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微通道冷却的高热负荷发光器件

阅读：239发布：2020-05-14

专利汇可以提供微通道冷却的高热负荷发光器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供了一种微通道冷却的UV 固化系统及其部件。根据一个实施例，灯头模块包括高纵横比，高填充因数的发光器件阵列和基座。阵列包括电并联连接的多组电串联发光器件。基座是一体构造的，包括多个成形图样电路材料层。L形图样电路材料层中的每个包括臂部分和杆部分。臂部分充当发光器件接合盘，杆部分充当引线接合盘和电路迹线。一组的每个发光器件都固定到基座的对应臂部分。杆部分位于阵列外部，与阵列长度平行延伸并执行主要电流传输功能，使电流在组的相邻发光器件之间流动。，下面是微通道冷却的高热负荷发光器件专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种灯头模块，包括：
发光器件阵列，所述阵列具有高纵横比，其中所述阵列的长度大于所述阵列的宽度，其中所述发光器件是密集分布的以生成高填充因数，且包括多组电串联发光器件，其中所述多组电串联发光器件以电并联形式连接；
一体构造的基座，其包括多个L形图样电路材料层，其中所述多个L形图样电路材料层中的每个包括臂部分和杆部分，其中所述臂部分充当发光器件接合盘，且所述杆部分即充当引线接合盘又充当电路迹线；
其中所述多组电串联发光器件中的一组电串联发光器件的每个发光器件都被固定到所述基座的对应臂部分；并且
其中所述多个杆部分实质上位于由所述阵列的所述长度和所述宽度界定的区域外部，所述多个杆部分实质上平行于所述阵列的所述长度来延伸，并共同执行主要电流传输功能，使电流在所述一组电串联发光器件的相邻发光器件之间流动。
2.根据权利要求1所述的灯头模块，其中在所述基座上以联锁布置构图所述多个L形图样电路材料层，其中所述多个L形图样电路材料层的相邻L形图样电路材料层的所述杆部分位于所述阵列的相对侧并且实质上彼此平行延伸。
3.根据权利要求1所述的灯头模块，其中所述多个臂部分中的每个都并入了焊料阻挡，所述焊料阻挡防止焊料扩展到所述引线接合盘和所述电路迹线上，所述焊料旨在将所述一组电串联发光器件的发光器件固定到所述发光器件接合盘。
4.根据权利要求1所述的灯头模块，还包括：
包括阳极层和阴极层的多层柔性电路，在所述多层柔性电路中形成有矩形孔，所述基座和所述阵列位于所述矩形孔中；
其中所述多层柔性电路的所述阳极层电耦接到与所述一组电串联发光器件的第一个发光器件相关联的发光器件接合盘；并且
其中所述多层柔性电路的所述阴极层电耦接到与所述一组电串联发光器件的最后一个发光器件相关联的电路迹线。
5.根据权利要求1所述的灯头模块，还包括具有散热顶表面的微通道冷却器，其中通过聚合物胶粘剂或金属焊料将所述基座固定到所述散热顶表面。
6.根据权利要求1所述的灯头模块，其中所述高填充因数是大于70％的，所述高填充因数是通过将由所述阵列的所述长度和所述宽度界定的总面积除以所述阵列的发光表面面积乘以100而测量的。
7.根据权利要求1所述的灯头模块，其中所述发光表面面积的光输出功率密度大于每平方毫米1瓦特。
8.根据权利要求1所述的灯头模块，还包括一体构造的第二基座，其中所述多组电串联发光器件中的第二组电串联发光器件通过所述第二基座以电串联形式电连接，且其中所述基座和所述第二基座以电并联形式连接。
9.根据权利要求1所述的灯头模块，其中至少一个所述发光器件是发射紫外线的发光器件。
10.根据权利要求1所述的灯头模块，其中至少一个所述发光器件在所述紫外线光谱之外的区域发射。
11.根据权利要求1所述的灯头模块，其中两个或更多个所述发光器件在不同波长处发射。
12.一种灯头模块，包括：
发光器件阵列，所述阵列具有高纵横比，其中所述阵列的长度大于所述阵列的宽度；以及
光学宏观反射体对，其引导由所述阵列发射的光子，所述光学宏观反射体对被配置成在工件表面上产生具有礼帽式轮廓的光束图样。
13.根据权利要求12所述的灯头模块，其中所述光学宏观反射体对形成进口孔和离开孔，其中所述进口孔位于接近所述阵列的发光表面，其中所述离开孔位于所述光学宏观反射体对的远端，且其中所述进口孔的面积是所述发光表面面积的101％。
14.根据权利要求12所述的灯头模块，其中所述光学宏观反射体对形成进口孔和离开孔，其中所述进口孔位于接近所述阵列的发光表面，其中所述离开孔位于所述光学宏观反射体对的远端，且其中所述进口孔的面积是所述发光表面面积的110％。
15.根据权利要求12所述的灯头模块，其中所述进口孔位于所述发光表面上方，且距所述发光表面0到25微米之内。
16.根据权利要求12所述的灯头模块，其中所述离开孔到所述工件表面的距离大约是所述进口孔和所述离开孔之间距离的.01到3倍。
17.根据权利要求12所述的灯头模块，其中所述光学宏观反射体对中的每个光学宏观反射体都具有内表面，所述内表面的形状密切近似多个椭圆形轮廓。
18.根据权利要求12所述的灯头模块，其中所述礼帽式轮廓是不对称的。
19.根据权利要求12所述的灯头模块，其中所述发光器件以串联/并联配置电耦接。
20.根据权利要求12所述的灯头模块，其中所述发光器件是密集分布的，以生成大于
70％的填充因数，所述填充因数是通过将由所述阵列的所述长度和所述宽度界定的总面积除以所述阵列的发光表面面积乘以100而测量的。
21.根据权利要求12所述的灯头模块，其中至少一个所述发光器件是发射紫外线的发光器件。
22.一种灯头模块，包括：
电源，其具有阳极输出连接和阴极输出连接；
发光器件阵列，其具有发光表面，所述阵列具有高亮度和高纵横比；
基座，其被配置成将所述阵列的多个发光器件以电串联形式电耦接，所述基座包括多个发光器件接合盘区域和多个引线接合区域；
灯体；
柔性电路，其被安装到所述灯体，所述柔性电路就其长度和高度而言具有高纵横比，在所述柔性电路中形成有安装所述基座的定位孔，且所述柔性电路包括相反电极性的导电图样层，所述导电图样层包括阳极层和阴极层；
其中所述柔性电路的第一端暴露所述阳极层的第一部分以形成与所述电源的所述阳极输出连接的电连接，并且暴露所述阴极层的第一部分以形成与所述电源的所述阴极输出连接的电连接；
其中所述柔性电路的第二端暴露所述阳极层的第二部分，所述阳极层的第二部分电耦接到所述基座的多个发光器件接合盘区域中与所述多个发光器件的第一个相关联的发光器件接合盘区域；并且
其中所述柔性电路的所述第二端暴露所述阴极层的第二部分，所述阴极层的第二部分电耦接到所述多个引线接合区域中与所述多个发光器件的最后一个相关联的引线接合区域的阴极部分。
23.根据权利要求22所述的灯头模块，其中所述高纵横比介于大约100：1到200：1之间。
24.根据权利要求23所述的灯头模块，其中所述高纵横比大约为150：1。
25.根据权利要求22所述的灯头模块，其中所述柔性电路包裹所述灯体，使得所述柔性电路的所述第一端实质上位于垂直于包含所述阵列的所述发光表面的平面的平面中，且其中所述柔性电路的所述第二端实质上位于平行于所述阵列的所述发光表面的平面中。
26.根据权利要求22所述的灯头模块，还包括具有顶表面的微通道冷却器组件，所述基座和所述柔性电路的所述第二端被接合到所述顶表面。
27.根据权利要求22所述的灯头模块，还包括固定到所述柔性电路的光学宏观反射体对，所述光学宏观反射体对引导由所述阵列发射的光子。
28.根据权利要求22所述的灯头模块，其中至少一个所述发光器件是发射紫外线的发光器件。
29.一种灯头模块，包括：
发光器件阵列，所述阵列具有高纵横比，其中所述阵列的长度大于所述阵列的宽度，其中所述发光器件是密集分布的以生成高填充因数，且包括多组电串联发光器件，其中所述多组电串联发光器件以电并联形式连接；以及
灯体，其具有入口冷却剂流通道和出口冷却剂流通道，其中所述入口冷却剂流通道和所述出口冷却剂流通道由分离器分开，所述分离器的厚度实质上类似于所述阵列的所述宽度。
30.根据权利要求29所述的灯头模块，其中所述厚度处于所述阵列的所述宽度的大约
10％之内。

说明书全文

微通道冷却的高热负荷发光器件

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请是2011年1月26日提交的美国专利申请No.13/014069的部分延续，其要求享有2010年1月27日提交的美国临时专利申请No.61/336979、2010年4月1日提交的美国临时专利申请No.61/341594、以及2010年11月5日提交的美国临时专利申请No.61/456426的优先权权益，出于所有目的通过引用将所有这些申请的全文并入本文。

技术领域

[0005] 本发明的实施例总体上涉及微通道冷却的发光二极管(LED)。具体而言，本发明的实施例涉及高功率密度、高填充系数、微通道冷却的紫外线(UV)LED灯头模块，该紫外线(UV)LED灯头模块提供了高亮度、高辐照度和高能量密度。

背景技术

[0006] 现今的UV LED效率仍然较低(典型地，在高电流密度下工作时，工作在大约20％的效率下)。这些效率低的问题导致产生大量废热，因此至少需要空气冷却，且常常需要液体冷却(例如，热交换器和/或冷却器)以去除不期望有的废热，该废热是半导体器件p-n结之内电光转换过程的副产品。如果不以非常有效且有效率的方式去除热量，LED器件可能会损失效率，减小光输出，甚至发生灾难性故障。

[0007] 当前在多种固化应用(curing application)中使用液体冷却的UV LED灯(或光引擎(light engine))；不过，现有的系统具有几个局限性。例如，尽管行业文献确认了对于高亮度/高辐照度的阵列的需求，但当前可用的UV LED灯仅提供了欠最优性能。

[0008] 图1A和1B中示出了现有技术UV LED阵列的具体示例。在本示例中(本示例取自美国公开No.2010/0052002(下文称为“Owen”))，描述了一种宣称的“密集”LED阵列100，用于声称需要“高光功率密度”的应用。阵列100是通过在衬底152之内形成微反射体154并在每个微反射体154之内安装LED 156来构造的。LED 156通过通往衬底152上的引线接合盘的引线线路158来电连接到电源(未示出)。微反射体154均包括反射层162，以反射由关联的LED 156产生的光。值得注意的是，尽管被表征为“密集”LED阵列，但LED阵列100实际上是填充因数很低、亮度低、热通量低的阵列，在其中独立LED 156间隔相当一段距离，其中心到中心的间距大约为800微米。在最好的情况下，LED似乎只占据LED阵列100的表面面积的大约10到20％之间，且肯定低于50％。这样低填充因数的LED阵列可能会生成不均匀的辐照图样，该不均匀的辐照图样可能导致不均匀的固化和视觉上可察觉的异常，例如混叠和像素化。此外，由于其角范围低，微反射体154不能捕获和控制大量的光。
因此，阵列100产生低辐照度光束，该低辐照度光束随着距反射体154的距离而迅速失去辐照度。还要指出的是，即使是优化配置的反射体也不会补偿LED阵列100的低亮度，因为入射到工件上的最终投射光束绝不会比光源(在这种情况下为LED阵列100)还亮。这是由众所周知的亮度守恒定理所决定的。而且，由于宏观反射体的尺寸以及为每个独立LED156来配备反射体的明显需要，Owen提供了使用宏观反射器的反向教导。

[0009] 除了上述限制之外，现有技术的冷却设计中所采用的较大通道的液体冷却技术不能以以下的方式从LED去除废热：在每平方毫米的电流超过大约1.5安培时，有效地保持结温度充分低。

[0010] 氧抑制是环境氧以可与紫外光诱发的化学交联相当的速率与被固化的材料发生反应和与光引发剂(PhI)的交互作用之间的竞争。已知更高的辐照度会更迅速地生成彻底的固化，且已知更高的辐照度至少部分地解决了氧抑制问题。现在认为超高辐照度可能会在特定的工艺配置中克服氧抑制问题，可能甚至都不需要氮覆盖气体。不过，为了产生超高辐照度以克服氧抑制，无法利用当前采用的UV LED阵列构架和UV LED阵列冷却技术来简单地实现在工作于极高电流密度的这种高填充因数LED阵列环境中保持结温度充分低所需的热通量移除速率。

发明内容

[0011] 描述了微通道冷却的UV固化系统及其部件，其被配置为用于材料的光化学固化和其他高亮度应用。根据一个实施例，一种灯头模块具备发光器件(LED)的阵列和基座。该阵列具有高的纵横比，其中阵列的长度大于阵列的宽度。密集分布LED以生成高填充因数。阵列包括电并联连接的的多组电串联(electrically seriesed)的LED。基座是一体(monolithic)构造的，且包括多个L形图样的电路材料层。L形图样电路材料层的每个包括臂部分和杆部分。臂部分充当LED接合盘(bond pad)，而杆部分则既充当引线接合盘(wire bond pad)又充当电路迹线。一组电串联LED的每个LED都固定到基座的对应臂部分。杆部分实质上位于由所述阵列的长度和宽度界定的区域之外，实质上平行于所述阵列的长度延伸，并共同执行主要电流传输功能，使电流在一组电串联LED的相邻LED之间流动。

[0012] 在另一实施例中，一种灯头模块包括发光器件(LED)的阵列和光学宏观反射体对。该阵列具有高纵横比，其中阵列的长度大于阵列的宽度。该光学宏观反射体对引导由阵列发射的光子，并在工件表面上产生具有礼帽式(top hat)轮廓的光束图样。

[0013] 在又一实施例中，一种灯头模块包括灯体、电源、高亮度和高纵横比的发光器件(LED)阵列、基座和柔性电路。电源包括阳极输出连接和阴极输出连接。该阵列具有发光表面。基座被配置成以电串联形式将阵列的多个LED电耦接并包括多个LED接合盘区域和多个引线接合区域。柔性电路被安装到灯体并具有就其长度和高度而言的高纵横比。柔性电路中形成有在其中安装有基座的定位孔，并包括包含有阳极层和阴极层的相反电极性的导电图样层。柔性电路的第一端暴露所述阳极层的第一部分以形成与所述电源的阳极输出连接的电连接，并暴露所述阴极层的第一部分以形成与所述电源的阴极输出连接的电连接。柔性电路的第二端暴露阳极层的第二部分，该第二部分电耦接到与一组电串联LED的第一个LED相关联的LED接合盘区域。柔性电路的第二端暴露阴极层的第二部分，该第二部分电耦接到与该组的最后一个LED相关联的引线接合区域的阴极部分。

[0014] 从附图和以下详细描述，本发明实施例的其他特征将是明显的。

附图说明

[0015] 在附图的图中，通过示例而不是限制的方式例示了本发明的实施例，附图中，相似的附图标记指示类似元件，且其中：

[0016] 图1A是现有技术LED阵列一部分的俯视图。

[0017] 图1B是沿剖面线1B-1B截取的图1A的LED阵列的视图。

[0018] 图2A是根据本发明实施例的UV LED灯头模块的等轴视图。

[0019] 图2B是图2A的UV LED灯头模块的前视图。

[0020] 图2C是图2A的UV LED灯头模块的侧视图。

[0021] 图3A是图2A-C的UV LED灯头模块的顶级等轴剖视图。

[0022] 图3A是图2A的UV LED灯头模块的顶级等轴剖视图。

[0023] 图3B是图2A的UV LED灯头模块的顶级前剖视图。

[0024] 图4A是图2A的UV LED灯头模块反射体底部部分和主体顶部部分的放大等轴剖视图。

[0025] 图4B是图2A的UV LED灯头模块反射体底部部分和主体顶部部分的放大前剖视图。

[0026] 图5A是另一放大等轴剖视图，示出了LED阵列及其与图2A的UV LED灯头模块的公共阳极衬底层的界面。

[0027] 图5B是另一放大前剖视图，示出了LED阵列及其与图2A的UV LED灯头模块的公共阳极衬底层的界面。

[0028] 图6是主体顶部部分的分解放大等轴剖面图，示出了图2A的UV LED灯头模块的各个层。

[0029] 图7是图2A的UV LED灯头模块去除端帽后的反射体的放大等轴视图。

[0030] 图8A从概念上示出了根据本发明实施例的针对不同工作距离的具有实质上相同高度的两个宏观反射体。

[0031] 图8B是图8A的放大视图，示出了根据本发明实施例的2mm宏观反射体的边缘光线。

[0032] 图9示出了根据本发明实施例针对2mm焦平面优化的宏观反射体，其中反射体的每个侧面都具有从工件上的聚焦光束中心线偏离的焦点。

[0033] 图10是示出了针对不同通道宽度估计的对流热阻的曲线图。

[0034] 图11是示出了针对各种结温度的输出功率的曲线图。

[0035] 图12是曲线图，示出了根据本发明实施例具有针对2mm焦平面优化的反射体的UV LED灯头的辐照度轮廓。

[0036] 图13是曲线图，示出了根据本发明实施例具有针对53mm焦平面优化的反射体的UV LED灯头的辐照度轮廓。

[0037] 图14A是根据本发明替代实施例的UV LED灯头模块的等轴视图。

[0038] 图14B是图14A的UV LED灯头模块的侧向分解视图。

[0039] 图14C是图14A的UV LED灯头模块的后向分解等轴视图。

[0040] 图14D是根据本发明实施例的柔性电路子系统和冷却子系统的分解视图。

[0041] 图15A是根据本发明实施例的基座俯视图。

[0042] 图15B是图15A的基座的等轴视图。

[0043] 图15C是图15A的基座的截面。

[0044] 图15D是图15A的截面D的放大图。

[0045] 图16A是图14B的柔性电路的俯视图。

[0046] 图16B是图14B的柔性电路的等轴分解视图。

[0047] 图16C是放大前剖视图，示出了根据本发明实施例的LED阵列及其与基座和各个柔性电路层的界面。

[0048] 图17A是根据本发明实施例组装到柔性电路和微通道冷却器的LED阵列的等轴视图。

[0049] 图17B是图17A的LED阵列的俯视图。

[0050] 图17C是图17A的截面A的放大图，示出了图17B的LED阵列的一组电串联LED的引线接合连接。

[0051] 图17D是图17B的截面AA的另一放大图，示出了一组电串联LED的第一LED。

[0052] 图17E是图17B的截面AB的另一放大图。

[0053] 图17F是图17B的截面AC的另一放大图。

[0054] 图18A从概念上示出了根据本发明实施例的一组电串联LED的供电路径。

[0055] 图18B是图18A的一组电串联LED的前4个LED的放大视图。

[0056] 图18C是沿截面线A截取的图18A的一组电串联LED的截面。

[0057] 图18D从概念上示出了根据本发明实施例的一组电串联LED的供电路径。

[0058] 图19示出了根据本发明实施例来自80mm长反射体的辐照图样，该反射体生成25mm宽的受辐照区域，该受辐照区域聚焦于反射体开口下方65mm处。

[0059] 图20为曲线图，示出了根据本发明实施例针对5mm、25mm和50mm相距(stand-off)距离在工件表面中心处的各种辐照度轮廓的截面。

具体实施方式

[0060] 描述了微通道冷却的UV固化系统及其部件，其被配置为用于材料的光化学固化和需要高填充因数、高电流密度和高亮度属性(其最终导致高辐照度属性)的其它应用。根据本发明的一个实施例，将超高辐照度UV固化系统的高填充因数LED阵列的LED与由对应电源运行的一组或多组串联的LED串联/并联布置。例如，多组串联的LED可以由单个电源运行，每组可以由其自己的电源运行或其组合。UV固化系统可以提供从100纳米到10000纳米的宽范围的波长。

