CN101517755A

CN101517755A - 导热led组件

Info

Publication number: CN101517755A
Application number: CNA2007800346794A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·A·梅斯; 苏珊·L·科尔佩拉; 杰弗里·R·扬森; 帕特里克·J·黑格; 埃伦·O·艾利恩
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2009-08-26

Abstract

本发明公开一种导热LED组件。所述导热LED组件包括细长导体电缆，所述电缆具有：第一导体和第二导体，其沿所述细长导体电缆的长度方向延伸；和导热并且电绝缘的聚合物层，其设置在所述第一导体和所述第二导体之间；以及第二电绝缘聚合物层，其设置在所述第一导体或所述第二导体上。所述电绝缘聚合物层的热阻抗值在2.5至15℃－cm2/W的范围内，并且多个发光二极管沿所述细长导体电缆的所述长度方向设置。每个所述发光二极管都与所述第一导体和所述第二导体电连通。

Description

导热LED组件

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2006年9月21日提交的共同待审的美国临时申请No.60/826,457的优先权，其以引用方式并入本文。

背景技术

本公开整体涉及导热LED组件。

发光二极管(LED)是小型固态发光装置，由于具有耐用的设计和较长的使用寿命，可以找到多种将其用作照明光源的应用。然而，由于LED装置的小尺寸，当其以最大功率工作时，会在小的局部区域产生相当多的热量。当这些LED的工作温度上升时，LED的预期性能和寿命会由于高温效应而降低。

发明内容

本公开描述了导热LED组件。本文所公开的内容可以增强产生大量热的LED的效力和性能，其方法是从每个LED的局部区域去除该热量。该热量可以通过(例如)辐射或传导的方式去除。这样，以最大功率工作的LED将提供最大光输出，并且可工作到预期的使用寿命。此外，与传统的布线系统相比，本文所述的组件可允许更多的高功率LED沿着柔性电缆工作，因为这类组件可以有效地散热。

在一个方面，本公开提供导热LED组件，该组件包括细长导体电缆，该细长导体电缆具有沿其长度方向延伸的第一导体和第二导体、设置在第一导体和第二导体之间的导热并且电绝缘聚合物层、以及设置在第一导体或第二导体上的第二电绝缘聚合物层。电绝缘聚合物层的热阻抗值在2.5至15℃-cm2/W的范围内，并且多个发光二极管沿着细长导体电缆的长度方向设置。每个发光二极管都与第一导体和第二导体电连通。

在另一方面，本公开提供形成导热LED组件的方法，该方法包括：在第一导体和第二导体之间设置导热并且电绝缘聚合物层，并且在第一导体或第二导体上设置第二电绝缘聚合物层，以形成一定长度的细长导体电缆，然后将多个LED布置在该细长导体电缆的长度方向上。导热并且电绝缘聚合物层的热阻抗值在2.5至15℃-cm2/W的范围内，并且每个LED都与第一导体和第二导体电连接，以形成导热LED组件。

通过以下具体实施方式和附图，根据本公开的导热LED组件的这些及其他方面对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。

附图说明

为了使本公开所属领域的普通技术人员更容易理解如何制作和使用本公开，下面将结合附图详细描述其示例性实施例，其中：

图1为一个示例性导热LED组件的示意性剖视图；

图2为另一个示例性导热LED组件的示意性剖视图；

图3为图1的示意性俯视图；

图4为另一个示例性导热LED组件的示意性剖视图；

图5为另一个示例性导热LED组件的示意性俯视图；以及

图6为图5所示的导热LED组件沿线6-6截取的示意性剖视图。

具体实施方式

因此，本公开整体涉及导热LED组件，并且具体地讲，涉及包括LED阵列的导热LED组件。然而本公开不受此限制，对本公开各个方面的理解将通过下面提供的实例的讨论来获得。

应当参照附图阅读以下的说明，其中不同附图中的类似元件以类似的方式被标记。这些附图未必按比例绘制，其示出选取的示例性实施例，但并不旨在限制本发明的范围。虽然示出了多种元件的构造、尺寸和材料的实例，但是本领域的技术人员将认识到，所提供的许多实例具有可利用的适当替代形式。

