CN201853747U - Led的导热及散热结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种LED的导热及散热结构，包括由多根导热线或纤维与绝缘材料结合形成的复合材料导热基板，导热线或纤维间隔分布且贯通复合材料导热基板的正面与背面，各导热线或纤维间被绝缘材料隔开；复合材料导热基板的正面上结合有电极焊垫以与LED构件的电极接脚形成电连接，还结合有导热焊垫以与LED构件的LED组件的热沉部位形成导热接触；复合材料导热基板的背面结合有与电极焊垫的位置对应的绝缘层。本实用新型的LED的导热及散热结构可通过简易的结构达到厚度方向高导热但平面方向绝缘的特性，从而能快速地将热传导至散热构件。本实用新型可用于高亮度LED照明产品。

Description

LED的导热及散热结构

技术领域

本实用新型涉及一种LED(发光二极管)的导热及散热结构；特别是一种采用金属或碳材料的导热线或纤维与绝缘性材料形成厚度方向高导热但平面方向绝缘的高导热基板结构。

背景技术

在LED的实际使用上，其电能与光能的转换效率仍偏低，导致其工作时会产生热能，其中对于高亮度使用的高功率LED而言，产生的热量更高，如果不能将热量导出，LED的温度会因此升高，进而产生色偏现象，最终致使LED劣化而无法工作。

散热一直是LED的设计重点，其主要经由导热材料将热能传导至热能交换器，再经由热能交换器的大表面将热能散至空气中；所述热能交换器通常为由铝挤压或压铸成的鳍片，利用铝材的高热传性将热能传送至鳍片表面，再由鳍片表面与空气进行热交换。在照明用的产品上，通常需以多个LED组成光源，因此需设计一个组装多个LED的模块结构，且需要有一电路基板焊接多个LED与电源电路，更需要具有足够的导热能力，以将LED的热能传导至热交换器，避免基板温度升高而导致组件损坏。

LED应用所需的热传导设计，一般包括有芯片封装与模块结构两部分，二者均有一基板负责连接LED电极并将其产生的热能导出。芯片封装部分的基板作为LED芯片的载板，以获得较高的热传导特性，基板使用高导热且绝缘性的材料如氧化铝与氮化铝、镀金刚石膜的金属基板、含铝的碳化硅或金刚石复合材料等，如专利JP2000297301、JP2000303126、TW224873、JP2003073169等所揭示。另外，为获得较高的接口接触紧密程度，使接口产生的热阻降低，可直接在半导体基材制作导热层，或利用导热层的复合设计以减少热应力，如专利US2005070048、JP2005072069、JP2006060247、JP2006190705、US708359等所揭示。另外，为使热量快速导出基板外，也有在基板上制作贯通孔，之后在贯通孔中填充高导热性材料如金属胶的方法，如专利JP2002289747、JP5090437、US2006006524等所揭示。又有LED芯片的电极焊垫以金属片焊接、利用金属片的高导热将热量导出的方法，如专利JP2009266972、JP2009194277、JP2009188308等所揭示。由于芯片封装的基板尺寸小，可使用绝缘性与导热性均高的陶瓷材料，配合贯通孔制作热传导途径，使封装后的LED具有高热传导的结构。进一步的芯片散热可经由连接于芯片底部的热传导焊点导出，如专利US20100110692、US20070176182所揭示。

封装完成的LED具有端电极或金属电极脚与导热接点，以提供LED在电路基板组装时的焊接电极与导热接点，经电路基板进行电连接与热量导出。电路基板上一般有多个LED，尺寸比芯片封装使用的基板大，使用纯陶瓷的基板会有机械强度上的问题，较常使用的为印刷电路板。印刷电路板为酚醛树脂与玻纤材料，其热传导系数一般低于0.5W/m⁰K，对功率高的应用会有温升问题。为提高基板热传导效果，一般是采用两面覆盖绝缘层的金属基板，如专利US20080057333、JP2004047863、US2009151982、US20080190542、JP2009123980、JP2008159827所揭示。另有使用结晶性的高分子配合热硬性与热塑性有机材料的基板，其中含高导热性的粉体或纤维如金属或氮化物等，如专利US2008057333、JP2008060535、JP2006165158、JP2154049、JP2004165421、KR20080028258、US2008073623、JP2008081722等所揭示，均利用高分子的结晶性提高材料的热传导性。但使用高分子有机材料制作的基板，受限于有机材料本身热传导性较低的因素，使得此类材料制作的基板，其热传导系数不易达到5W/m⁰K。陶瓷材料比有机材料具有较高的导热性能，使用多孔质陶瓷、在孔洞中充填高导热材料的技术如专利US20090290362、JP2007173536等所揭示，可以获得比传统有机材料基板高的热传导效果。

