CN102544301A - Led封装结构 - Google Patents

Abstract

一种LED封装结构，包括：LED部件；与所述LED部件贴合的电-热散热组件，所述电-热散热组件包括电-热散热元件，所述电-热散热元件在外部电流的驱动下对所述LED部件产生的热量进行传导；与所述电-热散热组件贴合的散热片，吸收所述电-热散热元件传导的热量，所述散热片的材料为相变材料。本发明有利于提高散热效率，改善器件的发光效率和使用寿命，而且还可以延长电池的使用寿命，改善LED产品的续航能力。

Description

LED封装结构

技术领域

本发明涉及LED技术，尤其涉及一种LED封装结构。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电信号转化为光信号。

LED中的核心部件是LED管芯，LED管芯的一端是p型半导体，为p区，在p型半导体以空穴为主要载流子，另一端是n型半导体，为n区，在N型半导体以电子为主要载流子，将这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“p-n结”。当电流通过导线作用于这个LED管芯的时候，电子就会从n区流向p区，在p区里跟空穴复合，以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而LED发光的颜色，是由形成p-n结的材料决定的。

由LED构成的光源耗电少，寿命长、且不含有毒物质，得到广泛的应用，应用领域包括背光源、显示屏、汽车灯及各种景观照明场所。LED封装成为现在具有挑战性的研究热点，LED封装的关键问题在于散热，散热不畅会导致LED温度过高，影响发光效率和使用寿命。

图1示出了现有技术的一种LED封装结构的剖面图，包括：硅光学平台(SiOB，Silicon Optical Bench)100，其上表面形成有凹槽，所述硅光学平台100的材料为掺杂的硅；LED管芯120，位于所述硅光学平台100的凹槽中；形成在所述硅光学平台100下表面的P型半导体材料111和N型半导体材料112以及位于二者之间的隔离介质层113；介质层130，形成在所述P型半导体材料111、N型半导体材料112和隔离介质层113的底面上，所述底面指的是和所述硅光学平台100的下表面相接的一面相对的另一面；导电栓塞114和导电栓塞115，形成在所述介质层130中，分别和所述P型半导体材料111和N型半导体材料112电连接。在使用过程中，通过所述导电栓塞114和导电栓塞115对所述P型半导体材料111、硅光学平台100和N型半导体材料112施加外部电流，根据珀耳贴效应(Peltier Effect)，该结构可以促进硅光学平台100、P型半导体材料111和N型半导体材料112的热传导，实现对LED管芯120的散热。

但是上述结构的散热效率较低，在所述LED管芯120功率较大、产生热量较多的时候，散热效果较差，影响器件的发光效率和使用寿命。

关于LED封装结构及散热问题，更多详细内容可以参考公开号为“2009/0159913A1”的美国专利申请文件。

发明内容

本发明解决的问题是LED封装结构散热效率较低，影响器件的发光效率和使用寿命的问题。

为解决上述问题，本发明提供了一种LED封装结构，包括：

LED部件；

与所述LED部件贴合的电-热散热组件，所述电-热散热组件包括电-热散热元件，所述电-热散热元件在外部电流的驱动下对所述LED部件产生的热量进行传导；

与所述电-热散热组件贴合的散热片(heat sink)，吸收所述电-热散热元件传导的热量，所述散热片的材料为相变材料(PCM，Phase Change Material)。

可选的，所述相变材料为室温相变材料。

可选的，所述相变材料选自十水合硫酸钠，六水合氯化钙，水合硝酸亚铁，直链脂肪酸系羧酸，石蜡，聚乙二醇，新戊二醇，硬脂酸正丁酯。

可选的，所述散热片的外表面形成有氧化层。

可选的，所述电散热组件还包括第一导热层，所述电-热散热元件通过第一导热层与所述LED部件贴合。

可选的，所述第一导热层的材料为陶瓷。

可选的，所述电-热散热元件包括至少一组电-热散热单元，每一组电-热散热单元包括电连接的P型导电导热结构和N型导电导热结构，各组电-热散热单元并列排布在所述第一导热层和所述散热片之间，相邻两组电-热散热单元的P型导电导热结构和N型导电导热结构之间电连接。

可选的，所述P型导电导热结构为P型掺杂的半导体材料，所述N型导电导热结构为N型掺杂的半导体材料。

可选的，所述P型导电导热结构和N型导电导热结构之间通过金属互连层实现电连接。

可选的，所述电-热散热组件还包括第二导热层，所述电-热散热元件通过第二导热层与所述散热片贴合。

可选的，所述第二导热层的材料为陶瓷。

可选的，所述电-热散热组件还包括热-电转换元件以及与所述电-热散热元件和热-电转换元件贴合的第二导热层，所述散热片与热-电转换元件贴合，所述热-电转换元件将所述电-热散热元件传导的热量传输至所述散热片，产生并输出充电电流。

