大功率发光二极管灯及其制造方法与流程

本发明涉及半导体照明技术，特别涉及采用发光二极管(LED)作为光源的大功率照明装置及其制造方法。

背景技术：
以发光二极管(LED)作为光源的照明装置具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，正在逐渐被消费者和用户接受。LED是一种固态半导体器件，其基本结构一般包括带引线的支架、设置在支架上的半导体晶片以及将该晶片四周密封起来的封装材料(例如荧光硅胶或环氧树脂)。上述半导体晶片包含有P-N结构，当电流通过时，电子被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后以光子的形式发出能量，而光的波长则是由形成P-N结构的材料决定的。在工作过程中，LED有相当一部分电能被转换为热能，当热能滞留在照明装置内部时，将不可避免导致LED温度升高，从而造成光源性能劣化和失效。在大功率LED照明装置(例如LED路灯和大功率LED帕灯(又称为碗碟状铝反射灯)等)中，如何高效率地和及时地将LED产生的热量散发到照明装置外部的问题显得尤为突出。对于大功率LED照明装置，目前业界已经提出了各种散热解决方案。例如比较常见的是将铝等金属制成的散热翅片用作灯具外壳的一部分，从而通过增大暴露在外部环境中的面积来提高散热能力。另外一种降低LED温度的途径基于主动散热方式，例如可在灯壳内部安装风扇，通过加快散热器表面的空气的流动来改善散热效果。美国德克萨斯州的Nuventix公司最近研发了一种称为的射流器，该装置内部包括一个隔膜，当该隔膜振动时，气流产生于装置内部并且通过喷嘴向散热器快速喷射。喷射的气流带动周围的空气一起到达散热器附近，从而以很高的热交换效率将散热器的热量带走。有关射流器的进一步描述例如可参见JohnStanleyBooth等人于2008年10月16日提交的题为“带多个LED和合成喷射热管理系统的灯具”的美国专利申请No.12/288144，该专利申请作为参考文献，以全文引用的方式包含在本申请中。但是需要指出的是，上述各种解决方案都是以制造成本上升和灯具结构复杂化为代价的，这愈发使得大功率LED灯具在与传统的白炽灯和节能灯的竞争中处于不利地位。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种大功率发光二极管灯，其具有结构简单和制造成本低等优点。本发明的上述目的可通过下列技术方案实现：一种大功率发光二极管灯，包括：灯罩，包含底座和固定在所述底座上的壳体；灯头，其固定于所述底座的侧部的外表面以与所述壳体和底座共同限定一个封闭空间；散热器，其固定于所述底座上并且位于所述封闭空间内；基板，其固定在所述散热器的顶端；至少一个发光二极管单元，其设置在所述基板的表面；以及与所述发光二极管单元电气连接的驱动电源，其设置在所述散热器的内部并且与所述灯头电气连接。在上述方案的大功率发光二极管灯中，散热器、驱动电源和LED光源等被封闭在由灯罩限定的空间内，这种布局使得将大功率LED灯设计为具有与普通白炽灯类似的结构成为可能，从而能够将简单、成熟的白炽灯制造工艺应用于LED灯。优选地，在按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯中，所述壳体由玻璃构成并且呈漏斗形。优选地，在按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯中，所述壳体的外表面或内表面经过磨砂处理。在本实施例中，经过磨砂处理的灯具可以消除或抑制LED的眩光效应。优选地，在按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯中，所述底座由玻璃构成并且呈环状，所述壳体和所述散热器分别固定于所述底座的侧部的外表面和内表面。在本实施例中，底座和壳体可以通过将一个玻璃灯罩毛坯切割为两部分得到，由此降低了材料成本。优选地，在按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯中，所述底座由玻璃或陶瓷构成并且包含托盘和穿越所述托盘底部的管状体，所述壳体固定于所述托盘侧部的外表面并且所述散热器固定于所述托盘和/或所述管状体。在本实施例中，托盘的底部可以对散热器起较好的支承作用，因而适合于散热器重量较重的情形。优选地，在按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯中，所述散热器呈管体状，在其外表面上设置有沿纵向延伸的翅片。在本实施例中，翅片的布置增加了散热器的散热面积。优选地，在按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯中，所述散热器由金属、石墨或常温红外陶瓷辐射材料构成。当采用石墨作为散热器材料时，可以明显减轻灯具的重量。优选地，在按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯中，所述散热器由金属构成，其外表面覆盖石墨或常温红外陶瓷辐射材料。优选地，在按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯中，所述基板由陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料构成。