一種均熱板、基於均熱板的led晶片封裝結構及其晶片支架的製作方法
2023-11-04 05:46:22 3
專利名稱：一種均熱板、基於均熱板的led晶片封裝結構及其晶片支架的製作方法
技術領域：
一種均熱板、基於均熱板的LED晶片封裝結構及其晶片支架技術領域[0001]本實用新型涉及一種LED發光模組晶片封裝結構及散熱技術，特別涉及一種適用於路燈、工礦燈、隧道燈等大功率LED發光模組的晶片封裝結構及其散熱。
背景技術：
[0002]在電子產品朝向更輕薄、更節能環保的需求下，高功率LED照明燈也有材料發光效率不足、散熱技術無法突破的瓶頸，從而影響LED燈具的壽命。故系統散熱設計是目前所有LED照明燈供應商面臨的最大難題，尤其是高功率LED照明燈具，系統熱設計的成敗直接影響了 LED照明燈的可靠性與否。為解決散熱問題，從業者提出了不同的產品方案。目前的LED照明燈製造商多數採用陶瓷基板、鋁基板或銅基板上陣列式封裝LED晶片技術。但此類封裝技術，LED晶片光線利用率低，LED晶片封裝成本高，最為關鍵的是，其散熱效果不理想。在燈具功率超過100W時，其不能解決LED晶片瞬間散熱、快速散熱和均勻散熱等3 個問題(a)瞬間散熱——在啟動時，LED晶片會生產短時間高溫衝擊，然後溫度快速回落到正常水平，這時需要解決瞬間高溫導熱，否則LED晶片容易疲勞損壞；(b)快速散熱—— LED PN結溫度在80-90 V時，壽命在3萬小時左右，60-70 V時，壽命在5萬小時左右，因此工作中PN結溫度越低越好；(c)均勻散熱——大功率LED光源目前由多晶片集合封裝而成，工作中，各晶片的PN結髮熱有高有低，需要保證各晶片之間的溫度均勻分布，方可保障各晶片壽命的一致性。故普通封裝方案不能滿足大功率LED照明產品散熱需求，導致大功率LED燈具壽命不足，故市場接受度差，所以需要更合適的LED照明燈散熱設計方案，方可適應市場需求。[0003]如圖1和圖2所示，現有技術中的普通LED照明燈設有散熱器I，散熱器I的上表面固定有石墨片2，石墨片2的上表面固定有散熱基板3，散熱基板3的上表面塗布有導熱矽脂4，導熱矽脂4的上表面與晶片支架5的下表面固定，晶片支架5的內部設有連線端子排6，晶片支架5的·上表面陣列放置LED晶片7，晶片支架5的上表面與LED晶片7通過銀膠8固定連接，LED晶片7之間由導線9連接，LED晶片7與連線端子排6通過導線9連接， 晶片支架5的上表面、LED晶片7和導線9的表面塗布有螢光膠10。現有技術中的普通LED 照明燈有如下的缺失和不足[0004](I) LED晶片7與散熱基板3之間有兩層熱阻，即晶片支架5產生一層熱阻，導熱矽脂4產生一層熱阻，直接影響LED晶片7的散熱效果，進而在LED晶片7與散熱基板3 之間形成導熱沙漏效應，LED晶片7的熱量不能及時傳遞到散熱基板3上。[0005](2)散熱基板3本身靠材質熱傳導散熱，熱傳導效率只有400W/m-K左右，不能滿足大功率LED燈具瞬間散熱、快速散熱和均勻散熱3個要求，導致LED照明燈工作時LED晶片 7的PN結界面溫度超過90°C，使LED晶片7在短時間內形成強光衰，因為LED晶片7光衰超過30%時，判定LED照明燈壽命終止，故此種散熱方式不能滿足LED照明燈的壽命使用要求。[0006](3)LED晶片7之間由導線9串聯，導線9和LED晶片7的連接處發生斷裂時會導致整串LED晶片7失效，從而使LED照明燈有較大的品質隱患。[0007](4)晶片支架5的上表面、LED晶片7和導線9的表面整體塗布螢光膠10。