專利名稱：：Led多晶集成照明單元的制作方法
技術領域：
：本發明屬于LED照明，尤其涉及一種運用在大功率LED照明場所和通用照明環境的高光效、低溫度的LED多晶集成照明單元。
背景技術：
：當前，大功率的LED的發熱以及散熱的問題，制約了光效的提升，可造成明顯的光衰、光譜的漂移，以及成本的上升，體積的增大。主要問題是1、高發熱當正向電流流經LED的PN結結電阻時，產生功耗(Ppn=I2XR)，使結區產生發熱性溫升。當LED熱阻小時，光通量幾乎與電流成正比例增加；隨著電流和熱阻的增大，P-N結功耗和溫度隨之升高；當正向電流增加到某一定值時，P-N結功耗和溫度達到“恒定值”，光通量趨于飽和；當電流和熱阻繼續增大，P-N結功耗和溫度也隨之繼續增大，而且光通量還呈下降趨勢。目前，許多大功率LED驅動電流均在350mA以上，散熱器周邊的溫度高達85°C以上，甚至達到100°C。無謂的功耗，不僅造成了LED結溫的升高，也影響了LED的電光轉換效率；2、低光效目前大功率LED光電轉換效率較低。單顆大功率的光效在90_120Lm/W之間，多晶片集成模塊大多在70-110Lm/W之間。由大功率LED構成的照明燈具，整燈光效一般不超過90Lm/W。常見LED器件的電熱轉換過多，電光轉換過少，藍光的激發效率過低，直接影響了LED器件的電光轉換效率和整體光通量；3、短壽命流明維持率與結點溫度成反比。據有關資料統計，大約70%的故障是由于LED的結溫過高造成的。在室溫附近，溫度每升高1°C，LED的發光強度會相應地減少左右。在結點Tj溫度70°C下，運行1萬小時后，就有20%以上的光衰；在結點Tj溫度100°C時，LED的熒光粉的壽命便降低30%;在結點Tj溫度120°C或以上時，LED的壽命便會大幅縮短并失效；在負載為額定功率一半的情況下，溫度每升高20°C，故障就上升一倍，可見LED的發熱，嚴重地影響LED的使用壽命。4、大漂移LED晶片結溫每升高10°C，主波長便漂移2-3nm，且半峰值寬度隨之增力口，中色溫區的最大流明效率V(A)也會隨之降低，最終導致照明效果的整體降低；5、高價位市場常見1W-3W級大功率LED，無論是單顆封裝還是多晶片封裝，價格均在15-30元/W之間(光效不同，價格呈非線性上升。)特別是國際“五大聯盟”對中國LED技術與市場的控制與壁壘，嚴重影響了大功率LED的應用進程；6、維修難目前的LED光源和器件，均是直接焊接在照明燈具電路板上的，電源也是使用電纜直接供電的。更換照明光源需要投入較多的人力、物理、財力和時間，且難以在現場完成，給燈具的維護、維修到來了極大的不便，有的還需更換整體電路板，造成更換、運輸、維修成本的上升。總之，目前使用的大功率LED照明器件的致命缺陷，制約了LED照明的應用和發展，需要采取新的技術路線來突破。
發明內容本發明是為了克服現有LED應用技術中的不足，提供一種LED多晶集成照明單元，不僅降低了發熱溫度，延長了LED晶片的壽命，實現了大功率白光系照明，還提高了照明光效，降低了制造成本。實行獨立的“單元化”封裝，可方便燈具系統的維護維修，降低維修成本和運輸成本，節約維護時間。本發明為實現上述目的，通過以下技術方案實現一種LED多晶集成照明單元，其特征是主要由導熱器與其固接的導光導熱基板及LED集成單元構成，所述LED集成單元由若干只串聯的小功率藍光LED晶片組成，所述若干只小功率藍光LED晶片呈矩陣排列并封裝成帶有電源引線的LED集成照明單元。