LED的基板有电极的导电与导热接点的导热两部分要求，虽然金属材料具有高导热性，但在金属基板上直接焊接电极会造成短路，所以金属表面必须设有电绝缘结构。绝缘材料除金刚石与氮化物外，导热特性均不佳，其耐机械冲击性也差，所以若直接使用高导热性绝缘材料基板，会有成本高与机械承受力差的问题。若以印刷电路板为基板，成本虽低但热传导性差，无法适用于高亮度的照明用途。若使用金属基板表面镀绝缘膜的方式，因受限于镀膜的热传导性不佳的因素，故整体复合基板的热传导性相对较差。高功率LED照明产品的市场需求大，要普及化运用的LED成本必须降低；因此，兼具低成本与高导热性，且其表面可直接作LED电极焊垫的基板结构，成为相关技术研发的重要方向。

有鉴于此，发明人基于多年从事相关产品的制造开发与设计经验，针对上述目标，详加设计与审慎评估后，终得确具实用性的本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的主要目的，是提供一种LED的导热及散热结构，其针对如何研发出一种更具理想实用性的新式LED散热结构；

本实用新型的技术特点，主要包括：一复合材料导热基板，为由多根导热线或纤维与绝缘材料结合构成的板状体，其具有一正面及背面，所述导热线或纤维间隔分布，且导热线或纤维贯通该正面与背面，各导热线或纤维之间则被绝缘材料隔开；LED构件，结合于复合材料导热基板的正面，所述LED构件包括LED组件及电极接脚；电极焊垫，结合于复合材料导热基板的正面，且与LED构件的电极接脚电连接；绝缘层，结合于复合材料导热基板的背面，且其位置与电极焊垫所在的位置相对应；导热焊垫，结合于复合材料导热基板的正面，且与LED构件的LED组件的热沉(heat sink)导热接触；通过上述设计，使本实用新型对先前技术而言，大致可达到如下优点：

LED的导热及散热结构得以通过简易结构达到厚度方向高导热但平面方向绝缘的特性，能快速将热传导至散热构件，同时又兼具应有的电路绝缘性，本实用新型可提供高亮度LED照明产品的一个相当具实用性且符合较佳产业经济效益的散热结构。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

第1图：本实用新型较佳实施例的组合立体图。

第2图：本实用新型复合材料导热基板通过固定夹具形成组合状态时的示意图。

第3图：本实用新型复合材料导热基板的立体示意图。

第4图：本实用新型的复数个LED构件组合于一个复合材料导热基板时的示意图。

第5图：本实用新型复合材料导热基板应用于LED芯片封装的实施例的俯视图。

第6图：本实用新型复合材料导热基板应用于LED芯片封装的实施例的侧视图。

具体实施方式

图1至图3所示，是本实用新型LED的导热及散热结构的较佳实施例，但此实施例仅供说明，专利保护范围并不受此结构的限制；所述LED(发光二极管)的导热及散热结构包括：

一复合材料导热基板10，是由多根导热线101或纤维与绝缘材料102相结合形成的板状体，其具有一正面11以及一背面12，其中所述导热线101或纤维彼此间隔分布，且所述导热线101或纤维贯通该正面11与背面12，各导热线101或纤维间则被绝缘材料102隔开；

至少一LED构件20，结合于该复合材料导热基板10的正面11，所述LED构件20包括LED组件21以及电极接脚22；

电极焊垫30，由导电材料构成，结合于该复合材料导热基板10的正面11，且与LED构件20的电极接脚22电连接；

绝缘层40，结合于该复合材料导热基板10的背面12，且其位置与电极焊垫30所在的位置相对应，由此避免复合材料导热基板10与金属散热构件60连接时，产生电极焊垫30间的短路，其中所述绝缘层40由含有陶瓷粉体的绝缘性树脂材料印制形成；

