TW201226797A - LED light module and LED chip - Google Patents

Description

201226797 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明屬於LED技術領域，特別涉及降低LED光模組戋 LED芯片内導熱熱阻，並且提高其内電的絕緣強度的封農結構。 【先前技術】 - LED的一大應用是照明，LE：D照明被認為是人類下一代綠 色環保照明技術。但當前LED照明產品造價高，阻礙著其應用 普及’ LED照明產品造價高的根本原因是LED散熱造成。led 散熱過程包括：内部導熱傳熱和外部空氣對流(和輻射）傳熱， 本發明只涉及内部導熱傳熱。 * 現公開的LED芯片的内導熱傳熱熱阻佔整個傳熱熱阻非 气 常大的比例’現產品熱阻最低的也要達到6°C/W，如果再加上 鋁基板上的絕緣層熱阻，最小也要達到1(TC/W。這麼高的内 導熱熱阻’原因疋為解決芯片内電的絕緣問題所致，即使是前 述的那麼高的内導熱熱阻，其電的絕緣強度也是不到2〇〇〇V， 要得到更高安全的用電絕緣強度，熱阻還要增加。有提出採用 高導熱陶瓷片（如AIN陶瓷片）作LED芯片中的“熱沉”，可 以解決絕緣與傳熱之間的矛盾，但是AIN這類高導熱陶瓷，成 本造價高。 光源模組化、標準化是LED照明發展的必然方向，中國專 利（專利號ZL2009201340325，《一種LED燈芯及其LE：D照明 201226797 燈》）提出了採關錐形結構或錐形螺柱結構的導執芯，解決 了光源模组與燈具（散刻）之間的接觸熱阻問題。但沒有提 出解決從LED晶片到導熱芯（燈具）之_電絕緣與熱傳導之 【發明内容】 本發明的目的是針對以上所述的LED光模組以及芯片 内部導熱傳熱以及電的絕緣（特別是高電壓絕緣）問題，依據 傳熱學基本原理，提出—種新架構，不必選料貴帽之類 的南導熱喊’就可以實現高糕絕緣，滿足更高_電安全 要求’而内部導熱阻更低，整個造價顯著降低。 本發明的LED光模組的構成包括有：多顆⑽晶片、献擴 散板、外層概體、高壓崎Μ及導熱芯，導熱芯向外傳熱 的接觸傳熱面_ 了 _形結構或錐形螺柱結構。本發明的特 徵是：LED晶片設置在熱擴散板的—面，躺稱為熱擴散板的 A面，熱擴散板採用了銅雜質材料、或_複合材料，熱擴 散板的面積疋其上的LEDU面積之和的五倍以上熱擴散板 的厚度大於M_。高壓絕緣片設置在熱擴散板的另-面（該 面稱為B面）與導齡的—端面（也就是導熱芯的熱量導入 面’稱為吸熱面）之間；高壓絕緣片制了燒結絲的陶变片， 該陶变片的厚度不小於〇· 15fflm ;外層絕緣體圍著熱擴散板邊 緣側壁’並與高壓絕緣片树接，外層絕緣體與紐絕緣片一 201226797 起將熱擴散板包圍絕緣隔離。 導熱芯採用圓錐形結構或錐形螺柱結構，有效解決了光模 組與散熱片之間的接觸熱阻，中國專利（專利號 ZL2009201340325，《-種LED燈芯及其照明燈》）中有詳 細的解說。 從LED晶片到導熱芯（散熱片）導熱熱阻主要是由於led 晶片面積小，形成高熱流密度所致。