微通道冷卻的高熱負(fù)荷發(fā)光裝置制造方法及圖紙

微通道冷卻的高熱負(fù)荷發(fā)光裝置。微通道冷卻的UV固化系統(tǒng)及其部件被提供。按照一個實施例，燈頭模塊包含：光學(xué)宏反射器、LED陣列和微通道冷卻器組件。該陣列被放置在該反射器內(nèi)，并有高填充因子和高縱橫比。該陣列提供高輻照度輸出光束圖形，在離開該反射器窗口的外表面至少1mm的工件表面上有大于25W/cm2的峰值輻照度。該微通道冷卻器組件在LED的p-n結(jié)之間維持小于或等于攝氏80°的大體上等溫狀態(tài)。該微通道冷卻器組件還為該陣列提供公共陽極基片。通過把該陣列安裝于微通道冷卻器組件，熱高效的電連接被形成在該陣列和公共陽極基片之間。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)的實施例，一般涉及低熱阻基片上的發(fā)光二極管(LED)。尤其是，本專利技術(shù)的實施例，涉及提供高亮度、高輻照度和高能量密度的高功率密度、高填充因子、微通道冷卻的紫外(UV) LED燈頭模塊。
技術(shù)介紹
今天的UV LED仍然相對地低效(通常是，當(dāng)按高電流密度操作時，操作在約15%的效率上)。這些低效導(dǎo)致大量廢棄的熱的產(chǎn)生，從而要求至少空氣冷卻而常常是液體冷卻(如，熱交換器和/或冷卻器)以移除不需要的廢棄的熱，它是在半導(dǎo)體裝置的P-n結(jié)內(nèi)電到光轉(zhuǎn)換過程的副產(chǎn)品。如果該熱不按非常有效和高效方式被移除，該LED裝置可以遭受效率損失、光輸出的下降甚至災(zāi)難性失效。液體冷卻的UV LED燈(或光引擎)目前被用于各種各樣固化應(yīng)用中；然而，現(xiàn)有的系統(tǒng)有若干限制。例如，雖然工業(yè)文獻(xiàn)認(rèn)識到高亮度/高輻照度陣列的需要性，但目前可用的UV LED燈提供次優(yōu)的性能。現(xiàn)有的UV LED燈一般趨向于把LED按一串串的串聯(lián)的LED，電連接在它們的LED陣列內(nèi)，然后把這些串(常常與集成電阻器)并聯(lián)在一起。這種串聯(lián)并聯(lián)方法的一個缺點是，散熱器常常必須有非導(dǎo)電本性和/或必需是在LED下面的介電層，這二者的任一種都要用傳統(tǒng)的導(dǎo)電電路軌跡刻圖。這些軌跡是昂貴的且與熱高效的超高電流操作不相容，因為包含的這些層的接觸熱阻和/或該介質(zhì)層的大的熱阻和/或軌跡的固有高電阻率。散熱器也常常是昂貴的陶瓷材料，諸如BeO、SiC、AlN或氧化鋁。串聯(lián)并聯(lián)LED陣列模型的另一個缺點是，LED的單個失效能夠?qū)е麓?lián)的LED的整串失效。因為在LED的任何給定鏈中的失效造成的黑暗面積，常常對工件表面上該光的光化學(xué)互作用過程不利?，F(xiàn)有技術(shù)的UV LED陣列的具體例子，在圖IA和IB中示出。在該取自美國專利公布No. 2010/0052002 (此后稱“Owen”)的例子中，聲稱“致密的” LED陣列100被畫出，用于號稱要求“高光學(xué)功率密度”的應(yīng)用。該陣列100由基片152內(nèi)形成的微反射器154和被安裝在每一微反射器154內(nèi)的LED 156構(gòu)成。該LED 156通過引線158到基片152上的導(dǎo)線粘接區(qū)與電源(未畫出)在電學(xué)上連接。微反射器154各包含反射層162以反射關(guān)聯(lián)的LED 156產(chǎn)生的光。值得注意的是，盡管被表征為“致密的” LED陣列，LED陣列100實際上是非常低填充因子、低亮度、低熱流量的陣列，因為各個LED 156被隔開頗有一些距離，中心到中心的間距約800微米。