[发明专利]LED集成热移芯片及其灯具的制造方法

说明书

一种室外照明LED芯片集成及其灯具的制造方法，尤其是将LED晶元集成为无热沉的热移芯片，并将其焊接在流体换热器的蒸发管路上，通过：第一步热移芯片的设计及其制造流程；第二步灯具光源面积与相变循环总成规格的设计及其制造流程；第三步灯具安全性的设计及其制造流程；第四步热移芯片与相变循环蒸发管路焊接的制造流程；第五步根据总功率与循环管路腔总容积灌装工质流程，完成相变循环的LED集成热移芯片及其灯具的制造方法，280W灯具重量为2.6公斤，460W中杆灯具重量为3.6公斤，600W高杆灯具重量为5公斤，大幅度降低成本，提高可靠性，替代高压钠灯，应用在各国一线城市快速路与主干路、中、高杆照明中。

所属技术领域

本发明涉及一种室外照明LED芯片集成及其灯具的制造方法，尤其是将LED晶元集成为无热沉的热移芯片，并将其焊接在流体换热器的蒸发管路上，通过相变循环将结热近即时移出，形成大功率高效安全可靠耐久工作的LED集成热移芯片及其灯具的制造方法。

背景技术

目前，各种LED照明芯片包括灯珠在内的集成封装产品均在热沉基板或底座上制造的，例如，将LED单位晶片简称晶元通过固晶排列成矩阵，通过共晶焊焊接在厚度为1.0mm-3.0mm的铜或铝良导体制成的基板集成面上，晶元功率的大小及分布的密度代表功率集成度，晶元间通过超声波线焊连接成电路，或通过基板上覆铜焊接成电路，通过模具压胶或点胶机浇灌覆盖电路后，经固化，封装制成LED照明集成芯片，形成功率集成度为4.0～8.0W/cm²，100W/片、200W/片、300W/片系列，功率预测光通量，集成密度预测光强，功率集成度是LED单面光源灯具的设计依据，芯片基板的另一面为导热面，通过导热脂平面粘接由螺丝紧固或直接焊接在散热器底板上，该集成芯片易于标准化规模生产与使用，芯片晶元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，结点温度简称结温经传导扩散到整个基板至导热表面，这个过程称为热沉，基板称为热沉基板，然后基板通过导热表面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，将其粘或焊接在散热器底板上制造成的工作装置称为集成热沉散热灯具，该灯具实际可以达到的光通量与光强——光源的测试指标，或者说平均照度——被灯具照射表面平均光通量的指标，以及安全性、可靠性、耐久性，取决于连接的散热器二次热沉散热的能力，该灯具若是第四代冷光源代表作，尤其用于路灯光源替代高压钠灯，无红外线和紫外线辐射，光生物安全性好，在光效、色温、显色、光形、穿透性、节能上均比其优异，但若要达到高压钠灯的平均照度，必须具备较高的功率集成度，那么则产生高密度大功率的热量，经设计计算：在82mm×62mm×3mm铜质热沉基板上晶元集成至工作功率为280W/片，安全工作下，方可与400W高压钠灯的平均照度相比拟，安装在城市快速路或主干路标准杆高与间距上发光，达到国标要求，一盏400W高压钠灯的尺寸为40cm×26cm×20cm，重量为10Kg，而一片280WLED芯片，为了达到在50℃环境中实现散热，则需要尺寸66cm×40cm×16cm，重达22Kg的散热器，这是因为结点工作热量产生的速度为电速度，而热量传导为人可感知的秒米速度，两者相差数百万倍，即使热沉基板厚度为3毫米，在最好的散热条件下，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近50℃，为了保证结温不超过127℃这个商品化结温极限，基板导热表面温度必须低于77℃，否则芯片衰减率将大于5％/年，此时电流或电压瞬间上升，将会立即烧毁，只好用高导热的材料，形成具有最大散热面积的散热器，方能勉强达到国标，但是，如此大与重的灯头悬挂在高空中，采用如何高强度机械固定，成本再高，也避免不了摇晃与振动，抗风性是设计上必须考虑的问题，无奈之下，只好采取100W/片低功率芯片，将四片分布在尺寸为60cm×32cm×13cm的散热器上，实际工作功率限定在60W/片左右，重量为18Kg，只能参照高压钠灯平均亮度低档值，成本仍极高，当业内人清楚地认识到上述芯片是热流密度大，热沉速度太慢而导致的原因后，包括瓷基板热沉芯片，功率不得大于60W/片，又产生LED灯珠大点阵排列式路灯，即在48cm×28cm×10cm散热器底板上均布3至5W的灯珠，间距为1cm左右，功率集成度在1～3W/cm²，大幅度降低热流密度，总和功率200W，好象散热问题有所解决，重量有所降低，可靠性有所提高，光通量基本没变，但单位面积的功率集成度低了，光强降低了，仍达不到高压钠灯的平均照度，仍需降低杆高与缩短杆距，总之，成本仍很高，尽管LED光源为由点集成到单面的光源，用于路灯，无需截光、无眩光，发射出的光可自然笼在所需65°光角内，除电源损失10％外，光效均可达90lm/W以上，虽然高压钠灯在360度空间发光时光效也能达到100lm/W以上，但必须通过灯具内的反射镜将非照射方向上的光反射到照射方向，其中又受到发光源自身的阻挡，实际应用到照射方向上的光只有70％，加之电源驱动损耗20％的电量，灯具实际光效为50lm/W，业内公认LED灯具存在节电40％的能力，其中，最需要节电的是城市快速路与主干路、中杆灯、高杆灯的照明，20多年来，因LED灯具功率集成度一直上不去，只能采用高压钠灯，耗电量巨大，尽管政府鼓励用LED灯具替换，但各国尚未有成功替换的实例，目前，最大只做到功率120W的灯具，且散热器巨大，仅适用于次干路、支路、非机动车道、人行道、巷道内照明，为了缩小散热器，除车前灯可配备风扇外，只能降低功率至40W以下，适用于一般室内照明，究其原因，关键就是热沉制造法从根本上解决不了结热被阻的问题，总是无法突破功率集成度的限度，由此导致LED灯具无法应用在城市快速路与主干路、中、高杆这些最需要节电的照明中。