专利名称：一种led照明装置的制作方法
技术领域：
—种LED照明装置技术领域[0001]本实用新型涉及制造技术领域，尤其涉及一种LED照明装置。
背景技术：
[0002]由于半导体照明产业远大的发展前景，从2003年开始，我国把半导体照明列为重要发展项目，开始启动国家半导体照明工程，并出台了多项措施推动半导体照明市场的发展。[0003]但是，由于半导体发光二极管的单芯片光源的光通量较小，大功率的LED光源往往由多个小功率LED光源串联成一定阵列构成，使得现有技术中大功率的LED光源为一个发光面约Φ70πιπι，视角< 180°的平面光源，导致其发散角度较大，投射距离较短。实用新型内容[0004]为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种LED照明装置，散射角较小， 投射距尚较长。[0005]为解决上述问题，本实用新型实施例提供了如下技术方案[0006]一种LED照明装置，包括基板；设置于所述基 板上表面的LED光源阵列模块；设置于所述基板下表面的散热结构；其中，所述LED光源阵列模块包括均匀分布在两个同心圆上的15个发光芯片，且所述15个发光芯片采用5串3并的电路结构。[0007]优选的，所述两个同心圆中的内圆上设置有6个LED发光芯片，半径为18mm。[0008]优选的，所述两个同心圆中的外圆上设置有9个LED发光芯片，半径为36mm。[0009]优选的，所述LED发光芯片为科瑞XPG-3w大功率高显色LED元件。[0010]优选的，所述LED发光芯片的工作点包括所述LED发光芯片的正向工作电流为1.1A ;所述LED发光芯片的正向工作电压为3. 3V。[0011]优选的，LED光源阵列模块焊接在所述基板的上表面。[0012]优选的，所述散热结构包括导热胶和散热器，其中，所述导热胶设置于所述散热器与所述基板之间。[0013]优选的，所述散热器包括圆柱状底盘和设置在所述底盘上的多个肋片式散热翅片。[0014]优选的，所述散热器表面具有白色涂层。[0015]优选的，所述散热器的材料为AA6061铝合金。[0016]优选的，所述基板为CCAF-Ol型铝基覆铜箔层压板。[0017]与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点[0018]本实用新型实施例所提供的LED照明装置中，所述LED光源阵列模块包括均匀分布在两个同心圆上的15个发光芯片，且所述15个发光芯片采用5串3并的电路结构，从而通过合理设置所述LED光源阵列模块中LED发光芯片的布局，来缩小所述LED照明装置的发光面，从而使得所述LED照明装置的发散角度较小，投射距离较远。
[0019]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0020]图1为本实用新型实施例一所提供的LED照明装置的整体结构示意图；[0021]图2为本实用新型实施例一所提供的LED光源阵列模块中所述发光芯片的布局示意图；[0022]图3为本实用新型实施例一所提供的LED光源阵列模块中所述发光芯片的电路结构示意图；[0023]图4为本实用新型实施例一所提供的LED照明装置的部分具体结构示意图；[0024]图5为本实用新型实施例一所提供的LED光源阵列模块中所述发光芯片的电流-电压特性曲线；[0025]图6为本实用新型实施例一所提供的LED光源阵列模块中所述发光芯片的电流-发光效率特性曲线；[0026]图7为本实用新型实施例一所提供的基板中电极走线的宽度与其所承载的电流之间的关系表；[0027]图8为本实用新型实施例一所提供的基板的各性能参数的相关测试结果；[0028]图9为本实用新型实施例一所提供的回流炉的结构示意图；[0029]图10为本实用新型实施例一所提供的散热器的材料型号对比示意表；[0030]图11为本实用新型实施例一所提供的LED光源阵列模块中所述发光芯片的PN结的结温-发光效率特性曲线；[0031]图12为本实用新型实施例二中所述的积分球原理示意图；图13为本实用新型实施例一所提供的LED照明装置的功率_光通量的特性曲线示意图；[0033]图14为本实用新型实施例一所提供的LED照明装置的功率_发光效率的特性曲线示意图；[0034]图15为本实用新型实施例二中所述的光分布测试原理示意图；[0035]图16为本实用新型实施例一所提供的LED照明装置中散热器表面与陶瓷上下表面的温度测试结果。