[0061] 根据本发明的实施例，为了适应高填充因数、高电流密度和高亮度UV LED灯头模块的热通量/热需求，还提供了实现等温衬底行为的实际装置。根据一个实施例，LED阵列被直接接合到微通道冷却器，且冷却液在实质上平行于LED阵列的最短尺寸的方向上跨LED阵列且在LED阵列下方流动。在一个实施例中，通过在LED下方延伸的微通道的冷却液流量近似相等(即，平衡)，使得LED阵列的LED的p-n结实质上等温。在一个实施例中，从侧到侧以及从端到端，高纵横比的衬底实质上等温。这可以利用实质上为铜的微通道冷却器实现，该微通道冷却器具有微通道，该微通道在LED阵列下方沿实质上与LED阵列的纵轴横向的方向引导冷却液流，同时保持每个通道之间严格的流量平衡范围。在一个实施例中，这种流量平衡通过设计主要冷却剂入口和出口冷却液流体通道(该出口冷却液流体通道与LED阵列的纵轴平行延伸)，来达到沿其长度接近均质的压降水平。

[0062] 在各实施例中，使用接合到微通道冷却器的多层柔性电路来为LED阵列的LED组供电，以允许将宏观非成像光学反射体对密切接近LED阵列定位，由此通过使由反射体对控制的发射光子数最大化来保持辐照度。

[0063] 在一些实施例中，LED阵列由可从Niskayuna，NY的General Electric(GE)获得的AC/DC电源(有时称为整流器)驱动，且该电源优选具有高的电压摆动，其中典型的48V DC输出具有范围为大约1％的电压摆动。例如，在一个实施例中，使用一种电源，其电压摆动大约为+/-20到25％，同时仍然保持高效率(例如大约97％或更大)、紧凑和低成本。Texas，Plano的GE-Lineage制造一系列的12、24和48V AC-DC电源，它们的MTBF高且效率高，且主要用于数据存储和电信行业。本发明的实施例有利地采用了优选的48V“大电压摆动”型号，例如，CP2000，其能够有效率地输出一定范围的标称(nominal)48V以下和以上的用户选定输出电压。大部分电源没有这样大的电压摆动特征——尤其是OTS，高效率和经济有效。可以由用户通过+/-5V输入来选择该电压。这种电压摆动最终允许对由LED阵列发射的光功率的简单控制。

[0064] 在一些实施例中，采用了可以在工厂和/或现场更换的宏观反射体，可以通过提供不同的性能特性(例如，高辐照度，高度聚焦；至聚焦点处的短的工作距离，长工作距离；需要大焦深同时保持高辐照度的应用；和极宽角度更均匀辐照度的应用)针对特定应用来定制该宏观反射体。

[0065] 在以下详细描述中，阐述了众多具体细节以提供对本发明实施例的透彻理解。不过，本领域技术人员会理解的是，可以无需这些具体细节中的一些来实践本发明的实施例。

[0066] 要指出的是，尽管可以在UV LED系统的语境中描述本发明的实施例，但本发明的实施例不受此限制。例如，UV范围之外的其他波长，包括深UV、可见光、红外光、微波和x射线，单独地或与一个或多个UV波长组合，也可以受益于本文描述的架构。而且，利用UV A、B或C发光器件和可见和/或IR发光器件，可以在同一发光器件灯之内使用变化的波长以模拟汞灯的输出。本发明实施例的高填充因数特性还能够在各种波长间实现相互支出(inter-disbursement)，同时避免工件表面上的像素化效应，该像素化效应可能会导致有害的工艺效果。此外，根据各实施例，在宏观非成像光学反射体之内的波长混合获得了从功率密度和波长混合角度来讲的均匀(非像素化)的输出光束。

[0067] 为了简洁的缘故，可以在底部上具有阳极侧的LED的语境中描述本发明的实施例，本领域的普通技术人员将认识到，阳极侧可以在顶表面上和/或阳极和阴极接触都在顶部或底部上。这样一来，根据特定实施方式，可以颠倒本文提到的阳极/阴极结构(或者可以是电中性的)。类似地，可以考虑倒装芯片无引线接合LED、导电衬底和非导电衬底LED芯片(例如，具有在蓝宝石、氮化铝、硅、氧化锌或氮化镓(GaN)上EPI层的那些芯片)、阵列和/或封装器件。EPI层可以从氮化物、氧化物、硅化物、碳化物、磷化物、砷化物等的组中选择。

[0068] 术语

[0069] 下面给出在本申请中遍及使用的术语的简要定义。

[0070] 短语“平均辐照度”一般是指跨投射在工件上的输出光束图样宽度上的辐照度值，其中在输出光束图样的每侧，辐照度值下降到实质上为零。在本发明的实施例中，在距窗2 2
口2mm处，UV LED灯头模块产生大约为80W/cm(8-800W/cm范围)的平均礼帽式辐照度。
2 2
在本发明的实施例中，在距窗口53mm处，UV LED灯头模块产生大约10W/cm(5-50W/cm范围)的平均辐照度。在本发明的实施例中，在距窗口5mm处，UV LED灯头模块产生大约32W/
2 2
cm(10-100W/cm范围)的平均辐照度，其输出光束图样的宽度为大约8mm，且具有“礼帽式”
2 2
轮廓。在其他实施例中，在距窗口65mm处，UV LED灯头模块产生大约7W/cm(1-20W/cm范围)的平均辐照度，其输出光束图样的宽度为25mm，且具有“礼帽式”轮廓。在其他实施例
2 2
中，在距窗口170mm处，UV LED灯头模块产生大约7W/cm(.5-10W/cm范围)的平均辐照度，其输出光束图样的宽度为50mm，且具有“礼帽式”轮廓。在一些实施例中，也可以在距窗口
65mm处产生不对称的礼帽式轮廓(倾斜礼帽式)和宽度为25mm的输出光束图样，其峰值辐
2 2
照度大约为8W/cm(1-20W/cm范围)。

[0071] 术语“连接”、“耦接”、“安装”和相关术语是以操作性的意义来使用的，且未必限于直接连接、耦接或安装。

[0072] 短语“扩散接合”一般是指类似于熔焊(welding)的接合金属的方法，但仅依赖于作为“熔焊”手段的表面彼此间的扩散。例如，扩散接合工艺可以通过将其夹到一起来接合材料通常实质上相似的层，有时会利用氧化抑制镀层(例如镍)，并使各层受到大约1000摄氏度(500-5000摄氏度范围)的极高的温度，由此在分子层面上将表面相互混合并形成实质上一体的材料，在该实质上一体的材料中的颗粒被相互混合，且接合引线常常与体材料实质上不能区分，且在热导率和强度方面，扩散接合材料的性质与体非扩散接合材料没有本质上的不同。扩散接合可能与烧结具有一定的相似性。也可以采用微米级的镀银薄层来方便层的接合。后一种工艺可能与焊接具有一定的相似性。

[0073] 短语“直接安装”一般是指在被附接或固定的两个物体之间不引入本质上居间(intervening)和/或阻热层的安装。在一个实施例中，利用薄焊接层将LED阵列安装到由微通道冷却器表面所提供的公共阳极衬底。这是旨在被短语“直接安装”所涵盖的示例。因此，LED阵列会被视为直接安装到公共阳极衬底。阻热层的示例会包括体衬底材料、箔、薄膜(介电或导电)或在被附接或固定的两个东西之间引入的其他材料(除焊料薄层之外)。

[0074] 短语“高辐照度”一般是指大于4W/cm2的辐照度。根据本发明的实施例，可实现的峰值辐照度水平大约在超过当前现有技术的UV LED固化系统水平的几个数量级的数量级，同时保持了LED的高效率和长寿命。如下文进一步所述，根据各实施例，工件上的辐照度实质上没有当前UV LED固化系统中发现的有害像素化和/或缝隙。同时，要指出的是，大部分UV LED灯厂商在窗口处测量峰值辐照度，而在本文描述的各实施例中，是在工件表面处测量的。在窗口处测量实质上是没有意义的，因为工件通常并不在窗口处。

[0075] 短语“高填充因数LED阵列”一般是指LED紧密分布且发光面积(有源区域)超过LED阵列面积(长度×宽度)50％(常常超过90％)的LED阵列。根据该特定实施方式，LED阵列的填充因数可以大于60％、70％、80％、90％或99％。在本发明的一个实施例中，LED阵列之内的LED间距小于边到边20微米，而在有些情况下小于边到边10微米，边到边距离的范围为1-100微米(可以将零微米间距视为完全一体化的LED)。无机和实质上有机LED都被考虑到了。

[0076] 短语“在一个实施例中”、“根据一个实施例”等一般表示该短语之后的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中，并可能包括在本发明的多于一个的实施例中。重要的是，这样的短语未必是指同一实施例。

[0077] 术语“辐照度”一般是指到达表面的每单位面积的辐射功率(例如，每平方厘米的2 2
瓦数或毫瓦数(W/cm或mW/cm ))。

[0078] 短语“发光区域”一般是指发光器件或阵列的有源区域或外延区域。

[0079] 短语“发光器件”一般是指一个或多个发光二极管(LED)(发射实质上非相干光)和/或激光二极管(发射实质上相干光)，无论它们是边发射体还是面发射体。在本发明的各实施例中，发光器件可以被封装或是裸露管芯(bare die)。封装管芯是指不仅由裸露管芯构成通常还由管芯安装(通常焊接)至的衬底所构成的器件，以方便用于电进出电流通路的迹线以及热通道，通常还有用于附接透镜和/或反射体的装置，其示例是可从美国Philips获得的Lexeon Rebel。裸露的发光器件可以具有垂直结构或水平结构，并具有导电衬底或非导电衬底。根据一个实施例，裸露的发光器件管芯(即，从具有外延生长p-n结的晶片直接切出(excise)的管芯)被直接(没有额外的显著阻热层)接合(通常焊接)到(从铜、Glidcop、BeO、Si、GaN、AlN、Al2O3、Al、Au、Ag、石墨、金刚石等的组中选择的)高热导率材料的至少一个扩散接合层，在本发明的各实施例中，该扩散接合层其自身通常是一层形成一体式扩散接合微通道冷却器结构的多层层压体。该层压体未必需要被扩散接合，因为可以从焊接、铜焊、胶粘等中选择接合工艺。在其他实施例中，可以使用基座。LED包括倒装芯片无引线接合LED、导电衬底和非导电衬底LED芯片(例如，具有在蓝宝石、氮化铝、硅、氧化锌或氮化镓(GaN)上EPI层的那些芯片)，阵列和/或封装的器件。

[0080] 短语“发光二极管”或缩写“LED”一般是指被设计成通过称为电致发光的过程发射电磁波谱之内的特定窄频带波长的包含p-n结(p型半导体和n型半导体之间的结)的半导体器件。在一个实施例中，LED发射非相干光。

[0081] 短语“低填充因数LED阵列”一般是指LED稀疏布置且不超过LED阵列的表面面积大约50％的LED阵列。

[0082] 短语“低辐照度”一般是指大约20W/cm2或更低的辐照度。额定值低于4W/cm2的UV LED系统通常不足以用于除了固定(pinning)(例如墨水设置)之外的大部分固化应用。

[0083] 术语“宏观反射体”一般是指高度大于或等于5mm的反射体。在一些实施例中，宏观反射体可以在5mm到超过100mm的范围内。

[0084] 术语“光功率密度”一般是指每单位面积的光功率的度量。光功率密度的一种度量可以通过如下方式确定：测量LED阵列的光子发射区域表面的光功率，并确定该LED阵列的光子发射区域与非光子发射区域(无效区域)的比例。在一个实施例中，LED阵列的发2
射表面处的光功率密度至少为100W/cm。根据该特定实施方式，光功率密度可以在1-10W/
2
mm的范围内。

[0085] 如果说明书指出部件或特征“可以”、“能够”、“可能”或“会”被包括或具有一种特性，则该特定部件或特征不要求被包括或具有该特性。

[0086] 短语“图样化电路材料层”一般是指一层导电材料，该导电材料通常包含从铜、银、金、钛、钨、镍的组中选择的金属，还可以包含被图样化(例如直接地或经由光刻装置)到衬底(例如陶瓷、电介质、半导体和/或聚合物)上的导电聚合物。

[0087] 短语“峰值辐照度”一般是指跨投射到工件上的输出光束图样的宽度上的最大辐2
照度值。在本发明的实施例中，在距窗口2mm处，UV LED灯头模块能够实现大约84W/cm的
2
峰值辐照度(50-100W/cm范围)。在本发明的实施例中，在距窗口53mm处，UV LED灯头模
2 2
块可以实现大约24W/cm的峰值辐照度(10-50W/cm 范围)。

[0088] 短语“辐射能量密度”、“总输出功率密度”或“能量密度”一般是指到达表面的每2 2
单位面积的能量(例如，每平方厘米的焦耳数或毫焦耳数(J/cm或mJ/cm ))。

[0089] 术语“响应”包括完全或部分响应。

[0090] 短语“礼帽式光束截面轮廓”、“礼帽式轮廓”等一般是指一种光束轮廓，在其投射到工件上时，向工件施加均匀强度的界限分明(well-defined)的斑点并在被处理的工件上实现锐利而准确的变换(transition)。礼帽式轮廓也可以是不对称的。例如，在突变的边界之间，可以有正或负斜率，或者在突变的边界之间可以有多个峰和谷。

[0091] 短语“礼帽式辐照度工件图样”、“礼帽式图样”等一般是指工件上的辐照图样，在该辐照图样中较高辐照度值在一定距离上都是均匀的，而随着辐照度减小到更低或可以忽略的值，在任一侧上具有突变的边界。这与典型的高斯或平滑锥形图样形成对比，在后者中，辐照度从中央峰值更平稳地下降。

[0092] 短语“总输出功率”一般是指以W/cm为单位的输出光束图样长度上的总计功率。根据一个实施例，在距窗口2mm处，由每个UV LED灯头模块产生在每cm输出光束图样长度上为大约20.5W的总输出功率。根据一个实施例，在距窗口53mm处，由每个UV LED灯头模块产生在每cm输出光束图样长度上为大约21.7W的总输出功率。

[0093] 短语“超高辐照度”一般是指工件处大于50W/cm2的辐照度。在一个实施例中，UV LED灯头模块可以在短工作距离处(例如，在.1到10mm范围内的～2mm)实现大于100W/2
cm的峰值辐照度。鉴于LED迅速提升的功率输出和效率，有理由预期在下一个十年中可实现的峰值辐照度将提高超过一个数量级。这样一来，将利用空气冷却的LED阵列完成当前一些高辐照度应用，其他的应用将利用这些更高辐照度或通过这些更高辐照度实现，以实现更快、更硬或更彻底的固化和/或使用更少的光引发剂。在本发明的各实施例的语境中同样独特的是能够同时提供超高峰值辐照度、超高平均辐照度、超高总辐照度(剂量)和输送给工件的剂量浓度(与现有技术相比)。

[0094] 短语“UV固化工艺”一般是指光引发剂(PhI)将首先吸收UV光令其进入激发态的工艺。PhI将从激发态分解成自由基，其然后开始光聚合。不过，在UV可固化配方中始终有一定量(1-2mM)的氧。因此，来自PhI光分解的初始自由基将首先与氧反应，而不是与(通常丙烯酸酯的)单体的双键反应，因为PhI自由基与氧的反应速率比丙烯酸酯双键快大约105到106倍。此外，在UV固化的非常早阶段，空气中的氧还将扩散到被固化膜中，且也与PhI反应，这导致严重的氧抑制。仅在UV可固化膜中的氧被消耗掉之后，才能够发生光引发的聚合。因此，为了克服氧抑制，在被固化膜的表面处在非常短时间内需要大量自由基；
即，需要高强度的UV光源。针对特定的配方，UV光强度的吸收取决于UV光波长。从数学上讲，被吸收的UV光强度(Ia)由Ia＝I0×[PhI]给出，其中I0是来自UV光源的UV光强度，[PhI]是光引发剂浓度。在同样的[PhI]水平下，增大I0将使Ia增大，并由此减小氧抑制。换言之，通过利用高I0的光源，能够使用更小的[PhI]，[PhI]通常是配方中最昂贵的部分。UV光的吸收遵守公知的Lambert-Beer定律：A(吸收)＝€cd，其中€是PhI消光或吸收系数，c是PhI的浓度，d是样品(要固化的膜)厚度。从下表中可以看出，PhI光吸收的效率随着波长有很大变化。在这种情况下，在254nm处，吸收光的效率比在405nm处
2
高20倍。因此，如果可以在更短波长处以100倍典型固化功率(～100W/cm)提供400nm处的UV LED光强，那么光吸收中光引发剂的效率差异可以减小氧抑制。

