CN102472482B - 具有改进散热器的固态照明装置 - Google Patents

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Abstract

固态照明装置包括具有底部和自底部向外伸出的多个节段或侧壁的装置级冲压散热器，并将固态发光器的所有稳态热负载驱散至周围空气环境。散热器与一个或多个固态发光器热连通，并可限定包含反射件的杯状腔体。每个侧壁部或节段中的至少一部分在与底部不平行的方向上延伸。可在金属片材上沉积介电层和至少一个电迹线，以形成复合片材，并且可通过冲压和/或顺序冲模成形来处理复合片材，以形成具有一体电路的散热器。可将散热器的至少一些节段布置为在结构上支撑与固态照明装置相关的透镜和/或反射件。

Description

具有改进散热器的固态照明装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年8月4日提交的美国专利申请No.12/535,353的优先权。此相关申请的公开内容通过引用整体结合于此。
技术领域
本发明涉及固态照明装置和与其相关的传热结构。
背景技术
可用固态光源提供白光(例如，认为是白色或接近白色的光)，并已研究其作为白炽灯的可能的可替换品。可通过红色、绿色和蓝色(RGB)发光器的组合产生被认为是白色或接近白色的光，或者，可替换地，通过蓝色发光二极管(LED)和黄磷的组合发光产生白色或接近白色的光。在后一种情况中，蓝色LED发光的一部分通过磷，同时蓝色LED发光的另一部分“向下转变”成黄色；蓝光和黄光的组合提供白光。另一种制造白光的方法是用紫色或紫外线LED源刺激多种颜色的磷或染料。固态照明装置可包括例如至少一种有机或无机发光二极管和/或激光器。
许多现代照明应用需要高功率固态发光器，以提供所需水平的亮度。高功率固态发光器可吸引大电流，从而产生大量必须驱散的热量。许多固态照明系统利用与产生热量的固态光源热连通的散热器。对于大尺寸和/或暴露于周围环境的散热器来说，通常用铝作为散热器材料，因为其具有合理的成本、耐腐蚀性且相对易于制造。常规地通过铸造、挤出和/或机加工技术使用于固态照明装置的铝散热器形成为各种形状。基于引线框的固态发光器封装还利用芯片级散热器，其中通过包括冲压的技术制造这种散热器和/或引线框(例如授予Carberry等人的美国专利No.7224047)；其中典型地沿着单个非发光封装表面(例如下封装表面)布置这种芯片级散热器，以促进对封装所安装的表面的热传导。这种芯片级散热器通常用作中间散热器，以对其他装置级散热结构(例如铸造或机加工散热器)导热。
尽管存在各种具有散热器的固态照明装置，但是仍需要改进散热器，例如以实现以下目的：(1)提供增强的热性能；(2)减小材料需求；(3)简化高功率且自镇流照明装置的制造，和/或(4)使得能够制造各种所需形状来适应适于不同最终用途应用的固态照明装置。
发明内容
本发明涉及固态照明装置的冲压和成形的散热器、包括这种散热器的固态照明装置、制造这种装置的方法、以及包括这种装置的照明方法。
在一个方面中，本发明涉及一种固态照明装置，其包括：适于在对固态发光器施加工作电流和电压时产生稳态热负载的固态发光器；以及从限定底部和自底部向外伸出的多个节段(segment)的导热材料片材冲压的散热器，其中，散热器以与固态发光器热连通的方式安装，并且散热器适于将基本上所有的稳态热负载驱散至周围空气环境。
在另一方面中，本发明涉及一种固态照明装置，其包括：至少一个固态发光器；以及与此至少一个固态发光器热连通的冲压散热器，其中，散热器具有底部和自底部向外伸出的至少一个侧壁部，此至少一个侧壁部在与能够通过底部表面限定的平面不平行的方向上延伸。
在另一方面中，本发明涉及一种固态照明装置，其包括：至少一个芯片级固态发光器；以及从限定底部和自底部向外伸出的多个节段的导热材料片材冲压的装置级散热器，装置级散热器与此至少一个芯片级固态发光器热连通。
在另一方面中，本发明涉及一种固态照明装置，其包括：固态发光器；电连接结构，包括螺旋灯座连接器、电插头连接器、和适于压缩地保持电导体或电源元件的至少一个端子中的至少之一；以及从限定底部和自底部向外伸出的多个节段的导热材料片材冲压的散热器，散热器具有一宽度；其中，散热器的特征在于以下特征(a)至(c)中的至少之一：(a)散热器的宽度是固态发光器的宽度的至少大约10倍；(b)散热器的宽度是固态照明装置的宽度的至少大约一半；并且(c)散热器没有任何被包覆在任何模制包覆材料中的部分。
在另一方面中，本发明涉及一种适于与包括至少一个固态发光器的固态照明装置一起使用的冲压散热器，散热器包括底部和自底部向外伸出的多个节段，其中，固态发光器适于在对固态发光器施加工作电流和电压时产生稳态热负载，并且散热器适于将基本上所有的稳态热负载驱散至周围空气环境。
在另一方面中，本发明涉及一种适于与固态照明装置一起使用的散热器，散热器包括：被布置为从至少一个固态发光器接收热量的底部；自底部向外延伸的至少一个伸出节段；沉积于底部上的介电材料；以及沉积于介电材料上的至少一个导电迹线；其中，通过包括冲压(stamping)和顺序冲模成形(progressive die shaping)中的至少一种的工艺，用金属片材形成底部和所述至少一个伸出节段。
在另一方面中，本发明涉及一种方法，其包括：在基本上平面的金属片材的至少一部分上沉积介电材料的第一层，并在第一层上沉积至少一个导电迹线的第二层，以形成复合片材；并用冲压和顺序冲模成形中的至少一种加工复合片材，以形成散热器，其包括(a)被布置为从至少一个固态发光器接收热量的底部、以及(b)自底部向外延伸的至少一个伸出节段。
