超大功率半導體照明光源基板直冷散熱器裝置的製作方法

2023-12-06 11:24:21

專利名稱：：超大功率半導體照明光源基板直冷散熱器裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及散熱裝置，具體涉及超大功率半導體照明光源基板直冷散熱器裝置。
背景技術：
：現有的發光二極體LED(LightEmittingDiode)是一種直接把電能轉化為光能的半導體發光固體器件。具有光效高、能耗低、壽命長、光色純、體積小、重量輕、工作電壓低、響應時間短、無重金屬汙染、維修費用低等優點，作為新一代綠色照明光源，正得到越來越廣泛的應用。LED對溫度非常敏感，PN結溫度上升偏大就會影響發光效率和使用壽命，見表1所示。隨著結溫的上升，發光的峰值波長將發生漂移，會引起與螢光粉激發波長的失配，降低白光LED的整體發光效率，並導致白光色溫的改變。同時由於結溫的上升會使PN結髮光複合的機率下降，LED的亮度就會下降。如果散熱不良引起的結溫升高過大時，還會出現熱擊穿現象，嚴重影響LED光源的使用壽命。表1結溫與LED光源壽命及出光率的關係表結溫(°c)壽命(小時)出光率(％)25234，0001005575，000958529，5008711513，300801506，000703現有大功率LED光源散熱技術的不足之處是把封裝好的晶片基板和散熱器作為兩個各自獨立的器件用導熱膠粘結，界面熱阻加大，加之散熱器普遍效率較低，難以獲得理想的散熱效果，不適於超大功率的LED光源的散熱。超大功率LED的散熱問題是制約其在功能性照明領域發展的一個世界難題。世界著名公司科銳、日亞的LED照明燈具也只達到3W、5W。國家高技術研究發展計劃(863計劃)把"半導體照明工程"列為重大項目課題，其研究主要目標是燈具的熱阻《9。C/W，正常點亮時結溫溫升《25"C，工作壽命》50000小時(光通量下降到初始值的70%)。圖1為現有技術散熱方式結構示意圖，為了減小結溫上升的幅度，現有技術是將大功率LED封裝好的晶片基板與金屬散熱器通過導熱膠粘合，把晶片產生的熱量傳導給散熱器，再由散熱器將熱量散發到空氣中。根據實際檢測，當環境溫度為25r時，IOOW的LED燈具在點亮I小時，其各點的溫度如表2所示。表2IOOW的LED溫升測量數據環境溫度rc)散熱器溫度rc)基板中心溫度rc)PN結溫度rc)結溫溫升rc)25436767+15=8257備註據相關報告顯示，PN結結溫與光源基板中心溫度相差15'C檢測結果表明結溫溫升過大。原因一是晶片基板中心與散熱器之間溫差偏大，達到24r，這是由於貼合界面用導熱膠粘結，在常溫下安裝時晶片散熱基板和散熱器的界面接觸較好，但在高溫下會因為熱膨脹而產生翹曲間隙，從而造成熱阻增大，PN結熱量難以及時傳導。二是散熱器與空氣之間溫差也偏大，達到ist:，這是由於空氣滯流，散熱效率偏低導致散熱不充分。因此隨著LED光源向大功率及超大功率發展，上述散熱技術已不適應相應的散熱量需4要，這就限制了LED照明向更大功率發展，成為超大功率LED照明推廣應用的最大障礙。
發明內容本發明的目的是提供一種結構簡單，使用方便，成本低，散熱效果好，工作壽命長的超大功率半導體照明光源基板直冷散熱器裝置。為了克服現有技術的不足，本發明的技術方案是這樣的直冷散熱器裝置包括散熱器，晶片基板，液體，其特殊之處在於，散熱器中心部位設為空腔，所述空腔的下端用晶片基板封閉，晶片基板與晶片直接連接，空腔內注入液體。所述散熱器空腔內為負壓空腔。所述空腔封閉用的晶片基板能直接接觸到負壓空腔內的液體，得到直接的冷卻，使晶片溫升得到控制。圖2為本發明散熱方式放大結構示意圖。本發明與現有技術相比，具有結構簡單，使用方便，成本低，散熱效果好，燈具工作壽命長的特點。本發明突出的進步一是把散熱器中心部位由"實心"改為"空腔"，把原來靠金屬材料導熱，變為用液體的蒸發與冷凝現象傳熱，顯著提高散熱器的散熱效率；二是把晶片基板作為散熱器空腔的底板，將其直接與液體接觸，省去了基板與散熱器粘合界面，因此進一步提高了散熱器效率，減小了晶片的結溫溫升。本發明將主要應用於超大功率LED工場燈、超大功率LED隧道燈和超大功率LED路燈等。當環境溫度為25'C時，100W的LED燈具在點亮1小時，其各點的溫度如表3所示。表3使用LED基板冷凝散熱器對100WLED燈具散熱的測量數據tableseeoriginaldocumentpage5備註據相關報告顯示，PN結結溫與光源基板中心溫度相差15'C。由於液體蒸發吸收較大的熱量並通過蒸汽流動和冷凝將大量熱量傳遞到散熱器，晶片基板中心與散熱器之間溫差僅為9'C,表明液體蒸發冷凝具有很好的導熱能力且散熱器表面溫度均勻。同時通過改進散熱器的散熱條件，散熱器與空氣之間的溫差降到了4.5'C，提高了散熱效率。圖1為現有技術散熱方式結構示意圖；圖2為本發明散熱方式放大結構示意圖；圖3為圖2的主視圖結構示意圖；圖4為圖2的散熱器右視剖視圖。具體實施例方式下面結合附圖對本