最好也不過是，LED總共占LED陣列100的表面面積約10到20%之間，且肯定小于50%。如此低填充因子的LED陣列能夠建立不均勻的輻照度圖形，它能夠?qū)е虏痪鶆蚬袒鸵曈X可感受的畸形，諸如混疊和圖素化。此外，微反射器154由于它們的低的角度范圍，未能捕獲和控制實質(zhì)的光量。結(jié)果是，陣列100產(chǎn)生低輻照度的光束，該光束作為離反射器154距離的函數(shù)迅速失去輻照度。還應(yīng)當(dāng)指出，即使是最佳配置的反射器也不能對低亮度的LED陣列100制成，因為最終被投射于工件上的光束永遠(yuǎn)不能比源(本例中是LED陣列100)還亮。這是由于周知的亮度守恒定理。另夕卜，Owen還撇開由于宏反射器的大小和感覺上的需要，所以有反射器與每一單獨LED 156關(guān)聯(lián)的使用宏反射器的教導(dǎo)。除前述限制之外，在現(xiàn)有技術(shù)的冷卻設(shè)計所采用相對大通道液體冷卻技術(shù)中，不能在每平方毫米超過約I. 5安培電流時，按有效地保持結(jié)溫適當(dāng)?shù)氐偷姆绞剑瑥腖ED移除廢棄的熱。氧抑制是外界的氧按與UV光引起的化學(xué)交聯(lián)可比的速率，與被固化材料反應(yīng)，以及與光引發(fā)劑(PhI)互作用之間的競爭。已知輻照度越高，完全固化的建立越快，且已知輻照度越高，至少部分地解決氧抑制問題。現(xiàn)在，超高輻照度被認(rèn)為或許在某些過程配置中克服氧抑制問題，或許甚至不用氮保護(hù)氣體。但是，要產(chǎn)生超高輻照度以克服氧抑制，操作在極端地高電流密度的如此高填充因子LED陣列環(huán)境中，使結(jié)溫保持適當(dāng)?shù)氐偷臒崃髁恳瞥俾适潜匦璧?，而這是用目前采用的UV LED陣列基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和UV LED陣列冷卻技術(shù)不可簡單地達(dá)到的。
技術(shù)實現(xiàn)思路
微通道冷卻的UV固化系統(tǒng)及其部件被描述，它們被配置成用于材料的光化學(xué)固化和其他高亮度/高輻照度應(yīng)用。按照一個實施例，一種燈頭模塊包含光學(xué)宏反射器、發(fā)光二極管(LED)陣列和微通道冷卻器組件。該光學(xué)宏反射器、包含有外表面的窗口。該陣列被放置在光學(xué)反射器內(nèi)并有高填充因子和高縱橫比。該陣列可操作以便提供高輻照度輸出光束圖形，它在離開該光學(xué)反射器窗口的外表面至少1_的工件表面上具有的峰值輻照度大于25W/cm2。該微通道冷卻器組件可操作以便在陣列中LED的p-n結(jié)之間，維持在小于或等于攝氏80°的溫度的大體上等溫狀態(tài)。該微通道冷卻器組件還為該陣列提供公共陽極基片。通過把該陣列安裝于微通道冷卻器組件，熱高效電連接被形成在該陣列和該公共陽極基片之間。在前述的實施例中，該陣列可以直接被安裝于微通道冷卻器組件。在各個前述的實施例中，該微通道冷卻器組件?？梢栽趐-n結(jié)之間維持大體上小于或等于攝氏45°的溫度的大體上等溫狀態(tài)。在前述的實施例的各種情況中，該LED可以在電學(xué)上被并聯(lián)。在前述的實施例的一些實例中，該LED中的至少一個可以是紫外發(fā)射LED。在各個前述的實施例中，該陣列的寬度對長度的縱橫比大體上在約1:2到1:100之間。在各個前述的實施例中，該陣列的寬度對長度的縱橫比大約為1:68。在前述的實施例的各種情況中，該峰值輻照度可以大于或等于lOOW/cm2，而該工件表面離開該光學(xué)反射器窗口的外表面至少2mm。在各個前述的實施例中，沒有顯著數(shù)量的LED被串聯(lián)。在前述的實施例的一些實例中，跨越并在陣列下面通過微通道冷卻器的冷卻劑流體，被配置成沿大體上平行于該陣列的最短尺寸的方向，并可以另外是大體上均衡的。 