專利名稱：基于mems微冷卻裝置散熱的大功率led燈具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大功率LED燈具，尤其是一種將微流體控制技術(shù)、微機(jī) 電系統(tǒng)、微熱交換技術(shù)與LED燈具制造技術(shù)綜合的大功率LED燈具的設(shè)計(jì) 和制造工藝，它屬于微細(xì)制造、表面改性技術(shù)和微光學(xué)技術(shù)相交叉的技術(shù)領(lǐng) 域，具體地說(shuō)是一種基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具。
背景技術(shù)：
隨著氮化鎵基第三代半導(dǎo)體的興起，藍(lán)色和白色發(fā)光二極管的研究成功， 半導(dǎo)體照明帶來(lái)了人類照明史上的又一次飛躍。與白熾燈和熒光燈相比， LED以其體積小、全固態(tài)、長(zhǎng)壽命、環(huán)保、省電等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為新一 代環(huán)保型照明光源的主要發(fā)展方向之一，也是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技 術(shù)領(lǐng)域之一。各國(guó)政府高度重視，紛紛出臺(tái)國(guó)家計(jì)劃，投入巨資加以發(fā)展。
直接使用藍(lán)色芯片激發(fā)YAG熒光粉發(fā)出白光的照明產(chǎn)品稱之為半導(dǎo)體 照明產(chǎn)品。白色LED照明產(chǎn)品與傳統(tǒng)的白熾燈相比可節(jié)電80%-90%;而壽 命可達(dá)8-10萬(wàn)小時(shí)，是白熾燈的10倍以上，具有節(jié)能環(huán)保、發(fā)光體積小、 可靠性高且壽命長(zhǎng)等顯著的優(yōu)點(diǎn)，是二十一世紀(jì)的最具競(jìng)爭(zhēng)力的綠色光源產(chǎn) 品。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，目前大功率LED照明技術(shù)己出現(xiàn)可以初步 替代各種傳統(tǒng)照明光源產(chǎn)品之趨勢(shì)，美日韓及歐洲等國(guó)家和地區(qū)均己將之列 入國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃，有針對(duì)性地進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。路燈照明是除家庭照明 市場(chǎng)以外的第二大照明市場(chǎng)，但電能的消耗卻是最大的，所以如何將大功率 LED的各種優(yōu)點(diǎn)運(yùn)用于該領(lǐng)域，從而大幅度降低使用及維護(hù)成本、延長(zhǎng)壽命、 節(jié)約能源成為非常重要的課題。2000年以來(lái)半導(dǎo)體LED照明技術(shù)發(fā)展非常 迅速，目前白光LED發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到40-60Im/W左右，在一些特殊照明 領(lǐng)域已經(jīng)有非常廣泛的應(yīng)用。但在單顆高功率、高亮度方面還沒(méi)有明顯的突 破，在光通量需要非常高的路燈領(lǐng)域基本還是采用將lw或3w的LED通過(guò) 組合排列的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)光通量的提升，但隨之而來(lái)在散熱方面將帶來(lái)非常多的問(wèn)題。
20世紀(jì)末，Lumileds Lighting公司封裝出第一個(gè)瓦級(jí)大功率LED ，使LED的功率從幾十毫瓦躍超過(guò)1000mW,單個(gè)LED器件的光通量也從^F到—個(gè)lm飛躍達(dá)到十幾個(gè)lm。目前，高亮度白光LED在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)達(dá)到100lm/W的水平，501m/W的大功率白光LED也進(jìn)入商業(yè)化。對(duì)于W級(jí)(》1W)高功率LED而言，目前的電光轉(zhuǎn)換效率約為15%,剩余的85%轉(zhuǎn)化為熱能，而芯片尺寸僅為lmm Xlmm 215mm X215mm，也就是說(shuō)芯片的功率密度很大，如何提高大功率LED的散熱能力，是LED器件封裝和器件應(yīng)用設(shè)計(jì)要解決的核心問(wèn)題。' -
