LED照明集成热移换热装置的制作方法

本发明涉及一种LED照明芯片及其结温热处理的装置，尤其是将LED晶片粒子集成为无热沉过程的集成热移芯片，根据高亮度照明所需集成度与功率焊接在流体换热器的管路上，集成热移芯片之间具有反光栅并通过超声波线焊形成电路，构成集成晶片粒子内的结点工作热量被管路内的工质即时相变吸收，即时单向移至冷凝器，即时散热的LED照明集成热移换热装置。

背景技术：

目前，LED的照明芯片的集成工艺深受半导体通用集成模式的影响，将LED晶片粒子简称晶粒纵横排列，固晶形成晶粒矩阵，通过共晶焊定位在厚度为1.0mm-3.0mm的铜或铝良导体或电子陶瓷制成的基板集成面上，晶粒矩阵分布的密度代表功率集成度，晶粒间通过超声波线焊构成电路功率，点胶封装制成LED照明集成芯片，芯片基板的另一面为导热面通过导热脂平面粘接安装在散热器底板上，该集成芯片易于标准规模化生产与使用，其晶粒内结点工作产生的热量首先在基板通过传导使热流密度扩散，结点温度简称结温沉降到整个基板至导热表面上，这个过程在基板中进行，故将基板称为热沉基板，然后将热量传递给散热器的底板，再次通过传导使热流密度扩散，热沉底板将热量沉降到整个散热器表面进行散热，以芯片集成模式与工作特征称为集成热沉芯片，将其粘接在散热器底板上形成的工作装置称为集成热沉散热装置，简称热沉装置，该装置实际可以达到的功率、亮度、可靠性，取决于联接的散热器二次传导热沉的能力，实践证明，该装置只适用于集成度低，功率5.0W-20.0W，光电功效简称光效处于70流明/W以下的室内照明，而光效大于100流明/W的照明，例如：橱窗射灯、车前灯、路灯、广场塔灯等室外照明，则需要达到一定的集成度与功率，当集成度大于4.0W/cm²，功率大于40.0W，热沉装置则存在弊端：结点工作热量产生的速度为电速度，而热量传导的速度为人可感知的秒米速度，两者相差数百万倍，即使热沉基板厚度仅为3.0mm，在很好的散热条件下，结点工作热量在基板中传导扩散沉降后，结温与基板导热表面温度相差ΔT＞45℃，平均ΔT＞15℃/mm的热阻，贴近结点的1mm距离内的热阻ΔT_t1-t0＞18℃/mm，对于LED照明集成而言，矩阵集成度越高，功率越大，光通量越高，效率越高，材料越省，而就相应的矩阵集成中结点产生的工作热量也越大，例如：额定200W的LED热沉芯片，由1.0W200颗LED晶粒排列组合在82.0mm×62.0mm铜质热沉基板的集成面上形成20排10列的矩阵，矩阵集成度＝200/8.2×6.2＝3.9W/cm²，额定光通量达2万流明，安装在规格210mm×420mm铝质散热器的底板上，形成目前热导率最高的集成热沉装置，在40℃环境下测试，提