本发明的又一方面涉及一种适于与固态照明装置一起使用的散热器，散热器包括：被布置为从至少一个固态发光器接收热量的底部；自底部向外延伸的至少一个伸出节段；沉积于底部上的介电材料；以及沉积于介电材料上的至少一个导电迹线；其中，通过包括冲压和顺序冲模成形中的至少一种的工艺，用金属片材形成底部和所述至少一个伸出节段。
本发明的再一方面涉及一种固态照明装置，其包括：至少一个固态发光器；从限定底部和自底部向外伸出的多个节段的导热材料片材冲压的散热器，其中，每个节段包括：至少一个弯曲部；以及被布置为从固态发光器接收光的反射件和透镜中的至少一个；其中，将所述多个节段中的至少一些节段布置为在结构上支撑反射件和/或透镜。
本发明的其他方面涉及散热器和照明装置的制造与利用，如本文公开的，包括用于物体和/或空间的照明的方法。
在另一方面中，可将任何上述方面和本文公开的任何其他特征与方面组合以得到额外的优点。
从下面的公开内容中，本发明的其他方面、特征和实施例将是更充分显而易见的。
附图说明
图1是用于根据本发明一个实施例的包含反射件的固态照明装置的散热器的第一上立体图。
图2是图1的散热器的侧视图。
图3是图1-2的散热器的顶平面图。
图4是图1-3的散热器的第二上立体图。
图5是可用于制造图1-4的散热器的冲压扁坯的顶平面图。
图6是包含被布置为用于接收多个固态发光器的子载座(submount)的图1-4的散热器的上立体图。
图7是根据本发明一个实施例的包括图1-4和图6的散热器的固态照明装置的第一部分的上立体图。
图8是图7的固态照明装置的第一部分的侧横截面图。
图9是诸如图7-8的装置的固态照明装置的第二部分的侧横截面图。
图10是根据本发明一个实施例的用于包含反射件的固态照明装置的第一可替换散热器的上立体图。
图11是图10的散热器的顶平面图。
图12是根据本发明一个实施例的用于包含反射件的固态照明装置的第二可替换散热器的上立体图。
图13是根据本发明一个实施例的用于包含反射件的固态照明装置的第三可替换散热器的上立体图。
图14是包括介电层和沉积于该介电层上的电迹线(trace)的冲压复合片材的顶平面图，冲压复合片材可用作具有一体电迹线的散热器(可选地，在一个或多个弯曲步骤和/或顺序冲模成形步骤之后)。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可实施为多种不同的形式，不应将其解释为限于这里阐述的特定实施例。相反，提供这些实施例以将本发明的范围传达给本领域的技术人员。在图中，为了清楚起见，可放大层和区域的尺寸及相对尺寸。
将理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为在另一元件“上”或延伸到另一元件“上”时，其可直接位于另一元件上或直接延伸到另一元件上，或也可存在插入元件。相反，当元件被称为“直接”在另一元件“上”或“直接”延伸到另一元件“上”时，则不存在插入元件。还将理解，当元件被称为与另一元件“连接”或“耦接”时，其可与另一元件直接连接或耦接，或可存在插入元件。相反，当元件被称为与另一元件“直接连接”或“直接耦接”时，则不存在插入元件。
除非以其它方式定义，否则应将这里使用的术语(包括技术和科学术语)解释为具有本发明所属领域的普通技术人员普遍理解的相同含义。将进一步理解，应将这里使用的术语解释为具有与其在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，除非在这里明确地定义，否则不应以理想化或过度正式的意义来解释。
除非特别提到不存在一个或多个元件，否则应将这里使用的术语“包括”、“包含”和“具有”解释为不排除存在一个或多个元件的开放式术语。
如这里使用的，术语“固态发光器”或“固态发光装置”可包括发光二极管、激光二极管和/或包括一个或多个半导体层、衬底以及一个或多个接触层的其他半导体装置，所述半导体层可包括硅、碳化硅、氮化镓和/或其他半导体材料，所述衬底可包括蓝宝石、硅、碳化硅和/或其他微电子衬底，所述接触层可包括金属和/或其他导电材料。固态发光器在对固态发光器施加工作电流和电压时产生稳态热负载。将这种稳态热负载和工作电流及电压理解为，与固态发光器在适当长的工作寿命(优选地至少大约5000小时，更优选地至少大约10,000小时，更优选地至少大约20,000小时)下使发光输出最大的水平时的工作相对应。
根据本发明实施例的固态发光装置可包括制造于碳化硅衬底上的基于III-V氮化物(例如氮化镓)的LED或激光器，诸如由北卡罗来纳州的达勒姆市的Cree,Inc.制造和销售的那些装置。可将这种LED和/或激光器构造为这样工作，使得在所谓的“倒装芯片”定向上通过衬底出现发光。
可单独地或组合地使用固态发光器，可选地与一个或多种发光材料(例如磷、闪烁体、发光油墨)和/或滤光器一起使用，以产生希望感觉到的颜色(包括可被认为是白色的颜色的组合)的光。可通过对密封剂添加这种材料、对透镜添加这种材料，或通过直接涂覆在LED上，来实现在LED装置中包含发光(也叫做“光激发(lumiphoric)”)材料。这种密封剂中可包括其他材料(例如分散剂和/或折射率匹配材料)。
这里使用的术语“芯片级固态发光器”指的是从以下材料中选择的元件：(a)裸固态发光器芯片，(b)固态发光器芯片和密封剂的组合，或(c)基于引线框的固态发光器芯片封装，其中元件的最大主要尺寸(例如高度、宽度、直径)为大约2.5cm或更小，更优选地为大约1.25cm或更小。
