基於mems微冷卻裝置散熱的大功率led燈具的製作方法

2023-04-24 19:38:11

專利名稱：基於mems微冷卻裝置散熱的大功率led燈具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種大功率LED燈具，尤其是一種將微流體控制技術、微機 電系統、微熱交換技術與LED燈具製造技術綜合的大功率LED燈具的設計 和製造工藝，它屬於微細製造、表面改性技術和微光學技術相交叉的技術領 域，具體地說是一種基於MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具。
背景技術：
隨著氮化鎵基第三代半導體的興起，藍色和白色發光二極體的研究成功， 半導體照明帶來了人類照明史上的又一次飛躍。與白熾燈和螢光燈相比， LED以其體積小、全固態、長壽命、環保、省電等一系列優點，成為新一 代環保型照明光源的主要發展方向之一，也是21世紀最具發展前景的高技 術領域之一。各國政府高度重視，紛紛出臺國家計劃，投入巨資加以發展。
直接使用藍色晶片激發YAG螢光粉發出白光的照明產品稱之為半導體 照明產品。白色LED照明產品與傳統的白熾燈相比可節電80%-90%;而壽 命可達8-10萬小時，是白熾燈的10倍以上，具有節能環保、發光體積小、 可靠性高且壽命長等顯著的優點，是二十一世紀的最具競爭力的綠色光源產 品。隨著半導體技術的飛速發展，目前大功率LED照明技術己出現可以初步 替代各種傳統照明光源產品之趨勢，美日韓及歐洲等國家和地區均己將之列 入國家重點發展計劃，有針對性地進行研究和開發。路燈照明是除家庭照明 市場以外的第二大照明市場，但電能的消耗卻是最大的，所以如何將大功率 LED的各種優點運用於該領域，從而大幅度降低使用及維護成本、延長壽命、 節約能源成為非常重要的課題。2000年以來半導體LED照明技術發展非常 迅速，目前白光LED發光效率已經達到40-60Im/W左右，在一些特殊照明 領域已經有非常廣泛的應用。但在單顆高功率、高亮度方面還沒有明顯的突 破，在光通量需要非常高的路燈領域基本還是採用將lw或3w的LED通過 組合排列的方式來實現光通量的提升，但隨之而來在散熱方面將帶來非常多的問題。
20世紀末，Lumileds Lighting公司封裝出第一個瓦級大功率LED ，使LED的功率從幾十毫瓦躍超過1000mW,單個LED器件的光通量也從^F到—個lm飛躍達到十幾個lm。目前，高亮度白光LED在實驗室中已經達到100lm/W的水平，501m/W的大功率白光LED也進入商業化。對於W級(》1W)高功率LED而言，目前的電光轉換效率約為15%,剩餘的85%轉化為熱能，而晶片尺寸僅為lmm Xlmm 215mm X215mm，也就是說晶片的功率密度很大，如何提高大功率LED的散熱能力，是LED器件封裝和器件應用設計要解決的核心問題。' -
發光二極體是一種注入電致發光器件，由III2V族化合物製成。在外加電場作用下，電子與空穴的輻射複合而發生的電致作用將能量的10% 15 %轉化為光能，而無輻射複合產生的晶格振蕩將其餘85 % 90 %的能量轉化為熱能。與傳統的照明器件不同，白光LED的發光光譜中不包含紅外部分，所以其熱量不能依靠輻射釋放。
對於單個LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的晶片內而不能有效散出，則會導致晶片溫度升高，引起熱應力的非均勻分布、晶片發光效率和螢光粉激射效率下降。研究表明，當溫度超過一定值，器件的失效率將呈指數規律上升，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結結溫在11Q"C以下。隨著pn結的溫升，白光LED器件的發光波長將發生紅移。統計資料表明，在IOO 'C的溫度下，波長可以紅移4 9nm ，從而導致YAG螢光粉吸收率下降，總的發光強度會減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高l 'C, LED的發光強度會相應地減少l %左右。當多個LED密集排列組成白光照明系統時，熱量的耗散問題更嚴重。因此解決散熱問題已成為功率型LED應用的先決條件。
目前採用比較多的散熱技術有風冷、水冷、增加外殼的散熱面積等手段來散發熱量。這些傳統的散熱技術優缺點同樣明顯風冷散熱目前是散熱效果最好的，但最大的缺點是風扇需要耗能而且其壽命往往不長，理論上壽命最多在5000小時左右，但實際城市道路上的各種灰塵數量很多，在使用過200