導熱溫差（即熱阻）與熱 流密度和導熱距離成正比，與材料導熱係數成反比。絕緣材料 導熱係數低（除Am之_高導_:£)，_她要小數十 L lxlmm大小的曰曰片’ iw發熱功率，其熱流密度就到胸/出2, 採用現產品結構’制〇. 15mm厚氧魅㈣（導熱係數 2〇W/m · h)作絕緣片，晶片直接設置在該陶究片上，絕緣強度 可達1500V，但導熱溫差就要達到7. ye。 本發明中’將晶片設置在銅或蹄的熱擴散板上，承擔高 電壓絕緣的高壓絕剌則設置在熱擴散板與導熱芯之間。同樣 是lxlnrni，1W發熱功率的晶片，〇. 15麵厚氧化鋁陶瓷作高壓 絕緣片，即囉的絕緣強度’但是高熱流密度賴擴散板後， 熱流密度下降’若密度降低5倍，則高壓絕緣片上的導熱 溫差就可降低到1. 5〇C，熱阻降低非常顯著。本發明的設計思 想是··先不考慮LED晶片與熱擴散板之間的絕緣（高電壓絕 緣）’首先是降低熱流密度，再實施高電壓絕緣，就可有效降 低内導熱熱阻。採用金屬導電材料製成的熱擴散板與晶片之間 201226797 無絕緣或絕緣強度低，因而熱擴散板的高電壓絕緣就成了主要 問題。 本發明中的熱擴散板’雖然與現產品的熱沉的傳熱過程類 似，但本發明首次明確強調其最重要作用——熱擴散作用，因 而稱之為熱擴散板，當今LED行業普遍都不清楚熱擴散的概念 及其重要性。由於銅和鋁的導熱係數高，價格低，因而首選銅 質材料或鋁制材料、或銅鋁複合材料製作熱擴散板。 作為熱擴政作用的熱擴散板不僅要採用導熱性高的材 料’其面積和厚度也要足夠A。熱擴散板的面積應是其上的 晶片面積之和的五倍以上，設計時最好選十倍以上；熱擴 散板的厚度應大於〇. 4mm，果晶片為lxlmm，iw，熱擴散板 的厚度應達到1. 0麵以上’其目的和作用就是使熱量在熱擴散 板内有效擴散’降低熱流密度。 LED晶片最好是直接焊接在熱擴散板上，因為LED晶片與 熱擴散板結合處熱流密度最高，結合面的材料（焊料或黏勳 的導熱係數要盡可能高，金屬材料的導熱係數高，比如錫的導 熱係數為_/m.K，數倍地高於導熱黏膠（比如轉）。 燒結的陶究片，緻密、絕緣強度高，導熱係數高，因 而本發明選用燒結成韻喊片作為高壓絕緣片。氧她陶曼 片’是電子元件中最常用的陶曼基片，造價低，導敎係數高， 96氧化铭随的導熱係數可達·m.K，因而是首選的高壓 絕緣片材料。 201226797 本發明中提出高壓絕緣片_以的厚度不小於 〇· 15刪’-是從製造工藝難度方面考慮，太薄的陶曼片不容易 生產’易破碎；二是從絕緣強度方縣考慮，希望有絕緣強度 達到1500V以上。南的絕緣強度，有利於減化驅動電源，比如 採用非隔離式驅動電源，就可降低驅動電源的成本。 高壓絕緣片可以設計成解熱芯焊接（或黏接）成一體的 部件，也可以與熱擴散板焊接（或黏接）成一體的部件。依據 該第二種設計，本發明又提出—種⑽芯片，包括有多顆 ，片、熱擴散板、外層絕緣體以及高壓絕緣片。其特徵是： 晶片設置在熱擴散板的A面，熱擴散板採用了銅或紹質材料、 或銅紹複合㈣，熱舰板的面積是其上的⑽晶片面積之和 的五倍以上’熱擴散板的厚度大於〇. 