CN102593317B - 一种高功率高亮度led光源封装结构及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率高亮度LED光源封装结构及其封装方法。本发明的封装结构，包括散热板、线路板和LED模块；所述的LED模块是对LED芯片进行接触式散热处理、降低热应力处理以及绝缘处理后制成的LED模块；LED模块焊接在散热板上；线路板焊接或粘结在散热板上，使其分布在LED模块周围并于LED芯片进行电连接。本发明通过对LED光源封装结构的优化设计，能够解决现有技术中LED封装结构散热效率不高，稳定性差的问题，并且能够改善LED芯片同热沉热膨胀系数不匹配的问题，具有稳定性高、存储寿命长、价格低廉等优点。

Description

一种高功率高亮度LED光源封装结构及其封装方法

技术领域

本发明属于LED光源技术领域，涉及LED光源封装，尤其是一种高功率高亮度LED光源封装结构及其封装方法。

背景技术

投影显示系统通常使用的光源为超高压水银灯(UHP)、金属卤化物灯、氙灯及卤素灯。多年来人类一直在寻找和开发固体发光光源，随着发光材料的开发和半导体制作工艺的改进，半导体照明用发光二极管效率不断提高。目前，超高压水银灯是投影装置的主流光源。发光二极管(简称LED)是一类直接将电能转化为光能的半导体器件。LED具有工作电压低、耗电量小、发光效率高、响应时间短、耐震动、稳定性高、体积小等一系列优点，广泛应用于指示灯、LCD背光、LED显示屏、装饰以及固态照明等各个领域。近年来，随着半导体发光材料的发展，LED在各种照明领域中越来越受到世人的瞩目，目前人们正努力研究用LED作为新型投影光源。相比高压水银灯光源，LED具有以下优点：

(1)效率高，近年来，LED的发光效率每年约以20lm/W的速度提升，现已达到100lm/W以上，而且由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以其可见光的转换效率远高于其它光源。白炽灯是最常用的照明光源，其可见光效率仅为10％～20％。

(2)色纯度高，UHP发出的光是全频段波长连续的光，而LED发出的光是单波峰的光，波峰半高宽只有几十纳米，色彩远比UHP更为鲜艳。

(3)能耗小，LED的功率一般在0.05～1W，通过集群方式可以满足不同的需要，浪费很少，而UHP灯的耗能是LED的30倍左右。

(4)寿命长，LED寿命可以达到100000h，而UHP灯的寿命只有2000h左右。

(5)响应时间短，LED的响应时间为纳秒级，在显示上可采用LEDRGB三基色组合取代白光光源，通过时序电路驱动LED发光，投影系统中的色轮及其相关机械装置可以被取消，投影机可实现小型化、轻量化。

(6)绿色环保，LED光谱集中在可见光波段，光谱几乎没有紫外线和红外线，热量、辐射很少，器件中不含有害物质。此外，LED还具有驱动容易、颜色再现范围大等优点。

目前国际上商业化的LED光源，多采用将LED芯片直接粘接在PCB电路板上或者将芯片封装在陶瓷上，然后再焊接或粘贴在PCB电路板上。以上两种封装形式都有以下缺点：

(1)散热性差，以上两种封装形式都使用PCB线路板，从而使散热效率低。

(2)结构复杂，需要多层结构，造成工艺复杂，增加成本。

(3)热膨胀系数不匹配，直接焊接在PCB电路板上的方式，芯片同热沉的热沉与LED芯片热膨胀系数不匹配，影响LED性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高功率高亮度LED光源封装方法及封装结构，本发明通过对LED光源封装结构的优化设计，能够解决现有技术中LED封装结构散热效率不高，稳定性差的问题，并且能够改善LED芯片同热沉热膨胀系数不匹配的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种高功率高亮度LED光源封装方法，包括：

(1)对LED芯片进行接触式散热处理、对LED芯片进行降低热应力处理、对LED芯片进行绝缘处理三个处理环节后制成LED模块；

(2)将LED模块焊接在散热板上；

(3)将线路板焊接或粘结在散热板上，使其分布在LED模块周围并于LED芯片进行电连接。

上述步骤(1)可以具体按照以下步骤执行：在LED芯片底面设置应力缓释层对LED芯片进行降低热应力处理，再设置绝缘层对LED芯片进行绝缘处理，然后采用散热基座对LED芯片进行接触式散热处理后制成LED模块。

上述步骤(1)可以具体按照以下步骤执行：在LED芯片底面设置应力缓释层对LED芯片进行降低热应力处理；然后采用散热基座对LED芯片进行接触式散热处理；然后设置绝缘层对LED芯片进行绝缘处理后制成LED模块。