导热焊垫50，由导热材料构成，结合于该复合材料导热基板10的正面11上，且与LED构件20的LED组件21的热沉(heat sink)24部位导热接触。

其中，该复合材料导热基板10的背面12组合有一散热构件60；该散热构件60为由铝、铜、石墨中的任意一种构成的散热鳍片。

其中，该复合材料导热基板10通过固定夹具13配合螺栓14与散热构件60组合在一起，以降低复合材料导热基板10与散热构件60间的空隙，且由于固定夹具13具有弹性，可避免复合材料导热基板10与散热构件60间因热产生应力破坏，从而避免固定位置的松脱；而更重要的一个优点是，由于采用所述固定夹具13，使得复合材料导热基板10可无须钻设螺栓孔，故可利用面积能够增加，再加上所述复合材料导热基板10散热良好的特点，故LED构件20将可尽量布满。

其中，各导热线101或纤维彼此间相互平行地间隔分布，使LED构件20沿导热线101或纤维方向导热与导电，但平面方向绝缘，由于复合材料导热基板10在平面方向绝缘不导电，故可直接于复合材料导热基板10上制作电极焊垫30，不会产生焊垫间短路的情形。

其中，所述导热线101或纤维为直径介于0.05mm至0.5mm之间的金属或碳材料的线体或纤维体。

其中，该复合材料导热基板10的绝缘材料102是热固性或热塑性树脂绝缘材料、绝缘性的陶瓷或玻璃材料等中的任意一种，所述绝缘材料102的电阻系数高于10⁹Ω.cm。

其中，所述电极焊垫30与导热焊垫50由溅镀或电镀金属膜或印制锡膏中的任意一种构成，由于所述锡膏可直接印制在复合材料导热基板10上，通过加热锡焊工艺，即可将电极焊垫30、导热焊垫50与复合材料导热基板10稳定接合；且介于电极焊垫30与导热焊垫50之间的复合材料导热基板10表面上可充填绝缘性的导热胶，进一步将LED构件20的热量传送至导热线101或纤维。

其中，所述导热焊垫50的面积为电极焊垫30的面积的2至5倍，使得导热焊垫50下覆盖的导热线101数目增加，以增加热量传导的途径，达到提高导热至散热构件60的效果。

根据上述结构，就本实用新型的使用运作情形说明如下：

所述LED构件20的LED组件21所产生的热能传导至导热焊垫50，并通过该导热线101或纤维与散热构件60接合，即可快速地将热传导至散热构件60，经由散热构件60的高表面积将热交换到空气中，以达到散热目的；

如图4所示，为多组LED的导热及散热结构，所述LED构件20之间的导电连接通过外接导线23进行，并以跳线的方式制作，而不另外在复合材料导热基板10上制作引线图样，由此可利用金属材料的跳线传导部分热量到空气中，增加LED的散热效果。

下述是关于复合材料导热基板10的制作说明：可将导热线101如金属或碳纤集中成束，以绝缘性的树脂材料灌注充填在导热线间，树脂干燥固化后形成内含成束导热线的树脂棒材，再经切割工艺使树脂棒材成为片状，即得到如本实用新型所揭示的含有彼此平行的导热线101或纤维的复合材料导热基板10。另一种复合材料导热基板10的制作方法是，使用预成型的含有彼此平行的孔洞的陶瓷或玻璃板材，经烧结后成为具有彼此平行孔洞的致密性陶瓷或玻璃板，再于孔洞中灌注金属液或石墨涂料形成导热线材，完成复合材料导热基板10的制作。

其中，所述LED组件21可为由一电极层加以封装而成的组件或尚未封装的芯片(chip)等中的任意一种；如图5、图6所示，本实施例中，该LED组件21直接以锡膏或打线方式固定于具有电极焊垫30及导热焊垫50的复合材料导热基板10上，并在该复合材料导热基板10上制作接脚15，并于导热基板10背面以锡膏41连接金属块作为热沉，再以封装材料(molding compound)或封装盒(package encapsulation)将整体结构封装，以形成预定的LED成品。在本实施例中，该复合材料导热基板10背面12所结合的两绝缘层40之间对应导热焊垫50的位置处结合有锡膏41，以连接下方散热构件60而获得较佳的热传效果。