[0095] 1.95X 104在254nm处，

[0096] 1.8X 104在302nm处，

[0097] 1.5X 104在313nm处，

[0098] 2.3X 103在365nm处，

[0099] 8.99X 102在405nm处，

[0100] 图2A-C分别提供了根据本发明实施例的超高亮度UV LED灯头模块200的等轴、前和侧视图。根据一个实施例，超高亮度UV LED灯头模块200产生超高辐照度。超高亮度UV LED灯头模块200可用于光聚合或固化墨水、涂层、胶粘剂等。根据应用，UV固化系统(LED UV发射系统)(未示出)可以被形成为包括一个或多个UV LED灯头模块200和其他部件，包括，但不限于LED 驱动器(UV LED灯头模块200之内或者之外)、一个或多个冷却系统、一个或多个主AC/DC电源系统(例如，可从Lineage(现为位于NY，Niskayuna GE的分公司)或美国Power-One获得，其大约有90％(或者甚至大约97％)的效率，重大约1kg)、一个或多个控制模块、一个或多个电缆和一个或多个连接器(未示出)。

[0101] 根据一个实施例，UV LED灯头模块200的高亮度能够实现输出光束(未示出)的很多可能光学性质，包括：具有高功率密度(例如，在每cm输出光束图样长度上为～20.5W(10-30W范围))的窄宽度(例如，～.65cm(.1到2cm范围))，具有更大焦深的更宽宽度(例如，～3.65cm(3到10cm范围))，或短或长的工作距离(具有或不具有更大焦深)，或甚至非常宽的角度/大面积光束输出图样(具有或不具有更大焦深)。可以考虑跨光束宽度(以及光束长度)具有均匀辐照度图样的输出光束图样以及具有不对称辐照度的输出光束图样。

[0102] 如下文进一步所述，根据本发明的实施例，大亮度来源于高填充因数(超过50％，常常超过90％)的LED阵列(未示出)和在高电功率密度下操作的LED阵列(其获得了高辐照度输出光束)。高电功率密度导致高的热密度(由于电到光的转换损耗)，通过下文详细描述的各种新颖方法对该高的热密度进行有效的管理。

[0103] 最后，由于高亮度源所允许的独特的高辐照度和灵活的光输出光束性质，UV LED灯头模块200旨在不仅替代当前现有技术的UV LED灯，而且还替代当前现有技术的汞灯。UV LED灯头模块200还被视为“绿色技术”，因为其不含汞，且电学效率也很高。这一效率部分源自于与包含汞的灯相比的LED的固有效率，部分还源自于如下所述的冷却方法，该方法在LED结和冷却液(通过入口冷却管路203引入UV LED灯头模块200并通过出口冷却管路204从UV LED灯头模块200排出)之间提供了极低的热阻，由此生成了高效率且长寿命操作的LED器件所需的较低的结温度。

[0104] 在这幅图中，示出了UV LED灯头模块200的外壳202和反射体201。根据各实施例，UV LED灯头模块200的外壳202大约80mm(长)×38mm(宽)×125mm(高)。为给定应用选择的新型易置换且现场可更换的反射体201的长度实质上在几十到几百毫米范围内，但这样的反射体通常长度大约为100mm，提供0-1000mm范围中(但通常在2mm到65mm(包括)之间)的工作距离。

[0105] 根据本发明的实施例，UV LED灯头模块200被设计成独立使用或串联地与一个或多个其他UV LED灯头模块组合使用。如下文进一步所述，容易以从一个头(模块)(例如80mm)到大概100个头(模块)(例如，长度为8000mm)的长度串联配置多个UV LED灯头模块200。也可以在宽度上串联配置多个UV LED灯头模块200。根据一个实施例，在长度方向上串联组合的UV LED灯头模块200的独特特征在于输出光束在头(模块)彼此端到端串联对接的每个界面点处不包含实质上可辨别的辐照度损耗，因此即使在短工作距离(例如～2mm)的应用中也在工件表面处产生长的输出光束图样。

[0106] 如下文更详细所述，在一个实施例中，反射体201是可以在工厂置换的，且优选也是可以在现场更换的。反射体201可以是从铝加工的，且抛光、铸造、挤压成形的金属或聚合物等，或者是注射成型的。反射体201可以具有银涂层，且可以具有涂层的介电堆叠。反射体201可以具有使用沉积工艺(例如，ALD、CVD、溅射、蒸发、溶胶-凝胶)形成的单层保护介电涂层。反射体201可以是经过机械或电解抛光的。想到多个UV LED灯头模块200可能常常需要在长的长度应用中被端到端放置，像在宽幅印刷(wide-format printing)中那样。在这些情况下，期望反射体201所生成的投射和/或聚焦光束沿整个光束路径，尤其是在端到端配置的UV LED灯头模块200和/或LED阵列之间的区域中，具有接近均匀的辐照度，从而均匀地固化工件的涂层、墨水、胶粘剂等。应当指出，由于本发明的实施例提供了高辐照度，在涂层和油墨等中可以具有实质上更少的光引发剂或基本上没有光引发剂，并以类似于电子束(E-beam)的方式来固化，其中在电子束(E-beam)中充分剂量的电磁能量被提供以在无需任何显著的光引发剂的辅助的情况下固化材料。

[0107] 在各实施例中，UV LED灯头模块200的辐照度在短工作距离(例如，～2mm)应用2
中(例如喷墨式印刷中)可以超过100W/cm，在长工作距离(例如，50mm+)应用中(例如
2
透明涂层固化中)可以超过25W/cm。根据一个实施例，光束宽度可以变化(从大约1mm宽到100mm宽或更大)以满足多种应用和运行条件，且如前所述，长度可以如一个头(模块)的宽度(例如，80mm)那样短，直到100个头(模块)的宽度(例如，8000mm)或更长那样长。应当指出，如果像这样采用聚焦反射体或光学系统来影响这种光束形状，光束的长度可以比UV LED灯头模块200的长度更短。还可以想到弯曲或延长的端盖。还想到外部折射或衍射光学系统。根据该特定实施方式，UV LED灯头模块200的长度可以在几十到几百毫
2 2
米的范围内。LED的范围可以从大约.3mm到4mm 且它们可以是长方形的，以单个长排、多个长排中或一体地来取向。

[0108] 根据本发明的实施例，图3A的LED阵列330的效率通常远超过10-20％并且整个系统的效率(包括热交换器或冷却器、泵和电源损耗，通常远超过5-10％)。将来，预期效率会超过50％。

[0109] 简要回到入口冷却管路203和出口冷却管路204，这些管路可以由例如挤压成形(extruded)的聚氨酯、乙烯树脂、PVC(可从美国的Hudson Extrusions获得)等来构造，且可以是～5/16英寸ID和～7/16英寸OD。在一个实施例中，管路203和204是具有高拉伸强度和低水分吸收的聚氨酯。可以采用可从美国Swagelok获得的管路配件或来自美国John Guest的配件。根据使用环境，可以优选使用超过一个的入口冷却管路203和出口冷却管路204，例如可能使用～4个较小的入口管线和～4个较小的出口管线(未示出)。这样可以实现弯曲半径更小的较轻便设备，且可以允许通过微通道冷却器(未示出)的稍稍更均匀分布的冷却液流；不过，UV LED灯头模块200之内的深处主入口和出口通道(未示出)实质上消除了优选微通道冷却器通道(未示出)进入点和出口点处的压力梯度。在一个实施例中，在大约5-50摄氏度(C)之间的温度下(优选在大约20摄氏度下)，在1-100PSI(且优选介于大约15-20PSI)之间，冷却剂经由入口冷却管路203进入UV LED灯头模块200，并在介于大约10-100摄氏度的温度下(优选大约24摄氏度下)经由出口冷却管路204离开。

[0110] 根据一个实施例，可以将来自UV固化系统的各个内部部件(例如LED驱动器PCB和LED阵列)的废热耗散到灯体(未示出)，并由冷却剂流带到热交换器和/或冷却器。示范性冷却器可从美国Whaley获得。在一个实施例中，该冷却器利用了高效率涡旋式压缩机(可从美国Emmerson获得)。根据使用模型，冷却器可以是“分裂”式的，其中储液槽(reservoir)、泵、蒸发器和控制器位于容纳UV固化系统的构造之内，其他部件(例如涡旋式压缩机、风扇、冷凝器等)位于该构造外部(例如，在该构造的顶部或侧部)。应当指出，可以针对一个或多个UV LED灯头模块200和/或电源部件，以串联或并联或以两种组合的方式，来操作冷却器或热交换器部件的一些或所有。例如，可以为可以具有一个或多个泵和或储液槽的多个UV固化系统采用一个大的冷却器。水到空气的示范性热交换器元件可从美国Lytron获得。任何冷却方案可以使用旁路布置，使得不同的压力或流速可以同时通过蒸发器和微通道冷却器。

[0111] 根据一个实施例，冷却液(冷却剂)包括水。冷却剂还可以包含一种或多种生物污垢抑制剂、灭菌剂、腐蚀抑制剂、抗冻材料(例如乙二醇)和/或用于增强传热的纳米颗粒(例如，氧化铝、金刚石、陶瓷、金属(例如纳米铜)、聚合物或某种组合)，冷却剂系统可以包含膜收缩剂、氧吸收剂和微孔过滤器。纳米颗粒(诸如，氧化钛(titania))受到UV灯能量激发，用于双重目的：即增强热导率和/或热传递，以及由于所产生的Photo-Fenton过程，消除生物材料(例如真菌等)。膜收缩剂有效地减少了水中的CO2，并帮助保持最优的pH，以实现铜微通道表面的最优耐腐蚀性。

[0112] 在一个实施例中，可以采用滑片泵(sliding vane pump)(可从意大利Fluidotech获得)。它的流速大于～4GPM，压力高达～60PSI。该流速非常适合接合本发明的各实施例所描述的微通道冷却器架构(例如，4个或更多个80mm UV LED灯头模块200的串联连接)。该泵还非常安静、紧凑、耐用和有效率，因为它仅消耗～.25kW。在各实施例中，可以采用冗余的冷却剂泵以减小单个故障点的可能。平均流速可以是每个灯头大约.75GPM(.1到10GPM范围)。

[0113] 图3A-B提供了图2A的UV LED灯头模块200的剖视图。从这些视图能够看出，包括反射体201的光学反射体层350被安装到外壳202之内包围的主体305。根据一个实施例，主体305是由铜或介电聚合物材料(例如，PEEK；Torlon；LCP；丙烯酸；聚碳酸酯；可能由填充材料(例如石墨、陶瓷、金属、碳、碳纳米管、石墨烯、纳米尺寸或微米尺寸的薄片、管路、纤维等)填充的PPS)来构造的。这些填充树脂中的一些可从RI，North Kingstown的Cool Polymers获得。可以利用5轴研磨机来加工灯体305或通过注射成型来加工灯体305。或者，主体305可以是注射成型的，且任选地，辅助地进行研磨或钻孔。如下文进一步所述，可以将各种部件直接或间接安装到主体305，所述各种部件包括，但不限于外壳202、反射体201、LED阵列330、微通道冷却器(优选形成用于LED阵列330的公共阳极衬底的一部分)、阴极爪321和阳极母线主体315a-b以及一个或多个LED驱动器印刷电路板(PCB)310，其优选是金属芯PCB(MCPCB)且阳极母线主体315a-b可以充当MCPCB的金属芯(也被称为公共阳极底板)。可以在MCPCB和灯体外侧壁中流动的冷却剂之间插入模制或粘合的导热垫。

[0114] 在本非限制性的示例中，主体305中形成有主入口灯体冷却液通道360和主出口灯体冷却液通道361，两者都延伸主体305的长度。主入口灯体冷却液通道360经由形成于主体305基底中的第一冷却剂入口(未示出)与入口冷却管路203流体相通。主出口灯体冷却液通道361经由形成于主体305基底中的第二冷却剂入口(未示出)与出口冷却管路204流体相通。设定通道360和361的尺寸，使得通过其间设置的微通道冷却器(未示出)的冷却剂实质上均匀流动。在一个实施例中，第一和第二冷却剂入口可以相互对面(across from each other)、交错、或以其某种组合的形式位于主体305基底的相对端，以方便冷却剂从主入口灯体冷却液通道360通过微通道冷却器向主出口灯体冷却液通道361的相等且均匀的流动。在替代实施例中，可以使用多个入口灯体冷却液通道和多个出口灯体冷却液通道。

[0115] 在一个实施例中，通过如下方式实现通过微通道冷却器的流动平衡：设计主要冷却剂入口和与LED阵列330的纵轴平行延伸的出口歧管通道，以通过如下方式达到压降沿其长度接近均匀的水平：将通道深度延伸到某点，通过从入口孔展开(spreading out)或通过非常深的通道汇聚到出口孔而使得通道顶部(最接近微通道冷却器(未示出))附近的冷却剂压力差达到沿整个通道长度接近动态平衡(homeostasis)的点。换言之，过深的通道360和361给予冷却剂充分的时间、流体阻力(hydraulic resistance)和表面曳力(surface drag)，以沿微通道冷却器的长度展开，并在其中每个通道的顶部附近实现较小的压力差，以此获得通过LED阵列330下方的每个微通道的平衡流动。

[0116] 根据一个实施例，LED驱动器PCB 310的子组装部件包括，但不限于，LED驱动器控制器IC(未示出，其也可能是DC/DC变换器系统的一部分)、FET 312、栅极(未示出)、电感器311、电容器(未示出)、电阻器(未示出)和阴极母线条304a-b。如上所述，在一个实施例中，LED驱动器PCB 310是金属(芯)衬底(例如，MCPCB)(可从加拿大的Cofan获得)上的多层金属箔(例如铜)/介电层，并利用居间的热传导化合物耦接到(例如经由螺丝固定)主体305，以将废热从驱动器组件耗散到主体305，其中废热是由冷却剂流通过主入口灯体冷却液通道360和主出口灯体冷却液通道361带走的。在本示例中，通道360和361在主体305之内延伸得足够深，以向实质上位于FET 312和电感器311(这里会产生大量的废热)下方的区域提供冷却。可以使用通孔来电连接多层金属箔层。

[0117] 在一个实施例中，包含表面安装电器部件和其他半导体部件的LED驱动器组件PCB 310a-b，至少具有90％的效率。示范性的能耐受高电流且高效率的LED驱动器IC(未示出)可从美国的National Semiconductor获得(例如，部件LM 3434或LM 3433或实质上的等同物)。美国的Linear and Maxim也制造类似部件。LED驱动器IC(未示出)是包含半导体结p-n的器件，优选基于硅，能够允许将较高电压/较低电流输入转换成适用于本发明各实施例中所期望的高电流LED驱动条件的较低电压和较高电流的电压转换。可以采用PWM。

[0118] 由LED驱动器PCB 310a-b的对应段来驱动LED阵列330的独立LED或LED组。例如，以每个LED大约3A(.5到30A范围)和大约4.5-5V(2-10V范围)来驱动UV LED灯头模块200的每侧的四组17个LED。在这样的实施例中，LED阵列330包括2排LED,每排LED包含68个LED(共136个)，以大约每个LED 3A左右由对应的LED驱动器IC来电驱动和/或控制相对的LED组，获得每个UV LED灯头模块200的大约2kW的输入。另一个非限制性示例会是15组16个LED×2，可以以大约每组4V和40A(1-10V和1-500A范围)来驱动，其具有至LED驱动器PCB 310a-b的仅大约12V的输入。

[0119] 在一些实施例中，由于表面安装电气部件和其他半导体部件的高效率，可以构造出定制的金属芯PCB(MCPCB)，使得可以优选利用螺丝或其他装置将它们固定到主体305的侧面，并通过界面材料进行传导冷却，以传导到导热主体305。最终由冷却剂流的对流转移通过主体305来移除废热。例如，可以在2.5mm(.1-10mm范围)厚的铜芯板上构造两个LED驱动器PCB 310a-b(主体305的每侧各一个)，该铜芯板具有大约4-12mil的导热介电材料层(可从美国Thermagon和/或加拿大Cofan获得)。在一个实施例中，高导热介电层插置于被固定到主体305的LED驱动器PCB 310a-b的铜金属层(例如1-4oz.的铜箔层)之间。每个LED驱动器PCB 310a-b(例如×2)可以具有4个电隔离的阴极段，该4个电隔离的阴极段对应于由柔性电路段隔离的4组LED的位置(在图6的剖视分解图中示出了其中四个，其中两个由相对的LED驱动器PCB 310a-b驱动)。在一个实施例中，LED驱动器PCB310a-b和柔性电路段被布置成彼此正交。另一个非限制性示例是，主体305的每侧都具有：
固定到每侧的一个LED驱动器PCB 310a-b，其中在每个PCB上设置(locate)4个分立的LED驱动器控制器IC(总共8个LED驱动器控制器IC,那么总体来说每个(例如，80mm长的)UV LED灯头模块200能够被驱动到高达大约2kW或者更高)。同样，通过将LED驱动器PCB
310固定到主体305的侧面，可以将来自LED驱动器PCB 310a-b的废热耗散到主体305并被冷却剂流带到热交换器或冷却器。在一个实施例中，可以将导热油脂或其他化合物置于LED驱动器PCB 310a-b和主体305之间。在替代实施例中，LED驱动器PCB 310a-b可以通过非热有效方式附着到主体305并可以通过风扇进行对流冷却。