上述步骤(1)可以具体按照以下步骤执行：在LED芯片底面同时对LED芯片进行降低热应力处理和绝缘处理(比如，采用同一介质应力缓释-绝缘层同时实现降低热应力处理和绝缘处理功能)；然后采用散热基座对LED芯片进行接触式散热处理后制成LED模块。

上述步骤(1)可以具体按照以下步骤执行：在LED芯片底面同时对LED芯片进行降低热应力处理和散热处理(比如，采用同一介质应力缓释-散热层同时实现降低热应力处理和散热处理功能或者在散热基座上设置突起或者凹槽来同时实现降低热应力处理和散热处理)；然后设置绝缘层对LED芯片进行绝缘处理制成LED模块。

上述步骤(1)可以具体按照以下步骤执行：

在LED芯片底面同时对LED芯片进行降低热应力处理、散热处理和绝缘处理制成LED模块(比如，采用同一介质应力缓释-散热绝缘层同时实现降低热应力处理和散热处理和绝缘处理功能；或者在具有散热绝缘功能的材料上设置突起或者凹槽来同时实现降低热应力处理和散热处理和绝缘处理功能)。

上述方案中，对LED芯片进行降低热应力处理，可以采用热膨胀系数与芯片相差小于20％的材料作为与芯片底面接触的应力缓释层的材料；或者可以在对LED芯片进行绝缘处理或者散热处理时选择的部件上设置突起或者凹槽进行降低热应力处理。

上述应力缓释层在LED芯片底面与LED芯片接触或焊接，应力缓释层的材料热导率大于120W/m*K；所述绝缘处理是由热导率大120W/m*K的绝缘层实现。

上述LED芯片可以采用RGB单色或混色的三基色LED芯片；或者所述LED芯片是由多个单元并联或者串联或者混联而成的LED芯片组，所述单元即RGB单色或混色的三基色LED芯片。

上述应力缓释层的材料为铜钨合金、陶瓷、金刚石或者金刚石铜复合材料；绝缘层的材料为陶瓷或金刚石；散热基座由铜、铜钨、金刚石或金刚石铜复合材料制成；散热板由铜、铜钨、银、金、金刚石或金刚石铜复合材料制成，或者采用水冷或风冷散热结构。

上述应力缓释层的厚度最好小于1.5mm。

本发明提供的一种高功率高亮度LED光源封装结构，包括散热板、线路板和LED模块；所述的LED模块是对LED芯片进行接触式散热处理、降低热应力处理以及绝缘处理后制成的LED模块；LED模块焊接在散热板上；线路板焊接或粘结在散热板上，使其分布在LED模块周围并于LED芯片进行电连接。

上述线路板上与靠近所述LED模块的位置固定有用于监测LED芯片温度的热敏电阻。

上述LED芯片可以是RGB单色或混色的三基色LED芯片。

上述LED芯片的个数是一个或者多个；当LED芯片的个数为多个时，多个LED芯片采用串联、并联、串并联结合或者分别独立与所述PCB板进行电连接。

上述线路板可以使在高导热率的绝缘板上覆有高导电材料，预制形成电路；或者线路板采用PCB板。

工作时，电流通过通过线路板加载在LED芯片上，LED芯片发光，同时大量热散出，通过散热板将热及时散出。同时为了保持良好的散热效果，LED模块是直接焊接在散热板上，线路板只是分布在绝缘导热板周围。

本发明具有以下优点：

(1)散热性好，本发明中对LED芯片经过接触式散热处理、进行降低热应力处理、绝缘处理三个处理环节后制成LED模块，LED模块直接焊接在散热板上，散热能力大大增强，这种增加了散热能力的结构，可显著提高输出的功率而不用担心散热的问题；

(2)热膨胀系数匹配，本发明中对LED芯片进行了降低热应力处理，减少了热压应力的影响，有效的防止芯片断裂。

(3)可用硬焊料，存储寿命长，性能稳定。

(4)LED芯片可以单独控制，可以调节亮度，均匀性等。

(5)生产成本低，采用线路板实现电连接，结构简单，大大降低了生产制造成本。

(6)出射光斑均匀，由于各个芯片可单独控制，可调节不同位置的光强达到均匀光斑输出。

(7)基底绝缘，由于对LED芯片进行了绝缘处理，基底绝缘，有利于集成。

附图说明

图1为本发明第一种LED模块结构图；

图2为本发明第二种LED模块结构图；

图3为本发明第三种LED模块结构图；

图4为本发明第四种LED模块结构图；

图5为本发明第五种LED模块结构图；

图6为本发明实施例高功率高亮度LED光源封装结构整体示意图；

图7为本发明实施例高功率高亮度LED光源封装结构拆解示意图；

图8为本发明实施例高功率高亮度LED光源中LED模块示意图。

其中：1为芯片；2为应力缓释层；3为绝缘层；4为散热基座；5为应力缓释-绝缘层；；6为突起；7为应力缓释-散热绝缘层；8为LED模块；9为线路板；10为散热板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

