150ppm不等，其作用是使其基板2产生震荡的效果，加速基板2与空气的热交换。同时增加光子量加大光强，并同时在封装硅胶8时在透镜1的上方给一个0.1～3KG的压力，将安装凹陷4内硅胶8通过挤压的方式在注入硅胶8的灌胶通道9中排出部分硅胶，并使其压力一直保持到安装凹陷4内的硅胶8固化，因硅胶8的本体有折射光线其吸收光线的特性，所以通过这一方式减少了安装凹陷4内硅胶8数量从而提高了出光效率。
实施例2
透镜1与基板2均为半球形，在基板2上表面开设贯穿其本体的两条沟渠，在LED发光芯片3一侧的沟渠形成灌胶通道9，LED发光芯片3另一侧的沟渠形成便于支脚状连接电极6插入的通道。
根据以上的封装方案水晶晶体基板与水晶晶体透镜1的外形可以是一个半球，作为基板2使用的半球的平面上有发光电极5。在发光电极5与外部电源相连处根据连接电极6各有一条内凹的沟渠，作为与外部电源相连接支脚的插入孔，且这一组的沟渠是一条平行于LED发光芯片3两侧，的水晶晶体透镜的外观是一个半球，并在这一半球的平面有一个安装凹陷4，形成一个用于放置LED发光芯片3的腔体，并在透镜1的安装凹陷4内有二个与其内孔连通的灌胶通道9。将LED发光芯片3与基板2的电路相连通，在将支脚状连接电极6插进与其相对应接插孔，形成一组与外部电源连接的接入线，同时又形了二个正、负极支脚状连接电极6。同时透镜1与基板2用胶粘层7粘连后，在基板2的安装凹陷4内通过灌胶通道9一端注入硅胶8，在与其相对应的另一端排出安装凹陷4内的空气，形成一个完整的大功率LED的结构，并这一结构的散发热源不需要与外部金属散热源相连。
Claims (9)
1.一种高效散热发光的大功率LED封装结构，包括透镜(1)、基板(2)与LED发光芯片(3)，透镜(1)固定于基板(2)上表面，其特征是：透镜(1)下表面设有向上凸起的安装凹陷(4)，LED发光芯片(3)置于基板(2)上表面并被安装凹陷(4)扣盖，在安装凹陷(4)所扣盖的基板(2)上表面设有正、负发光电极(5)，发光电极(5)与LED发光芯片(3)通过金属线连接，基板(2)上表面设有与发光电极(5)相连的正、负连接电极(6)，在安装凹陷(4)外侧的透镜(1)下表面与基板(2)上表面之间通过环形的胶粘层(7)相粘结，在胶粘层(7)的内孔与安装凹陷(4)所形成的腔体内注满硅胶(8)，在基板(2)上开设有向胶粘层(7)的内孔与安装凹陷(4)所形成的腔体内连通的灌胶通道(9)，且透镜(1)与基板(2)均由水晶晶体制成。
2.如权利要求1所述的高效散热发光的大功率LED封装结构，其特征是：在基板(2)下表面开设有散热沟渠(10)。
3.如权利要求1或2所述的高效散热发光的大功率LED封装结构，其特征是：在基板(2)上表面设有振荡电极(11)。
4.如权利要求1所述的高效散热发光的大功率LED封装结构，其特征是：在基板(2)放置LED发光芯片(3)处开设有多个穿透基板(2)上下表面的散热孔(12)。
5.如权利要求1所述的高效散热发光的大功率LED封装结构，其特征是：基板(2)至少有一端露于透镜(1)外部。
6.如权利要求1所述的高效散热发光的大功率LED封装结构，其特征是：透镜(1)与基板(2)均为平板状。
7.如权利要求1所述的高效散热发光的大功率LED封装结构，其特征是：透镜(1)与基板(2)均为半球形，在基板(2)上表面开设贯穿其本体的两条沟渠，在LED发光芯片(3)一侧的沟渠形成灌胶通道(9)，LED发光芯片(3)另一侧的沟渠形成便于支脚状连接电极(6)插入的通道。
8.如权利要求1所述的高效散热发光的大功率LED封装结构，其特征是：透镜(1)为半球形，基板(2)为平板状。
9.如权利要求1所述的高效散热发光的大功率LED封装结构，其特征是：透镜(1)与基板(2)由无色水晶或者有色水晶构成。
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