陶瓷材料低廉的价格可推动成本的降低，此外，当采用陶瓷材料作为基板时，布线可以通过银浆烧结工艺来制作，这可以避免铜刻蚀工艺造成的环境污染。优选地，在按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯中，所述发光二极管单元为发光二极管单体，其与形成于所述基板表面的布线通过焊接方式电气连接。优选地，在按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯中，所述发光二极管单元为发光二极管管芯，其被固定在所述基板的表面并且与形成于所述基板表面的布线通过绑定工艺或板上倒装芯片(FCOB)工艺实现电气连接。由于将管芯直接安装在基板表面，因此省去了管芯封装的环节，进一步降低了制造成本。优选地，在按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯中，所述驱动电源通过从所述基板引出的引线，经所述布线与所述发光二极管单元电气连接。优选地，在按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯中，所述布线通过印制电路工艺形成于所述基板表面。优选地，在按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯中，所述布线使得多个所述发光二极管单元以串联、并联、混联或交叉阵列的形式相连。本发明还有一个目的是提供一种制造上述大功率发光二极管灯的方法，其具有制造工艺简单的优点。本发明的上述目的可通过下列技术方案实现：一种制造如上所述的大功率发光二极管灯的方法，包括下列步骤：将散热器安装在底座上，其中，所述散热器的顶端固定有基板，所述基板表面设置至少一个发光二极管单元，驱动电源被设置在所述散热器的内部并且与所述发光二极管单元电气连接；借助粘合剂将灯头固定于所述底座的侧部的外表面；以及使壳体固定在所述底座的侧部。优选地，在按照本发明一个实施例的方法中，所述底座和壳体通过将玻璃灯罩毛坯沿其颈部切割为两部分而获得。由此可以降低材料成本。优选地，在按照本发明一个实施例的方法中，所述散热器固定于所述底座的侧部的内表面。优选地，在按照本发明一个实施例的方法中，通过利用装头机将所述灯头固定于所述底座的侧部的外表面。优选地，在按照本发明一个实施例的方法中，利用封口车使所述壳体固定在所述底座的侧部的外表面。装头机和封口车是普通灯泡制造过程中被广泛使用的设备，因此本实施例的方法可以在现有的灯泡生产线上实现。优选地，在按照本发明一个实施例的方法中，所述装头机采用火焰或高温气体加热所述灯头的外表面。优选地，在按照本发明一个实施例的方法中，所述底座由玻璃或陶瓷构成并且包含托盘和穿越所述托盘底部的管状体，所述壳体固定于所述托盘侧部的外表面并且所述散热器固定于所述托盘和/或所述管状体。优选地，在按照本发明一个实施例的方法中，通过利用装头机将所述灯头固定于所述管状体的外表面。优选地，在按照本发明一个实施例的方法中，通过利用封口车使所述壳体固定在所述托盘的侧部的内表面。优选地，在按照本发明一个实施例的方法中，所述粘合剂为胶泥。附图说明本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示，附图包括：图1为按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯的分解示意图。图2为图1所示大功率发光二极管灯的剖面示意图。图3为典型的玻璃灯罩毛坯的示意图。图4为图1和2所示大功率发光二极管灯中所包含的光源模块的示意图。图5为按照本发明另一个实施例的大功率发光二极管灯的分解示意图。图6为图5所示大功率发光二极管灯的剖面示意图。图7为图5和6所示大功率发光二极管灯的底座的俯视图。图8示出了按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯制造方法的流程图。图9A示出了图1-4所示的大功率发光二极管灯在底座与灯头固定在一起后的示意图；图9B示出了图5-7所示的大功率发光二极管灯在底座与灯头固定在一起后的示意图。附图标号列表：1大功率发光二极管灯10灯罩110底座111托盘112管状体1121和1122槽口120壳体20灯头210灯头端部220灯头侧壁230灯头绝缘部分30发光二极管灯芯310散热器311翅片320光源模块321基板3211通孔322发光二极管单元323布线3231焊盘3232A、3232B走线324引线325A、325B导线330驱动电源331A、331B电极引线40玻璃灯罩毛坯410玻璃灯罩毛坯的切割线具体实施方式下面参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的上述各实施例旨在使本文的披露全面完整，更为全面地传达给本领域技术人员本发明的保护范围。术语在本说明书中，术语“照明装置”应该广义地理解为所有能够通过提供光线以实现实用的或美学的效果的设备，包括但不限于球泡灯、台灯、壁灯、射灯、吊灯、吸顶灯、路灯、手电筒、舞台布景灯和城市景观灯等。除非特别说明，在本说明书中，术语“半导体晶圆”指的是在半导体材料(例如硅、砷化镓等)上形成的多个独立的单个电路，“半导体晶片”或“晶片(die)”指的是这种单个电路，而“封装芯片”指的是半导体晶片经过封装后形成的物理结构，在典型的这种物理结构中，半导体晶片例如被安装在支架上并且用密封材料封装。