使用三維相變熱傳遞的led燈冷卻機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)光二極管(LED)以及其它高功率密度裝置，諸如激光和計(jì)算機(jī)芯片。具體來說，本發(fā)明涉及LED燈冷卻機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]雖然發(fā)光二極管(LED)從電信到普通照明應(yīng)用都有巨大的潛力，然而每流明的成本仍然阻礙了 LED在市場上的滲透。目前，照明市場主要以緊湊型熒光燈(CFL)為主LED燈每流明成本必須迅速降低，以與緊湊型熒光燈競爭。
[0003]—種實(shí)現(xiàn)LED燈價(jià)格降低目標(biāo)而不顯著改變裝置制造成本的方式是提高電流注入密度，例如2至4倍，從數(shù)十A/cm2量級至數(shù)百A/cm2量級。然而，通過提高LED的驅(qū)動(dòng)電流來提高裝置的光功率輸出可能由于發(fā)熱增加而導(dǎo)致兩個(gè)問題。一個(gè)問題是“效率下降”結(jié)果，而另一個(gè)問題是“熱失控”結(jié)果。如果熱不能正常地消散，較高的接合溫度將導(dǎo)致該LED裝置較低的EQE (外部量子效率)，這將導(dǎo)致更高的溫度，并最終導(dǎo)致了 LED裝置熱失效。因此，LED的熱管理是降低LED燈成本而不顯著改變LED芯片的制造成本的關(guān)鍵問題。另外，將接合溫度盡可能地保持低對于LED的壽命也是有益的?？傊?，LED熱管理對于降低接合溫度，提高光功率輸出和壽命是關(guān)鍵。
[0004]熱傳遞過程遵循以下原則:
[0005]Q = hA Δ T
[0006]其中，Q是熱傳遞功率(W)，h是熱傳遞系數(shù)(W/(m2*K))，A是熱通過面積，以及AT是溫度梯度或溫差。不同的熱傳遞機(jī)構(gòu)的熱傳遞系數(shù)是不同的。由于不同熱傳遞機(jī)構(gòu)之間的h的顯著差異，需要將熱量均勻地分散到不同的熱通過區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)有效的冷卻系統(tǒng)。
[0007]圖1示出一般的LED系統(tǒng)的熱模型。該LED裝置的系統(tǒng)熱阻抗可以被分成三個(gè)類別或階段=R內(nèi)，以及％。Rft包括LED芯片的熱阻抗(Rs# )，副安裝結(jié)合的熱阻抗(R結(jié)&)以及襯底和背面焊料的物質(zhì)的熱阻抗。Rft主要由芯片設(shè)計(jì)和制造該芯片中使用的材料來決定。指源自印刷電路板(PCB)和導(dǎo)熱界面材料(??Μ)的熱阻抗。％涉及從??Μ至大氣的熱阻抗。
[0008]圖3示出LED燈結(jié)構(gòu)，其采用常規(guī)冷卻機(jī)構(gòu)將來自LED芯片的熱量發(fā)散到環(huán)境。LED芯片301以及所需的PCB和??Μ安裝在冷卻鰭結(jié)構(gòu)303的表面上并由蓋302封裝。鰭結(jié)構(gòu)303由金屬制成的多個(gè)實(shí)心盤形成。LED燈還具有用于將其附連至常規(guī)照明裝置的連接器305以及包含驅(qū)動(dòng)LED芯片電路的電源單元304。
[0009]與基于常規(guī)技術(shù)的被動(dòng)式散熱器的典型Rft和、％值相比較，通常不能滿足由高電流注入驅(qū)動(dòng)的LED的應(yīng)用要求。被動(dòng)式散熱器的熱阻抗由其較差的熱匹配或散布引起。相變冷卻系統(tǒng)，其通過在高溫區(qū)域的相變和在低溫區(qū)域的逆相變將熱量導(dǎo)走，可以顯著地改進(jìn)熱散布。
[0010]在相變冷卻系統(tǒng)中，廣泛地使用一維熱管和二維蒸汽室(vapor chamber)。兩者都已經(jīng)應(yīng)用于LED的熱管理中，例如蘭金等人在熱化學(xué)學(xué)報(bào)(ThermochimicaActa) 455，21-25 (2007)( “金等人，2007”)的 “Thermal analysis of LED array systemwith heat pipe”中所描述的；以及H._S.黃等人在實(shí)驗(yàn)傳熱學(xué)(Experimental HeatTransfer) 22，26 (2009)( “黃等人，2009”)的 “Experimental Investigat1n of VaporChamber Module Applied to High-Power Light-Emitting D1des”中所描述的。這種系統(tǒng)中，熱管和蒸汽室用作熱源與低溫區(qū)域之間的散熱器。如圖2所示，在實(shí)際應(yīng)用中，熱管和蒸汽室仍然需要與散熱器連接。熱管將來自熱源的熱量通過一維相變熱傳遞結(jié)構(gòu)散布至散熱器(參見圖2(a))。與散熱器連接的熱管的典型熱阻抗為約5K/W(參見Kim等人，2007)。蒸汽室通過兩維相變熱傳遞結(jié)構(gòu)來散布熱量(參見圖1(b))。與散熱器連接的二維蒸汽室的典型熱阻抗為3.2-4.9K/ff(參見黃等人，2009)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011 ] 散熱器與環(huán)境空氣之間的自然空氣對流熱傳遞系數(shù)通常為5至25W/ (HI2K)，而相變過程的熱傳遞系數(shù)在成千上萬W/(m2K)量級。這意味著如果使用自然空氣對流冷卻來冷卻散熱器，則散熱器需要將熱量從熱源傳遞到熱源面積14-1O5倍的散熱器。因此，高功率LED冷卻系統(tǒng)的主要瓶頸是散熱器與大氣環(huán)境之間不足的熱傳遞。對于各類LED芯片，諸如目前可購得的芯片、高級MQW芯片、高級DH芯片等，在各種輸出功率下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)光功率輸出所要求的散熱器表面積(Ahs)可以被計(jì)算出。