專利名稱：照明模塊及其進氣冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種基于LED (發(fā)光二極管)陣列的照明源，具體的，涉及一種照明模塊，其包括具有冷卻發(fā)熱電子元件的進氣冷卻系統(tǒng)的照明源。
背景技術(shù)：
LED陣列廣泛用作光學檢測系統(tǒng)中的照明源，具有廣泛的商品和應用(電子的、機械的以及其他的)。這樣的LED陣列需要具有卓越的光學和機械特性，例如，高密度和均勻照度，以及與這樣的系統(tǒng)中通常的組件尺寸相匹配的最小機械尺寸。典型的，這些照明源用于電子子組件，例如PCB，的檢測系統(tǒng)中，因此，在這樣的系統(tǒng)中普遍的是，照明源的形狀因子是矩形盒以適合標準檢測單元。這些矩形盒典型地包括安裝壁，在安裝壁上安裝LED陣列，LED陣列垂直于盒的頂部和底部。在傳統(tǒng)檢測組件中提供鏡面配置，以將LED陣列產(chǎn)生的光有角度地瞄準到檢測目標上。
電子系統(tǒng)通常產(chǎn)生熱并需要適當?shù)臒嵩O計來保證設計的系統(tǒng)長壽命地、持續(xù)可靠地工作。由于大部分電輸入功率轉(zhuǎn)化為熱量，熱設計總體需要對整體系統(tǒng)適當?shù)碾?、機械和冶金設計，具體需要對某些子組件適當?shù)碾?、機械和冶金設計。在子組件中，例如，總體如發(fā)熱電子元件陣列，具體的如LED，熱管理和LED陣列的智能光學設計一樣關(guān)鍵，因為他們能增加效率和降低需要的電功率。大功率LED受限于非輻射熱產(chǎn)生過程的轉(zhuǎn)化效率(電的到光的)。因為芯片的結(jié)溫不能超過最大允許值(典型的約為100°C)，為了保證長壽命和高光學效率，產(chǎn)生的熱必須散發(fā)，否則LED將會顯示出退化、波長偏移、輻射通量損失和正向電壓降(Vf)減小。
為了獲得盡可能均勻和有效的照明源，在PCB上安裝的獨立LED互相之間盡可能靠近，進一步加大了 LED產(chǎn)生熱的問題。為了避免損壞LED敏感的p/n結(jié)，整個LED組件需要卓越的熱傳導，以將熱能散發(fā)到周圍環(huán)境，并需要考慮特殊的吸氣冷卻系統(tǒng)設計。
進氣冷卻系統(tǒng)通常執(zhí)行兩個主要過程熱傳遞，在這個過程中由
發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱被傳遞到熱耗散元件(耗散器)，和熱耗散，在這個過程中由耗散器吸收的熱被耗散到周圍環(huán)境或者其他地方。
一種眾所周知的冷卻發(fā)熱元件的方法包括使用散熱器。散熱器是通過熱接觸(直接或者輻射)從其他物體吸收熱并且散熱的耗散器。
散熱器廣泛的使用在需要有效熱耗散的地方； 一些例子包括電子器件，包括LED。
在現(xiàn)有技術(shù)中，已知用于電子元件的散熱器的不同實施方式。具體的，這個領(lǐng)域通常使用翅片散熱器。翅片散熱器是金屬物體，通常包括具有一個或多個平坦表面的基體和梳狀或翅片狀凸起的陣列，該陣列用于增加散熱器和周圍空氣接觸的表面積，因此增加了熱耗散速率。
一個使用散熱器的進氣冷卻系統(tǒng)的例子是被動進氣冷卻系統(tǒng)。在被動進氣系統(tǒng)中，熱傳遞的實現(xiàn)是通過散熱器與電子元件的熱表面直接接觸，以及在大部分情況下，是通過介于金屬物體和熱表面之間的薄熱界面材料。然后通過與周圍空氣接觸的梳狀或翅片狀凸起的散熱器陣列，將熱耗散到周圍環(huán)境中。
另一個具有散熱器的進氣冷卻系統(tǒng)的例子是強制空氣進氣冷卻系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，風扇通過在散熱器上提供增強的氣流而增強散熱器的功能，因此通過快速的替換熱空氣，維持比單獨由被動對流獲得的更大溫度梯度。典型的，強制空氣進氣冷卻系統(tǒng)將來自一個或多個風扇的直接氣流施加到散熱器上。
一個用于冷卻發(fā)光陣列的翅片散熱器的例子，在美國專利
5,936,353中揭示。這個專利描述了用于自動視覺檢測的固態(tài)發(fā)光單
元，包括高密度發(fā)光二極管陣列。二極管陣列的封裝密度受限于發(fā)光
二極管芯片的物理尺寸和在裸露芯片上執(zhí)行管芯和鍵合操作的能力。
每個二極管都設置在電絕緣和熱傳導的基體單元上。相反的，基體單元在具有熱耗散器的熱傳導路徑中。這個進氣冷卻系統(tǒng)是被動系統(tǒng)并經(jīng)受緩慢冷卻過程，因為到周圍環(huán)境的被動熱對流導致相對小的溫度梯度。