此種結構，螢光膠10使用量高，而螢光膠10本身價格高昂，導致LED照明燈成本高，且LED晶片 7發光會與螢光膠10作用產生熱作用，導致LED照明燈發熱量增加。[0008](5) LED晶片7在晶片支架5上陣列排布，LED晶片7側面的光線不可利用，導致 LED晶片7光線利用率低，進而影響LED照明燈光效。[0009](6)因晶片支架5本身不具有保障各區域溫度一致的特性，LED晶片7的PN結髮熱有高有低，晶片間的溫度不一致會導致LED晶片7壽命的不一致，進而影響LED照明燈的壽命。[0010](7)晶片支架5與散熱基板3之間使用導熱矽脂4，而導熱矽脂4需要低溫存儲， 使用前需要回溫，塗布均勻性難控制，塗膠不均勻會導致膠體間產生氣泡，阻礙熱傳遞，故為保障導熱矽脂4塗布均勻性及精密性，導熱矽脂4塗布作業耗費人工多。[0011](8)導熱矽脂4長時間工作後會因揮 發產生硬化，硬化後會在膠體間產生空氣腔體，導致熱導率下降，直接對路燈壽命產生影響，降低了路燈的可靠性。實用新型內容[0012]本實用新型的目的是提供一種均熱板、基於均熱板的LED晶片封裝結構及其支架，以克服現有技術中的部分或全部缺陷。[0013]為實現上述目的，本實用新型所採用的具體技術方案是[0014]本實用新型提供了一種用於LED晶片封裝的均熱板，它包括具有導熱性的真空密閉殼體，密閉殼體的腔體內注有工質，在密閉殼體的腔體的內壁表面設有工質回流層，工質回流層呈毛細結構；在密閉殼體的腔體內還設有呈毛細結構的支撐柱，各支撐柱的兩端分別與密閉殼體的內壁固定連接，且工質回流層的毛細管道與支撐柱的毛細管道連通。[0015]進一步地，本實用新型均熱板在所述密閉殼體的外壁的上表面設有導熱薄膜；優選使用金屬銀導熱薄膜。[0016]進一步地，本實用新型均熱板在所述密閉殼體的外壁的下表面固定有導熱層。[0017]進一步地，本實用新型均熱板在所述導熱層的下表面固定有散熱器。[0018]本實用新型提供了一種用於LED晶片封裝的的晶片支架，它包括機殼，機殼的內部設有轉接端子、LED晶片的輸入正電極和輸入負電極、以及用於置放LED晶片的通孔，各 LED晶片的電極能夠分別與轉接端子的一個輸出電極點連接，所述LED晶片的輸入正電極、 輸入負電極分別與轉接端子的輸入電極點連接。[0019]本實用新型提供了另一種用於LED晶片封裝的的晶片支架，它包括機殼，機殼的內部設有LED晶片的輸入正電極和輸入負電極、以及用於置放LED晶片的通孔，各LED晶片的電極之間能通過導線連接組成相應的電路，且該電路分別與所述LED晶片的輸入正電極、輸入負電極連接。[0020]本實用新型所提供的LED晶片封裝結構包括均熱板、晶片支架和LED晶片。其中， 均熱板包括具有導熱性的真空密閉殼體，密閉殼體的腔體內注有工質，在密閉殼體的腔體的內壁表面設有工質回流層，工質回流層呈毛細結構；在密閉殼體的腔體內還設有呈毛細結構的支撐柱，各支撐柱的兩端分別與密閉殼體的內壁固定連接，且工質回流層的毛細管道與支撐柱的毛細管道連通。優選地，均熱板在所述密閉殼體的外壁的上表面設有導熱薄膜，並優選使用金屬銀導熱薄膜。優選地，均熱板在所述密閉殼體的外壁的下表面固定有導熱層。進一步地，本實用新型均熱板還優選在所述導熱層的下表面固定有散熱器。