例如，對于等同于60瓦的LED燈具，在如下假設(shè)下，所要求的散熱器表面積在數(shù)千cm2量級:自然空氣對流熱傳遞系數(shù)為1W/ (m2K)，且散熱器與大氣環(huán)境之間的溫差為10K。另外，實(shí)心散熱器所需要的大表面積和厚度也增加了燈具的成本。例如，對于高功率電子設(shè)備，實(shí)心散熱器的通常成本范圍在0.5-10美元。如果在冷卻系統(tǒng)中使用熱管(一維或二維)，該冷卻系統(tǒng)的成本可能大大地提高至15-100美元(參見葉環(huán)宇等人的 “A review of passive thermal management of LED module”，半導(dǎo)體期刊(J.Semicond.),32, 014008 (2011))。這種水平的成本在照明應(yīng)用中是不可行的。
[0012]如上所討論的，LED冷卻系統(tǒng)中的散熱器需要將熱量從芯片傳遞至14-1O5倍的更大面積。如果由目前一維熱管或二維蒸發(fā)室執(zhí)行熱匹配，則成本負(fù)擔(dān)對于在照明中應(yīng)用來說太重。因此，除了散熱器之外，基于熱管或蒸發(fā)室的這些冷卻系統(tǒng)需要輔助主動(dòng)冷卻系統(tǒng)，因?yàn)樯崞鞑蛔阋詳U(kuò)散熱。否則，在散熱器的頂部與環(huán)境之間存在的溫差范圍從數(shù)十至一百Ko
[0013]總之，本發(fā)明的發(fā)明人意識到為了在LED裝置由高正向電流驅(qū)動(dòng)時(shí)保持接頭溫度，封裝的LED燈具的系統(tǒng)水平熱阻抗需要盡可能地降低，且％是LED燈具熱管理中的主要瓶頸。因此，對于更高功率的LED燈具，需要照明級別先進(jìn)的冷卻策略。如上所解釋的，在開發(fā)該先進(jìn)冷卻策略中，關(guān)鍵點(diǎn)是如何將熱量從相對小的熱通過面積(約Imm2)分散至大得多的面積(約0.1m2)。
[0014]本發(fā)明旨在為LED燈具的熱管理提供一種有效的散熱策略，以增加LED燈具的照明功率輸出和壽命性能，同時(shí)顯著地降低高功率LED燈具的冷卻系統(tǒng)的成本。此外，該發(fā)明可以應(yīng)用于其它類似的高功率密度設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)主引擎芯片、激光二極管等。
[0015]使用了新型的三維“相變熱交換”結(jié)構(gòu)來將熱量從高功率LED芯片和其它高功率密度設(shè)備消散至大氣。
[0016]本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中闡述以及從該描述中部分是明顯的，或者可以通過實(shí)踐本發(fā)明而得知本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的目標(biāo)和其它優(yōu)點(diǎn)通過在書面描述和其權(quán)利要求以及所附的附圖中特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)或獲得。
[0017]為了實(shí)現(xiàn)這些和其他優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)如實(shí)施和廣泛描述的本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管(LED)燈，該LED包括:限定腔室的外殼結(jié)構(gòu)；其中，所述外殼結(jié)構(gòu)包括實(shí)質(zhì)上彼此平行布置的多個(gè)中空鰭，每個(gè)鰭包圍一中空空間，所述中空空間連接至所述腔室，所述中空空間和所述腔室形成密封空間，其中所述外殼結(jié)構(gòu)的平坦部分形成蒸發(fā)器；多個(gè)LED芯片，所述多個(gè)LED芯片安裝在所述蒸發(fā)器上并與所述蒸發(fā)器熱接觸；以及液相-氣相相變材料(L-V PCM)，所述液相-氣相相變材料(L-V PCM)布置在所述腔室內(nèi)。
【附圖說明】
[0018]圖1示意性示出LED燈具的典型熱模型。
[0019]圖2示意性示出使用熱管和蒸汽室的LED冷卻系統(tǒng)。
[0020]圖3示意性示出LED燈具的常規(guī)冷卻機(jī)構(gòu)。
[0021]圖4是帶有根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的冷卻結(jié)構(gòu)的LED燈具的示意圖。
[0022]圖5A示意性示出可以與本發(fā)明各實(shí)施例的冷卻結(jié)構(gòu)一起使用的LED燈具的芯片區(qū)域蒸發(fā)器。
[0023]圖5B示意性示出可以與本發(fā)明各實(shí)施例的冷卻結(jié)構(gòu)一起使用的LED燈具的熱塊區(qū)域蒸發(fā)器。
[0024]圖6A和6B是圖4的實(shí)施例的兩種變型的冷卻結(jié)構(gòu)的一部分的細(xì)節(jié)的示意圖。
[0025]圖7是帶有根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的冷卻結(jié)構(gòu)的LED燈具的示意圖。
[0026]圖8是帶有根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的冷卻結(jié)構(gòu)的LED燈具的示意圖。
[0027]圖9是帶有根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的冷卻結(jié)構(gòu)的LED燈具的示意圖。
[0028]圖10是帶有根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的冷卻結(jié)構(gòu)的LED燈