[0120] 根据一个实施例，公共阳极衬底层317被夹在阴极爪320a-d和321a-d与阳极母线主体315a-b之间。由阳极母线主体315a-b(实质上彼此平行)和公共阳极衬底层317(实质上与阳极母线主体315a-b正交)形成一体的U形公共阳极。在另一实施例中，公共阳极衬底317和阳极母线主体315a-b可以形成一体的长方形或正方形公共阳极。

[0121] 在一个实施例中，阴极爪320a-d和321a-d的一个表面实质上平行于公共阳极衬底317的阴极部分，且另一个表面实质上平行于LED驱动器PCB 310a-b的顶表面，由此允许在这两个层之间形成电接触。下文给出关于形成公共阳极衬底层317的组件的更多细节，包括用于固定阴极爪320a-d、321a-d、阳极母线主体315a-b的安装机构。

[0122] 在本示例中，反射体201是较大的(宏观的：例如高度为数十毫米)、模块化的、非成像反射体结构，该反射体201的中间部分352显著宽于进口孔351或离开孔353。这样的结构很适于印刷应用，在印刷应用中从工件到反射体201的短的相距(stand-off)距离2
(例如2mm)以及高辐照度(例如，大于～50W/cm)对于高处理速度、固化硬度和固化完整性(无剥落)是有益的。根据一个实施例，反射体对的进口孔(例如，进口孔351)的面积是LED阵列发光表面面积的110％(100-150％范围)。

[0123] 在一个实施例中，反射体201俘获并控制由LED阵列330发射的光的大约90％或更多(50-99％范围)，细长反射体201的每一半都是椭圆形，其焦点位于在工件上的投射光学图样的中心线的相对侧，结果是：相对于传统的共享焦点(沿投射光束中心线)设计方式提高了峰值辐照度。还可以考虑复合椭圆形或其他复合抛物线形。在一个实施例中，反射体201被设计成具有大约80度(45-90度范围)的大角范围。

[0124] 因为光引发剂可能是有毒的(并且昂贵)且未固化的墨水、涂层或胶粘剂是不期望有的，所以本发明各实施例尝试通过既产生高峰值辐照度又产生高总输出功率(例如，每个UV LED灯头模块200大约184W)，来产生一种高质量的固化(例如，100％或接近100％)。如上所述，高辐照度获得了更快、更深且更硬的固化材料。因此，本发明的实施例尝试实现当前的现有技术UV LED(和汞灯)固化系统所公开的水平的大约十倍(或更高)的峰值辐照度水平，同时还维持了LED的高效率和长寿命。

[0125] 根据一个实施例，反射体201容易在工厂置换，且优选可以在现场更换，由此能够针对不同应用向UV LED灯头模块200的主体305附着其他反射体，这可以实现不同的工艺目标/参数。在本示例中，反射体201被示为具有两部分结构的椭圆反射体，其中这两个主要部件是一个或多个椭圆的相对侧。可以在五轴研磨机上加工反射体201，然后利用金刚石砂粒抛光对其进行抛光，或者它可以是挤压成形的金属并经过后期抛光，或者它可以是挤压成形的聚合物(且由于模腔/挤压成形的模板的前期抛光，而无需进行后期抛光)。如上所述，反射体201可以是模块化设计的，使得需要高辐照度(输出功率密度)的窄投射聚焦光束“线”的应用(例如在平坦衬底上进行墨水固化)，可以在超高强度线产生反射体(未示出)上使用螺栓，而在需要更长景深的粗糙拓扑(tough topological)衬底上的应用可能需要专门为这种更长景深(或更长焦深)而设计的反射体对(未示出)，如下文更详细所述，可以通过简单地松开先前反射体对的螺栓并将新反射体对用螺栓固定在适当位置，来容易地用高强度反射体对更换上述为更长景深(或更长焦深)设计的反射体对。类似地，可以特别针对用于具有高强度的长工作距离，或用于在工件上具有宽区域平滑强度光束图样(例如礼帽式光束图样)的长工作距离，来配置反射体对。可以采用在反射体201和公共阳极衬底层317之间定位销。

[0126] 在一个实施例中，优选注射成型的聚合物反射体201的内表面是真空沉积的银涂层，且具有ALD(原子层沉积)保护涂层，该ALD(原子层沉积)保护涂层由于ALD工艺的无针孔性质而耐腐蚀。可以利用各种沉积工艺(例如，ALD、CVD、溅射(sputtering)、蒸发、溶胶-凝胶)来沉积银涂层。由于聚碳酸酯是一种廉价的聚合反射体树脂，所以应当在沉积银之前在聚碳酸酯上设置防潮层，使得银涂层的面对聚合反射体衬底的那一侧不允许腐蚀性蒸气(分子)从里到外腐蚀银。可以考虑低蒸气渗透性的树脂(例如E48R(美国，Zeon Chemicals)。可以从美国Sabic获得高温树脂(像Ultem和Extem)。而且，可以额外地考虑防潮层(例如，铜、ALD氧化物涂层)并在银或铝涂布之前在反射体上沉积该防潮层。从氧化物(例如Al2O3)或氟化物(例如MgF2)或其某种组合的组中选择ALD介电外涂层(overcoat)。或者，反射体201上的HR涂层也可以是注射成型的聚合物反射体上的介电外涂布的铝涂层。介电涂层优选是被调整为在最适于该应用的波长附近具有峰值反射率的单层氟化镁或二氧化硅。可以为上述任何配置采用基于光学干涉的介电堆叠以提高选定波长范围中的峰值辐照度。

[0127] 本发明的实施例可以采用辅助光学系统(未示出)来进行光束控制和/或采用具有抗反射(AR)涂层的窗口(例如透镜)340。因为从出口孔353发射的角度可能超过45度，AR涂层优选是BAAR(大角度抗反射)涂层，如果不使用这种BAAR涂层，这样高的角度会从窗口表面发生显著的有害反射。可以考虑用于鞣革床(tanning bed)的高度耐UV的丙烯酸，但窗口340和辅助光学系统优选使用硼硅酸盐玻璃。在一个实施例中，如下文进一步所述，窗口安装件341将窗口340保持在适当的位置。根据一个实施例，O形环(未示出)位于窗口340和反射体201之间。在一个实施例中，反射体201的外部外壳可以是注射成型的。在各实施例中，可以使用惰性气体或微多孔球体(可从美国Zeolite获得)来控制水蒸气。如果不在LED上方采用密封剂，这种蒸气可能是LED寿命的一个问题。当前的现有技术不允许采用LED密封剂(例如高纯度硅树脂(silicone))，因为来自短UV波长的高光子能量的黄化(yellowing)是一个问题。已知来自(德国)Schott的低碳含量的硅树脂密封剂是当前现有的黄化最少的材料。

[0128] 为了测量从窗口340到工件表面的距离，要理解的是，窗口340具有内表面(距LED阵列330表面最近的表面)以及外表面(距工件表面最近的表面)。在这里，通常相对于窗口340的外表面来测量距工件的距离。

[0129] 图4A-B提供了图2A的UV LED灯头模块200的反射体201底部和主体305顶部的放大剖视图。在这些视图中，LED阵列330和公共阳极衬底层317的各方面变得明显。此外，在这些视图中，分隔垫圈314被示为由多个o形环420形成，且LED驱动器PCB 310a-b的优选多层构造变得可见。

[0130] 如下文更详细所述，在一个实施例中，微通道冷却器410提供了公共阳极衬底层317。根据一个实施例，微通道冷却器410是扩散接合的蚀刻式箔微通道冷却器，其包括扩散接合到箔层(未示出)的热扩散层(未示出)，箔层中蚀刻有各种主入口/出口微通道411和内部微通道(未示出)。尽管微通道冷却没有在其中边界层被压缩的层状部件，但在本发明的实施例中，可能会由于蚀刻的冷却剂流路径形状和/或方向变化而导致冲击(impingement)冷却(例如，湍流)。美国专利No.7836940例示了一种示范性微通道冷却器，在此出于所有目的通过引用将其全文并入。可以从美国Micro-cooling Concepts获得符合本文所述冷却要求的微通道冷却器。本领域的技术人员将认识到，可以采用各种其他的冷却方案。例如，可以考虑宏观通道冷却和其他湍流冷却路径(例如冲击、喷射冲击)或两阶段/核沸腾(nucleate boiling)(或某种组合)以及冷却方案。

[0131] 根据本发明的各实施例，一个目的是生成并维持相对等温的状态(例如，结温度在大约±1摄氏度之内，而且在LED阵列330的端到端之间最大平均结温度通常为～40摄氏度(30-200摄氏度范围))。为了实现这个目的，本发明的实施例尝试从前到后、从上到下、从端到端和/或从侧到侧地平衡通过微通道冷却器410的冷却剂流。在替代实施例中，为了适应设计需求，流可以是平衡或者不平衡的。冷却剂可以几乎以任何方向通过微通道冷却器410的内部主要和辅助通道(未示出)流过，所述方向是从相对于LED阵列330的LED的底表面(以及在LED下方)垂直、水平、正交、平行等或其任意组合中选择的。描述通道取向的另一种方式是相对于p-n结平面，该p-n结平面(在大部分LED中)实质上平行于LED的底表面。

[0132] 类似地，内部主要和/或辅助通道可以与几乎任何取向的歧管互连，所述取向是从再次相对于LED(或LED的p-n结)底部的取向的垂直、水平、正交、平行、对角、有角度、绕过、部分绕过等或其组合中选择的。优选地，全部或几乎全部(接近100％)的冷却剂最终都沿与LED阵列330和/或微通道冷却器410的长轴正交或垂直的方向从主入口灯体冷却液通道360的顶部(例如，主入口微通道冷却器冷却液通道430b)通过微通道冷却器410流向主出口灯体冷却液通道361的顶部(例如，主出口微通道冷却器冷却液通道430a)。在一个实施例中，微通道冷却器410利用了由CFD优化的流径以将流速降低到大大减少腐蚀的水平。在一个实施例中，冷却剂的速度优选为大约为2米/秒以减少通道腐蚀。可以针对通道衬底使用陶瓷材料以进一步消除腐蚀的可能。

[0133] 如前所述，设定主入口灯体冷却液通道360和主出口灯体冷却液通道316的尺寸，使得冷却剂通过蚀刻式箔内部微通道均匀流动，并且使得优选几乎所有冷却剂最终都沿实质上垂直于LED阵列330长轴的方向流动(running)，即，在主入口灯体冷却液通道360中开始的冷却剂的任何给定分子最终都到达主出口灯体冷却液通道361中，因此，冷却剂的几乎每个分子在其横贯微通道冷却器410并在LED下方流动时，都最终实质上垂直于LED阵列330长轴(实质上平行于LED阵列330的短轴)流动。通过将主入口灯体冷却液通道360制造得非常窄(例如，大约1-4mm，优选大约2.3mm宽)且非常深(例如，大约1-10000mm，且优选大约100mm)，在通过微通道冷却器410的实质上所有或大部分内部通道(无论它们是主要的、交叉的、辅助的、歧管等通道)的平衡流动方面，所生成的流体阻力都有助于均匀的微通道流动。应当理解，这些通道可能具有曲线、s弯曲、用于湍流的突出(protrusion)，且在它们沿实质上横向或平行于LED阵列330短轴的方向横贯LED阵列330下方空间时，可能会变窄、加宽和/或加深。同样，任何给定微通道的取向可以是相对于LED p-n结取向的任何取向(以及流向)。

[0134] 如下文更详细所述的，将包括发光器件(例如LED或激光二极管)的LED阵列330安装到微通道冷却器410。在一个实施例中，沿微通道冷却器长度的LED数目范围是
2-10000个，每个LED的尺寸大约为1.07、1.2、2、4平方毫米(或2×4mm)(.1-100mm的范围内)。宽度与长度的纵横比优选约为1：68到1：200，但其范围可以是1：10-1：1000。应当指出，LED阵列的纵横比可能不高，且可以实质上为正方形，实质上为长方形，实质上为圆形或其他几何形状。可以从美国的SemiLEDs获得示范性LED。SemiLEDs的LED具有独特的(常常为镀敷的)铜衬底，其有利地接合到铜(或陶瓷)微通道冷却器410，由此维持这种高热导率材料的热学和成本优势。根据一个实施例，采用的LED的尺寸是1.07×1.07平方毫米，LED阵列330包括68个LED长乘以2个LED宽的阵列。

[0135] 日本的Nichia也是一家示范性LED供应商，其通常制造水平结构的LED而不是SemiLEDs的常见垂直结构LED。在一个实施例中，可以利用水平结构的LED实现一个或多个串联组的LED或整个LED阵列，该水平结构LED在表面顶部(例如在非导电衬底(例如蓝宝石)的顶部)具有阳极和阴极盘。例如，可以将阴极线耦接到该串联的一端的多层柔性电路1403，可以将阳极线耦接到该串联的另一端的多层柔性电路1403，而无需使用用于LED的特定串联组的基座。

[0136] 在本发明的一个实施例中，LED阵列330的LED在优选公共阳极衬底上实质上电并联地设置，或者具有至少两个并联的LED。这是一种热效率非常高的连接方式，因为不需要为了电绝缘的目的增加LED基底和衬底之间的阻热介电层，然而在常规的串联配置或常规的串联/并联配置中需要这种层。尽管如此，应当指出，可以在各种实施例中考虑这些配置的任一种，以及纯粹串联布置或串联/并联布置。在介电层会本质上增大总热阻，由此提高器件的结温度并不利地影响输出功率和/或效率的情况下，想到可以利用例如原子层沉积来生长几微米左右厚或更薄的极薄介电层，且在诸如铜的材料上提供极低热阻的层，以实现串联/并联型布置中的电绝缘。这种电介质可以从氧化物、氮化物、碳化物、陶瓷、金刚石、聚合物(ALD聚酰亚胺)、DLC等的组中选择。

[0137] 根据本发明的各实施例，一个目的是维持LED的外延p-n结或至少优选裸露管芯2 2
底部之间的极低热阻，其大约为.015K-cm/W，但其范围可以是.0010－15K-cm/W，但常常
2
为.024K-cm/W左右。可以考虑金属、电介质、陶瓷或聚合物层的箔、接合盘、迹线等的极薄层，但由于这些附加层会导致热阻的增加，因此它们不是最优的，热阻的增加不可避免地会导致结温度的升高，以及对应的效率降低。可以采用各种手段来减小与外延结构生长和设计相关的电流低垂(current droop)，例如更厚的n或p盖层(capping layer)，以及最近发表的学术期刊中出现的，且由荷兰PhIlips和美国RPI的雇员和其他人创作的(例如，参见
2009年3月的Rensselaer Magazine，“New LED Drops the“Droop”，和2010年7月14日的Compound Semiconductor Magazine，“LED Droop：Do Defects Play A Major Role？”，在此出于所有目的将两者都通过引用全文并入)其他现有技术的手段(例如，新的量子势垒设计，减少非辐射复合中心等)。当前考虑在天然GaN晶片甚至极性GaN晶片上进行外延生长以减少或消除电流低垂。

[0138] 这样一来，根据各实施例，极低热阻路径存在于LED结和蚀刻(例如化学蚀刻)箔层之间，其中该蚀刻箔层在优选的化学蚀刻微通道中包含流动的液体，因为LED是直接(优选利用2.5μm厚的SnCu焊料)安装的，且热扩散器(如果采用的话)和箔层很薄，则它们优选不采用居间的介电层。在制造微通道时还可以考虑其他蚀刻或光刻或加工工艺。

[0139] 根据一个实施例，LED阵列330的LED直接接合(即，LED和微通道冷却器410之间实质上没有居间层(无论是体材料、箔、薄膜或其他材料)，除了例如优选预先施加(例如通过溅射沉积装置)到LED底表面的薄的预溅射焊料层以外)。

[0140] 如下文更详细所述，可以由一个或多个o形环420形成分隔垫圈314以将公共阳极衬底层317密封到主体305，还防止冷却剂实质上直接在LED阵列330下方绕过。尽管在这幅图和其他图中，o形环420a-c似乎未被压缩，但将要认识到，在现实操作中，它们实际上会被压缩，以执行其预期功能，即防止液体在通道之间绕过(by-pass)或进入外部环境中。在本示例中，分隔垫圈314与微通道冷却器(无论是垂直还是水平分层)的扩散接合箔层(未示出)的底表面(与发光方向相反)实质上平行并处在相同的z轴平面中。分隔垫圈314的截面优选实质上是圆形，可以由软硬度硅树脂制成，可以由美国的Apple Rubber制造。在替代实施例中，分隔垫圈314的截面可以是正方形或长方形。

[0141] 参考本示例中示出的LED驱动器PCB 310a-b的多层构造，在一个实施例中，大约为2.5mm厚(.1-10mm范围)且可以从加拿大的Cofan获得的铜(或铝、聚合物、填充聚合物等)金属芯PCB板是由多层来构造的，以将PCB的尺寸保持最小。在最接近金属芯的优选美国Thermagon层上可以安装高功率FET和栅极驱动器和电感器和电阻器和电容器。实际上，在一些实施例中，这一层可以带窗口(windowed)或带芯(cored)，从而可以用或不用附着螺钉来将FET(或其他驱动器PCB部件)直接安装到金属芯。也可以尽可能接近金属芯来安装可从美国National Semiconductor获得的LM 3434或LM3433(仅为示例)系列LED公共阳极驱动器，意味在部件和金属芯之间可以存在最小的介电层厚度(如果有的话)。为了电气效率和稳定操作，还应当考虑相等的迹线路径长度和紧密的部件间距。定制缠绕的电感器可以大大提高驱动子组件的效率。可以以如下方式对电感器进行取向：使具有优选公共底板(例如阳极主体315a-b)(该公共底板也可以与微冷却器柔性电路组件的公共阳极衬底317共享)的分立驱动器(例如8个或15个)的磁场有利地彼此交互作用，以提高优选恒流驱动器的效率(尽管可以考虑恒压驱动器，尤其是具有专门电路的恒压驱动器)。尽管PWM(脉宽调制)在高电流下，由于电流脉动，可能对LED的寿命具有有害效应，但可以考虑脉宽调制恒流驱动器，还应当考虑电感器和LED之间的额外电容器。或者，可以在电感器之间放置铁衬底，以减少电感器或其他部件之间的可能取决于取向和间距的不期望的交互。最优选地，可以考虑来自印度VASHAY的现成的(OFS)屏蔽电感器。