發(fā)光二極管是一種注入電致發(fā)光器件，由III2V族化合物制成。在外加電場(chǎng)作用下，電子與空穴的輻射復(fù)合而發(fā)生的電致作用將能量的10% 15 %轉(zhuǎn)化為光能，而無(wú)輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格振蕩將其余85 % 90 %的能量轉(zhuǎn)化為熱能。與傳統(tǒng)的照明器件不同，白光LED的發(fā)光光譜中不包含紅外部分，所以其熱量不能依靠輻射釋放。
對(duì)于單個(gè)LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)而不能有效散出，則會(huì)導(dǎo)致芯片溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當(dāng)溫度超過(guò)一定值，器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律上升，元件溫度每上升2 'C，可靠性下降IO % 。為了保證器件的壽命,—般要求pn結(jié)結(jié)溫在11Q"C以下。隨著pn結(jié)的溫升，白光LED器件的發(fā)光波長(zhǎng)將發(fā)生紅移。統(tǒng)計(jì)資料表明，在IOO 'C的溫度下，波長(zhǎng)可以紅移4 9nm ，從而導(dǎo)致YAG熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高l 'C, LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地減少l %左右。當(dāng)多個(gè)LED密集排列組成白光照明系統(tǒng)時(shí)，熱量的耗散問(wèn)題更嚴(yán)重。因此解決散熱問(wèn)題已成為功率型LED應(yīng)用的先決條件。
目前采用比較多的散熱技術(shù)有風(fēng)冷、水冷、增加外殼的散熱面積等手段來(lái)散發(fā)熱量。這些傳統(tǒng)的散熱技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)同樣明顯風(fēng)冷散熱目前是散熱效果最好的，但最大的缺點(diǎn)是風(fēng)扇需要耗能而且其壽命往往不長(zhǎng)，理論上壽命最多在5000小時(shí)左右，但實(shí)際城市道路上的各種灰塵數(shù)量很多，在使用過(guò)200
程灰塵非常容易堵死風(fēng)扇的轉(zhuǎn)葉從而使其達(dá)不到理論的壽命，而如果風(fēng)扇損壞則光源的亮度將很快衰減并最終損壞，所以綜合各方面的因數(shù)看并不是最
理想的方式；水冷散熱效果其次，但如果光源長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后用于散熱的水溫將會(huì)顯著上升，散熱效果將急劇下降，況且還要考慮到如何保證散熱介質(zhì)一水不會(huì)泄漏對(duì)其它部件產(chǎn)生影的問(wèn)題，同樣也不是很理想的散熱方式；增加外殼散熱面積的方式散熱的效果最差，但綜合看還是比較好的方式，缺點(diǎn)是散熱的總功率不大，金屬材料使用較多，造成整個(gè)成品的重^f艮重，外觀比較笨重。這也是市場(chǎng)上的實(shí)用化的LED路燈的功率都不大，功率很少超過(guò)25w的原因。
金剛石是目前所知導(dǎo)熱性能最好的材料之一，但是由于金剛石基體MEMS成本高，.很少用于簡(jiǎn)單的電子元器件的散熱。本發(fā)明提出一種基于金剛石基體MEMS的散熱技術(shù)，旨在解決大功率LED的散熱問(wèn)題。同時(shí)，本發(fā)明提出在金剛石基體上制造微流體通道，高傳熱介質(zhì)材料(熱介質(zhì)油)或者水等直接在流體通道流動(dòng),進(jìn)行傳熱交換,提高大功率LED的散熱效果。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前的大功率LED燈散熱效果不理想而影響使用效果和難以保證使用壽命的問(wèn)題，提供一種基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具。本發(fā)明可以使用金剛石基體的MEMS結(jié)構(gòu)，也可以在基片上直接涂層金剛石或者類金剛石涂層形成導(dǎo)熱介質(zhì)層。本發(fā)明的技術(shù)方案是. 