一個強制空氣進氣冷卻系統(tǒng)的例子在美國專利申請
2002/0167978中揭示。這個專利申請描述了一種器件支撐組件，包括一對散熱器，置于散熱器的相對側(cè)的一對支撐板，每個支撐板支撐貫穿基體的八個半導體激光器，置于散熱器和支撐板之間的珀耳帖(Peltier)部件，以及用于測量基體溫度的熱敏電阻。該對散熱器具有梳齒形的許多翅片，確定用作空氣入口和空氣出口之間的空氣通道的許多開口。排氣扇置于開口的出口端。
另一個強制空氣系統(tǒng)在專利US6，573,536中描述。這個專利揭示了利用發(fā)射白光的發(fā)光二極管光源。二極管安裝在一個至少具有兩個表面的細長構(gòu)件上，發(fā)光二極管安裝在其表面上。細長構(gòu)件是熱傳導的，并且用來冷卻發(fā)光二極管。在示例實施方式中，細長構(gòu)件是管狀構(gòu)件，并且熱傳遞媒介在其中流動。
不管如何，如上面所描述的，在強制空氣進氣冷卻系統(tǒng)中使用的風扇可能會導致振動，主要是風扇超時離心旋轉(zhuǎn)的結(jié)果。這樣的振動對掃描或其他過程產(chǎn)生明顯的干擾，假定在掃描中有小像素尺寸的要求，典型的小于3微米?；陲L扇的強制空氣進氣冷卻系統(tǒng)也存在另一個不足，其中吹出來的熱空氣可能會到達系統(tǒng)的其他部分，導致不想要的升溫。另外，風扇可能將不希望的灰塵或顆粒吹到系統(tǒng)的其他部分上。從散熱器強制傳遞熱的其他方法，例如使用液體材料(如，水，油等)，是昂貴的。
因此，對于基于數(shù)量密集的LED陣列的照明源而言，為LED配置有效的進氣冷卻系統(tǒng)是長期的需要，這樣由LED產(chǎn)生的熱快速并有效的傳遞到周圍環(huán)境，而沒有現(xiàn)在的熱耗散問題的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種包括照明源，尤其是基于大功率LED陣列的高密度照明源的照明模塊，能夠有效冷卻照明源的發(fā)熱電子元件。大功率、密集數(shù)量的LED陣列照明源產(chǎn)生的大量的熱通過進氣冷卻系統(tǒng)耗散。這個進氣冷卻系統(tǒng)包括功能為熱耗散器的金屬散熱器，發(fā)熱電子元件產(chǎn)生的熱傳遞到散熱器，并且傳遞的熱通過真空進氣從散熱器耗散。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，散熱器包括聯(lián)接到多個冷卻通道的冷卻腔，并優(yōu)選在散熱器的一側(cè)構(gòu)造梳狀或翅片狀凸起的陣列(就像普通的翅片散熱器)。散熱器在一側(cè)具有包含空氣入口的安裝板，并且安裝板適于機械和熱聯(lián)接到發(fā)熱電子元件，在另一側(cè)具有適于連接到真空泵的出口。散熱器還包括蓋，蓋優(yōu)選含有可以放置電纜和/或光纜的通道。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，真空泵進行空氣進氣，在冷卻腔中產(chǎn)生穿過空氣入口和經(jīng)過冷卻通道的氣流，因此導致沿著散熱器翅片側(cè)進入真空泵出口的層流，將來自發(fā)熱電子元件的熱傳遞到周圍環(huán)境。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種冷卻發(fā)熱電子元件(例如照明源中的
LED陣列)的方法，該方法包括將發(fā)熱電子元件聯(lián)接到散熱器上用于熱傳遞接合，并且產(chǎn)生真空來提供沿著發(fā)熱電子元件穿過散熱器的進入流體。


通過下面結(jié)合附圖的細節(jié)描述，本發(fā)明將會得到進一步的理解和認識，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式來構(gòu)造和工作的示例性線性LED陣列組件的示圖2a是根據(jù)本發(fā)明的又一實施方式來構(gòu)造和工作的照明模塊的軸測示圖2b是圖2a中照明模塊的進氣冷卻系統(tǒng)的示圖，而沒有蓋；圖2c是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式來構(gòu)造和工作的、圖2b中進氣冷卻系統(tǒng)的頂蓋的示圖3是穿過圖2a中照明模塊的氣流的示意圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的照明模塊的軸測示圖5a是根據(jù)本發(fā)明的進一步實施方式的含有多個發(fā)熱電子元件的照明模塊的軸測示圖5b是圖5a中照明模塊的背視示意圖，根據(jù)本發(fā)明不同的實施方式；
