CN102192411B - 强化散热的led灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种强化散热的LED灯，包括LED灯芯，导热绝缘材料填充在灯头的腔室内，机械性地接触该灯芯与该灯头的一个电极，因而将热能从该灯芯传导至该电极，以及将灯罩黏着在该灯头上，因而将热能从该电极传导至该灯罩。借着该灯罩扩大散热面积，帮助该灯芯散热。

Description

强化散热的LED灯

技术领域

本发明涉及一种电灯，特别是关于一种可直接替换传统钨丝、卤素或省电灯泡的发光二极管(LED)灯。

背景技术

使用直流电LED装置作为灯芯的LED灯，必须使用电源转换器将交流电转换成直流电供应该直流电LED装置，因此会增加LED灯的成本。此外，电源转换器很难完全藏放在传统灯泡的标准灯头内，因此需要另行开发模具制作不同于传统灯泡的机构件，不但更增加成本，也增加LED灯的体积。直流电LED装置在通电时会产生热能，故必须额外设计散热机构处理这些热能。若无法有效散热，高温会造成LED的发光效率降低、寿命减少及波长偏移等不利效果。电源转换器在将交流电转换成直流电的过程中，也会产生热能，特别是其中的电感与集成电路，高温也会损坏此类组件，造成产品无法运作。特别是在高功率的应用上，例如照明用途的灯具，直流电LED装置产生的热能较高，因此散热不足而引起的情况更严重。有些产品采用多颗低功率的炮弹型LED，并且使用简单的桥式整流电路，以便适应小体积的传统灯头。但是低功率的LED亮度普遍过低，市场接受度有限，而且此类产品往往因为散热不佳，光衰现象严重。

近年来，使用交流电的LED装置的技术日渐成熟，亮度也日益提升，已具有商业利用价值。交流电LED装置是将串、并联的多个LED制作在同一个磊芯片上，此磊芯片封装后串联具有某个电阻值的电阻器，可以直接承受市电如110伏特或220伏特等高电压使用，因此省去直流电LED装置所需的电源转换器或整流电路，有效降低成本及减少电路造成的质量问题。虽然交流电LED装置方便应用在小体积的空间内，但是仍有散热的问题必须处理。尤其是在高功率的应用上，例如照明用途的灯具，其产生的热能较高，如果增设散热器，会加大LED灯的体积与成本，如果不帮助交流电LED装置散热，又会造成LED的发光效率降低、寿命减少及波长偏移，甚至烧毁LED磊芯片。

本案申请人曾在我国专利申请案号第098115441号提出一种LED灯，其在灯头内填充导热绝缘材料，以将热能从LED灯芯传导至该灯头，因而以该灯头的电极帮助该LED灯芯散热。本申请案是对该前案的进一步改良。

发明内容

本发明的目的之一，在于提出一种强化LED灯芯散热的LED灯。

根据本发明，一种强化散热的LED灯包括含有至少一个交流电LED装置的灯芯，具有腔室的灯头，导热绝缘材料填充在该腔室内，机械性地接触该灯芯与该灯头的一个电极，以帮助将热能从该灯芯传导至该电极，以及将灯罩黏着在该灯头上，以帮助将热能从该电极传导至该灯罩。该灯罩用来扩大散热面积，进一步提高散热效果。

较佳者，该导热绝缘材料有一部分介于该灯芯与该灯罩之间，帮助将热能从该灯芯传导至该灯罩。较佳者，此部分的导热绝缘材料具有白色的表面以提高出光率。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的示意图；