一種基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用于安裝LED芯片的PCB板5，其特征在于所述的PCB板5未安裝LED芯片的一面與金剛石基體3的底部相連，在所述的金剛石基體3上設(shè)有微流體散熱通道1,微流體散熱通道1上安裝有密封板2，密封板2上設(shè)有與微流體散熱通道1相通的微流體進(jìn)孔7和微流體出孔8,通過(guò)微流體在微流體散熱通道1的流動(dòng)將LED芯片使用過(guò)程發(fā)出并傳導(dǎo)到金剛石基體3上的熱量帶走。所述的微流體散熱通道1呈連續(xù)的S形布置在金剛石基體3上。所述的金剛石基體3通過(guò)導(dǎo)熱膠4與安裝LED芯片的PCB板5粘結(jié)相連。所述的金剛石基體3通過(guò)連接螺栓6與安裝LED芯片的PCB板5相連。所述的微流體是一種高傳導(dǎo)的介質(zhì)，所述的金剛石微基體3的高度為10~500微米。
本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊、易于制造、散熱效果好；可迅速轉(zhuǎn)移出超大功率LED工作時(shí)發(fā)出的熱量，可有效地滿足大功率LED燈具散熱的需要，可使超大功率LED路燈實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明可以提高散熱效率50%以上。
圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖之一。圖2本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖之二。圖3本發(fā)明的微流體散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是反映本發(fā)明微流體散熱通道結(jié)構(gòu)的圖3的A-A剖視圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
實(shí)施例一。
如圖1、 3、 4所示。
一種基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用于安裝LED芯片的PCB板5，所述的PCB板5未安裝LED芯片的一面與金剛石基體3相的底相相連，在所述的金剛石基體3上設(shè)有連續(xù)S形微流體散熱通道T (如圖4)，微流體散熱通道1上安裝有密封板2，密封板2上設(shè)有與微流體散熱通道1相通的微流體進(jìn)孔7和微流體出孔8，通過(guò)微流體在微流體散熱通道1的流動(dòng)將LED芯片使用過(guò)程發(fā)出并傳導(dǎo)到金剛石基體3上的熱量帶走。具體實(shí)施時(shí)金剛石基體3可通過(guò)導(dǎo)熱膠4與安裝LED芯片的PCB板5粘結(jié)相連，如圖1所示。微流體可采用高傳導(dǎo)的介質(zhì)(熱介質(zhì)油、水)，所述的金剛石微基體3的高度為10 500微米，如圖3。
實(shí)施例二。
如圖2、 3、 4所示。一種基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用于安裝LED芯片的PCB板5,所述的PCB板5未安裝LED芯片的一面與金剛石基體3相的底相相連，在所述的金剛石基體3上設(shè)有連續(xù)S形微流體散熱通道1 (如圖4)，微流體散熱通道1上安裝有密封板2，密封板2上設(shè)有與微流體散熱通道1相通的微流體進(jìn)孔7和微流體出孔8，通過(guò)微流體在微流體散熱通道1的流動(dòng)將LED芯片使用過(guò)程發(fā)出并傳導(dǎo)到金剛石基體3上的熱量帶走。具體實(shí)施時(shí)金剛石基體3可通過(guò)連接螺栓6與安裝LED芯片的PCB板5粘結(jié)相連，如圖2所示。微流體可采用高傳導(dǎo)的介質(zhì)(熱介質(zhì)油、水)，所述的金剛石微基體3的高度為10 500微米，如圖3。
本發(fā)明是一種解決大功率LED路燈的散熱設(shè)計(jì)。LED固定在鋁基材料的PCB基板上，同時(shí)在PCB板的另一面，固定連接由金剛石基體材料設(shè)計(jì)和制造的微型冷卻器件，PCB板與金剛石冷卻器之間通過(guò)高導(dǎo)熱的膠粘接。在LED燈具使用過(guò)程中，LED散發(fā)的熱量通過(guò)引腳傳遞到PCB的引腳連接鋁板上，同時(shí)鋁板的過(guò)多的熱量通過(guò)導(dǎo)熱膠傳遞到金剛石的微散熱器上。燈具室內(nèi).氣體通過(guò)微散熱裝置將LED的熱量帶走，達(dá)到降低LED燈具的熱量的目的。
