用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯制造技术

本公开提供一种用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯，包括：热沉基板，用于为发光器件散热，包括：开放式通道；亲水涂层，该亲水涂层表面生成有极性分子基团；以及连接层。本公开提供的用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯通过设置亲水涂层以及亲水涂层表面的极性分子基团，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道表面的润湿特性，大大增加开放式通道内的毛细压力梯度，使得在超高热流密度下热沉能够及时补液，持续发生高强度复合相变换热，并通过连接层将发光器件与热沉基板形成一体式结构，消除了发光器件与热沉基板之间的界面热阻，进一步提高热沉的取热能力，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性。

【技术实现步骤摘要】
用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯
本公开涉及相变换热
，尤其涉及一种用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯。
技术介绍
伴随着大功率LED光源微型化、集成化的发展趋势，LED光源的功率密度越来越高。例如，传统阵列LED灯珠光源的功率密度约为10W/cm2，采用荧光粉的COB集成LED单光源功率密度为20～50W/cm2，而目前最先进的采用块体荧光转换材料的COB集成LED单光源功率密度已达50～500W/cm2，由于LED芯片在工作时约有70％的电能会转化成热量，功率密度的不断提高会导致LED光源发热热流密度显著增大。可定义20～150W/cm2为高热流密度；当热流密度超过150W/cm2，已经超过常规尺寸表面发生池沸腾相变换热的临界热流密度，可定义为超高热流密度。若大功率LED光源工作时产生的高发热量不能被有效散去，将会导致LED芯片结温升高，导致光谱变化、光效降低、寿命缩短。因此，散热是大功率LED灯具应用必须解决的关键问题。现有技术中利用微槽群复合相变散热器，在其取热热沉上构建尺寸在几十到几百微米的开放式微细通道阵列结构，其形成的毛细压力梯度可以驱动液体工质流动，并在通道内三相接触线区域促进扩展弯月面蒸发薄液膜的形成，在高热负荷条件下，会发生薄液膜蒸发和厚液膜区域内核态沸腾的复合相变换热，是一种典型的高性能被动式微尺度相变换热技术，能够被用来实现低热阻和小温差条件下的高换热系数和高热流密度的换热过程，目前的取热热流密度可达400W/cm2，是目前唯一可能适用于超高热流密度下LED灯具高效散热的被动式技术。然而在实现本公开的过程中，本申请人发现，在超高热流密度条件下，随着热流密度的进一步升高，热沉的开放式微细通道阵列内的液体工质将变得极容易干涸，一旦液池内的液体工质没有及时补充到干涸处，则无法继续形成薄液膜和厚液膜区域，也就无法发生高强度的薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的复合相变换热，热沉的散热性能和可靠性大幅下降，限制了超高热流密度条件下微槽群复合相变散热器换热性能的进一步提高。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题基于上述技术问题，本公开提供一种用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯，以缓解现有技术中的LED灯中的热沉中开放式通道内的散热工质在超高热流密度条件下极容易干涸，无法及时补充到干涸处，从而无法发生高强度的薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的复合相变换热，限制了超高热流密度条件下散热器换热性能的进一步提高的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供一种用于超高热流密度下的光热集成器件，包括：热沉基板，其为发光器件散热，包括：开放式通道，设置在所述热沉基板的任一板面上，利用毛细现象驱动散热工质沿所述开放式通道流动；以及亲水涂层，设置在所述开放式通道的表面，该亲水涂层表面生成有极性分子基团，所述亲水涂层和所述极性分子基团提高所述开放式通道的补液能力；以及连接层，设置在所述开放式通道所在板面的背面，其连接热沉基板与所述发光器件。在本公开的一些实施例中，所述开放式通道所在板面的背面设置有凹槽，所述连接层通过所述凹槽嵌入所述热沉基板中。在本公开的一些实施例中，所述开放式通道包括N条，N条所述开放式通道并列设置；其中N≥10。在本公开的一些实施例中，所述开放式通道的排列密度不小于5条/cm。在本公开的一些实施例中，其中：所述开放式通道的宽度介于20μm至5000μm之间；所述开放式通道的深度介于20μm至5000μm之间；两相邻所述开放式通道的间距介于20μm至5000μm之间；所述亲水涂层的厚度介于20nm至50μm之间；所述连接层的厚度介于1μm至1400μm之间。在本公开的一些实施例中，所述开放式通道的横截面为矩形、梯形、三角形、圆弧形或不规则图形。在本公开的一些实施例中，其中：所述亲水涂层包含：多孔氧化铝、多孔氧化铌、氧化锌钠、氧化钛、氧化锌、氧化锡、五氧化二钒、氧化铜、氧化亚铜、氢氧化铜中的至少一种；所述极性分子基团包含：羧酸基、磺酸基、磷酸基、氨基、季铵基、羟基、羧酸酯、嵌段聚醚中的至少一种；所述连接层包含：锡基焊料；所述热沉基板包含：金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物中的至少一种；其中所述热沉基板的导热系数不小于20W/m·K。在本公开的一些实施例中，其中：所述连接层通过物理气相沉积、化学气相沉积或电镀的方法在所述热沉基板的表面生成；或所述连接层通过金属助焊层与所述热沉基板的表面连接；其中，所述金属助焊层包含：金、银、镍、铅、有机保焊剂中的至少一种。根据本公开的另一个方面，还提供一种散热器，包括：中空散热腔体，用于盛放散热工质，其任一壁面上设置有连接开口；以及本公开提供的用于超高热流密度下的光热集成器件，嵌合在所述连接开口中，且所述开放式通道朝向所述中空散热腔体内侧，利用所述散热工质的复合相变取走所述发光器件的热量，并耗散至环境中。在本公开的一些实施例中，所述中空散热腔体的外侧设置有M个散热翅片，M个所述散热翅片沿所述中空散热腔体外壁的周向排列；其中M≥1。在本公开的一些实施例中，所述散热翅片的表面设置有波纹，其扩大所述散热翅片的对流散热面积。在本公开的一些实施例中，其中：所述中空散热腔体包括：开口，设置在所述中空散热腔体的壁面上，其向所述中空散热腔体内装入所述散热工质，和改变所述中空散热腔体内的真空度；以及密封件，与所述开口匹配设置，其密封所述中空散热腔体；所述散热工质包含：蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。在本公开的一些实施例中，所述中空散热腔体包含：金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物中的至少一种，其中所述中空散热腔体的导热系数不小于20W/m·K。根据本公开的再一个方面，还提供一种LED灯，包括：本公开提供的散热器，其为所述LED光源散热；以及LED光源，与所述连接层连接。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的用于超高热流密度下的光热集成器件、散热器及LED灯具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)通过设置亲水涂层以及亲水涂层表面的极性分子基团，两者的协同强化效应能大幅改善开放式通道表面的润湿特性，大大增加开放式通道内的毛细压力梯度，使得在超高热流密度下热沉具有及时补液能力，一旦局部热点出现干涸区域，在大毛细压力梯度的驱动下，散热工质迅速补充到干涸区，再次润湿开放式通道的表面，持续发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度复合相变强化换热过程，保证了超高热流密度下热沉的高换热性能及高可靠性；(2)通过连接层将发光器件与热沉基板形成一体式结构，消除了发光器件与热沉基板之间的界面热阻，进一步提高了热沉的取热能力；(3)通过设置凹槽，将连接层和发光器件沉入热沉基板内，使得连接层和发光器件固定更牢固；(4)多条开放式通道并排设置，并且开放式通道的宽度、深度以及间距均介于20μm至5000μm之间，不仅增加了换热面积，更重要的是开放式通道的界面效应和尺寸效应会对散热工质的流动和相变换热性能产生超常的强化作用，使其表面发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度复合相变强化换热过程，其理论最大取热热流密度可达到104W/cm2的数量级，相变换热系数达到106W/(m2·℃)的数量级，取热能力远大于具有常规尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于超高热流密度下的光热集成器件，其特征在于，包括：热沉基板，其为发光器件散热，包括：开放式通道，设置在所述热沉基板的任一板面上，利用毛细现象驱动散热工质沿所述开放式通道流动；以及亲水涂层，设置在所述开放式通道的表面，该亲水涂层表面生成有极性分子基团，所述亲水涂层和所述极性分子基团提高所述开放式通道的补液能力；以及连接层，设置在所述开放式通道所在板面的背面，其连接热沉基板与所述发光器件。