4麵。高壓絕緣片設置在 熱擴散板的b面；高壓絕、緣;i採用了燒結成糾喊片，該陶 究片的厚度不小於G. 15mm;外層絕緣體圍著熱擴散板邊緣側 壁，並與高壓絕緣片相連接。 下面結合®式和具體實施方式對本發_進—步說明。 【實施方式】 第！圖所示的本發明LED光模組，導熱芯5採用_形結 構，熱擴散板3為平板式結構，圖中示出兩顆⑽晶片卜設 計時應注意，單顆LED晶片功率不要太大，最好不要超過2瓦， 晶片在鋪餘上分佈魅輻細彡分散分佈。外層絕緣體 201226797 ^者熱擴散_細㈣她體4糊高壓絕緣片 絕緣隔Γ絕緣片一起將熱擴散板與導熱芯（或附近的導體） 古胸Γ起到祕絕緣伽，外層絕緣體的絕緣強度應高於 二，，_胃,，也可以是絕緣漆（或 膠），或絕緣部件與絕緣漆（或膠）組合。 高壓絕緣片與外層絕緣體是兩個部件，兩種材料，高壓絕 緣片厚度薄（-般不超過G.5fflm)，第2圖中所示結構，高壓 ，緣片2與外層絕緣體4結合處，絕緣強度低，很容易出現擊 穿現象。為加強高壓絕緣片與外層絕緣體結合處（也就是高壓 絕緣片的邊緣處）的絕緣強度’第2圖所示的本發日月光模組示 ^ 了一種結構：導姑5的吸熱面設計成凸起，时邊緣小於 碰絕緣片的邊緣’這樣就留有間隙，在間隙處填充絕緣膠 (漆）7，就可強化提高高壓絕緣片2邊緣處的絕緣強度。 第2圖所示本發明LED光模組，導熱芯5採用錐形螺柱結 構’设置有燈罩’並利用燈罩殼6作為外層絕緣體，與絕緣膠 (漆）7—起將熱擴散板3絕緣隔離。 第3圖所示的本發明LED燈芯，和第1圖所示的光模組區 別有：LED燈芯沒有導熱芯；為強化提高高壓絕緣片2邊緣處 的絕緣強度，第3圖所示的LE1D燈芯中’高壓絕緣片的邊緣大 於熱擴散板的邊緣，這樣就可以加大熱擴散板邊緣與散熱片 (導熱芯）等外設導體的爬電距離，自然就增加了絕緣強度。 設計時，高壓絕緣片的邊緣應大於熱擴散板的邊緣〇.5麵以 201226797 上，以保證足夠、可靠的絕緣強度。 第4圖所示的本發明LED燈芯，設置有定位片8,定位片 8上開有晶片嵌π，LED晶片1鑲嵌在晶片如中，並一起貼 附在熱擴散板3的A面，⑽晶片與熱擴散板的A面之間應該 採用焊接或黏接連接，最好是焊接，降低LED晶片與熱擴散板 之間的熱阻’疋位片採用了絕緣片製成，定位片上設置有電路 和引線焊盤’引線焊盤靠近⑽晶片上的電極焊盤，兩焊盤之 間的導通連接可_導線焊接連接，比如超聲波金線球焊，還 可以採用焊料焊接連接、導電膠黏接連接。第4圖中所示的定 位片上的引線焊盤與LED晶壯的電極焊盤之_導通連接 是通過導線9連通’即採料線焊接連接。 第4圖中示出了另—種強化提高高壓絕緣片邊緣處絕緣 強度結構，熱擴散板3的B面邊緣採用了烟結構，高壓絕緣 片2的邊緣大於熱擴散板3倒角的内側邊緣，如圖中所示，高 壓絕緣片與熱擴散板尺寸—致，由於有倒角，自然形成一三角 口’圖中還不出，在該三角口中填充有絕緣膠（漆）了，這樣 又進-步提高了熱擴散板在高壓縣#邊緣處的絕緣強度。 