CN107246596A

CN107246596A - 用于led芯片的散热装置以及使用该装置的led光源

Info

Publication number: CN107246596A
Application number: CN201710467660.4A
Authority: CN
Inventors: 王华涛; 王杰; 王一杰; 钟博
Original assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2017-10-13
Anticipated expiration: 2037-06-20
Also published as: CN107246596B

Abstract

本发明公开了用于LED芯片的散热装置以及使用该装置的LED光源。其中，散热装置包括设于LED芯片底面的导热基板、设于LED芯片顶面的透明导热片，透明导热片覆盖LED芯片顶面，其面积大于或等于LED芯片顶面的面积，并且在透明导热片与所述导热基板之间设有第一导热材料。该散热装置可实现LED芯片的顶面和底面同时散热，有效提高了散热效率。

Description

用于LED芯片的散热装置以及使用该装置的LED光源

技术领域

本发明涉及LED光源领域，具体地涉及用于LED芯片的散热装置以及使用该装置的LED光源。

背景技术

目前LED光源已广泛应用于各个照明领域，具有体积小、耗电低、亮度高等优势。随着LED的普及以及对其功率的需求，LED显示出其优越的性能，尤其是道路、隧道、汽车等照明需要较大的功率，相应产生的热量也更多。因此，散热便成为一大问题，如果热量不能及时散发出去，则会导致 LED 芯片的光衰减，降低发光效率。据有关数据表明，温度每上升10摄氏度，寿命下降一半，严重时甚至会使 LED 失效，因此，高效率的散热装置，是提升LED寿命的关键。

中国申请专利CN104214739A公开了一种大功率LED散热装置，其在LED光源底面贴覆导热基板，在LED光源与基板之间设置单层石墨烯基界面，并在LED光源底面与单层石墨烯基界面的接触界面上填充石墨烯与导热胶粘剂的复合层。该方案利用单层石墨烯基界面将LED光源产生的热量传导给基板，提高散热效率。

然而，这种方案有比较明显的缺点：该方案仅在LED光源的底面设置散热***，而未对顶面（发光面）进行处理。在LED光源工作时，聚集在顶面的热量缺乏快速、有效的散热手段，仍会导致热量积聚，影响LED的散热。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了用于LED芯片的散热装置以及使用该装置的LED光源。

根据本发明的一个方面，提出了一种LED芯片的散热装置，所述装置包括：设于LED芯片底面的导热基板，设于LED芯片顶面的透明导热片，所述透明导热片覆盖LED芯片顶面，其面积大于或等于LED芯片顶面的面积，并且在所述透明导热片与所述基板之间设有第一导热材料。

进一步地，所述透明导热片为无色透明单晶氧化铝 (Al₂O₃)、无色透明多晶氧化铝(Al₂O₃)、无色透明单晶碳化硅 (SiC)、无色透明单晶氧化镁 (MgO)、无色透明镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)、无色透明尖晶石型氮氧化铝(AlON)、无色透明氧化钇陶瓷（Y₂O₃）、无色透明钇铝石榴石（Y₃Al₅O₁₂）或金刚石单晶片。

进一步地，所述透明导热片的透光率大于95%，热导率大于5W/(m·K)，厚度为0.1-5mm。

进一步地，在所述透明导热片与LED芯片顶面之间，设有第二导热材料。

进一步地，在LED芯片底面与所述导热基板之间，设有第三导热材料。

进一步地，在所述第一导热材料与所述透明导热片之间，设有第四导热材料。

进一步地，在所述第一导热材料与导热基板之间，设有第五导热材料。

进一步地，所述第一导热材料为高导热且具有一定柔性的材料，包括热解石墨膜、膨胀石墨膜、石墨烯膜、碳纳米管膜、复合导热石墨膜、铝箔、铜箔等，厚度为10-500微米，热导率大于150W/(m·K)。

进一步地，所述第二导热材料为透明导热胶，厚度5-50微米，透光率超过95%。

进一步地，所述第三导热材料为导热胶、导热脂或者金属基导热垫片，厚度10-500微米。

进一步地，所述第四导热材料和/或第五导热材料为导热胶或者导热脂，厚度10-500微米。

根据本发明的另一方面，提出了一种LED光源，包括：LED芯片，和上述任意一种方案的散热装置。

本发明提出的用于LED芯片的散热装置以及使用该装置的LED光源，与现有技术相比具有以下优势：使用透明导热片与第一导热材料在LED芯片的顶面构成导热***，在不影响发光的基础上实现芯片两面同时散热，比现有的单面（底面）散射***更有利于热量的散失，可有效提高器件的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的散热装置结构示意图。其中，1为第一导热材料，2为第二导热材料，3为第三导热材料，4为第四导热材料，5为第五导热材料，6为LED芯片，7为导热基板，8为透明导热片。