具体实施方式
[0036]正如背景技术部分所述，现有技术中的大功率的LED光源发散角较大，投射距离较短。而且，所述大功率的LED光源中，半导体发光二极管的单芯片，即LED发光芯片，的发光效率随结温的升高而下降，使得现有技术中的大功率的LED光源需要附带一个大尺寸的散热器，且散热效果较差。[0037]有鉴于此，本实用新型提供了一种LED照明装置，包括基板；设置于所述基板上表面的LED光源阵列模块；设置于所述基板下表面的散热结构；其中，所述LED光源阵列模块包括均匀分布在两个同心圆上的15个发光芯片，且所述15个发光芯片采用5串3并的电路结构，从而通过合理设置所述LED光源阵列模块中LED发光芯片的布局，来缩小所述 LED照明装置的发光面，从而使得所述LED照明装置的发散角度较小，投射距离较远。[0038]以上是本申请的核心思想，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。[0039]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。[0040]其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。[0041]实施例一[0042]如图1所示，本实用新型实施例提供了一种LED照明装置，包括基板I ;设置于所述基板I上表面的LED光源阵列模块2 ;设置于所述基板I下表面的散热结构3 ;其中，如图 2所示，所述LED光源阵列模块2包括均匀分布在两个同心圆上的15个发光芯片，且所述 15个发光芯片采用5串3并的电路结构，如图3所示，从而组成一个50W大功率LED阵列模组光源。[0043]众所周知，理论上最有利于进行二次配光的光源是点光源，但是实际中大功率的光源通常由多个小功率的点光源构成，因此，我们无法得到严格意义上的大功率点光源，只能通过合理设计多个小功率点光源的布局，来尽可能的减小大功率光源的发光面积。·[0044]在尽可能减小所述大功率光源发光面积的基础上，又考虑到所述基板I中电极线的走线和散热问题，本实用新型所提供的LED光源阵列模块2中的15个发光芯片均匀分布在两个同心圆上，其中，两个同心圆中的内圆上设置有6个LED发光芯片，其半径为18mm ;， 两个同心圆中的外圆上设置有9个LED发光芯片，半径为36mm。[0045]如图4所示，在本实用新型中，所述LED光源阵列模块2中的LED发光芯片选用科瑞XPG-3w大功率高显色LED元件，包括LED底座201、电极202、PN结203和硅胶204。所述单个LED发光芯片，即科瑞XPG-3w大功率高显色LED元件的电压-电流特性曲线如图5 所示，单个LED发光芯片，即科瑞XPG-3w大功率高显色LED元件的电流与发光强度的特性曲线如图6所示。从图5和图6中可以看出，所述单个LED发光芯片的电流随着其两端所施加的电压增加而增加，其功率和发光强度也随之增加，其最高正向工作电流为1500mA，但是，其增加的幅度是非线性的。[0046]综合考虑所述LED发光芯片的发光强度、效率以及可靠性等因数，本实用新型中所述LED发光芯片选定的工作点包括所述LED发光芯片的正向工作电流为1.1A ;所述LED 发光芯片的正向工作电压为3. 3V。又因为，本实用新型中所提供的LED照明装置为由15个科瑞XPG-3w大功率高显色LED元件，采用5串3并电路结构，构成的50W大功率LED阵列模组光源，因此，本实用新型中所提供的LED照明装置的输入电流为直流3. 3A，输入电压为直流16. 5V。[0047]如图4所示，本实用新型中所述基板I为CCAF-Ol型铝基覆铜箔层压板，包括招板101，位于所述铝板101表面的绝缘层102，位于所述绝缘层102表面的铜层103，以及位于所述铜层103表面的阻焊层104。其中，所述铝板101为散热基板，其厚度为1. 5mm ;所述铜层103包括多条电极走线，其厚度为35 μ m。[0048]在本实用新型中，所述铜层103中的电路布线设计采用AltuimDesigner软件平台由计算机实现。在具体制作时，焊接所述LED发光芯片的焊盘的大小，由所述LED发光芯片的几何尺寸决定，在实施例中具体可参照相关芯片参数手册中科瑞XPG-3W芯片手册，本实用新型对此不再详细赘述。