發明內容作進一步說明參照圖2圖4，超大功率半導體照明光源基板直冷散熱器裝置，包括散熱器2，晶片基板5，液體3，該直冷散熱器裝置的散熱器2的中心部分設為空腔l，所述空腔l的下端用晶片基板5封閉，晶片基板5與晶片4直接連接，空腔1的腔內注入液體3，散熱器空腔為負壓空腔。晶片產生的熱量通過晶片基板傳遞給液體，使液體蒸發，同時基板由於液體蒸發吸收熱量被冷卻，晶片溫升得到控制。本發明具體改進之處在於(1)、把現有散熱器的"實心"變為"空腔"；(2)、把晶片基板作為空腔的底板直接連接在"空腔"的底部；(3)、把空腔抽為負壓；(4)、在空腔中加入可在低溫下蒸發-冷凝的液體。工作原理(1)、晶片通電發光同時產生熱，由於晶片與晶片基板直接連接，熱量傳遞到基板；(2)、由於晶片基板與空腔內的液體直接接觸，熱量幾乎無阻礙地傳遞給液體，液體在適當溫度下沸騰，吸收基板傳遞的熱量使基板得到直接的冷卻，晶片溫升得到控制；(3)、液體蒸發的蒸汽在散熱器內壁冷凝，將熱傳遞給散熱器。同時蒸汽冷凝為液體回流到空腔的下部；(4)、散熱器將蒸汽冷凝熱散發到空氣中；(5)、如此循環往復。現有技術經本發明改進之後，從表13顯示的結果可看出本發明的顯著進步在於在相同的環境溫度25"C下，散熱器溫度由43'C下降到29.5°C，基板中心溫度由67"C下降到34'C,PN結溫度由82'C下降到49'C，結溫溫升由57'C下降到24'C。與現有技術相比，本發明使超大功率LED光源的PN結結溫溫升控制在25。C以下，其使用壽命可達75000小時以上，出光率可達95%。綜上所述，本發明技術達到國家高技術研究發展計劃(863計劃)關於結溫溫升和使用壽命的要求指標，解決了30W以上超大功率LED的散熱問題，使得超大功率LED光源在功能性照明領域的實際推廣應用成為可能。我們將80W超大功率LED工場燈安裝於陝西某大型企業，與其原裝的400W金滷燈進行實測比較，結果顯示超大功率LED工場燈比金滷燈節電308W，而且平均照度和最小照度均遠高於金滷燈的平均照度和最小照度。所以LED燈具在達到其它燈具相同的照明效果時，節電效果十分顯著。實測數據如下表4所示。表4超大LED工場燈與金滷燈實測效果比較類別輸入電壓輸入電流總功率平均照度最小照度LED燈具220V0.41A90.2W102Lx76Lx金滷燈220V2.20A(啟動)398.2W82Lx74Lx1.81A(穩定)7我國照明用電量佔總用電量的12%，我國2008年僅照明用電量就高達4100億千瓦時，相當於英國全國一年的用電量。如果其中有1/2採用LED照明，每年可節電1230億千瓦時，相當於三峽水電站的年發電量。權利要求1、超大功率半導體照明光源基板直冷散熱器裝置，包括散熱器(2)，液體(3)，晶片基板(5)，其特徵在於該直冷散熱器裝置的散熱器(2)的中心部位設為空腔(1)，所述空腔(1)的下端用晶片基板(5)封閉，晶片基板(5)與晶片(4)直接連接，空腔(1)的腔內注入液體(3)。2、根據權利要求1所述的超大功率半導體照明光源基板直冷散熱器裝置，其特徵在於所述散熱器空腔為負壓空腔。3、根據權利要求1所述的超大功率半導體照明光源基板直冷散熱器裝置，其特徵在於所述空腔(1)封閉用的晶片基板(5)能直接接觸到負壓空腔內的液體(3)。全文摘要本發明公開了超大功率半導體照明光源基板直冷散熱器裝置。該直冷散熱器中心部位設為空腔。空腔下端直接用晶片基板封閉，空腔內為負壓並注入液體。散熱器中心由「實心」改為「空腔」，熱量從散熱器中心向邊緣傳遞的過程由依靠金屬材料導熱，變為依靠液體蒸發與冷凝傳熱，提高散熱器效率；晶片基板作為散熱器空腔底板，直接與液體接觸得到冷卻，省去晶片基板與散熱器粘合界面，減小熱阻提高散熱效率，使晶片PN結溫升小於25℃，溫度低於60℃。該直冷散熱器應用於超大功率LED工場燈、超大功率隧道燈和超大功率路燈等燈具散熱，或作為散熱器件安裝在其他設備上使用，具有結構簡單，使用方便，成本低，散熱效果好，晶片溫升小、使用壽命長。文檔編號H01L23/427GK101561128SQ200910022729公開日2009年10月21日申請日期2009年5月27日優先權日2009年5月27日發明者張雲嶺,李國宏,柳豔華,王治效,王黎娜,王黎明,王黎輝申請人:王治效