[0142] 在灯体306的后侧(主输入水和输入/输出电源所在一侧)，优选金属(铜，铝，合成物)MCPCB芯可以具有螺钉固定或焊接的连杆(或两个MCPCB(可从加拿大Cofan获得的带金属芯的PCB)之间的阳极交叉板)芯，以为阳极的单线连接制造空间和/或强的安装板，该单线连接然后延伸到连接到AC电源的主AC/DC前端电源。

[0143] 在一个实施例中，LED驱动器PCB 310a-b的金属芯为接地平面，每个LED驱动器PCB 310a-b上可能有超过一个的接地平面。这样一来，PCB的边缘优选被夹紧或焊接到公共阳极衬底层317的接地平面。这优选地通过如下方式实现：允许公共阳极衬底层317延伸到主体305每侧或悬挂于主体305每侧上方，使得公共阳极衬底层317的阳极侧能够接触LED驱动器PCB 310a-b的阳极侧(边缘)并与其电连通，公共阳极衬底层317的阴极侧(例如，顶部箔层)能够优选接触与LED驱动器PCB 310a-b电连通的独立阴极段的适当顶部阴极区域并与其电连通。

[0144] 图5A-B提供了另一放大视图，示出了LED阵列330及其与图2的UV LED灯头模块200的公共阳极衬底317的界面。在这些视图中，LED阵列330的高填充因数、独立LED的电耦接、反射体201基底与LED表面的邻近以及柔性电路510的各层变得明显。此外，在这些视图中，微通道冷却器410的优选垂直取向的箔层变得可见。

[0145] 根据一个实施例，公共阳极衬底层317可以包括用于从LED阵列330转移热量的微通道冷却器410、集成蚀刻盖层525和固体盖层530。在一个实施例中，微通道冷却器410的宽度仅比LED阵列330稍微更宽(例如，小于大约400微米(50-2000微米范围))。在一个实施例中，微通道冷却器410的总宽度大约是LED阵列330总宽度的1.2倍(1、1.1、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4到2.5×范围)。在本语境中，计算机建模表明将微通道冷却器410的总宽度增大到接近LED阵列330宽度的两倍(2×)的宽度将峰值热阻减小了仅大约5％。

[0146] 微通道冷却器410可以包括微通道冷却器410顶表面下方的热扩散层540(也被称为散热层或热耗散顶表面)(例如，大约125微米厚(从小于500微米，小于250微米，小于200微米，小于150微米，小于100微米，小于50微米到小于25微米的范围))、多个主入口/出口微通道(例如，主入口微通道411)和各种入口歧管孔道(passage)、传热孔道和出口歧管孔道。要指出的是，在当前语境中，热扩散层540实际提供了很少真正的热扩散；不过，它确实提供了极短的热扩散长度(LED底部和微通道冷却器410的最近的传热通道(未示出)之间的距离)。本文通过引用并入的美国专利No.7836940提供了示范性传热通道、其取向、流向和尺度。

[0147] 微通道冷却器410的顶表面可以将微通道冷却器410与LED阵列330耦接。主入口微通道(未示出)可以被配置以接收流体并将其引导到微通道冷却器410之内的内部孔道，包括传热孔道。传热孔道可以被配置以接收流体并在实质上平行于顶表面且实质上垂直于各输入和输出歧管孔道的方向上对其进行引导。出口歧管孔道可以被配置以接收流体并将其引导到一个或多个主要出口微通道(例如，主要出口微通道411)。

[0148] 在一个实施例中，微通道冷却器410可以由多个蚀刻箔片(例如箔片520)形成，在该蚀刻箔片中形成有用于引导冷却剂流的内部孔道和歧管。在当前示例中，通过将组合蚀刻盖层525和固体盖层530扩散接合到微通道冷却器410来形成一体式微通道冷却器主体。如图5A所示，蚀刻盖层525的箔层优选比微通道冷却器410的箔层520更厚。在一个实施例中，可以对盖层525和530进行加工。

[0149] 在扩散接合的箔层(例如箔层520)是垂直堆叠的(并扩散接合在一起)，且其边缘位于LED底部下方的实施例中(如图5A和5B所示)，LED优选直接接合到垂直取向的微冷却器(具有或不具有镀敷，例如ENIG或ENEPIG,Superior plating，美国)，且优选两个加工的纯(C101或C110)铜块，具有镜像(匹配)宏观冷却剂流和/或冷却剂引导通道，“箍缩(pinch)”垂直搁置的蚀刻扩散接合的微通道冷却器。在一个步骤中，将每个铜块(其可以在扩散接合的箔的堆叠或固体块中或自己就是这样的堆叠或固体快)扩散接合到垂直堆叠的箔微通道冷却器410的相对侧。换言之，优选在一个步骤中扩散接合所有的箔层和块。然后优选地对所获得的堆叠进行机械切除，然后可以将组件称为微通道冷却器组件，而微通道冷却器组件的部分可以称为外盖层部分(525和530)和微通道冷却器部分410。优选在进行机械切除工艺之前以及在表面抛光工艺(例如，镀敷工艺)之前对微通道冷却器组件(例如外盖层部分525和530)钻孔。如果利用镀敷工艺来提供LED的可焊接表面和/或用于附着于优选LED顶侧上LED接合盘的引线的引线可接合表面，优选提供加工的聚合物面板，其允许有o形环槽(优选利用同样的上述分隔垫圈/o形环设计)，该o形环槽允许将微通道冷却器组件夹紧到聚合物块且在放入镀敷槽时，溶液不会进入微通道的ID。这个过程还可以允许在最终产品中阳极和/或阴极母线条304a-b被最终夹紧或被焊接到的区域中镀敷非腐蚀性表面。也可以对LED驱动器PCB 310a-b进行边缘镀敷以减少腐蚀和降低电压降。

[0150] 微通道冷却器组件可以进行淬火或退火或沉淀硬化工艺，从而可以在箔层(例如箔层520)中使用纯硬化的铜(其比Glidcop具有高大约10％的热导率)。纯铜会增强焊料的浸润(wetting)。

[0151] 在扩散接合箔层(例如箔层520)水平取向的实施例中，可以在与LED(例如，LED531)底部相同的平面中蚀刻微通道冷却器410的微通道，从而可以在箔层中蚀刻甚至加工主入口/出口微通道(例如，通道411)。可以贯穿所有或实质上所有的扩散接合箔层(例如，箔层520)形成微通道冷却器410的内部微通道，实质上与所有层共同的厚度一样深和/或在热扩散层540底部或附近停止可以被考虑

[0152] 现在参考反射体201的定位，优选将介电间隔层514(例如聚酰亚胺膜)置于反射体201的底表面和微通道冷却器410之间。这在热学和电学方面都将反射体与微通道冷却器410隔绝开，还为来自LED(例如LED 531)的引线(例如引线530)提供了空间以配合在(fit)反射体201下方并使引线的弓形(crescent)末端固定到优选含金的镀敷铜箔层513，该镀敷铜箔层是柔性电路组件510的一部分，其直接接合到微通道冷却器410。这样一来，在一个实施例中，介电间隔层514至少与引线(例如引线530)的厚度一样厚。

[0153] 使用具有捣固机(tamping tool)或者甚至毛细管工具的自动化芯片接合机(bonder)，例如奥地利的Datacon、美国的MRSI或美国的Palomar，可以以以下方式自动捣实(弯曲)引线(例如引线530)：降低引线的环(wire loop)直到其实质上平行于(甚至可能在弓形终止点之前接触聚酰亚胺层的顶部的箔层)柔性电路510-聚酰亚胺/铜箔层(也被称为导电电路材料层)。平化(flattened)的引线不接触LED(例如LED 531)的阳极表面或边缘，因为否则会导致短路。可以考虑其他人工和/或自动手段，例如在一个步骤中捣实所有引线的一个长的捣固机，或者为了该捣固的目的可以采用自身具有或不具有介电涂层的边缘反射体。这种引线弯折步骤的主要目的是允许将反射体非常接近LED放置(例如，至少在引线直径之内)，并消除与反射体201的擦伤、接触或短接。可以优选利用非成像软件工具(例如可从美国LTI Optics获得的Photopia)来设计反射体(例如反射体201)。反射体可以具有不同的工作特性，例如短到长的工作距离，或者短到长的景深。它们应当是容易更换的，因此它们是模块化的和可互换的，且它们为最终用户提供最大的操作灵活性。
在一个实施例中，反射体201的外部尺寸对于针对为不同相距(stand-off)距离而配置的反射体而言，没有实质上的变化。例如，如下文进一步所述，针对2mm焦平面优化的反射体可以与针对53、65或170mm焦平面优化的反射体具有实质上相似的外部尺寸。

[0154] 反射体(例如反射体201)可以是从丙烯酸、聚砜、聚烯烃、聚醚酰亚胺等注射成型的。它们可以被涂布具有介电增强层(美国DSI的)的铝和/或银。它们也可以是从聚合物或金属挤压成形的。应当指出，可以采用一体式反射体半部201，其在端到端(在长度上串联)放置的所有UV LED灯头模块200的整个组件的长度上延伸。这些长反射体可以在每个末端具有抛光的和带涂层的端盖。它们可以从6061Al被5轴加工，并利用金刚石和马鬃刷对其进行抛光(因为反射体可以被抛光)，并涂布有(例如)在例如(如所有以上所提到的示例)390-400nm处优化的单层MgF2或SiO2。

[0155] 本领域的技术人员可以想到任何长度的LED阵列330、反射体201和灯体305。如上所述，灯体305的一种可能长度大约为80mm。这样允许大约每侧45mil的60个LED或每侧40mil的68个LED，两者都优选分成两排，两排之间大约为15微米(5-50μm)的间隙(例如，间隙532)。可以考虑单排或多排(从1-n)的LED。甚至可以考虑沿LED阵列的长轴具有较长长度的长方形LED。沿着长轴，优选具有小于25微米(5-100μm范围)的间隙(例如，间隙533)。在一个实施例中，LED阵列330的LED之间的中心到中心距离比相邻LED的组合边缘长度长大约10到20微米。

[0156] 本发明的实施例考虑了柔性电路510的金属和介电层的总体z轴堆叠(减去介电间隔层514)，再加上在优选阴极柔性电路层513上方延伸并延伸到矩形阴极引线接合盘534的引线层厚度(每条引线的直径或每个引线条的厚度)，引线接合盘534被示为在LED的优选顶表面上的引线(例如引线530)的球接合的下方。

[0157] 在一个实施例中，总z轴堆叠并不比LED(也被称为LED层)的厚度厚太多。在本发明的各实施例中，LED层可以具有大约145微米的厚度，且厚度的范围为从大约250微米或更小、200微米或更小、150微米或更小、100微米或更小、50微米或更小到25微米或更小。

[0158] 在本发明的各实施例中，在柔性电路层510包括介电间隔层514的实施例中，柔性电路层可以具有大约7.8mil或更小的厚度，且厚度的范围为从大约20mil、15mil、12mil或更小、10mil或更小、5mil或更小到3mil或更小。

[0159] 在本发明的各实施例中，在柔性电路层510不包括介电间隔层514的实施例中，柔性电路层可以具有大约5.3mil或更小的厚度，且厚度范围为从大约10mil或更小、8mil或更小、2.5mil或更小到.5mil或更小。

[0160] 在一个实施例中，总z轴堆叠不比LED(也被称为LED层)的厚度厚太多，LED厚度可以是裸露LED或封装LED的厚度。在本发明的各实施例中，LED层可以具有大约145微米的厚度，且厚度范围为从大约250微米或更小、200微米或更小、150微米或更小、100微米或更小、50微米或更小到25微米或更小。

[0161] 在一个实施例中，光学反射体201的底表面介于发光器件阵列层顶表面上方引线层厚度的大约1-1.5倍之间。在另一实施例中，光学反射体201的底表面介于LED层厚度的大约.33-.5倍之间。这样允许反射体201紧密靠近LED的任一边缘或两个边缘或者相对于LED的顶表面来配合，由此通过如下方式保持辐照度：使由反射体201控制的发射光子的数量最大化，并使通过在反射体201下方行进而脱离反射体201的发射光子的数量最小化。将反射体201接近LED边缘定位还在高度方面实现了更紧凑的反射体。反射体201这样接近LED阵列330还允许柔性电路510的更短长度的阴极层513，这允许阴极层513较薄且仍然传输高电流却没有过大阻抗。反射体边缘距LED越远，根据公知的光学原理，反射体就需要越高。尽管可以利用更高反射体能实现稍高的辐照度，但在一些实施方式中，更高反射体可能是不切实际的。

[0162] 此外，柔性电路510制造起来比较廉价，且非常紧凑和轻薄，这样一来，很适于用于本发明实施例的语境中，在本发明的实施例中期望最小化柔性电路的金属和介电层的总z轴堆叠。美国的Lenthor是优良柔性电路厂商的示例。在一个实施例中，如下文进一步所述，柔性电路510可以在微通道冷却器组件之上延伸，并可以连接(直接或间接地)到外部DC/DC和/或电源。

[0163] 如前所述，本发明实施例的另一个新颖特征包括使用优选的扩散接合(尽管可以对层进行焊接或粘结或铜焊)的优选蚀刻的箔微通道冷却器410，该微通道冷却器410优选具有高纵横比的至少一个的短的横向蚀刻通道(跨LED阵列330的短方向(宽度))，该通道可以是热并联的且优选在长的长度上并排布置，其中冷却剂在优选实质上平行于阵列330最短尺度(通常为宽度而非长度尺度)的方向上跨LED阵列330并在其下方流动。在其他实施例中，冷却剂可以沿着LED阵列330和/或冷却器410的长度方向流动，在一些区域中它可以垂直流动(向着LED的底表面)。在一个实施例中，很多通道可以在LED底部下方流动，并非常接近LED的底部(仅通过大约125μm的铜(1-1000μm范围)分开，再加上用于将LED直接接合到公共阳极衬底317的焊接薄层)。此外，还可以考虑描述为内部传热通道的多方向的蚀刻冷却剂路径和取向(独立的或分组的)，它们平行、垂直、竖直或水平延伸(running)，连接或不连接，或者是两者的组合，相对于LED阵列330和/或LED的底表面的长度或宽度或两者的某种组合取向。

[0164] 根据一个实施例，可以对内部传热通道进行取向，使得(i)LED阵列最短尺度上的两个或更多个相邻LED在每个LED下方具有实质上独立的传热通道，且(ii)对这些通道上方的LED进行独立冷却(即，每个LED下方的通道组彼此之间或与相邻LED下方的通道组实质上没有对流相通)。因此，可以说两个或更多个相邻LED是以热并联而非热串联的形式来冷却的。如果混合实质上在LED正下方的通道流，或者如果公共通道实质上在两个LED正下方流动，会获得热串联。

[0165] 微通道冷却器410的箔层(例如，箔层520)优选实质上为铜，且它们优选具有大约1％(.1-10％范围)的交替布置的陶瓷材料，例如Al2O3和公知的Glidcop，已知Glidcop在受到高扩散接合温度作用之后仍然维持其硬度、强度和形状。现在Glidcop可以具有与钝铜几乎相同的热导率。

[0166] 在一个实施例中，微通道冷却器410被构造成对应于直接安装的LED阵列330的高纵横比的高纵横比器件。这就是说，冷却器410具有比其宽度更长的长度，其中LED阵列330沿其长度安装，冷却器410自身常常具有很多并排的短通道，且具有常常在平行于LED阵列330宽度且垂直于冷却器410长轴(最大尺度)的方向上的流动冷却剂，且冷却器410可以具有彼此并排定位的1-n个通道。可以对内部微通道进行取向，以形成与LED阵列330的长轴(长度)或短轴(宽度)之一或两者平行、垂直、水平和/或竖直的歧管。然后优选将箔(例如，箔层520)彼此堆叠(或者堆叠在一起)，每个通道优选位于相邻箔紧上方的箔上或箔中的通道下方，无论在三维空间中以任何垂直或水平或其他角度或旋转定位取向来堆叠该箔。在一个实施例中，LED被直接安装于由多个扩散接合堆叠箔分层的边缘(在箔垂直堆叠时)所形成的表面(例如，公共阳极衬底)。优选在将LED阵列330焊接到这个表面之前，首先使箔分层的边缘形成的表面平坦化。

[0167] 作为非限制性示例，可以在整个宽度上以两(1-n)排安装LED，且沿排的长度大约有50到300个LED。排的长度优选为冷却器410长度的大约90％(10-100％)或更多。亦即，LED阵列330尽可能近地延伸到微通道冷却器410的边缘。通过这种方式，在串联连接的UV LED灯头模块200中没有显著的辐照间隙(irradiance gap)。这种配置在短工作距离(～2mm)的语境中是最有益的。

[0168] 优选地，LED阵列330的LED下方延伸的内部微通道具有近似相等的流量，使得LED的结具有大致相同的温度。对于一些特殊的应用，在一些通道中流量可能不同，使得LED变得更热或更冷，尤其是在LED波长不同时，因为短波长的LED可能需要更多冷却。应当指出，并非所有实施例都需要穿过微通道冷却器的冷却剂的100％都要穿过微通道冷却器的传热通道。

[0169] 根据一个实施例，优选采用CFD来设计主体305基底中形成的主入口和出口冷却剂歧管，来依据需要增强或收缩冷却剂流，以实现微通道中的上述所期望的接近相等的流量。优选由美国的MicroVection进行CFD。可以通过使通道更深或更宽或两者兼之来实现增强，或者相反的，可以通过使通道更浅或更窄或两者兼之来实现收缩。所有这些几何形态都可以是三维的，具有简单或复合的外形或接近平直或锐利的几何形态。同样，讲到微通道，它们可以有为了平衡流动和或减少通道和LED结之间的热阻所需的不同尺寸、形状、深度、宽度、数量、中心至中心间距、蚀刻箔层的数量、曲线、突出、波浪、鸥翼等。