所述晶片支架包括機殼，機殼與所述均熱板的密閉殼體固定連接；機殼的內部設有轉接端子、通孔、 晶片的輸入正電極和輸入負電極，所述LED晶片置於所述通孔內，LED晶片的導熱面與密閉殼體固定在一起，各LED晶片的電極分別通過導線與轉接端子的一個輸出電極點連接，所述輸入正電極、輸入負電極分別與轉接端子的輸入電極點連接；在通孔的內部填充有螢光膠，以使LED晶片的發光面和所述導線的表面布滿螢光膠。[0021]本實用新型所提供的另一種LED晶片封裝結構包括均熱板、晶片支架和LED晶片。 其中，均熱板包括具有導熱性的真空密閉殼體，密閉殼體的腔體內注有工質，在密閉殼體的腔體的內壁表面設有工質回流層，工質回流層呈毛細結構；在密閉殼體的腔體內還設有呈毛細結構的支撐柱，各支撐柱的兩端分別與密閉殼體的內壁固定連接，且工質回流層的毛細管道與支撐柱的毛細管道連通。優選地，均熱板在所述密閉殼體的外壁的上表面設有導熱薄膜，並優選使用金屬銀導熱薄膜。優選地，均熱板在所述密閉殼體的外壁的下表面固定有導熱層。進一步地，本實用新型均熱板還優選在所述導熱層的下表面固定有散熱器。所述晶片支架包括機殼，機殼與所述均熱板的密閉殼體固定連接；在機殼的內部設有通孔、晶片的輸入正電極和輸入負電極，所述LED晶片置於所述通孔內，LED晶片的導熱面與密閉殼體固定在一起，各LED晶片的電極之間通過導線連接組成相應的電路，且該電路分別與所述輸入正電極、輸入負電極連接；在通孔的內部填充有螢光膠，以使LED晶片的發光面和所述導線的表面布滿螢光膠。[0022]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是本實用新型直接在均熱板上封裝 LED晶片的結構，在保持現有技術的LED晶片封裝結構的優點下，去除了現有技術的晶片支架和導熱矽脂所帶來的兩層熱阻，同時利用均熱板的高導熱性，能快速將LED晶片的熱量帶到散 熱器上，並使散熱面加大。本實用新型這種新的LED晶片封裝結構，克服了 LED晶片與散熱器之間散熱的沙漏效應，克服了導熱矽脂使用可靠性差及作業成本高的問題，同時利用均熱板各面溫度均等的特性，使LED燈具各晶片的PN結髮熱一致性好，各晶片PN結溫度保持在60°C左右，從而解決了 LED晶片瞬間散熱、快速散熱和均勻散熱三個關鍵問題，使 LED晶片壽命達到10萬小時的理論值。此外，本實用新型新的晶片支架結構通過晶片支架上的通孔為每個晶片提供反射杯罩，提升了晶片發光的利用率，並減少了螢光膠的使用；同時也減少了螢光膠與LED晶片產生的熱作用，進而降低了發熱量，提升了 LED照明燈的光效，並使均熱板的散熱效果達到最佳並降低了製造成本。此外，本實用新型新的晶片支架結構能夠克服LED晶片單獨依靠導線進行電氣連接的缺點，在支架內部使用轉接端子實現了電氣連接，轉接端子間根據需求形成相應迴路，使單一線路受損時不會影響整個LED照明燈的工作，使整個LED照明燈的壽命達到最大值。
[0023]圖1是現有普通LED照明燈的結構示意圖；[0024]圖2是圖1中A部的放大圖；[0025]圖3是使用本實用新型封裝結構的LED照明產品的結構示意圖；[0026]圖4是圖3中B部的放大圖；[0027]圖5是圖3的左視圖；[0028]圖6是圖5中C部的放大圖；[0029]圖7是本實用新型晶片支架的結構示意圖；[0030]圖8是圖7中D部的放大圖；[0031]1.散熱器，2.石墨片，3.散熱基板，4.導熱矽脂，5.晶片支架，6.連線端子排， 7. LED晶片，8.銀膠，9.導線，10.螢光膠，11.密閉殼體，12.腔體，13.工質回流層，14.支撐柱，15.工質，16.導熱薄膜，17.晶片支架，18.晶片的輸入正電極，19. LED晶片，20.通孔， 21.轉接端子，22.導線，23.銀膠，24.螢光膠，25.導熱層，26.散熱器，27.機殼，28.晶片的輸入負電極。
