CN103050606A - 一种高显色指数大功率led封装结构及其制造方法 - Google Patents

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张涛
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Abstract

一种高显色指数大功率LED封装结构及其制造方法，包括高导热基板、高散热材料块、大功率LED芯片和封装组件，其中所述高导热基板上开设有盲孔，所述高散热材料块安装在该盲孔内并通过高导热粘结剂与高导热基板粘合为一体。本发明由于采用了高导热基板及设置在高导热基板的盲孔内且与高导热基板紧密配合的高散热材料块共同组成大功率LED芯片散热基座的结构，使该散热基座的整体导热及散热性能优越，通过该散热基座能够快速有效地将大功率LED芯片产生的热量从工作区导出并散发，从而既能够有效地降低节温，使大功率LED芯片的稳定性和可靠性得到极大的增强，又能够使大功率LED芯片在大电流下连续长时间地工作，使用寿命长。

Description

一种高显色指数大功率LED封装结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及大功率LED照明技术领域，具体是涉及一种高显色指数大功率LED封装结构及其制造方法。
背景技术
LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件，具有工作电压低、耗电量小、发光效率高、发光响应时间极短、光色纯、结构牢固、抗冲击、耐振动、性能稳定可靠、重量轻、体积小、成本低等诸多优点，已经越来越广泛的应用于照明和装饰灯具等领域中。
目前普遍采用的大功率白光LED主要是在蓝光LED芯片上涂敷荧光粉的封装方法实现，但在这种封装过程中荧光粉的涂敷厚度和形状难以控制，造成LED器件色温不均匀，甚至单颗LED的角向色温差异可大到800K，而人眼能分辨的色温差异为50-100K。此外，现有的LED产品普遍采用LED光源直接照向目标位置，但因LED直射光线不均匀，强烈刺激人眼，严重影响LED灯具的照明效果，容易导致眼睛疲劳甚至视力下降，这就是目前面临的眩光问题
同样，LED照明灯具中显色指数和色温的关系非常密切，太阳光和白炽灯辐射出联系光谱，属于可见光波长范围内，物体在光的照射下，先输出真是的颜色，显色指数就是为了对光源的显色性惊醒定量评价，它是以标准光源为准，基本值定在100，单位是RA。光源在照明灯具对于显色指数的影响和要求大，由于白光LED技术显色性技术不成熟，这样也是为什么LED作为照明光源，虽然优势明显但是无法得到推广的主要原因。在加上红绿光成分的缺少，先天性就对显色指数缺乏，限制LED无法成为更高级的照明光源。
除了上述色温和显色指数影响外，LED芯片的结温变化影响其出光效率、光衰、颜色、波长以及正向电压等光电色度和电气参数等，影响器件的寿命和可靠性。在努力增加其内外出光效率的同时增大其输入电流无疑是最有效的提高亮度的方法，但伴随着电流的增加会产生大量的热能，LED芯片节温升高其发光效率随之下降，为解决亮度增加和节温升高的矛盾，实现LED的高亮度、高稳定性，大功率LED散热问题的解决成为当务之急。现有的大功率LED封装结构中，LED芯片一般都被固定于一金属基座上，芯片产生的热量先被传递至基座上。金属材料的导热性好，但是散热性能不佳、如一般用以制作金属基座的铝，热辐射率为0.05，通过热辐射散发的热量很少，只能采用对流方式散发大部分热量。为此，一般需要在金属基座上连接热沉（散热器）以达到散热目的，有时需要加设风扇等强制对流装置加快空气对流。在应用产品整体热阻中，热沉与外部环境之间的热阻是非常重要的组成部分，直接影响了LED芯片节温的变化。