可选的，所述热-电转换元件包括至少一组热-电转换单元，每一组热-电转换单元包括电连接的P型导电导热结构和N型导电导热结构，各组热-电转换单元并列排布在所述第二导热层和散热片之间，相邻两组热-电转换单元的P型导电导热结构和N型导电导热结构之间电连接。

可选的，所述P型导电导热结构为P型掺杂的半导体材料，所述N型导电导热结构为N型掺杂的半导体材料。

可选的，所述相邻的P型导电导热结构和N型导电导热结构之间通过金属互连层实现电连接。

可选的，所述第二导热层的材料为陶瓷。

可选的，所述LED部件包括LED管芯，或者，所述LED部件包括硅光学平台和位于所述硅光学平台上的LED管芯。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本技术方案的LED封装结构中，与电-热散热元件相贴合的散热片的材料为相变材料，由于相变材料在发生相变时能够吸收大量的热量，因此有利于提高LED封装结构的散热效率，改善器件的发光效率和使用寿命。

进一步的，本技术方案的LED封装结构在电-热散热元件和散热片之间还集成有热-电转换元件，在传导热量的同时，利用塞贝克效应(Seebeck Effect)产生并输出充电电流，可以用于外部电池的充电，延长电池的使用寿命，改善LED产品的续航能力。

附图说明

图1是现有技术的一种LED封装结构的剖面图；

图2是本发明第一实施例的LED封装结构的剖面图；

图3是本发明第二实施例的LED封装结构的剖面图。

具体实施方式

现有技术的LED封装结构的散热效率较低，在LED管芯功率较大，发热量较多的情况下，并不能及时散热，会影响发光效率和使用寿命。

本技术方案的LED封装结构中，与电-热散热元件相贴合的散热片的材料为相变材料，由于相变材料在发生相变时能够吸收大量的热量，因此有利于提高LED封装结构的散热效率，改善器件的发光效率和使用寿命。

进一步的，本技术方案的LED封装结构在电-热散热元件和散热片之间还集成有热-电转换元件，在传导热量的同时，利用塞贝克效应产生并输出充电电流，可以用于外部电池的充电，延长电池的使用寿命，改善LED产品的续航能力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种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发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

图2示出了本发明第一实施例的LED封装结构的剖面图，包括：LED部件20；与所述LED部件20贴合的电-热散热组件27，所述电-热散热组件27包括电-热散热元件21，所述电-热散热元件21在外部电流Drive的驱动下对所述LED部件20产生的热量进行传导，本实施例中电-热散热组件27还包括第一导热层23和第二导热层24，所述电-热散热元件21通过第一导热层23与所述LED部件20贴合；散热片22，与所述电-热散热组件27贴合，吸收所述电-热散热元件21传导的热量，所述散热片22的材料为相变材料，本实施例中，所述散热片22通过第二导热层24与所述电-热散热元件21贴合。所述第一导热层23和第二导热层24是可选的，在其他实施例中，可以仅包括其中的一个，也可以都不包括，例如将所述电-热散热元件21和LED部件20直接贴合，将所述散热片22和电-热散热元件21直接贴合。

所述LED部件20可以为一LED管芯，贴合设置在所述第一导热层23上；也可以包括硅光学平台和位于所述硅光学平台上的LED管芯，所述硅光学平台的底部贴合设置在所述第一导热层23上。

所述第一导热层23和第二导热层24的材料可以是陶瓷，或本领域技术人员公知的其他热传导性能较好的材料。

所述电-热散热元件21包括至少一组电-热散热单元211，本实施例中具体包括3组，在其他实施例中，根据实际应用的需要，也可以为1组、5组、7组等。每一组电-热散热单元211包括电连接的P型导电导热结构211b和N型导电导热结构211a，各组电-热散热单元211并列排布在所述第一导热层23和第二导热层24之间，相邻两组电-热散热单元211的P型导电导热结构211b和N型导电导热结构211a之间电连接。

在其他实施例中，如果所述电-热散热组件27并不包括第二导热层24，那么各组电-热散热单元211可以并列排布在第一导热层23和散热片22之间；或者所述电-热散热组件27也可以不包括所述第一导热层23和第二导热层24，而将各组电-热散热单元211并列排布在LED部件20和散热片22之间。

作为一个优选的实施例，所述P型导电导热结构211b为P型掺杂的半导体材料，如P型掺杂的硅、硅锗等，所述N型导电导热结构211a为N型掺杂的半导体材料，如N型掺杂的硅、硅锗等，P型导电导热结构211b和N型导电导热结构211a之间通过金属互连层211c实现电连接，所述金属互连层211c可以是铜，铝，或者其他半导体工艺中常用的互连金属材料。

