一種大功率led熱沉的製作方法

2023-09-15 00:21:25

專利名稱：一種大功率led熱沉的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及LED(Light-Emitting Diode,發光二極體),特別是涉及ー種用於大功率LED散熱的熱沉。
技術背景 LED具有節能環保、壽命長、響應快、小而輕等特點，是新一代的照明技木，廣泛應用於景觀照明、汽車市場、交通燈市場、戶外大屏幕顯示和特殊工作照明等領域，正朝著高亮度、高色彩性、高耐氣候性、高發光均勻性的方向發展。在照明領域，白光LED被認為是繼白熾燈、螢光燈、鈉燈之後的新一代照明光源，發達國家正在著手普及，預計在5-10年後將取代傳統照明光源。在世界範圍內，LED技術還存在成本、效率和可靠性的問題。特別是在室外應用方面，可靠性問題更為突出。撇開上遊的外延、晶片產業，以及中遊的封裝產業，LED散熱不良引起可靠性降低的問題成為應用的瓶頸。LED的電光轉換效率目前在15-25%之間，其餘的能量幾乎都轉化成熱量。對於大功率(>1W)LED而言，功率5W的LED的熱流密度達到500W/cm2。如果散熱不良，晶片在高溫下工作，導致發光效率降低、發光強度減小、顔色改變、加速老化而縮短使用壽命。據報導，大功率LED的結點溫度從40°C提高到50°C時，使用壽命從4. 2萬小時減小到1. 8萬小吋。作為冷光源和以採用恆流工作模式為主的LED在工作過程中的熱量來源於結電阻、體電阻、阻抗、光的吸收和反射、非輻射躍遷。解決LED散熱問題的路徑主要有兩條一是提高電光轉換效率和光提取率，另ー是通過散熱設計(包括高導熱散熱材料的選擇與開發以及結構優化等措施)。LED散熱設計的內容包括晶片封裝散熱設計、驅動散熱設計、外殼散熱設計和光源腔內散熱位置的確定。從另一角度上講，LED散熱設計的內容包括晶片層級(Chip Level),封裝層級(Package Level)、散熱基板層級(Board Level)和系統層級(System Level)。這些設計的核心內容是把晶片和驅動電路工作過程中產生的熱量儘量快儘量多的排出燈外的環境中，同時考慮散熱的均勻性。對於透鏡式封裝LED，散熱路徑主要有四條a)金線導熱；b)透鏡表面向空氣中散熱；c)通孔至系統電路板導熱；d)由陶瓷基板直接向系統電路板導熱。其中路徑d的散熱量最大。散熱設計的原則是層數少、各層的厚度小、面積大、特定面積採用矩形或環形形狀、材料的導熱係數高。通常把LED晶片-熱沉的熱流途徑稱為一次散熱，熱沉-周圍空氣的散熱途徑稱為二次散熱。二次散熱設計考慮的因素包括散熱器的有效散熱面積、空氣流動形式、表面輻射率、輻射角係數、溫度以及製造エ藝、成本、使用特性。目前已開發應用於LED散熱設計的專用軟體。為了解決大功率LED的散熱問題，國內外該領域的研究開發人員做出了多方面的努力，並取得引人注目的成果，光我國已公開的關於LED散熱設計的專利數以萬計。對於大功率LED系統端的散熱策略，包括散熱鰭片(授權公告號為CN201327000Y的實用新型專利)、壓鑄到散熱基板的散熱柱(授權公告號為CN201237194Y的實用新型專利)、相變(申請公布號為CN102230583A、CN102226241A、CN102155729A的實用新型專利)、熱管技術(申請公布號為CN102109155A的實用新型專利、授權公告號為CN201688375U的實用新型專利)、風扇強制對流(申請公布號為CN102147104A的實用新型專利、授權公告號為CN201844255U的實用新型專利)、串聯熱敏電阻(申請公布號為CN102142508A的實用新型專利)、泡沫金屬散熱器(授權公告號為CN201155735Y的實用新型專利)、多孔金屬散熱鰭片(授權公告號為CN201327001Y的實用新型專利)、多孔陶瓷散熱鰭片(授權公告號為CN201382734Y的實用新型專利)、陶瓷輻射散熱(授權公告號為CN202048434U、CN201854534U的實用新型專利)、梯度複合結構的多孔金屬熱管(申請公布號為CN102184902A的實用新型專利)、散熱鰭片和熱管結合(申請公布號為CN102102867A的實用新型專利)、陶瓷基板/多孔銅/納米塗料(授權公告號為CN202176948U的實用新型專利)等措施，這些設計在一定程度上改善了 LED的散熱效果。