Led阵列的均匀液体冷却的制作方法
【专利摘要】液体冷却散热器包括具有迂回液体通道的阵列的顶板，每个通道具有单独的通道入口和共同的中心出口通道。所述散热器进一步包括具有入口端口和出口端口的底板。所述散热器进一步包括具有入口导引通道的中间板，所述入口导引通道提供在底板的入口端口和所述顶板的通道入口之间的流体连通，所述中间板进一步包括出口导引通道，所述出口导引通道提供在顶板的共同的中心出口通道和所述底板的出口端口之间的流体连通。
【专利说明】LED阵列的均匀液体冷却
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及液体冷却散热器，并且更具体地涉及用于发光二极管(LED)阵列的液体冷却散热器。
【背景技术】
[0002]半导体光源，例如发光二极管(LED)，在它们的工作期间产生热。在一些高功率光源中，数百个高功率LED芯片被一起紧密地布置在LED阵列或矩阵中。所述LED被附着到衬底或者陶瓷本体。在这些高功率光源中，大量的热功率被消散。热功率的量可以高达1000W或者更高。因为LED的性能和要求，包括它们的亮度，颜色，光输出功率，驱动电压，和寿命是与温度相关的，所以均衡地且均匀地冷却LED是有利的，尤其在高性能应用中。例如，在一些高性能应用中，在所述LED阵列内的LED之间的温度差应该小于百分之十五。
[0003]—种用于冷却所述LED阵列的方法是使用例如水的液体作为冷却媒质。例如，如在图1A中所示,冷却液体媒质流过衬底或者陶瓷本体120内部的闭合冷却液体通道110,LED (在图中未示出)被安装在所述衬底或者陶瓷本体120上。所述冷却液体通道110可蜿蜒穿过所述陶瓷本体120或者分支到所述陶瓷本体120的不同部分用以冷却所述陶瓷本体120和在其上安装的LED。因为当冷却液体媒质从入口 130进入冷却液体通道110并通过出口 140离开时，它从所述陶瓷本体120吸收热，所以冷却液体媒质在出口 140处的温度高于在入口 130处的温度。因此，如在图1B中所示，形成了跨越所述陶瓷本体120的温度梯度。例如，陶瓷本体120的左端部分150的温度高于陶瓷本体120的右端部分160的温度。结果，安装在陶瓷本体120上的所述LED (在图1B中未示出)具有明显不同的工作温度。
[0004]具有跨越冷却系统形成的不期望有的温度梯度的冷却系统的其它实例包括在美国专利US5841634和德国专利DE20208106U1中公开的那些。
【发明内容】
[0005]液体冷却散热器包括具有迂回液体通道阵列的顶板，每个通道具有单独的通道入口和共同的中心出口通道。所述散热器进一步包括具有入口端口和出口端口的底板。所述散热器进一步包括具有入口导引通道的中间板，其提供在底板的入口端口和顶板的通道入口之间的流体连通，所述中间板进一步包括出口导引通道，其提供在顶板的共同的中心出口通道和底板的出口端口之间的流体连通。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]本申请可参照下面结合附图进行的描述被最佳地理解，在附图中相似的部件可由相似的数字指示。
[0007]图1A示出现有技术系统，其中闭合的冷却液体通道被嵌入在用于安装LED的陶瓷本体中。[0008]图1B示出跨越在图1A中示出的陶瓷本体形成的温度梯度。
[0009]图2A-2C示出可被堆叠和附着在一起以形成如在图4A中所示的示例性液体冷却散热器的三块板的第一透视图。
[0010]图3A-3C示出可被堆叠和附着在一起以形成如在图4A中所示的示例性液体冷却散热器的三块板的第二透视图。
[0011]图4A示出根据本申请的被组装在一起以形成示例性液体冷却散热器的三块板的透视图。
[0012]图4B示出沿着图4A中的面B-B的截面图。
[0013]图4C示出沿着图4A中的面A-A的截面图。
[0014]图5示出如在图4A中示出的示例性液体冷却散热器的温度轮廓。
[0015]图6A和6B分别示出如在图4A中所示的示例性液体冷却散热器在t=0.2秒和t=5秒时的温度轮廓。
[0016]图7示出根据本申请的用于将20X20个LED安装到示例性液体冷却陶瓷散热器上的示例性布局。
[0017]图8示出具有金属化805的示例性液体冷却散热器800。
