具有强化散热的高功率发光二极管电灯制造技术

一种高功率ＬＥＤ电灯，包括具有充填液体的腔室的容器，提供高功率ＬＥＤ源光穿透该液体的光源模块，轴向导热器，后者具有第一部份邻近该光源模块与第二部分在该液体中沿着该腔室的轴向延伸至远离该光源模块，将热从该光源模块透过该液体传递到该容器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电灯，尤其涉及一种照明用途的高功率LED电灯。
技术介绍
LED因为寿命长、省电及无废弃物造成环境污染等环保优点，已 广泛用于装饰灯(例如水底灯)及指示灯(例如交通号志灯)，但由于单 位输出功率产生的发光亮度不足、散热效率不佳及照明角度不足等问 题，使其不适于照明用途。随着白光LED的改良，单位输出功率产生 的发光亮度渐提升，解决了亮度不足的问题，现在具有发光亮度超越 传统白炽热灯泡发光亮度(301m/W)的白光LED已商品化，要产生超越 曰光灯发光亮度(1001m/W)的商品化白光LED也指日可待，因此散热效 率不佳及照明角度不足是目前LED用于照明的主要问题。图1是典型的低功率LED 100，包括环氧树脂透光镜片110覆盖半 导体晶粒102，正极脚106与负极脚108经金线104连接半导体晶粒102。 由于低功率LED IOO在工作时产生的热量少，经正极脚106与负极脚 108将热传导至PCB(图中未示出)上的铜箔达到的热传导扩散已足够 帮助LED IOO散热，因此不需考虑散热的问题。低功率LED IOO主要用 于装饰灯及指示灯，消耗功率小于0.3至0.4W。图2是现有的低功率LED 电灯112，包括灯泡标准接头120与外壳122接合，PCB 116在外壳122 中，数个低功率LED IOO固定在PCB 116上，灌胶层114填充在外壳122 中以保护PCB 116及低功率LED IOO的接脚，电源转换驱动模块118连 接在PCB 116与灯泡标准接头120之间以驱动低功率LED 100。每一低 功率LED IOO产生的热经PCB 116的铜箔传导扩散，不需额外的散热 器。外壳122为金属或塑料，当外壳122为金属时，大多因为结构强度需求，而非导热或散热需求。图3是已知的高功率LED 124，正极脚138与负极脚140经金线132 与133连接半导体晶粒130，借封装树脂128固定在散热垫片136上，此 结构容置于塑料外壳134中，光学镜片126覆盖在封装树脂128上与塑 料外壳134嵌合。高功率LED 124的消耗功率大于0.3W，由于在工作时 产生的热量高，因此使用上需考虑散热以避免过热损坏。图4是一种 帮助高功率LED 124散热的结构142，包括散热垫片136与散热鳍片146 贴合金属心塑料电路板(MCPCB)144。高功率LED 124工作时产生的热 经散热垫片136传导至MCPCB 144，再传导至散热鳍片146，借空气的 自然对流将热散逸至空气中。散热垫片136具良导热性，材料有金属、 石墨、碳素纤维、陶瓷或复合材料。图5是现有的前散热式高功率LED 电灯148，包括高导热金属制的反射杯150，外部具环状的散热鳍片 158，玻璃或塑料制的光学镜片152固定在反射杯150的杯口，高功率 LED 124在反射杯150底部，电源转换驱动模块154连接在高功率LED 124与灯泡标准接头156之间。高功率LED 124产生的光被反射杯150 反射穿过光学镜片152，其产生的热经反射杯150传导至散热鳍片158 借空气的自然对流散逸。虽然散热鳍片158增加对流散热的面积，但 是热传导路径长，高功率LED 124产生的热无法迅速传导至散热鳍片 158，易导致高功率LED 124过热。为解决过热问题，发展出背散热式 灯体结构如图6所示，背散热式高功率LED电灯160包括光学镜片162 覆盖在高功率LED 124上，热导管164连接在高功率LED 124与电源转 换驱动模块168之间，热导管164有许多散热鳍片166，电源转换驱动 模块168有一对电源输入端170。高功率LED 124工作时产生的热直接 进入热导管164，再由散热鳍片166借空气的自然对流散热。由于热传 导路径短，热导管164能迅速将高功率LED 124产生的热经散热鳍片 166发散出去，不过此背散热式电灯160须在良好空气流通的环境才能 使散热鳍片166达到较佳的自然对流散热效果。当背散热式高功率 LED电灯160用于照明时，例如嵌入式或是顶式灯具，装设的环境不 具有良好空气流通，因而导致散热效果大幅下降。图7是背散热式高 功率LED电灯160用于嵌入式灯具的示意图，高功率LED电灯160位于 灯罩172中，灯罩172介于楼板174与天花板176之间。