[发明专利]用于照明的LED光模组和LED芯片

说明书

技术领域

本发明属于LED照明技术领域，特别涉及降低LED光模组或LED芯片内导热热阻，并且提高其内电的绝缘强度的封装结构。

技术背景

LED的一大应用是照明，LED照明被认为是人类下一代绿色环保照明技术。但当前LED照明产品造价高，阻碍着其应用普及，LED照明产品造价高的根本原因是LED散热造成。LED芯片中的LED晶片(也称裸片)的成本，当前只占15％，封装成本占65％之多，其原因就是散热问题所致。

照明灯具的用电安全是一必须满足的要求，必须达到安规要求，安全绝缘强度一般要达到1500V以上。绝缘与导热又是相互矛盾的，如果在LED光模组或芯片封装中，实现解决有效降低内封装热阻，又能达到安全绝缘要求，其意义非常之大，将大大地使整个LED灯具(包括电源)的造价降低。

现公开的LED芯片的内导热传热热阻占整个传热热阻非常大的比例，现产品热阻最低的也要达到6℃/W，如果再加上铝基板上的绝缘层热阻，最小也要达到10℃/W。这么高的内导热热阻，原因是为解决芯片内电的绝缘问题所致，即使是前述的那么高的内导热热阻，其电的绝缘强度也是不到2000V，要得到更高安全的用电绝缘强度，热阻还要增加。有提出采用高导热陶瓷片(如AIN陶瓷片)作LED芯片中的“热沉”，可以解决绝缘与传热之间的矛盾，但是AIN这类高导热陶瓷，成本造价高。

发明内容

本发明的目的是针对LED封装内部导热传热以及保证用电安全的绝缘(高电压绝缘)问题，依据传热学基本原理，提出一种新架构，不必选用昂贵的AIN之类的高导热陶瓷，就可以实现高电压绝缘，满足更高的用电安全要求，达到直接接用市电的安规要求，而内部导热阻更低，并且生产效率高，促使整个LED照明灯具的造价显著降低。

本发明的LED光模组的构成包括有：一颗或多颗LED晶片、热扩散板、外层绝缘体、高压绝缘片以及导热芯，导热芯采用金属材料，最好采用铜质或铝质材料。本发明的特征是：LED晶片设置在热扩散板的一面，该面称为热扩散板的A面，热扩散板采用了铜质或铝质材料、或铜铝复合材料，热扩散板的面积是其上的LED晶片面积之和的五倍以上，热扩散板的厚度大于0.35mm；高压绝缘片设置在热扩散板的另一面(该面称为B面)与导热芯的一面(也就是导热芯的热量导入面，称为吸热面)之间；高压绝缘片采用了烧结成瓷的陶瓷片，该陶瓷片的厚度不小于0.15mm；外层绝缘体采用了注射工艺或浇铸工艺，与导热芯和高压绝缘片、以及热扩散板一起注射或浇铸成型的结构；外层绝缘体围着热扩散板边缘侧壁，并与高压绝缘片相连接，构成热扩散板的B面和侧壁周圈被绝缘体包围。

从LED晶片到导热芯(散热片)导热热阻(LED封装内热阻)主要是由于LED晶片面积小，形成高热流密度所致。导热温差(即热阻)与热流密度和导热距离成正比，与材料导热系数成反比。绝缘材料导热系数低(除AIN之类的高导热陶瓷)，比铜和铝要小数十倍。1×1mm大小的晶片，1W发热功率，其热流密度就到10⁶W/m²，现产品结构采用0.15mm厚氧化铝陶瓷(导热系数20W/m·h)作绝缘片，晶片直接设置在该陶瓷片上，绝缘强度可达1500V，但导热温差就要达到7.5℃。

本发明中，将晶片设置在铜或铝材的热扩散板上，承担保证用电安全的高电压绝缘的高压绝缘片则设置在热扩散板与导热芯之间。同样是1×1mm，1W发热功率的晶片，0.15mm厚氧化铝陶瓷作高压绝缘片，即同样的绝缘强度，但是高热流密度经热扩散板后，热流密度下降，若热流密度降低5倍，则高压绝缘片上的导热温差就可降低到1.5℃，热阻降低非常显著。本发明的设计思想是：先不考虑LED晶片与热扩散板之间的绝缘(高电压绝缘)，首先是降低热流密度，再实施高电压绝缘，就可有效降低内导热热阻。

本发明中的热扩散板，虽然与现产品的热沉的传热过程类似，但本发明首次明确强调其最重要作用——热扩散作用，因而称之为热扩散板，当今LED行业普通都不清楚热扩散的概念及其重要性。由于铜和铝的导热系数高，价格低，因而首选铜质材料或铝制材料、或铜铝复合材料制作热扩散板。