所述導光導熱基板呈碟形，所述導光導熱基板底部設有若干呈矩陣排列的四棱柱形凹槽，四棱柱凹槽內置有小功率藍光LED晶片。所述導光導熱基板材料為純銅，其表面設有復合鍍膜層。所述四棱柱形凹槽表面設有復合鍍膜反光層，四邊壁呈導光斜面。所述LED集成照明單元表面封裝有硅樹脂和復合熒光粉層，所述硅樹脂和復合熒光粉層上表面置有PETG聚光型或勻光型的菲涅爾透鏡，勻光型菲涅爾透鏡為多扇區或多鏡段組合型設置。所述LED多晶集成照明單元電源引線采用非對稱、防水型、插拔式接口連接。所述導熱器四角設有安裝孔，導熱器與鎖定機構連接，所述鎖定機構由上、下、左、右鎖定機構組成，所述鎖定機構包括鎖定上蓋、鎖定卡、彈簧，鎖定法蘭和鎖定串釘，所述鎖定卡上端為舌形壓板，中間套裝彈簧，底端套裝鎖定法蘭并插接鎖定串釘。有益效果對封裝材料、封裝結構、導光結構、散熱結構、電路結構、供電結構、鎖定結構進行綜合的技術路線改進，實現高光效、低發熱、大功率、可鎖定、易拆卸、長壽命、高可靠的LED集成晶片的照明，可方便地應用在路燈照明、景觀照明、家庭照明、航空照明、汽車照明等場所。單位成本明顯降低，成本在2.5-7元/W之間。較之于同等光效(80-1251m/w)15-30元/W的價格，降低了數倍。經濟效益預期良好。圖1是本發明的結構示意圖；圖2是圖1的A-A視圖；圖3是圖1的B-B視圖；圖4是圖1的照明單元鎖定機構結構示意圖；圖5是圖1的照明單元鎖定機構結構效果圖；圖6是圖1的電源接口示意圖；圖7-8是勻光型菲涅爾透鏡示意圖；圖9-10是本發明6W多晶集成照明單元的熱成像測試(正反面)；圖11是6WLED供電電源測試報告；圖12-13是LED光譜分析系統測試報告。其中1、導熱器，2、安裝孔，3、導光導熱基板，4、LED集成單元，5、金線，6、插拔式電源接口，7、四棱柱形凹槽，8、LED晶片，9、連接螺釘，10、復合鍍膜層，10’、復合鍍膜反光層，11、導光斜面，12、硅樹脂和復合熒光粉層，13、菲涅爾透鏡，14、鎖定機構，15、鎖定上蓋，16、鎖定卡，17、彈簧，18、鎖定法蘭，19、鎖定串釘，20、散熱器或燈具，21、電源單元插頭，22、電源單元插座。具體實施例方式以下結合較佳實施例，對依據本發明提供的具體實施方式詳述如下。詳見附圖，一種LED多晶集成照明單元，主要由導熱器1與其固接的導光導熱基板3及LED集成單元4構成，導熱器1與導光導熱基板3通過連接螺孔與螺釘9固接，其中間為導熱硅油(圖中未示)。所述LED集成單元由若干只通過晶片間的連接金線5串聯的小功率藍光LED晶片組成，所述若干只小功率藍光LED晶片8呈矩陣排列并封裝成帶有電源引線的LED集成照明單元。所述導光導熱基板呈碟形，所述導光導熱基板底部設有若干呈矩陣排列的四棱柱形凹槽7，四棱柱凹槽內置有小功率藍光LED晶片。所述導光導熱基板材料為純銅，其表面設有復合鍍膜層10。所述四棱柱形凹槽表面設有復合鍍膜反光層10’，四邊壁呈導光斜面11。沖壓后的四棱柱型凹槽，經過拋光處理設有復合鍍膜反光層，四壁呈高光潔度、高反射性的導光斜面，形成小型LED晶片反光器。