圖5c和圖5d是根據(jù)本發(fā)明不同的實施方式的冷卻腔示意視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及一種高密度照明模塊，其基于密集數(shù)量大功率LED和用于陣列的進氣冷卻系統(tǒng)，具體的，大功率LED的高密度陣列用作檢測電子子組件系統(tǒng)中的照明源。LED陣列組裝在允許高密度LED的PCB上，進氣冷卻系統(tǒng)使得LED能夠高效工作。這一點通過使用包括金屬散熱器的進氣冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)，金屬散熱器的功能是熱耗散器，發(fā)熱電子元件產(chǎn)生的熱通過熱傳導傳遞到金屬散熱器，并且傳遞的熱通過真空進氣(vacuum suction)從金屬散熱器耗散到周圍環(huán)境。
參考圖1,示出照明源100，作為線性LED陣列的示例。照明源100包括安裝在印刷電路板(PCB) 120上的多個LED110。 LED110典型的是SMT(表面安裝技術(shù))器件，SMT器件相互間盡可能靠近地放置，并連接到PCB120的第一側(cè)。PCB120的第二側(cè)(與第一側(cè)相反)適于安裝到進氣冷卻系統(tǒng)上(未圖示)。
參考圖2a和2b，分別以透視和開放視圖示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的具有進氣冷卻系統(tǒng)11的照明模塊10。進氣冷卻系統(tǒng)利用進氣來冷卻。照明模塊IO包括圖1的照明源100，照明源100為了熱傳遞接合安裝到圖2b的進氣冷卻系統(tǒng)11上。照明源100優(yōu)選使用高熱導膠或其他非常薄的、同類的粘附層來安裝到進氣冷卻系統(tǒng)11上，以達到最佳熱導，并且由此達到最高的LED性能。
進氣冷卻系統(tǒng)11包括散熱器12。散熱器12含有至少一個，優(yōu)選為多個通向冷卻腔14的冷卻通道16，參見圖2b。安裝壁18形成散熱器12的一側(cè)，并且安裝壁18適于和照明源100機械耦合和熱接合。安裝壁18在LED110周圍確定了多個通向冷卻通道16的空氣入口(在圖3中標為20)?？諝馊肟诳梢杂酶鞣N方式排列，他們可以形成一排或兩排，可以形成陣列，可以圍繞一個或多個的LED，可以互相之間均勻間隔分開，可以互相之間不均勻間隔分開，等等。
冷卻腔14包括適于連接到真空泵24的出口 22。應當認識到，如 果在主系統(tǒng)中已有執(zhí)行其他功能的真空源，沒有必要為進氣冷卻系統(tǒng) 提供專用真空泵?？蛇x地，可以利用另一種產(chǎn)生真空的器件，而不一 定是泵。
優(yōu)選的，PCB120具有特殊的構(gòu)造，并且連接到極其有效的進氣 冷卻系統(tǒng)，從而與傳統(tǒng)PCB相比，允許大量的LED彼此更接近地設 置。這樣的PCB優(yōu)選包括金屬(例如，銅)背側(cè)和前側(cè)，在背側(cè)和前 側(cè)之間具有導熱電介質(zhì)4七合物(thermally conducting dielectric compound)層。使用高導熱膠或其他材料將陣列的金屬背側(cè)聯(lián)接到進 氣冷卻系統(tǒng)的安裝板，安裝板也包括圍繞LED陣列的空氣入口。
這樣的構(gòu)造產(chǎn)生了非常有效的熱傳導PCB，在其第一側(cè)具有聯(lián)接 到SMT LED陣列的金屬層，在其第二側(cè)上的金屬層安裝在進氣冷卻 系統(tǒng)的安裝壁上。至少一些LED110在工作期間，熱穿過PCB120傳 導地傳遞到進氣冷卻系統(tǒng)的安裝壁比通過常規(guī)的PCB更有效。
進氣冷卻系統(tǒng)11也包括頂蓋和底蓋25、 26，它們安裝在凹肩27 中以封閉腔14和冷卻通道16。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，如圖2c 所示， 一個蓋26限定一個或多個通道28，以接收連接到安裝壁18上 的電子元件的電纜和/或光纜。
