技术领域
本实用新型涉及LED的技术领域，具体涉及一种LED阵列模块的散热结构。
背景技术：
LED作为一种主动自发光器件，作为不燃烧灯丝或气体的固态光照，功耗小、工作电压低、发光亮度高、工作寿命长、性能稳定，可在极端环境下工作而性能衰减很小的特点而得到了广泛应用，但其工作过程只有15%的电能转换成光能，其余85%的电能几乎全部转换成热能，使LED的温度升高。随着温度的增加不但LED的失效率大大增加而且LED光衰加剧、寿命缩短，因此，LED产品的性能及其可靠性，很大程度上取决于良好的散热设计，以及所采取的散热措施是否有效。
目前的部分大功率LED产品，需散热的热流密度已经达到50-90w/cm2,较高的已经超过150 w/cm2。加上产品体积尺寸越来越小，散热装置本身的布置和设计遇到的约束也越来越严重。传统的依靠单相流体的对流换热和强制风冷方法只能用于热流密度不大于10w/cm2的产品。现在试验经验表明，热流密度大于60w/cm2就可称为高热流密度。
现有技术中一般是通过在基片背面安装散热岐片、强制流式通风风扇及特殊的铝制散热板来从紧密聚集的LED中散出热量。比如在基片的正面LED安装座下面安装散热层，但是热量通过LED座转移到基片的散热层，再由散热层传导至基片的背面而被风扇气流把热量带走，如此试图通过从基片背面的强制气流来散热。由于正面产生的热量只能从背面带走，所以散热效率差，这在一定程度上影响了LED阵列器件的使用寿命。也有采用多个穿设在基片上LED阵列的间隔空间中的铜管来散热的，但是需要基片背面设置强制流式通风风扇才能满足冷却散热要求。这样就导致了强制流式通风风扇的用电量大为增加，也增加了制造成本。
同时，为了冷却紧密聚集的基片上的LED，导致制造LED和使用LED的费用增加。比如，LED阵列器件的用电费用70%以上被冷却用强制流式通风风扇耗费。制造过程中加入的散热层也增加了LED阵列器件的成本。
于是，如何低成本、高效率地转移紧密聚集的LED阵列器件的热量，并使散热措施有效，成为业界推广LED阵列器件亟待解决的共性的难题。
技术实现要素：
针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种大功率LED阵列模块的散热结构，何低成本、高效率地转移紧密聚集的LED阵列器件的热量，并使散热措施有效。
本实用新型的目的是这样实现的，一种LED阵列模块的散热结构，所述LED阵列模块包括至少4个大功率LED器件，散热结构设置在散热基板上；
所述散热基板包括LED安装面、散热面和台阶安装部，所述大功率LED器件以一定行距和列距阵列固定在散热基板的LED安装面上；
散热结构包括冷凝壳体、蒸发腔、通孔泡沫金属散热架，所述冷凝壳体绝热地固定在所述台阶安装部上；所述冷凝壳体和散热基板构成的内部空腔构成为蒸发腔，所述蒸发腔内填充有可相变的工作介质；所述冷凝壳体的内壁和外壁设有通孔泡沫金属散热架；
所述散热结构还包括热界面复合结构，所述热界面复合结构包括铝基材中一体铸造成型有通孔泡沫铜板，通孔泡沫铜板上表面和/或下表面一体连接所述通孔泡沫金属散热架；
所述冷凝壳体和散热基板采用所述热界面复合结构。
进一步地，所述通孔泡沫金属散热架包括设置在冷凝壳体的壁内外的外散热架和内吸热架，所述外散热架包括一体成型的顶外散热架和周外散热架，所述内吸热架包括一体成型的顶内吸热架和周内吸热架。
进一步地，冷凝壳体的铝基材中一体铸造成型有第二通孔泡沫铜板，冷凝壳体外表面一体复合有外散热架，冷凝壳体内表面一体复合有内吸热架，散热基板的铝基材中一体铸造成型有第一通孔泡沫铜板，散热面一体复合有通孔泡沫金属散热架。
进一步地，所述一体复合为：浇铸铝液高过所述通孔泡沫铜板的上下界面复合深度为3-5mm，当铝液未凝固时，将通孔泡沫金属散热架置入铝液中并使其与通孔泡沫铜板上下界面接触，凝固后得到所述热界面复合结构。