这里使用的术语“装置级散热器”指的是适于将基本上所有稳态热负载的热量从至少一个芯片级固态发光器驱散至周围环境的散热器，其中装置级散热器的最小主要尺寸(例如高度、宽度、直径)为大约5cm或更大，更优选地大约10cm或更大。
这里使用的术语“芯片级散热器”指的是比装置级散热器小和/或具有比装置级散热器小的散热能力的散热器。
本发明在多个方面涉及用于一个或多个固态发光器的装置级冲压散热器、以及照明装置，所述照明装置包括所述散热器、包括适于将一个或多个固态发光器的基本上所有稳态热负载驱散至周围环境(例如周围空气环境)的散热器。可将这种散热器的尺寸和形状构造为，将大量稳态热负载(优选地至少大约4瓦，更优选地至少大约10瓦)驱散至周围空气环境，不会导致将不利地缩短这种发光器的使用寿命的过高的固态发光器结温(junction temperature)。例如，固态发光器在85℃的结温下的工作可提供50,000小时的平均固态发光器寿命，而95℃、105℃、115℃和125℃的温度可分别产生25,000小时、12,000小时、6,000小时和3,000小时的平均使用寿命持续时间。在一个实施例中，装置级冲压散热器适于在大约35℃的周围空气环境中驱散至少大约2瓦(更优选地至少大约4瓦，仍更优选地至少大约10瓦)的稳态热负载，同时将固态发光器的结温保持在大约95℃或低于大约95℃(更优选地保持在大约85℃或低于大约85℃)。在本上下文中，术语“结温”指的是设置于固态发光器芯片上的电学结，例如丝焊或其他触点。可调整本文公开的冲压散热器的厚度、尺寸、形状和暴露面积，以提供所需热性能。
可从导热材料(例如金属，例如(但不限于)铝或铝合金)片材冲压装置级，以限定底部和自底部向外伸出的多个节段。可将一个或多个固态发光器安装在底部上或其上方。冲压散热器可经历一个或多个弯曲步骤(例如经由顺序冲模成形)，以对伸出节段增加一个或多个弯曲部。每个节段的至少一部分在与可通过底部的表面限定的平面不平行的方向上延伸。产生的节段可组成侧壁(例如，空间上分离的壁部)，所述壁与底部一起限定可包含被布置为反射由至少一个固态发光器发出的光的反射件的杯状形状。至少一个弯曲节段可用来在结构上支撑与固态照明装置相关的透镜和/或反射件。这种节段可直接接触透镜和/或反射件，或可用一种或多种插入材料支撑透镜和/或反射件。
如上所述，固态照明装置沿着这种装置的一个或多个暴露外表面共同使用装置级铸造、挤出和/或机加工铝散热器。还已沿着基于引线框的固态发光器封装的下表面使用冲压芯片级散热器。虽然此前已成功地用铸造、挤出和机加工方法制造了多种用于固态照明装置的装置级散热器，并且已用冲压方法沿着基于引线框的封装的下表面制造芯片级散热器，但是高功率固态装置的最近引入以及封装约束的强加使得申请人研究可替换的装置级散热器设计和制造技术。
申请人已经发现，冲压和弯曲(例如顺序冲模成形)可用来制造用于包含反射件的固态发光装置的装置级散热器，并且，这种散热器在形状或范围上不限于紧邻发光器(例如在传统的基于引线框的固态发光器封装中)设置的散热器。相反，可通过冲压和弯曲形成装置级散热器，以很好地超过反射件的横向范围延伸，该反射件基本上比典型地集成在基于引线框的发光器封装中的反射件大并与其不同。这种散热器优选地包括底部和一个或自底部向外伸出的多个侧壁部，其中侧壁部在与可通过底部的表面限定的平面不平行的方向上延伸，使得底部和侧壁部形成适于容纳被布置为反射由一个或多个固态发光器发出的光的反射件的至少一部分的杯状形状。
在一个实施例中，装置级散热器的宽度是与装置级散热器热连通的固态发光器的宽度的至少大约10倍(在某些实施例中是至少大约15倍，或至少大约20倍)。散热器的宽度可以是固态照明装置的宽度的至少大约一半(或在所选择的实施例中是至少大约65％、至少大约75％，或至少大约90％)，其中固态照明装置包括电连接结构，该电连接结构包括以下中的至少之一：螺旋灯座连接器、电插头连接器、和适于压缩地固定电导体或电流源元件的至少一个端子——注意，上述特征与传统的基于引线框的发光器封装不同，所述传统封装是典型地焊接至下层接触垫或其他表面的芯片级装置。与具有芯片级冲压散热器(其至少一部分包覆在模制包覆材料中)的基于引线框的发光器封装相反，根据一个实施例的装置级散热器没有包覆在任何模制包覆材料中的任何部分。
冲压散热器的至少一个伸出节段可组成装置级散热器的至少一个侧壁部。侧壁部可包括基本上连续的单个侧壁、或多个连接的侧壁、或(更优选地)多个空间上分离的侧壁部或节段。这种侧壁部可有利地包含从散热器的中心底部向外延伸并延伸超过反射件的外围边缘的多个空间分离的伸出节段。侧壁部的多个空间分离的节段可从中心底部向外辐射。可使用任何适当数量的侧壁部或节段。在一个实施例中，设置于根据本发明的散热器中的侧壁部或节段的数量包括至少4个，更优选地至少6个，更优选地至少8个，更优选地至少10个，更优选地至少12个。可提供偶数或奇数个侧壁部或节段。伸出节段或侧壁可具有相等或不相等的尺寸，并可对称或不对称地布置，取决于产生的固态照明装置的设计和工作标准。
在一个实施例中，将伸出节段或侧壁部布置为接触反射件和/或设置于反射件上的透镜。这种布置可对反射件和/或透镜提供结构支撑，并通过将散热器用作结构支撑元件而简化照明装置的设计和装配。
