具有由兩種材料組成的散熱片的發(fā)光裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本說(shuō)明書(shū)主要涉及發(fā)光系統(tǒng)，具體地涉及具有由兩種材料組成的散熱片(即熱沉，heat sink)的發(fā)光裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在光激勵(lì)照明系統(tǒng)例如激光-陶瓷熒光體系統(tǒng)、激光-量子點(diǎn)系統(tǒng)等系統(tǒng)中，發(fā)光材料與散熱片(即熱沉，heat sink)的結(jié)合會(huì)因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)(CTE)失配而發(fā)生故障。換言之，散熱片的熱膨脹系數(shù)通常高于發(fā)光材料(例如熒光體、量子點(diǎn)等)的熱膨脹系數(shù)，從而，隨著運(yùn)行期間系統(tǒng)的溫度升高，發(fā)光材料以低于散熱片的速率膨脹，導(dǎo)致系統(tǒng)的熱-機(jī)械故障?？梢酝ㄟ^(guò)控制激勵(lì)光源例如激光器的功率，和/或通過(guò)對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行控制來(lái)處理這樣的問(wèn)題。然而，控制光源的功率會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)光輸出的整體下降，控制溫度則需要復(fù)雜和/或昂貴的散熱片和/或溫度管理方案和/或冷卻方案/設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本文主要涉及一種發(fā)光裝置，所述發(fā)光裝置包括發(fā)光材料(包括但不限于熒光體、量子點(diǎn)等)以及由兩種具有不同熱膨脹系數(shù)(CTE)的材料組成的散熱片。這樣的裝置可以由高功率激光器和/或多個(gè)低功率激光器照射以發(fā)光，該過(guò)程也會(huì)發(fā)熱并使裝置的溫度升高。散熱片中的與發(fā)光材料相結(jié)合的第一材料通常具有比發(fā)光材料更高的熱膨脹系數(shù)，這會(huì)導(dǎo)致熱機(jī)械故障，然而，通過(guò)將第一材料結(jié)合至較低熱膨脹系數(shù)的材料(例如具有與發(fā)光材料的熱膨脹系數(shù)相似的熱膨脹系數(shù)的材料)可以降低散熱片的有效熱膨脹系數(shù)。
[0004]本說(shuō)明書(shū)中，元件可被描述為“構(gòu)造成”執(zhí)行一種或多種功能或者“構(gòu)造成用于”這些功能。通常，構(gòu)造成執(zhí)行或構(gòu)造成用于執(zhí)行某種功能的元件能夠執(zhí)行該功能、或適合用于執(zhí)行該功能、或適于執(zhí)行該功能、或可操作用于執(zhí)行該功能、或能夠以其他方式執(zhí)行該功會(huì)K。
[0005]應(yīng)該理解，對(duì)于本說(shuō)明書(shū)的目的而言，“X，Y和Z中的至少一個(gè)”以及“X，Y和Z中的一個(gè)或多個(gè)”的用語(yǔ)能夠被解釋為僅X、僅Y、僅Z、或者X，Y和Z中的兩項(xiàng)或更多項(xiàng)的任意組合(例如，XYZ、XYY、TL、ZZ等)。相似的邏輯可應(yīng)用于“至少一個(gè)...”和“一個(gè)或多個(gè)...”等用語(yǔ)中出現(xiàn)的任意的兩項(xiàng)或更多項(xiàng)。
[0006]說(shuō)明書(shū)的第一方面提供了一種裝置，所述裝置包括:發(fā)光材料；和散熱片，所述散熱片包括:第一材料，構(gòu)造成用以冷卻發(fā)光材料，所述第一材料包括第一熱膨脹系數(shù)(CTE);以及第二材料，所述第二材料在第二材料與第一材料之間的界面處結(jié)合至第一材料，所述第二材料包括低于第一熱膨脹系數(shù)的第二熱膨脹系數(shù)，所述發(fā)光材料結(jié)合至第一材料但不結(jié)合至第二材料。
[0007]所述界面可以包括以下的一種或多種結(jié)合:第一材料和第二材料之間的應(yīng)力結(jié)合；第一材料和第二材料之間的張力結(jié)合；第一材料和第二材料之間的剪切結(jié)合；第一材料和第二材料之間的剝離結(jié)合；以及第一材料和第二材料之間的壓縮結(jié)合。
[0008]所述裝置可以進(jìn)一步包括用于將第一材料結(jié)合至第二材料的構(gòu)件，該構(gòu)件包括以下的至少一種:緊固件、螺釘、銷(xiāo)釘、鉚釘、環(huán)氧樹(shù)脂、粘合劑、位于界面處的熔接、位于界面處的焊接以及位于界面處的釬焊。
[0009]第一材料可以包括孔，第二材料可以位于孔中，兩者之間的界面位于孔的邊緣處。第一材料可以圍繞第二材料。