具體實施方式
本實用新型基於均熱板的LED晶片封裝結構主要包括均熱板、晶片支架17和LED 晶片19。[0033]如圖3和圖4所示，本實用新型所用的均熱板包括具有導熱性的真空的密閉殼體 11，密閉殼體11的導熱係數優選在200W/H1-K以上而使之具有較理想的導熱效果。在密閉殼體11的真空腔體12的內壁的表面設有工質回流層13，工質回流層13呈毛細結構。在密閉殼體11的腔體12內還設有多個呈毛細結構的支撐柱14。各支撐柱14的一端與密閉殼體11的頂部固定連接，支撐柱14的另一端與密閉殼體11的底部固定連接；各支撐柱14 的兩端分別與密閉殼體11的內壁的工質回流層連通，從而使工質回流層的毛細管道與支撐柱的毛細管道連通，由此，工質回流層13的毛細管道和支撐柱14的毛細管道共同構成工質回流管路。此外,各支撐柱14還能夠支撐密閉殼體11的腔體12。[0034]如圖4所示，密閉殼體11的腔體12內注有工質15。工質15通常為純水、無水酒精等。密閉殼體11的腔體12保持真空狀態。工質15可以利用毛細現象在密閉殼體的腔體12、工質回流層13和支撐柱14之間流動。工質15遇熱蒸發時，工質15由液態變成氣態，由工質回流層13或支撐柱14的毛細管道進入密閉殼體11的腔體12，從而將熱量快速均勻散布到腔體12的低溫處；工質15在腔體12的低溫處遇冷冷凝後變成液態，由腔體12 經工質回流層13和支撐柱14的毛細管道回到發熱端。由此，工質15在密閉殼體11的腔體12內能夠以高速重複做蒸發、冷凝動作，從而實現熱能快速傳導，大大提升密閉殼體11 的導熱性能，從而克服了現有技術的散熱基板3的導熱性能不足的問題，使LED晶片19快速散熱。而密閉殼體11的腔體12保持真空狀態，故工質15遇熱蒸發時能快速到達密閉殼體11的腔體12內的任意位置，使密閉殼體11的各處溫度保持一致，從而克服了各LED晶片7的PN結溫度不一致的問題。[0035]在密閉殼體11的外壁的上表面可設有導熱薄膜16，其導熱係數通常大於等於 200W/m-K。本實用新型所謂的密閉殼體11的外壁的上表面是指用於與LED晶片19的導熱面連接的一面，密閉殼體11的外壁的下表面則是指與密閉殼體11的外壁的上表面相反的另一面。導熱薄膜16優選導熱係數大於429W/m-K的金屬銀導熱薄膜。進一步利用銀金屬本身的鏡面反射效果，可加強對LED晶片19所產生的光線的反射，從而提升LED照明燈的發光效率。為進一步提升散熱效果，可密閉殼體11的外壁的下表面固定有導熱層25，導熱層25可以選用石墨片、導熱矽脂等；此外，還可導熱層25的下表面固定有散熱器26，散熱器26用於LED照明燈的整體散熱。[0036]本實用新型LED晶片封裝結構，利用均熱板的真空密閉殼體11的腔體12內的工質蒸發，將熱量快速均勻散布到低溫處，工質遇冷冷凝後再由腔體內毛細結構構成的回流管路返回至熱源的特性，它能以超音波速度重複做蒸發、冷凝動作，從而實現熱能快速傳導，使均熱板的導熱係數達到800W/m-K以上。故本實用新型基於均熱板的LED晶片封裝結構能將大量的熱量在極短的時間內排除，並使均熱板各處溫度保持一致，從而實現大功率 LED照明產品的散熱。