由於LED的體積很小，因此靠自然對流的冷卻效果並不佳，因為散熱片的體積受到限制。同樣的道理，熱沉採用相變材料的冷卻效果也不理想，特別是長時間工作的大功率LED熱量不斷累積的過程。微型熱管技術複雜、成本昂貴，目前並未在LED的散熱方面獲得廣泛應用。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是，提供一種新穎、高效、低成本的大功率LED熱沉，使大功率LED的散熱效果得到很好的提升，從而解決現有技術之問題。為了解決上述技術問題，本實用新型所採用的技術方案是，ー種大功率LED熱沉，其設有若干相互貫通或封閉的孔洞，所述若干孔洞構成網絡結構。孔洞的邊界或表面由支柱或平板構成。其中，所述若干孔洞構成的網絡結構是由大量多邊形孔在平面上聚集形成的ニ維結構，其形狀類似於蜂房的六邊形結構。所述若干孔洞構成的網絡結構也可以是由大量多面體形狀的孔洞在空間聚集形成的三維結構。作為ー個進ー步的技術方案，所述若干孔洞的孔隙率或孔徑沿厚度方向成梯度分布。作為ー個進ー步的技術方案，所述大功率LED熱沉的孔隙率或孔徑較小的一面朝LED晶片安裝。一般LED封裝結構包括LED晶片、金線、矽膠層、螢光粉層、基板、金屬板、反射杯及熱沉，LED晶片設於反射杯內，LED晶片依次上覆蓋有螢光粉層、矽膠層，金線將LED晶片的正負極引出；反射杯下依次設有基板、金屬板和熱沉。所述大功率LED熱沉通過高導熱矽酯連接至基板，或通過導熱柱直接焊接到基板上。越接近LED晶片，該大功率LED熱沉的若干孔洞的孔隙率或孔徑越小。其中，該大功率LED熱沉可通過採用的梯度多孔材料來製成。該梯度多孔材料可以是高導熱金屬材料、高導熱碳類材料或者高導熱陶瓷。該大功率LED熱沉還可通過採用梯度多孔的金屬鋁、銅、金、銀、其合金或其組合來實現。該大功率LED熱沉的若干孔洞可通過機械加工成孔。對於機械加工成孔，正面孔的形式包括等直徑孔、喇叭孔、螺旋孔或階梯孔，側面開有通孔，而且側面孔的軸線和正面孔的軸線垂直相交。孔的形狀可以是圓形、方形、六角形或其他形狀。[0016]當然，該大功率LED熱沉的若干孔洞也可通過其他成孔方法和機械加工結合的形式製造，例如採用機械加工、擠壓成型、熱壓鑄成型、注射成型、模壓成型獲得的蜂窩狀梯度多孔熱沉，孔隙大小、形狀均一，在三維方向互相連通，從而保證了散熱的均勻性，有效的消除了局部熱點。特別需要指出的是，採用擠壓成型、熱壓鑄成型、注射成型或模壓成型，可以多次成型不同孔徑的蜂窩體，然後通過拼接或焊接形成梯度多孔結構，拼接或焊接時保持梯度孔的軸線在一條直線上。本實用新型採用上述方案，使用梯度多孔大功率LED熱沉，由於孔隙率或孔徑沿厚度方向成梯度分布(逐漸増大)，則孔隙表面的散熱面積沿厚度方向成梯度分布(逐漸增大)，熱沉外部的孔隙對靠裡的孔隙的熱量傳遞形成了拽引力，如同排氣煙囪一祥，從而強化了自然對流散熱，提高了熱沉的散熱能力。該大功率LED熱沉的結構新穎、高效、且成本低，使大功率LED的散熱效果得到很好的提升。同時，本實用新型提出的大功率LED熱沉，在強化散熱能力的同吋，還減輕了熱沉的重量，且充分利用了有限的散熱空間。另外，本實用新型提出的大功率LED熱沉，可以和平板式熱管或均溫板或相變材料結合使用，達到多級散熱的效果，進ー步滿足大功率LED散熱的要求。