进一步地，所述散热结构还包括回流架，回流架顶部抵接内散热架，底部抵接第三通孔泡沫铜板，并点焊连接成一体。
进一步地，所述散热结构还包括穿设在大功率LED中并嵌装在LED安装面上的导热条，所述导热条绕过散热基板的侧面延伸到散热面并焊接到外散热架上。
进一步地，所述导热条沿导热条延伸方向的导热系数大于500 w/mk。
进一步地，所述导热条为高导热石墨碳纤维条带或者柔性高导热石墨带。
进一步地，所述散热结构还包括冷却液壳体，述冷却液壳体固定在所述冷凝顶壳外侧，在冷却液壳体和冷凝顶壳之间形成液冷腔，所述外散热架和导热条端部位于液冷腔中。
进一步地，高导热石墨碳纤维条带为2205石墨碳纤维条带或1205石墨碳纤维条带。
本实用新型与现有技术相比，大功率LED阵列模块的散热结构，使得大功率LED器件底座的热量和LED聚集群中的高热流密度的热量迅速散发，大大增加散热面积，兼用传导散热和相变散热的传递路径，补充辐射热的散热，适于大于60w/cm2的高热流密度的有效散热。
附图说明
图1为本实用新型用于LED的主剖视图。
图2为本实用新型一种LED阵列模块的散热结构的实施例一的主剖视图。
图3为本实用新型一种LED阵列模块的高散热结构的实施例一的仰视图。
图4为本实用新型一种LED阵列模块的散热结构的实施例一的冷凝壳体主剖视图。
图5为本实用新型一种LED阵列模块的散热结构的实施例二的主剖视图。
图6为本实用新型一种LED阵列模块的散热结构的热界面复合结构的示意图。
上述图中的附图标记：
100 LED器件，101 LED芯片，102内热沉，103金属基线路板，104封装透镜，105 Z形电极，106 绝缘层，200 散热结构，300 LED阵列模块
1 散热基板，2第一通孔泡沫铜板，3 环形凸筋，4 导热硅脂，5 第二通孔泡沫铜板，6第三通孔泡沫铜板
1.1 LED安装面，1.2散热面，1.3 台阶安装部，1.4侧壁面
20 冷凝壳体，21 冷凝顶壳，21.1 左顶部，21.2 右顶部，22 周壁，23 法兰安装部，24 绝热密封垫
30 蒸发腔,31 工作介质
40 通孔泡沫金属散热架, 41 外散热架,41.1 顶外散热架，41.2 周外散热架，42 内吸热架，43回流架，44 冷却液壳体，45 液冷腔，45.1入液口， 45.2 出液口
50 导热条
60 热界面复合结构，61 铝基材，62 通孔泡沫铜板，L 复合深度。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施例作详细说明，但不用来限制本实用新型的范围。
实施例一
如图所示，一种LED器件100包括LED芯片101、内热沉102、金属基线路板103和封装透镜104，所述内热沉102通过高导热银胶固定在金属基线路板103上，所述内热沉102包括顶面部和台阶部，所述LED芯片101通过高导热银胶固定在所述内热沉102的顶面部，内热沉102的台阶部固定有绝缘层106，绝缘层103外固定有Z形电极105；所述Z形电极的搭接端固定在所述绝缘层106上，Z形电极的密封端通过高导热银胶固定在金属基线路板103上,所述Z形电极通过金线与LED芯片101连接；所述封装透镜104将所述LED芯片101、金线和Z形电极104的搭接端密封固定在所述内热沉102的台阶部。所述LED芯片101、内热沉102和金属基线路板103构成热传导通路。
一种LED阵列模块300包括至少4个大功率LED器件100，所述大功率LED器件100以一定行距Y和列距X阵列固定在所述散热基板1上；