在各個前述的實施例中，該燈頭模塊可以包含柔性 電路(flex-circuit),可操作以便單獨地對被粘接于微通道冷卻器的LED或LED的組尋址。在前述的實施例的各種情況中，該微通道冷卻器可以被夾緊在一個或多個陰極連接器和一個或多個陽極匯流形體之間，以利于工廠可更換性。在各個前述的實施例中，該燈頭模塊可以包含集成的LED驅(qū)動器。在前述的實施例的一些實例中，該光學(xué)宏反射器可以是現(xiàn)場可更換的。本專利技術(shù)的其他實施例，提供紫外(UV)發(fā)光二極管(LED)固化系統(tǒng)，包含多個端到端串聯(lián)的UV LED燈頭模塊，各包含光學(xué)宏反射器、LED陣列和微通道冷卻器組件。該光學(xué)宏反射器包含有外表面的窗口。該LED陣列被放置在該光學(xué)反射器內(nèi)，并有高填充因子和高縱橫比。該LED陣列可操作以便提供大體上均勻的高輻照度的輸出光束圖形，它在離開該光學(xué)反射器窗口的外表面至少Imm的工件表面上具有的輻照度大于25W/cm2。該微通道冷卻器組件，可操作以便在LED陣列中LED的p-n結(jié)之間維持在小于或等于攝氏80°的溫度的大體上等溫狀態(tài)。該微通道冷卻器組件還為該LED陣列提供公共陽極基片。通過把該LED陣列直接安裝于微通道冷卻器組件，熱高效電連接被形成在該LED陣列和公共陽極基片之間。本專利技術(shù)實施例的其他特征將從下面的附圖和詳細(xì)描述變得顯而易見。附圖說明本專利技術(shù)的實施例作為例子而不是限制，在附圖中被示出，而在圖中，相同參考數(shù)字指類同的單元，且其中本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2010.01.27 US 61/336,979;2010.04.01 US 61/341,594;1.一種燈頭模塊,包括 光學(xué)宏反射器，包含有外表面的窗口 ； 發(fā)光二極管(LED)陣列，被放置在該光學(xué)反射器內(nèi)，該陣列有高填充因子和高縱橫比，可操作以便提供高輻照度輸出光束圖形，它在離開該光學(xué)反射器窗口的外表面至少1_的工件表面上具有的峰值輻照度大于25W/cm2 ;和 微通道冷卻器組件，可操作以便在陣列中LED的p-n結(jié)之間維持在小于或等于攝氏80°的溫度的大體上等溫狀態(tài)，該微通道冷卻器組件還為該陣列提供公共陽極基片，其中通過把該陣列安裝于微通道冷卻器組件，使熱高效電連接被形成在該陣列和該公共陽極基片之間。2.權(quán)利要求I的燈頭模塊，其中該陣列被直接安裝于微通道冷卻器組件。3.權(quán)利要求I的燈頭模塊，其中該微通道冷卻器組件在p-n結(jié)之間維持在大體上小于或等于攝氏45°的溫度的大體上等溫狀態(tài)。4.權(quán)利要求I的燈頭模塊，其中該LED被電并聯(lián)。5.權(quán)利要求4的燈頭模塊，其中該LED中的至少之一是發(fā)射紫外光的LED。6.權(quán)利要求5的燈頭模塊，其中該陣列的寬度對長度的縱橫比大體上在約1:2到1:100之間。7.權(quán)利要求6的燈頭模塊，其中該縱橫比大約為1:68。8.權(quán)利要求5的燈頭模塊，其中該峰值輻照度大于或等于lOOW/cm2，而該工件表面離開該光學(xué)反射器窗口的外表面至少2_。9.權(quán)利要求I的燈頭模塊，其中沒有顯著數(shù)量的LED被串聯(lián)。10.權(quán)利要求I的燈頭模塊，其中跨越并在陣列下面通過微通道冷卻器的冷卻劑流，被配置成沿大體上平行于該陣列的最短尺寸的方向。11.權(quán)利要求10的燈頭模塊，其中通過微通道冷卻器的微通道的冷卻劑流是大體上均衡的。12.