图2为本发明的散热装置结构的局部放大示意图。其中， 2为第二导热材料，3为第三导热材料， 6为LED芯片， 8为透明导热片。

图3为本发明不同实施方式的散热装置的温度变化曲线。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必釆用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着，结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。以下参考附图对本发明进行具体描述。

在以下结合附图对本发明的技术方案进行的描述中，附中各个元素的尺寸、比例及位置关系只是示例性的，所图示的各元件之间的连接方式也只是为了进行说明，其均不用于限制本发明。

实施例1

参照图1，使用的LED芯片6为欧司朗成品LED芯片（型号：LE UW D1W5 01），芯片面积2cm×2cm，额定功率11W。单晶氧化铝透明导热片8的厚度为300微米，面积为2cm×2cm，热导率23W/(m·K)。选择热解石墨膜作为第一导热材料1，厚度为40微米，尺寸为10cm×10cm，热导率大于500W/(m·K)。

在LED芯片6底面（下表面）设置导热铝基板7，在LED芯片6顶面（上表面）设置单晶氧化铝透明导热片8。具体组装工艺包括如下步骤：

（1）单独成型带有翅片的导热铝基板7；

（2）透明导热片8与LED芯片6顶面之间设第二导热材料2，所述第二导热材料2为透明PET导热胶，厚度10微米；

（3）LED芯片6与导热铝基板7之间设第三导热材料3，所述第三导热材料3为导热硅脂，厚度80微米，热导率2W/(m·K)；

（4）选择热解石墨膜作为第一导热材料1，裁剪并使其中间镂空，中间镂空的面积小于透明导热片8的面积，但不遮盖LED芯片6的发光部分，这样可以使热解石墨膜不阻挡LED芯片发光，并且保证热解石墨膜的镂空区域边缘可与透明导热片的边缘充分接触实现良好的热传导。石墨膜的四周可以是任意形状，但能够与导热铝基板7接触。为进一步提高热传导效率，在第一导热材料1与透明导热片8的边缘之间施加第四导热材料4（导热胶，厚度5微米），在第一导热材料膜1与导热铝基板7之间施加第五导热材料5（导热胶，厚度5微米）；

（5）上述单晶氧化铝透明导热片8、第一导热材料1、第二导热材料2、第三导热材料3、第四导热材料4、第五导热材料5和导热铝基板7进行装配得到LED芯片6的散热装置。

LED芯片6用直流电源驱动，采用恒流模式，工作电流0.622A。在距离LED芯片4cm、6cm、8cm和10cm处测量照度分别为20500流明、40900流明、88600流明和145800流明。发光2000秒后测量LED芯片6的温度达到极值，为99.7°C，并且随时间延长LED芯片6的温度基本保持恒定。

对比例1

LED芯片6的散射装置结构基本与实施例1同，但不使用如下材料：单晶氧化铝透明导热片7，第一、第二、第四和第五导热材料。具体地，

使用的LED芯片6为欧司朗成品LED芯片（型号LE UW D1W5 01，与实施例1完全相同），芯片面积2cm×2cm，额定功率11W。LED芯片6与导热铝基板7之间设有第三导热材料3，所述第三导热材料3为导热硅脂，厚度80微米，热导率2W/(m·K)。第三导热材料3和导热铝基板7进行装配得到LED芯片6的散热装置。

LED芯片用直流电源驱动，采用恒流模式，电流0.622A。在距离LED芯片4cm、6cm、8cm和10cm处测量照度分别为18700流明、37800流明、77200流明和128000流明。发光2000秒后测量LED芯片6的温度达到极值，为107.9°C，并且随时间延长LED芯片6的温度基本保持恒定。

实施例2

使用的LED芯片6为欧司朗成品LED芯片（型号LE UW D1W5 01，与实施例1完全相同），芯片面积2cm×2cm，额定功率11W。透明导热片8为单晶碳化硅，其厚度为400微米，大小为2cm×2cm，热导率300W/(m·K)。第一导热材料1为热解石墨膜，厚度为40微米，尺寸为10cm×10cm，热导率大于500W/(m·K)。

在LED芯片6底面（下表面）设置导热铝基板7，在LED芯片6顶面（上表面）设置单晶碳化硅透明导热片8。具体组装工艺包括如下步骤：

（1）单独成型带有翅片的导热铝基板7；

（2）透明导热片8与LED芯片6顶端之间设有第二导热材料2，所述第二导热材料2为透明PET导热胶，厚度10微米；

（3）LED芯片6与导热铝基板7之间设有第三导热材料3，所述第三导热材料3导热硅脂，厚度80微米，热导率2W/(m·K)；

（5）通过单晶碳化硅透明导热片8、第一导热材料1、第二导热材料2、第三导热材料3、第四导热材料4、第五导热材料5和导热铝基板7进行装配得到LED芯片6的散热装置。

