CN101307867A - 一种液浸式封装的大功率led光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液浸式封装的大功率LED光源,它包括LED芯片、封装基板、冷却液、光学窗口组件、壳体、散热器;散热器上设有壳体、封装基板,封装基板上设有LED芯1,壳体顶部设有光学窗口组件,壳体内灌装有冷却液。LED芯片安装在封装基板上,封装基板安装在散热器上,LED芯片和封装基板浸没在冷却液中,冷却液被封闭在光学窗口组件、壳体和散热器构成的负压密闭空间中形成冷凝、蒸发循环。LED芯片产生的光从光学窗口组件发出,热量被冷却液传送至密封组件和散热器散出,可以有效解决大功率LED光源的散热和光强输出的问题。
Description
技术领域
本发明涉及照明光源,尤其涉及一种液浸式封装的大功率LED光源。
背景技术
LED光源是新一代绿色照明光源,其耗电量只有普通白炽灯的十分之一,而寿命却长十倍以上。除此之外,LED光源还具有体积小、坚固耐用、色彩丰富等优点。为了满足更高光强的要求,LED光源通过提高单个芯片的输出功率或者采用LED阵列的方式来实现。在理想的情况下,匹配的光学材料和适当的封装结构能够充分发挥LED高效的发光性能,将大部分的电能转化为光。但是,温度对大功率LED光源的输出光强和色温性能有着非常大的影响,特别是LED芯片的PN结长期工作在高温状态,其光学性能会很快衰减,这是LED封装中需要解决的关键问题。除此之外,目前LED芯片是由半导体材料GaN和蓝宝石等制成,这些材料的折射率非常高,产生的光不容易出射到低折射率空气中,因此需要选择适当的折射率材料作匹配层来提高光源的出射效率。
目前大功率LED封装的封装技术大多采用高导热材料作为基板,然后利用导热或对流方式把热量从基板上带走。而在LED芯片的发光面采用折射率为1.5左右的环氧树脂或者硅胶作为光学输出匹配层,这种材料的导热系数很低热阻很大,热量基本不能散失。目前改善LED光源散热性能的主要方法是提高基板的导热和散热性能,采用高导热系数材料、强制对流等方法,如专利200520047169.9,提出利用微喷射流水装置来冷却LED光源。专利200610060840.2提出了一种将芯片浸入冷却液中的LED封装方法,这种方法需要依靠液体流动才能将热量带走,在小的密封结构中粘性大的液体流动性非常差,这样影响了冷却效果。为了解决这个问题,该专利提出用强制对流来解决,但是这样增加了***的复杂性,同时这种方法也不适合小尺寸的LED封装。
从LED光源发热特性分析可知,LED芯片散热的瓶颈在芯片和基板之间,由于LED芯片体积非常小,芯片与基板之间的接触面积非常有限,特别是倒装(flip-chip)结构,发热的有源区与基板之间存在多个介质层,热阻迅速增加,详细分析参见文献《倒装大功率白光LED热场分析与测试》(光电子·激光,vol.16,num.5,pp.511-514,2005)。这样LED芯片的热量不能尽快地将散去,导致PN结温较高,而且其他光学材料如环氧树脂、硅胶和荧光剂等长期处于高温下工作,整个光源装置的性能衰减老化得很快、可靠性差,这种封装结构难以适用高功率密度的大功率LED光源。如何在低成本的前提下,采用更好的冷却方式,使LED光源工作在更低的温度上工作,获得更高的发光效率,更长的寿命,更高的可靠性,是本本发明要解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种液浸式封装的大功率LED光源。
液浸式封装的大功率LED光源包括LED芯片、封装基板、冷却液、光学窗口组件、壳体、散热器;散热器上设有壳体、封装基板,封装基板上设有LED芯1,壳体顶部设有光学窗口组件,壳体内灌装有冷却液。
所述的光学窗口组件包括透镜和掺有荧光物质的光学膜片,掺有荧光物质的光学膜片上设有透镜。冷却液为丙酮、乙醇、氟利昂或水。壳体内壁设有光学反射镜。散热器是肋片式散热器或热管式散热器。壳体和散热器的内壁设有液体回流的毛细沟槽。
本发明由LED芯片、封装基板、冷却液、光学窗口组件、壳体、散热器构成。LED芯片安装在封装基板上,封装基板安装在散热器上,LED芯片和封装基板浸没在冷却液中,冷却液被封闭在光学窗口组件、密封组件和散热器构成的负压密闭空间中形成冷凝、蒸发循环。LED芯片产生的光从光学窗口组件发出,热量被冷却液传送至密封组件和散热器散出,可以有效解决大功率LED光源的散热和光强输出的问题。
附图说明
图1是液浸式封装的大功率LED光源的结构示意图;
图2是本发明的光学窗口组件的结构示意图;
图3是本发明的散热器的结构示意图;
图中:LED芯片1、封装基板2、冷却液3、光学窗口组件4、密封组件5、散热器6、透镜7、掺有荧光物质的光学膜片8、毛细沟槽9。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示,液浸式封装的大功率LED光源包括LED芯片1、封装基板2、冷却液3、光学窗口组件4、壳体5、散热器6;散热器6上设有壳体5、封装基板2,封装基板2上设有LED芯片1,壳体5顶部设有光学窗口组件4,壳体5内灌装有冷却液3。