散热器优选地包括弯曲部，或更优选地，包括多个弯曲部，以在有限体积内提供增加的表面积(从而帮助散热)。可用顺序冲模成形或任何其他适当的方法来形成这种弯曲部。这种弯曲部可导致散热器的侧壁部在与散热器的底部不共面(即与可通过底部限定的平面不平行)的方向上延伸(例如向上)，以形成适于容纳反射件的至少一部分的杯状内壁部，然后改变方向(例如向下)，以形成部分或完全包围内壁部的外壁部。可在内壁部与外壁部之间保持间隙，以在内壁部与外壁部之间允许空气循环。可在侧壁部中限定一个或多个孔，并且侧壁部可包括多个空间上分离的伸出节段，以便于空气循环和/或提供增加的表面积，从而帮助散热。
可将根据本发明的散热器的侧壁部弯曲成多个在横截面上是有角度或弯曲的部分。可用机械和/或液压冲压机或压机、或其他传统的弯曲设备来形成弯曲部，可选地通过使用模板或挡块来帮助，以促进获得所需形状。
可用适当导热且可延展的材料来制造根据本发明的散热器，所述材料包括金属，例如铝、铜、银等。特别希望使用铝及其合金，因为其具有合理的成本和耐腐蚀性。
在图1-4中示出了根据本发明一个实施例的散热器160。散热器160具有第一端151和第二端152，并包括中心底部162，该中心底部具有被布置为容纳至少一个固态发光器的安装区域161、或与至少一个固态发光器相关联的子载座。多个侧壁部或节段165A至165N自底部162向外辐射并延伸。(已从图中省略用于每个单独侧壁部或节段的元件标号，以更清楚)。虽然在多幅图中示出了12个侧壁部或节段，但是将理解，可提供任何所需数量的侧壁部或节段，字母“N”代表表示所需数量的变量；(在下文中使用此术语。)。
如图1-4所示，每个侧壁部或节段165A至165N包括多个弯曲部，导致分别形成共同组成内壁的第一和第二有角度的部分166A至166N、167A至167N。第一和第二有角度的部分166A至166N、167A至167N与底部162一起形成被布置为容纳反射件(例如图7-8所示的次反射件124)的至少一部分(或整个)的杯状形状。在远离第一有角度的部分166A至166N的端部，使第二有角度的部分167A至167N弯曲以形成与反射件的第一端151相应的第三顶端部分168A至168N。将每个侧壁部或节段165A至165N从第三顶端部分168A至168N以向后弯曲的方式弯曲，以形成第四有角度的部分169A至169N，其进一步在其中限定孔173A至173N。第五有角度的部分170A至170N从第四有角度的部分169A至169N延伸，并且第六有角度的部分171A至171N从第五有角度的部分170A至170N延伸。第四、第五和第六有角度的部分169A至169N、170A至170N、171A至171N一起组成外壁，该外壁包围由第一和第二有角度的部分166A至166N、167A至167N组成的内壁。在每个相邻的侧壁部或节段165A至165N之间限定横向间隙，在内壁与外壁之间限定径向间隙。这种横向和径向间隙与孔173A至173N一起便于空气循环和/或提供增加的表面积，从而在使用散热器160时帮助散热。
散热器160的底部162限定可被构造为狭槽的孔163。孔163可布置为容纳与至少一个固态发光器操作地连接的至少一个电导体。在一个实施例中，可将柔性印刷电路板部分和/或一束电线插入孔163，以在至少一个固态发光器与照明装置的电源元件之间提供至少一个(优选地多个)导电路径。参考图6，可用电绝缘但是导热的糊料或其他传统方式将焊盘180(优选地包括导热材料)固定至底部162的安装区域161，并且焊盘180可包括多个电迹线181。使用焊盘180的电绝缘糊料和/或电隔离层允许散热器160与能够与电迹线181连接的任何固态发光器电隔离。在一个可替换实施例中，散热器160用作触点和/或有意地用电激活。可将焊盘180的柔性舌片部163插入孔163，以使得能够与可位于底部162下方的电源部件电连接(例如与固态照明装置100的壳体110电连接，如图7-9所示)。代替单个孔163，可穿过底部162中限定多个孔。
参考图5，可通过从至少一个包含金属的片材或金属片材冲压坯件159(包括中心底部162和径向延伸的部分165A至165N，这些径向延伸的部分包括孔173A至173N的)来制造散热器160。在一个实施例中，片材可包括多个层和/或复合物，所述多个层和/或复合物可选地包括沉积于导热坯件上的介电材料(或电绝缘材料)以及沉积于介电材料上的一个或多个导电迹线。可在一个或多个材料沉积步骤后使产生的复合片材弯曲或成形。在一个实施例中，形成坯件159的片材的厚度基本上是恒定的。在另一实施例中，形成坯件159的片材的厚度经历有意的变化，例如从更靠近中心底部162的更厚的区域变成一个或多个更靠近径向延伸的部分165A至165N的远端的更薄的区域。这种厚度变化本质上可以是逐步的和/或逐渐的/连续的。从坯件159的中心底部162到其横向或径向边缘可提供多个厚度变化。可通过层压一种或多种不同径向程度的材料以形成坯件159、或通过用辊子和/或压印模具压缩形成坯件159(优选地在用以限定坯件159的边缘和/或孔173A至173N的冲压步骤之后进行)，来产生厚度变化。在一个实施例中，底部162的平均厚度比部分165A至165N的平均厚度大至少大约两倍。在形成坯件159后，可用任何适当的方法使径向延伸的部分165A至165N弯曲或以其它方式成形，以产生图1-4和图6所示的散热器160。