除非另外指明，否则在所有情况下，在说明书和权利要求书中使用的表述特征尺寸、数量和物理特性的所有数字应被理解为在所有情况下均由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则上述说明书和所附权利要求书中提出的数值参数均为近似值，并且能够随本领域技术人员利用本文所公开的教导内容得到的所需特性的不同而有所不同。

由端点表述的数值范围包括该范围内所包含的所有数字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。

除非所述内容明确指出，否则本说明书和所附权利要求中使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”涵盖了具有多个指代物的具体情况。除非所述内容明确指出，否则本说明书和所附权利要求中使用的术语“或”的含义通常包括“和/或”。

图1为一个示例性导热LED组件100的示意性剖视图。图3为图1的示意性俯视图。在多个实施例中，本文所述的LED组件通常为柔性的扁平电缆组件。这些柔性的扁平电缆组件可根据需要进行弹性变形。虽然图中示出LED通常设置在扁平电缆外部，但LED也可以设置在扁平电缆内部，使得LED可凹进电缆套中任何可用的距离。此外，LED可以直接位于扁平导体上，或者根据需要通过一个或多个通孔连接。另外，可使用任何适用技术将LED连接至扁平电缆，例如在美国专利No.5,987,204(Lee等人)和No.6,148,130(Lee等人)中所描述的技术。该导热LED组件可采用任何可用的形式，例如图3中所示的线性LED阵列，或图5中所示的二维LED阵列。术语“细长扁平导体电缆”是指图3中所示的线性LED阵列，以及图5中所示的二维LED阵列。

在一些实施例中，组件100包括细长扁平导体电缆110，该电缆具有第一导体112和第二导体114。在一些实施例中，第一导体112和第二导体114沿细长扁平导体电缆110的长度方向延伸，并且采用并排构型。尽管图1中示出的第一和第二导体112、114具有扁平的横截面形状，但它们也可以具有任何适用的横截面形状，例如扁平、圆形、长圆形等。细长扁平导体电缆110可具有任何可用的长度L，该长度根据需要可为(例如)0.5至10米、或0.5至3米。

细长扁平导体电缆110线性阵列可具有任何可用的厚度T和宽度W。在多个实施例中，细长扁平导体电缆110的纵横比(W/T)大于2、3、4、5、6、7、8、9或10。在一些实施例中，细长扁平导体电缆110的厚度T可以在0.2至2mm或0.5至1mm的范围内，并且其宽度W在2至10mm或3至7mm的范围内。

第一导体112和第二导体114的纵横比可以大于2、3、4、5、6、7、8、9或10。在一些实施例中，第一导体112和第二导体114的厚度可以在0.1至0.5mm或0.1至0.3mm的范围内，并且其宽度在0.2至2mm或0.5至1mm的范围内。第一导体112和第二导体114可以由任何可用的导电材料形成，例如金属(例如铜)。

可以将多根细长扁平导体电缆110形成为单一结构或使其单独形成，然后进行连接以形成具有多根平行的细长扁平导体电缆110的单一结构。从而可以根据需要使用平行细长扁平导体电缆110的宽“垫”来照明某个区域。作为另外一种选择，可以形成(例如挤出)细长扁平导体电缆110的宽“垫”或网，然后沿着细长平坦导体电缆110之间的弱线将其可选地分离。

一个或多个LED 120设置在细长扁平导体电缆110上，并且每个LED120都与第一导体112和第二导体114电连接。在多个实施例中，沿细长扁平导体电缆110的长度在细长扁平导体电缆110上设置多个LED 120。