由于本实施例中所述P型导电导热结构211b和N型导电导热结构211a都为半导体材料，而且通过金属互连层211c实现电连接，因此可以和现有技术中的半导体工艺相兼容，便于使用已经成熟的半导体工艺技术进行制造。

在实际使用中，可以通过外部电源26对所述电-热散热元件21施加外部电流Drive，在所述外部电流Drive的驱动下，根据珀耳贴效应，可以促进热量从所述LED部件20传导至散热片22。

所述散热片22的材料为相变材料，作为一个优选的实施例，可以是室温相变材料，即能够在室温范围内发生相变的材料，有利于所述LED封装结构以及应用该封装结构的产品在室温下正常工作。所述室温是指20℃左右，更具体的是指18～25℃；所述相变指的是相变材料在吸收热量后发生晶态和非晶态或者其他状态之间的转换。所述相变材料可以为十水合硫酸钠，六水合氯化钙，水合硝酸亚铁等无机物，或是直链脂肪酸系羧酸，石蜡，聚乙二醇，新戊二醇，硬脂酸正丁酯等有机物。

由于相变材料在发生相变时往往需要吸收大量的热量以发生熔融直至相变，因此使用相变材料制成的散热片22可以有效的吸收传导至其中的热量，有利于提高散热效率。而且，即使在所述LED部件20的瞬间功率较大，产生的热量有一瞬间的峰值突发的情况下，相变材料制成的散热片22也能够及时的对热量进行吸收，避免器件的损坏。

此外，本实施例的散热片22的外表面还形成有氧化层25，用于散热片22与其他结构的隔离，以及防止相变材料熔融及相变时导致的形变。

图3示出了本发明第二实施例的LED封装结构的剖面图，包括：LED部件30；与所述LED部件30贴合的电-热散热组件38，所述电-热散热组件38包括电-热散热元件31，在外部电流Drive的驱动下，对所述LED部件30产生的热量进行传导，本实施例中所述电-热散热组件38还包括第一导热层34、第二导热层35和热-电转换元件32，所述电-热散热元件31通过第一导热层34与所述LED部件30贴合，所述热-电转换元件32通过第二导热层35与所述电-热散热元件31贴合；散热片33，与所述电-热散热组件38贴合，具体的，与所述电-热散热组件38中的热-电转换元件32贴合，所述散热片22的材料为相变材料，所述热-电转换元件32将热量传输至所述散热片22，产生并输出充电电流Charge。所述第一导热层34是可选的，在其他实施例中，也可以将所述电-热散热元件31和LED部件30直接贴合。

所述LED部件30，第一导热层34，电-热散热元件31，第二导热层35的材料、内部结构、工作原理等与前述第一实施例一致，这里不再赘述。

所述热-电转换元件32位于所述第二导热层35和散热片33之间，其一侧通过第二导热层35与所述电-热散热元件31贴合，另一侧与所述散热片33贴合。所述热-电转换元件32包括至少一组热-电转换单元321，本实施例中具体为3组，根据实际应用需求，在其他实施例中也可以是1组、5组、7组等。每一组热-电转换单元321包括电连接的P型导电导热结构321a和N型导电导热结构321b，各组热-电转换单元321并列排布在所述第二导热层35和散热片33之间，相邻两组热-电转换单元321的P型导电导热结构321a和N型导电导热结构321b之间电连接。

作为一个优选的实施例，所述P型导电导热结构321a为P型掺杂的半导体材料，如P型掺杂的硅、硅锗等，所述N型导电导热结构321b为N型掺杂的半导体材料，如N型掺杂的硅、硅锗等，P型导电导热结构321a和N型导电导热结构321b之间通过金属互连层321c实现电连接，所述金属互连层321c可以是铜，铝，或者其他半导体工艺中常用的互连金属材料。

类似的，上述材料选择使得本实施例的LED封装结构可以和现有技术中的半导体工艺相兼容，便于使用已经成熟的半导体工艺技术进行制造。

在实际使用中，可以通过外部电源37对所述电-热散热元件31施加外部电流Drive，在所述外部电流Drive的驱动下，根据珀耳贴效应，可以促进热量从所述LED部件30传导出来，由于所述电-热散热元件31和热-电转换单元32都是导热导电材料制成的，因此热量可以通过二者最终传导至所述散热片33。

所述热-电转换单元32在传导热量的同时，由于塞贝克效应，发生热能至电能的转换，会产生充电电流Charge，所述充电电流Charge的方向和外部电流Drive的方向相反，可以用作对电源37进行充电，具体的，可以对电源37中的电池进行充电，从而延长电池的使用寿命，改善使用该LED封装结构的产品的续航能力。