可将散热器160(或如这里公开的另一散热器)结合在固态发光装置100中，在图7-8中示出了该固态发光装置的第一部分，并且在图9中示出了该固态发光装置的第二部分。沿着照明装置100的外表面布置散热器160的至少一个表面，所述至少一个表面优选地沿着其最宽的部分组成装置100的径向边界。装置100包括具有第一端110A和第二端110B的壳体110，其中沿着第二端110B形成有外螺纹灯座104。在壳体110的第二端110B附近，将电连接器105、106布置为具有伸出的径向连接器105和横向螺纹连接器106(该横向螺纹连接器形成于壳体110的外螺纹灯座104上)的螺旋式爱迪生灯座，该灯座被布置为与兼容固定装置(未示出)的螺纹插座配合。作为螺旋灯座的可替换方式，照明装置可选地包括电插头连接器、和/或适于压缩地保持电导体或电流源元件(例如电池)的至少一个端子。壳体110优选地包括电绝缘材料，诸如电绝缘塑料、陶瓷、或复合材料。设置于壳体110内的是纵向印刷电路板112(其包括与连接器105、106电连接的导体)和安装至该纵向印刷电路板的电源元件114A至114D。各种电源元件114A至114D和电路板112可包含提供这种镇流、颜色控制和/或变暗效用的固态发光器驱动控制部件。电路板112和/或电源元件114A至114D可通过与可插入穿过散热器的底部162的柔性舌片部163(如图6所示)相关的电迹线或导体而与焊盘180(至少一个固态发光器134安装于焊接上或安装于其上方)电连接。
散热器160的底部162设置在壳体110的第一端110A附近，可用任何传统的方式(例如螺钉、粘合剂、机械互锁装置等)将壳体110固定至散热器160。还可将次反射件124固定至散热器160，反射件124设置于底部162和侧壁部或节段165A至165N(特别地，分别是第一和第二有角度的部分166A至166N、167A至167N)的杯状组合内。在一个实施例中，次反射件124可接触第一和/或第二有角度的部分166A至166N、167A至167N，或可由这些部分支撑。设置于由反射件限定的腔体上的是包括舌片部152的透镜150，所述舌片部以与散热器的第三有角度的部分168A至168N的至少一部分接触的方式在散热器160的第二端152上延伸。
设置于由次反射件124形成的腔体内并在底部162的中心安装区域161附近(例如中心安装区域的上方)的是一个或多个固态发光器134，可选地安装于焊盘180上。
附加地设置于由次反射件124形成的腔体内并由至少一个管道或支撑元件135(其可组成具有分散于其中或涂覆于其内表面和/或外表面上的扩散材料的主动扩散器(aggressive diffuser))支撑的是主反射件139，主反射件具有反射面、透射面136和限定孔138的中心支撑部或导管137。主反射件139和次反射件124中的每一个均优选地由适当的反射材料形成，反射材料例如抛光金属、或涂覆在非金属材料上的金属。主反射件139和次反射件124优选地以双回波布置设置。在2009年4月6日提交的共同转让给本申请的相同受让人的美国专利申请No.12/418,816中公开了与双回波反射件设计相关的其它细节，该在先申请以引用方式结合于此就好像在这里充分阐述该申请一样。
可包括镜面反射材料(例如可选地包括刻面)或漫射材料的主反射件139设置成邻近一个或多个(优选地多个)固态发光器134，以反射从固态发光器发出的光——例如，以便在次反射件124上入射前在空间上混合这种发光。主反射件139可具有通常锥形的圆锥形状。次反射件124适于成形并引导输出光束。次反射件124可以是镜面的(可选地有刻面的)或漫射的，并可以是抛物线的或有角度的。当固态发光器134发光时，管道元件135朝着主反射件139引导光通过透射面136。管道元件135还可包括波长转换材料，诸如磷(例如磷颗粒可分散在管道元件的整个体积中、或涂覆于其内表面和/或外表面上)。这样，管道元件135可用来转换所发出的光的一部分的波长。
安装柱112可从透镜150延伸并支撑主反射件135。在一个实施例中，主反射件139使安装柱112完全不受到固态发光器134的未反射的发光的影响。在另一实施例中，主反射件139的中心部分没有反射材料，使得光可通过主反射件139的中心部分进入安装柱140和限定于该安装柱中的腔体142，以穿过中心透镜部分144离开。
在一个实施例中，可将一个或多个传感器(未示出)布置在主反射件之中或之上、布置在安装柱之中或之上、或布置在次反射件124(或由次反射件124形成的腔体)之中或之上，以从固态发光器134接收发光。传感器可用来感测一个或多个由发光器134输出的光的特性(例如强度、颜色)。可提供多个传感器，该多个传感器包括至少一个光学传感器。可响应于来自传感器的输出信号而操作至少一个电源元件114A至114D。可进一步在发光器134、散热器160或任何其他所需元件(例如焊盘180)的附近设置至少一个温度传感器(未示出)，以感测过高温度条件，并可用温度传感器的输出信号来响应地限制到发光器134的电流流动、终止固态照明装置100的操作、和/或触发警报或其他警告。
在主反射件139的底部安装一个或多个(优选地多个)固态发光器134。在一个实施例中，所述至少一个固态发光器134包括多个发光器，该多个发光器包括发光二极管和/或激光器。可在基于引线框的封装中设置或包含一个或多个固态发光器134。在美国专利申请No.12/479,318(名为“Solid State Lighting Device(固态照明装置)”和美国临时专利申请No.61/173,466(名为“Lighting Device(照明装置)”)中公开了基于引线框的封装的实例，这些申请共同专让给本申请的相同受让人，这些申请以引用方式结合于本文就好像在这里充分阐述似的。可希望固态发光器封装包括公共引线框，并可选地包括公共子载座，发光器可安装至该公共子载座，子载座设置于引线框的上方。希望沿着这种封装的非发光表面形成至少一个导体。基于引线框的封装可包括被布置为从发光器引导热量离开的一体热垫(例如散热器)。可将一个或多个发光器布置为发出白光或发出感觉是白色的光。可设置各种颜色的发光器(例如设置为发光器或发光器/荧光体组合)，可选地与一个或多个白光发光器结合。多个发光器中的至少两个发光器可具有不同的主要发光波长。如果提供多个发光器，那么发光器可作为一组操作或彼此独立地操作，每个发光器均具有与用于另一发光器的导电控制路径不同的导电控制路径。在一个实施例中，提供多个固态发光器，并且可相对于其他发光器独立地控制每个发光器，以改变照明装置发出的输出颜色。可在包含固态发光器的封装之中或之上布置密封剂，可选地密封剂包括至少一种发光材料(例如磷、闪烁体、发光油墨)和/或滤光器。