所述铜层103中电极走线的宽度有所述电极走线中所通过的电流大小而定，参考图7，由于本实用新型中所述LED照明装置的输入电流为直流3. 3A，所述 LED发光芯片的正向工作电流为1. 1A，因此，当所述铜层103的厚度为35 μ m时，所述电极走线中主线的宽度不应小于1. 5mm,所述电极走线中支线宽度不应小于O. 4_。[0049]为了减小所述LED照明装置工作时，电极走线中电流所产生的热量，本实用新型所提供的LED照明装置中的电极走线，应适当增加所述电极走线的宽度，使所述电极走线具有一定的余量。在实际设计时，所述铜层103中电极走线通过大电流时，所述电极走线宽度的载流量应参考图7中的数值降额50%去考虑。例如，本实用新型实施例中所述支线电流为1. 1A，考虑到大电流时候的数值降额50%，应该取电流为2. 2A时所对应的导线宽度。另夕卜，所述铜层103中电极走线的载流量还与所述基板I上设置的元件种类，数量以及散热条件有关。在考虑到安全的情况下，计算通过所述电极走线中的电流时，应按经验公式O. 15* 来计算所述铜层103中电极走线的载流量。其中，W(A)代表功率和电流的关系。[0050]本实用新型中所提供的基板I的热阻为1. (TC /W，热导率为1. OW/m-K，相关测试结果如图8所示。其具体制作时，包括制作底片、备料、制作电极走线图形、刻蚀、表面处理、 印字符、机械加工、检验和包装等步骤，由于所述基板I的具体制作过程以为本领域人员所熟知，这里不再详细赘述。[0051]需要说明的是，在所述基板I的具体制作过程中，在制作电极走线图形时，所述电极走线的线条精度要求较高，其线宽补偿值需要经验积累区判断；刻蚀过程中的线宽要达到图纸要求，而且无残铜，线条光滑；机械加工过程中，要求基板I无分层，钻孔无毛刺且边缘整齐，还要保证基板I表面要无擦痕，发黑变黄等情况。[0052]在本实用新型实施例中，所述LED光源阵列模块2通过焊接的方式，固定在所述基板I上。在本实用新型的其他实施例中，所述LED光源阵列模块2也可以采用其他方式固定在所述基板I上，本实用新型对此并不做限定。[0053]需要说明的是，在本实用新型实施例中，由于所述基板I中包括散热铝板101，普通焊接无法实现，因此，本实用新型实施例中，所述焊接方式优选为回流焊，焊材为锡膏。如图9所示，用于回流焊的回流炉包括上下两个密封箱体91和92以及与所述两个密封箱体之间的传送带93，其中，所述密封箱体91和92中包括多个加热区94和冷却区95。所述回流炉炉体的长短依据其包括的即加热区94的数量以及冷却区95的数量而定，目前，现有技术中的回流炉包括4-10个加热区94不等，1-2个冷却区95不等。需要说明的是，还有部分回流炉中没有冷却区95，等所述基板I离开经过所述回流炉后自然冷却，具体视情况而定， 本实用新型对此不做限定。[0054]还需要说明的是，所述回流炉中各个加热区94的温度可通过编程自由设定，一般情况下，所述加热区94温度的可设置范围在室温-275度左右。另外，所述回流炉还包括能够进行充氮气焊接的回流炉以及只能在空气环境下焊接的回流炉，具体焊接时，可根据使用需求来选择所述回流炉炉体的长短和所述回流炉对气体环境的要求。[0055]此外，由于所述LED光源阵列模块2焊接到所述基板I上后，所述LED光源阵列模块2通电后会产生大量的热量，导致所述LED发光芯片的PN结203温度上升，影响所述LED 发光芯片的发光效率。因此，为了保证本实用新型所提供的LED照明装置的发光效率，本实用新型所提供的LED照明装置还包括设置在所述基板I下表面的散热结构3。所述散热结构3包括导热胶301和散热器302，其中，所述导热胶301设置于所述散热器302与所述基板I之间；所述散热器302包括圆柱状底盘和设置在所述底盘上的多个肋片式散热翅片，从而大大增加了所述散热器302的散热面积，进而增强了所述散热结构3的散热效果。[0056]在本实用新型中，所述散热器302的材料优选为铝材，但是根据铝材中所含有的其他金属元素不同，所述铝材型号又分为9大类1000系列为纯铝板，由于不含有其他金属元素，所以生产过程比较单一，价格相对比较便宜，是目前常规工业中最常用的一个系列； 2000系列铝板，特点是硬度较高，其中以铜元素含量最高，大概在3%-5%左右。除此之外还有3000-8000系列。