程灰塵非常容易堵死風扇的轉葉從而使其達不到理論的壽命，而如果風扇損壞則光源的亮度將很快衰減並最終損壞，所以綜合各方面的因數看並不是最
理想的方式；水冷散熱效果其次，但如果光源長時間運行後用於散熱的水溫將會顯著上升，散熱效果將急劇下降，況且還要考慮到如何保證散熱介質一水不會洩漏對其它部件產生影的問題，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，缺點是散熱的總功率不大，金屬材料使用較多，造成整個成品的重^f艮重，外觀比較笨重。這也是市場上的實用化的LED路燈的功率都不大，功率很少超過25w的原因。
金剛石是目前所知導熱性能最好的材料之一，但是由於金剛石基體MEMS成本高，.很少用於簡單的電子元器件的散熱。本發明提出一種基於金剛石基體MEMS的散熱技術，旨在解決大功率LED的散熱問題。同時，本發明提出在金剛石基體上製造微流體通道，高傳熱介質材料(熱介質油)或者水等直接在流體通道流動,進行傳熱交換,提高大功率LED的散熱效果。

發明內容
本發明的目的在於針對目前的大功率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題，提供一種基於MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具。本發明可以使用金剛石基體的MEMS結構，也可以在基片上直接塗層金剛石或者類金剛石塗層形成導熱介質層。本發明的技術方案是. 一種基於MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用於安裝LED晶片的PCB板5，其特徵在於所述的PCB板5未安裝LED晶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上設有與微流體散熱通道1相通的微流體進孔7和微流體出孔8,通過微流體在微流體散熱通道1的流動將LED晶片使用過程發出並傳導到金剛石基體3上的熱量帶走。所述的微流體散熱通道1呈連續的S形布置在金剛石基體3上。所述的金剛石基體3通過導熱膠4與安裝LED晶片的PCB板5粘結相連。所述的金剛石基體3通過連接螺栓6與安裝LED晶片的PCB板5相連。所述的微流體是一種高傳導的介質，所述的金剛石微基體3的高度為10~500微米。
本發明的有益效果是
本發明設計合理、結構緊湊、易於製造、散熱效果好；可迅速轉移出超大功率LED工作時發出的熱量，可有效地滿足大功率LED燈具散熱的需要，可使超大功率LED路燈實現工業化大規模生產。實驗證明本發明可以提高散熱效率50%以上。


圖1本發明的結構示意圖之一。圖2本發明的結構示意圖之二。圖3本發明的微流體散熱器的結構示意圖。圖4是反映本發明微流體散熱通道結構的圖3的A-A剖視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
實施例一。
如圖1、 3、 4所示。
一種基於MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用於安裝LED晶片的PCB板5，所述的PCB板5未安裝LED晶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上設有連續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上設有與微流體散熱通道1相通的微流體進孔7和微流體出孔8，通過微流體在微流體散熱通道1的流動將LED晶片使用過程發出並傳導到金剛石基體3上的熱量帶走。具體實施時金剛石基體3可通過導熱膠4與安裝LED晶片的PCB板5粘結相連，如圖1所示。微流體可採用高傳導的介質(熱介質油、水)，所述的金剛石微基體3的高度為10 500微米，如圖3。
實施例二。
如圖2、 3、 4所示。一種基於MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用於安裝LED晶片的PCB板5,所述的PCB板5未安裝LED晶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上設有連續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上設有與微流體散熱通道1相通的微流體進孔7和微流體出孔8，通過微流體在微流體散熱通道1的流動將LED晶片使用過程發出並傳導到金剛石基體3上的熱量帶走。具體實施時金剛石基體3可通過連接螺栓6與安裝LED晶片的PCB板5粘結相連，如圖2所示。微流體可採用高傳導的介質(熱介質油、水)，所述的金剛石微基體3的高度為10 500微米，如圖3。
