用于led頭燈的微通道熱沉的制作方法
【專利說明】用于LED頭燈的微通道熱沉
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本發(fā)明涉及于2012年8月22日提交的第61/692，196號美國臨時專利申請并要求該美國臨時專利申請的優(yōu)先權益處，該美國臨時專利申請整體通過引用并入本文。
[0003]背景
[0004]半導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用成為可能但也導致新的技術挑戰(zhàn)。例如，LED的功效已提高至其在技術上和經(jīng)濟上都可用于外部汽車照明，包括用于強光輸出功能如頭燈。然而，一個挑戰(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具有不斷增長的功率密度。LED的性能對熱特別敏感，因為過高的結溫度不僅限制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的不同半導體材料之間的界面(即，結)維持在可接受的工作溫度范圍的速度從LED轉移走是至關重要的。
[0005]對于LED在汽車頭燈中的應用，汽車頭燈的操作環(huán)境進一步使得散熱問題惡化，操作環(huán)境通常是暴露至來自發(fā)動機室的高溫、由于處于汽車前端的空間制約導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合。已知的解決方案(如具有大肋片的傳統(tǒng)熱沉或主動冷卻機制)成本高和體積大，并且對于LED頭燈應用而言不是實用的解決方案。使用冷卻扇會增加頭燈的質(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。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備的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本申請公開了用于半導體器件的熱沉及其使用和構造方法的各實施方式。根據(jù)本公開的至少一個方面，用于冷卻半導體器件的熱沉包括具有第一側和第二側的基板；從基板的第二側延伸的支柱，該支柱包括與基板相對的遠端和在基板與遠端之間延伸的相對的壁；設置成與支柱的遠端鄰近的支柱板；設置在支柱的遠端和支柱板之間的多個肋片；以及由支柱的遠端、多個肋片和支柱板限定多個微通道?；宓牡谝粋鹊谋砻娣e大于支柱的遠端的表面積?；宓牡谝粋冗€包括適于接納半導體器件并與其熱接觸的部分。基板還包括一個或多個形成在第一側中并與上述部分流體連通的流道。
[0007]在根據(jù)本公開的至少一個實施方式中，半導體器件為發(fā)光二極管。支柱與基板一體地形成。多個肋片與支柱一體地形成。支柱板由絕熱材料形成?；搴椭е蓪岵牧先缃饘傩纬?。在至少一個實施方式中，熱沉包括在遠端處或在遠端附近形成在支柱的相對的壁中的每個中的一個或多個集合器，每個集合器與多個微通道流體連通。
[0008]在根據(jù)本公開的至少一個實施方式中，每個微通道具有約10微米至約500微米的寬度，如約400微米。每個微通道具有約500微米至約5000微米的深度，如約2000微米。支柱從基板到遠端具有約30到約45毫米的長度，如約38毫米。背板的第一側的表面積約為3000平方毫米，并且背板從第一側到第二側的厚度約為10毫米。
[0009]在根據(jù)本公開的至少一個實施方式中，用于冷卻發(fā)光二極管的微通道熱沉包括具有第一側和第二側的基板；形成在第一側中的多個微通道；設置成與基板的第二側鄰近的背板，其中基板適于接納發(fā)光二極管并與其熱接觸，以使得多個微通道與發(fā)光二極管流體連通。在至少一個實施方式中，熱沉包括設置在發(fā)光二極管與多個微通道之間并與基板的第一側鄰近的的中間板，多個微通道通過中間板與LED熱接觸。在至少一個實施方式中，熱沉還包括基板的一個或多個入口，該一個或多個入口與微通道流體連通；基板的一個或多個出口，該一個或多個出口與微通道流體連通；以及至少與一個或多個入口流體連接的泵，其中泵能夠強迫流體流動通過多個微通道中的至少一些。背板由絕熱材料形成。背板的前側的表面積約為900平方毫米，并且背板從第一側到第二側的厚度約為10毫米。
[0010]在根據(jù)本公開的至少一個實施方式中，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，并且熱沉設置在該體積內(nèi)。熱沉包括具有第一側和第二側的基板；從基板的第二側延伸的支柱，該支柱包括與基板相對的遠端以及在基板與遠端之間延伸的相對的壁；設置成與支柱的遠端鄰近的支柱板；設置在支柱的遠端與支柱板之間的多個肋片以及由所述支柱的遠端、多個肋片和支柱板限定的多個微通道。該燈還包括與附接至基板的第一側并與其熱接觸的發(fā)光二極管，并且多個微通道與上述體積流體連通。
【附圖說明】
[0011]結合附圖，通過參考以下對本公開的各示例性實施方式進行的描述，將更好地理解本公開，并且所描述的實施方式以及本文中包括的其他特征、優(yōu)點和公開及其實現(xiàn)方式將變得更清楚，在附圖中:
[0012]圖1示出了根據(jù)本公開至少一個實施方式的微通道熱沉的側視圖；
[0013]圖2示出了以瓦特每平方米開爾文(W/m2K)為單位的對流傳熱系數(shù)相對于以微米(ym)為單位的通道尺寸的變化；
[0014]圖3示出了根據(jù)本公開至少一個實施方式的微通道熱沉的分解側視圖；
[0015]圖4示出了根據(jù)本公開至少一個實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)本公開至少一個實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)本公開至少一個實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)本公開至少一個實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)本公開至少一個實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示出了對于根據(jù)本公開的微通道熱沉的不同實施方式的相對于以分鐘為單位的時間的以攝氏度(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。
【具體實施方式】
[0023]本申請公開了用于半導體器件的熱沉及其使用和構造方法的各實施方式。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。為了促進對本公開原理的理解，下面將參考附圖中示出的實施方式，并使用具體的語言來描述這些實施方式。然而，應理解，并不打算因此對本公開的范圍進行任何限制。
[0024]雖然構造的細節(jié)根據(jù)制造商不同而變化，但LED通常包括安裝至導熱基底但與其電隔離的發(fā)光二極管芯片或管芯，其中導熱基底有時被稱為塊狀件。在沒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)的光源的一個或多個LED的改進熱沉。微通道熱沉不僅可用于例如從汽車頭燈內(nèi)的一個或多個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)本公開至少一個實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的多個微通道16。微通道16可以通過微肋片15彼此分開，其中微肋片15可相對于重力豎直地定向，以使自由對流流能夠通過微通道16。在至少一個實施方式中，每個微通道16具有相同寬度H?？商娲?，微通道16可具有不同的寬度?；?2可由導熱材料形成，包括但不限于金屬如鋁和銅，以及復合聚合物如聚苯胺、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。無論怎樣，微通道16形成為使得傳熱流體(未示出)能夠流動通過微通道16，從而使得熱沉10與流體之間能夠進行對流傳熱。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進行傳導傳熱和對流傳熱。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使得能夠進行輻射、傳導和對流形式的傳熱，但原則上首先用于將熱量從LED 40傳導走，然后通過對流將傳導的熱量消散至周圍環(huán)境。來自熱沉10的一部分熱量輻射至周圍環(huán)境中的物體和表面?？赏ㄟ^使用導熱油脂或粘合劑(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，