本實用新型基於均熱板的大功率LED晶片封裝結構具有短、小、輕、 薄、不必維修、堅固耐用、價廉物美的特點，大大降低了 LED照明燈系統設計的複雜性，減輕了 LED照明燈的重量，使LED照明燈的壽命、可靠性得到大幅提升，降低了 LED照明燈的成本，使本實用新型基於均熱板的LED晶片封裝結構能成為後續LED照明產品的市場主流。[0037]參見圖3、4、7和8，導熱薄膜16的外表面與晶片支架17固定在一起，具體地說，是與晶片支架17的機殼27固定在一起，從而使晶片支架17的機殼27通過導熱薄膜16與密閉殼體11固定連接。當密閉殼體11的外壁的上表面未設有導熱薄膜16時，晶片支架17 的機殼27則直接與密閉殼體11固定連接。晶片支架17的大小、形狀、厚度及電極引出方式可根據LED照明燈的功率大小進行相應的選擇。[0038]在本實用新型中，如圖5和圖6所示，晶片支 架17由晶片的輸入正電極18、輸入負電極28、通孔20、轉接端子21和對支架起保護作用的機殼27組成。輸入正電極18、輸入負電極28分別置於晶片支架17上。機殼27的內部設有若干個通孔20，每個通孔20內置有LED晶片19。LED晶片19的導熱面通過銀膠23與密閉殼體11的外壁的上表面直接固定在一起；若密閉殼體11的外壁的上表面設有導熱薄膜16，則LED晶片19的導熱面通過銀膠23與導熱薄膜16固定在一起，從而使LED晶片19的導熱面與密閉殼體11固定在一起。轉接端子21按照晶片驅動的要求預先形成電路。轉接端子21嵌入到機殼27內，通孔 20內的各LED晶片19的電極分別通過導線22與轉接端子21的一個輸出電極點連接。輸入正電極18、輸入負電極28分別與轉接端子21的輸入電極點連接。此外，轉接端子21、導線22、晶片的輸入正電極18、輸入負電極28均不應與導熱薄膜16和密封殼體11接觸。由此，本實用新型的晶片支架17的結構可以避免當一個LED晶片19發生斷裂時，整個LED照明燈都出現失效的問題。本實用新型也可以不使用轉接端子21，而在各LED晶片19之間使用導線22連接成一個能夠滿足晶片驅動要求的整體電路，該整體電路再通過導線22與晶片的輸入正電極18、輸入負電極28連接。[0039]由於本實用新型的晶片支架17設有通孔20的結構，可使LED晶片19的導熱面與密閉殼體11的外壁的上表面直接連接或通過高導熱係數的導熱薄膜16與密閉殼體11的外壁上表面進行連接，去除了現有技術的晶片支架5和導熱矽脂4所帶來的兩層熱阻，使 LED晶片19的熱量快速傳遞至密閉殼體11，再通過密閉殼體11將熱量快速傳遞至導熱層 25和散熱器26上。不僅如此，導熱矽脂的去除，克服了導熱矽脂帶來的塗布作業以及因硬化而影響使用可靠性的問題，進而提升了 LED照明燈的壽命。[0040]LED晶片19的導熱面通過銀膠23與導熱薄膜16固定在一起或直接與密閉殼體 11固定在一起。本實用新型只需在通孔20的內部填充有螢光膠24，以使LED晶片19的發光面、導線22的表面布滿螢光膠24，無需如現有技術那般在整個晶片支架5的上表面塗布螢光膠，進而大大節約了螢光膠24的用量，降低了 LED照明燈的材料成本，同時也大大降低了 LED晶片19與螢光膠24作用產生的發熱量。此外，通孔20本身呈杯罩的外形，可以將 每個LED晶片19側面發光面的光線在通孔內進行反射並加以利用，進而提升了 LED照明燈的亮度及發光效率。
權利要求1.一種用於LED晶片封裝的均熱板，其特徵是包括具有導熱性的真空密閉殼體，密閉殼體的腔體內注有工質，在密閉殼體的腔體的內壁表面設有工質回流層，工質回流層呈毛細結構；在密閉殼體的腔體內還設有呈毛細結構的支撐柱，各支撐柱的兩端分別與密閉殼體的內壁固定連接，且工質回流層的毛細管道與支撐柱的毛細管道連通。