在第5圖所示的本發曰月⑽芯片中，強化提高高壓絕緣片 邊緣處的絕緣強度’ _ 了與第2 __結構，在熱擴散板 3的B面採用了凸起結構，與高壓絕緣片2緊貼的面（承擔傳 熱的面）祕，凸起的邊緣小於高舰緣片2的邊緣，因而在 熱擴散板3邊緣處與高觀緣片2邊緣處形賴隙，圖中示 201226797 ^在麵_填充魏緣膠（漆）？，這樣就可強化提高 高壓絕緣片邊緣處的絕緣強度。第5圖所示的咖^，也採 用了定位片8’定位片8上的引線焊盤與晶片上的電極焊盤之 間的導通連接通過焊料（或導電膠）1Q導通連接，即焊料焊 接導通連接、導電膠黏接導通連接。 LED晶片可分為兩類：―是襯底為導電體，pn結電極為l 接觸（Lateria卜contact，水準接觸）、簡稱為l型電極，比 如碳化矽襯底的LED晶片；另一是襯底為絕緣體，卯結電極 為V接觸（verticai-_act，垂直接觸），簡稱為㈣電極， 比如藍寶石襯底的LED晶片。如果LED晶片之間採用了串聯結 構’LED晶片又是直接接觸到熱擴散板上的金屬（銅或紹》 只能選用絕緣襯底的LED晶片，並且應採用正裝結構，第i圖、 第2圖、第3圖、第4圖、第5圖所示的結構方可以選用。如 果採用導電體襯底、或絕緣體襯底，倒裝式（也稱履晶式）結 構，LED晶片之間還是採用串聯式結構，則就應在熱擴散板3 的A面設置有絕緣層’因為考慮到LED晶片與熱擴散板的a面 之間的熱流密度咼，為降低該處的導熱熱阻，該處的絕緣層厚 度應该薄，該處的絕緣強度低，則就稱此為低壓絕緣層。 採用氣相沉積工藝生成的陶瓷膜，比如金鋼石、Sic、AlN、 BN、BeO、AhO3等陶瓷膜’緻密、絕緣性好、導熱性高，特別 是金剛石、SiC、AIN、BN、BeO為高導熱性陶瓷，可用于本發 明中的熱擴散片A面上的低壓絕緣層。氣相沉積工藝包括有物 201226797 理氣相積（PVD)和化學氣相沉積（VGD)，這兩種工藝都可 用于製造本發明中的低壓絕緣層。 氣相>儿積工藝雖然生成的陶瓷膜，緻密、導熱性高，但陶 竟膜的厚H (幾微米），成本高，特別是要得纟㈣壓上百伏 的陶竟膜（膜厚度要達到1〇M以上），成本就更高。採用陽 極氧化工藝，直接從熱擴散板表面上的金屬触長出氧化銘 膜’作為低壓絕緣層’雖然生成的氧化叙膜的導熱性不如氣相 "L·積工藝製造的面，但成本低，容易制較厚麵，絕緣強度 達到100V以上。設計時，低壓絕緣層的氧化銘膜厚度應小於 5〇//m，控制該處的導熱熱阻。 雖然銅比紹貴，更不容易加工成型，但由於熱擴散板材料

用量非常少，外形簡單（片狀），製造容易，更重要的是LED 晶片的熱流密度高，職導熱性㈣更重要，目而熱擴散板應 首先選關。要想在鋪擴散料面生成陽極氧倾氧化減 緣層’就應採贿域合轉，麵板表面财―雜。熱擴 散片A面上的紹層厚度要薄，其厚度只要夠用於陽極氧化所需 的鋁厚即可。 第6圖所示的本發日月LED芯片，在熱擴散板3的A面設有 低麼絕緣層η ’可採聽相沉積工藝生成_細、或採用 陽極氧化直接從熱擴散板表面上的金伽生長出的氧化紹膜。 第6圖中還示出’ LED燈芯設有燈罩，利用燈罩外殼6作 為外層絕緣體，並採用了熱擴散板3的B面邊緣倒角結構，再 201226797 加填充絕緣膠（漆）7 ’以及高壓絕緣片2的邊緣大於熱擴散 板3的邊緣結構，來強化提高高壓絕緣片邊緣處的絕緣強度。 