發(fā)明的另一種實(shí)現(xiàn)方法利用微細(xì)加工的方法在PCB板上直接制造微冷卻裝置，并將LED引腳直接與PCB板焊接。微冷卻器件采用微型電鑄并沉積金剛石涂層的方法獲得。
發(fā)明一種實(shí)現(xiàn)方式是lt冷雄器件與LED器件固定在PCB板的同側(cè)，通過(guò)鋁板導(dǎo)熱，燈腔的空氣吸入微冷卻器件，冷空氣與微冷卻器件進(jìn)行熱交換變成熱空氣在通過(guò)燈腔壁的開(kāi)口散發(fā)到外面，達(dá)到散熱的目的。
本發(fā)明基于金剛石的微流體冷卻器件，微流體是一種高傳導(dǎo)的介質(zhì)(熱介質(zhì)油、水)。金剛石微流體器件尺寸在10微米一500微米之間。
本發(fā)明的基于微流體的散熱器件，金剛石的薄膜可以采用微波等離子化學(xué)氣相沉積、熱絲化學(xué)氣相沉積、低溫等離子輔助化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積等方法獲得。
本發(fā)明的基體材料可以金剛石薄膜，也可以是類金剛石薄膜。
本發(fā)明的導(dǎo)熱金剛石薄膜可以納米金剛石電鍍/電鑄的方法在微器件表面獲得。
權(quán)利要求
1、一種基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用于安裝LED芯片的PCB板(5)，其特征在于所述的PCB板(5)未安裝LED芯片的一面與金剛石基體(3)的底部相連，在所述的金剛石基體(3)上設(shè)有微流體散熱通道(1)，微流體散熱通道(1)上安裝有密封板(2)，密封板(2)上設(shè)有與微流體散熱通道(1)相通的微流體進(jìn)孔(7)和微流體出孔(8)，通過(guò)微流體在微流體散熱通道(1)的流動(dòng)將LED芯片使用過(guò)程發(fā)出并傳導(dǎo)到金剛石基體(3)上的熱量帶走。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特征是所述的微流體散熱通道(l)呈連續(xù)的S形布置在金剛石基體(3) 上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特征是所述的金剛石基體(3)通過(guò)導(dǎo)熱膠(4)與安裝LED芯片的PCB 板(5)粘結(jié)相連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特征是所述的金剛石基體(3)通過(guò)連接螺栓(6)與安裝LED芯片的 PCB板(5)相連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特征是所述的微流體是一種高傳導(dǎo)的介質(zhì)，所述的金剛石微基體(3) 的高度為10 500微米。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特征是所述的金剛石基體材料直接沉積在PCB基板上周?chē)峤橘|(zhì)涂 層。
全文摘要
一種基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用于安裝LED芯片的PCB板(5)，其特征在于所述的PCB板(5)未安裝LED芯片的一面與金剛石基體(3)的底部相連，在所述的金剛石基體(3)上設(shè)有微流體散熱通道(1)，微流體散熱通道(1)上安裝有密封板(2)，密封板(2)上設(shè)有與微流體散熱通道(1)相通的微流體進(jìn)孔(7)和微流體出孔(8)，通過(guò)微流體在微流體散熱通道(1)的流動(dòng)將LED芯片使用過(guò)程發(fā)出并傳導(dǎo)到金剛石基體(3)上的熱量帶走。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊、易于制造、散熱效果好；可迅速轉(zhuǎn)移出超大功率LED工作時(shí)發(fā)出的熱量，可有效地滿足大功率LED燈具散熱的需要，可使超大功率LED路燈實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明可以提高散熱效率50％以上。
文檔編號(hào)F21S2/00GK101644385SQ20091003308
公開(kāi)日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2009年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月11日
發(fā)明者朱紀(jì)軍, 樊世才, 洪思忠 申請(qǐng)人:江蘇名家匯電器有限公司