2.根據權利要求1所述的用於LED晶片封裝的均熱板，其特徵是在所述密閉殼體的外壁的上表面設有導熱薄膜。
3.根據權利要求2所述的用於LED晶片封裝的均熱板，其特徵是所述導熱薄膜為金屬銀導熱薄膜。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的用於LED晶片封裝的均熱板，其特徵是所述密閉殼體的外壁的下表面固定有導熱層。
5.根據權利要求4所述的用於LED晶片封裝的均熱板，其特徵是所述導熱層的下表面固定有散熱器。
6.一種用於LED晶片封裝的的晶片支架，其特徵是包括機殼，機殼的內部設有轉接端子、LED晶片的輸入正電極和輸入負電極、以及用於置放LED晶片的通孔，各LED晶片的電極能夠分別與轉接端子的一個輸出電極點連接，所述LED晶片的輸入正電極、輸入負電極分別與轉接端子的輸入電極點連接。
7.一種用於LED晶片封裝的的晶片支架，其特徵是包括機殼，機殼的內部設有LED晶片的輸入正電極和輸入負電極、以及用於置放LED晶片的通孔，各LED晶片的電極之間能通過導線連接組成相應的電路，且該電路分別與所述LED的輸入正電極、輸入負電極連接。
8.一種使用權利要求5的均熱板的LED晶片封裝結構，其特徵是包括所述均熱板、晶片支架和LED晶片，所述晶片支架包括機殼，機殼與所述均熱板的密閉殼體固定連接；機殼的內部設有轉接端子、通孔、LED晶片的輸入正電極和輸入負電極，所述LED晶片置於所述通孔內，LED晶片的導熱面與密閉殼體固定在一起，各LED晶片的電極分別通過導線與轉接端子的一個輸出電極點連接，所述輸入正電極、輸入負電極分別與轉接端子的輸入電極點連接；在通孔的內部填充有螢光膠，以使LED晶片的發光面和所述導線的表面布滿螢光膠。
9.一種使用權利要求5的均熱板的LED晶片封裝結構，其特徵是包括所述均熱板、晶片支架和LED晶片，所述晶片支架包括機殼，機殼與所述均熱板的密閉殼體固定連接；在機殼的內部設有通孔、LED晶片的輸入正電極和輸入負電極，所述LED晶片置於所述通孔內， LED晶片的導熱面與密閉殼體固定在一起，各LED晶片的電極之間通過導線連接組成相應的電路，且該電路分別與所述LED晶片的輸入正電極、輸入負電極連接；在通孔的內部填充有螢光膠，以使LED晶片的發光面和所述導線的表面布滿螢光膠。
專利摘要本實用新型公開了一種均熱板、基於均熱板的LED晶片封裝結構及其晶片支架。其中，均熱板在其具有導熱性的真空密閉殼體的腔體內注有工質，腔體內設有呈毛細結構的工質回流層和支撐柱，且工質回流層的毛細管道與支撐柱的毛細管道連通。晶片支架的機殼與均熱板的密閉殼體固定連接；機殼的內部設有通孔，LED晶片置於通孔內，LED晶片的導熱面與密閉殼體固定在一起，各LED晶片通過與轉接端子連接或各LED晶片通過導線相互連接而構成相應的電路；在通孔的內部填充有螢光膠，以使LED晶片的發光面和所述導線的表面布滿螢光膠。本實用新型LED晶片封裝結構具有良好的瞬間散熱、快速散熱和均勻散熱性能，提升了LED照明燈的亮度及光效。
文檔編號H01L33/60GK202839589SQ20122046334
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月12日 優先權日2012年9月12日
發明者趙 權, 談彪, 邵萬裡 申請人:浙江中博光電科技有限公司