所述LED集成照明單元表面封裝有硅樹脂和復合熒光粉層12，小功率藍色LED晶片與相應波長的復合稀土熒光粉匹配，使其藍光LED激發熒光粉后產生白光，并使之在色溫變化時發光效率不受影響或提高激發效率。所述硅樹脂和復合熒光粉層上表面置有PMMA或PETG聚光型(重點考慮區域照度)或勻光型(重點考慮照度均勻度)的菲涅爾透鏡13，勻光型菲涅爾透鏡為多扇區或多鏡段組合型設置，以適用不同的使用場合。所述LED多晶集成照明單元電源引線采用非對稱、防水型、插拔式接口6連接。詳見圖4，所述導熱器四角設有安裝孔2，導熱器與鎖定機構14連接，鎖定機構置于散熱器或燈具20的圓柱槽中，可方便光源的維護、維修。所述鎖定機構由上、下、左、右鎖定機構組成，所述鎖定機構包括鎖定上蓋15、鎖定卡16、彈簧17，鎖定法蘭18和鎖定串釘19，所述鎖定卡上端為舌形壓板，中間套裝彈簧，底端套裝鎖定法蘭并插接鎖定串釘。工作原理1、全部選用小功率藍光晶片，綜合解決成本問題。為降低多晶集成照明單元的成本，減少大功率LED多晶集成照明單元的發熱，全部采用小功率藍光晶片作為大功率LED多晶集成照明單元的光源。其原理為小功率藍光晶片的正常工作電流較小，自身發熱量也較小，加之充分考慮和解決了散熱系統，簡化了散熱系統用材，為降低大功率LED多晶集成照明單元的價格，提供了技術上的可行性。使LED照明產品在80-125Lm/W光效條件下，單位價格由15-30元/W降低到2.5-7元/W，成本明顯降低，經濟效益明顯提升，使LED的應用成為可能和現實。并可改善高光效LED光源(130-150Lm/W及其以上)受制于國際貿易戰略、國際價格壟斷和“禁輸出”的狀況。2、實行恒壓恒流供電，確保供電的安全性。為保證電源產品的生產管理和在世界范圍內的安全運行，其電源系統設計可輸入電壓范圍為85265VAC，以滿足國際IlOV和220V兩種供電電壓；采用恒壓方式供電。LED多晶集成照明單元的電路結構采用“大串聯”的恒壓形式供電，根據多晶集成照明單元功率設計的需要，確定LED晶片的串聯數量。供電電壓一般控制在200V之內。設計照明單元功率較大，需串聯的LED晶片數量過多時，也可以再分為兩路并聯；供電電流實行恒流方式。依據不同廠家提供的晶片，嚴格的將多晶集成照明單元的工作電流控制在IOOmA之內，并在恒流源的輸入電壓得到合理控制的前提下，減少LED晶片的內部損耗，減少晶片的發熱，使多晶集成照明單元的可靠性得到有效保障。3、采取多項措施，保證電源效能大大提升。采用專有電源技術，提升電源的整體效率，使電源的效率達到97%左右，功率因數達到98%左右；采用獨特低次諧波濾波技術，濾除高次諧波，特別是3次、5次諧波的含量，減少諧波的能耗和電網的污染；為提高系統的安全性，恒流源還采用PTC(高分子聚合物正溫度熱敏電阻)等器件，提高安全保護功能，包括空載保護、過流保護、短路保護功能等安全保護功能。4、采用導熱與出光良好的基板，安裝固定LED晶片。多晶集成照明單元采用的純銅復合鍍膜的導光導熱基板，減少了基板的熱阻，并采用階梯型導熱結構，使晶片中心部位的熱量能夠及時傳導到純銅鍍膜基板上，再將基板連接在鋁質導熱器上，利用銅的高導熱率將晶片產生的熱量高效地傳遞給鋁基散熱器，再通過鋁基散熱器將熱量散出，以提高產品的可靠性與穩定性，并使成本得到合理化控制。