本發(fā)明涉及一種LED照明芯片及其結溫熱處理的裝置，尤其是將LED晶片粒子集成為無熱沉過程的集成熱移芯片，根據高亮度照明所需集成度與功率焊接在流體換熱器的管路上，集成熱移芯片之間具有反光柵并通過超聲波線焊形成電路，構成集成晶片粒子內的結點工作熱量被管路內的工質即時相變吸收，即時單向移至冷凝器，即時散熱的LED照明集成熱移換熱裝置。

背景技術：

目前，LED的照明芯片的集成工藝深受半導體通用集成模式的影響，將LED晶片粒子簡稱晶粒縱橫排列，固晶形成晶粒矩陣，通過共晶焊定位在厚度為1.0mm-3.0mm的銅或鋁良導體或電子陶瓷制成的基板集成面上，晶粒矩陣分布的密度代表功率集成度，晶粒間通過超聲波線焊構成電路功率，點膠封裝制成LED照明集成芯片，芯片基板的另一面為導熱面通過導熱脂平面粘接安裝在散熱器底板上，該集成芯片易于標準規(guī)模化生產與使用，其晶粒內結點工作產生的熱量首先在基板通過傳導使熱流密度擴散，結點溫度簡稱結溫沉降到整個基板至導熱表面上，這個過程在基板中進行，故將基板稱為熱沉基板，然后將熱量傳遞給散熱器的底板，再次通過傳導使熱流密度擴散，熱沉底板將熱量沉降到整個散熱器表面進行散熱，以芯片集成模式與工作特征稱為集成熱沉芯片，將其粘接在散熱器底板上形成的工作裝置稱為集成熱沉散熱裝置，簡稱熱沉裝置，該裝置實際可以達到的功率、亮度、可靠性，取決于聯(lián)接的散熱器二次傳導熱沉的能力，實踐證明，該裝置只適用于集成度低，功率5.0W-20.0W，光電功效簡稱光效處于70流明/W以下的室內照明，而光效大于100流明/W的照明，例如：櫥窗射燈、車前燈、路燈、廣場塔燈等室外照明，則需要達到一定的集成度與功率，當集成度大于4.0W/cm²，功率大于40.0W，熱沉裝置則存在弊端：結點工作熱量產生的速度為電速度，而熱量傳導的速度為人可感知的秒米速度，兩者相差數(shù)百萬倍，即使熱沉基板厚度僅為3.0mm，在很好的散熱條件下，結點工作熱量在基板中傳導擴散沉降后，結溫與基板導熱表面溫度相差ΔT＞45℃，平均ΔT＞15℃/mm的熱阻，貼近結點的1mm距離內的熱阻ΔT_t1-t0＞18℃/mm，對于LED照明集成而言，矩陣集成度越高，功率越大，光通量越高，效率越高，材料越省，而就相應的矩陣集成中結點產生的工作熱量也越大，例如：額定200W的LED熱沉芯片，由1.0W200顆LED晶粒排列組合在82.0mm×62.0mm銅質熱沉基板的集成面上形成20排10列的矩陣，矩陣集成度＝200/8.2×6.2＝3.9W/cm²，額定光通量達2萬流明，安裝在規(guī)格210mm×420mm鋁質散熱器的底板上，形成目前熱導率最高的集成熱沉裝置，在40℃環(huán)境下測試，提供100W-120W功率方可處于可靠工作狀態(tài)，僅達額定功率的50-60％，實際集成度小于2.4W/cm²，光通量僅為1萬余流明，即為目前高端水平，但與同等功率達2萬流明的鈉燈相比，其光通量尚未達到照明標準的要求，若強行施加到額定200W功率，即使在25℃環(huán)境下，短時間內光通量可以達到2萬流明，但半小時后，熱沉芯片導熱面溫度便達到75℃以上，晶粒內結溫便處于125℃以上，即接近結點衰減點，若達到實際所需的3萬流明水平，只有將1.0W300顆LED晶片排列組合在82.0mm×62.0mm銅質基板的集成面上形成20排15列的矩陣，形成額定功率300W，矩陣集成度為5.9W/cm²，光效為100流明/W方可，但是，這種規(guī)格的LED照明集成熱沉芯片安裝在最良導體制造的具有龐大散熱面積的散熱器上，即便在室溫25℃環(huán)境下，由于固體材料傳導速度慢，工作半小時后，LED熱沉芯片基板導熱表面溫度均會超過70℃以上，若在35℃以上環(huán)境中，十余分鐘就會超過85℃，此時，晶粒內結點溫度已達到130℃，目前最好LED晶粒結點耐溫極限為150℃，商品化水平為125℃左右，隨時面臨直接燒毀的后果，這其一是LED照明芯片內結點發(fā)光至最高效應時，電能中僅有20％以下轉化為光能，而80％以上的電能以電速度轉化為高熱流密度大功率的熱量無法快速傳導出去，形成熱阻的結果，其二是熱沉基板的溫度隨環(huán)境溫度的提高，不是按1∶1的比例溫升，而是超過環(huán)境溫升的1.5-3倍，呈超比溫升，二十年來，始終擺脫不了熱阻與超比溫升的束縛，若仍采用集成熱沉散熱模式，只有降低矩陣集成度，才能減小熱阻，但隨之帶來的是不得不降低光效，或把一顆大功率LED晶粒集成在直徑六毫米左右的熱沉基座內，點膠封裝構成3W-6W熱沉燈珠，同時，加大散熱器底板面積至400mm×600mm以上，散熱器上面分布翅片有足夠的散熱能力，也使燈珠之間在散