用于led头灯的微通道热沉的制作方法
【专利说明】用于LED头灯的微通道热沉
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本发明涉及于2012年8月22日提交的第61/692，196号美国临时专利申请并要求该美国临时专利申请的优先权益处，该美国临时专利申请整体通过引用并入本文。
[0003]背景
[0004]半导体材料和微电子器件(如集成电路和发光二极管(“LED”))封装的发展已使这些器件的许多新应用成为可能但也导致新的技术挑战。例如，LED的功效已提高至其在技术上和经济上都可用于外部汽车照明，包括用于强光输出功能如头灯。然而，一个挑战是需要消散这些最新的LED生成的显著的发热量，这些LED具有不断增长的功率密度。LED的性能对热特别敏感，因为过高的结温度不仅限制LED光输出而且还可显著缩短其使用寿命。因此，将由LED生成的热量以高至足以使包括LED的不同半导体材料之间的界面(即，结)维持在可接受的工作温度范围的速度从LED转移走是至关重要的。
[0005]对于LED在汽车头灯中的应用，汽车头灯的操作环境进一步使得散热问题恶化，操作环境通常是暴露至来自发动机室的高温、由于处于汽车前端的空间制约导致的受限的封装体积以及需要用于防止灰尘和水汽降低头灯性能的全封闭封装的结合。已知的解决方案(如具有大肋片的传统热沉或主动冷却机制)成本高和体积大，并且对于LED头灯应用而言不是实用的解决方案。使用冷却扇会增加头灯的质量、体积和成本并且需要附加功率损耗，这至少部分影响了使用LED的主要优点。同样地，部分地由于头灯的封闭封装，传统热沉必须是重型且庞大的，以有效地冷却LED。因此，存在对于用于车辆头灯中的LED且降低质量、体积和所需附加功率需求的热沉设备的需要。
【发明内容】
[0006]本申请公开了用于半导体器件的热沉及其使用和构造方法的各实施方式。根据本公开的至少一个方面，用于冷却半导体器件的热沉包括具有第一侧和第二侧的基板；从基板的第二侧延伸的支柱，该支柱包括与基板相对的远端和在基板与远端之间延伸的相对的壁；设置成与支柱的远端邻近的支柱板；设置在支柱的远端和支柱板之间的多个肋片；以及由支柱的远端、多个肋片和支柱板限定多个微通道。基板的第一侧的表面积大于支柱的远端的表面积。基板的第一侧还包括适于接纳半导体器件并与其热接触的部分。基板还包括一个或多个形成在第一侧中并与上述部分流体连通的流道。
[0007]在根据本公开的至少一个实施方式中，半导体器件为发光二极管。支柱与基板一体地形成。多个肋片与支柱一体地形成。支柱板由绝热材料形成。基板和支柱由导热材料如金属形成。在至少一个实施方式中，热沉包括在远端处或在远端附近形成在支柱的相对的壁中的每个中的一个或多个集合器，每个集合器与多个微通道流体连通。
[0008]在根据本公开的至少一个实施方式中，每个微通道具有约10微米至约500微米的宽度，如约400微米。每个微通道具有约500微米至约5000微米的深度，如约2000微米。支柱从基板到远端具有约30到约45毫米的长度，如约38毫米。背板的第一侧的表面积约为3000平方毫米，并且背板从第一侧到第二侧的厚度约为10毫米。
[0009]在根据本公开的至少一个实施方式中，用于冷却发光二极管的微通道热沉包括具有第一侧和第二侧的基板；形成在第一侧中的多个微通道；设置成与基板的第二侧邻近的背板，其中基板适于接纳发光二极管并与其热接触，以使得多个微通道与发光二极管流体连通。在至少一个实施方式中，热沉包括设置在发光二极管与多个微通道之间并与基板的第一侧邻近的的中间板，多个微通道通过中间板与LED热接触。在至少一个实施方式中，热沉还包括基板的一个或多个入口，该一个或多个入口与微通道流体连通；基板的一个或多个出口，该一个或多个出口与微通道流体连通；以及至少与一个或多个入口流体连接的泵，其中泵能够强迫流体流动通过多个微通道中的至少一些。背板由绝热材料形成。背板的前侧的表面积约为900平方毫米，并且背板从第一侧到第二侧的厚度约为10毫米。
[0010]在根据本公开的至少一个实施方式中，用于车辆的灯包括附接至壳体的透镜，透镜和壳体限定了体积，并且热沉设置在该体积内。热沉包括具有第一侧和第二侧的基板；从基板的第二侧延伸的支柱，该支柱包括与基板相对的远端以及在基板与远端之间延伸的相对的壁；设置成与支柱的远端邻近的支柱板；设置在支柱的远端与支柱板之间的多个肋片以及由所述支柱的远端、多个肋片和支柱板限定的多个微通道。该灯还包括与附接至基板的第一侧并与其热接触的发光二极管，并且多个微通道与上述体积流体连通。