图2是图1的LED灯的等效电路的示意图；

图3是几种交流电LED磊芯片的示意图；

图4是本发明的第二实施例的示意图；

图5是多磊芯片灯芯的示意图；

图6是本发明的第三实施例的示意图；

图7是本发明的第四实施例的示意图；

图8是本发明的第五实施例的示意图；

图9是本发明的第六实施例的示意图；

图10是本发明的第七实施例的示意图；

图11是本发明的第八实施例的示意图；

图12是将交流电LED磊芯片和芯片电阻器包装在同一封装内的结构；

图13是图12的组件的等效电路的示意图；以及

图14是使用图12的组件的实施例的示意图。

具体实施例

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细描述。

图1是本发明的第一实施例的示意图。为了凸显本发明的特点，此实施例使用小灯泡用的标准灯头10，其具有电极12和14供连接交流电源。如本技术领域的技术人员所熟悉的，电极12是具有螺旋纹外形16的金属壳，其内有腔室18。此实施例使用一颗交流电LED装置20作为灯芯，该灯芯是将交流电LED磊芯片22固定在支架24上，并于其上覆盖封胶26。LED的封装为现有技术，为了简化图式，此处未绘出交流电LED装置20的详细封装构造。电阻器30的一端焊接至电极14，另一端以导线32焊接至LED装置20，导线34的两端分别焊接至电极12及交流电LED装置20。此LED灯的等效电路如图2所示，交流电LED磊芯片22和电阻器30是串联在电极12和14之间。如本技术领域的技术人员所熟悉的，所谓交流电LED磊芯片，含有两个相反的方向配置的LED并联在两支接脚之间，每一该方向上具有至少一个LED，该两个相反的方向配置的LED分别在交流电源的正、负半周期被点亮。电阻器30的电阻值R的大小是根据设计需求的电流值而选择的。电阻器30也具有保护交流电LED磊芯片22的功能，在连接至电极12和14的交流电源发生突波时，电阻器30会吸收大部分的突波电压。回到图1，本发明的特点之一，是在腔室18中填充导热绝缘材料36，其位于该灯芯下方的第一部分机械性地接触支架24和电极12，提供第一热通道将交流电LED磊芯片22因为通电发光产生的热能传导至电极12进行散热。如本技术领域的技术人员所熟悉的，支架24通常含有帮助交流电LED磊芯片22散热的金属片，因此，支架24贴在导热绝缘材料36上，会有良好的热导效果。除了帮助交流电LED磊芯片22散热，导热绝缘材料36也帮助电阻器30散热，因为电阻器30埋在导热绝缘材料36中。如图1右侧的局部放大图所示，导热绝缘材料36的第二部分78将灯罩40黏着在灯头10上，因而提供第二热通道将热能从灯头10传导至灯罩40，导热绝缘材料36的第三部分80介于灯芯与灯罩40之间，因而提供第三热通道将热能从灯芯传导至灯罩40。因为灯罩40扩大了散热面积，所以可以提供更好的散热效果。较佳者，导热绝缘材料36的第三部分80具有白色的表面82，以减少光的吸收及增加光的反射，因此提高LED灯的出光率。

导热绝缘材料36可以选用环氧树酯，或者导热粉末，例如氧化铝、氮化铝、氮化硼或其它导热材料，或者二者的混合物。要形成白色的表面82，可以在导热绝缘材料36的第三部分80上涂布白色颜料，或将钛白粉掺入导热绝缘材料36中。

传统灯泡使用的是标准灯头，例如E12、E14、E17、E26及E27是传统钨丝灯泡的灯头，MR16及GU10是传统卤素灯泡的灯头。

如图1所示，此LED灯的大小约与灯头10相同，又具有良好的散热能力，可以达成现有技术做不到的高功率应用。在传统卤素灯泡的灯头中，一个电极是柱状金属壳，被绝缘物与另一个电极分隔开。某些标准灯头则是使用两根彼此绝缘的针状电极。不论是传统钨丝灯泡、传统卤素灯泡的灯头或其它标准灯头，都有腔室可以填充导热绝缘材料，因此至少有一个电极可以用来帮助LED灯的灯芯散热。因为灯头的电极是向外曝露的，所以可以提供不错的散热效果。

可以选用内含较多LED数量的交流电LED磊芯片22来提高LED灯的亮度。图3是几种交流电LED磊芯片22的示意图，第一种是在两支接脚之间并联两串方向相反的LED，每一串包含两个以上的LED；第二种是在两支接脚之间串联两对以上的LED对，每一对LED对含有两个方向相反的LED并联在一起；第三种是五个以上的LED配置成桥式结构。这些都已经有商品化的产品可以选用。