[0010]第一材料可以包括至少一個(gè)平坦表面，第二材料可以在所述至少一個(gè)平坦表面上結(jié)合至第一材料。
[0011]第二材料可以在第一材料的外邊緣處結(jié)合至第一材料，兩者之間的界面位于所述外邊緣處。第二材料可以圍繞第一材料。
[0012]第一材料在與發(fā)光材料相對(duì)的側(cè)部上可以是非平坦的，第二材料可以結(jié)合至與發(fā)光材料相對(duì)的側(cè)部。
[0013]散熱片可以包括冷卻板。
[0014]散熱片可以包括冷卻鼓。
[0015]第一材料可以包括第一金屬和銷(xiāo)中的一種或多種，第二材料可以包括第二金屬、不銹鋼、銅-鎢、鐵-鎳-鈷合金、陶瓷和玻璃中的一種或多種。
[0016]所述裝置可以進(jìn)一步包括第三材料，第三材料在第三材料與第二材料之間的相應(yīng)界面處結(jié)合至第二材料，以使第二材料被夾在第一材料和第三材料之間，第三材料包括低于第二熱膨脹系數(shù)的第三熱膨脹系數(shù)。
[0017]本說(shuō)明書(shū)的另一方面提供一種方法，所述方法包括:組裝一裝置，所述裝置包括:發(fā)光材料；構(gòu)造成用以冷卻發(fā)光材料的散熱片，所述散熱片包括:構(gòu)造成用以冷卻發(fā)光材料的第一材料，所述第一材料包括第一熱膨脹系數(shù)(CTE);以及第二材料，所述第二材料在第二材料與第一材料之間的界面處結(jié)合至第一材料，所述第二材料包括低于第一熱膨脹系數(shù)的第二熱膨脹系數(shù)，通過(guò)以下步驟將所述發(fā)光材料結(jié)合至第一材料但不結(jié)合至第二材料:在界面處向第一材料和第二材料中的一者或多者施加應(yīng)力；在施加應(yīng)力時(shí)結(jié)合第一材料和第二材料；以及將發(fā)光材料結(jié)合至第一材料。
[0018]施加應(yīng)力可以包括以下步驟中的一個(gè)或多個(gè):升高第一材料和第二材料中的一者或多者的溫度；以及向第一材料和第二材料中的一者或多者施加機(jī)械應(yīng)力。
【附圖說(shuō)明】
[0019]為了更好地理解本文所述的各種實(shí)施方式，以及為了更加清晰地示出這些實(shí)施方式可以如何實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)將參照附圖僅以示例的方式進(jìn)行說(shuō)明，在附圖中:
[0020]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中的裝置的正視圖及其截面圖，該裝置包括具有偏心率的發(fā)光輪。
[0021]圖2示出了根據(jù)非限制性實(shí)施例具有由兩種材料組成的散熱片的發(fā)光裝置的截面圖。
[0022]圖3示出了根據(jù)非限制性實(shí)施例比較圖1和圖2中的裝置的熱膨脹的曲線圖。
[0023]圖4示出了根據(jù)可選的非限制性實(shí)施例具有由兩種材料組成的散熱片的發(fā)光裝置的截面圖。
[0024]圖5示出了根據(jù)可選的非限制性實(shí)施例具有由兩種材料組成的散熱片的發(fā)光裝置的截面圖；
[0025]圖6示出了根據(jù)可選的非限制性實(shí)施例具有由兩種材料組成的散熱片的發(fā)光裝置的截面圖；
[0026]圖7示出了根據(jù)可選的非限制性實(shí)施例具有由兩種材料組成的散熱片的發(fā)光裝置的截面圖。
[0027]圖8示出了根據(jù)可選的非限制性實(shí)施例具有由兩種材料組成的散熱片的發(fā)光裝置的截面圖。
[0028]圖9示出了根據(jù)可選的非限制性實(shí)施例具有由兩種材料組成的散熱片的發(fā)光裝置的截面圖。
[0029]圖10示出了根據(jù)可選的非限制性實(shí)施例具有由兩種材料組成的散熱片的發(fā)光裝置的正視圖。
[0030]圖11示出了根據(jù)非限制性實(shí)施例的圖10中的裝置的截面圖。
[0031]圖12示出了根據(jù)非限制性實(shí)施例用于組裝具有由兩種材料組成的散熱片的發(fā)光裝置的方法的流程圖。
[0032]圖13示出了根據(jù)非限制性實(shí)施例具有由三種材料組成的散熱片的發(fā)光裝置的截面圖。
[0033]圖14示出了根據(jù)非限制性實(shí)施例結(jié)合至第一材料的發(fā)光材料。
[0034]圖15示出了根據(jù)非限制性實(shí)施例的圖14中的細(xì)節(jié)。
[0035]圖16示出了根據(jù)非限制性實(shí)施例結(jié)合至圖14中的第一材料的第二材料。
[0036]圖17示出了根據(jù)非限制性實(shí)施例的圖16中的細(xì)節(jié)。