【附图说明】
[0011]结合附图，通过参考以下对本公开的各示例性实施方式进行的描述，将更好地理解本公开，并且所描述的实施方式以及本文中包括的其他特征、优点和公开及其实现方式将变得更清楚，在附图中:
[0012]图1示出了根据本公开至少一个实施方式的微通道热沉的侧视图；
[0013]图2示出了以瓦特每平方米开尔文(W/m2K)为单位的对流传热系数相对于以微米(ym)为单位的通道尺寸的变化；
[0014]图3示出了根据本公开至少一个实施方式的微通道热沉的分解侧视图；
[0015]图4示出了根据本公开至少一个实施方式的微通道热沉的立体图；
[0016]图5示出了沿图4的面5-5的根据本公开至少一个实施方式的微通道热沉的立体剖视图；
[0017]图6示出了沿图4的面6-6的根据本公开至少一个实施方式的微通道热沉的部分剖视后视图；
[0018]图7示出了包括根据本公开至少一个实施方式的微通道热沉的车辆前灯的部分竖直剖视图；
[0019]图8示出了包括根据本公开至少一个实施方式的微通道热沉的灯子组件的后视立体图；以及
[0020]图9示出了对于根据本公开的微通道热沉的不同实施方式的相对于以分钟为单位的时间的以摄氏度(V )为单位的图形化操作温度数据。
[0021]在附图中，相同的附图标记指示相同或相似的部分。
[0022]下面将给出各附图中示出的部件的配置、功能以及特征的概述。应理解，并不必须描述附图中所有的部件特征。一些未讨论的特征(如各种耦合器等)以及已讨论过的特性是附图所固有的。其他未讨论的特征可以是部件几何形状或配置所固有的。
【具体实施方式】
[0023]本申请公开了用于半导体器件的热沉及其使用和构造方法的各实施方式。根据本公开的一方面，公开了用于冷却车辆头灯内的LED的微通道热沉。为了促进对本公开原理的理解，下面将参考附图中示出的实施方式，并使用具体的语言来描述这些实施方式。然而，应理解，并不打算因此对本公开的范围进行任何限制。
[0024]虽然构造的细节根据制造商不同而变化，但LED通常包括安装至导热基底但与其电隔离的发光二极管芯片或管芯，其中导热基底有时被称为块状件。在没有用于从管芯传热的附加手段的情况下，即使在供给电流和环境温度的正常操作条件下，块状件的热容量也不足以将管芯的结温度维持在安全操作范围内。因此，有利的是将块状件热连接至外部热沉，以提高LED管芯的潜在传热速率，从而冷却LED管芯。
[0025]本公开的微通道热沉提供了具体适用于冷却作为车辆头灯内的光源的一个或多个LED的改进热沉。微通道热沉不仅可用于例如从汽车头灯内的一个或多个LED移除热量，而且还可用于从通常安装在任何类型车灯或照明产品内的LED传热。另外，微通道热沉可用于冷却任何生成热量的电子部件，包括不限于微电子集成电路芯片、激光二极管等。
[0026]图1中示出了根据本公开至少一个实施方式的微通道热沉。如图1所示，微通道热沉10包括基板12和形成在其中的宽度为H的多个微通道16。微通道16可以通过微肋片15彼此分开，其中微肋片15可相对于重力竖直地定向，以使自由对流流能够通过微通道16。在至少一个实施方式中，每个微通道16具有相同宽度H。可替代地，微通道16可具有不同的宽度。基板12可由导热材料形成，包括但不限于金属如铝和铜，以及复合聚合物如聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩。
[0027]在图1中，微通道热沉10示出为安装至电子器件(例如，LED 40)，以使得微通道16与LED 40邻近且直接接触。在可替代性实施方式中，微通道16可形成在基板12中，以使得微通道16与LED 40邻近但不直接接触。无论怎样，微通道16形成为使得传热流体(未示出)能够流动通过微通道16，从而使得热沉10与流体之间能够进行对流传热。传热流体可包括(作为非限制性示例)气体如环境空气或液体如水、丙二醇或其他合适的冷却液。在图1所示的配置中，传热流体与LED40的至少某一部分直接接触而LED的其他部分与基板12和/或者至少一些微肋片15直接接触。因此，热沉10允许从LED 40进行传导传热和对流传热。热沉10还可包括绝热板30，以使基板12与周围环境绝热。
[0028]微通道热沉10使得能够进行辐射、传导和对流形式的传热，但原则上首先用于将热量从LED 40传导走，然后通过对流将传导的热量消散至周围环境。来自热沉10的一部分热量辐射至周围环境中的物体和表面。可通过使用导热油脂或粘合剂(作为非限制性示例)使LED 40与热沉10之间界面的热阻最小化，