導光導熱純銅復合鍍膜基板上部為純銅薄板，經機器沖壓后形成四棱柱凹槽，具有良好的光潔度；四棱柱凹槽實行三層復合鍍膜，底層鍍膜為碳化鉻鎳鈦合金，中層鍍膜為氮化鉻鎳鈦合金，表層鍍膜為鉻鎳鈦合金，反射率在70%左右，該復合鍍膜層具有硬度高、鍍層薄、耐腐蝕、耐高溫、不剝落的特點；四棱柱凹槽的底部，用于安裝晶片，通過硅油與純銅基板連接；凹槽的斜面，用于收集管芯側面、界面發出的光，向期望的方向角內發射；四棱柱凹槽內所復合鍍膜質層，形成一個小型反射器，用于提高出光效率。大功率LED多晶集成照明單元的基板采用錫片焊作為晶片與基板之間的粘接材料，以獲得較為理想的導熱效果(熱阻約為16°C/W)，將LED晶片直接粘貼在純銅鍍基材的四棱柱凹槽內，再用Φπ的金線將單面雙電極的單元晶片正極、負極串聯，依據擬封裝的集成晶片功率，形成橫向X縱向陣列。在出光通道、電流通道和導熱通道上，都是綜合處理的。5、用復合稀土熒光粉調劑多晶集成照明單元的色溫選擇中心波長在450nm或460nm之間的LED藍光晶片，與相應波長的熒光粉進行匹配，實現LED藍光晶片對熒光粉10-15倍或以上的有效激發，從而保證較高的量子效率且出光穩定。為降低集成晶片的色溫，提高顯色性，在選定的YAG熒光粉中適量加入其他調光熒光材料，形成復合熒光粉。復合熒光粉技術，可實現色溫的變化，而不影響或提高多晶集成照明單元光效的輸出。6、表面封裝采用硅樹脂，并配置菲涅爾透鏡詳見圖7，采用熱穩定性表現優秀，折射率大于1.5，具有耐濕性、絕緣性、機械強度的硅樹脂，實現表面封裝。即在固晶、焊接、涂粉后，用硅樹脂將純銅復合鍍膜的金屬槽灌滿，有效保護晶片、金線和反射器，實現折射率的過渡，以提高出光效率。避免使用環氧樹脂造成的老化變黃、龜裂等，影響光效、光純度及失效。在LED多晶集成照明單元的外側安裝有光學級的PMMA或PETG材料的菲涅爾透鏡。PETG(聚對苯二甲酸乙二醇酯-1，4-環己烷二甲醇酯)材料較之于常用的PMMA材料，更加適用于做透鏡和燈罩。具有高透光性、高光潔度、低光暈、高韌性、高抗沖擊強度，機加工性能優良、耐化學藥劑和抗應力白化能力的特點。在照明單元總光通量為常數的條件下，對區域照度標準要求較高時，以提升照射范圍的照度、犧牲照射范圍的物理面積為代價，采用聚光型菲涅爾透鏡，提高區域照度(如工礦燈、投光燈)；對區域照度均勻度要求較高時，以增加照射范圍的物理面積、犧牲照射范圍的照度為代價，采用勻光型菲涅爾透鏡，降低照度標準，提高照度均勻度標準(如路燈。)詳見圖7-8，勻光型菲涅爾透鏡的結構與照度分布圖。勻光型菲涅爾透鏡內側由多扇區、多鏡段的鋸齒型凹槽構成，外側為表面光潔的平面，主要用于指向性要求特別高的場所(如路燈)。透鏡采用“三段式”設計，即近端采用疏而淺的鋸齒型凹槽組合透鏡，注重近端的照明；遠端采用密而深的鋸齒型凹槽組合透鏡，注重遠端的照明；中段采用介于二者之間的密度與深度的方法，強化中段的照明。1’_3’為不同環距和齒深的菲涅爾透鏡組合。近端為兩扇區組合的鏡段，中段為三扇區組合的鏡段，遠端為五扇區組合的鏡段，主要用于提高各鏡段的投射均勻度。在對稱安裝時，使照度接近“矩形”。同等投射功率下，可使遠端投射面積減少10-15%，而照度提10-15%。4，-6，分別為一、二、三鏡段投光分布。7，為路燈。坐標X，為水平投光距離，坐標Y為燈桿高度。聚光型菲涅爾透鏡內側為同心圓、紋理清晰的鋸齒型凹槽，外側為表面光潔的平面，“鋸齒”的環距和深度，實現聚光率(增益系數)的變化，使遠、中、近端的照度趨于接近。