【具体实施方式】
[0018]下面的描述被提供以使得本领域普通技术人员能够做出和使用本发明，并且被提供在特定应用和它们的要求的情境中。对于本领域技术人员，实施例的各种修改将是显而易见的，并且此处定义的通用原则可适用于其它实施例和应用而不会偏离本发明的精神和范围。而且，在下面的描述中，为了解释的目的阐述了许多细节。然而，本领域普通技术人员将认识到本发明可以在不使用这些特定细节的情况下被实施。在其它情况中，以方框图形式示出公知的结构和器件以便不会用非必要的细节而使本发明的描述变得模糊。因此，本发明不旨在被限制到所示实施例，而被赋予与此处公开的原理和特征相一致的最宽的范围。
[0019]虽然就特定实例和示例图描述了本发明，本领域普通技术人员将认识到本发明不被限制到被描述的实例或图。
[0020]图2-4示出根据本发明的示例性液体冷却散热器200的不同视图。液体冷却散热器200包括三块板一底板210，中间板220，和顶板230。注意到在图2_4中液体冷却散热器200被倒置取向以更好地示出液体冷却散热器200的特定特征。如在图4A中所示，三块板210，220，和230被堆叠并附着在一起以形成所述液体冷却散热器200。所述底板210和中间板220被堆叠在一起以形成液体冷却散热器200的基层。所述中间板220和顶板230被堆叠在一起以形成液体冷却散热器200的顶层。在一个不例性实施例中，板210, 220,和230用粘合剂、陶瓷熔块、中间垫衬材料等等被附着在一起。然而，可考虑所述板210，220，和230可用包括销、螺钉、夹具等的其它连接器被附着在一起。参照图3C，所述LED (在图中未示出)被安装在板230的LED安装表面335上。该LED安装表面335是目标冷却表面并且理想地该表面应具有均匀温度轮廓。
[0021]图2A-2C示出板210，220，和230的透视图。在这个取向中，板230的LED安装表面335面朝下，并且四个迂回冷却通道232在图2C中被暴露可见。[0022]图3A-3C示出在第二取向中的板210，220，和230的透视图。在这个取向中，板230的LED安装表面335在图3C中被暴露可见。
[0023]图4A示出组装在一起的板210，220，和230的透视图。沿着图4A中的面A-A的截面图在图4C中示出。沿着图4A中的面B-B的截面图在图4B中示出。
[0024]板210是被设置为离板230的LED安装表面335最远的板。如在图2A和3A中示出的，板210具有类似托盘的形状并且具有两个开孔。设置在径向外侧位置中的开孔是将液体引到液体冷却散热器200中的入口 212。中心开孔是将液体引离液体冷却散热器200的出口 214。然而，应该认识到一旦所述液体通过入口 212进入液体冷却散热器200，液体不会通过所述出口 214立即离开所述液体冷却散热器200。因为当板被组装时，围绕出口 214的圆柱形壁310 (参见图3A)与板220 (参见图4C)齐平地相抵，所以所述液体不会通过所述出口 214立即离开。替代地，液体在板210和220之间形成的通道320(参见图3A和4C)内流动。所述通道320是在类似托盘的底板210的边缘和圆柱形壁310之间的空间。所述通道320导引液体穿过板220上的四个入口 222并且分别进入四个迂回冷却通道232 (参见图2C)。
[0025]所述迂回冷却通道232引导所述液体以从板230的LED安装表面335吸收热。如在图2C中所示，由于所述通道232以类似螺旋的结构绕所述中心点233旋转，每个迂回冷却通道232从通道232的中心点233引导液体并且逐渐远离。所述液体然后通过所述迂回冷却通道232被引到板230的中心点234。所述液体然后通过散热器出口离开所述液体冷却散热器200。当所述板被堆叠在一起时，通过使板220上的出口 224和板210上的出口214对齐来形成所述散热器出口。
[0026]在上面公开的示例性实施例中，所述迂回冷却通道232被类似螺旋状地定形。如在图2C中所示，由在迂回冷却通道中的液体描绘(trace)的迂回路径由垂直于所述LED安装表面335的壁限定。所述迂回冷却通道232便于所述液体的快速流动。然而，可考虑迂回冷却通道232可以将所述液体分配到板230的不同部分并且然后以其它结构回到板230的中心点234。