[0037]圖18示出了根據(jù)非限制性實(shí)施例具有由兩種材料組成的散熱片的發(fā)光裝置的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)光裝置的正視圖及其沿A-A線的截面圖。具體地，發(fā)光裝置包括熒光輪(phosphor wheel)，熒光輪包括散熱片(厚約Imm)和發(fā)光材料例如熒光體(厚約0.2mm)。散熱片可以包括鋁，其具有比熒光體的CTE (約6-7 μ m/m-K)更高的CTE (約22 μ m/m-K)，這導(dǎo)致當(dāng)發(fā)光裝置的溫度在工作期間升高時(shí)，發(fā)光裝置產(chǎn)生熱機(jī)械故障。
[0039]接下來(lái)參見(jiàn)圖2，其示出了與圖1的裝置相似的裝置100的截面圖，但裝置100包括:發(fā)光材料101，和散熱片103，該散熱片包括:構(gòu)造成用以冷卻發(fā)光材料101的第一材料105，第一材料105包括第一熱膨脹系數(shù)(CTE)，以及第二材料107，該第二材料在第二材料與第一材料之間的界面109處結(jié)合至第一材料105，第二材料107包括低于第一 CTE的第二CTE，發(fā)光材料101結(jié)合至第一材料105但不結(jié)合至第二材料107。界面109可以包括第一材料105和第二材料107之間的張力結(jié)合和/或應(yīng)力結(jié)合，這樣的張力和/或應(yīng)力可以在形成結(jié)合時(shí)引入，和/或這樣的張力和/或應(yīng)力可以隨著裝置100在工作期間的升溫而產(chǎn)生。應(yīng)該理解的是，圖1和2中元件的相對(duì)尺寸和厚度不一定是按比例的。一般地，如圖所示，裝置100包括冷卻板，具體地，裝置100包括具有貫穿孔的環(huán)形冷卻板，該貫穿孔位于裝置100的幾何中心處。
[0040]發(fā)光材料101可以包括但不限于焚光體、陶瓷焚光體、量子點(diǎn)、冷光材料、焚光材料等當(dāng)中的一種或多種；實(shí)際上，盡管本實(shí)施例就陶瓷熒光體進(jìn)行描述，但其他的發(fā)光材料也落入本實(shí)施例的范圍。具體地，發(fā)光材料101包括在至少被第二波長(zhǎng)的光激勵(lì)時(shí)至少發(fā)射第一波長(zhǎng)的光的任意材料；通常，第一波長(zhǎng)大于第二波長(zhǎng)。
[0041]例如，在一些實(shí)施例中，發(fā)光材料101可構(gòu)造成用于被藍(lán)色激光激勵(lì)并發(fā)射波長(zhǎng)大于藍(lán)色激光的光，包括但不限于紅光和綠光。進(jìn)一步地，在一些實(shí)施例中，發(fā)光材料101包括例如分段地位于散熱片103上的一種以上的發(fā)光材料。例如，發(fā)光材料101的一個(gè)或多個(gè)區(qū)段可發(fā)射紅光，而發(fā)光材料101的一個(gè)或多個(gè)其它的區(qū)段可發(fā)射綠光。例如，當(dāng)裝置100包括發(fā)光輪時(shí)，如圖所示，裝置100能夠轉(zhuǎn)動(dòng)和/或旋轉(zhuǎn)，以使藍(lán)色激光等與發(fā)光材料101的不同區(qū)段相互作用。
[0042]裝置100通?？梢杂迷谕队跋到y(tǒng)(未示出)中，其中，例如藍(lán)色激光激勵(lì)發(fā)光材料101發(fā)射紅光和/或綠光和/或黃光，藍(lán)色激光激發(fā)的光為投影系統(tǒng)提供RGB (紅-綠-藍(lán))光和/或白光?？蛇x地，發(fā)光材料101能夠在RGB光/白光系統(tǒng)中發(fā)射藍(lán)光。
[0043]通常，激勵(lì)發(fā)光材料101發(fā)光的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱，需要進(jìn)行散熱以防止發(fā)光材料101和散熱片103升溫和/或需要控制裝置100的溫度。因此，發(fā)光材料101位于散熱片103上，具體地，發(fā)光材料101結(jié)合至第一材料105，第一材料105構(gòu)造成用以從第一材料105和發(fā)光材料101之間的界面冷卻發(fā)光材料101。因此，第一材料105通常包括具有導(dǎo)熱性質(zhì)的材料，以用于移除來(lái)自發(fā)光材料101的熱量。
[0044]例如，可以使用任意適合的工藝和/或結(jié)合材料，包括但不限于，熔接、焊接、退火等以及環(huán)氧樹(shù)脂、粘膠等，以在發(fā)光材料101和第一材料105之間的界面處將發(fā)光材料101結(jié)合至第一材料105。例如，在一些實(shí)施例中，發(fā)光材料101可以包括熒光塊，熒光塊包含分散在基體材料中的熒光材料。這樣的熒光塊可結(jié)合至第一材料105。
[0045]隨后，熱量通常從發(fā)光材料101和第一材料105之間的界面進(jìn)入第一材料105中并在第一材