【技术特征摘要】
1.一种用于超高热流密度下的光热集成器件，其特征在于，包括：热沉基板，其为发光器件散热，包括：开放式通道，设置在所述热沉基板的任一板面上，利用毛细现象驱动散热工质沿所述开放式通道流动；以及亲水涂层，设置在所述开放式通道的表面，该亲水涂层表面生成有极性分子基团，所述亲水涂层和所述极性分子基团提高所述开放式通道的补液能力；以及连接层，设置在所述开放式通道所在板面的背面，其连接热沉基板与所述发光器件。2.根据权利要求1所述的用于超高热流密度下的光热集成器件，其特征在于，所述开放式通道所在板面的背面设置有凹槽，所述连接层通过所述凹槽嵌入所述热沉基板中。3.根据权利要求1所述的用于超高热流密度下的光热集成器件，其特征在于，所述开放式通道包括N条，N条所述开放式通道并列设置；其中N≥10。4.根据权利要求3所述的用于超高热流密度下的光热集成器件，其特征在于，所述开放式通道的排列密度不小于5条/cm。5.根据权利要求4所述的用于超高热流密度下的光热集成器件，其特征在于，其中：所述开放式通道的宽度介于20μm至5000μm之间；所述开放式通道的深度介于20μm至5000μm之间；两相邻所述开放式通道的间距介于20μm至5000μm之间；所述亲水涂层的厚度介于20nm至50μm之间；所述连接层的厚度介于1μm至1400μm之间。6.根据权利要求1所述的用于超高热流密度下的光热集成器件，其特征在于，所述开放式通道的横截面为矩形、梯形、三角形、圆弧形或不规则图形。7.根据权利要求1所述的用于超高热流密度下的光热集成器件，其特征在于，其中：所述亲水涂层包含：多孔氧化铝、多孔氧化铌、氧化锌钠、氧化钛、氧化锌、氧化锡、五氧化二钒、氧化铜、氧化亚铜、氢氧化铜中的至少一种；所述极性分子基团包含：羧酸基、磺酸基、磷酸基、氨基、季铵基、羟基、羧酸酯、嵌段聚醚中的至少一种；所述连接层包含：锡基焊料；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡学功，周文斌，付万琴，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：新型
国别省市：北京,11