一种LED阵列模块的散热结构，设置在铝散热基板1上，散热基板1包括LED安装面1.1、散热面1.2和台阶安装部1.3，所述LED安装面1.1设有环形凸筋3，在环形凸筋3内填充一定厚度的导热硅脂4，使得所述导热硅脂4填充台阶安装部并高出LED安装面1.1一定嵌装厚度，所述嵌装厚度至少大于金属基线路板103的厚度的1.5倍。所述金属基线路板103嵌入导热硅脂4中并与所述散热基板1固定。散热基板1的散热面1.2上一体焊接第三通孔泡沫铜板6。
散热面1.2的侧壁面1.4与基板1散热面外侧的边缘表面构成为台阶安装部1.3。
散热结构200包括冷凝壳体20，所述冷凝壳体20包括一体成型的冷凝顶壳21、周壁22和法兰安装部23，所述法兰安装部23固定在所述台阶安装部1.3上，所述法兰安装部23与所述台阶安装部1.3之间设有绝热密封垫24。所述冷凝顶壳21包括左顶部21.1和右顶部21.2，所述左顶部21.1和右顶部21.2连接形成马脊形。
散热结构200还包括蒸发腔30，所述冷凝壳体20和散热基板1构成的内部空腔构成为蒸发腔30，所述蒸发腔30抽真空并充入可相变的工作介质31。工作介质的灌注量最佳为蒸发腔13总体积的25-50%。
所述散热结构200还包括通孔泡沫金属散热架40，所述通孔泡沫金属散热架40包括设置位置分别在冷凝顶壳21内外对应的外散热架41和内吸热架42，所述外散热架41的孔径在3-10mm，孔隙率90-98%。内吸热架42的孔径在0.5-2mm，孔隙率90-98%。所述外散热架41包括一体成型的顶外散热架41.1和周外散热架41.2，所述内吸热架42包括一体成型的顶内吸热架42.1和周内吸热架42.2。所述通孔泡沫金属散热架40选择泡沫铜或泡沫铝。
所述散热结构200还包括回流架43，回流架43顶部抵接内散热架42，底部抵接通孔泡沫铜散热板6，并点焊连接成一体。所述回流架43将液态工作介质由冷凝壳体20的顶内壁带回到散热基板1的散热面1.2。
所述散热结构200还包括热界面复合结构60，所述冷凝壳体20和散热基板1采用所述热界面复合结构60。具体地，所述热界面复合结构60包括铝基材61中一体铸造成型有通孔泡沫铜板62，通孔泡沫铜板62上表面或下表面一体连接有通孔泡沫散热架40。浇铸铝液高过所述通孔泡沫铜板62的上下界面复合深度L为3-5mm，当铝液未凝固时，将通孔泡沫金属散热架40置入铝液中并使其与通孔泡沫铜板62上下界面接触，凝固后得到所述热界面复合结构60。
所述冷凝壳体20和散热基板1采用所述热界面复合结构60。所述冷凝壳体20内一体铸造成型有第二通孔泡沫铜板5，散热基板1内一体铸造成型有第一通孔泡沫铜板2，第一通孔泡沫铜板2的孔密度大于第二通孔泡沫铜板5的孔密度，第一通孔泡沫铜板2的孔隙率大于第二通孔泡沫铜板5的孔隙率。散热基板1的铝基材上表面一体连接有第三通孔泡沫铜板6。
所述散热结构200还包括穿设在行距Y和列距X中的导热条50。在LED阵列安装完成后，所述导热条50设置在LED阵列之间；所述导热条50绕过散热基板1的侧面延伸到散热面1.2并焊接到外散热架41上。所述导热条50为高导热石墨碳纤维条带或者柔性高导热石墨带，高导热石墨碳纤维条带沿纤维方向导热系数大于500w/mk。 高导热石墨带沿条带导热系数大于500 w/mk。高导热石墨碳纤维条带优选为2205或1205石墨碳纤维条带，所述高导热石墨碳纤维条带能迅速将中心温度沿导热条70带到散热面1.2并传导给外散热架41。
所述LED器件100工作时，随着聚集的LED发光元件不断释放热量，内热沉102直接通过导热硅脂4将热量传导至散热基板1，封装透镜104的辐射热量传递给导热带50，导热带直接将热量沿导热带传导至外散热架上，比起由散热基板到蒸发腔到冷凝顶板到外散热架的第一散热路径要快捷直接得多。