權(quán)利要求I的燈頭模塊，還包括柔性電路(flex-circuit),被粘接于微通道冷卻器，該柔性電路可操作以便單獨地對LED或LED的組尋址。13.權(quán)利要求I的燈頭模塊，其中該微通道冷卻器被夾緊在一個或多個陰極連接器和一個或多個陽極匯流體之間，以利于工廠可更換性。14.權(quán)利要求I的燈頭模塊，還包括 柔性電路，包含有圖案的陰極層，以便獨立地對陣列的一個或多個LED的多個組尋址； 導(dǎo)熱的燈體，有相對的薄的外壁，并在其中形成深的和長的冷卻劑流通道，與微通道冷卻器液體連通； 集成的LED驅(qū)動器，被安裝于該燈體外壁； 其中該深的和長的冷卻劑流通道的作用是使通過微通道冷卻器的冷卻劑流均衡，并建立充足的表面面積以降低傳熱系數(shù)，維持該集成的LED驅(qū)動器的操作溫度要求；和 其中該燈體的薄外壁，允許該燈頭模塊是窄的，它(i )降低該有圖案的陰極層的長度要求，和(ii)降低冷卻劑流通道中的冷卻劑和該集成的LED驅(qū)動器之間的熱阻。15.權(quán)利要求I的燈頭模塊，還包括 集成的LED驅(qū)動器；導(dǎo)熱的形體；和 其中該集成的LED驅(qū)動器包括多個金屬芯印刷電路板(MCPCB)，被安裝在導(dǎo)熱形體的相對側(cè)，且其中該多個MCPCB是通過該導(dǎo)熱形體被傳導(dǎo)性冷卻的。16.權(quán)利要求I的燈頭模塊，其中該光學(xué)宏反射器是現(xiàn)場可更換的。17.權(quán)利要求I的燈頭模塊，其中該光學(xué)宏反射器包括，各代表橢圓一部分的右邊半個橢圓和左邊半個橢圓，每一橢圓有兩個焦點，其中右邊半個橢圓的兩個焦點有向預(yù)期的輸出光束的中心線左方偏移的對應(yīng)焦點，而左邊半個橢圓的兩個焦點有向該中心線右方偏移的對應(yīng)焦點。18.—種燈頭模塊,包括 高縱橫比單片地粘接的箔微通道冷卻器基片層，有比寬度更大的長度； 高縱橫比發(fā)光裝置陣列層，有比寬度更大的長度，被安裝于該微通道冷卻器基片層，其中該微通道冷卻器基片層對該發(fā)光裝置陣列層起公共陽極作用，該發(fā)光裝置陣列層有高填充因子并包括P-n結(jié)層； 柔性電路層，包含有圖案的陰極電路材料層和薄的介電層，被安裝于該微通道冷卻器基片層，該陰極電路材料層與該微通道冷卻器基片層被該薄的介電層分開，其中陰極電路材料層和薄的介電層按小于發(fā)光裝置陣列層厚度的3x厚度組合；和 光學(xué)反射器層，用于引導(dǎo)被所述發(fā)光裝置陣列層發(fā)射的光子，該光學(xué)反射器層至少是發(fā)光裝置陣列層的厚度的25x，其中該厚度沿大體上垂直于p-n結(jié)層的方向被測量。19.權(quán)利要求18的燈頭模塊,其中該發(fā)光裝置陣列層發(fā)射非相干光。20.權(quán)利要求18的燈頭模塊，其中該發(fā)光裝置陣列層經(jīng)由至少一根導(dǎo)線被連接于陰極電路材料層，該至少一根導(dǎo)線在連接于陰極電路材料層的連線中，終止在位于陰極電路材料層和光學(xué)反射器層的底表面之間的一點上。21.權(quán)利要求20的燈頭模塊，還包括光學(xué)反射器層和陰極電路材料層之間的墊片層，該墊片層的厚度至少是至少一根導(dǎo)線的直徑。22.權(quán)利要求18的燈頭模塊，其中該光學(xué)反射器層包括宏反射器，它有入射孔徑和出射孔徑，該入射孔徑至少如發(fā)光裝置陣列層的寬度加上至少一根導(dǎo)線的2x直徑的總和一樣寬，但不大于3x該總和。23.權(quán)利要求18的燈頭模塊，其中該光學(xué)反射器層有中央截...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：J·S·達(dá)姆，M·瓊吉瓦爾德，G·坎貝爾，
申請(專利權(quán))人：熔合UV系統(tǒng)公司，
類型：
國別省市：