专利号为ZL201020165179.3的中国专利公开了“一种LED封装结构”，该封装结构采用的基板为BT板，而BT板也称BT树脂基覆铜板，即在树脂上覆盖一层铜作为电路，树脂用于散热，覆盖铜作为电路，其导热率大约为16.5W/mK，导热及散热效果较差；该封装结构采用的高导热材料为铜或陶瓷等导热材料，但是铜的导热率大约为397W/mK，陶瓷的导热率大约为319W/mK，因此其导热及散热效果同样较差；该封装结构采用的LED芯片固定和保护材料为高温胶，该高温胶可以同时作为LED芯片的散热材料，但是该高温胶无法调整出光角度，提高出光效率；该封装结构采用在通孔中嵌入一块高导热材料，本来BT板就很薄，导致高导热材料与BT板的接触面积相当小，LED芯片传到高导热材料的热量很难再传到BT板上高效散出，加上通孔与高导热材料的形状很难完全吻合，这样就进一步地降低了热量的传导，所以高导热材料的热量只能传到与其接触面积最大的空气中，从而导致基板所起到的散热效果很小，这样便极大地降低了热量的散发速度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种能快速有效地将大功率LED芯片产生的热量从工作区导出并散发并提高出射光的显色指数和色温的均匀性，使大功率LED芯片的稳定性和可靠性得到极大增强，可在大电流下连续工作的高显色指数大功率LED封装结构及其制造方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的高显色指数大功率LED封装结构，其特点是包括高导热基板、高散热材料块、大功率LED芯片和封装组件，其中所述高导热基板上开设有盲孔，所述高散热材料块安装在该盲孔内并通过高导热粘结剂与高导热基板粘合为一体，所述大功率LED芯片贴合在高散热材料块上。
其中，上述高导热基板上开设的盲孔为倒梯形，该倒梯形的盲孔的底面和侧面平整光滑，上述高散热材料块的形状为与倒梯形的盲孔下半部分吻合的梯形，且高散热材料块的上下表面均平整光滑。
上述高散热材料块由金刚石膜或类金刚石膜或石墨或石墨膜制成，该高散热材料块的厚度为1.0mm～1.5mm，且该高散热材料块的导热率为700 W/mK～2000 W/mK。
上述高导热基板由铜或铝或陶瓷制成。
上述高导热粘结剂为银浆或焊锡或金刚石微粒导热膏。
上述盲孔上半部分的表面上镀有一层可起到反光杯作用的银层。
上述大功率LED芯片通过银浆贴合在高散热材料块上。
上述封装组件包含固定在高导热基板上的用于将盲孔的开口密封的透镜及灌装在透镜与高散热材料块之间的用于固定和保护大功率LED芯片以及提高大功率LED芯片出光效率的硅胶，所述硅胶中设置有一块透明光转换材料，所述透明光转换材料包含黄色荧光材料、透明材料和红色荧光材料，其中所述透明材料为玻璃或陶瓷或树脂或石英或胶片或氧化锌或蓝宝石或金刚石等透明材料或由以上一种或几种材料复合形成的透明材料或由以上材料与纳米金刚石颗粒复合形成的高导热透明材料，且所述透明材料为平的或弯曲的，所述透明材料的表面为光滑面或粗糙面或被刻蚀各种几何图形的面或被压出各种几何图形的面，所述透明材料的上下表面的其中一面涂有黄色荧光材料、另一面涂有红色荧光材料。
本发明所述的高显色指数大功率LED封装结构的制造方法，其特点是包括如下步骤：A、在高导热基板上开设盲孔
B、在高散热材料块上涂布高导热粘结剂，然后将高散热材料块放入盲孔内，并施加一定的压力使高散热材料块通过高导热粘结剂与高导热基板粘合为一体
C、在盲孔上半部分的表面上镀一层银层，并在高导热基板位于盲孔开口外侧的表面上由下往上依序设置绝缘层A、电路层、绝缘层B和圆环形圈，并在电路层上设置接线柱
D、将大功率LED芯片通过银浆贴合在高散热材料块位于盲孔内的表面上，并在大功率LED芯片与接线柱之间设置导线
E、向盲孔内填充硅胶，当硅胶满至圆环形圈的开口时，将一块透明光转换材料放置到圆环形圈的开口处，并将透镜盖置在圆环形圈的开口上，然后向透镜与透明光转换材料之间形成的空腔内灌装硅胶，即制成高显色指数大功率LED封装结构。
本发明由于采用了高导热基板及设置在高导热基板的盲孔内且与高导热基板紧密配合的高散热材料块共同组成大功率LED芯片散热基座的结构，使该散热基座的整体导热及散热性能优越，而且高散热材料块与高导热基板的接触面积大，因此通过该散热基座能够快速有效地将大功率LED芯片产生的热量从工作区导出并散发，达到散热效果好的目的，从而既能够有效地降低节温，使大功率LED芯片的稳定性和可靠性得到极大的增强，又能够使大功率LED芯片在大电流下连续长时间地工作，使用寿命长。同时，由于高散热材料块由金刚石膜或类金刚石膜或石墨或石墨膜制成，其导热率远高于现有技术中所采用的铜或陶瓷等导热材料，因此其能够快速将大功率LED芯片产生的热量导出，降低结温，提高大功率LED芯片的发光效率。而且，由于高导热基板由铜或铝或陶瓷制成，其导热率远远高于现有技术中所采用的BT板，因此其散热性能能够得到大幅提升。