一种用于照明的LED光模组和LED芯片制造技术

本实用新型专利技术提供了一种用于照明的LED光模组和LED芯片。LED晶片(1)设置在热扩散板(3)上，热扩散板(3)采用铜或铝、或铜铝复合材料，厚度大于0.35mm，面积是其上LED晶片面积之和的五倍以上，其目的和作用是降低热流密度。承担高压绝缘的高压绝缘片(2)，采用烧结成瓷的陶瓷片，比如氧化铝陶瓷片，设置在热扩散板(3)的另一面，与外层绝缘体(4)一起将热扩散板隔离绝缘。外层绝缘体采用注射或浇铸工艺，与热扩散板(3)和高压绝缘片(2)一起成型。这样的设计就可显著降低内导热热阻，提高电的绝缘强度，封装成本有效降低。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于LED照明
，特别涉及降低LED光模组或LED芯片内导热热阻，并且提高其内电的绝缘强度的封装结构。
技术介绍
LED的一大应用是照明，LED照明被认为是人类下一代绿色环保照明技术。但当前 LED照明产品造价高，阻碍着其应用普及，LED照明产品造价高的根本原因是LED散热造成。 LED芯片中的LED晶片(也称裸片)的成本，当前只占15%，封装成本占65%之多，其原因就是散热问题所致。照明灯具的用电安全是一必须满足的要求，必须达到安规要求，安全绝缘强度一般要达到1500V以上。绝缘与导热又是相互矛盾的，如果在LED光模组或芯片封装中，实现解决有效降低内封装热阻，又能达到安全绝缘要求，其意义非常之大，将大大地使整个LED 灯具(包括电源)的造价降低。现公开的LED芯片的内导热传热热阻占整个传热热阻非常大的比例，现产品热阻最低的也要达到6°C /W，如果再加上铝基板上的绝缘层热阻，最小也要达到10°C /W。这么高的内导热热阻，原因是为解决芯片内电的绝缘问题所致，即使是前述的那么高的内导热热阻，其电的绝缘强度也是不到2000V，要得到更高安全的用电绝缘强度，热阻还要增加。有提出采用高导热陶瓷片(如AIN陶瓷片)作LED芯片中的“热沉”，可以解决绝缘与传热之间的矛盾，但是AIN这类高导热陶瓷，成本造价高。
技术实现思路
本技术的目的是针对LED封装内部导热传热以及保证用电安全的绝缘(高电压绝缘)问题，依据传热学基本原理，提出一种新架构，不必选用昂贵的AIN之类的高导热陶瓷，就可以实现高电压绝缘，满足更高的用电安全要求，达到直接接用市电的安规要求， 而内部导热阻更低，并且生产效率高，促使整个LED照明灯具的造价显著降低。本技术的LED光模组的构成包括有一颗或多颗LED晶片、热扩散板、外层绝缘体、高压绝缘片以及导热芯，导热芯采用金属材料，最好采用铜质或铝质材料。本技术的特征是LED晶片设置在热扩散板的一面，该面称为热扩散板的A面，热扩散板采用了铜质或铝质材料、或铜铝复合材料，热扩散板的面积是其上的LED晶片面积之和的五倍以上，热扩散板的厚度大于0. 35mm ；高压绝缘片设置在热扩散板的另一面(该面称为B面)与导热芯的一面(也就是导热芯的热量导入面，称为吸热面)之间；高压绝缘片采用了烧结成瓷的陶瓷片，该陶瓷片的厚度不小于0. 15mm;外层绝缘体采用了注射工艺或浇铸工艺，与导热芯和高压绝缘片、以及热扩散板一起注射或浇铸成型的结构；外层绝缘体围着热扩散板边缘侧壁，并与高压绝缘片相连接，构成热扩散板的B面和侧壁周圈被绝缘体包围。从LED晶片到导热芯(散热片)导热热阻(LED封装内热阻)主要是由于LED晶片面积小，形成高热流密度所致。导热温差(即热阻)与热流密度和导热距离成正比，与材料导热系数成反比。绝缘材料导热系数低(除AIN之类的高导热陶瓷)，比铜和铝要小数十倍。IX Imm大小的晶片，IW发热功率，其热流密度就到106W/m2，现产品结构采用0. 15mm 厚氧化铝陶瓷(导热系数20W/m*h)作绝缘片，晶片直接设置在该陶瓷片上，绝缘强度可达 1500V，但导热温差就要达到7. 50C。本技术中，将晶片设置在铜或铝材的热扩散板上，承担保证用电安全的高电压绝缘的高压绝缘片则设置在热扩散板与导热芯之间。同样是lXlmm，lW发热功率的晶片，0. 15mm厚氧化铝陶瓷作高压绝缘片，即同样的绝缘强度，但是高热流密度经热扩散板后，热流密度下降，若热流密度降低5倍，则高压绝缘片上的导热温差就可降低到1. 5°C，热阻降低非常显著。本技术的设计思想是先不考虑LED晶片与热扩散板之间的绝缘(高电压绝缘)，首先是降低热流密度，再实施高电压绝缘，就可有效降低内导热热阻。