根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，散熱器12由鋁制成，并且構(gòu)造成其 一側(cè)上具有翅片結(jié)構(gòu)30?；蛘?，根據(jù)本發(fā)明的不同實施方式，具有或 不具有翅片結(jié)構(gòu)的其他設計，在任何需要的位置、或者其他材料也可 以使用。
具有進氣冷卻系統(tǒng)11的照明源100的工作如下，參考附圖3，示 例了穿過照明模塊10的氣流。根據(jù)本發(fā)明這里的描述并參考氣流，應 當認識到任意其它適合的氣體或液體，可選擇的，都可以用來冷卻散 熱器。
真空泵24提供了圍繞需要冷卻的電子元件穿過空氣入口 20的冷 卻空氣的進氣。在這個優(yōu)選實施方式中，氣流通過冷卻通道16進入冷 卻腔14。進氣制造的氣流層，穿過冷卻通道16、穿過冷卻腔14并進入朝向真空泵24的出口 22，因此將PCB120上LED陣列110產(chǎn)生的
熱傳遞到周圍環(huán)境或真空泵之外的其它位置。這樣的氣流在整個腔內(nèi) 形成了類似的溫度梯度和非常有效的熱耗散。真空泵24抽吸的程度控 制著穿過冷卻通道和冷卻腔的氣流速率，因此控制著照明模塊10的熱 耗散，并且，因此也是傳遞到周圍環(huán)境中的熱耗散。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應當清楚，真空冷卻能夠控制氣流方向和速率。 此外，通過使用基于真空的進氣冷卻系統(tǒng)，可以很大程度的避免所掃 描物體上的機械振動(例如由風扇引起的)和顆粒(即，灰塵)。
應當認識到，上文描述的例子中，將具有大功率LED的高密度陣 列用作檢測電子子組件系統(tǒng)中的照明源，安裝壁18基本垂直于蓋25 和26。這使得能在常規(guī)檢測組件中使用。
圖4示意了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式的照明模塊40。在這個 實施方式中，照明PCB陣列42安裝在散熱器44的傾斜安裝壁48上， 從而使得照明系統(tǒng)有角度地射出光。照明模塊40的這種斜角構(gòu)造具有 很大的優(yōu)勢，由于其通過排除其他系統(tǒng)需要利用的鏡面而簡化檢測系 統(tǒng)。這也避免了使用鏡面時可能發(fā)生的光學損失。
本發(fā)明也可以應用到含有多個LED陣列的系統(tǒng)，其中陣列可以安 裝到散熱器的不同側(cè)面上。在圖5a和圖5b中示出了這種含有具有進 氣冷卻系統(tǒng)的多個大功率LED陣列的照明模塊的例子。圖5a示意了 的進氣冷卻系統(tǒng)200，含有散熱器202、安裝在散熱器202的側(cè)面上的 多個LED陣列204、以及適于連接到真空泵(未圖示)的出口 206。 散熱器202含有多個通向(可選的經(jīng)由未圖示的冷卻腔)出口 206的 冷卻通道203，出口 206適于連接到真空泵(未圖示)。真空泵提供圍 繞需要冷卻的LED205穿過多個空氣入口 208的冷卻氣體的進氣。在 這個優(yōu)選實施方式中，氣流經(jīng)由冷卻通道203進入朝向真空泵的出口 206，因此將來自LED陣列204的熱傳遞到周圍環(huán)境或者其他真空泵 之外的位置。圖5C和5D示意了限定通向出口 206的冷卻通道203的 冷卻腔201和202。
適宜地，提供了一種方法。該方法包括開啟照明模塊的發(fā)光二極 管(LED)陣列；其中LED陣列安裝在與其聯(lián)接的印刷電路板(PCB)上，其中PCB以熱傳遞接合方式聯(lián)接到散熱器上；以及產(chǎn)生真空以提 供圍繞LED陣列并穿過散熱器的進氣。這個方法可以包括產(chǎn)生真空以 提供穿過散熱器的多個冷卻通道的進氣。
這個方法可以應用于任意一個上面提到的照明模塊。
應當認識到，這里所描述的安裝在進氣冷卻系統(tǒng)上的LED陣列， 相對于沒有冷卻的LED陣列達到的照明功率，將以實質(zhì)性倍數(shù)(約一 個數(shù)量級)增強照明功率。
應當進一步認識到，本發(fā)明上面所描述的關(guān)于LED照明源，所描 述的進氣冷卻系統(tǒng)也可以用來冷卻其他發(fā)熱電子元件或陣列。