[0027]图5示出了如在图4A中示出的示例性液体冷却散热器的温度轮廓。在LED安装表面335的顶部上示出20X20个LED 510的LED阵列。在LED安装表面335上的温度变化小于15%。例如，沿着LED安装表面335的边缘的LED不比在其它区域中的那些LED具有高得多的温度。
[0028]图6A和6B分别示出如在图4A中所示的示例性液体冷却散热器在t=0.2秒和t=5秒时的温度轮廓。时间t是在LED被开启后的时间。所述冷却系统在开始测量时运转。
[0029]由于几个原因，上面描述的示例性多层液体冷却散热器可以实现LED的均匀冷却。冷的液体冷却媒质不直接撞击在LED安装表面上。在上面的实例中，冷的液体通过四个入口 222被注入。被注入的冷的液体在四个通道中被带到所述LED安装表面335。每个通道从相应的入口向外盘旋。通过这种方式，所述液体通过中间平面被分配在LED安装表面的整个区域上。因此，LED安装表面被均匀地冷却。
[0030]此外，每个通道将被加热的液体引到中心出口 224和214，在这里被加热的液体从所述液体冷却散热器被喷出。这便于去除被加热的液体并且避免了不必要地加热LED。
[0031]除了具有均匀的温度分布，由于长的液体流动路径，上面描述的示例性多层液体冷却散热器提供在冷却液体媒质和陶瓷本体之间的良好热连接。迂回通道的平行连接降低了在冷却液体媒质中的压力损失。因此，需要更小的抽运功率。另一优点是液体供应线来自下部。因此，模块到更大的阵列几何形状的可扩展性是可能的。例如，所述LED安装区域可以毫无困难地被扩大。
[0032]形成液体冷却散热器200的板210，220和230可以由任何合适材料形成，包括干法成形的陶瓷和不同类型的衬底。例如，所述板可由非导电和导热的亚硝酸铝(AIN)陶瓷形成。在一些示例性实施例中，使用干压工艺将陶瓷材料压入板中。然后通过碾磨构造所述板。用陶瓷膏剂将被构造的板胶合在一起以形成所述液体冷却散热器200。在胶被干燥后，所述液体冷却散热器200被烧结。替代地，玻璃或者玻璃陶瓷的薄层可被用来将被构造的板组合在一起。
[0033]在板被附着在一起之后，然后通过金属化，包括鹤玻璃或者银金属化，将多个LED焊接在所述LED安装表面335上。图7示出根据本申请的用于将20X20个LED安装到示例性液体冷却陶瓷散热器上的不例性布局。图8不出具有金属化805的不例性液体冷却散热器800。多个LED可以被焊接到顶板830上的金属化805上。如在图8中示出的，在顶板830上的金属化805被布置成平行于外边缘835。金属化805延伸到提供电气端子815的底板810。为了对所述冷却优化，所述金属化805优选地仅被布置在迂回冷却通道232上面并且不在所述迂回冷却通道232之间的壁上面。所述金属化805包括被施加到陶瓷板表面的烧结金属化区域。这些被烧结的金属化区域具有到所述非导电板的良好的导热性。
[0034]具有通过如上面描述的金属化来直接将多个LED附着在所述LED安装表面335上的陶瓷(例如，AIN)液体冷却散热器200有效地将热从所述LED去除。该陶瓷本体用作具有高导热性的散热器并且用作用于所述LED的载体。这消除了使用具有不良导热性的胶来将单独的印刷电路板附着到散热器上的需要。如可以认识到的，现有技术的使用金属散热器的系统会需要单独的印刷电路附着到金属散热器，在所述金属散热器和所述电路板之间增加了热瓶颈。
[0035]在一些示例性实施例中，迂回冷却通道的数目是4。然而，可考虑迂回冷却通道的数目可以取决于目标冷却表面的尺寸、由LED产生的热、LED的目标最大温差、以及其它因素。
[0036]在一些示例性实施例中，可以包括泵来对所述冷却液体媒质施加压力。例如，所述泵可以将冷却液体媒质注入到入口 212中，使得所述液体通过散热器200流通并从出口 214出来。所述冷却液体媒质可以是水。然而，可考虑也可以使用其它导热的液体。
[0037]在一些示例性实施例中，散热器200可在没有泵的情况下操作。所述冷却液体媒质可以是挥发性液体，例如乙醇或者氟氯烃(CFC)。当冷却液体媒质从散热器200吸收热时，它会蒸发。在所述冷却液体媒质离开所述散热器200之后，可以使用外部冷却器将冷却液体媒质凝结回液体形态，所述液体形态可被再次引回到散热器200中。