勻光型菲涅爾透鏡內側由多扇區、多鏡段的鋸齒型凹槽構成，外側為表面光潔的平面，主要用于指向性要求特別高的的場所(如路燈)。透鏡的材質為光學級的PMMA高純度亞克力或PETG，厚度為Imm左右，環距為0.2-0.4mm。7、多晶集成照明單元采用“單元化”，可方便燈具的維護維修詳見圖6，多晶集成照明單元采用非對稱式插拔式電源接口6。電源接口6通過電源單元插頭21和電源單元插座22插接。其中，中間的電極為負極(接黑線)，左側的電極(相距較近)為接地極(接黃間綠線)，右側的電極(相距較遠)為正極(接紅線)，以避免接錯供電電源。詳見圖5，集成晶片照明單元的四邊設有機械鎖定機構，鎖定狀態或開鎖狀態的變換無需復雜工具，僅需十字螺絲刀轉動鎖定卡上端的舌形壓板，即可在1分鐘內完成拆卸；在照明單元的四角，還設有固定孔，以方便照明單元的不同安裝形式。“單元化”的設計，可方便照明單元的拆卸，降低維修成本和運輸成本，節省維護時間。尤其是對路燈等高空作業的場所，可明顯提高作業效率。1、電光主要指標實測主要數據如下<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>(測試儀器遠方EVERFINEPMS-80、中為ZWL-600E)由上表可見，采用藍光晶片所封裝的集成晶片，隨著技術的進一步提高和完善，光效在不斷提升，有望在2010年達到108Lm/w以上；光效指標遠遠超越了國內的封裝水準，也超越了同功率的國際封裝水平(首爾半導體公布的同類封裝光效為120Lm/w)；隨著多晶集成照明單元功率的增加，光效有所下降，但下降幅度不大；相關色溫(Tc)和顯色指數(Ra)與多晶集成照明單元制作時熒光粉的成分調配有關，與光效沒有直接關系。2、多晶集成照明單元的熱場分布詳見圖10，6W多晶集成照明單元(正面)的熱成像測試圖。測試中，以平面圖左下角為坐標原點，選取多晶集成照明單元的實際位置，取10點進行測試溫度。圖中相同顏色為“等溫線”。1點為多晶集成照明單元的中心位置，溫度最高，為51.9°C，最低溫度46.1°C。詳見圖11，6W多晶集成照明單元(背面)的熱成像測試。由于背面安裝了散熱片，溫度分布較為均勻。1點為多晶集成照明單元的中心位置，溫度最高，為39.9°C和36.1°C。經現場測試，多晶集成照明單元在熱平衡條件下，照明單元中心點的最高溫度約為51.9°C，明顯低于市場同等功率LED光源85°C的溫度，有效的保證了照明單元的穩定性、可靠性和安全性，有利于LED照明設備的結構設計的簡單化、燈具體積的小型化、系統成本的最小化。具體制作步驟1、沖壓純銅厚板，形成碟形導光導熱基板。2、沖壓純銅薄板，形成四棱柱形凹槽。3、對四棱柱導光凹槽的內側實施三重復合鍍膜層。4、對四棱柱形凹槽和碟形導光導熱基板進行導熱結構處理與固定。5、對純銅鍍膜四棱柱形凹槽內進行“點膠”、“固晶，，處理，將LED晶片固定在純銅復合鍍膜四棱柱形凹槽內。6、對LED晶片使用金線正負極串聯焊接。7、進行第一次通電檢測。8、根據擬制造的LED多晶集成照明單元的色溫，調配相應的復合YAG熒光粉。9、用復合YAG熒光粉和硅膠混合物，對LED晶片進行“點粉”。10、用適當溫度對封裝基本完成的多晶集成照明電源進行烘干處理。