由于高功率LED 电灯160包覆在灯罩172中，因此空气对流受限于灯罩172，散热效果 有限。图8是背散热式高功率LED电灯160用于是顶式灯具的示意图， 高功率LED电灯160固定在楼板174与天花板176之间，因此自然对流 的散热效果受限于楼板174与天花板176之间的狭小空间。当顶式灯具 的灯盏数增加，累积的温升造成散热效果下降。此外，在热带或亚热 带地区，天花板176与楼板174之间的空气温度常超过4(TC，亦限制高 功率LED电灯160的散热效果。热传递可以借助传导、对流及辐射等方式进行，但前述的高功率 LED电灯148及160仅利用高导热材料传导热量，及增加发热体与空气 接触的面积提高室温下的自然对流散热。以相同的散热面积而言，自 然对流的散热量是强制对流(例如风扇)的1/4至1/10，且为达到理想的 散热效能，自然对流的散热鳍片间隔通常较大，造成自然对流散热器 的体积相对于强制对流散热器庞大许多。考虑风扇的寿命及可靠度， 强制对流散热相对于高功率LED的长效可靠度而言也不可行，因此随 着LED功率提高以应对照明需求，散热问题变得更加棘手难解。由于高功率LED的接面工作温度需低于120C ，以避免高功率LED 过热损坏，且高功率LED的发光亮度(流明值)及使用寿命皆与接面工 作温度成反比，因此提升高功率LED的散热效率以降低接面工作温度 成为高功率LED用于照明的基础。图9是高功率LED的发光亮度比率与 接面工作温度的关是图，显示在理想状态下，高功率LED的接面工作 温度须低于95i:，以保持发光亮度比率至少80%。图10是高功率LED 的使用寿命与接面工作温度的关是图，显示在理想状态下，高功率 LED的接面工作温度须低于95'C，以保持使用寿命至少50 khr。高功率LED电灯148的另一缺点是光损失高，这是因为高功率LED 124发出的光在反射杯150内多次反射后有一部份无法成为投射光，光 穿透镜片152时又有一部份反射回到反射杯150，因而造成有效光利用 率降低。美国专利公开号第20040004435提出一种LED封装包括盖子覆盖 凹槽，凹槽填满冷却液体包裹LED芯片，冷却液体直接接触LED芯片 提供散热，理论上这似乎可提高散热效率；然而，此结构中冷却液体 仅当作热的传导体，因此实际上无法有效提高散热效率，因为与固体 相比，液体的热传导较差，故冷却液体取代传统树脂直接接触LED芯 片会降低散热效率。进一步言，在高功率应用中，LED芯片的主动接 面约工作在11(TC ，将主动接面周围的冷却液体加热至非常高的温度， 因而在冷却液体至盖子之间产生温度梯度，又该冷却液体非热良导 体，因此无法快速将热从LED芯片传送到周遭的空气中，故在主动接 面附近的冷却液体将变得非常热，而且热会维持在主动接面附近的冷 却液体中。另一缺点为封装太小仅容纳很少本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率发光二极管电灯，其特征在于，包括：具有腔室的容器；液体充填于该腔室中；提供高功率发光二极管源光的光源模块；及轴向导热器，具有第一部份邻近该光源模块与第二部份在该液体中沿着该腔室的轴向延伸至远离该光源模块，将热从该光源模块透过该液体传递到该容器。

【技术特征摘要】
US 2006-7-17 11/487,3861.一种高功率发光二极管电灯，其特征在于，包括具有腔室的容器；液体充填于该腔室中；提供高功率发光二极管源光的光源模块；及轴向导热器，具有第一部份邻近该光源模块与第二部份在该液体中沿着该腔室的轴向延伸至远离该光源模块，将热从该光源模块透过该液体传递到该容器。2. 如权利要求1所述的电灯，其特征在于，该轴向导热器是长条状。3. 如权利要求1所述的电灯，其特征在于，该轴向导热器是管状。4. 如权利要求1所述的电灯，其特征在于，该轴向导热器是柱状。5. 如权利要求1所述的电灯，其特征在于，该轴向导热器包括轴向 鳍状配件。6. 如权利要求1所述的电灯，其特征在于，该轴向导热器包括热导管。7. 如权利要求1所述的电灯，其特征在于，该光源模块包括热传导 载具承载一或多个高功率发光二极管封装体。8. 如权利要求7所述的电灯，其特征在于，该载具连接该轴向导热 器的第一部份。9. 如权利要求8所述的电灯，其特征在于，该载具及该轴向导热器 的第一部份都直接接触该液体。10. 如权利要求8所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：江昆渊，
申请(专利权)人：液光固态照明有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]