与前述第一实施例类似的，所述散热片33的材料为相变材料，优选为室温相变材料，如可以为十水合硫酸钠，六水合氯化钙，水合硝酸亚铁等无机物，或是直链脂肪酸系羧酸，石蜡，聚乙二醇，新戊二醇，硬脂酸正丁酯等有机物。

此外，散热片33的外表面还形成有氧化层36，用于和其他结构隔离，以及防止相变材料熔融及相变时导致的形变。

综上，本技术方案的LED封装结构中，与电-热散热元件相贴合的散热片的材料为相变材料，由于相变材料在发生相变时能够吸收大量的热量，因此有利于提高LED封装结构的散热效率，改善器件的发光效率和使用寿命。

进一步的，本技术方案的LED封装结构在电-热散热元件和散热片之间还集成有热-电转换元件，在传导热量的同时，利用塞贝克效应产生并输出充电电流，可以用于外部电池的充电，延长电池的使用寿命，改善LED产品的续航能力。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (17)

1.一种LED封装结构，其特征在于，包括：

LED部件；

与所述LED部件贴合的电-热散热组件，所述电-热散热组件包括电-热散热元件，所述电-热散热元件在外部电流的驱动下对所述LED部件产生的热量进行传导；

与所述电-热散热组件贴合的散热片，吸收所述电-热散热元件传导的热量，所述散热片的材料为相变材料。

2.根据权利要求1所述的LED封装结构，其特征在于，所述相变材料为室温相变材料。

3.根据权利要求2所述的LED封装结构，其特征在于，所述相变材料选自十水合硫酸钠，六水合氯化钙，水合硝酸亚铁，直链脂肪酸系羧酸，石蜡，聚乙二醇，新戊二醇，硬脂酸正丁酯。

4.根据权利要求1所述的LED封装结构，其特征在于，所述散热片的外表面形成有氧化层。

5.根据权利要求1所述的LED封装结构，其特征在于，所述电散热组件还包括第一导热层，所述电-热散热元件通过第一导热层与所述LED部件贴合。

6.根据权利要求5所述的LED封装结构，其特征在于，所述第一导热层的材料为陶瓷。

7.根据权利要求5所述的LED封装结构，其特征在于，所述电-热散热元件包括至少一组电-热散热单元，每一组电-热散热单元包括电连接的P型导电导热结构和N型导电导热结构，各组电-热散热单元并列排布在所述第一导热层和所述散热片之间，相邻两组电-热散热单元的P型导电导热结构和N型导电导热结构之间电连接。

8.根据权利要求7所述的LED封装结构，其特征在于，所述P型导电导热结构为P型掺杂的半导体材料，所述N型导电导热结构为N型掺杂的半导体材料。

9.根据权利要求8所述的LED封装结构，其特征在于，所述P型导电导热结构和N型导电导热结构之间通过金属互连层实现电连接。

10.根据权利要求1或5所述的LED封装结构，其特征在于，所述电-热散热组件还包括第二导热层，所述电-热散热元件通过第二导热层与所述散热片贴合。

11.根据权利要求10所述的LED封装结构，其特征在于，所述第二导热层的材料为陶瓷。

12.根据权利要求1或5所述的LED封装结构，其特征在于，所述电-热散热组件还包括热-电转换元件以及与所述电-热散热元件和热-电转换元件贴合的第二导热层，所述散热片与热-电转换元件贴合，所述热-电转换元件将所述电-热散热元件传导的热量传输至所述散热片，产生并输出充电电流。

13.根据权利要求12所述的LED封装结构，其特征在于，所述热-电转换元件包括至少一组热-电转换单元，每一组热-电转换单元包括电连接的P型导电导热结构和N型导电导热结构，各组热-电转换单元并列排布在所述第二导热层和散热片之间，相邻两组热-电转换单元的P型导电导热结构和N型导电导热结构之间电连接。

14.根据权利要求13所述的LED封装结构，其特征在于，所述P型导电导热结构为P型掺杂的半导体材料，所述N型导电导热结构为N型掺杂的半导体材料。

15.根据权利要求14所述的LED封装结构，其特征在于，所述相邻的P型导电导热结构和N型导电导热结构之间通过金属互连层实现电连接。

16.根据权利要求12所述的LED封装结构，其特征在于，所述第二导热层的材料为陶瓷。

17.根据权利要求1所述的LED封装结构，其特征在于，所述LED部件包括LED管芯，或者，所述LED部件包括硅光学平台和位于所述硅光学平台上的LED管芯。

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