“发光二极管”或“LED”是指可以发光的二极管，所发出的光可以是可见光、紫外光或红外光。其包括作为“LED”销售的松散装箱或者封装的半导体器件，可以是传统或者超辐射的类型，以及可以是向前发光或者侧发光类型，后者通常在显示器应用中是有利的。如果LED发出不可见光(如紫外光)，以及在一些发出可见光的情况下，可以将它与有机或无机荧光粉封装在一起(或者它可以照亮设置在远处的荧光粉)，以使波长短的光转换为波长稍长的光，在某些情况下，还可以生成发射白光的装置。“LED晶粒”是LED的最基本形态，即经半导体加工过程而制成的单个元件或芯片。例如，LED晶粒通常是由一种或多种III族元素的组合和一种或多种V族元素组合而形成的(III-V半导体)。合适的III-V半导体材料的例子包括氮化物(如氮化镓)和磷化物(如磷化铟镓)。还可以使用其他类型的III-V材料，例如可以使用元素周期表其他族的无机材料。元件或薄片可以包含适用于应用能量的电触点以给装置提供能量。该元件或芯片的各独立层和其他功能元件通常以晶片级形成，然后将加工好的晶片切成单个元件，以生产大量的LED晶粒。可以将LED晶粒构造用于表面贴装、薄芯片直接贴装或其他已知的贴装构型。一些封装LED通过形成在LED晶粒和关联反射杯上形成的聚合物封壳制成。LED 120可以通过直流或交流电工作。

细长扁平导体电缆110包括聚合物套或围绕或者接触第一导体112和第二导体114的薄膜130。聚合物薄膜130是电绝缘并且导热的。聚合物薄膜130的热阻抗值在2.5至15℃-cm²/W的范围内。在多个实施例中，聚合物薄膜130由适合的聚合物和导热并且电绝缘的填料材料或颗粒形成。导热并且电绝缘的填料材料或颗粒可以任何可用的量存在于聚合物薄膜130中，例如5至75重量％，或10至50重量％。如图1所示，聚合物薄膜130可以为一体化元件，或者如图6所示，其可以为围绕第一导体和第二导体设置的多个层。

聚合物薄膜130可以包括任何适用的一种或多种聚合物，例如聚酯、聚氨酯、含氟聚合物、硅树脂以及其他电缆套材料。在一些实施例中，聚合物包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚氯乙烯(PVC)、特氟隆、乙烯-四氟乙烯共聚物和/或有机硅。

导热并且电绝缘的填料或颗粒包括(例如)二氧化钛、氮化硼、单壁碳纳米管和其他无机物。单壁碳纳米管(请参见(例如)M.J.Biercuk等人的Appl.Phys.Letters，80(15)，2767，April 2002(应用物理快报，80(15)，2767，2002年4月))在装填量小于2重量％或小于1重量％，或在0.1至0.2重量％范围内时，可提供增强的导热性。

在一些实施例中，电绝缘并且导热的聚合物套作为光增强薄膜3635-100(LEF)(Light Enhancement Film 3635-100(LEF))提供，该产品可得自3M Company，St.Paul，Minnesota。

以间隔I沿细长扁平导体电缆110的长度在细长扁平导体电缆110上设置多个LED 120，使得每个LED之间保持足够的空间，从而使LED生成的热借助导热的细长扁平导体电缆110从LED辐射或传导出去。

在多个实施例中，可以在细长扁平导体电缆110的一个或多个主表面上设置光反射层或材料。在多个实施例中，光反射层邻近LED。在一些实施例中，光反射层为电绝缘并且导热的聚合物薄膜130。无论在空间上均匀分布还是呈一定的图案，光反射层或材料都可以优选地为镜面反射器、漫反射器或镜面反射器与漫反射器的组合。