灯罩40作为保护盖，防止水气、灰尘或外力施加在LED灯的内部组件上。灯罩40也有光学组件的功能，可透过雾化、几何形状设计等方式产生各种所需的光学效果。灯罩40的雾状结构可以利用喷砂、蚀刻、静电粉体涂装、涂布硅胶、喷漆或射出成型方式制作。

图4是本发明的第二实施例的示意图。此实施例的灯芯包含电路板28及其上的交流电LED装置20，交流电LED装置20含有至少一个交流电LED磊芯片22。串联电阻器38改为安装在电路板28上，并以导线34及32将电路板28连接在电极12和14之间。电路板28可以选用强化玻璃纤维(FR4)或金属基板(IMS)的组件；交流电LED装置20和串联电阻器38可以选用表面安装型组件(SMD)，使用表面黏着技术(SMT)安装在电路板28上。因为电阻器38是焊接在电路板28上，因此可以使用可变电阻器增加应用的弹性，例如方便调整通过交流电LED装置20的电流值。导热绝缘材料36的量填充至其覆盖到电路板28上，因此导热绝缘材料36的第三部分80在电路板28的上方，如右侧的局部放大图所示。其它特征和图1的实施例相同。

如果要提高LED灯的亮度，可以使用更多交流电LED装置20串联、并联或串并联。例如图5所示的多磊芯片灯芯，是在电路板28的焊垫52及54之间并联三排交流电LED装置20，每一排含有三个交流电LED装置20。如果每一个交流电LED装置20的功率为1瓦的话，则此灯芯可以达到9瓦。

图1、图4及图5的灯芯是将交流电LED装置20贴在电路板28上，也可以改为在电路板28上封装交流电磊芯片22，其是将交流电磊芯片22的裸晶直接贴在电路板28上，打线后再覆盖封胶26。

图6是本发明的第三实施例的示意图，交流电LED装置20焊接在导热件50的盘面上，导热件50的另一端埋入导热绝缘材料36中，利用其埋入导热绝缘材料36中的深浅来调整交流电LED装置20的高度。其它特征和图1的实施例相同。

图7是本发明的第四实施例的示意图，使用具有穿孔60的电路板28，导热件50的一端在电路板28的上方，另一端经过穿孔60埋入导热绝缘材料36中，交流电LED装置20焊接在导热件50露出的一端上。交流电LED装置20的接脚66焊接至电路板28，电路板28的贯孔64中有焊锡70焊接至电极12。电阻器30焊接在电极14及电路板28之间，因此电阻器30与交流电LED装置20串联在电极12和14之间。电路板28可以选用强化玻璃纤维或金属基板的组件。较佳者，电路板28也机械性地接触导热绝缘材料36。在不同的实施例中，也可以将电阻器30改为焊接在电路板28上的电阻器，或在电路板28上增加电阻器与电阻器30串联。较佳者，电路板28的上表面涂布白色颜料，以提高LED灯的出光率。其它特征和图4的实施例相同。

图8是本发明的第五实施例的示意图，使用具有穿孔60的电路板28，其上焊接交流电LED装置20，导热绝缘材料36的第一部分经穿孔60机械性地接触交流电LED装置20的底部，导热绝缘材料36的第三部分80覆盖在电路板28上，较佳者，其尽量盖满电路板28的表面，除了交流电LED装置20以外。导热绝缘材料36的第三部分80具有白色的表面以提高出光率。其它特征和图7的实施例相同。