[0170] 图6是主体305顶部部分的分解放大等轴剖面图，且示出了图2的UV LED灯头模块200的各个层。在本示例中，LED阵列封装318包括介电间隔层514、阴极层513、介电分隔层512、粘合层511和公共阳极衬底层317。柔性电路510还可以包括阳极层(未示出)。如上所述，层511-514可以一起形成来自Pyralux系列产品的柔性电路510。在一个实施例中，柔性电路510可以不包括介电间隔层514，该介电间隔层514可以接合到反射体201的底表面，或者简单地自由浮置(floating)于反射体的底表面和柔性电路510的顶表面之间或接合到柔性电路510的顶表面。在替代实施例中，具有刚性电介质(例如，FR4，陶瓷，玻璃等)的刚挠性或刚性电路可以替代柔性电路510。

[0171] 在一个实施例中，介电间隔层514和介电分隔层512包括聚酰亚胺(例如，可从美国DuPont获得的Kapton)、PEN或PET层。阴极层513优选是铜箔。阴极层513和介电分隔层512优选形成阴极箔和电介质的集成层(在可从美国DuPont获得的Pyralux系列产品中称为“胶粘剂”)。如上所述，形成LED封装318的这些层被箍缩在阴极爪320a-d和321a-b和阳极主体315a-b之间。

[0172] 一种设计选择是对独立UV LED灯头模块进行分仓(binning)(在形成串联阵列时通常需要在同一仓(bin)之内连接灯)，相对的是在UV lED灯头模块之内对LED分仓。具有在独立UV LED灯头模块之内分仓的能力意味着不必为独立的灯进行分仓。如上所述，在于UV LED灯头模块200之内执行分仓的一个实施例中，采用柔性电路510(例如，包括电隔离(分段)的阴极层511、介电分隔层512和介电间隔层514)以潜在地独立地寻址(address)LED阵列330的每个LED(或LED组)，从而可以针对Vf、波长、尺寸、功率等对LED在1-n组中进行分仓，由此实质上降低对LED厂商仅以一个或几个仓提供LED的需要。根据一个实施例，仓可以约为.1Vf或更小，且最优选.05Vf或更小，或甚至.01Vf或更小。根据特定实施方式，LED阵列330的LED可以仅在一个或两个较大的Vf仓中，使得阵列中一个或两个长条的LED来自实质上同一Vf组。相反，仓可以紧凑到.00001Vf。在本示例中，可以减少或甚至消除柔性电路层510和或LED驱动器PCB 310a-b的分段。在生产非常大体积和或大LED芯片时可以实现这一目的，且可从厂商获得Vf接近.001或更小的大量LED。

[0173] 不过，LED驱动器PCB 310a-b和柔性电路510的分段允许通过Vf值被分仓，或根本不被分仓的很多选择。在本示例中，通过在八个柔性电路段(其中四个在当前视图中可见，即段611a-d)之内定位LED阵列330的LED将它们分成八个独立可寻址的组。在一个实施例中，通过对阴极层513光刻图样化并蚀刻掉金属箔以形成电隔离迹线(例如，电隔离迹线610)来形成段611a-d。通过激光加工、铣切(routing)或冲压(stamping)去除LED下方区域中的介电层512。

[0174] 通常，最适合的UV LED波长在大约360-420nm的范围中，最优选为～395nm。应当指出，可以在每个UV LED灯头模块200中使用混合的波长，且可以通过引线接合到柔性电路510上的阴极层513(图样化导电电路材料层)的独立导电条(未示出)来独立寻址更小的组和/或甚至独立LED或两者的某种组合，导电条(导电电路材料层)优选是光刻成像的，并利用其下方的优选聚酰亚胺(非导电层也被称为介电层)蚀刻。阴极层513通常是铜。

[0175] 根据一个实施例，分隔垫圈314(例如一体式o形环420)配合在主体305中加工或模制的槽中。如本示例中所示，加工到主体305中的槽(或压盖(gland))形状可以大致被描述为“o”形，其在拐角中具有收紧的半径，通过垫圈中间的部分沿长轴方向延伸。通过独特的箔层设计使得这种优选单平面垫圈设计成为可能：其中仅在实质上位于LED阵列330下方的部分中，而不是在实质上落在热扩散器周边区域下方的区域周围的部分中，找到用于冷却剂的微通道冷却器410的蚀刻内部孔道。这允许优选的一体式微通道冷却器组件的底部是平坦的且实质上平行于包含用于分隔垫圈314的槽的灯体305的配合部分。

[0176] 上述微通道冷却器组件的周边区域最好被解释为实质上存在于冷却剂流区域外部的区域和/或存在于优选“o”形截面密封下方的区域。这种设计的益处是避免了多个密封或具有不同z轴平面的密封。实质上，不需要三维(z轴在两个或更多平面上)配置的密封，因为更简单的平面二维(z轴在一个平面上)密封就足够了。不仅可以在扩散接合之前为扩散接合箔层(例如箔520)蚀刻出导热孔道，而且可以在本发明的实施例中蚀刻出主入口/出口微通道(例如，主出口微通道411)。于是，在将构成微通道冷却器410的箔520(例如，厚度为200微米)和构成通常没有导热孔道的微通道冷却器410的一部分(例如，固体盖层530和蚀刻盖层525)的箔接合在一起时，获得了一体式微通道冷却器组件(包括微通道冷却器410)，其具有平坦底侧，该平坦底侧用于压紧在优选一体式微通道冷却器组件和优选一体式灯体305之间存在的形状独特的密封。

[0177] 未示出的是可以跨越公共阳极衬底317顶表面的任选的一体式扩散接合的热扩散层(例如，大约.5mm厚(.1到1mm范围))。

[0178] 图7是图2的UV LED灯头模块200去除端帽后的反射体201的放大等轴视图。本视图意在例示反射体201的模块性。在本示例中，示出了四个螺钉715中的两个，其将反射体201固定到灯体305。通过简单地去除这些螺钉715，可以由具有不同光学性质的新反射体取代反射体201。在当前示例中，整体注射成型的底脚(foot)(例如，底脚716)被用作针对微型反射体(下文论述)或端盖的对准特征。例如，如果微型反射体包含磁体(其磁场相对于螺钉715适当取向)，钢螺钉715可以被用于取向、对准微型反射体和/或将其保持在适当的位置。

[0179] 而且，可以采用从反射体底部伸出到或穿过微通道冷却器410以及进入灯体或反之的定位销(locating pin)或配合的公/母特征件，以容易地相对于LED阵列330对准反射体201。这些销或配合特征件可以是注射成型反射体的一部分或注射成型(例如插入模制)灯体的一部分。

[0180] 在一个实施例中，可以使用定位销(例如销705)对准微型反射体或端盖反射体。可以使用螺钉710将端盖反射体固定到反射体201。

[0181] 示出了优选注射成型的保护外壳202，每一半可以是另一半的镜像。

[0182] 图8A从概念上例示了根据本发明实施例彼此叠加的两个宏观反射体810a-b和820a-b的截面。在本示例中，宏观反射体810a-b和820a-b具有实质上相同的外部高度和宽度，但针对不同的工作距离被优化。从制造的角度讲，具有单个深槽宏观反射体长度，然后具有针对不同焦点的不同内部曲面是有效率的，因为仅需要单个外部模具，而不同的曲线仅仅是不同的模具插件(mold insert)。

[0183] 在本示例中，针对53mm的焦平面840优化宏观反射体810a-b，针对2mm的焦平面830优化宏观反射体820a-b。图示的每个弯曲部分都是另一个的镜像(假设它们具有相同的焦距)，且代表完整椭圆形、抛物线和/或两者组合的一部分。抛物线是椭圆的特例，一般用于准直光。

[0184] 椭圆具有两个焦点，主焦点和次焦点。在当前示例中，主焦点在LED平面870中，且次焦点在工件平面830或840中。

[0185] 在本发明的各实施例中，反射体810a俘获并离开LED阵列的边缘光线811(代表由反射体810a俘获的第一光线)和最后光线(未示出)界定了大约在60到89度，优选80到85度之间的角范围850，由此(利用简单化2维分析)例证了，53mm的宏观反射体810a-b控制了超过大约80％的离开LED阵列的光子。事实上，3维计算机分析表明，深槽反射体设计(在端盖(例如端盖207a-b)在适当位置时)控制超过90％的离开LED阵列的光子。角范围越大，对离开LED的光子的控制越大。因此，可以增大角范围，但需要考虑针对反射体尺寸(长度和宽度)的实际问题。

[0186] 参考图8B，能够看出，离开LED 850a和850b并从反射体820a反射的边缘光线821a-b(分别代表由反射体820a俘获的第一光线和由反射体820a俘获的最后光线)界定了大约在65到89度，优选82到87度之间的角范围860，由此(利用简单化2维分析)例证了，2mm的宏观反射体820a-b控制了超过82％的离开根据本发明实施例的LED阵列的光子。事实上，3维计算机分析表明，这样的深槽反射体设计(在端盖(例如端盖207a-b)在适当位置时)控制超过96％的离开LED阵列的光子。

[0187] 图9示出了针对2mm焦平面940优化的宏观反射体910的一部分，其中反射体的每侧都具有焦点920，焦点从根据本发明实施例的工件(未示出)上的聚焦光束930(具有大约7mm的总图样宽度和大约.65cm的高辐照度中心部分)的中心线931偏离。如图中所示，在这样的配置中，来自右侧反射体反射的光线从中心线931左侧向内向中心移动，而从左侧反射体反射的光线从中心线931右侧向内向中心移动。通过这种方式，两组反射光线重叠以生成高辐照度光束930。计算机建模表明，与两组反射光线不重叠相比，辐照度水平高大约10％。要指出的是，在一个实施例中，在更长的焦平面距离(例如～53mm)处，在距焦点+/-3mm的平面处，辐照度没有显著损失(小于5％)。

[0188] 图10是示出了针对各种通道宽度估计的对流热阻的曲线图。本图图解示出了热阻随着独立微通道宽度减小而线性减小。要指出的是，本发明的实施例通常使用宽度小于.1mm，常常小于.05mm、.025mm或更小的通道。在另一个实施例中，还考虑了迷你通道，其可以比.1mm(直到大约.5mm)更宽。这与现有UV LED灯器件中使用的通道宽度形成对比，例如由Phoeseon(美国)和Integration Technology(英国)制造的那些器件，它们被认为使用了大约.5mm或更大的宏观通道。

[0189] 从该曲线图可以看出，在其他一切都相等的情况下，由.55mm通道减小到.025mm通道所造成的热阻数量级(order of magnitude)降低本身会导致LED结温度的数量级降低。不过，其他一切并不是相等的。如发明人当前理解的，现有技术仅有一个与热学相关的因素对其有利。这个因素是对于低亮度、低填充因数(LED充填密度)阵列的使用，其扩展了热源并导致低的热密度，其对于相同的结温度需要相应更低的传热系数。

[0190] 由于LED的底表面和导热孔道(微通道)之间的最小厚度(通常大约为125μm(5-5000μm范围))，本发明的实施例通过铜衬底使体热阻损耗最小化。

[0191] 图11是示出了针对各种结温度的输出功率的曲线图。本图示出了UV LED的效率随着结温度升高而严重下降。结温度从20上升到88摄氏度，发现效率下降40％。相比一些更长波长的蓝色和绿色LED，UV LED对热要敏感得多。因此，期望使用优异的热管理，以便保持低的结温度，以实现长寿命并保持合理的效率。

[0192] 根据本发明的实施例，即使工作在超过2.5A/mm2的电流密度，有时超过3A/mm2的电流密度，也获得了大约40-45摄氏度的LED结温度。可以将这种情况与Phoseon and2
Integration Technology的UV LED灯头对比，后者可能工作于低于1.5A/mm的电流密度，且LED间隔远得多(低填充因数/低充填密度)，这当然导致更低峰值辐照度和传输给工件更低的总能量。

[0193] 图12是曲线图，示出了根据本发明实施例具有针对2mm焦平面优化的反射体的UV LED灯头的辐照度轮廓。根据本示例，利用大约.65cm的输出光束图样宽度实现了大约2 2
84.8W/cm的最大(峰值)辐照度，且在输出光束图样的整个宽度上产生大约31.6W/cm 的平均辐照度，且在每cm输出光束图样长度上产生大约20.5W的总输出功率。这一示例是利用计算机模型产生的，其中假设使用SemiLED的～1.07×1.07mm LED，其中每个LED在
350mA产生300mW的输出。要指出的是，本发明的实施例可以在大约.75W到1.25W在更高电流(例如大约2.5A或更高)下运行每个LED。

[0194] 图13是曲线图，示出了根据本发明实施例具有针对53mm焦平面优化的反射体的UV LED灯头的辐照度轮廓。根据本示例，利用大约3.65cm的输出光束图样宽度实现了大2 2
约24W/cm的最大(峰值)辐照度，且在输出光束图样的整个宽度上产生大约5.9W/cm 的平均辐照度，且在每cm输出光束图样长度上产生大约21.7W的总输出功率。这一示例是利用计算机模型产生的，假设使用SemiLED的～1.07×1.07mm LED，其中每个LED在350mA产生300mW的输出。要指出的是，本发明的实施例可以在大约.75W到1.25W在更高电流(例如大约2.5A或更高)下运行每个LED。

[0195] 根据一个实施例，其中在UV LED灯头模块之内集成LED驱动器，可以使用为高容量“服务器农场”设计的现成AC/DC电源。示范性前端电源可从美国的Lineage Power获得，即型号为CAR2512FP的2500W系列电源。优选的电源是Power-One LPS10012V 1100W单风扇服务器电源，它们是高效率铂额定前端AC/DC电源，具有功率因数补偿，可以电并联，并具有GUI i2C界面，可用的Lineage电源具有接合了这些现成(OTS)单元中四个的子系统。在2011年，这些Lineage单元将是类似的，但具有传导冷却(无风扇)。

[0196] 根据本发明的实施例，除了冷却集成驱动器之外，还可以有利地采用冷却水通过简单地以热沉运行(running)冷却剂管线来冷却这些电源，其中该热沉与需冷却的电源的元件(或底板)相通。理想的是降低这些Lineage电源，因为它们在其最高功率的百分比处效率更高。通过非限制性示例，利用～15个驱动器以～40安培和～4-5伏运行每个PCB，会使用可用的～10000W的大约60％。理想地，针对～50A或更大以及～5.5V设计在现在和将来具有一定净空(headroom)的器件，通过非限制性示例，在将来期望在所有四个侧面的每个上具有大约～1000-1200μm见方(尽管它们可以是任意尺寸和形状(例如矩形)、或更大尺寸(例如每侧～2000μm或～4000μm或更大))的优选～16个LED，其仅在每个LED～3A或每组～48A的电流下工作。在一个实施例中，每个PCB 310a-b上的灯体305后侧附近的阴极母线条313a-b可以延伸接近优选～300mm长的板(未示出)的长度并且焊接盘延伸接近PCB的长度。在一个实施例中，阴极交叉板375代表跨阴极母线条313a-b固定的连杆，该连杆为从UV LED灯头模块200延伸到AC/DC电源的优选单个主阴极线205提供有效附着点，优选以与从UV LED灯头模块200的优选恒流(CC)DC PCB板延伸到优选连接到AC电源干线的电源的优选单个主阳极线(具有大AWG范围～1-10的芯，且优选为～2AWG的芯)有点类似的方式，以为LED赋予高效率的电源，且具有优选小于10％的小脉动以使LED寿命最大化。在PCB上，可能有-15CC驱动器的上述非限制性示例的一些共享部件，因此对可以不必隔离其阴极的-15个分立部件没有明确要求。再次要指出的是，1-n个阴极和阳极电缆可以利用来自1-n个电源(power supply)和电源干线(main)的电能来为灯供电。优选为每个灯使用四个Lineage USA 2500W电源，并出于效率的原因在降低的功率下运行它们。它们能够具有用于～4个电源的公共后端。具有或不具有后端，都可以考虑每个灯四个分立的阳极和阴极线/电缆，以允许使用更小直径的电缆(methode/cableco，美国)和或更大电缆和更少电阻损耗。

[0197] 鉴于上述内容，能够看出，本发明的实施例是在密集分布的LED阵列(也称为高填充因数阵列)上做出预测的，因此可以获得最大亮度。这就是说，每立体角每单位面积的光功率是最大化的，因为在本语境中可以将亮度粗略定义为每立体角每单位面积的功率。这种高亮度还接近线性地与热通量/热需求相关，因为来自电光功率转换的废热随着阵列密度增加而变得更加密集。本发明的实施例优选利用填充因数等于或大于90％(但具有
30-100％范围)的LED阵列。根据本发明的实施例的高填充因数阵列的应用导致大约为
2 2
1000W/cm或更大(范围在100-10000W/cm )的极高且密集的热负荷。这种高热通量是高亮度(即，LED彼此非常接近(1-1000μm)，工作在每平方mm2-3或更大安培的电流下(.1到
100A范围))的人工产物，这导致极高的热通量需求，当然会伴随着对于极低热阻的冷却技术的需要，这种技术组合了非常高的冷却度(例如，对流冷却和/或传导冷却(例如LED和流动气体或液体之间的薄且高传导性层))以实现优选低到40摄氏度或更低的结温度，以在极高输出功率下实现寿命长和高效率操作。

[0198] 现在参考图14A-D描述UV LED灯头模块1400的替代实施例，其中LED阵列由多组电并联的串联LED构成。图14A是根据本发明替代实施例的UV LED灯头模块1400的等轴视图。图14B是图14A的UV LED灯头模块1400的侧向分解视图，示出了灯头模块1400子系统的未装配部件及其相应部件。图14C是图14A的UV LED灯头模块的后向分解等轴视图，示出了后面的连接。图14D是根据本发明实施例的柔性电路子系统1450和冷却子系统1470的分解视图。

