CN201412805Y - 基于mems微冷却装置散热的大功率led灯具 - Google Patents

Abstract

一种基于MEMS微冷却装置散热的大功率LED灯具，包括用于安装LED芯片的PCB板(5)，其特征在于所述的PCB板(5)未安装LED芯片的一面与金刚石基体(3)的底部相连，在所述的金刚石基体(3)上设有微流体散热通道(1)，微流体散热通道(1)上安装有密封板(2)，密封板(2)上设有与微流体散热通道(1)相通的微流体进孔(7)和微流体出孔(8)，通过微流体在微流体散热通道(1)的流动将LED芯片使用过程发出并传导到金刚石基体(3)上的热量带走。本实用新型设计合理、结构紧凑、易于制造、散热效果好；可迅速转移出超大功率LED工作时发出的热量，可有效地满足大功率LED灯具散热的需要，可使超大功率LED路灯实现工业化大规模生产。实验证明本实用新型可以提高散热效率50％以上。

Description

基于MEMS微冷却装置散热的大功率LED灯具

技术领域

本实用新型涉及一种大功率LED灯具，尤其是一种将微流体控制技术、微机电系统、微热交换技术与LED灯具制造技术综合的大功率LED灯具的设计和制造工艺，它属于微细制造、表面改性技术和微光学技术相交叉的技术领域，具体地说是一种基于MEMS微冷却装置散热的大功率LED灯具。

背景技术

随着氮化镓基第三代半导体的兴起，蓝色和白色发光二极管的研究成功，半导体照明带来了人类照明史上的又一次飞跃。与白炽灯和荧光灯相比，LED以其体积小、全固态、长寿命、环保、省电等一系列优点，成为新一代环保型照明光源的主要发展方向之一，也是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。各国政府高度重视，纷纷出台国家计划，投入巨资加以发展。

直接使用蓝色芯片激发YAG荧光粉发出白光的照明产品称之为半导体照明产品。白色LED照明产品与传统的白炽灯相比可节电80％-90％；而寿命可达8-10万小时，是白炽灯的10倍以上，具有节能环保、发光体积小、可靠性高且寿命长等显著的优点，是二十一世纪的最具竞争力的绿色光源产品。随着半导体技术的飞速发展，目前大功率LED照明技术已出现可以初步替代各种传统照明光源产品之趋势，美日韩及欧洲等国家和地区均已将之列入国家重点发展计划，有针对性地进行研究和开发。路灯照明是除家庭照明市场以外的第二大照明市场，但电能的消耗却是最大的，所以如何将大功率LED的各种优点运用于该领域，从而大幅度降低使用及维护成本、延长寿命、节约能源成为非常重要的课题。2000年以来半导体LED照明技术发展非常迅速，目前白光LED发光效率已经达到40-60lm/W左右，在一些特殊照明领域已经有非常广泛的应用。但在单颗高功率、高亮度方面还没有明显的突破，在光通量需要非常高的路灯领域基本还是采用将1w或3w的LED通过组合排列的方式来实现光通量的提升，但随之而来在散热方面将带来非常多的问题。

20世纪末，Lumileds Lighting公司封装出第一个瓦级大功率LED，使LED的功率从几十毫瓦跃超过1000mW，单个LED器件的光通量也从不到一个lm飞跃达到十几个lm。目前，高亮度白光LED在实验室中已经达到100lm/W的水平，50lm/W的大功率白光LED也进入商业化。对于W级(≥1W)高功率LED而言，目前的电光转换效率约为15％，剩余的85％转化为热能，而芯片尺寸仅为1mm×1mm～215mm×215mm，也就是说芯片的功率密度很大，如何提高大功率LED的散热能力，是LED器件封装和器件应用设计要解决的核心问题。

发光二极管是一种注入电致发光器件，由III2 V族化合物制成。在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合而发生的电致作用将能量的10％～15％转化为光能，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余85％～90％的能量转化为热能。与传统的照明器件不同，白光LED的发光光谱中不包含红外部分，所以其热量不能依靠辐射释放。