在固态发光装置100的操作中，将电流通过连接器105、160传递至纵向电路板112和相关元件114A至114D。设置于焊盘180上的导电迹线、电线和/或其他导体(诸如轨道181)可用来对固态发光器134提供电流。来自发光器的光穿过支撑部或导管137，以撞击主反射件139，该主反射件朝着次反射件124反射从固态发光器134发出的光。次反射件124(其至少一部分容纳在由散热器160限定的腔体内)通过透镜150反射光，以使光离开装置100。来自发光器134的热量从安装区域161横向地被引导通过底部162到达侧壁部或节段165A至165N。因此散热器160与发光器134热连通，可选地通过诸如接触垫180(如图6所示)和该焊盘180附近的导热糊料的中间元件而与发光器热连通。发光器134可经由设置在中间的子载座、引线框、和/或散热器(未示出)而与散热器160进一步分离。然后通过任何适当的传热模式(例如辐射、对流或传导)将由散热器160接收的热量驱散至照明装置附近的周围环境(例如该环境内的空气)。可选地，可将空气流或其他冷却流体流引导至散热器160的任何部分，以促进对流冷却。可通过操作与散热器热连通的冷却装置(例如风扇、泵等)来产生这种流体流，以冷却散热器，所述操作可选地响应于热传感器或其他与固态照明装置100传感连接的传感器而被控制。
可以不同于之前描述的散热器160的形状和结构来提供根据本发明的实施例的散热器。参考图10-11，适于与包含反射件的固态照明装置一起使用的散热器260包括第一端251、第二端252、和自底部262向外辐射并延伸的多个侧壁部或节段265A至265N，其中侧壁部或节段265A至265N以相对于底部262和安装垫261的“漩涡形”结构布置。每个侧壁部或节段265A至265N包括多个弯曲部，结果分别形成第一和第二有角度的部分266A至266N、267A至267N，这些部分一起组成内壁。第一和第二有角度的部分266A至266N、267A至267N与底部262一起形成被布置为容纳反射件的至少一部分(或整个反射件)的杯状形状。在远离第一有角度的部分266A至266N的端部，第二有角度的部分267A至267N被弯曲以形成与反射件的第一端251相应的第三顶端部分268A至268N。每个侧壁部或节段265A至265N从第三顶端部分268A至268N以向后弯曲的方式弯曲，以形成第四有角度的部分269A至269N，所述第四有角度的部分中进一步限定孔273A至273N。第五有角度的部分270A至270N从第四有角度的部分269A至269N延伸，并且第六有角度的部分271A至271N从第五有角度的部分270A至270N延伸。第四、第五、和第六有角度的部分269A至269N、270A至270N、271A至271N一起组成外壁，其包围由第一和第二有角度的部分266A至266N、267A至267N组成的内壁。
图12示出了根据另一实施例的适于与包含反射件的固态照明装置一起使用的散热器360。散热器360包括第一端351和第二端352，底部362具有设置于第二端352附近的发光器安装区域362。散热器360包括由多个相互连接的侧壁部365A至365N组成的侧壁，每个侧壁部均具有升高的且向内伸出的壁部366A至366N、和设置于每个升高的且向内伸出的壁部366A至366N之间的向外伸出的壁部367A至367N。侧壁部365A至365N、366A至366N与底部362一起限定适于容纳固态照明装置的反射件的至少一部分的腔体。可通过以下方法形成散热器360：从金属片材冲压坯件、然后使坯件成形以形成向内伸出的壁部366A至366N和向外伸出的壁部367A至367N。与根据第一实施例的散热器160相比，散热器360表现出降低的热传递能力，明显是由于表面积减小且缺乏便于空气循环的开口。
图13示出了根据另一实施例的适于与包含反射件的固态照明装置一起使用的散热器460。散热器460包括基本上扁平的底部462，交替设置的截头的侧壁部468A至468N和伸出的侧壁部或节段465A至465N中的每个均具有中间表面部分466A至466N和横向表面部分467A至467N。当在外部观察时，每个伸出的侧壁部或节段465A至465N优选地是空心的，从而增加散热器460的表面积。侧壁部465A至465N、468A至468N与底部462组合在一起限定适于容纳固态照明装置的反射件的至少一部分的腔体。一种用于形成与散热器460相似的散热器的方法可包括从金属片材冲压坯件，然后使坯件成形以形成侧壁部465A至465N、468A至468N。与散热器460相比，可减小侧壁高度或深度(例如相对于横向表面部467A至467N的高度或深度)，以利用冲压和成形方法促进更简单的可制造性。与根据第一实施例的散热器160相比，预计与散热器460的设计相似的散热器表现出降低的热传递能力，明显是由于表面积减小且缺乏便于空气循环的开口。