圖1是本實用新型的實施例的若干孔洞構成的網絡結構示意圖。圖2a是本實用新型的實施例中的孔洞的結構示意圖一。圖2b是本實用新型的實施例中的孔洞的結構示意圖ニ。圖2c是本實用新型的實施例中的孔洞的結構示意圖三。圖3是本實用新型的實施例中的熱沉沿厚度方向的孔洞的ニ維結構示意圖。
具體實施方式
現結合附圖和具體實施方式
對本實用新型進ー步說明。作為本實用新型的ー個具體實施例，如圖1 ー圖3所示，ー種大功率LED熱沉，其通過將基板I開設若干相互貫通或封閉的孔洞2製成。所述若干孔洞2構成網絡結構。孔洞2的邊界或表面由支柱或平板構成。其中，所述若干孔洞2構成的網絡結構是由大量多邊形孔在平面上聚集形成的ニ維結構，其形狀類似於蜂房的六邊形結構。所述若干孔洞2構成的網絡結構也可以是由大量多面體形狀的孔洞2在空間聚集形成的三維結構。所述若干孔洞2的孔隙率或孔徑沿厚度方向成梯度分布。所述大功率LED熱沉的孔隙率或孔徑較小的一面朝LED晶片安裝。越接近LED晶片，該大功率LED熱沉的若干孔洞的孔隙率或孔徑越小。其中，該大功率LED熱沉也可通過採用的梯度多孔材料來製成。該梯度多孔材料可以是高導熱金屬材料、高導熱碳類材料或者高導熱陶瓷。該大功率LED熱沉還可通過採用梯度多孔的金屬鋁、銅、金、銀、其合金或其組合來實現。該大功率LED熱沉的若干孔洞可通過機械加工成孔。對於機械加工成孔，正面孔的形式包括等直徑孔(圖2a)、喇叭孔(圖2b)、螺旋孔或階梯孔(圖2c)，側面開有通孔31，而且側面孔31的軸線和正面孔的軸線垂直相交。孔洞2的形狀可以是圓形、方形、六角形或其他形狀。下面具體以機械加工為例還說明該大功率LED熱沉的製備將厚度8的金屬鋁板，通過機械加工比如鑽頭鑽削或雷射打孔在正面依次形成階梯狀的蜂窩孔(以下簡稱為階梯孔)，階梯孔的直徑依次為dl、d2、……、dn (dl<d2<……<dn),同時在上下、左右的側面鑽削形成孔徑為di (di ^1/2 6)的通孔，側面孔的軸線和正面孔的軸線垂直相交。圖3示出沿厚度方向ニ維結構的孔網的布置圖。這種結構的熱沉具有高的散熱能力的同時，還具有很好的散熱均勻性。對於大功率LED的散熱，可以配合熱管或均溫板和電扇使用。對於功率較低的LED的散熱，可以直接焊接或粘接到電路基板上，或通過導熱柱直接與LED的基板焊接。 儘管結合優選實施方案具體展示和介紹了本實用新型，但所屬領域的技術人員應該明白，在不脫離所附權利要求書所限定的本實用新型的精神和範圍內，在形式上和細節上可以對本實用新型做出各種變化，均為本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種大功率LED熱沉，其特徵在於其設有若干相互貫通或封閉的孔洞，所述若干孔洞構成網絡結構。
2.根據權利要求1所述的一種大功率LED熱沉，其特徵在於所述若干孔洞構成的網絡結構是由大量多邊形孔在平面上聚集形成的二維結構。
3.根據權利要求1所述的一種大功率LED熱沉，其特徵在於所述若干孔洞構成的網絡結構是由大量多面體形狀的孔洞在空間聚集形成的三維結構。
4.根據權利要求1所述的一種大功率LED熱沉，其特徵在於所述若干孔洞的孔隙率或孔徑沿厚度方向成梯度分布。
5.根據權利要求1所述的一種大功率LED熱沉，其特徵在於所述若干孔洞的孔隙率或孔徑較小的一面朝向LED晶片安裝。
專利摘要本實用新型涉及LED。本實用新型的一種大功率LED熱沉，其設有若干相互貫通或封閉的孔洞，所述若干孔洞構成網絡結構。孔洞的邊界或表面由支柱或平板構成。其中，所述若干孔洞構成的網絡結構是由大量多邊形孔在平面上聚集形成的二維結構，其形狀類似於蜂房的六邊形結構。所述若干孔洞構成的網絡結構也可以是由大量多面體形狀的孔洞在空間聚集形成的三維結構。本實用新型應用於大功率LED的散熱。
文檔編號H01L33/64GK202888245SQ201220540370
公開日2013年4月17日 申請日期2012年10月22日 優先權日2012年10月22日
發明者李建國, 林明通 申請人:廈門乾球光電科技有限公司