本实用新型相比现有技术的效果改善如下：

本实用新型所揭示的“LED的导热及散热结构”主要由所述复合材料导热基板、LED构件、电极焊垫、绝缘层及导热焊垫所构成，由此，即可令LED的导热及散热结构得以通过简易结构达到厚度方向高导热但平面方向绝缘的结构特性，能快速将热传导至散热构件，同时又兼具应有的电路绝缘性，本实用新型将可提供高亮度LED照明产品的相当具实用性且符合较佳产业经济效益的散热结构。

本实用新型可产生如下新效果：

1、利用导热线或纤维形成厚度方向高导热平面方向高绝缘的复合材料基板，解决高导热与高绝缘不易在同一基板实现的问题。

2、所述复合材料导热基板通过固定夹具配合螺栓与散热构件形成组合，由此，降低复合材料导热基板与散热构件间的空隙，且由于固定夹具具有弹性，故可避免复合材料导热基板与散热构件间因热产生应力破坏，从而避免固定位置的松脱。

3、由于所述电极焊垫与导热焊垫为溅镀或电镀金属膜或印制锡膏中的任意一种，故所述锡膏可直接印制在复合材料导热基板上，通过加热锡焊工艺，即可将电极焊垫、导热焊垫与复合材料导热基板稳定接合。

4、由于所述导热焊垫的面积为电极焊垫的面积的2至5倍，故导热焊垫下覆盖的导热线数目增加，可增加热量传导的途径，达到增加导热至散热构件的效果。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围的内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种LED的导热及散热结构，包括：

一复合材料导热基板，是由多根导热线或纤维与绝缘材料相结合构成的板状体，其具有一正面以及一背面，其中所述导热线或纤维间隔分布，且所述导热线或纤维贯通所述正面与背面，各导热线或纤维间被绝缘材料隔开；

至少一LED构件，结合于所述复合材料导热基板的正面，所述LED构件包括LED组件以及电极接脚；

电极焊垫，由导电材料构成，结合于所述复合材料导热基板的正面，且与所述LED构件的电极接脚形成电连接；

绝缘层，结合于所述复合材料导热基板的背面，且其位置与所述电极焊垫所在的位置相对应；

导热焊垫，由导热材料构成，结合于所述复合材料导热基板的正面，且与所述LED构件的LED组件的热沉导热接触。

2.根据权利要求1所述的LED的导热及散热结构，其中所述复合材料导热基板的背面组合有一散热构件，所述散热构件是由铝、铜、石墨中的任意一种材料构成的散热鳍片。

3.根据权利要求2所述的LED的导热及散热结构，其中所述复合材料导热基板通过固定夹具和螺栓与散热构件组合在一起。

4.根据权利要求1所述的LED的导热及散热结构，其中各所述导热线或纤维彼此相互平行。

5.根据权利要求1所述的LED的导热及散热结构，其中所述导热线或纤维为直径在0.05mm至0.5mm间的金属或碳材料的线体或纤维体。

6.根据权利要求1所述的LED的导热及散热结构，其中所述复合材料导热基板的绝缘材料是热固性或热塑性的树脂绝缘材料、绝缘性的陶瓷或玻璃材料中的任意一种，所述绝缘材料的电阻率高于10⁹Ω.cm。

7.根据权利要求1所述的LED的导热及散热结构，其中所述电极焊垫与导热焊垫由溅镀或电镀金属膜或印制锡膏中的任意一种构成。

8.根据权利要求1所述的LED的导热及散热结构，其中所述导热焊垫的面积为电极焊垫的面积的2至5倍。

9.根据权利要求1所述的LED的导热及散热结构，其中所述绝缘层由含陶瓷粉体的绝缘性树脂材料构成。

10.根据权利要求1所述的LED的导热及散热结构，其中所述LED组件为电极层封装组件或尚未封装的芯片；所述LED组件以锡膏或打线方式固定于所述复合材料导热基板上，并在所述复合材料导热基板上具有接脚，而所述复合材料导热基板背面以锡膏连接金属块作为热沉；而其整体结构被封装材料或封装盒封装。

Images