LED芯片通过焊接绑定等方法固定在封装基板上,封装基板由高导热系数的材料制成,其上敷设有芯片连接所需的电路,封装基板被固定安装在散热器上。由光学窗口组件、壳体和散热器构成的一个负压的密闭空间,然后在其中充入适量冷却液,LED芯片和封装基板完全浸没在冷却液中,冷却液在光学窗口组件、壳体和散热器构成的负压密闭空间中形成蒸发、冷凝循环。壳体是一个由金属或其他材料制成的容器,其内壁可以制作成光学反射镜,以增强光在光学窗口组件中的输出。为了增强散热效果,散热器可以增加肋片扩大散热面积或者采用热管式等散热器。
冷却液蒸发需要吸收大量的热量,而在冷凝的过程中需要释放同样多的热量,利用冷却液蒸发和冷凝循环能够实现最有效的传热方式,热管就是利用这种方式实现的传热器件,其导热率是铜的上千倍。本发明的基本思想是利用冷却液的蒸发和冷凝循环将LED芯片的热量快速带走。利用光学窗口组件、壳体和散热器构成一个密闭空间,然后将这一密闭空间的空气抽出形成负压,将适量的冷却液加入到密闭空间中,由于冷却液在负压的密闭空间中其蒸发温度大大降低,因此当LED芯片发热时,冷却液迅速蒸发形成气体,在壳体和散热器的内表面气体冷凝为液体,液体通过壳体和散热器设置的毛细沟槽回流到LED芯片附近重新被蒸发形成循环,这种循环不需要任何的外部动力,只需要LED芯片和壳体、散热器之间存在温度差。这种封装结构简单,可靠性高,而且传热效率远远高于热传导和热对流。
冷却液为丙酮、乙醇、氟利昂或水,冷却液的选择非常重要,冷却液是一种透明的具有电绝缘性、热稳定性、光学稳定性、折射率处于1.3~1.8之间、沸点低于180°、对电路和芯片没有腐蚀性的液体。这种液体由于具有电绝缘性,不会导致电路短路。冷却液的透明性保证了LED芯片1产生的光不会被冷却液吸收。冷却液具有光学稳定性,长期处于高强度蓝光或紫外光照射,不会发生成份和性能改变。进一步,选择高折射率的冷却液有利于提高光从LED芯片中的出射效率,但考虑到光出射到空气中的效率,冷却液的折射率不能太高,应该和光学窗口组件的材料折射率基本一致(这种光学材料一般选择玻璃或者环氧树脂,折射率在1.5左右)。考虑到冷却液随成份不同折射率有一定变化范围,因此将折射率选择在1.3~1.8之间。此外,冷却液不能对电路和芯片材料有腐蚀作用。此外,冷却液要具有热稳定性,长期工作在高温下不分解不变质。为了使冷却液易于蒸发,达到更好的传热效果,冷却液的沸点不能太高,同时通过调节冷却液的加入量,可以控制冷却液在负压空间中的沸点。
由于安装在封装基板上的LED芯片浸入在冷却液中,大部分产生的热量被冷却液通过蒸发和冷凝循环直接带走,然后冷却液将热量传送到壳体和散热器散出,还有一小部分热量通过封装基板热传导到散热器散出。对比传统的封装方法,本发明所公开的方法能够更好地冷却LED芯片,其理由为:(1)蒸发和冷凝循环是一种非常有效的传热方式,只需要极小的温差就能够自动形成循环,这样有效避免LED芯片局部温度过高;(2)LED芯片浸入冷却液中,传热面积大于LED芯片与封装基板之间的接触面积;(3)冷却液具有非常大的热容量,同样的热量导致的温度升高量要比空气中的小得多。
如图2所示,光学窗口组件4包括透镜7和掺有荧光物质的光学膜片8,掺有荧光物质的光学膜片8上设有透镜7。光学窗口组件的作用是输出光强,并且根据实际需要对输出光的特性进行调整。光学窗口组件被安装在LED芯片发光面的方向上。透镜可以改变输出光束的发散角度,掺有荧光物质的光学膜片能够改变输出光的频率分布,实现不同颜色的光源,如白光LED等。掺有荧光物质的光学膜片的作用也可以通过在冷却液中直接掺入荧光物质来实现。
如图3所示,散热器6的内壁设有液体回流的毛细沟槽9。这种毛细沟槽围绕LED芯片呈向心布置。为了使得冷凝的冷却液回流到LED芯片附近,需要在壳体和散热器的内壁设置多孔毛细网或者毛细沟槽。这种结构具有非常细小的孔或者沟槽,冷却液由于毛细现象会充满这些孔和沟槽,利用这种毛细结构可以使冷却液克服重力的影响回流到LED芯片附近。考虑到多孔毛细网会对光产生散射,本发明选择在壳体和散热器的内壁设置毛细沟槽。
Claims (6)
1.一种液浸式封装的大功率LED光源,其特征在于包括LED芯片(1)、封装基板(2)、冷却液(3)、光学窗口组件(4)、壳体(5)、散热器(6);散热器(6)上设有壳体(5)、封装基板(2),封装基板(2)上设有LED芯片(1),壳体(5)顶部设有光学窗口组件(4),壳体(5)内灌装有冷却液(3)。
2.根据权利要求1所述的一种液浸式封装的大功率LED光源,其特征在于所述的光学窗口组件(4)包括透镜(7)和掺有荧光物质的光学膜片(8),掺有荧光物质的光学膜片(8)上设有透镜(7)。
3.根据权利要求1所述的一种液浸式封装的大功率LED光源,其特征在于所述的冷却液(3)为丙酮、乙醇、氟利昂或水
4.根据权利要求1所述的一种液浸式封装的大功率LED光源,其特征在于所述的壳体(5)内壁设有光学反射镜。
5.根据权利要求1所述的一种液浸式封装的大功率LED光源,其特征在于所述的散热器(6)是肋片式散热器或热管式散热器。
6.根据权利要求1所述的一种液浸式封装的大功率LED光源,其特征在于所述的壳体(5)和散热器(6)的内壁设有液体回流的毛细沟槽(9)。
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PB01 | Publication | ||
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C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20081119 |