供100W-120W功率方可处于可靠工作状态，仅达额定功率的50-60％，实际集成度小于2.4W/cm²，光通量仅为1万余流明，即为目前高端水平，但与同等功率达2万流明的钠灯相比，其光通量尚未达到照明标准的要求，若强行施加到额定200W功率，即使在25℃环境下，短时间内光通量可以达到2万流明，但半小时后，热沉芯片导热面温度便达到75℃以上，晶粒内结温便处于125℃以上，即接近结点衰减点，若达到实际所需的3万流明水平，只有将1.0W300颗LED晶片排列组合在82.0mm×62.0mm铜质基板的集成面上形成20排15列的矩阵，形成额定功率300W，矩阵集成度为5.9W/cm²，光效为100流明/W方可，但是，这种规格的LED照明集成热沉芯片安装在最良导体制造的具有庞大散热面积的散热器上，即便在室温25℃环境下，由于固体材料传导速度慢，工作半小时后，LED热沉芯片基板导热表面温度均会超过70℃以上，若在35℃以上环境中，十余分钟就会超过85℃，此时，晶粒内结点温度已达到130℃，目前最好LED晶粒结点耐温极限为150℃，商品化水平为125℃左右，随时面临直接烧毁的后果，这其一是LED照明芯片内结点发光至最高效应时，电能中仅有20％以下转化为光能，而80％以上的电能以电速度转化为高热流密度大功率的热量无法快速传导出去，形成热阻的结果，其二是热沉基板的温度随环境温度的提高，不是按1∶1的比例温升，而是超过环境温升的1.5-3倍，呈超比温升，二十年来，始终摆脱不了热阻与超比温升的束缚，若仍采用集成热沉散热模式，只有降低矩阵集成度，才能减小热阻，但随之带来的是不得不降低光效，或把一颗大功率LED晶粒集成在直径六毫米左右的热沉基座内，点胶封装构成3W-6W热沉灯珠，同时，加大散热器底板面积至400mm×600mm以上，散热器上面分布翅片有足够的散热能力，也使灯珠之间在散热器底板上有足够的间距，通过热沉，分散热流密度，形成所谓大点阵式，集成度仅为1.2W/cm²，光效降到60流明/W，灯头重量达20公斤，在极其浪费半导体材料与铝材资源的条件下，虽实现在40℃环境下，300W大功率可靠工作，但成本大幅度提高，而光效远远低于钠灯，至此，业内已反省到基板与散热器底板由于热沉产生的弊端，在基板中与在散热器底板中穿入管路，通过管路中流体工质传热速度快的特性进行改良，然而测试结果并不理想，能把上述额定200W热沉芯片可靠性提高到150W，原因是此改良忽略在基板与底板中仍存在2.0mm以上距离的热传导过程，仍属于热沉基板与热沉底板，未能从凡存在传导即存在热阻与超比温升的教训中彻底醒悟过来，综上，现行集成热沉装置中的“热沉”是导致LED照明亮度不够，可靠性不强的主要原因。