在其他实施例中，适于与固态照明装置一起使用的散热器包括设置于散热器上或其上方的至少一个一体导电迹线。参考图14，散热器559包括底部563和自底部563向外辐射并延伸的多个伸出节段565A至565N，每个部分565A至565N中限定孔573A至573N。虽然将图14所示的散热器559示出为是扁平的并可能用于这种状态中，但是将理解，散热器559优选地经历一个或多个弯曲和/或顺序冲模成形步骤，以使节段565A至565N和/或底部563弯曲成任何所需形状。在一个实施例中，加工节段565A至565N和/或底部563以形成被布置为容纳适于反射由一个或多个固态发光器发出的光的反射件(未示出)的杯状形状。
散热器559包括沉积于金属片材(或其他相似导热材料片材)的至少一部分上或其上方的介电(即，电绝缘)层580、和沉积于介电层580上或其上方的导电迹线581A至581N、582、583。介电层580可用来防止导电迹线581A至581N、582、583与形成散热器559的金属片材之间的电连接。导电迹线581A至581N、582、583可用来对一个或多个可电操作的元件提供导电路径，所述可电操作的元件诸如为一个或多个固态发光器、传感器、和/或固态发光器驱动控制元件(例如提供镇流、颜色控制和/或变暗效用)。优选地，至少一个固态发光器与散热器559热连通(例如通过底部562而热连通，底部562被布置为从发光器接收热量并将该热量引导至节段565A至565N)，并与导电迹线581A至581N、582、583中的至少一个电连接。可用任何适当的方法(例如直接焊接、丝焊等)来实现这种可电操作的元件与导电迹线之间的电连接。可选地，可在介电层和/或底部562中限定一个或多个过孔(即，穿透表面的导电路径)，以便于与沿着底部562的相对面定位的或在该相对表面下方定位的元件和/或导体电连接。
可在包括底部562的导热片材的至少一部分上或其上方沉积第一介电层580，并可在介电层580上方沉积至少一个导电迹线的第二层(例如铜或其他适当的导电材料)，以形成复合片材。可通过任何适当的方法(例如印刷、溅射、喷涂、镀覆、光刻图案形成/沉积/蚀刻等)来实现介电层562和/或导电迹线581A至581N、582、583的沉积。可冲压复合片材和/或使其经历一个或多个成形步骤(例如顺序冲模成形、弯曲等)，以形成具有一体电迹线的散热器559(无论散热器基本上平面的或具有一个或多个弯曲或成形的部分)。与在经历一个或多个成形处理之前尝试在非平面散热器上使介电和导体层形成图案相比，在产生的复合片材的冲压和/或成形之后使介电材料和导电迹线在平面金属片材上形成图案的能力使得更容易制造具有一体迹线的非平面散热器。
如图14所示，某些导电迹线582、583包括沿着节段565N、565A向外延伸的伸出节段582A、583A。如果复合片材经历一个或多个成形步骤以对节段565A至565N(例如本文结合之前的实施例示出的)增加弯曲部，那么导电迹线582、583的产生的伸出节段582A、583A可沿着侧壁部延伸，该侧壁部在与可通过底部表面限定的平面不平行的方向上延伸。例如，这种导电延伸部582A、583A可用来对远离底部562的部件提供电连接，诸如沿着固态照明装置的透镜设置的或设置于该透镜附近的一个或多个传感器和/或辅助固态发光器。
在一个实施例中，金属片材可包括沉积于其两侧上或其上方的导电迹线(可选地包括插入介电层)，以对与固态照明装置相关的适当定位的可电操作的元件提供电连接。
在一个实施例中，形成散热器的金属(或其他导电材料)片材是电有源的，使得与电操作的元件的一个或多个电连接包括金属片材。
在一个实施例中，可通过一个或多个有源或无源插入元件或装置(例如热管、热电冷却器、散热器、和芯片级散热器)促进至少一个固态发光器与装置级冲压散热器之间的热连通。
将理解，在本发明的范围内，本文示出的各种设计的散热器的尺寸(包括厚度)、形状和结构可能不同。在一个实施例中，可通过冲压一个或多个材料片材(或不同尺寸或范围的部分)以形成坯件并使坯件成形(例如弯曲)以实现所需形状，来形成至少三个同心侧壁部，优选地包括便于空气循环的孔。
本发明的一个实施例包括灯，其包括至少一个如本文所公开的固态照明装置100。另一实施例包括灯具，其包括至少一个如本文所公开的固态照明装置100。在一个实施例中，灯具包括多个固态照明装置。在一个实施例中，灯具布置为隐藏地安装在天花板、墙壁或其他表面中。在另一实施例中，灯具布置为用于线路安装(track mounting)。可将固态照明装置永久地安装至某一结构或车辆，或组成可手提的装置(例如手电筒)。
在一个实施例中，外壳包括封闭空间和至少一个如本文公开的照明装置100，其中，在对电源线供应电流时，此至少一个照明装置照亮封闭空间的至少一部分。在另一实施例中，结构包括表面或物体和至少一个如本文公开的照明装置，其中，在对电源线供应电流时，照明装置照亮表面或物体的至少一部分。在另一实施例中，如本文公开的照明装置可用来照亮包括以下中的至少一个的区域：游泳池、房间、仓库、指示器、道路、车辆、路标、广告牌、船、玩具、电子装置、家庭或工业用具、船、和飞机、体育场、树、窗、院子和路灯柱。