[0038]在一个优选实施例中，板210，220，230由AIN-4.5%Y203形成，并且每个具有60*60*5mm的维度。使用干压工艺挤压所述板。使用金刚石铣刀构造所述板。使用325网眼金属网，将膏剂(70% AIN-4.5% Y2O3和30%丝网印刷油)印刷在所述底板210和所述顶板230上。然后使用装配堤(fitting mound)在十分钟内将板210，220，和230放置在彼此的顶部上。所述液体冷却散热器200在石墨炉中在1，805°C在氮气中被烧结达五小时。利用表面研磨机上的金刚石磨盘研磨液体冷却散热器200的外表面。所述液体冷却散热器200的所述外表面中的一些用银-1%钼膏剂以带状的方式被印刷上，并且所述液体冷却散热器200在空气中在850°C被焙烧。然后，LED被焊接在所述液体冷却散热器200上，并且对底板210提供电力。可将塑性材料胶合到所述底板210上的入口 212和出口 214用以将泵和冷却液体储存器附着到液体冷却散热器200。
[0039]如上面讨论的，在优选实施例中，冷却流体通过下述来流通:将流体引到所述入口端口 212，通过通道222将流体分离到单个迂回通道232的中心中并且然后通过中心出口214去除所述流体。在相反方向上的流体流动在本发明主题的范围内。特别地，器件可通过使得流体进入开孔214来操作，使得它在迂回通道内从外部到内部流通。之后，所述流体将通过开孔212被去除。据信这个逆向流动路径将比正向流动路径提供更低效率的冷却。
[0040]上面描述的示例性多层液体冷却散热器可被用以冷却除了 LED以外的其他功率电子器件，并且可被用在不同的应用中。例如，所述散热器可被用在高功率LED光源中用以固化墨水或胶，液体消毒等等。所述散热器也可被用来冷却直接焊接在衬底上的大面积半导体芯片。在这种情况下，不均匀的温度分布将导致半导体芯片中的机械应力。
[0041]尽管已经结合一些实施例描述了本发明，其并不旨在局限于此处阐述的特定形式。更确切地说，本发明的范围仅由权利要求限制。另外，尽管特征也许看起来是结合特定实施例被描述的，但是本领域技术人员将认识到被描述的实施例的不同特征可根据本发明被组合。
[0042]此外，尽管被一个一个单独列举，但是多个装置，元件或者工艺步骤可通过例如单个单元或者处理器实现。另外，尽管在不同的权利要求中可包括各个特征，但是这些可能会被有利地组合，并且在不同权利要求中的包含并不暗示特征的组合不是可行的和/或有利的。而且，在一种类型的权利要求中包含特征并不暗示局限于该类型，而是如适用，该特征可被同样地应用到其它权利要求类型。
【权利要求】
1.一种液体冷却散热器，包括:底板；中间板；和顶板；并且其中所述底板和所述中间板被堆叠并附着在一起以形成所述散热器的基层，并且其中所述中间板和所述顶板被附着在一起以形成所述散热器的顶层，并且其中所述顶板的没有面对所述中间板的表面是目标冷却表面；并且其中所述基层具有将液体从在所述底板上的散热器入口分配到在所述中间板上的多个入口的通道，所述多个入口的每一个将所述液体引导到在顶层中的相应迂回通道，其中每个所述迂回通道在与目标冷却表面相邻的平面中的迂回路径中引导液体，冷却所述表面，并且其中所述迂回通道在各迂回通道之间的聚集点处合并，所述聚集点被连接到散热器出口，其将液体从所述顶层引回到所述基层并从所述散热器出来。
2.权利要求1的液体冷却散热器，其中每个迂回通道将液体从所述通道的中心点向外引导。
3.权利要求2的液体冷却散热器，其中所述通道以类似螺旋的结构绕所述中心点旋转。
4.权利要求1的液体冷却散热器，其中每个迂回路径由垂直于所述目标冷却表面的壁限定。
5.权利要求1的液体冷却散热器，其中所述底板具有类似托盘的形状并且所述板在板的基础部分上具有两个底板开孔，第一底板开孔形成散热器入口并且第二底板开孔形成散热器出口的一部分。
6.权利要求5的液体冷却散热器，所述中间板进一步包括与所述第二底板开孔对齐的中间板开孔以形成散热器出口。
7.权利要求6的液体冷却散热器，所述底板进一步包括垂直于所述底板并且围绕所述第二底板开孔的壁，当所述底板和中间板被附着在一起时，所述壁与所述中间板齐平地相抵，从而防止液体从基层内部的腔室流到所述第二底板开孔。
