[发明专利]照明LED集成热移装置

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种照明LED衍生芯片的阵形集成及其结温热处理的装置，尤其是将大功率的LED芯片根据照明需要集成的点阵形状，坐落在由管路构成与之相印合的管场上，两者形成点阵管场，点阵由电路骨架联线，在管场上安装壳体与透光罩而密封，构成集成点阵中结点工作热量被管场内工质即时相变吸收，即时定向移至冷凝器，即时散热的照明LED集成热移装置。

背景技术

目前，照明用大功率的LED芯片的衍生集成工艺深受半导体通用集成模式的影响，均将厚度为2-3mm的铜或铝良导体制成的基板作为承载体进行集成，基板的一面作为集成面，在其上大功率LED芯片以纵横排列的方式分布形成点阵，联线防氧化密封后，点阵排布的数量与集成度固化封装在基板集成面上，基板的另一面为导热面便于安装在散热器上，该衍生芯片虽易于标准规模化生产与使用，但这种集成只能根据预计能够承载的所谓额定指标进行工作，应用时点阵产生的工作热量首先在基板进行热沉处理，即芯片内结点工作时产生的热量通过基板传导使热流密度扩散，温度沉降到整个基板至导热表面的过程，也称热沉基板，同理，基板导热表面通过导热脂与散热器底板粘接，将热量传递给散热器的底板，再次通过传导使热流密度扩散，温度沉降到整个散热器中，至于实际可达到的功率、亮度、流明及其可靠性，取决于联接的散热器二次传导热沉的能力，对于衍生芯片集成厂家，集成度越高，功率越大，光通量越高，效率越高，材料越省，但对于应用衍生芯片者，大功率LED芯片点阵中工作热量也就越大，这就在发挥集成优势的同时也在增大应用中散热的难度，当集成达到一定程度，功率增大到一定程度，两者增益逐渐发出高效率的光通量时，这种由良导体制作的热沉基板与底板通过固体传导进行热沉的效果就愈发被质疑，以目前常用规格为例：额定的200瓦LED衍生集成芯片，可由1.0瓦200颗大功率LED芯片排列组合在82mm×62mm铜质热沉基板集成面上形成20排10列的点阵，额定集成度＝200/8.2×6.2＝3.94W/cm²，额定光通量达2万流明以上，在应用中，以热沉最为适宜的底板规格210mm×420mm通过挤压工艺形成的铝质散热器，加之翅片表面增效处理，可形成目前热导率最高的电子散热器，测试证明在35℃环境下，提供100-120W功率方可处于可靠工作带，仅达额定功率的50-60％，集成度＜2.4W/cm²，光通量为1万流明，即为目前较高端水平，但与达2万流明的钠灯相比，其光通量尚未达到照明标准的要求，若强行施加到额定功率200W，即使在25℃环境下，短时间内光通量可以达到2万流明，但时间稍长，便处于没有安全余地的亢奋工作中，不敢贸然应用，若要达到实际所需的3万流明水平，只有将1.0瓦300颗大功率LED芯片排列组合在82mm×62mm铜质基板的集成面上形成20排15列的点阵，形成额定功率300W，集成度为5.9W/cm²，100流明/W时，这样的集成密度与功率下方可，但是，在热沉基板上衍生出来的该种规格LED照明集成无论安装在何种良导体制造的具有无限庞大散热面积的散热器上，即便在室温25℃环境利于散热的条件下，由于固体材料传导速度慢，工作几十分钟后LED热沉基板导热表面温度均会超过80℃以上，进入非可靠工作状态，若在35℃以上环境中，很短时间内热沉基板导热表面温度就会超过90℃以上，此时，LED芯片内结点温度即易达到140℃以上，目前结点耐温极限为150℃，随时面临着结点巨幅衰减或直接烧毁的危险，这是由于大功率LED芯片内结点发光至最高效率时，仅30％电能转化为光能，而70％电能转化为高热流密度大功率的热量无法快速传导出去，形成热阻造成的结果，十几年来，始终摆脱不了热阻的束缚，试想：结点工作热量产生的速度基本为电速度，而热量传导的速度为人可感知的秒米速度，两者相差数百万倍，即使热沉基板厚度为3毫米，在很好的散热条件下，结点工作热量在基板中传导扩散沉降后，结温与基板导热表面温度相差近40-50℃，平均ΔT＞13℃/mm的热阻，贴近结点的1mm距离内的热阻ΔTt₁-t₀＞18℃/mm，因此，采用良导体传导进行热沉导热的设计模式，若要实现3万以上流明LED衍生集成芯片，不附加有源强行散热装置，达到可靠工作是不可能的，若仍采用热沉导热设计模式，只有降低集成度，才能减小热阻，才能可靠工作，但随之带来的是对照明的逆行，即不得不降低流明，把一至六颗大功率LED芯片集成在直径六至十几毫米的热沉基座内，形成3-15W外延衍生芯片或称为灯珠，同时，加大散热器底板面积的尺寸，达到400mm×600mm以上，重量达20公斤，散热器上面分布翅片有足够的散热能力，也使灯珠之间在散热器底板上有足够的间距，通过二级热沉，分散了热流密度，形成所谓大点阵式，集成度为1W/cm²，降到50流明/W，在极其浪费半导体材料与铝材资源的条件下，虽实现在35℃环境下，300W大功率可靠工作，但照明效果仍低于钠灯，不是将LED照明引入根据实际需要进行设计，而是陷入被动设计之中，基于上述，专业人士也在反省，针对热沉基板产生热阻的弊端，在基板中或在散热器底板中穿入管路，通过管路中流体工质传热速度快的特性，力图降低基板的热阻，然而可惜的是改革不彻底，没有击中要害，通过测试证明传热速度虽有所提高，能把上述额定200W衍生芯片的实际可靠工作带扩大到150W，但限于基板在现行工艺中起着标准化便于规模生产作用，仍不能去掉，尚不能从集成基板上进行深刻反省，反道认为流体传热替代固体传导工艺难度增大许多而缩小热阻差值却是有限的，是得不偿失的修正方案，综上，现行热沉基板式热处理方案是导致LED衍生集成芯片亮度不够，可靠性不强的直接原因，至今尚未得到彻底的解决。