可将任何适用的一种或多种光反射材料用于反射层，例如金属、聚合物等。反射材料可以是反射镜薄膜、不透明薄膜或能进行光反射的其他材料。适用的高反射率材料的例子包括可购自3M公司的Vikuiti^TM增强型镜面反射器(ESR)多层聚合物薄膜(Vikuiti^TM Enhanced Specular Reflector(ESR)multilayer polymeric film)；使用0.4密耳厚的丙烯酸异辛酯-丙烯酸压敏粘合剂将掺有硫酸钡的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(2密耳厚)层叠到Vikuiti^TM ESR薄膜上所形成的薄膜，本文将这种层叠薄膜称为“EDR II”薄膜；购自Toray Industries，Inc.的E-60系列Lumirror^TM聚酯薄膜(E-60 series Lumirror^TM polyester film)；购自3M公司的光增强薄膜3635-100(LEF)(Light Enhancement Film 3635-100(LEF))；多孔聚四氟乙烯(PTFE)薄膜(porous polytetrafluoroethylene(PTFE)film)，例如那些购自W.L.Gore&Associates，Inc.的薄膜；购自Labsphere，Inc.的Spectralon^TM反射材料(Spectralon^TM reflectancematerial)；购自Alanod Aluminum-Veredlung GmbH&Co.的Miro^TM阳极氧化铝薄膜(包括Miro^TM 2薄膜)(Miro^TM anodi zed aluminum film(including Miro^TM 2 film))；购自Furukawa Electric Co.，Ltd.的MCPET高反射率泡沫片材(MCPET high reflectivity foamed sheeting)；以及购自Mitsui Chemicals，Inc.的White Refstar^TM薄膜(WhiteRefstar^TM film)和MT薄膜(MT film)。在一些实施例中，反射层或材料为Vikuiti^TM增强镜面反射器(ESR)多层聚合物薄膜(Vikuiti^TM EnhancedSpecular Reflector(ESR)multilayer polymeric film)，可购自3MCompany，St.Paul，Minnesota。反射表面可以引导或散布从LED 120发出的光，使其远离细长扁平导体电缆110。

图2为另一个示例性导热LED组件200的示意性剖视图。组件200包括细长有棱纹导体电缆210，该电缆具有第一导体212和第二导体214。第一导体212和第二导体214可以沿细长有棱纹导体电缆210的长度方向延伸，并且采用并排构型。一个或多个LED 220设置在细长有棱纹导体电缆210上，并且每个LED 220都与第一导体212和第二导体214电连接。细长有棱纹导体电缆210包括聚合物薄膜或围绕第一导体212和第二导体214的套230。LED 220、第一导体212、第二导体214和聚合物套230在上文已有所描述。

在该实施例中，细长有棱纹导体电缆210包括从细长有棱纹导体电缆210的一个或多个主表面上延伸出的多个肋或凸起。肋或凸起会形成增加的表面积，以便于热量从LED和/或细长有棱纹导体电缆210辐射或传导出去。

可采用任何可用的方法形成细长有棱纹导体电缆210或细长扁平导体电缆110，例如，在导体周围进行层合或聚合物挤出。

可将导热粘合剂层240设置在细长有棱纹导体电缆210上。在图示实施例中，导热粘合剂层240设置在细长有棱纹导体电缆210和基底250之间。导热粘合剂层240的热阻抗值在2.5至15℃-cm²/W的范围内。导热粘合剂层240可以由任何可用的材料形成，例如聚丙烯酸酯和环氧树脂。导热粘合剂层240可用于本文所述的任何导热LED组件。导热粘合剂层240既可以是形成在电缆210上的层，也可以是布置在电缆210上的带材。适用的带材包括可以商品名3M^TM导热胶带8805、8810、8815和8820(3M^TMThermally Conductive Adhesive Transfer Tape 8805，8810，8815，and 8820)从3M公司商购获得的导热胶带。

导热粘合剂层240可以随时将热量传导至基底250。在一些实施例中，导热粘合剂层240可以是压敏粘合剂。在这些实施例中，导热压敏粘合剂层240可以包括隔离层，该隔离层可保护导热压敏粘合剂层240，并且在施加到基底250上之前易于移除。隔离衬片在压敏粘合剂领域中是已知的，并且包括(例如)有机硅和含氟聚合物薄膜。

在多个实施例中，可以在细长扁平导体电缆210的一个或多个表面上设置反射层或材料。反射表面可以引导或散布从LED 220发出的光，使其远离细长扁平导体电缆210。

图4为另一个示例性导热LED组件300的示意性剖视图。组件300包括细长扁平导体电缆310，该电缆具有第一导体312和第二导体314。第一导体312和第二导体314可以沿细长扁平导体电缆310的长度方向延伸，并且采用并排构型。一个或多个LED 320设置在细长扁平导体电缆310上，并且每个LED 320都与第一导体312和第二导体314电连接。细长扁平导体电缆310包括围绕第一导体312和第二导体314的聚合物套330。细长扁平导体电缆310、LED 320、第一导体312、第二导体314和聚合物套330在上文中已有所描述。