并且，由于用于连接高导热基板及高散热材料块的高导热粘结剂为银浆或焊锡或金刚石微粒导热膏，通过该高导热粘结剂固定和填充高导热基板与高散热材料块之间的间隙，从而进一步地提升了散热基座的散热性能。又由于在盲孔上半部分的斜面上镀有一层可起到反光杯作用的银层，通过该银层提高大功率LED芯片的出光效率。此外，由于封装组件中采用了透明光转换材料，该透明光转换材料是在透明材料上下表面分别涂敷均匀的黄色荧光材料和红色荧光材料，通过透明光转换材料不仅可以使出射光色温更加均匀，同时还能提高显色指数，从而有效解决眩光和显色指数低等问题。而且，本发明还具有结构简单可靠、制造方便、外观造型灵活多变等优点。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的高显色指数大功率LED封装结构，包括高导热基板1、高散热材料块2、大功率LED芯片3和封装组件4，其中所述高导热基板1上开设有盲孔11，所述高散热材料块2安装在该盲孔11内并通过高导热粘结剂5与高导热基板1粘合为一体，所述大功率LED芯片3贴合在高散热材料块2上。其中，上述高导热基板1上开设的盲孔11为倒梯形，该倒梯形的盲孔11的底面和侧面平整光滑，上述高散热材料块2的形状为与倒梯形的盲孔11下半部分吻合的梯形，且高散热材料块2的上下表面均平整光滑。上述高散热材料块2由金刚石膜或类金刚石膜或石墨或石墨膜制成。当高散热材料块2由类金刚石膜制成时，该类金刚石膜可以采用微波等离子体化学气相沉积法或化学气相沉积法或火焰燃烧法或物理气相沉积法或化学气相运输法或离子束沉积法或激光化学气相沉积法制成高散热材料块2。而上述高散热材料块2的厚度为1.0mm～1.5mm。上述高散热材料块2的导热率为700 W/mK～2000 W/mK。上述高导热基板1由铜或铝或陶瓷制成。上述高导热粘结剂5为银浆或焊锡或金刚石微粒导热膏。上述盲孔11上半部分的表面上镀有一层可起到反光杯作用的银层6。上述大功率LED芯片3通过银浆贴合在高散热材料块2上。上述封装组件4包含固定在高导热基板1上的用于将盲孔11的开口密封的透镜41及灌装在透镜41与高散热材料块2之间的用于固定和保护大功率LED芯片3以及提高大功率LED芯片3出光效率的硅胶42，所述硅胶42中设置有一块透明光转换材料43，所述透明光转换材料43包含黄色荧光材料、透明材料和红色荧光材料，其中所述透明材料为玻璃或陶瓷或树脂或石英或胶片或氧化锌或蓝宝石或金刚石等透明材料或由以上一种或几种材料复合形成的透明材料或由以上材料与纳米金刚石颗粒复合形成的高导热透明材料，且所述透明材料为平的或弯曲的，所述透明材料的表面为光滑面或粗糙面或被刻蚀各种几何图形的面或被压出各种几何图形的面，所述透明材料的上下表面的其中一面涂有黄色荧光材料、另一面涂有红色荧光材料。上述高导热基板1上设置有绝缘层A7，所述绝缘层A7上设置有电路层8，所述电路层8上设置有绝缘层B9和接线柱10，上述大功率LED芯片3通过导线12与所述接线柱10电连接，所述绝缘层B9上设置有一个圆环形圈13，所述圆环形圈13为铝或树脂等材料，所述圆环形圈13主要用于围住硅胶42以及放置透明光转换材料43，而所述绝缘层A7可以设置到高散热材料块2的边缘，从而使所述电路层8也可以设置到高散热材料块2的边缘。此外，在上述高散热材料块2上可以放置1～10颗1W的大功率LED芯片3，从而使功率可以到达1～10W。
本发明所述的高显色指数大功率LED封装结构的制造方法，包括如下步骤：
A、在高导热基板1上开设盲孔11，该盲孔11可以是直孔，也可以是倒梯形孔或其它几何形状的孔，通常是设置成倒梯形孔
B、在高散热材料块2上涂布高导热粘结剂5，然后将高散热材料块2放入盲孔11内，并施加一定的压力使高散热材料块2通过高导热粘结剂5与高导热基板1粘合为一体
C、在盲孔11上半部分的表面上镀一层银层6，并在高导热基板1位于盲孔11开口外侧的表面上由下往上依序设置绝缘层A7、电路层8、绝缘层B9和圆环形圈13，并在电路层8上设置接线柱10
D、将大功率LED芯片3通过银浆贴合在高散热材料块2位于盲孔11内的表面上，并在大功率LED芯片3与接线柱10之间设置导线12