技术实现要素：

本发明颠覆现行利用传导热沉的制造模式，立足于对现有工艺基础进行改革，提出LED照明集成芯片无热沉过程的制造模式，并将无热沉的LED照明集成芯片称为集成热移芯片，并直接焊接在相匹配的流体换热器管路上，所谓无热沉就是在基板上LED晶粒内结点产生的工作热量不是首先通过良导固体传导扩散进行沉降过程，而是工作热量垂直透过基板与管壁使流体工质发生相变循环，利用工质由液态相变为气态时的潜能，再将热量主动性吸收，并源源不断地以液态工质沸腾速度转移出结点区域，即时定向地移出至冷凝器，即时散发到空气中，相变吸热时在基板不发生热量扩散性与沉降的过程，经测试，流体工质相变循环传输热量的速度比最良导热固体热沉速度快数百倍，能够最大程度地减小热沉导致的热阻差值，并利用流体工质沸点随环境温度提高变化较小的性质，能够平稳住结温的上升速度，遏制超比温升，使之具备适应高温环境的能力，实现在40℃环境中尚有足够余地的可靠工作，彻底解决芯片亮度与可靠性的问题，堪称由热移过程取代热沉过程，大幅度提高集成度，使点光源扩展成面光源，同时增加二次光学效果的结构，开创出LED照明集成热移芯片与流体换热器总成的新型制造模式——LED照明集成热移换热装置，同时满足标准化规模生产的工艺要求，成本具备竞争力，达到广泛应用第四代冷光源——高亮度LED照明装置的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无热沉的LED照明集成热移芯片，焊接在流体换热器的管路上构成的LED照明集成热移换热装置，其特征一是LED照明芯片内晶粒集成在金属化氮化铝或氧化铝的基板上，该基板厚度为0.3mm左右，一面为集成面，金属化形成集成电路图案，另一面为钎焊面，金属化形成钎焊格图案，为了适于与管路焊接，无热沉基板为平板长方形条状，管路焊接处冲压成相应面积的平面，晶粒采用贴片焊接式与倒装金线焊接式，每颗晶粒的尺寸规格由0.3mm×0.7mm至3.4mm×3.6mm，其相对应的功率由0.5W/颗至6.0W/颗，集成度为10.0W/cm²-20.0W/cm²，比最高集成热沉模式提高60％以上，使点光源扩展成面光源，固晶后，通过共晶焊将晶粒焊接在集成电路上，由荧光胶封装形成LED照明集成热移芯片，在其发光表面上增封芯片透镜，二是LED照明集成热移芯片通过金属化钎焊格，沿钎焊面长边方向中心线垂直对称钎焊在流体换热器蒸发管路冲压平面的中心线上，管路的壁厚度不得大于1.0mm，根据空间、亮度、光照面的需求，计算出面光源所需的功率因数，依S_{热移光源面积}＝功率因数×功率/芯片集成度，计算流体换热器蒸发管及其分布所需的面积，即热移光源的面积值，并由此面积内确定管路的直径，管路排列的数量，管路之间的间距，即决定了条状集成热移芯片边与边之间的间距以及图案，矩形图案间距在3.0mm至6.0mm之间，扇形图案间距在2.0mm至9.0mm之间，在该间距上以及热移光源面积周边安装60°-90°弧面反光栅，跨过反光栅，通过超声波线焊将集成热移芯片构成串并联电路及总功率，总功率与所需工质剂量上限匹配，工质剂量下限与换热器换热面积匹配，并将已固焊的热移光源面积以及反光栅用灯头透镜笼罩密封，发挥二次光学效应，由此构成集成热移芯片内的结点工作热量被管路内工质即时相变吸收，即时单向移至冷凝器，即时散热的LED照明集成热移换热装置。

本发明的有益效果是：克服现有LED照明芯片热沉的弊端，由热移取代热沉，首先能够大幅度降低LED照明芯片中的热阻，测试证明结温区与之透过焊接管壁内的液温区差值ΔT_最大热阻＝t_结温-t_液温＜12℃，并随环境温度的提高，循环速度也能随之提高，工质沸点遏制了超比温升，形成良性循环，在40℃环境中，在无任何有源辅助散热，灯头总重量仅有2至7公斤的条件下，供电功率150W--500W，光效为110流明/W，发出1.6万-5.5万流明光通量时，实测出结温区工质温度82℃-88℃，计算出实际结温低于94℃-100℃，尚有ΔT_可靠性＝t_商用结温-t_实际结温＞31℃-25℃的可靠工作温差，有效避免光衰，达到8年以上实用寿命，同时开创LED照明芯片增加二次光学效果的结构，光形好，使集成热移换热装置广泛地应用在橱窗射灯、车前灯、路灯、广场塔灯等高亮度照明中，真正达到节能的效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为本发明实施例一——贴片式LED照明集成热移芯片。

图2为本发明LED照明集成热移芯片焊接面实施例。

图3为本发明实施例二——倒装式LED照明集成热移芯片。

图4为本发明实施例三——LED照明集成热移换热装置。

图中：1.晶粒 2.基板 3.集成电路 4.钎焊格 5.间隙 6.荧光胶 7.芯片透镜 8.线焊 9.流体换热器 10.管路 11.冲压平面 12.间距 13.反光栅 14.灯头透镜 15.工质