为了证明根据本发明一个实施例的冲压散热器的功效，用0.080英寸类型的6063铝合金制造与图6的设计一致的散热器，该散热器具有大约4英寸(10.1cm)的直径和稍大于2英寸(5cm)的高度。将十一类型的“XP”发光二极管(LED)(北卡罗来纳州的达勒姆市的Cree,Inc.)焊接在固定于散热器的底部上方的焊盘的电迹线上，LED串联连接。将散热器和LED放在盒子中以消除强制对流。沿着直接位于LED后方的散热器的底部的背面将一个热电偶安装至散热器。将另一热电偶附接至散热器的一个弯曲节段。将大约10瓦的直流输入供应至LED。从之前表现Cree类型XP LED发光器的特征的正向压降与的温度之间关系，测量通过发光器的压降并计算与70.7℃的LED结温相关的稳态。LED后方的底部的稳态温度(经由热电偶测量)是63℃，而所述节段的稳态温度(经由热电偶测量)是53℃。在相关的LED结温与所测量的底部温度之间预计会存在不同，这至少部分地是由于固态发光器(LED)与底部之间的界面的热阻的原因。以上测试证明了冲压装置级散热器将大量热负载(例如10W)驱散至不流动的周围空气环境中的功效，同时将LED结温良好地保持在85℃的目标阈值之下，以促进LED的较长使用寿命操作。直接供应至LED的10瓦DC负载可比得上供应至自镇流LED灯的12瓦DC输入。
将理解，这里描述的任何元件和特征可与任何一个或多个其他元件和特征组合。
虽然这里已经参考本发明的特定方面、特征和说明性实施例描述了本发明，但是将理解，并不由此限制本发明的功用，而是在本文公开的内容的基础上可扩展至并包含多种其他变化、修改和可替换实施例，如对本发明领域中的技术人员所将理解的。相应地，旨在将所附权利要求的发明宽泛地解释和说明为在其精神和范围内包括所有这种变化、修改和可替换实施例。

Claims (18)

1.一种固态照明装置，包括：
固态发光器，适于在工作电流和电压施加于所述固态发光器时产生稳态热负载；以及
散热器，从限定中心底部和限定自所述中心底部向外伸出的多个节段的导热材料片材冲压得到，其中，所述散热器以与所述固态发光器热连通的方式安装，所述多个节段中的每个节段均包括多个弯曲部和在与能够通过所述中心底部的表面限定的平面不平行的方向上延伸的部分，所述多个节段限定内壁并且限定包围所述内壁的外壁，在所述多个节段的每个节段之间限定横向间隙，在所述内壁和所述外壁之间限定径向间隙，并且所述散热器适于将基本上所有的所述稳态热负载驱散至周围空气环境。
2.根据权利要求1所述的固态照明装置，其中，所述稳态热负载是至少4瓦。
3.根据权利要求1所述的固态照明装置，其中，所述稳态热负载是至少10瓦。
4.根据权利要求1所述的固态照明装置，其中，所述散热器适于在35℃的周围空气环境中驱散至少2瓦，同时将所述固态发光器的结温保持在95℃或低于95℃。
5.根据权利要求1所述的固态照明装置，其中，所述中心底部和所述多个节段形成杯状形状，所述杯状形状适于容纳被布置为反射由所述固态发光器发出的光的反射件。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的固态照明装置，其中，所述固态照明装置包括布置为传输由所述固态发光器所产生的光的发光端，并且其中所述固态发光器设置于所述中心底部与所述发光端之间。
7.根据权利要求5所述的固态照明装置，其中，所述反射件限定反射件腔体，并且所述固态发光器基本上设置在所述反射件腔体内。
8.根据权利要求1所述的固态照明装置，其中，所述中心底部限定至少一个孔，所述至少一个孔被布置为容纳与所述固态发光器操作地连接的至少一个电导体。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的固态照明装置，其中：
从导热材料片材冲压得到的所述散热器包括装置级散热器，所述固态发光器包括至少一个芯片级固态发光器，并且所述装置级散热器与所述至少一个芯片级固态发光器热连通。
10.根据权利要求9所述的固态照明装置，进一步包括设置于所述至少一个芯片级固态发光器与所述装置级散热器之间的芯片级散热器或放热器。
11.根据权利要求1所述的固态照明装置，进一步包括：
电连接结构，包括以下中的至少之一：螺旋灯座连接器、电插头连接器、和适于压缩地保持电导体或电源元件的至少一个端子；其中所述散热器包括一宽度；并且
其中，所述散热器的特征在于以下特征中的至少之一：
(a)所述散热器的宽度是所述固态发光器的宽度的至少10倍；
(b)所述散热器的宽度是所述固态照明装置的宽度的至少一半；或
(c)所述散热器没有任何被包覆在任何模制包覆材料中的部分。
12.根据权利要求11所述的固态照明装置，其中，所述散热器的宽度是所述固态发光器的宽度的至少10倍。
13.根据权利要求11所述的固态照明装置，其中，所述散热器的宽度是所述固态照明装置的宽度的至少一半。
14.根据权利要求11所述的固态照明装置，其中，所述散热器没有任何被包覆在任何模制包覆材料中的部分，所述模制包覆材料与包含所述固态发光器的发光器封装相关。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的固态照明装置，其中，所述固态照明装置包括布置为传输由所述固态发光器所产生的光的发光端，并且其中所述固态发光器设置于所述中心底部与所述发光端之间。
16.根据权利要求1所述的固态照明装置，
其中，反射件和透镜中的至少一个被布置为从所述固态发光器接收光；并且
其中，所述多个节段中的至少一些节段被布置为在结构上支撑所述反射件和/或所述透镜。
17.根据权利要求16所述的固态照明装置，其中，所述固态照明装置包括布置为传输由所述固态发光器所产生的光的发光端，并且其中所述固态发光器设置于所述中心底部与所述发光端之间。
18.一种包括根据权利要求1至5中任一项所述的固态照明装置的灯或灯具。
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