图8的LED灯改用半罩式灯罩40，如图9所示，灯罩40的内表面可以镀膜或涂布反光材料而形成反光面86。其它特征和图8的实施例相同。

图10的实施例使用具有金属基板的电路板28。这种电路板28具有铝层、铜层及导热层介于二者之间，散热能力高于强化玻璃纤维基板。交流电LED装置20以COB封装结构焊接在电路板28上，焊锡70将电路板28焊接至电极12，电阻器30焊接在电极14及电路板28之间，因此电阻器30与交流电LED装置20串联在电极12和14之间。在不同的实施例中，也可以将电阻器30改为焊接在电路板28上的电阻器，或在电路板28上增加电阻器与电阻器30串联。电路板28有穿孔84供填充导热绝缘材料36到腔室18中。其它特征和图8的实施例相同。

如图11所示，除了电阻器30以外，可以增加一个安装在电路板28上的电阻器38串联在电阻器30及交流电LED装置20之间。电阻器38可以采用可变电阻器，根据需求调整其电阻值。其它特征和图4的实施例相同。

图12是将交流电LED磊芯片22和芯片电阻器90包装在同一封装内的结构，交流电LED磊芯片22和两个芯片电阻器90贴在垫片88上，接合线92连接交流电LED磊芯片22和芯片电阻器90，接合线94连接接脚66和芯片电阻器90，封胶26包覆所有的电路结构，其等效电路如图13所示。图14的实施例是将图12的组件焊接在电极12和14之间形成回路，其它特征和图1的实施例相同。

在上述各实施例中，一般而言，通过导热绝缘材料36的第二部分78和第三部分80建立的散热机制，可帮助交流电LED装置20的工作温度再降低1至5℃。

根据实际的应用，采用的交流电LED装置20，其功率介于0.3至5W之间，较佳者为1至3W，选择50至50000奥姆的电阻器30或38。交流电LED装置20的使用电压介于12至240伏特之间，如果使用单一交流电LED装置20的话，则其使用电压依据交流电源选择为110伏特或220伏特者；如果串联多个交流电LED装置20的话，则其使用的电压可以选用较低者，例如12伏特。

除了上述各实施例展示的各种封装结构，其它不同型态或封装的组件也可适用本发明。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种强化散热的LED灯，其特征在于，包括：灯芯，含有至少一个功率介于0.3至5W之间的交流电LED装置；具有第一及第二电极的灯头，其具有腔室，该第一电极具有螺旋纹、柱状或针状外形；电阻值介于50至50000奥姆之间的电阻器与该灯芯串联在该第一及第二电极之间；导热系数介于0.25至30W/mK之间的导热绝缘材料填充在该腔室中；以及灯罩；其中，该导热绝缘材料具有第一部分机械性地接触该灯芯及该第一电极，因而提供第一热通道帮助该灯芯散热至该第一电极，第二部分将该灯罩黏着在该灯头上，因而提供第二热通道将热能从该第一电极传导至该灯罩，以及第三部分介于该灯芯与该灯罩之间，因而提供第三热通道将热能从该灯芯传导至该灯罩。

2.如权利要求1所述的强化散热的LED灯，其特征在于，该导热绝缘材料的第一部分直接接触该交流电LED装置的底部。

3.如权利要求1所述的强化散热的LED灯，其特征在于，该灯芯包括电路板承载该至少一个交流电LED装置，且机械性地接触该导热绝缘材料的第一部分。

4.如权利要求3所述的强化散热的LED灯，其特征在于，该电路板的一部分上表面涂布有白色颜料。

5.如权利要求3所述的强化散热的LED灯，其特征在于，该导热绝缘材料的第三部分覆盖在该电路板上，且机械性地接触该灯罩，因而提供所述第三热通道将热能从该灯芯传导至该灯罩。

6.如权利要求1所述的强化散热的LED灯，其特征在于，该电阻器和该交流电LED装置的交流电LED磊芯片包装在同一封装内。

7.如权利要求1所述的强化散热的LED灯，其特征在于，该导热绝缘材料包括环氧树酯，或导热粉末，或其混合物。

8.如权利要求1或5所述的强化散热的LED灯，其特征在于，该导热绝缘材料的第三部分具有白色的表面。

9.如权利要求8所述的强化散热的LED灯，其特征在于，该导热绝缘材料包括钛白粉。