图1为本发明第一个实施例剥示意，贴片式LED照明晶粒1集成在金属化氮化铝的基板2上，该基板厚度为0.3mm左右，一面为集成面，金属化形成集成电路3图案，另一面为焊接面，形成钎焊格图案，为了适于与管路焊接，无热沉基板为平板长方形条状，长为20.0mm至72.0mm，宽为3.0mm至6.0mm，晶粒采用贴片焊接式，每颗晶粒的尺寸规格由0.3mm×0.7mm至1.0mm×2.1mm，其相对应的功率由0.5W/颗至2.0W/颗，功率集成度为10.0W/cm²-20.0W/cm²，固晶后，通过共晶焊将晶粒焊接在集成电路上，集成电路由液态荧光胶6覆盖，根据显色指数决定点胶层厚度，高温固化后形成所需色温，露出电路正负极，透明半圆弧形芯片透镜7覆盖在基板四周，增加光效，由此封装形成贴片式LED照明集成热移芯片。

图2为本发明LED照明集成热移芯片焊接面实施例，由于条状LED集成热移芯片基板2尺寸：长为20.0mm至72.0mm，宽为3.0mm至6.0mm，其与管路焊接面上形成“田”字金属化钎焊格4图案，“田”字间隙5未金属部分在钎焊料融化时为排气与溢料处，焊料凝固时减小内应力。

图3为本发明第二个实施例剥示意，倒装式LED照明晶粒1集成在金属化氧化铝的基板2上，该基板厚度为0.3mm左右，一面为集成面，金属化形成集成电路3图案，另一面为焊接面，形成钎焊格图案，为了适于与管路焊接，基板为平板长方形条状，长为20.0mm至72.0mm，宽为3.0mm至6.0mm，晶粒采用透光基底发光面朝外即倒装焊接在电路上，每颗晶粒的尺寸规格由1.0mm×2.1mm至3.4mm×3.6mm，其相对应的功率由2.0W/颗-6.0W/颗，功率集成度为10.0W/cm²-20.0W/cm²，固晶后，通过共晶焊将晶粒焊接在集成电路上，由超声波线焊8形成串联集成电路，在晶粒表面由液态荧光胶6覆盖，高温固化后形成所需色温，根据显色指数确定点胶层厚度，露出电路正负极，相连透明半球形芯片透镜7分别覆盖每颗晶粒上并密封在基板四周，增加光效，由此封装形成倒装式LED照明集成热移芯片。

图4为本发明第三个实施例——LED照明集成热移换热装置核心部位剖示示意，各种系列化LED照明集成热移芯片沿钎焊面长边方向中心线垂直对称钎焊在流体换热器9蒸发管路10冲压平面11的中心线上，管路的壁厚度不得大于1.0mm，根据空间、亮度、光照面的需求，综合计算出面光源功率因数，依S_{热移光源面积}＝功率因数×功率/芯片集成度公式，计算出流体换热器蒸发管及其分布所需的面积，即热移光源的面积值，并由此面积内确定管路的直径，管路排列的数量，管路之间的间距，即决定了条状集成热移芯片边与边之间的间距12以及图案，矩形图案间距在3.0mm至6.0mm之间，扇形图案间距在2.0mm至9.0mm之间，在该间距上以及热移光源面积周边安装60°-90°弧面反光栅13，跨过反光栅，通过超声波线焊8将集成热移芯片形成串并联电路及总功率，总功率与所需工质剂量上限匹配，工质剂量下限与换热器换热面积匹配，并将已固焊的热移光源面积以及反光栅用灯头透镜14笼罩密封，通过二次光学设计，增加光效，无光斑，并使得光照范围、光度曲线符合高亮度照明的需求，当热移芯片通电工作时，其内结点产生的工作热量使管路内工质15蒸发，发生相变，按流体换热器设计的方向循环后，利用工质由液态相变为气态时的潜能，再将热量主动性吸收，并源源不断地以液态工质沸腾速度转移出结点区域，即时定向地移出至冷凝器，即时散发到空气中，在这个相变吸热的过程中，基板上热量被垂直吸收的速度远远大于金属化电路横向传导的速度，芯片内结点热量几乎全部垂直透过芯片基板与管壁，来不及发生热量扩散性沉降的过程，由热移取代了热沉，构成无热沉的LED照明集成热移换热装置。