对于单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。研究表明，当温度超过一定值，器件的失效率将呈指数规律上升，元件温度每上升2℃，可靠性下降10％。为了保证器件的寿命，一般要求pn结结温在110℃以下。随着pn结的温升，白光LED器件的发光波长将发生红移。统计资料表明，在100℃的温度下，波长可以红移4～9nm，从而导致YAG荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减少，白光色度变差。在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1％左右。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。因此解决散热问题已成为功率型LED应用的先决条件。

目前采用比较多的散热技术有风冷、水冷、增加外壳的散热面积等手段来散发热量。这些传统的散热技术优缺点同样明显：风冷散热目前是散热效果最好的，但最大的缺点是风扇需要耗能而且其寿命往往不长，理论上寿命最多在5000小时左右，但实际城市道路上的各种灰尘数量很多，在使用过程灰尘非常容易堵死风扇的转叶从而使其达不到理论的寿命，而如果风扇损坏则光源的亮度将很快衰减并最终损坏，所以综合各方面的因数看并不是最理想的方式；水冷散热效果其次，但如果光源长时间运行后用于散热的水温将会显著上升，散热效果将急剧下降，况且还要考虑到如何保证散热介质-水不会泄漏对其它部件产生影的问题，同样也不是很理想的散热方式；增加外壳散热面积的方式散热的效果最差，但综合看还是比较好的方式，缺点是散热的总功率不大，金属材料使用较多，造成整个成品的重量很重，外观比较笨重。这也是市场上的实用化的LED路灯的功率都不大，功率很少超过25w的原因。

金刚石是目前所知导热性能最好的材料之一，但是由于金刚石基体MEMS成本高，很少用于简单的电子元器件的散热。本实用新型提出一种基于金刚石基体MEMS的散热技术，旨在解决大功率LED的散热问题。同时，本实用新型提出在金刚石基体上制造微流体通道，高传热介质材料(热介质油)或者水等直接在流体通道流动，进行传热交换，提高大功率LED的散热效果。

发明内容

本实用新型的目的在于针对目前的大功率LED灯散热效果不理想而影响使用效果和难以保证使用寿命的问题，提供一种基于MEMS微冷却装置散热的大功率LED灯具。本实用新型可以使用金刚石基体的MEMS结构，也可以在基片上直接涂层金刚石或者类金刚石涂层形成导热介质层。

本实用新型的技术方案是：

一种基于MEMS微冷却装置散热的大功率LED灯具，包括用于安装LED芯片的PCB板5，其特征在于所述的PCB板5未安装LED芯片的一面与金刚石基体3的底部相连，在所述的金刚石基体3上设有微流体散热通道1，微流体散热通道1上安装有密封板2，密封板2上设有与微流体散热通道1相通的微流体进孔7和微流体出孔8，通过微流体在微流体散热通道1的流动将LED芯片使用过程发出并传导到金刚石基体3上的热量带走。

所述的微流体散热通道1呈连续的S形布置在金刚石基体3上。

所述的金刚石基体3通过导热胶4与安装LED芯片的PCB板5粘结相连。

所述的金刚石基体3通过连接螺栓6与安装LED芯片的PCB板5相连。

所述的微流体是一种高传导的介质，所述的金刚石微基体3的高度为10-500微米。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型设计合理、结构紧凑、易于制造、散热效果好；可迅速转移出超大功率LED工作时发出的热量，可有效地满足大功率LED灯具散热的需要，可使超大功率LED路灯实现工业化大规模生产。实验证明本实用新型可以提高散热效率50％以上。

附图说明

图1本实用新型的结构示意图之一。

图2本实用新型的结构示意图之二。

图3本实用新型的微流体散热器的结构示意图。

图4是反映本实用新型微流体散热通道结构的图3的A-A剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

实施例一。

如图1、3、4所示。

一种基于MEMS微冷却装置散热的大功率LED灯具，包括用于安装LED芯片的PCB板5，所述的PCB板5未安装LED芯片的一面与金刚石基体3相的底相相连，在所述的金刚石基体3上设有连续S形微流体散热通道1(如图4)，微流体散热通道1上安装有密封板2，密封板2上设有与微流体散热通道1相通的微流体进孔7和微流体出孔8，通过微流体在微流体散热通道1的流动将LED芯片使用过程发出并传导到金刚石基体3上的热量带走。具体实施时金刚石基体3可通过导热胶4与安装LED芯片的PCB板5粘结相连，如图1所示。微流体可采用高传导的介质(热介质油、水)，所述的金刚石微基体3的高度为10～500微米，如图3。