圖中不出’ LED晶片的電源引線12，穿過高壓絕緣片2，熱擴 政板3以及定位片8，電源引線12與定位片8上的電路相連 接（焊接）’並採用了絕緣套13，在熱擴散板3上，電源引線 12的穿孔處採用了倒角結構形成三角口填充有絕緣膠 (漆)7，強化該處的絕緣強度。 當抓用到裝式結構’如採用了定位片，引線焊盤在定位片 的表面時’ LED晶上的電鱗盤就應設置在LED晶片的側壁 上，採用焊料焊接，或導電膠黏接，實現定位片上的引線焊盤 與LED晶片上的電極焊盤之間的導通連接。第6圖中示出一 側的LED晶片1上的電極焊盤設有晶片的側壁上，適用於 晶片襯底為導電體的LED晶片。 本發明的LED光模組或led芯片中，包括有數多顆⑽晶 片採用串聯連接，如果某一顆LED晶片失效、斷路，則會影 響《亥光模組或aa>j的工作，因而可以在每顆，或多顆哪晶片 上並聯有斷路保護元件。第7圖示出了—種⑽晶片斷路保護 兀件的電路原理® ’當與之並聯的LED晶片失效，並且斷路 時’由於電壓升南，超過第7圖中的穩壓二極體14的穩定電 麼（该電Μ可設定為led正常工作賴的電麗15倍，或更高 點）’穩壓二極體14導通，觸發可控们5導通，因而電流就 繞過失效、斷路的led晶片，保證其他正常的LED晶片工作。 12 201226797 斷路保護元件可以設置在定位片的表面上，也可以採用類 似於第4、5、6圖中LE：D晶片鑲嵌於定位片中的鑲嵌結構，鑲 嵌在定位片中。在定位片上還可以設置有或鑲嵌有溫度感應元 件’用於保護UD晶片不超溫。比如採用PTC元件，當感應溫 度超過規定值時，關閉電流，又比如溫度感應元件為熱電偶， 熱電阻或熱敏電阻，探測到溫度信號送到驅動電源中，調節驅 動電流。定位片上還可以設置有或鑲嵌有其它保護元件（比如 防靜電元件）。 【圖式簡單說明】 第1圖是-種本發日月LED光模_特徵剖的意圖，導熱 芯為圓錐形結構出了本發明led光模組的基本結構特徵。 第2圖是-種本發日月LED光模_特徵剖面示意圖，;° 了-種強化提高高壓絕緣片_處絕緣強度的結構特徵。導 芯為錐形螺柱結構，並設置有燈罩。 …、 了

第3圖是-種本發日月LED芯片的特徵剖面示意圖 高壓絕緣片外邊緣大於熱擴散板結構，來強化提言古 J 邊緣處絕緣魅。 ^__片 第4圖是-種本發讎芯片的特徵剖面示意圖 定位片’ LED晶片鑲嵌在定位片中， °又置有 '、出了—種強化接古古 絕緣片邊緣處絕緣強度的結構特徵。 冋巧歷· 了 第5圖是一種本發明亂抑的特徵剖面示意圖’採用 201226797 熱擴散板的B面凸起結構，來強化提高高壓絕緣片邊緣處絕緣 強度。 第6圖是一種本發明LED芯片的特徵剖面示意圖，熱擴散 板的A面設置有低壓絕緣層。 第7圖是一種斷路保護元件的電路原理圖。 【主要元件符號說明】 1 晶片 2 高壓絕緣片 3 熱擴散板 4 外層絕緣體 5 導熱芯 6 燈罩殼 7 絕緣膠（漆） 8 定位片 9 導線 10 焊料或導電膠 11 低壓絕緣層 12 電源引線 13 絕緣套 14 穩壓二極體 15 可控矽