[0199] 在本示例中，灯头模块1400包括反射体子系统1460、柔性电路子系统和发光子系统1450以及冷却子系统1470。这些子系统一起工作以发射UV光，该UV光旨在用作材料(例如，但不限于油漆、涂层、墨水、胶粘剂、分层等)固化(例如光化学固化)机构。冷却子系统1470(包括微通道冷却器1401和灯体1404)旨在冷却发光子系统的发光元件(例如LED阵列、激光二极管等1407)，以实现高功率密度光输出。冷却系统1470还可以包括用于将灯头模块1400或多个灯头模块(未示出)安装到外部器件(例如外部框架、支架或机架)的装置(例如，安装接口1475)。这样的机架提供了将灯头模块集成到制造、印刷或其他工艺的装置。

[0200] 反射体子系统1460由反射体对1418、反射体端盖对1417、光学窗口1421和磁性窗口底座1424构成。可以通过螺钉1427将反射体1418接合到反射体端盖1417，以形成内部反射腔(未示出)，其用于聚焦(优选根据非成像物理原理)由发光子系统发射的光。内部反射腔的内表面(未示出)是高反射的。根据一个实施例，高反射率是通过内表面的抛光和涂层的组合来实现的。

[0201] 窗口1421被放置于反射腔顶部并通过窗口底座1422和磁体或螺钉1423的阵列来被固定到适当的位置。

[0202] 通过一系列定位销30将反射体子系统1460附着于冷却子系统1470，并通过安装螺钉固定到适当的位置，在反射体子系统1460和冷却子系统1470之间插入柔性电路子系统1450。任选地，可以在反射体子系统1460紧下方放置间隔体层(未示出，参见图16B)，以提供调节(例如，z高度调节)并辅助装配工艺。

[0203] 在冷却子系统1470的灯体之内形成主出口灯体冷却液通道1461/1462和主入口灯体冷却液通道1461/1462。

[0204] 微通道冷却器1401凹进灯体1404的凹穴(pocket)1434中。这一凹穴1434允许柔性电路1403(其可以接合到微通道冷却器1401顶部并在微通道冷却器1401的一个或多个侧面上方延伸)在灯体1404边缘1435附近平滑弯折。可以如上文所述参考图4A-C和图5A-B来构造微通道冷却器1401；不过，在本示例的语境中，微通道冷却器1401不需要是导电的。如上所述，可以从加拿大Huntington Beach的Micro-Cooling Concepts获得满足本文所述冷却要求的微通道冷却器。

[0205] 如下文更详细所述，在一个实施例中，柔性电路1403是优选包含具有相反极性的两个导体的多导体柔性电路。柔性电路1403具有关于其沿LED阵列1401长轴的长度与LED阵列/基座组合的高度的高纵横比。这样允许大量电流流向紧凑z高度厚度堆叠的LED阵列1407。该LED/基座的堆叠几乎与柔性电路堆叠(如图16B中所示)和任选的自由浮置未附着间隔层相同，该间隔层弥补任何z高度差或有意地增大z高度差，并为反射体子系统1460的底部建立基底。

[0206] 在图示的示例中，柔性电路1403中的细长开口1440(例如，空隙、窗口、间隙、孔部(hole)或孔)用于双重目的：使阳极和阴极接合盘以低厚度(高度)接近LED和基座1406，还可以在基座1406被焊接到适当位置时充当机械引导。美国的Indium Corp.of America提供了熔剂(flux)(例如WS-3622)和含铟的预制品其两者，该预制品可以具有大约3％的银，以实现更好的浸润和预制品刚性。细长开口1440可以是矩形或任何其他几何形状。

[0207] 在图示的实施例中，柔性电路1403本质上形成于边缘1435上方，在柔性电路1403中的电流的流动本质上从实质上平行于LED阵列1407的p-n结平面的平面重定向到实质上垂直于p-n结平面的方向。柔性电路1403配合在反射体子系统1460下方并通过盖1415进一步被保持在适当位置。齐纳二极管(例如，可从美国Littel Fuse，,Inc.获得的齐纳二极管1402)被示为在柔性电路1403之内形成的凹穴(例如凹穴1436)中，并根据常规表面安装技术(SMT)制造技术通过镀敷通孔(plated through hole)焊接到适当位置并连接到柔性电路1403的阴极层。如上所述，灯体1404可以是加工的或注射成型的或某种组合。

[0208] 柔性电路子系统1450通过硬件1426连接到冷却子系统1470。根据一个实施例，利用可从纽约Lancaster的Apple Rubber Products获得的定制形状O形环1405在微通道冷却器1401和灯头模块1400的灯体1404之间生成流体紧密密封。销1428将反射体子系统1460定位到冷却器子系统1470。

[0209] 在本示例中，灯体1404提供用于进入和返回两者的流体冷却路径以及将所有子系统配合和固定在一起的机械结构。冷却液从连接到灯体1404的入口管路1420进入灯体1404，其中入口管路1420通过入口管路夹1432和其相关的硬件1431连接到灯体1404。流体从流体的入口容器通过微通道冷却器1401流动，在微通道冷却器1401处流体被LED阵列1407所产生的废热以发热形式来加热。该被加热的流体然后通过排出集气室(典型地具有相同几何形状)行进到出口集气室，在出口集气室处该被加热的流体然后经由出口管路返回到冷却装置(未示出)(例如，冷却器、热交换器等)。可以以与入口侧大致相同的方式将出口管路固定到灯体1404，但使用配置不同的(例如，键固定)夹具1416。

[0210] 利用硬件1424将盖1415安装到灯体1404。盖1415覆盖并保护柔性电路1403和柔性电路子系统1450的接线器(wire connector)。盖1415还保持柔性电路1403的形状。

[0211] 在一个实施例中，灯体1404具有整体突出(例如，入口夹1432)，其中入口软管1420被推到该突出上。可以为出口软管提供类似的连接。优选地，采用系留(captive)和/或键固定(keyed)加工的软管夹(例如，1432)。键固定的位置防止软管夹发生不期望的旋转，且紧固特征使得安装软管的麻烦程度远远降低。软管夹可以优选具有“t”形槽，其可以被引线放电加工(EDM)且优选具有120度的分离，以达到更均匀的软管夹动作。

[0212] 图14D中示出了阴极电极1413和阳极电极1412。这些电极在它们自身和灯体1404之间夹紧或夹层(sandwich)柔性电路1403。在每个电极下方是柔性电路阳极层或柔性电路阴极层的暴露区域，从而影响相应电极和柔性电路表面之间的电接触和连续性。

[0213] 在本示例的语境中，柔性电路子系统1450优选包括高密度的LED阵列1407、多层多导体柔性电路1403、微通道冷却器1401、静电放电(ESD)保护器件1402、电源电缆1421和电力回流电缆1422。电缆附着于其相应的电极(例如安装块)1412和1413。这些安装块将每条电缆连接到柔性电路1403中其相应的导体层。这样使得电能能够从远方的电源(未示出)经由电缆1419和1420行进到灯头模块1400并通过柔性电路1403到达LED阵列1407。

[0214] 根据一个实施例且如下文更详细所述，LED阵列1407由并联放置的多个(例如三个)串联LED阵列的较小阵列构成，多个较小阵列的每个(每个“组”)包括多个(例如十二个)LED。在一个实施例中，通过将焊接且将LED引线接合到基座1406来构造这些较小的阵列。

[0215] 沿基座1406在长的方向上布置LED以形成LED阵列1407。第一个LED的最后边缘接着下一个LED的开始边缘，等等(例如，以边缘靠边缘来放置)。在一个实施例中，在任何两个LED之间，没有居间的金属化件和/或接合盘或电路迹线材料。这样允许将LED彼此尽可能接近放置，由此通过使LED之间的无效(dead)空间最小化来使沿LED阵列1407长方向上的发光区域最大化。如果在LED之间有细长的接合盘、引线接合盘区域和/或电路迹线金属化件，那么需要将LED分开更远放置，这会影响(compromise)沿LED阵列1407长方向的发光面积。在一个实施例中，期望在最小区域-长度×宽度-中使发光表面最大化。而且，细长反射体的半部(half)/蛤壳也采用高纵横比-长度比宽度更长-来控制工件图样上的发射光子，该图样优选与发射区域具有相同的几何形状，目的是消除边缘附近的散射光子(也称为模糊)。

[0216] 在各实施例中且如下文更详细所述，对于LED阵列1407的每组来说可以有三种不同的引线接合连接。例如，可以在柔性电路1403的正功率路径层(也称为电源或阳极)和组中的第一个LED的阳极盘之间实现引线接合连接(例如，引线接合1708)。第二种引线接合类型(例如引线接合1709)发生在组中的每个LED中(该组中的最后一个LED例外)，其将LED阴极盘接合到基座1406上的杆，这会将LED阴极盘电连接到该组中下一个LED的阳极。最后一个LED的阴极盘通过第三种引线接合(未示出，参见图16C的引线接合1710)连接到柔性电路1403的阴极或返回层。在图16C和图17D-F中更详细示出了引线接合1708、1709和1710。

[0217] 根据一个实施例，将多组串联的LED边靠边地放置成一条线，以生产高密度阵列。在一个实施例中，从电学上讲，LED阵列1407是多个(例如三个)并联路径的阵列，每条并联路径包含多个(例如十二个)串联连接的LED。

[0218] 根据一个实施例，利用薄的焊料预制品1410(大约20微米或更薄)将基座1406接合到微通道冷却器1401，以使LED和通过微通道冷却器1401流动的冷却液之间的热阻最小化。

[0219] 根据一个实施例，LED阵列1407由3组12个可从台湾SemiLEDs获得的通过引线电串联的80mil×80mil LED构成。用引线将该3组进行电并联。根据该特定实施方式，可以使用更多或更少的并联组，且串联LED组的每个还可以包括多于或少于12个串联的LED。LED阵列1407的独立LED可以是大芯片种类，其每边大约为2019μm(80mil)，且为145μm厚。在一个实施例中，可以在可从CA Santa Barbara的Inlustra Technologies，Inc.获得的天然GaN衬底上沉积发射UV光的薄膜材料(例如GaN)。这会实现极端的电流密度，例
2
如每mmLED芯片区域3+安培，且具有很少的电流低垂或没有电流低垂，电流低垂是沉积在异质(foreign)衬底(例如蓝宝石、SiC)上的GaN薄膜器件所共有的。极端电流密度的其它实现原因有：GaN和GaN之间接近完美的晶格匹配以及GaN的高热导率。这种极端的电流密度产生极端的热通量，如在本文所述的各实施例的语境中所述的，利用微通道冷却器能最好地管理和/或改善这种情况。

[0220] 根据一个实施例，LED阵列1407的长度与宽度的纵横比优选为1：36，但其范围可以是1：5-1：1000。

[0221] 在每个基座(例如，基座1406)上示出优选12个(范围可以是1-100)串联的LED。可以对并联LED的组进行分仓，使得每组全都具有大约相同的阻抗，以减小有害的电流错乱效应(current hogging effect)。加载平衡电阻器是实现阻抗匹配的又一种手段，以(再次减小电流错乱组的机会)，但预先分仓可能是明显更好(elegant)的且成本有效的。来自Texas、Plano的GE/Lineage，CP200的现成电源是用于为本实施例的UV LED灯供电的优选AC-DC电源(也称为整流器)。该电源当前可以被提供作为效率为～97％的2000或2700W单元。它还具有非常紧凑的形状因数，具有极其稀有的大输出电压摆动。该大输2
出电压摆动允许通过仅使用0-5V的输入控制将3组12个LED从大约具有3A/mmLED电流密度的全功率的100％下降到可能是全功率的0-75％的水平。因此，不需要笨重、昂贵且效率低的DC-DC变换器，且可以依赖于可从GE获得的紧凑的、长寿命的(2M小时的MTBF)电源(整流器)的全部效率。

[0222] 现在参考图15A-D描述基座1406。图15A是根据本发明实施例的基座1406的俯视图。图15B是图15A的基座的等轴视图，示出了基座1406顶表面的凸出(raised)的传输大电流的电沉积特征。图15C是图15A的基座1406的边缘视图，示出了根据本发明实施例的基座1406的各层。图15D是图15A的D部分的放大图，示出了一组串联LED阵列中两个中间LED的接合盘1511和1512的独特联锁几何配置。为了准确和清楚的目的，示出了焊料屏障1530，但它是最顶层，且电流在其下方流动。尽管为了简洁起见，下文可能仅描述单个基座，但将要理解，根据本发明的实施例可以将多个(例如3个)基座进行电并联。

[0223] 根据一个实施例，基座1406具有两个主要功能：(i)提供用于将串联组之内的一个LED电连接到串联组之内下一个LED并在每组开始和结尾处将一个LED连接到柔性电路1403(在图17F中更详细示出了柔性电路1403的连接)的装置；以及(ii)为LED提供空间精确的几何基座，该几何基座将LED定位并形成为高的纵横比的线性阵列。

[0224] 将LED阵列1407的LED焊接到基座1406接合盘部分(例如，接合盘部分1511)上大约5微英寸的金层。本领域的技术人员将认识到，将LED固定到接合盘的其他各种手段也是可能的。例如，可以使用环氧树脂的扩散接合来固定LED。

[0225] 根据一个实施例，所使用的焊料是沉积在LED底表面上的SnCu。或者，可以使用可从美国Indium Corp.获得的糊剂(paste)，其可以使用熔剂载体(flux carrier)(例如WS-3622)来附着到LED。在又一实施例中，可以使用焊料预制品。

[0226] 返回到本示例，在接合盘区域1511之下的薄金下方(如下文参考图15C进一步所述)是Ni扩散阻碍和Ti粘附层。最后，具有形成联锁L形结构(例如，1510和1520)的厚的(例如1到2mil)铜电流传导层，其厚的“臂”部分(例如，1511和1521)完全在LED的焊接部分之下延伸并在附近延伸以形成电流迹线(例如1513和1523)和引线接合盘区域(例如，1512和1522)，它们共同代表其相应L形结构1510和1520的“杆”。在一个实施例中，基座1406包括在相反取向上的多个交替的L形结构。可以以联锁布置在基座上构图L形构图电路材料层，其中多个L形构图电路材料层的相邻L形构图电路材料层的杆部分位于阵列的相对侧且实质上彼此平行延伸。

[0227] 由于L形铜电流传导层1510的杆部分1512作为引线接合区域来工作，以形成可靠的引线接合，期望具有更厚的125微英寸的金。而且，期望避免焊料蔓延或流动到接合盘区域(例如，1511和1521)上。因此，在一个实施例中，焊料坝或焊料阻挡(例如，焊料阻挡1530)如下实现的：从细长部分开始处的接合盘1511的直角边缘向引线盘迹线区域延伸大约2mil。这种焊料坝优选是TiW，TiW是在将基座切割成独立芯片之前通过掩模溅射到晶片上的。这种焊料坝起作用是因为TiW容易在空气中氧化，且焊料将不会跨氧化表面流动。

[0228] 尽管接合盘(例如1511)、电路迹线(例如1513)和引线接合盘区域(例如1512)全都实质共享同一一体式导电电流传输层(其本质上为由“L”描述的同一几何形状)，但仍然可以将接合盘区域视为细长，因为它在实质上位于LED下方的区域之上延伸。该细长形状与LED阵列1407以及基座阵列的长轴正交，基座自身以细长图样边靠边地排列。

[0229] 电路迹线(例如1513)沿着LED阵列1407的长轴伸长，因为它不仅横贯该阵列中每个LED的最后边缘和开始边缘之间的间隙，而且还横贯最后边缘和开始边缘之间的距离，因此电路迹线比LED边缘更长。电路迹线的该细长部分是“L”形状的长薄“杆”。独立电路迹线(例如电路迹线1513)的长度包括LED边缘之间的距离加上LED边缘自身的长度，优选具有大约8:1的比例(范围为4：1到16：1)。电路迹线优选具有优选为50微米(2mil厚)的厚度(包括所有层，无论是粘附层、电流传输层或保护层)(范围大约10到100微米)，且宽度优选至少为250微米(10mil)宽(范围50到500微米)。在一个实施例中，截面大约为5：1，但可以在2：1到20：1的范围中。

[0230] 由于本发明的实施例涉及高电流通量器件，所以通常使用充分导电的材料(例如铜)来传输电流而没有过多的电阻损耗。在常规串联电路布局中，从一个LED到下一个LED的电流常常是通过小引线传输的，常规上该小引线被接合到一个LED的顶表面，然后接合到下一个LED的扩展(或细长)接合盘，而接合盘与该下一个管芯的底表面电相通。如前所述，这种常规串联电路布局可能占据沿细长阵列的长度的不期望量的不发射光子的区域(非发光区域)。因此，在一个实施例中，并非使用引线在LED之间传输电流，而是使用平行于LED阵列1407的外缘(例如，参见图18C的1801)的电路迹线。

[0231] 根据一个实施例，基座1406由衬底材料(例如，氧化铍(BeO))构成。在一个实施例中，将这个层保持得尽可能合理地薄，以使热阻最小化，同时仍然保持可制造性。在本示例中，BeO晶片的底表面可以由三层构成：(i)钛粘附层1506b、防止吸收和扩散的镍阻挡1504b和提供可焊接表面的闪金(gold flashing)1502b。这些层允许焊料接合到金层和微通道冷却器1401。

[0232] 晶片的顶表面具有另一个隔离阻挡，其顶部具有铜层1505。铜层1505的作用几乎与传统印刷电路板上的铜蚀刻相同，提供电迹线和形成在其上可以安装部件的盘。在一个实施例中，选择铜层1505的厚度，以使热导率最大化，并使电阻最小化，同时保持合理的生产成本。铜层1505的顶表面涂布有镍阻挡1504a，以防止以上金涂层的扩散。在施加焊料1699的区域中，可以施加SMT部件(在这种情况下为LED的阳极盘)和薄的闪金1502a。在要连接引线接合的区域中，可以施加更厚的金盘1501。在不期望有焊料的区域中，存在TiW的绝缘或焊料停止层1503。在一个实施例中，焊料停止层1503被用作“焊料坝”。焊料停止层1503还有助于确保LED保持在接合盘的中心，且在焊接过程期间不会漂浮，同时通过下方的铜层1505维持与其他盘的电连续性。通过这种方式，所有顶层可以被形成为生成多个(例如十二个)电隔离部分-该组中每个LED一个。