8.权利要求7的液体冷却散热器，在基层内部的通道由类似托盘的底板的边缘和所述壁限定。
9.权利要求1的液体冷却散热器，其中迂回通道的数目至少是4。
10.权利要求9的液体冷却散热器，其中迂回通道以2X2阵列布局。
11.权利要求1的液体冷却散热器，其中顶板由陶瓷形成。
12.权利要求1的液体冷却散热器，其中所述顶板，所述中间板，和所述底板由陶瓷形成。
13.一种液体冷却散热器，包括:散热器的基层；散热器的顶层；和位于所述基层和所述顶层之间的中间板；并且其中所述顶层的顶表面是目标冷却表面；并且其中所述基层具有封闭的通道，其将液体从散热器入口分配到所述中间板上的多的液体冷却散热器，其中所述通道以类似螺旋的结构绕所述中心点旋的液体冷却散热器，其中每个迂回路径由垂直于所述目标冷却表面的的液体冷却散热器，其中迂回通道的数目至少是4。的液体冷却散热器，其中迂回通道以2X2阵列布局。的液体冷却散热器，其中顶层由陶瓷形成。的液体冷却散热器，其中所述顶层，所述基层，和所述中间板由陶瓷形个孔，所述多个孔中的每个将所述液体引导到在顶层中的相应迂回通道，其中每个所述迂回通道在与目标冷却表面相邻的平面中的迂回路径中引导液体，冷却所述表面，并且其中所述迂回通道在各迂回通道之间的聚集点处合并，所述聚集点被连接到散热器出口，其将液体从所述顶层引回到所述基层并从所述散热器出来。
14.权利要求13的液体冷却散热器，其中每个迂回通道将液体从所述通道的中心点向外引导。
15.权利要求14转。
16.权利要求13壁限定。
17.权利要求13
18.权利要求17
19.权利要求13
20.权利要求13成。
21.—种散热器,包括:具有迂回流体通道的阵列的顶板，每一通道具有单独的通道入口并且和所述通道共用共同的中心出口通道；具有入口端口和出口端口的底板；和 具有入口导引通道的中间板，其提供在底板的入口端口和顶板的通道入口之间的流体连通，所述中间板进一步包括出口导引通道，其提供在顶板的共同的中心出口通道和底板的出口端口之间的流体连通。
22.权利要求21的散热器，其中所述底板的面向所述中间板的表面包括用于将流体从所述底板的入口端口输送到所述中间板的入口导引通道的凹进。
23.权利要求21的散热器，其中所述底板的面向所述中间板的表面包括在所述中间板的出口导引通道和出口端口之间延伸的密封环，以防止从所述底板的入口端口进入凹进的流体与所述出口端口连通。
24.权利要求21的散热器，其中迂回通道的数目至少是4。
25.权利要求24的散热器，其中迂回通道以2X2阵列布局。
26.权利要求21的散热器，进一步包括泵，用以将流体注入到入口端口中并且使得所述流体通过散热器流通并从出口端口出来。
27.权利要求21的散热器，其中顶板由陶瓷形成。
28.权利要求21的散热器，其中所述顶板，所述中间板，和所述底板由陶瓷形成。
29.—种散热器,包括:具有迂回流体通道的阵列的顶板，每个通道具有单独的通道出口并且和所述通道共用共同的中心输入通道；具有入口端口和出口端口的底板；以及具有出口导引通道的中间板，其提供在底板的出口端口和顶板的单独的通道出口之间的流体连通，所述中间板进一步包括在顶板的共同的中心输入通道和底板的入口端口之间提供流体连通的入口导引通道。
30.权利要求29的散热器，其中底板的面向中间板的表面包括凹进，用以将流体从底板的出口端口输送到所述中间板的出口导引通道。
31.权利要求30的散热器，其中底板的面向中间板的表面包括在所述中间板的入口导引通道和入口端口之间延伸的密封环，以防止从所述底板的出口端口进入凹进的流体与所述入口端口连通。
32.权利要求29的散热器，其中所述迂回通道以2X2阵列布局。
33.权利要求29的散热器，进一步包括泵，用以将流体注入到入口端口中并且使得所述流体通过散热器流通并 从出口端口出来。
【文档编号】F28F3/12GK103477179SQ201180067101
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2011年12月6日 优先权日:2010年12月9日
【发明者】S.科比尔克, M.卡岑波尔, A.蒂姆, T.施赖拉尔特, K.霍伊曼 申请人:埃赛力达技术埃尔科斯有限责任公司, 陶瓷技术有限责任公司, 弗劳恩霍弗实用研究促进协会