熱器底板上有足夠的間距，通過熱沉，分散熱流密度，形成所謂大點陣式，集成度僅為1.2W/cm²，光效降到60流明/W，燈頭重量達20公斤，在極其浪費半導體材料與鋁材資源的條件下，雖實現(xiàn)在40℃環(huán)境下，300W大功率可靠工作，但成本大幅度提高，而光效遠遠低于鈉燈，至此，業(yè)內已反省到基板與散熱器底板由于熱沉產生的弊端，在基板中與在散熱器底板中穿入管路，通過管路中流體工質傳熱速度快的特性進行改良，然而測試結果并不理想，能把上述額定200W熱沉芯片可靠性提高到150W，原因是此改良忽略在基板與底板中仍存在2.0mm以上距離的熱傳導過程，仍屬于熱沉基板與熱沉底板，未能從凡存在傳導即存在熱阻與超比溫升的教訓中徹底醒悟過來，綜上，現(xiàn)行集成熱沉裝置中的“熱沉”是導致LED照明亮度不夠，可靠性不強的主要原因。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明顛覆現(xiàn)行利用傳導熱沉的制造模式，立足于對現(xiàn)有工藝基礎進行改革，提出LED照明集成芯片無熱沉過程的制造模式，并將無熱沉的LED照明集成芯片稱為集成熱移芯片，并直接焊接在相匹配的流體換熱器管路上，所謂無熱沉就是在基板上LED晶粒內結點產生的工作熱量不是首先通過良導固體傳導擴散進行沉降過程，而是工作熱量垂直透過基板與管壁使流體工質發(fā)生相變循環(huán)，利用工質由液態(tài)相變?yōu)闅鈶B(tài)時的潛能，再將熱量主動性吸收，并源源不斷地以液態(tài)工質沸騰速度轉移出結點區(qū)域，即時定向地移出至冷凝器，即時散發(fā)到空氣中，相變吸熱時在基板不發(fā)生熱量擴散性與沉降的過程，經測試，流體工質相變循環(huán)傳輸熱量的速度比最良導熱固體熱沉速度快數(shù)百倍，能夠最大程度地減小熱沉導致的熱阻差值，并利用流體工質沸點隨環(huán)境溫度提高變化較小的性質，能夠平穩(wěn)住結溫的上升速度，遏制超比溫升，使之具備適應高溫環(huán)境的能力，實現(xiàn)在40℃環(huán)境中尚有足夠余地的可靠工作，徹底解決芯片亮度與可靠性的問題，堪稱由熱移過程取代熱沉過程，大幅度提高集成度，使點光源擴展成面光源，同時增加二次光學效果的結構，開創(chuàng)出LED照明集成熱移芯片與流體換熱器總成的新型制造模式——LED照明集成熱移換熱裝置，同時滿足標準化規(guī)模生產的工藝要求，成本具備競爭力，達到廣泛應用第四代冷光源——高亮度LED照明裝置的目的。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種無熱沉的LED照明集成熱移芯片，焊接在流體換熱器的管路上構成的LED照明集成熱移換熱裝置，其特征一是LED照明芯片內晶粒集成在金屬化氮化鋁或氧化鋁的基板上，該基板厚度為0.3mm左右，一面為集成面，金屬化形成集成電路圖案，另一面為釬焊面，金屬化形成釬焊格圖案，為了適于與管路焊接，無熱沉基板為平板長方形條狀，管路焊接處沖壓成相應面積的平面，晶粒采用貼片焊接式與倒裝金線焊接式，每顆晶粒的尺寸規(guī)格由0.3mm×0.7mm至3.4mm×3.6mm，其相對應的功率由0.5W/顆至6.0W/顆，集成度為10.0W/cm²-20.0W/cm²，比最高集成熱沉模式提高60％以上，使點光源擴展成面光源，固晶后，通過共晶焊將晶粒焊接在集成電路上，由熒光膠封裝形成LED照明集成熱移芯片，在其發(fā)光表面上增封芯片透鏡，二是LED照明集成熱移芯片通過金屬化釬焊格，沿釬焊面長邊方向中心線垂直對稱釬焊在流體換熱器蒸發(fā)管路沖壓平面的中心線上，管路的壁厚度不得大于1.0mm，根據空間、亮度、光照面的需求，計算出面光源所需的功率因數(shù)，依S_{熱移光源面積}＝功率因數(shù)×功率/芯片集成度，計算流體換熱器蒸發(fā)管及其分布所需的面積，即熱移光源的面積值，并由此面積內確定管路的直徑，管路排列的數(shù)量，管路之間的間距，即決定了條狀集成熱移芯片邊與邊之間的間距以及圖案，矩形圖案間距在3.0mm至6.0mm之間，扇形圖案間距在2.0mm至9.0mm之間，在該間距上以及熱移光源面積周邊安裝60°-90°弧面反光柵，跨過反光柵，通過超聲波線焊將集成熱移芯片構成串并聯(lián)電路及總功率，總功率與所需工質劑量上限匹配，工質劑量下限與換熱器換熱面積匹配，并將已固焊的熱移光源面積以及反光柵用燈頭透鏡籠罩密封，發(fā)揮二次光學效應，由此構成集成熱移芯片內的結點工作熱量被管路內工質即時相變吸收，即時單向移至冷凝器，即時散熱的LED照明集成熱移換熱裝置。