[0233] 在一个实施例中，为了保持接合盘和电路迹线区域之间的电连续性，它们是一体构造的。可以经由光刻工艺在天然基座晶片上制造这种构造，该天然基座晶片优选是BeO或从优选既导热又电绝缘的材料组(例如AlN、金刚石、硅、GaN等)中选择。

[0234] 在本示例的语境中，可以由常规的溅射装置，通过掩模溅射第一金属种层，该掩模具有沿基座1406的长轴上反复出现的联锁“L”形图样。该图样是通过电镀敷工艺形成的。优选高度导电的金属，例如铜。种层可以具有被首先溅射的粘附层(例如钛1506)。在厚的，优选铜的层被电镀敷之后，通过溅射或电镀敷装置来沉积扩散层1504a(例如镍)。最后，可以通过溅射器或电镀敷装置来沉积保护层1501。该保护层通常是溅射的贵金属，例如银或金。通常采用这些金属，因为引线通常并且容易地接合到这种保护层1501。该保护层还防止电流传输层1505的氧化。在本发明的一个实施例中提供焊料坝(或焊料阻挡)(例如焊料阻挡1503)层。它将接合盘区域1511与电路迹线/引线接合区域1513分开，并防止管芯下方的焊料1699(接合盘顶部上)迁移到引线接合可以被固定到的区域(引线接合盘区域)中或上。该区域中的焊料会对引线接合可靠性具有不利影响。优选通过掩模，由溅射装置沉积焊料坝(例如焊料坝1503)，且其优选是高度氧化材料，例如TiW。

[0235] 在图15D的语境中，两个示范性电隔离L形结构带阴影1510和1520。阴影L形结构1510和1520的每个表示一个臂(接合盘)和杆组合的电连接布局。焊料坝(例如焊料坝1530)。这种独特的几何形态允许将LED置于阵列中，它们之间的空间具有绝对极小值。这种密度允许利用最小的空间获得异常的功率输出。它还允许利用最小的使用空间从LED有效率地移除热量。

[0236] 如上所述，接合盘区域1511和引线接合/电路迹线区域1513之间的焊料阻挡1530防止接合盘和LED之间的焊料扩展到引线接合区域1513上并污染该表面，这可能会干扰引线接合。优选通过溅射高度可氧化的金属或金属组合，例如TiW来沉积焊料坝1530。
TiW将容易氧化，由此防止任何焊料在其上扩展。根据该特定实施方式，TiW的厚度可以在埃或纳米量级上。

[0237] 现在参考图16A-C描述柔性电路1403。图16A是图14B的柔性电路1403的俯视图。图16B是图14B的柔性电路1403的等轴分解视图，示出了根据本发明实施例的柔性电路堆叠的垂直构造及其相对于微通道冷却器1401的位置和取向。图16C是图14B的柔性电路1403的截面，示出了组装之后堆叠的各层。

[0238] 在本示例中，柔性电路1403是多层柔性组件，其由两个电隔离层和关联的聚酰胺隔离层和粘合层构成。柔性电路1403的顶边缘上有阳极盘1601，如阴极盘1602那样。例如通过从期望区域中的堆叠去除层以上的所有材料，这些接合盘区域向适当的铜导电层提供用于牢固电接触区域的相应引线安装。可以以相同的方式从一系列的三个阳极引线接合盘1603和阴极引线接合盘1604上方的区域去除材料。这些暴露的铜区域可以涂布有镍阻挡并闪金，以提供可焊接的表面。在一个实施例中，柔性电路1403还提供了用于ESD保护的接合盘对和安装区域1605。在图示的配置中，存在六个这样的区域。每个区域都具有阴极和阳极盘，且位于上方导电层上。另一个层通过系留镀敷通孔式过孔(captive plated through-hole via)连接到与层的其余部分隔离的盘。

[0239] 根据本示例，柔性电路1403的中心包括由介电材料(例如可从DE,Wilmington的Dupont获得的Kapton)形成的电隔离聚酰胺芯1615。在一个实施例中，铜层在这个芯的底部上额外地生长，并形成阴极导体层1614。可以向芯的顶部应用相同的工艺，且该层形成阳极导体层1616。铜的厚度可以变化，但应当尽可能的厚，以最大化电流传输容量，同时仍然保持适当的弯曲半径，以在总体上适应灯头模块的几何约束。理想地，所有其他层应当保持最小的可制造厚度，以不会进一步降低柔性电路1403的柔性。

[0240] 在本示例的语境中，在阳极层1616表面的顶部放置粘合层1617。其目的是允许柔性堆叠顶表面上的聚酰胺保护覆盖层1618。在期望通往阳极导体的区域(如图16A所示)中去除这两个层。向具有粘合层1613和覆盖层1612的阴极导体层的暴露表面应用相同的工艺。

[0241] 可以施加大致为微通道冷却器1401尺度(dimension)的粘合层1610以在最后的层压工艺期间将微通道冷却器1401接合到柔性电路1403。

[0242] 参考图16C，应当指出，如果将宏观反射体设置于LED的发射层上方过高处，输出效率将受到影响，因为光子将会入射到反射体的底表面而并不进入宏观反射体的入口孔。反射体对于由LED发射的光子的有效俘获被称为俘获效率。入射在反射体底侧的光子将会被浪费，并且它们将仅仅使反射体变暖，不会作用于工件上。另一方面，如果将宏观反射体设置得过于接近LED的发射表面，有可能其会接触引线并造成短路、ESD或寿命问题。这样一来，在一个实施例中，利用间隔层1611将反射体的基部定位在距LED阵列1407的发射表面的精确的、期望的距离处。根据一个实施例，反射体对的进口孔位于LED阵列1407的发光表面上方或下方0到25微米(0-250微米范围)内。要指出的是，在本示例中，间隔层
1611并没有延伸到其它层那样远，以避免不必要地增加弯折区域的厚度，增加弯折区域的厚度会使在灯体边缘弯折柔性电路1403变得更加困难。

[0243] 尽管在本示例中，柔性电路1403被示为包裹在灯体1404的一侧，但在替代实施例中，阳极和阴极层之一或两者可以包裹在两侧，且阳极和阴极层可以在两侧之间都是连续的或在两侧之间具有电不连续性。

[0244] 参考图17A-17F，现在将描述LED阵列1407的新颖特性。图17A是根据本发明实施例组装到柔性电路和微通道冷却器的LED阵列的等轴视图。图17B是图17A的LED阵列的俯视图。图17C是图17A的截面A的放大图，示出了图17B的LED阵列的一组串联LED的引线接合连接。图17D是图17B的截面AA的另一放大图，示出了一组串联LED的第一个LED。

[0245] 在本示例的语境中，每个LED或封装都被构造有在LED或封装下侧上的阳极盘1701，用于SMT焊接和放置。阴极盘1702(图17E中所示)位于朝向LED公共边缘的顶表面上。阴极盘1702被设计优选用于被固定的引线接合球。具体而言，附着为在LED表面上终结引线接合的引线接合的底脚或楔形末端会需要太大的向下压力并损伤LED的外延层。引线1709的阳极底脚1799被固定到阳极迹线形成区(在这里迹线形成引线接合盘)的杆。
这两个盘为LED提供了电连接。图17B示出了LED的替代取向。该替代取向便于高密度阵列的形成，因为相对于现有技术的配置而言，它允许LED之间具有最小电阻的串联配置。

[0246] 图17C是图17A的截面A的放大图，示出了用于一个基座和下一个基座开始的引线接合连接，该下一个基座与第一个基座电并联。还示出了ESD保护器件，在这种情况下为SMT齐纳二极管。

[0247] 图17D是图17B的截面AA的另一放大图，示出了一组串联LED的第一个LED和阳极到柔性电路的引线接合(例如引线接合1708)，该引线接合具有开始于基座的焊球以及连接到柔性电路1403的阳极盘1603的尾部。

[0248] 图17E是图17B的截面AB的另一放大图，示出了一组串联LED的中间LED和通往基座引线接合1709的LED阴极盘1702。在一个实施例中，每个LED具有四个这样的阴极盘1702和引线接合。

[0249] 图17F是图17B的截面AC的另一放大图，示出了一组串联LED的最后一个LED。示出了示范性LED阴极盘到柔性阴极盘的引线接合(例如引线接合1710)。在一个实施例中，这些是系统中最长的引线接合。应当仔细使其长度最小化以防止过大的电压降。可以考虑至单个盘的多条引线以及矩形或其他几何形状和材料(例如铜、银、金等)。还示出了初始LED及下一个LED基座的其相应接合。

[0250] 根据一个实施例，灯头模块1400具有三个基座阵列。通过共享柔性电路1403提供的阳极层和阴极层，可以以引线并联连接多个基座。在本示例的语境中，这样产生了12个(2到200个范围)串联LED的三个并联阵列(2到20范围)的最终电组件。

[0251] 所有的引线接合都可以由单个或多个引线构成。可以线性地(如图所示)或以堆叠配置来安装这些引线。可以根据需要改变引线直径，以获得具体应用所需要的电流容量。对于更大直径可能需要更大环路；因此，在具有严格机械约束的应用中可以建议使用多个更小直径的接合。

[0252] 图18A从概念上示出了根据本发明实施例的一组串联LED的供电路径。图18B是图18A的一组串联LED的前4个LED的放大视图。图18C是沿截面线A截取的图18A的一组串联LED的截面。在图18A中，参考图15D所描述的L形结构中的三个L形结构被阴影化。图18D与图18A相同，但不包括示范性L形结构的阴影。

[0253] 根据本示例，电流从柔性电路1403的阳极层，通过引线接合，向基座1406的引线接合盘串联行进，基座1406的引线接合盘连接到LED下侧上第一个LED的阳极盘。图18C示出了串联LED中第一个LED的截面。电流路径通过引线接合，经LED行进到基座，在LED处大部分电能被转换成光能。作为副产品，还产生废热能量。LED p-n结越凉，其在光发射中越有效率。冷却子系统1470的目的是当LED阵列1407在显著的电流电平下操作时将其冷却，并仍然保持足够低的结温度，以实现LED阵列1407相当有效率的工作。电力然后从LED的阴极通过引线接合1709行进到基座的下一个“L”的杆和接合盘。这种模式继续下去，直到到达该组串联LED的末尾。

[0254] 图18A示出了如何以锯齿形(zigzag)图样重复上述过程，直到到达该串联中的最后一个LED，在该串联中的最后一个LED处使用类型1710的引线接合来代替类型1709的引线接合以将最后一个LED的阴极盘连接到柔性电路1403的阴极层1604，如图17A-F的语境中所示。重要的是要指出，尽管本示例使用了十二个串联的LED，但根据应用，可以采用更长或更短的串联组。类似地，LED阵列1407可以由单个基座或多个基座构成，且仅受柔性电路1403的电流传输容量和微通道冷却器从LED阵列1407转移走热量并保持可接受的结温度的能力所限制。

[0255] 图19示出了根据本发明实施例的来自示范性80mm长反射体的辐照图样，该反射体生成大约25mm宽的受辐照区域，其聚焦于反射体窗口1910下方65mm处。示出辐射图样1920a-i的平面1930a-i以5mm的增量从反射体下方25mm前进到反射体下方65mm。辐照图样在不同深度的趋势为：在它们更接近反射体时变得更窄，然而由于这种反射体设计的焦距相对较远(65mm)，辐照图样的宽度从光场的较下方到较上方没有显著变化。因此这意味着，该期望的光束宽度在这个焦距随增加的“景深”保持相对恒定，且这种效应随着焦平面距离增大而增强。根据一个实施例，在工作期间，从离开孔到工件表面的距离大约介于反射体长度(即从进口孔到离开孔的距离)的.01到.1倍(.01到10范围)。

[0256] 本发明实施例的核心是一种高密度LED阵列(例如LED阵列1407)，其实现了具有最高可能辐照度(“亮度”)的最小可能辐照区域。该高密度辐照源(该高密度辐照源是由于极低的热阻衬底设计(例如，微通道冷却器1401)而成为可能的，该极低的热阻衬底设计能够有效地缓解高的热密度)允许在最小可能尺寸的反射器系统中进行精确的光控制。该高密度辐照源还实现了具有高俘获效率的反射体。换言之，可以由反射体俘获并控制从该源发射的辐射能量的高百分比。由于对光控制水平的这种提高，实现了一种可以被称为“礼帽式”图样的期望的辐照图样。“礼帽式”辐照图样是这样的图样：其在一定距离上具有均匀的较高辐照度值，而随着辐照度减小到更低或可忽略的值，其在任一侧上都具有陡峭的边界。这与典型的高斯或平滑锥形图样形成对比，在高斯或平滑锥形图样中，辐照度从中央峰值更平稳地下降。这种辐照图样对于实际工业应用(例如UV固化)是有利的。在这一具体示例中，高密度辐照区域被配置到高纵横比的线光源中，从而垂直于反射体的长度形成了礼帽式分布。辐照图样的其他方面(例如更大的工作距离、更大的图样景深、提高的均匀性和未利用的泄漏光(spilled light)的降低)全都是所期望的，且由于其提供了改进的光控制，所有这些都是可以利用高密度辐照源来更可能地实现的。

[0257] 本发明的实施例通过将宏观反射体轮廓形成为如下形状来生成礼帽式轮廓：该形状密切近似或代表在线性槽中的每个反射体半部(例如1901a和1901b)上的多个(例如，5,6,7,....10)椭圆形轮廓。根据一个实施例，最佳地，利用可从美国Colorado Westminster的LTI Optics获得的Photopia(一种非成像光线追踪软件包)来设计宏观反射体轮廓。如果需要的话，可以以一个或多个数学方程式来定义这些轮廓。

[0258] 每个椭圆操控或控制入射在其上的光子并以如下方式使这些光子偏转(反射)：最终将更多光子从工件上图样的中心“推(push)”到工件上图样的边缘。出于多种原因，对于聚合物的光固化，这可能是有利的。大工作距离处的辐照图样允许输出窗口清洁之间的更长时间并且对窗口损伤敏感度降低。提高的均匀性还允许更好地利用光子实现不过度辐照(浪费)或欠辐照(固化不够)工件的任何部分的目标。在固化需要对距输出窗口一定距离范围的表面进行固化的3D物体时，具有更大景深的辐照图样是有益的。这种3D物体的现实示例是固化啤酒或汽水罐上的墨水。

[0259] 图20为曲线图，示出了根据本发明实施例的针对5mm、25mm和50mm相距(stand-off)距离(即，宏观反射体的窗口和工件表面之间的距离)在工件表面中心处的各种辐照度轮廓的截面。X轴代表以毫米为单位的距光束中心的距离。Y轴代表以每平方厘2
米瓦特(W/cm)为单位的辐照度。

[0260] 参考本示例可以观察到，高密度LED阵列允许能够向工件上投射多种光束幅照度图样，包括：高的中心峰、平顶礼帽式和不对称礼帽式。本示例示出了在5mm相距处的高辐照度光束2010的轮廓，在25mm处和50mm处的平顶礼帽式光束2020和2030，以及在25mm处的不对称礼帽式光束2040。可以在氧抑制会导致表干(tack free)固化问题的光固化中有利地使用不对称轮廓。不对称光束的整个功率部分可以表干地预先固化工件聚合物的顶表面，且还抑制更多的氧从大气扩散到工件上未固化的聚合物中。这幅曲线图示出了在右侧具有更高强度的不对称轮廓，对于从图右侧向左侧运行的传送机构而言这可能是理想的。传送机构可以沿任何方向运行。在不对称中还可以有凹陷或不对称轮廓在左侧可能具有更高强度。还要指出，可以沿传送机构的长度或正交于传送机构的长度顺序地布置多个灯。灯头模块的每个都可以产生不同或相同的光束轮廓(例如，高的中心峰、平顶礼帽式和不对称礼帽式)。

[0261] 对轮廓曲线下方的面积进行积分给出了光束中能量的大致程度。在反射体的连续线中，25mm宽的轮廓2020与50mm宽的轮廓2030具有相同的总能量，但50mm宽的光束2030的峰值强度大约是25mm宽光束2020的峰值强度的一半。

[0262] 高峰值辐照度，即高斯光束的轮廓对于需要在短时间内向移动传送机构上的材料中引入大量能量的固化应用可能是有利的，而礼帽式轮廓对于需要较长时间能量输入的那些应用(例如那些受到反应动力学限制的应用)可能是有利的。

[0263] 很多光化学反应都具有与表面固化抑制相关的方面，其需要在足够长时间段内向材料中注入光子，以使反应发生。如果光子到达得过快，它们可能不会被利用，因为获得适当固化所需的化学反应是在比光子的到达时间段更长的时间段内发生的。于是，可能有利的是在更宽的区域上扩展光束，使得固化材料在光束下度过更长的时间，而无需使在UV辐照器件下方移动材料的传送机构慢下来。此外，礼帽式分布可以提供固化所需的最低量的能量，而不会过度辐照材料的其他部分，从而浪费能量。因为线性(高纵横比)辐照区域的截面较小，所以可以利用高密度LED阵列来更有效地实现礼帽式分布，因此提供了更好的光控制。应当指出，高密度LED阵列(例如，LED阵列1407)语境中的礼帽式轮廓极为均匀，没有呈现出低密度LED阵列的像素化或喷头效应。

[0264] 尽管已经例示和描述了本发明的实施例，但显然的是本发明不仅限于这些实施例。对于本领域的技术人员而言，众多修改、变化、改变、替换和等同物都是明显的，不脱离本发明如权利要求所述的精神和范围。

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