图示实施例示出了封装LED 320的透镜结构360。在一些实施例中，透镜结构360封装一个或多个LED 320和细长扁平导体电缆310的至少一部分。在一些实施例中，透镜结构360可以由任何可用的材料形成，这些材料可导热，并且对于LED 320发出的光是透明的。在多个实施例中，透镜结构360由聚合物和导热填料形成，如上所述。在一个实施例中，透镜结构360由透明聚氨酯聚合物和导热填料形成，例如单壁碳纳米管。

在多个实施例中，可以在细长扁平导体电缆310的一个或多个表面上设置反射层或材料。反射表面可以引导或散布从LED 320发出的光，使其远离细长扁平导体电缆310。

图5为另一个示例性导热LED组件400的示意性俯视图，而图6为图5所示的导热LED组件400沿线6-6截取的示意性剖视图。在这些实施例中，导热LED组件400显示为具有均匀LED 420图案的二维阵列，然而应当理解，导热LED组件400也可以是具有非均匀LED 420图案的二维阵列。这些导热LED组件400可以描述为通常是柔性的照明垫或薄膜。

组件400包括细长扁平导体电缆410，该导体电缆具有第一导体图案化网格层412和对应的第二导体图案化网格层414。在多个实施例中，第一导体图案化网格层412和第二导体图案化网格层414沿细长扁平导体电缆410的长度和/或宽度延伸。在第一导体图案化网格层412和第二导体图案化网格层414上和/或之间设置电绝缘并且导热的聚合物薄膜430。聚合物薄膜430是电绝缘并且导热的，如上所述。在多个实施例中，将聚合物薄膜430围绕第一导体图案化网格层412和第二导体图案化网格层414设置为层430。在一些实施例中，导热粘合剂层440设置在细长扁平导体电缆410上，如上所述。

在多个实施例中，第一导体图案化网格层412和第二导体图案化网格层414可以由导电薄片(例如铜箔或铝箔)形成，该导电薄片可以是(例如)连续的或图案化的，可通过(例如)转动模具切割、激光图案化、水射流切割或其他市售的切割方式形成。这些导电图案化层412、414可以是单独层，可将其层合在电绝缘并且导热的聚合物薄膜430的表面上，或作为另外一种选择，可将其布置和固定在电绝缘并且导热的聚合物薄膜430之间，然后粘合在一起。电路构造可以包括网格图案形式的、或任何其他所需图案形式的总线。

在多个实施例中，可以在组件的一个或多个主表面上设置光反射层或材料。在多个实施例中，光反射层邻近LED。在一些实施例中，光反射层是电绝缘并且导热的聚合物薄膜。无论在空间上均匀分布还是呈一定的图案，光反射层或材料都可以优选地为镜面反射器、漫反射器或镜面反射器与漫反射器的组合。光反射层可以由任何可用的材料形成，如上所述。

组件400为二维LED阵列(采用薄膜形式)，可以具有任何可用的厚度T和宽度W。在多个实施例中，细长扁平导体电缆400具有类似薄膜的纵横比(W/T)，该纵横比大于25、50、100、250、500、1000、2000、5000或10000。在一些实施例中，细长扁平导体电缆400的厚度T可在0.1至5mm、或0.2至3mm、或0.5至2mm的范围内，并且宽度W可在25至3000mm、或250至3000mm的范围内，或宽度可大于3000mm。

可以通过任何可用的方法形成该导热LED组件400，例如美国专利申请No.(代理人档案号62995US002，与本公开同一天提交)中描述的卷绕法，该专利申请以引用方式并入本文。

了解LED组件的热阻抗、导体宽度等，可允许用户将具体尺寸的LED以一定间隔或间距布置在细长扁平导体电缆上，使得LED发出的热可以从LED组件消散，而不降低LED的效率。