术语“发光二极管单元”指的是包含电致发光材料的单元，这种单元的例子包括但不限于P-N结无机半导体发光二极管和有机发光二极管(OLED和聚合物发光二极管(PLED))。P-N结无机半导体发光二极管可以具有不同的结构形式，例如包括但不限于发光二极管管芯和发光二极管单体。其中，“发光二极管管芯”指的是包含有P-N结构的、具有电致发光能力的半导体晶片，而“发光二极管单体”指的是将管芯封装后形成的物理结构，在典型的这种物理结构中，管芯例如被安装在支架上并且用密封材料封装。术语“布线”、“布线图案”和“布线层”指的是在绝缘表面上布置的用于元器件间电气连接的导电图案，包括但不限于走线(trace)和孔(如焊盘、元件孔、紧固孔和金属化孔等)。术语“热辐射”指的是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。术语“热传导”指的是热量在固体中从温度较高的部分传送到温度较低的部分的传递方式。术语“陶瓷材料”泛指需高温处理或致密化的非金属无机材料，包括但不限于硅酸盐、氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硼化物等。术语“导热绝缘高分子复合材料”指的是这样的高分子材料，通过填充高导热性的金属或无机填料在其内部形成导热网链，从而具备高的导热系数。导热绝缘高分子复合材料例如包括但不限于添加氧化铝的聚丙烯材料、添加氧化铝、碳化硅和氧化铋的聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物等。有关导热绝缘高分子复合材料的具体描述可参见李丽等人的论文“聚碳酸酯及聚碳酸酯合金导热绝缘高分子材料的研究”(《材料热处理学报》2007年8月，Vol.28，No.4，pp51-54)和李冰等人的论文“氧化铝在导热绝缘高分子复合材料中的应用”(《塑料助剂》2008年第3期，pp14-16)，这些文献以全文引用的方式包含在本说明书中。术语“红外辐射材料”指的是在工程上能够吸收热量而发射大量红外线的材料，其具有较高的发射率。红外辐射材料的例子例如包括但不限于石墨和常温红外陶瓷辐射材料。进一步地，常温红外陶瓷辐射材料例如包括但不限于下列材料中的至少一种：氧化镁、氧化铝、氧化钙、氧化钛、氧化硅、氧化铬、氧化铁、氧化锰、氧化锆、氧化钡、堇青石、莫来石、碳化硼、碳化硅、碳化钛、碳化钼、碳化钨、碳化锆、碳化钽、氮化硼、氮化铝、氮化硅、氮化锆、氮化钛、硅化钛、硅化钼、硅化钨、硼化钛、硼化锆和硼化铬。有关红外陶瓷辐射材料的详细描述可参见李红涛和刘建学等人的论文“高效红外辐射陶瓷的研究现状及应用”(《现代技术陶瓷》2005年第2期(总第104期)，pp24-26)和王黔平等人的论文“高辐射红外陶瓷材料的研究进展及应用”(《陶瓷学报》2011年第3期)，这些文献以全文引用的方式包含在本说明书中。在本发明中，比较好的是将下列准则作为选用红外辐射材料的其中一个考虑因素：在设定的发光二极管单元的P-N结温度(例如50-80摄氏度范围内的一个温度值)以下，红外辐射材料仍然具有较高的发射率(例如大于或等于70％)。“电气连接”应当理解为包括在两个单元之间直接传送电能量或电信号的情形，或者经过一个或多个第三单元间接传送电能量或电信号的情形。“驱动电源”或“LED驱动电源”指的是连接在照明装置外部的交流(AC)或直流(DC)电源与作为光源的发光二极管之间的“电子控制装置”，用于为发光二极管提供所需的电流或电压(例如恒定电流、恒定电压或恒定功率等)。在具体的实施方案中，驱动电源可以模块化的结构实现，例如其包含印刷电路板和一个或多个安装在印刷电路板上并通过布线电气连接在一起的元器件，这些元器件的例子包括但不限于LED驱动控制器芯片、整流芯片、电阻器、电容器和线圈等。此外，可选地，可以将印刷电路板和元器件安装在一个外壳内。诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。以下借助附图描述本发明的实施例。大功率发光二极管灯图1为按照本发明一个实施例的大功率发光二极管灯的分解示意图。图2为图1所示大功率发光二极管灯的剖面示意图。按照本实施例的大功率发光二极管灯1主要包括灯罩10、灯头20和设置在由灯罩10和灯头20限定的空间内的发光二极管灯芯30，以下对上述各个单元作进一步的描述。灯罩10包括由玻璃制成的底座110和壳体120，在本实施例中，如图1和2所示，底座110为环状并且其下端部向内收口，灯头20例如通过粘合的方式固定在底座110下端部的外表面；壳体120呈漏斗状并且其开口端例如通过热熔合或粘合的方式套在底座110的上端部的外表面上。可选地，通过将图3所示的玻璃灯罩毛坯40沿位于其颈部的切割线410切割得到底座110和壳体120。为了使光线更柔和、更均匀地向空间发散，壳体120的内表面或外表面可进行磨砂处理。可选地，可以例如通过静电喷涂或真空喷镀工艺，在壳体120的内/外表面形成红外辐射材料层(例如包括但不限于石墨或常温红外陶瓷材料等)，这种处理一方面增强了壳体120的散热能力，另外也抑制或消除了LED的眩光效应。需要指出的是，在本实施例中，底座110和壳体120皆由玻璃构成，因此采用热熔合工艺将它们固定在一起是有利的。但是它们也可以采用相异的材料制成(例如塑料和玻璃)。此外，壳体120并不仅局限于图1和2所示的漏斗状，其例如也可以是管筒状和棱柱状等其它形状...