本技术中的热扩散板，虽然与现产品的热沉的传热过程类似，但本技术首次明确强调其最重要作用——热扩散作用，因而称之为热扩散板，当今LED行业普通都不清楚热扩散的概念及其重要性。由于铜和铝的导热系数高，价格低，因而首选铜质材料或铝制材料、或铜铝复合材料制作热扩散板。作为热扩散作用的热扩散板不仅要采用导热性高的材料，其面积和厚度也要足够大。热扩散板的面积应是其上的LED晶片面积之和的五倍以上，设计时最好选十倍以上；热扩散板的厚度应大于0. 35mm。热扩散板厚度最好大于0. 5mm，一是为了使热流密度扩散得更均勻，二是从强度方面考虑，保证热扩散板的平整度，有利于下端的接触传热。如果晶片为lXlmm，lW，热扩散板的厚度应达到1.0mm以上，其目的和作用就是使热量在热扩散板内有效扩散，降低热流密度。LED晶片最好是直接焊接在热扩散板上，因为LED晶片与热扩散板结合处热流密度最高，结合面的材料(焊料或粘胶)的导热系数要尽可能高，金属材料的导热系数高，比如锡的导热系数为60W/m · K，数倍地高于导热粘胶(比如银胶)。采用金属导电材料制成的热扩散板与晶片之间无绝缘或绝缘强度低，因而热扩散板的高电压绝缘就成了主要问题，承担此任务的是高压绝缘片和外层绝缘体，高压绝缘片还要承担导热任务，因而导热性要高。烧结成瓷的陶瓷片，致密、绝缘强度高，导热系数高，烧结成瓷的氧化铝陶瓷，纯度 96% (称96氧化铝瓷)，导热系数可达20W/m*K。而熔喷氧化铝膜，由于传热方向有空隙， 则导热系数下降了一个数量级，阳极氧化成的氧化铝瓷膜，也有孔隙，也导致导热系数下降。因而本技术选用烧结成瓷的陶瓷片作为高压绝缘片。氧化铝陶瓷片，是电子元件中最常用的陶瓷基片，造价低，导热系数高，因而是首选的高压绝缘片材料。本技术中提出高压绝缘片的陶瓷片的厚度不小于0. 15mm，一是从制造工艺难度方面考虑，太薄的陶瓷片不容易生产，易破碎；二是从绝缘强度方面来考虑，希望有绝缘强度达到1500V以上。达到满足安规要求的绝缘强度，有利于减化驱动电源，比如采用非隔离式驱动电源，就可降低驱动电源的成本。高压绝缘片的厚度应取0. 2 0. 4mm之间，太厚了，热阻也就太高，0. 3mm厚是比较好的值，此时的绝缘强度达到3000V，可满足各种安规要求，通过加大热扩散板的面积和厚度，将热流密度下降十倍，完全可得到高压绝缘片处的导热温差在2°C以下。外层绝缘体采用注射工艺或浇铸工艺，与导热芯和高压绝缘片、以及热扩散板一起注射或浇铸成型，可简单描述成导热芯和高压绝缘片、以及热扩散板被放入外层绝缘体的模具型腔中，外层绝缘体的液态材料被注射或灌入型腔，一起固化成型。本技术提出采用上述工艺结构的目的有一、生产效率高，特别是采用塑料注射成型，不仅省去上胶 (涂胶)工序，还省去了胶的固化工序和时间，因而生产效率特别高；二、绝缘质量可靠性高，外层绝缘体与高压绝缘片之间的结合处是绝缘可靠性最低处，如果采用胶水绝缘密封， 不易保证结合处的全部空隙都被胶水填充满，则绝缘质量可靠性低，采用本技术提出的工艺成型结构，就容易保证结合处没有空隙，并且粘接成一体，结构强度高。外层绝缘体的材料可选择塑料类(热熔性塑料和热固性塑料)、环氧树脂类和硅胶类。高压绝缘片可以设计成与导热芯焊接(或粘接)成一体的部件，也可以与热扩散板焊接(或粘接)成一体的部件。依据该第二种设计，本技术又提出一种LED芯片，本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于照明的ＬＥＤ光模组，包括有一颗或多颗ＬＥＤ晶片（１）、热扩散板（３）、外层绝缘体（４）、高压绝缘片（２）以及导热芯（５），其特征在于：热扩散板（３）采用了铜质或铝质材料、或铜铝复合材料；ＬＥＤ晶片（１）设置在热扩散板（３）的Ａ面；热扩散板的面积是其上的ＬＥＤ晶片面积之和的五倍以上，热扩散板的厚度大于０．３５ｍｍ；高压绝缘片（２）设置在热扩散板（３）的Ｂ面与导热芯（５）的吸热面之间，高压绝缘片（２）采用了烧结成瓷的陶瓷片，该陶瓷片的厚度不小于０．１５ｍｍ；外层绝缘体（４）采用了注射工艺或浇铸工艺，与导热芯（５）和高压绝缘片（２）、以及热扩散板（３）一起注射成型或浇铸成型的结构；外层绝缘体（４）围着热扩散板（３）边缘侧壁，并与高压绝缘片（２）相连接，构成热扩散板（３）的Ｂ面和侧壁周圈被绝缘体包围。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：秦彪，
申请(专利权)人：秦彪，
类型：实用新型
国别省市：94