实施例二。

如图2、3、4所示。

一种基于MEMS微冷却装置散热的大功率LED灯具，包括用于安装LED芯片的PCB板5，所述的PCB板5未安装LED芯片的一面与金刚石基体3相的底相相连，在所述的金刚石基体3上设有连续S形微流体散热通道1(如图4)，微流体散热通道1上安装有密封板2，密封板2上设有与微流体散热通道1相通的微流体进孔7和微流体出孔8，通过微流体在微流体散热通道1的流动将LED芯片使用过程发出并传导到金刚石基体3上的热量带走。具体实施时金刚石基体3可通过连接螺栓6与安装LED芯片的PCB板5粘结相连，如图2所示。微流体可采用高传导的介质(热介质油、水)，所述的金刚石微基体3的高度为10～500微米，如图3。

本实用新型是一种解决大功率LED路灯的散热设计。LED固定在铝基材料的PCB基板上，同时在PCB板的另一面，固定连接由金刚石基体材料设计和制造的微型冷却器件，PCB板与金刚石冷却器之间通过高导热的胶粘接。在LED灯具使用过程中，LED散发的热量通过引脚传递到PCB的引脚连接铝板上，同时铝板的过多的热量通过导热胶传递到金刚石的微散热器上。灯具室内气体通过微散热装置将LED的热量带走，达到降低LED灯具的热量的目的。

本实用新型的另一种实现方法利用微细加工的方法在PCB板上直接制造微冷却装置，并将LED引脚直接与PCB板焊接。微冷却器件采用微型电铸并沉积金刚石涂层的方法获得。

本实用新型一种实现方式是微冷却器件与LED器件固定在PCB板的同侧，通过铝板导热，灯腔的空气吸入微冷却器件，冷空气与微冷却器件进行热交换变成热空气在通过灯腔壁的开口散发到外面，达到散热的目的。

本实用新型基于金刚石的微流体冷却器件，微流体是一种高传导的介质(热介质油、水)。金刚石微流体器件尺寸在10微米-500微米之间。

本实用新型的基于微流体的散热器件，金刚石的薄膜可以采用微波等离子化学气相沉积、热丝化学气相沉积、低温等离子辅助化学气相沉积、物理气相沉积等方法获得。

本实用新型的基体材料可以金刚石薄膜，也可以是类金刚石薄膜。

本实用新型的导热金刚石薄膜可以纳米金刚石电镀/电铸的方法在微器件表面获得。

Claims (6)

1、一种基于MEMS微冷却装置散热的大功率LED灯具，包括用于安装LED芯片的PCB板(5)，其特征在于所述的PCB板(5)未安装LED芯片的一面与金刚石基体(3)的底部相连，在所述的金刚石基体(3)上设有微流体散热通道(1)，微流体散热通道(1)上安装有密封板(2)，密封板(2)上设有与微流体散热通道(1)相通的微流体进孔(7)和微流体出孔(8)，通过微流体在微流体散热通道(1)的流动将LED芯片使用过程发出并传导到金刚石基体(3)上的热量带走。

2、根据权利要求1所述的基于MEMS微冷却装置散热的大功率LED灯具，其特征是所述的微流体散热通道(1)呈连续的S形布置在金刚石基体(3)上。

3、根据权利要求1所述的基于MEMS微冷却装置散热的大功率LED灯具，其特征是所述的金刚石基体(3)通过导热胶(4)与安装LED芯片的PCB板(5)粘结相连。

4、根据权利要求1所述的基于MEMS微冷却装置散热的大功率LED灯具，其特征是所述的金刚石基体(3)通过连接螺栓(6)与安装LED芯片的PCB板(5)相连。

5、根据权利要求1所述的基于MEMS微冷却装置散热的大功率LED灯具，其特征是所述的微流体是一种高传导的介质，所述的金刚石微基体(3)的高度为10～500微米。

6、根据权利要求1所述的基于MEMS微冷却装置散热的大功率LED灯具，其特征是所述的金刚石基体材料直接沉积在PCB基板上周围散热介质涂层。

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