11、依據不同的使用場所和要求，配置不同形式的PETG菲涅爾透鏡。12、依據設計要求，配置相應的恒壓、恒流供電電源。13、進行第二次通電測試。14、進行高低溫、老化測試。15、對照明單元的初始光效、光通量、色溫、顯色性等主要指標進行分級、分類篩選。選用的硅膠深圳市恒成科技專業代理德國DELU公司生產的硅膠、大功率LED透鏡填充硅膠、大功率LED模條封裝用硅膠、大功率LED模頂硅膠、貼片(TOP)LED硅膠、SMD貼片硅膠等光電產品用硅膠。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明的結構作任何形式上的限制。凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明的技術方案的范圍內。權利要求一種LED多晶集成照明單元，其特征是主要由導熱器與其固接的導光導熱基板及LED集成單元構成，所述LED集成單元由若干只串聯的小功率藍光LED晶片組成，所述若干只小功率藍光LED晶片呈矩陣排列并封裝成帶有電源引線的LED集成照明單元。2.根據權利要求1所述的LED多晶集成照明單元，其特征是所述導光導熱基板呈碟形，所述導光導熱基板底部設有若干呈矩陣排列的四棱柱形凹槽，四棱柱凹槽內置有小功率藍光LED晶片。3.根據權利要求1或2所述的LED多晶集成照明單元，其特征是所述導光導熱基板材料為純銅，其表面設有復合鍍膜層。4.根據權利要求2所述的LED多晶集成照明單元，其特征是所述四棱柱形凹槽表面設有復合鍍膜反光層，四邊壁呈導光斜面。5.根據權利要求1或2所述的LED多晶集成照明單元，其特征是所述LED集成照明單元表面封裝有硅樹脂和復合熒光粉層，所述硅樹脂和復合熒光粉層上表面置有聚光型或勻光型的菲涅爾透鏡，勻光型菲涅爾透鏡為多扇區或多鏡段組合型設置。6.根據權利要求1所述的LED多晶集成照明單元，其特征是所述LED多晶集成照明單元電源引線采用非對稱、防水型、插拔式接口連接。7.根據權利要求1所述的LED多晶集成照明單元，其特征是所述導熱器四角設有安裝孔，導熱器與鎖定機構連接，所述鎖定機構由上、下、左、右鎖定機構組成，所述鎖定機構包括鎖定上蓋、鎖定卡、彈簧，鎖定法蘭和鎖定串釘，所述鎖定卡上端為舌形壓板，中間套裝彈簧，底端套裝鎖定法蘭并插接鎖定串釘。全文摘要本發明涉及一種LED多晶集成照明單元，其特征是主要由導熱器與其固接的導光導熱基板及LED集成單元構成，所述LED集成單元由若干只串聯的小功率藍光LED晶片組成，所述若干只小功率藍光LED晶片呈矩陣排列并封裝成帶有電源引線的LED集成照明單元。有益效果對封裝材料、封裝結構、導光結構、散熱結構、電路結構、供電結構、鎖定結構進行綜合的技術路線改進，實現高光效、低發熱、大功率、可鎖定、易拆卸、長壽命、高可靠的LED集成晶片的照明，可方便地應用在路燈照明、景觀照明、家庭照明、航空照明、汽車照明等場所。單位成本明顯降低，成本在2.5-7元/W之間。較之于同等光效(80-125lm/w)15-30元/W的價格，降低了數倍。經濟效益預期良好。文檔編號F21V13/12GK101832487SQ20101012444公開日2010年9月15日申請日期2010年3月16日優先權日2010年3月16日發明者陳大慶,陳颯颯申請人:陳颯颯;陳大慶