图1为本发明第一种LED模块结构图，在LED芯片底面(非发光面)设置应力缓释层对LED芯片进行降低热应力处理，图1中与4个LED芯片底面(非发光面)接触的应力缓释层材料，选择热膨胀系数与LED芯片相差小于40％，可以选择0.05mm厚氮化铝陶瓷做为的应力缓释层，通过硬焊料，如金锡焊料与LED芯片焊接，然后再设置绝缘层，绝缘层的材料可以为陶瓷或者金刚石，然后采用散热基座对芯片进行接触式散热处理，散热基座材料可选择导热率高的材料如铜、铜钨、银、金、金刚石或金刚石铜复合材料等材料。

图2为本发明第二种LED模块结构图，在LED芯片底面(非发光面)设置应力缓释层对LED芯片进行降低热应力处理，图2中与2个LED芯片底面(非发光面)接触的应力缓释层材料，选择热膨胀系数与LED芯片相差小于40％的材料，可以选择1.0mm厚的铜钨材料作为应力缓释层，通过硬焊料，如金锡焊料与LED芯片焊接，然后再设置散热基座对芯片进行接触式散热处理，散热基座材料可选择导热率高的材料如金、铜等材料，然后再设置绝缘层，绝缘层的材料可以为氧化铍陶瓷、金刚石等。

图3为本发明第三种LED模块结构图，对LED芯片同时进行降低热应力处理和绝缘处理，图3选择热膨胀系数与LED芯片相差小于40％的材料，如选择厚度为1.5mm厚的铜金刚石复合材对LED芯片进行降低热应力处理和绝缘处理，通过焊料如金锡焊料、铟焊料、铅锡焊料、铟锡合金焊料与LED芯片底面(非发光面)焊接。然后采用散热基座对LED芯片进行散热处理，散热基座可以是铜、金刚石、金、铂或者铜金刚石复合材料。

图4为本发明第四种LED模块结构图，对LED芯片同时进行降低热应力和散热处理，图4中是选择在高导热率材料如铜做为散热基座，在散热基座上设置突起，LED芯片底面(非发光面)对应于突起；然后再散热基座下方设置绝缘层，如选择厚度为1.0mm的金刚石材料做为绝缘层。

图5为本发明第五种LED模块结构，对LED芯片同时进行降低热应力处理、散热处理和绝缘处理，图5中选择厚度为0.3mm-5mm的金刚石、陶瓷材料作为应力缓释-散热绝缘片。

图6为本发明实施例高功率高亮度LED光源封装结构整体示意图、图7为本发明高功率高亮度LED光源封装结构拆解示意图，本发明高功率高亮度LED光源封装结构包括LED模块8、线路板9、散热板10。LED模块8焊接或粘结在散热板10上，线路板9焊接或粘结在散热板上，使其分布在LED模块周围并于LED芯片进行电连接。

图8为本实施例中LED模块8的示意图，选用6个LED芯片采用并联方式联结，LED芯片是RGB单色或混色的三基色LED芯片。LED模块8是将6个LED芯片1同时进行降低热应力处理、绝缘处理和散热处理。本实施例选用膨胀系数与LED芯片相差小于40％的高导热率绝缘材料作为应力缓释-散热绝缘板来实现，如选用金刚石，铜金刚石复合材料或者陶瓷，将LED芯片通过焊料焊接或者粘结在应力缓释-散热绝缘片制成LED模块8。

本发明的工作原理如下：

工作时，电流通过线路板9加载在LED芯片1上，LED芯片1发光，同时大量热散出，通过散热板10将热及时散出。同时为了保持良好的散热效果，LED模块直接焊接或者粘结在散热板10上，线路板9只是分布在线路板9的周围。

线路板9上于靠近所述LED模块8的位置可以固定有用于监测LED芯片温度的热敏电阻或者保护二极管，热敏电阻可探测LED芯片周围的温度，反馈回控制器，一旦温度超过一定范围，停止供电。