本發明是一種解決大功率LED路燈的散熱設計。LED固定在鋁基材料的PCB基板上，同時在PCB板的另一面，固定連接由金剛石基體材料設計和製造的微型冷卻器件，PCB板與金剛石冷卻器之間通過高導熱的膠粘接。在LED燈具使用過程中，LED散發的熱量通過引腳傳遞到PCB的引腳連接鋁板上，同時鋁板的過多的熱量通過導熱膠傳遞到金剛石的微散熱器上。燈具室內.氣體通過微散熱裝置將LED的熱量帶走，達到降低LED燈具的熱量的目的。
發明的另一種實現方法利用微細加工的方法在PCB板上直接製造微冷卻裝置，並將LED引腳直接與PCB板焊接。微冷卻器件採用微型電鑄並沉積金剛石塗層的方法獲得。
發明一種實現方式是lt冷雄器件與LED器件固定在PCB板的同側，通過鋁板導熱，燈腔的空氣吸入微冷卻器件，冷空氣與微冷卻器件進行熱交換變成熱空氣在通過燈腔壁的開口散發到外面，達到散熱的目的。
本發明基於金剛石的微流體冷卻器件，微流體是一種高傳導的介質(熱介質油、水)。金剛石微流體器件尺寸在10微米一500微米之間。
本發明的基於微流體的散熱器件，金剛石的薄膜可以採用微波等離子化學氣相沉積、熱絲化學氣相沉積、低溫等離子輔助化學氣相沉積、物理氣相沉積等方法獲得。
本發明的基體材料可以金剛石薄膜，也可以是類金剛石薄膜。
本發明的導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。
權利要求
1、一種基於MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用於安裝LED晶片的PCB板(5)，其特徵在於所述的PCB板(5)未安裝LED晶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)上設有與微流體散熱通道(1)相通的微流體進孔(7)和微流體出孔(8)，通過微流體在微流體散熱通道(1)的流動將LED晶片使用過程發出並傳導到金剛石基體(3)上的熱量帶走。
2、 根據權利要求1所述的基於MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特徵是所述的微流體散熱通道(l)呈連續的S形布置在金剛石基體(3) 上。
3、 根據權利要求1所述的基於MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特徵是所述的金剛石基體(3)通過導熱膠(4)與安裝LED晶片的PCB 板(5)粘結相連。
4、 根據權利要求1所述的基於MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特徵是所述的金剛石基體(3)通過連接螺栓(6)與安裝LED晶片的 PCB板(5)相連。
5、 根據權利要求1所述的基於MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特徵是所述的微流體是一種高傳導的介質，所述的金剛石微基體(3) 的高度為10 500微米。
6、 根據權利要求1所述的基於MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特徵是所述的金剛石基體材料直接沉積在PCB基板上周圍散熱介質塗 層。
全文摘要
一種基於MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用於安裝LED晶片的PCB板(5)，其特徵在於所述的PCB板(5)未安裝LED晶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)上設有與微流體散熱通道(1)相通的微流體進孔(7)和微流體出孔(8)，通過微流體在微流體散熱通道(1)的流動將LED晶片使用過程發出並傳導到金剛石基體(3)上的熱量帶走。本發明設計合理、結構緊湊、易於製造、散熱效果好；可迅速轉移出超大功率LED工作時發出的熱量，可有效地滿足大功率LED燈具散熱的需要，可使超大功率LED路燈實現工業化大規模生產。實驗證明本發明可以提高散熱效率50％以上。
文檔編號F21S2/00GK101644385SQ20091003308
公開日2010年2月10日 申請日期2009年6月11日 優先權日2009年6月11日
發明者朱紀軍, 樊世才, 洪思忠 申請人:江蘇名家匯電器有限公司