本發(fā)明的有益效果是：克服現(xiàn)有LED照明芯片熱沉的弊端，由熱移取代熱沉，首先能夠大幅度降低LED照明芯片中的熱阻，測試證明結溫區(qū)與之透過焊接管壁內的液溫區(qū)差值ΔT_最大熱阻＝t_結溫-t_液溫＜12℃，并隨環(huán)境溫度的提高，循環(huán)速度也能隨之提高，工質沸點遏制了超比溫升，形成良性循環(huán)，在40℃環(huán)境中，在無任何有源輔助散熱，燈頭總重量僅有2至7公斤的條件下，供電功率150W--500W，光效為110流明/W，發(fā)出1.6萬-5.5萬流明光通量時，實測出結溫區(qū)工質溫度82℃-88℃，計算出實際結溫低于94℃-100℃，尚有ΔT_可靠性＝t_商用結溫-t_實際結溫＞31℃-25℃的可靠工作溫差，有效避免光衰，達到8年以上實用壽命，同時開創(chuàng)LED照明芯片增加二次光學效果的結構，光形好，使集成熱移換熱裝置廣泛地應用在櫥窗射燈、車前燈、路燈、廣場塔燈等高亮度照明中，真正達到節(jié)能的效果。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明：

圖1為本發(fā)明實施例一——貼片式LED照明集成熱移芯片。

圖2為本發(fā)明LED照明集成熱移芯片焊接面實施例。

圖3為本發(fā)明實施例二——倒裝式LED照明集成熱移芯片。

圖4為本發(fā)明實施例三——LED照明集成熱移換熱裝置。

圖中：1.晶粒 2.基板 3.集成電路 4.釬焊格 5.間隙 6.熒光膠 7.芯片透鏡 8.線焊 9.流體換熱器 10.管路 11.沖壓平面 12.間距 13.反光柵 14.燈頭透鏡 15.工質