其中，6000系列的代表6061主要含有镁和硅两种元素，故集中了 4000 系列和5000系列的优点，6061是一种冷处理铝锻造产品，可使用性好，接口特点优良，容易涂层，加工性好，适用于对抗腐蚀性、氧化性要求高的应用。[0057]常见的用于散热器302的材料型号有AL6063，AL6061, ADC12，其热相关参数性能如图10所示。由图10可知，AA6061铝合金具有不错的热传导性能，性价比较高。除此之夕卜，AA6061加工性能也不错，适合挤压成形工艺，适用于本实用新型中所提供的LED光源 阵列模块2的散热需要，并结合所述LED光源阵列模块2的光源功率为50W，本实用新型中，所述散热器的材料型号优选为AA6061招合金。[0058]本实用新型中，所述导热胶301优选为Honeywell LTM6300-SP，其导热系数为2.03ff/m°C，热阻为O. 040Cm2 /W。且所述导热胶301越厚，热阻越大，导热效果就越差，因此， 将导热胶301涂覆在所述散热器的上表面时，要注意适量、均匀的原则。[0059]当本实用新型所提供的LED照明装置工作时，所述LED芯片的PN结203产生热量，这些热量依次经过LED底座201、焊接层、铜层103、绝缘层102、铝板101、导热胶301以及散热器302散发于空气中，完成所述LED照明装置工作时的散热过程。其中，所述LED底座201的导热系数约为80W//mk ;焊接层的导热系数大于60W/mk ;铜层103的导热系数约为400W/mk，散热器302的导热系数约为200W/mk ;绝缘层102的导热系数约为lw/mk，导热胶301 (所述导热胶优选为导热硅胶片或硅脂)的导热系数约为5W/mk，但是越靠近LED发光芯片的PN结203，热流密度越高，且导热胶301已经由铝板101横向导热均温了，这样绝缘层102的热流密度要比导热胶301的热流密度高很多，所以综上所述，可以明显看出所述 LED照明装置的散热瓶颈在于所述基板I中的绝缘层102。[0060]为了解决所述绝缘层102带来的不良散热效果，本实用新型所提供的基板I中与所述LED底座201相对应的位置两端设置有通孔205，所述通孔205贯穿所述铜层103以及绝缘层102，从而裸露出铝板101。在所述基板I上焊接所述LED发光芯片时，需先在所述裸露的铝板101表面沉积锌，再在锌表面上镀镍，然后再在所述镍表面上镀铜，最后再在铜上喷锡或沉金，形成锡膏焊接块。采用该加工顺序加工的镀层附着力强，导热性能好，经过以上镀层工艺后就可以把LED焊接在铝板上了。所述铝板101加工工艺焊接完成后，LED发光芯片的PN结203发出的热量依次经过LED底座201、锡膏焊接块、铝板101、导热胶301、 散热器302，散发于空气中，避免了经过导热系数非常小的绝缘层102，从而大大增强了所述LED照明装置的散热效果。[0061]此外，本实用新型所提供的LED发光芯片的焊盘附件还增加了填充铜片，方便了后续LED发光芯片的焊接和维护。[0062]经试验测得或利用LightTools软件对本实用新型所提供的LED照明装置进行模拟计算可得，本实用新型所提供的LED照明装置的半光束角约为126度，相较于现有技术中的LED光源，缩小了所述LED照明装置的发光面，从而使得所述LED照明装置的发散角度较小，投射距离较远。[0063]而且，经试验测得，在所述LED照明装置中所述散热器302由黑色涂成白色，即所述散热器302表面涂覆有白色涂层，而其他各结构不变的情况下，所述LED照明装置的光通量由2784. 281m提高至2908. 41m,而所述LED照明装置中PN结的结温随所述LED照明装置的光通量的增加而下降，如图11所示，又因为所述LED照明装置的发光效率随所述LED照明装置中PN结的结温的上升而下降，因此，本实用新型所提供的LED照明装置中，所述散热器的表面形成有白色涂层，从而提高了所述LED照明装置的发光效率。[0064]综上所述，本实用新型所提供的LED照明装置，通过合理设置所述LED光源阵列模块2中LED发光芯片的布局，来缩小所述LED照明装置的发光面，从而使得所述LED照明装置的发散角度较小，投射距离较远。而且，本实用新型所提供的LED照明装置还包括由底盘和多个肋片式散热翅片构成的散热器302，从而大大增强了所述散热结构3的散热效果。[0065]实施例二 [0066]本实用新型实施例对实施例一中所提供的LED照明装置的各项性能参数进行分析。