除了与本发明完全抵触，否则本文引用的所有参考文献及专利公开的全文均明确地以引用方式并入本文。讨论了本公开涉及的示例性实施例，并涉及到了本公开范围内可能的变型。对于本领域的技术人员来说，在不偏离本公开范围的前提下，本公开的这些变化和其他变化以及修改形式将是显而易见的，而且应当理解，本公开不受限于本文阐述的示例性实施例。因此，本发明仅受下面提供的权利要求书的限制。

Claims

1.一种导热LED组件，包括：

细长导体电缆，具有：第一导体和第二导体，其沿所述细长导体电缆的长度方向延伸；和导热并且电绝缘的聚合物层，其设置在所述第一导体和所述第二导体之间；以及第二电绝缘聚合物层，其设置在所述第一导体或所述第二导体上，并且所述电绝缘聚合物层的热阻抗值在2.5至15℃-cm²/W的范围内；和

多个发光二极管，其沿所述细长导体电缆的长度方向设置，并且每个发光二极管都与所述第一导体和所述第二导体电连通。

2.根据权利要求1所述的导热LED组件，其中所述细长导体电缆具有厚度和宽度，并且宽度/厚度的纵横比大于5。

3.根据权利要求1所述的导热LED组件，其中所述多个发光二极管沿所述细长导体电缆的长度和宽度方向设置，从而形成二维发光二极管阵列。

4.根据权利要求1所述的导热LED组件，其中所述第一导体或所述第二导体为图案化网格层。

5.根据权利要求1所述的导热LED组件，其中所述细长导体电缆具有从所述细长导体电缆的主表面延伸开去的凸起或肋。

6.根据权利要求1所述的导热LED组件，其中所述第一导体和所述第二导体为图案化网格层。

7.根据权利要求1所述的导热LED组件，其中所述细长导体电缆包括分散在聚合物粘结剂中的导热颗粒。

8.根据权利要求1所述的导热LED组件，其中所述细长导体电缆包括分散在聚合物粘结剂中的导热单壁碳纳米管。

9.根据权利要求1所述的导热LED组件，还包括设置在所述细长导体电缆主表面上的光反射层。

10.根据权利要求1所述的导热LED组件，其中所述细长导体电缆包括设置在所述多个LED上的透镜。

11.根据权利要求1所述的导热LED组件，其中所述细长导体电缆包括设置在所述多个LED上的透镜，并且所述透镜的热阻抗值在2.5至15℃-cm²/W的范围内。

12.根据权利要求1所述的导热LED组件，还包括设置在所述细长导体电缆上的导热粘合剂层，并且所述导热粘合剂层的热阻抗值在2.5至15℃-cm²/W的范围内。

13.根据权利要求1所述的导热LED组件，还包括设置在所述细长导体电缆上的导热粘合剂层和设置在所述粘合剂层上的隔离衬片，并且所述导热粘合剂层的热阻抗值在2.5至15℃-cm²/W的范围内。

14.一种形成导热LED组件的方法，包括：

在第一导体和第二导体之间设置导热并且电绝缘的聚合物层，并且在所述第一导体或所述第二导体上设置第二电绝缘聚合物层，以形成一定长度的细长导体电缆，所述电绝缘聚合物层的热阻抗值在2.5至15℃-cm²/W的范围内；以及

在所述细长导体电缆的长度方向上布置多个LED，其中每个LED都与所述第一导体和所述第二导体电连接，以形成导热LED组件。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括将聚合物材料与导热颗粒结合，以形成所述导热并且电绝缘的聚合物层。

16.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述多个LED上设置透镜。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述细长导体电缆上设置压敏粘合剂层，所述压敏粘合剂层的热阻抗值在2.5至15℃-cm²/W的范围内。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述布置步骤包括沿所述细长导体电缆的所述长度和宽度布置多个LED，从而形成二维发光二极管阵列。

19.根据权利要求14所述的方法，其中设置步骤包括在第一导体图案化网格层和第二导体图案化网格层之间设置导热并且电绝缘的聚合物层，以形成一定长度的细长导体电缆。