專利名稱：基于mems微冷卻裝置散熱的大功率led燈具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種大功率LED燈具，尤其是一種將微流體控制技術(shù)、 微機電系統(tǒng)、微熱交換技術(shù)與LED燈具制造技術(shù)綜合的大功率LED燈具的 設計和制造工藝，它屬于微細制造、表面改性技術(shù)和微光學技術(shù)相交叉的技 術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種棊于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具。
背景技術(shù)：
隨著氮化鎵基第三代半導體的興起，藍色和白色發(fā)光二極管的研究成功, 半導體照明帶來了人類照明史上的又一次飛躍。與白熾燈和熒光燈相比， LED以其體積小、全固態(tài)、長壽命、環(huán)保、省電等一系列優(yōu)點，成為新一 代環(huán)保型照明光源的主要發(fā)展方向之一，也是21世紀最具發(fā)展前景的高技 術(shù)領(lǐng)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(fā)展。
直接使用藍色芯片激發(fā)YAG熒光粉發(fā)出白光的照明產(chǎn)品稱之為半導體 照明產(chǎn)品。白色LED照明產(chǎn)品與傳統(tǒng)的白熾燈相比可節(jié)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(jié)能環(huán)保、發(fā)光體積小、 可靠性高且壽命長等顯著的優(yōu)點，是二十一世紀的最具競爭力的綠色光源產(chǎn) 品。隨著半導體技術(shù)的飛速發(fā)展，目前大功率LED照明技術(shù)已出現(xiàn)可以初步 替代各種傳統(tǒng)照明光源產(chǎn)品之趨勢，美日韓及歐洲等國家和地區(qū)均己將之列 入國家重點發(fā)展計劃，有針對性地進行研究和開發(fā)。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(yōu)點運用于該領(lǐng)域，從而大幅度降低使用及維護成本、延長壽命、 節(jié)約能源成為非常重要的課題。2000年以來半導體LED照明技術(shù)發(fā)展非常 迅速，目前白光LED發(fā)光效率已經(jīng)達到40-601m/W左右，在一些特殊照明 領(lǐng)域已經(jīng)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(lǐng)域基本還是采用將lw或3w的LED通過 組合排列的方式來實現(xiàn)光通量的提升，但隨之而來在散熱方面將帶來非常多
3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器件的光通量也從不到 一個lm飛躍達到十幾個lm。目前，高亮度白光LED在實驗室中已經(jīng)達至ljlOO lm/W的水平，501m/W的大功率白光LED也進入商業(yè)化。對于W級(》1 W)高功率LED而言，目前的電光轉(zhuǎn)換效率約為15。/。，剩余的85%轉(zhuǎn)化為 熱能，而芯片尺寸僅為lmm Xlmm 215mm X215mm，也就是說芯片的 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(fā)光二極管是一種注入電致發(fā)光器件，由III2V族化合物制成。在外加
電場作用下，電子與空穴的輻射復合而發(fā)生的電致作用將能量的10% 15%
轉(zhuǎn)化為光能，而無輻射復合產(chǎn)生的晶格振蕩將其余85 % 90%的能量轉(zhuǎn)化為
熱能。與傳統(tǒng)的照明器件不同，白光LED的發(fā)光光譜中不包含紅外部分，所 以其熱量不能依靠輻射釋放。
對于單個LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)而不能有效散 出，則會導致芯片溫度升高，引起熱應力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒 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(shù) 規(guī)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， 一般要求pn結(jié)結(jié)溫在IIO "C以下。隨著pn結(jié)的溫升，白光LED器件的發(fā)光 波長將發(fā)生紅移。統(tǒng)計資料表明，在IOO "的溫度下，波長可以紅移4 9 nm ，從而導致YAG熒光粉吸收率下降，總的發(fā)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(fā)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(tǒng)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。
目前采用比較多的散熱技術(shù)有風冷、水冷、增加外殼的散熱面積等手段 來散發(fā)熱量。這些傳統(tǒng)的散熱技術(shù)優(yōu)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(shù)量很多，在使用過程灰塵非常容易堵死風扇的轉(zhuǎn)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并最終損壞，所以綜合各方面的因數(shù)看并不是最
理想的方式；水冷散熱效果其次，但如果光源長時間運行后用于散熱的水溫 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(zhì)一 水不會泄漏對其它部件產(chǎn)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，造成整個成品的重量很重，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，但是由于金剛石基體 MEMS成本高，很少用于簡單的電子元器件的散熱。本實用新型提出一種基 于金剛石基體MEMS的散熱技術(shù)，旨在解決大功率LED的散熱問題。同時, 本實用新型提出在金剛石基體上制造微流體通道，高傳熱介質(zhì)材料(熱介質(zhì) 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(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于針對目前的大功率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，提供一種基于MEMS微冷卻裝置散 熱的大功率LED燈具。本實用新型可以使用金剛石基體的MEMS結(jié)構(gòu)，也 可以在基片上直接涂層金剛石或者類金剛石涂層形成導熱介質(zhì)層。
本實用新型的技術(shù)方案是
一種基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用于安裝LED 芯片的PCB板5，其特征在于所述的PCB板5未安裝LED芯片的一面與金剛 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芯片使用過程發(fā)出并傳導到金剛石基體3上的熱量帶走。
