用于led頭燈的微通道熱沉的制作方法
【專利說(shuō)明】用于LED頭燈的微通道熱沉
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本發(fā)明涉及于2012年8月22日提交的第61/692，196號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)并要求該美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)益處，該美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)整體通過(guò)引用并入本文。
[0003]背景
[0004]半導(dǎo)體材料和微電子器件(如集成電路和發(fā)光二極管(“LED”))封裝的發(fā)展已使這些器件的許多新應(yīng)用成為可能但也導(dǎo)致新的技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，LED的功效已提高至其在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都可用于外部汽車照明，包括用于強(qiáng)光輸出功能如頭燈。然而，一個(gè)挑戰(zhàn)是需要消散這些最新的LED生成的顯著的發(fā)熱量，這些LED具有不斷增長(zhǎng)的功率密度。LED的性能對(duì)熱特別敏感，因?yàn)檫^(guò)高的結(jié)溫度不僅限制LED光輸出而且還可顯著縮短其使用壽命。因此，將由LED生成的熱量以高至足以使包括LED的不同半導(dǎo)體材料之間的界面(即，結(jié))維持在可接受的工作溫度范圍的速度從LED轉(zhuǎn)移走是至關(guān)重要的。
[0005]對(duì)于LED在汽車頭燈中的應(yīng)用，汽車頭燈的操作環(huán)境進(jìn)一步使得散熱問(wèn)題惡化，操作環(huán)境通常是暴露至來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)室的高溫、由于處于汽車前端的空間制約導(dǎo)致的受限的封裝體積以及需要用于防止灰塵和水汽降低頭燈性能的全封閉封裝的結(jié)合。已知的解決方案(如具有大肋片的傳統(tǒng)熱沉或主動(dòng)冷卻機(jī)制)成本高和體積大，并且對(duì)于LED頭燈應(yīng)用而言不是實(shí)用的解決方案。使用冷卻扇會(huì)增加頭燈的質(zhì)量、體積和成本并且需要附加功率損耗，這至少部分影響了使用LED的主要優(yōu)點(diǎn)。同樣地，部分地由于頭燈的封閉封裝，傳統(tǒng)熱沉必須是重型且龐大的，以有效地冷卻LED。因此，存在對(duì)于用于車輛頭燈中的LED且降低質(zhì)量、體積和所需附加功率需求的熱沉設(shè)備的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本申請(qǐng)公開了用于半導(dǎo)體器件的熱沉及其使用和構(gòu)造方法的各實(shí)施方式。根據(jù)本公開的至少一個(gè)方面，用于冷卻半導(dǎo)體器件的熱沉包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的基板；從基板的第二側(cè)延伸的支柱，該支柱包括與基板相對(duì)的遠(yuǎn)端和在基板與遠(yuǎn)端之間延伸的相對(duì)的壁；設(shè)置成與支柱的遠(yuǎn)端鄰近的支柱板；設(shè)置在支柱的遠(yuǎn)端和支柱板之間的多個(gè)肋片；以及由支柱的遠(yuǎn)端、多個(gè)肋片和支柱板限定多個(gè)微通道?；宓牡谝粋?cè)的表面積大于支柱的遠(yuǎn)端的表面積?；宓牡谝粋?cè)還包括適于接納半導(dǎo)體器件并與其熱接觸的部分?；暹€包括一個(gè)或多個(gè)形成在第一側(cè)中并與上述部分流體連通的流道。
[0007]在根據(jù)本公開的至少一個(gè)實(shí)施方式中，半導(dǎo)體器件為發(fā)光二極管。支柱與基板一體地形成。多個(gè)肋片與支柱一體地形成。支柱板由絕熱材料形成?；搴椭е蓪?dǎo)熱材料如金屬形成。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，熱沉包括在遠(yuǎn)端處或在遠(yuǎn)端附近形成在支柱的相對(duì)的壁中的每個(gè)中的一個(gè)或多個(gè)集合器，每個(gè)集合器與多個(gè)微通道流體連通。