雖然通過幾個有限的實施方式描述了本發(fā)明，應當認識到還可以 實施本發(fā)明的多種變形、改進和其他應用。應當進一步認識到，本發(fā) 明不僅僅局限于上面所描述的例子的方式。而是，本發(fā)明僅通過所附 權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1、一種照明模塊包括安裝到印刷電路板上的發(fā)光二極管陣列；以及聯(lián)接到印刷電路板的進氣冷卻系統(tǒng)，其中，進氣冷卻系統(tǒng)配置成冷卻發(fā)光二極管陣列。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明模塊，其特征在于，進氣冷卻系統(tǒng) 包括聯(lián)接到印刷電路板的散熱器；和用于提供穿過散熱器的進氣的 真空源。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的照明模塊，其特征在于，散熱器包括冷 卻通道以及進入冷卻通道的至少一個入口。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的照明模塊，其特征在于，進一步包括封 閉冷卻通道的可移除蓋。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的照朋模塊，其特征在于，可移除蓋包括 用于電纜和/或光纜的通道。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光塊，其特征在于，散熱器包括通向 一冷卻腔的多個冷卻通道，所述冷卻腔具有聯(lián)接到真空源的出口，每 個冷卻通道都具有入口。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的照明模塊，其特征在于，散熱器進一步 包括含有所述至少一個入口的安裝壁，其中安裝壁提供與發(fā)光二極管 陣列的機械聯(lián)接和熱接合。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明模塊，其特征在于，安裝壁是傾斜的。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的照明模塊，其特征在于，印刷電路板包 括金屬背側(cè)和前側(cè)，背側(cè)和前側(cè)之間具有導熱電介質(zhì)化合物。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明模塊，其特征在于，包括多個發(fā) 光二極管陣列，每個發(fā)光二極管陣列都安裝在印刷電路板上，其中， 為了熱傳遞每個印刷電路板都聯(lián)接到進氣冷卻系統(tǒng)。
11、 一種冷卻照明模塊的方法，該方法包括開啟照明模塊的發(fā) 光二極管陣列；其中，發(fā)光二極管陣列安裝在與發(fā)光二極管陣列聯(lián)接 的印刷電路板上，其中，印刷電路板以熱傳遞接合方式聯(lián)接到散熱器上；以及產(chǎn)生真空以提供圍繞發(fā)光二極管陣列并穿過散熱器的進氣。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，包括產(chǎn)生真空以提供穿過散熱器的多個冷卻通道的進氣。
13、 一種用于冷卻發(fā)熱電子元件的進氣冷卻系統(tǒng)，所述進氣冷卻 系統(tǒng)包括散熱器，散熱器包括用于將發(fā)熱電子元件與散熱器以熱傳遞接合方式安裝在一起的安裝壁；以及真空源，真空源提供穿過安裝 壁和穿過散熱器的進氣。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的進氣冷卻系統(tǒng)，其特征在于，散熱器 包括通向冷卻腔的至少一個冷卻通道，所述至少一個冷卻腔具有聯(lián)接 到真空源的出口，每個冷卻通道都具有入口。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的進氣冷卻系統(tǒng)，其特征在于，散熱器 包括通向冷卻腔的多個冷卻通道。
16、 一種冷卻發(fā)熱電子元件的方法，該方法包括將發(fā)熱電子元 件與散熱器以熱傳遞接合方式安裝；以及產(chǎn)生真空來提供穿過散熱器 的進氣。
全文摘要
一種照明模塊包括，安裝在印刷電路板上的發(fā)光二極管陣列以及聯(lián)接到印刷電路板上以冷卻發(fā)光二極管陣列的進氣冷卻系統(tǒng)。
文檔編號F21V29/02GK101598321SQ200910130770
公開日2009年12月9日 申請日期2009年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者D·澤維, Y·凱爾比什 申請人:康代有限公司