所述的微流體散熱通道1呈連續(xù)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芯片的PCB板5粘結(jié)相連。 所述的金剛石基體3通過連接螺栓6與安裝LED芯片的PCB板5相連。 所述的微流體是一種高傳導的介質(zhì)，所述的金剛石微基體3的高度為 10—500微米。
本實用新型的有益效果是-
本實用新型設計合理、結(jié)構(gòu)緊湊、易于制造、散熱效果好；可迅速轉(zhuǎn)移 出超大功率LED工作時發(fā)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(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。實驗證明本實用新型 可以提高散熱效率50%以上。 -

圖1本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖之一。
圖2本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖之二。
圖3本實用新型的微流體散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是反映本實用新型微流體散熱通道結(jié)構(gòu)的圖3的A-A剖視圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。
實施例一。
如圖1、 3、 4所示。
一種基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用于安裝LED 芯片的PCB板5，所述的PCB板5未安裝LED芯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(xù)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芯片使用過程發(fā)出并傳導到金剛石基體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芯片的PCB板5粘結(jié)相連， 如圖l所示。微流體可采用高傳導的介質(zhì)(熱介質(zhì)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。
6如圖2、 3、 4所示。
一種基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用于安裝LED 芯片的PCB板5，所述的PCB板5未安裝LED芯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(xù)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芯片使用過程發(fā)出并傳導到金剛石基體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芯片的PCB板5粘結(jié)相連， 如圖2所示。微流體可采用高傳導的介質(zhì)(熱介質(zhì)油、水)，所述的金剛石微 基體3'的高度為10 500微米，如圖3。
本實用新型是一種解決大功率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 設計和制造的微型冷卻器件，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(fā)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(nèi)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。
本實用新型的另一種實現(xiàn)方法利用微細加工的方法在PCB板上直接制 造微冷卻裝置，并將LED引腳直接與PCB板焊接。微冷卻器件采用微型電 鑄并沉積金剛石涂層的方法獲得。
本實用新型一種實現(xiàn)方式是微冷卻器件與LED器件固定在PCB板的同 側(cè)，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(fā)到外面，達到散熱的目的。
本實用新型基于金剛石的微流體冷卻器件，微流體是一種高傳導的介質(zhì) (熱介質(zhì)油、水)。金剛石微流體器件尺寸在10微米一500微米之間。
本實用新型的基于微流體的散熱器件，金剛石的薄膜可以采用微波等離 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。
本實用新型的基體材料可以金剛石薄膜，也可以是類金剛石薄膜。
本實用新型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(quán)利要求1、一種基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用于安裝LED芯片的PCB板(5)，其特征在于所述的PCB板(5)未安裝LED芯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芯片使用過程發(fā)出并傳導到金剛石基體(3)上的熱量帶走。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特征是所述的微流體散熱通道(1)呈連續(xù)的S形布置在金剛石基體(3 ) 上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特征是所述的金剛石基體(3)通過導熱膠(4)與安裝LED芯片的PCB 板(5)粘結(jié)相連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特征是所述的金剛石基體(3)通過連接螺栓(6)與安裝LED芯片的 PCB板(5)相連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特征是所述的微流體是一種高傳導的介質(zhì)，所述的金剛石微基體(3) 的高度為10 500微米。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈 具，其特征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(zhì)涂 層。
專利摘要一種基于MEMS微冷卻裝置散熱的大功率LED燈具，包括用于安裝LED芯片的PCB板(5)，其特征在于所述的PCB板(5)未安裝LED芯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芯片使用過程發(fā)出并傳導到金剛石基體(3)上的熱量帶走。本實用新型設計合理、結(jié)構(gòu)緊湊、易于制造、散熱效果好；可迅速轉(zhuǎn)移出超大功率LED工作時發(fā)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(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。實驗證明本實用新型可以提高散熱效率50％以上。
文檔編號F21V29/00GK201412805SQ20092004241
公開日2010年2月24日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)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