Claims (1)

1. 201226797 七 1 ' 曱凊專利範圍： 一種⑽光，包括：複數獅晶片⑴ _緣體⑷、賴_⑵錢_、（=;)熱 心⑸向外傳熱的接觸傳熱面採關錐形結構或錐形螺柱結 構，其特徵在於：賴擴散板⑶係制銅質勉質材料、 或她複合材料；該LED晶片⑴係設置在該熱擴散板⑶ 的A面’該熱擴散板的面積是其上的該㈣晶片面積之和的五 倍以上雜擴散板的厚度大於〇 4刪；該高壓絕緣片⑵係 設置在該熱擴散板⑶的B面與該導熱芯⑸的吸熱面之間， 該南壓絕緣片⑵係採用燒結成竟的陶竟片，該陶究片的厚 度係不小於0.15_;該外層絕緣體⑷係圍著該熱擴散板⑶ 邊緣側壁，並與該高壓絕緣片（2)相連接。 2 4申請專利範圍第丨項所述的⑽光模組，其特徵在於：該高 壓絕緣片（2)邊緣處的絕緣強化提高結構採用了，該導熱怎 (5)的吸熱面凸起結構，該凸起邊緣小於該高壓絕緣片⑺ 的邊緣。 3、-種LED芯片’包括：複數顆LED晶片⑴、熱擴散板⑶、 外層絕緣體⑷以及高壓絕緣片⑵，其特徵在於：該熱擴 散板（3)採用銅質或紹質材料、或銅紹複合材料；該[ED晶 片⑴係設置在該熱擴散板（3)的a面；該熱繼板的面積 疋其上的LED晶片面積之和的五倍以上，該熱擴散板的厚度係 大於0.4mm，·該高壓絕緣片（2)係設置在該熱擴散板（3)的 201226797 B面，該高壓絕緣片（2)係採用燒結成瓷的陶瓷片，該陶瓷片 的厚度係不小於〇. l5mm ;該外層絕緣體⑷係圍著該熱紐 板（3)邊緣側壁，並與該高壓絕緣片相連接。 4、 如申請專利範圍第3項所述的LED芯片，其特徵在於：該高壓 絕緣片（2)所採用的陶竟片是氧化銘陶瓷片。 5、 如申請專利範圍第3項所述的LED芯片，其特徵在於：該高壓 絕緣片（2)邊緣處的絕緣強化提高結構採用了， 該高壓絕緣片⑵的邊緣大於該熱擴散板⑶的邊緣結構、 或該熱擴散板（3)的B面邊緣採用了倒角結構、 或該熱擴散板（3)的B面採用了凸起結構，該凸起的邊緣小於 該高壓絕緣片（2)的邊緣。 6、 如申請專利範圍第3項所述的⑽芯片，其特徵在於：該熱擴 散板（3)的A面設置有· 了氣她積法生成_究絕緣= 或陽極氧化法直接從鍾散板表_金雜生長出的氧化紹 膜’該氧化鋁膜厚度不大於50μιη。 7、 如申請專利範圍第3項所述的·芯片，其特徵在於：採用了 定位片⑻’該定位片⑻上開有晶片缺口，⑽晶片⑴ 鎮嵌在晶片嵌口中’並-起貼附在熱擴散板的A面，該⑽晶 片⑴與該熱擴散板（3)的A面之間的連接採用 ： 接連接；該定位#⑻係採用絕緣片製成，該定位片⑻上 係設置有電路和引線焊盤，該引線焊盤和⑽晶片上的電極焊 盤之間的導通連接採用了導線焊接連接、或焊料焊接連接、或 201226797 導電膠黏結連接。 8、 如申請專利範圍第7項所述的LED芯片’其特徵在於：該定位 片（8)上係設置有斷路保護元件’該斷路保護元件設置在定 位片的表面上，或採用了鑲嵌結構鑲嵌在定位片中。 9、 如申請專利範圍第7項所述的LED芯片，其特徵在於：該定位 片（8)上係設置有或鑲嵌有溫度感應元件。 17