LED芯片6用直流电源驱动，采用恒流模式，工作电流0.622A。在距离LED芯片4cm、6cm、8cm和10cm处测量照度分别为30100流明、51600流明、100300流明和191600流明。发光2000秒后测量LED芯片6的温度达到极值，为85.3°C，并且随时间延长LED芯片6的温度基本保持恒定。

上述实施例和对比例中，三种LED芯片散热装置不同距离处测量得到的照度数据结果如表1所示。绘制实施例1、实施例2和对比例1的温度变化曲线如图3所示。

表1. 三种LED芯片散热装置不同位置处的照度，单位：流明

材料	4cm	6cm	8cm	10cm
					氧化铝单晶片+导热铝基板	20500	40900	88600	145800
碳化硅单晶片+导热铝基板	30100	51600	100300	191600
					仅有导热铝基板	18700	37800	77200	128000

在导热铝基板7和第三导热材料3之外，单晶氧化铝/单晶碳化硅透明导热片8、第一导热材料及相关第二、第四、第五导热材料在LED芯片6的顶面构成顶面导热***。通过对比可见：

（1）启动后至工作温度的约1000s时间内，包含顶面导热***的LED芯片的升温速率（即曲线斜率）小于不含顶面导热***的LED芯片；

（2）包含顶面导热***的LED芯片与不含顶面导热***时相比，工作温度更低、相同距离处照度更强；

（3）单晶碳化硅透明导热片比单晶氧化铝透明导热片的热导率更高，这使得实施例2装置的升温速度比实施例1装置更小、工作温度更低、相同距离下照度更强。

以上现象表明：顶面导热***可使LED芯片的热量经由该***有效传导至导热铝基板，与仅包含底面散热***时相比，其热量累积速度更慢、LED芯片温度更低，LED芯片的发光性能和使用寿命都得以提高。

需要指出的是，第二导热材料、第三导热材料、第四导热材料和第五导热材料对于构建LED芯片的顶面***都不是必需的，均非本发明技术方案之必要技术特征。在实施例1、2中，设置上述第二、第三、第四和第五导热材料的目的，仅仅在于提高LED芯片、透明导热片、导热铝基板和第一导热材料之间的热传导效率，从而进一步改善***的整体散热性能，不应理解为对本发明技术方案的限制。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims

1.一种LED芯片的散热装置，包括：

设于LED芯片底面的导热基板；

设于LED芯片顶面的透明导热片；

所述透明导热片覆盖LED芯片顶面，其面积大于或等于LED芯片顶面的面积，并且

在所述透明导热片与所述基板之间，设有第一导热材料。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述透明导热片为无色透明单晶氧化铝 (Al₂O₃)、无色透明多晶氧化铝 (Al₂O₃)、无色透明单晶碳化硅 (SiC)、无色透明单晶氧化镁 (MgO)、无色透明镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)、无色透明尖晶石型氮氧化铝(AlON)、无色透明氧化钇陶瓷（Y₂O₃）、无色透明钇铝石榴石（Y₃Al₅O₁₂）或金刚石单晶片。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述透明导热片的透光率大于95%，热导率大于5W/(m·K)，厚度为0.1-5mm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

在所述透明导热片与LED芯片顶面之间，设有第二导热材料。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

在LED芯片底面与所述导热基板之间，设有第三导热材料。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

在所述第一导热材料与所述透明导热片之间，设有第四导热材料。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

在所述第一导热材料与导热基板之间，设有第五导热材料。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的装置，其特征在于：

所述第一导热材料为高导热且具有一定柔性的材料，包括热解石墨膜、膨胀石墨膜、石墨烯膜、碳纳米管膜、复合导热石墨膜、铝箔、铜箔等，厚度为10-500微米，热导率大于150W/(m·K)。

9.根据权利要求4或8所述的装置，其特征在于：

所述第二导热材料为透明导热胶，厚度5-50微米，透光率超过95%。

10.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于：

所述第三导热材料包括导热胶、导热脂或金属基导热垫片，厚度10-500微米。

11.根据权利要求1或6或7所述的装置，其特征在于：

所述第四导热材料和/或第五导热材料为导热胶或导热脂，厚度10-500微米。

12.一种LED光源，包括：

LED芯片；和

根据权利要求1至11任意一项所述的散热装置。