[0008]在根據(jù)本公開的至少一個(gè)實(shí)施方式中，每個(gè)微通道具有約10微米至約500微米的寬度，如約400微米。每個(gè)微通道具有約500微米至約5000微米的深度，如約2000微米。支柱從基板到遠(yuǎn)端具有約30到約45毫米的長(zhǎng)度，如約38毫米。背板的第一側(cè)的表面積約為3000平方毫米，并且背板從第一側(cè)到第二側(cè)的厚度約為10毫米。
[0009]在根據(jù)本公開的至少一個(gè)實(shí)施方式中，用于冷卻發(fā)光二極管的微通道熱沉包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的基板；形成在第一側(cè)中的多個(gè)微通道；設(shè)置成與基板的第二側(cè)鄰近的背板，其中基板適于接納發(fā)光二極管并與其熱接觸，以使得多個(gè)微通道與發(fā)光二極管流體連通。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，熱沉包括設(shè)置在發(fā)光二極管與多個(gè)微通道之間并與基板的第一側(cè)鄰近的的中間板，多個(gè)微通道通過(guò)中間板與LED熱接觸。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，熱沉還包括基板的一個(gè)或多個(gè)入口，該一個(gè)或多個(gè)入口與微通道流體連通；基板的一個(gè)或多個(gè)出口，該一個(gè)或多個(gè)出口與微通道流體連通；以及至少與一個(gè)或多個(gè)入口流體連接的泵，其中泵能夠強(qiáng)迫流體流動(dòng)通過(guò)多個(gè)微通道中的至少一些。背板由絕熱材料形成。背板的前側(cè)的表面積約為900平方毫米，并且背板從第一側(cè)到第二側(cè)的厚度約為10毫米。
[0010]在根據(jù)本公開的至少一個(gè)實(shí)施方式中，用于車輛的燈包括附接至殼體的透鏡，透鏡和殼體限定了體積，并且熱沉設(shè)置在該體積內(nèi)。熱沉包括具有第一側(cè)和第二側(cè)的基板；從基板的第二側(cè)延伸的支柱，該支柱包括與基板相對(duì)的遠(yuǎn)端以及在基板與遠(yuǎn)端之間延伸的相對(duì)的壁；設(shè)置成與支柱的遠(yuǎn)端鄰近的支柱板；設(shè)置在支柱的遠(yuǎn)端與支柱板之間的多個(gè)肋片以及由所述支柱的遠(yuǎn)端、多個(gè)肋片和支柱板限定的多個(gè)微通道。該燈還包括與附接至基板的第一側(cè)并與其熱接觸的發(fā)光二極管，并且多個(gè)微通道與上述體積流體連通。
【附圖說(shuō)明】
[0011]結(jié)合附圖，通過(guò)參考以下對(duì)本公開的各示例性實(shí)施方式進(jìn)行的描述，將更好地理解本公開，并且所描述的實(shí)施方式以及本文中包括的其他特征、優(yōu)點(diǎn)和公開及其實(shí)現(xiàn)方式將變得更清楚，在附圖中:
[0012]圖1示出了根據(jù)本公開至少一個(gè)實(shí)施方式的微通道熱沉的側(cè)視圖；
[0013]圖2示出了以瓦特每平方米開爾文(W/m2K)為單位的對(duì)流傳熱系數(shù)相對(duì)于以微米(ym)為單位的通道尺寸的變化；
[0014]圖3示出了根據(jù)本公開至少一個(gè)實(shí)施方式的微通道熱沉的分解側(cè)視圖；
[0015]圖4示出了根據(jù)本公開至少一個(gè)實(shí)施方式的微通道熱沉的立體圖；
[0016]圖5示出了沿圖4的面5-5的根據(jù)本公開至少一個(gè)實(shí)施方式的微通道熱沉的立體剖視圖；
[0017]圖6示出了沿圖4的面6-6的根據(jù)本公開至少一個(gè)實(shí)施方式的微通道熱沉的部分剖視后視圖；
[0018]圖7示出了包括根據(jù)本公開至少一個(gè)實(shí)施方式的微通道熱沉的車輛前燈的部分豎直剖視圖；
[0019]圖8示出了包括根據(jù)本公開至少一個(gè)實(shí)施方式的微通道熱沉的燈子組件的后視立體圖；以及
[0020]圖9示出了對(duì)于根據(jù)本公開的微通道熱沉的不同實(shí)施方式的相對(duì)于以分鐘為單位的時(shí)間的以攝氏度(V )為單位的圖形化操作溫度數(shù)據(jù)。