圖1為本發(fā)明第一個實施例剝示意，貼片式LED照明晶粒1集成在金屬化氮化鋁的基板2上，該基板厚度為0.3mm左右，一面為集成面，金屬化形成集成電路3圖案，另一面為焊接面，形成釬焊格圖案，為了適于與管路焊接，無熱沉基板為平板長方形條狀，長為20.0mm至72.0mm，寬為3.0mm至6.0mm，晶粒采用貼片焊接式，每顆晶粒的尺寸規(guī)格由0.3mm×0.7mm至1.0mm×2.1mm，其相對應的功率由0.5W/顆至2.0W/顆，功率集成度為10.0W/cm²-20.0W/cm²，固晶后，通過共晶焊將晶粒焊接在集成電路上，集成電路由液態(tài)熒光膠6覆蓋，根據顯色指數(shù)決定點膠層厚度，高溫固化后形成所需色溫，露出電路正負極，透明半圓弧形芯片透鏡7覆蓋在基板四周，增加光效，由此封裝形成貼片式LED照明集成熱移芯片。

圖2為本發(fā)明LED照明集成熱移芯片焊接面實施例，由于條狀LED集成熱移芯片基板2尺寸：長為20.0mm至72.0mm，寬為3.0mm至6.0mm，其與管路焊接面上形成“田”字金屬化釬焊格4圖案，“田”字間隙5未金屬部分在釬焊料融化時為排氣與溢料處，焊料凝固時減小內應力。

圖3為本發(fā)明第二個實施例剝示意，倒裝式LED照明晶粒1集成在金屬化氧化鋁的基板2上，該基板厚度為0.3mm左右，一面為集成面，金屬化形成集成電路3圖案，另一面為焊接面，形成釬焊格圖案，為了適于與管路焊接，基板為平板長方形條狀，長為20.0mm至72.0mm，寬為3.0mm至6.0mm，晶粒采用透光基底發(fā)光面朝外即倒裝焊接在電路上，每顆晶粒的尺寸規(guī)格由1.0mm×2.1mm至3.4mm×3.6mm，其相對應的功率由2.0W/顆-6.0W/顆，功率集成度為10.0W/cm²-20.0W/cm²，固晶后，通過共晶焊將晶粒焊接在集成電路上，由超聲波線焊8形成串聯(lián)集成電路，在晶粒表面由液態(tài)熒光膠6覆蓋，高溫固化后形成所需色溫，根據顯色指數(shù)確定點膠層厚度，露出電路正負極，相連透明半球形芯片透鏡7分別覆蓋每顆晶粒上并密封在基板四周，增加光效，由此封裝形成倒裝式LED照明集成熱移芯片。

圖4為本發(fā)明第三個實施例——LED照明集成熱移換熱裝置核心部位剖示示意，各種系列化LED照明集成熱移芯片沿釬焊面長邊方向中心線垂直對稱釬焊在流體換熱器9蒸發(fā)管路10沖壓平面11的中心線上，管路的壁厚度不得大于1.0mm，根據空間、亮度、光照面的需求，綜合計算出面光源功率因數(shù)，依S_{熱移光源面積}＝功率因數(shù)×功率/芯片集成度公式，計算出流體換熱器蒸發(fā)管及其分布所需的面積，即熱移光源的面積值，并由此面積內確定管路的直徑，管路排列的數(shù)量，管路之間的間距，即決定了條狀集成熱移芯片邊與邊之間的間距12以及圖案，矩形圖案間距在3.0mm至6.0mm之間，扇形圖案間距在2.0mm至9.0mm之間，在該間距上以及熱移光源面積周邊安裝60°-90°弧面反光柵13，跨過反光柵，通過超聲波線焊8將集成熱移芯片形成串并聯(lián)電路及總功率，總功率與所需工質劑量上限匹配，工質劑量下限與換熱器換熱面積匹配，并將已固焊的熱移光源面積以及反光柵用燈頭透鏡14籠罩密封，通過二次光學設計，增加光效，無光斑，并使得光照范圍、光度曲線符合高亮度照明的需求，當熱移芯片通電工作時，其內結點產生的工作熱量使管路內工質15蒸發(fā)，發(fā)生相變，按流體換熱器設計的方向循環(huán)后，利用工質由液態(tài)相變?yōu)闅鈶B(tài)時的潛能，再將熱量主動性吸收，并源源不斷地以液態(tài)工質沸騰速度轉移出結點區(qū)域，即時定向地移出至冷凝器，即時散發(fā)到空氣中，在這個相變吸熱的過程中，基板上熱量被垂直吸收的速度遠遠大于金屬化電路橫向傳導的速度，芯片內結點熱量幾乎全部垂直透過芯片基板與管壁，來不及發(fā)生熱量擴散性沉降的過程，由熱移取代了熱沉，構成無熱沉的LED照明集成熱移換熱裝置。