首先，在环境温度为25°C，环境湿度为45%的条件下，利用浙大三色SL-300快速光谱辐射分析仪，采用积分球原理对所述LED照明装置的光电色进行综合分析。[0068]所述积分球原理即为已知标准光源的光通量Otl，本实用新型中所提供的LED照明装置可测得，在所述LED照明装置的光源强度测定后，利用相对比较法测得本实用新型所提供的LED的光通量Φ总。[0069]如图12所示，设光源S直接在球内任一点建立的照度E1 = 0，在M处的照度为EmA 处dS发生第一次漫射出度为M= PEa (I);[0070]故由朗伯定律的特性知dS面的光亮度为L=P Ea/ (2)；[0071]则A处dS发生漫射在M处产生的二次照度为L1.. . Λ * cis (AM /2)二 Λ * cis ( 3 ,[0072]dE7 =-T Cos2Ods=--·-——厂」■ = ~ν J }2 {ΑΜ\{AM)- r Ar[0073]将式(I)和(2)带入(3)式得-.dEf^.ds(4)4πΓ[0074]因此，整个球面发生一次漫射在M处建立的二次照度为[0075]E2 =\dl:- = P j E,tds =( 5 )J ‘ 4πτ2} 4πΓκ J,[0076]同理二次漫射光线在M处建立的三次照度为
权利要求1.一种LED照明装置，其特征在于，包括 基板； 设置于所述基板上表面的LED光源阵列模块； 设置于所述基板下表面的散热结构； 其中，所述LED光源阵列模块包括均匀分布在两个同心圆上的15个发光芯片，且所述15个发光芯片采用5串3并的电路结构。
2.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述两个同心圆中的内圆上设置有6个LED发光芯片，半径为18mm。
3.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述两个同心圆中的外圆上设置有9个LED发光芯片，半径为36mm。
4.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述LED发光芯片为科瑞XPG_3w大功率高显色LED元件。
5.根据权利要求4所述的LED照明装置，其特征在于，所述LED发光芯片的工作点包括 所述LED发光芯片的正向工作电流为1.1A ;所述LED发光芯片的正向工作电压为3.3V。
6.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，LED光源阵列模块焊接在所述基板的上表面。
7.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述散热结构包括导热胶和散热器，其中，所述导热胶设置于所述散热器与所述基板之间。
8.根据权利要求7所述的LED照明装置，其特征在于，所述散热器包括圆柱状底盘和设置在所述底盘上的多个肋片式散热翅片。
9.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述散热器表面具有白色涂层。
10.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述散热器的材料为AA6061铝I=1-Wl o
11.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述基板为CCAF-Ol型铝基覆铜箔层压板。
专利摘要本实用新型实施例公开了一种LED照明装置，包括基板；设置于所述基板上表面的LED光源阵列模块；设置于所述基板下表面的散热结构；其中，所述LED光源阵列模块包括均匀分布在两个同心圆上的15个发光芯片，且所述15个发光芯片采用5串3并的电路结构，从而通过合理设置所述LED光源阵列模块中LED发光芯片的布局，来缩小所述LED照明装置的发光面，从而使得所述LED照明装置的发散角度较小，投射距离较远。
文档编号H01L25/075GK202839605SQ201220500558
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者夏冠群, 杨洁翔, 陶震, 蒋明刚, 范荣 申请人:上海九高节能技术有限公司, 上海半导体照明工程技术研究中心