[发明专利]基于MEMS微冷却装置散热的大功率LED灯具无效

专利信息
申请号: 200910033086.7 申请日: 2009-06-11
公开(公告)号: CN101644385A 公开(公告)日: 2010-02-10
发明(设计)人: 朱纪军;洪思忠;樊世才 申请(专利权)人: 江苏名家汇电器有限公司
主分类号: F21S2/00 分类号: F21S2/00;F21V29/00;H01L23/473;F21Y101/02
代理公司: 南京天华专利代理有限责任公司 代理人: 瞿网兰
地址: 213144江苏*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 基于 mems 冷却 装置 散热 大功率 led 灯具
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种大功率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III2V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。

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