E、向盲孔11内填充硅胶42，当硅胶42满至圆环形圈13的开口时，将一块透明光转换材料43放置到圆环形圈13的开口处，并将透镜41盖置在圆环形圈13的开口上，然后向透镜41与透明光转换材料43之间形成的空腔内灌装硅胶42，即制成高显色指数大功率LED封装结构。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种高显色指数大功率LED封装结构，其特征在于包括高导热基板（1）、高散热材料块（2）、大功率LED芯片（3）和封装组件（4），其中所述高导热基板（1）上开设有盲孔（11），所述高散热材料块（2）安装在该盲孔（11）内并通过高导热粘结剂（5）与高导热基板（1）粘合为一体，所述大功率LED芯片（3）贴合在高散热材料块（2）上。
2.根据权利要求1所述高显色指数大功率LED封装结构，其特征在于上述高导热基板（1）上开设的盲孔（11）为倒梯形，该倒梯形的盲孔（11）的底面和侧面平整光滑，上述高散热材料块（2）的形状为与倒梯形的盲孔（11）下半部分吻合的梯形，且高散热材料块（2）的上下表面均平整光滑。
3.根据权利要求1所述高显色指数大功率LED封装结构，其特征在于上述高散热材料块（2）由金刚石膜或类金刚石膜或石墨或石墨膜制成，该高散热材料块（2）的厚度为1.0mm～1.5mm，且该高散热材料块（2）的导热率为700 W/mK～2000 W/mK。
4.根据权利要求1所述高显色指数大功率LED封装结构，其特征在于上述高导热基板（1）由铜或铝或陶瓷制成。
5.根据权利要求1所述高显色指数大功率LED封装结构，其特征在于上述高导热粘结剂（5）为银浆或焊锡或金刚石微粒导热膏。
6.根据权利要求1所述高显色指数大功率LED封装结构，其特征在于上述大功率LED芯片（3）通过银浆贴合在高散热材料块（2）上。
7.根据权利要求1所述高显色指数大功率LED封装结构，其特征在于上述盲孔（11）上半部分的表面上镀有一层可起到反光杯作用的银层（6）。
8.根据权利要求1所述高显色指数大功率LED封装结构，其特征在于上述封装组件（4）包含固定在高导热基板（1）上的用于将盲孔（11）的开口密封的透镜（41）及灌装在透镜（41）与高散热材料块（2）之间的用于固定和保护大功率LED芯片（3）以及提高大功率LED芯片（3）出光效率的硅胶（42），所述硅胶（42）中设置有一块透明光转换材料（43），所述透明光转换材料（43）包含黄色荧光材料、透明材料和红色荧光材料，其中所述透明材料为玻璃或陶瓷或树脂或石英或胶片或氧化锌或蓝宝石或金刚石等透明材料或由以上一种或几种材料复合形成的透明材料或由以上材料与纳米金刚石颗粒复合形成的高导热透明材料，且所述透明材料为平的或弯曲的，所述透明材料的表面为光滑面或粗糙面或被刻蚀各种几何图形的面或被压出各种几何图形的面，所述透明材料的上下表面的其中一面涂有黄色荧光材料、另一面涂有红色荧光材料。
9.根据权利要求1所述高显色指数大功率LED封装结构，其特征在于上述高导热基板（1）上设置有绝缘层A（7），所述绝缘层A（7）上设置有电路层（8），所述电路层（8）上设置有绝缘层B（9）和接线柱（10），上述大功率LED芯片（3）通过导线（12）与所述接线柱（10）电连接，所述绝缘层B（9）上设置有一个圆环形圈（13），所述圆环形圈（13）为铝或树脂等材料。
10.一种高显色指数大功率LED封装结构的制造方法，该方法用于制造如上述任一权利要求所述高显色指数大功率LED封装结构，其特征在于包括如下步骤：
A、在高导热基板（1）上开设盲孔（11）
B、在高散热材料块（2）上涂布高导热粘结剂（5），然后将高散热材料块（2）放入盲孔（11）内，并施加一定的压力使高散热材料块（2）通过高导热粘结剂（5）与高导热基板（1）粘合为一体
C、在盲孔（11）上半部分的表面上镀一层银层（6），并在高导热基板（1）位于盲孔（11）开口外侧的表面上由下往上依序设置绝缘层A（7）、电路层（8）、绝缘层B（9）和圆环形圈（13），并在电路层（8）上设置接线柱（10）
D、将大功率LED芯片（3）通过银浆贴合在高散热材料块（2）位于盲孔（11）内的表面上，并在大功率LED芯片（3）与接线柱（10）之间设置导线（12）
E、向盲孔（11）内填充硅胶（42），当硅胶（42）满至圆环形圈（13）的开口时，将一块透明光转换材料（43）放置到圆环形圈（13）的开口处，并将透镜（41）盖置在圆环形圈（13）的开口上，然后向透镜（41）与透明光转换材料（43）之间形成的空腔内灌装硅胶（42），即制成高显色指数大功率LED封装结构。
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