所述LED阵列器件的散热结构，通过两个途径散热，其一，传导热量，传导热量由内热沉热传导至散热板，散热板通过蒸发腔30将该部分热量通过通孔泡沫金属散热架40将热量散发到空气中；其二，辐射热量，辐射热量是封装透镜104的辐射产生的热量，该部分热量由导热条70将热量沿导热条70输送到外散热架41。蒸发腔30和导热条70共同配合将传导热量和辐射热量分别带走，共同维持了所述LED阵列器件300的低温工作环境。
对于4个以下的大功率LED阵列来说，可省略导热条70，仅使用包括蒸发腔30的散热结构200即可。
实施例二
外散热架41设置在冷却液壳体44中，所述冷却液壳体44固定在所述冷凝顶壳21外侧，在冷却液壳体44和冷凝顶壳21之间形成液冷腔45，液冷腔45中的液体将外散热架41和导热条的热量带走。液冷腔45具有入液口45.1和出液口45.2。
冷却液流经液冷腔45，带走外散热架41和导热条50的热量，保证了蒸发腔30的相变传热的热量能有效释放。
其他结构与实施例一相同。
所述LED阵列模块的散热结构，通过以下技术实质解决了“如何低成本、高效率地转移大功率LED器件的高热流密度热量”的技术问题：
1）热界面复合结构，保持了铝的轻质和铜的高效传热
铜的导热系数是401w/mk，铝的导热系数为237w/mk，但是铜的密度是8.9×103kg/m3,铝的密度是2.7×103kg/m3，相同体积的散热基板，铜板是铝板的3倍重，成本也贵，所以限制了铜板作为LED散热基板的使用。而铝基材内一体铸造有通孔泡沫铜板，则兼有了铜的高导热系数，又有了铝的轻质。铜的熔点是1083℃，铝的熔点是660℃，铸造铝板型腔中先放入通孔泡沫铜板，然后铸造成型铝板。为了去除气孔缺陷，在铝基板的模具中先放入通孔泡沫铜支架，然后真空吸铸填充铝液，冷却成型为内嵌泡沫铜的复合铝板。
同时通孔泡沫铜板上表面和/或下表面一体复合有通孔泡沫金属散热架，散热架直接接触通孔泡沫铜板的上表面或下表面，热量直接从通孔泡沫铜板传递给散热架，散失到空气或冷却液中，大大降低了壳体和散热架之间的界面热阻。
所述热界面复合结构兼有铜的高导热率和铝的轻质两方面的优点，同时界面热阻低，突破了包围型壳体向外传导热量的低效，是适合LED高效传热的热界面复合结构。
2）冷凝壳体、内吸热架的配合构建第一散热段，外散热架构建第二散热段， 而冷凝顶壳则有效将第一散热段连通至第二散热段，成为有效散热的第一路径。
冷凝壳体和散热基板构成蒸发腔，蒸发腔内可相变工作介质由液态转变为气态吸收热量，气态工作介质上升至冷凝壳体内壁，在内壁和内吸热架上由气态变为液态，放热，将热量传递给冷凝壳体内壁和内吸热架，构成为相变散热的第一散热段；内壁和内吸热架的热由冷凝顶壳21传导至外散热架和外壁，冷凝壳体的外散热架到环境空气的散热为第二散热段，第一散热段有效散热至第二散热段，将热量送至环境空气中或者冷却液中。三段散热没有热结存在，均是高导热率的通孔泡沫铜在起关键作用。如果是铝质冷凝顶壳，则内吸热架到外散热架的热传导会受到铝质冷凝顶壳导热系数低、传热效率低的制约。
3）导热带传热，将散热基板安装面的辐射热传导至后面的外散热架，成为有效散热的第二路径
导热带吸收从LED封装透镜104长时间辐射产生的热量，尽管散热基板1能够满足LED芯片101的工作温度要求，但是长时间的使用后，来自封装透镜104长时间照射的辐射热量，散热基板安装面温度急剧升高，会反过来烤热封装透镜104内的温度，导致LED芯片101的封装空间内的温度升高，这是不允许的。导热带70带走了封装透镜104的辐射热量，使得LED阵列的间隙温度降低，间接使得封装透镜104本身温度不会升高，从而保证了LED芯片101的封装空间内的低工作温度。这是对由内热沉102向金属基线路板101的传导散热的第二路径。
正是由上述三方面改进的协同作用，使得大功率LED器件底座的热量和LED聚集群中的高热流密度的热量迅速散发，大大增加散热面积，兼用传导散热和相变散热的传递路径，补充辐射热的散热，大大提高了传热效率。