如果是多个LED芯片1根据需要可分别对单个芯片进行控制，这样可以对每个芯片的亮度分别控制，可保证最后光斑的均匀性。

本发明的LED芯片1的个数可以是一个，也可以是多个，当LED芯片1的个数为多个时，多个LED芯片1可采用串联、并联、串并联结合，其中串并联结合是指可以采用多个芯片先串联然后再与其他芯片并联，也可以采用多个芯片形成串联组然后与多个形成并联组的芯片连接的方式。因此，串并联结合可以在合理的范围内随意搭配芯片，使其的输出满足最终的要求。

综上所述，本发明兼具导热和绝缘的优点，散热性好，同时对LED芯片进行了降低热应力处理，有效防止了LED芯片断裂，同时可对LED芯片进行单独控制，同时可采用硬焊料有效增加了LED的稳定性和使用寿命。本发明主要应用于各种显示光源，背景光源，照明光源。

Claims (14)

1.一种高功率高亮度LED光源封装方法，包括：

(1)对LED芯片进行接触式散热处理、对LED芯片进行降低热应力处理、对LED芯片进行绝缘处理三个处理环节后制成LED模块；

对LED芯片进行降低热应力处理，采用热膨胀系数与芯片相差小于20％的材料作为与芯片底面接触的应力缓释层的材料；或者在对LED芯片进行绝缘处理或者散热处理时选择的部件上设置突起或者凹槽进行降低热应力处理；

(2)将LED模块焊接在散热板上；

(3)将线路板焊接或粘结在散热板上，使其分布在LED模块周围并于LED芯片进行电连接。

2.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于：步骤(1)具体按照以下步骤执行：

在LED芯片底面设置应力缓释层对LED芯片进行降低热应力处理，再设置绝缘层对LED芯片进行绝缘处理，然后采用散热基座对LED芯片进行接触式散热处理后制成LED模块。

3.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于：步骤(1)具体按照以下步骤执行：

在LED芯片底面设置应力缓释层对LED芯片进行降低热应力处理；然后采用散热基座对LED芯片进行接触式散热处理；然后设置绝缘层对LED芯片进行绝缘处理后制成LED模块。

4.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于：步骤(1)具体按照以下步骤执行：

在LED芯片底面同时对LED芯片进行降低热应力处理和绝缘处理；然后采用散热基座对LED芯片进行接触式散热处理后制成LED模块。

5.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于：步骤(1)具体按照以下步骤执行：

在LED芯片底面同时对LED芯片进行降低热应力处理和散热处理；然后设置绝缘层对LED芯片进行绝缘处理制成LED模块。

6.根据权利要求1所述的封装方法，其特征在于：步骤(1)具体按照以下步骤执行：

在LED芯片底面同时对LED芯片进行降低热应力处理、散热处理和绝缘处理制成LED模块。

7.根据权利要求2至6任一所述的封装方法，其特征在于：应力缓释层在LED芯片底面与LED芯片接触或焊接，应力缓释层的材料热导率大于120W/m*K；所述绝缘处理是由热导率大120W/m*K的绝缘层实现。

8.根据权利要求7所述的封装方法，其特征在于：所述LED芯片为RGB单色或混色的三基色LED芯片；或者所述LED芯片是由多个单元并联或者串联或者混联而成的LED芯片组，所述单元即RGB单色或混色的三基色LED芯片。

9.根据权利要求8所述的封装方法，其特征在于：应力缓释层的材料为铜钨合金、陶瓷、金刚石或者金刚石铜复合材料；绝缘层的材料为陶瓷或金刚石；散热基座由铜、铜钨、金刚石或金刚石铜复合材料制成；散热板由铜、铜钨、银、金、金刚石或金刚石铜复合材料制成，或者采用水冷或风冷散热结构。

10.根据权利要求9所述的封装方法，其特征在于：应力缓释层的厚度小于1.5mm。

11.按照独立权利要求1所述的封装方法得到的高功率高亮度LED光源封装结构，包括散热板、线路板和LED模块；所述的LED模块是对LED芯片进行接触式散热处理、降低热应力处理以及绝缘处理后制成的LED模块；LED模块焊接在散热板上；线路板焊接或粘结在散热板上，使其分布在LED模块周围并于LED芯片进行电连接。

12.根据权利要求11所述的高功率高亮度LED光源封装结构，其特征在于：线路板上与靠近所述LED模块的位置固定有用于监测LED芯片温度的热敏电阻。

13.根据权利要求12所述的高功率高亮度LED光源封装结构，其特征在于：所述LED芯片是RGB单色或混色的三基色LED芯片。

14.根据权利要求13所述的高功率高亮度LED光源封装结构，其特征在于：所述LED芯片的个数是一个或者多个；当LED芯片的个数为多个时，多个LED芯片采用串联、并联、串并联结合或者分别独立与所述线路板进行电连接。