[0021]在附圖中，相同的附圖標(biāo)記指示相同或相似的部分。
[0022]下面將給出各附圖中示出的部件的配置、功能以及特征的概述。應(yīng)理解，并不必須描述附圖中所有的部件特征。一些未討論的特征(如各種耦合器等)以及已討論過(guò)的特性是附圖所固有的。其他未討論的特征可以是部件幾何形狀或配置所固有的。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本申請(qǐng)公開了用于半導(dǎo)體器件的熱沉及其使用和構(gòu)造方法的各實(shí)施方式。根據(jù)本公開的一方面，公開了用于冷卻車輛頭燈內(nèi)的LED的微通道熱沉。為了促進(jìn)對(duì)本公開原理的理解，下面將參考附圖中示出的實(shí)施方式，并使用具體的語(yǔ)言來(lái)描述這些實(shí)施方式。然而，應(yīng)理解，并不打算因此對(duì)本公開的范圍進(jìn)行任何限制。
[0024]雖然構(gòu)造的細(xì)節(jié)根據(jù)制造商不同而變化，但LED通常包括安裝至導(dǎo)熱基底但與其電隔離的發(fā)光二極管芯片或管芯，其中導(dǎo)熱基底有時(shí)被稱為塊狀件。在沒(méi)有用于從管芯傳熱的附加手段的情況下，即使在供給電流和環(huán)境溫度的正常操作條件下，塊狀件的熱容量也不足以將管芯的結(jié)溫度維持在安全操作范圍內(nèi)。因此，有利的是將塊狀件熱連接至外部熱沉，以提高LED管芯的潛在傳熱速率，從而冷卻LED管芯。
[0025]本公開的微通道熱沉提供了具體適用于冷卻作為車輛頭燈內(nèi)的光源的一個(gè)或多個(gè)LED的改進(jìn)熱沉。微通道熱沉不僅可用于例如從汽車頭燈內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)LED移除熱量，而且還可用于從通常安裝在任何類型車燈或照明產(chǎn)品內(nèi)的LED傳熱。另外，微通道熱沉可用于冷卻任何生成熱量的電子部件，包括不限于微電子集成電路芯片、激光二極管等。
[0026]圖1中示出了根據(jù)本公開至少一個(gè)實(shí)施方式的微通道熱沉。如圖1所示，微通道熱沉10包括基板12和形成在其中的寬度為H的多個(gè)微通道16。微通道16可以通過(guò)微肋片15彼此分開，其中微肋片15可相對(duì)于重力豎直地定向，以使自由對(duì)流流能夠通過(guò)微通道16。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，每個(gè)微通道16具有相同寬度H?？商娲?，微通道16可具有不同的寬度?；?2可由導(dǎo)熱材料形成，包括但不限于金屬如鋁和銅，以及復(fù)合聚合物如聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩。
[0027]在圖1中，微通道熱沉10示出為安裝至電子器件(例如，LED 40)，以使得微通道16與LED 40鄰近且直接接觸。在可替代性實(shí)施方式中，微通道16可形成在基板12中，以使得微通道16與LED 40鄰近但不直接接觸。無(wú)論怎樣，微通道16形成為使得傳熱流體(未示出)能夠流動(dòng)通過(guò)微通道16，從而使得熱沉10與流體之間能夠進(jìn)行對(duì)流傳熱。傳熱流體可包括(作為非限制性示例)氣體如環(huán)境空氣或液體如水、丙二醇或其他合適的冷卻液。在圖1所示的配置中，傳熱流體與LED40的至少某一部分直接接觸而LED的其他部分與基板12和/或者至少一些微肋片15直接接觸。因此，熱沉10允許從LED 40進(jìn)行傳導(dǎo)傳熱和對(duì)流傳熱。熱沉10還可包括絕熱板30，以使基板12與周圍環(huán)境絕熱。
[0028]微通道熱沉10使得能夠進(jìn)行輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流形式的傳熱，但原則上首先用于將熱量從LED 40傳導(dǎo)走，然后通過(guò)對(duì)流將傳導(dǎo)的熱量消散至周圍環(huán)境。來(lái)自熱沉10的一部分熱量輻射至周圍環(huán)境中的物體和表面?？赏ㄟ^(guò)使用導(dǎo)熱油脂或粘合劑(作為非限制性示例)使LED 40與熱沉10之間界面的熱阻最小化，