CN102640581B - 包覆模制的led照明组件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

在一个方面，一种LED照明装置包括一个电子电路板，该电子电路板具有一个周边部分和一个在所述周边部分的径向向内的中央部分，所述电子电路板具有一个用于在工作过程中与周围环境光学连接的外侧以及与该外侧相反的一个内侧。至少一个LED被安装在该电子电路板中央部分的外侧上并且一个导热壳体包封了所述电子电路板，所述导热壳体是由一种可模制的导热材料形成的。该导热壳体限定了一个与该电子电路板外侧的中央部分相邻的第一空腔以及一个与该电子电路板内侧的中央部分相邻的第二空腔，其中所述导热壳体的一部分被包覆模制到所述周边部分上。

Description

包覆模制的LED照明组件及其制造方法
技术领域
本披露总体上涉及LED灯和照明设备的设计、组件以及制造。在一个方面，本披露涉及一种具有包覆模制的LED电路板的改进的LED灯或照明设备。在另一方面，本披露涉及在注塑包覆模制过程中采用其所用的部件中的一个或多个来进行自动控制以及模具内组装技术的一种制造方法。
背景技术
LED照明正快速成为商业应用、市政和政府应用(如道路和停车场结构照明)以及零售应用(如局部照明和方向性照明)中所希望的照明装置选择。与传统光源如白炽的和荧光的照明装置相比，它们具有许多优点，如功率效率更低、寿命更长(例如，50,000小时)并且在它们之中没有汞或其他有害材料。
消费者家用的替代照明是希望LED的一个领域，但由于较高的制造和部件成本以及与可靠性和制造重现性有关的问题而难以采用。LED替代灯的主要成本仍然在传统白炽的和荧光的灯泡的10倍以上。另外，受组装技术和部件及材料的选择的驱使仍然留下了品质的问题。此外，寿命长和功率消耗低的优点仅在保持LED光源足够凉时才可获得。
LED光源产生了显著的热能，这个热能如果不去除或进行管理的话可能阻止光源的适当的功能、或限制其寿命。产生热量的LED光源与设计用于散热的LED灯的散热片之间的热连接和结电阻可以在任何地方将1-10摄氏度或更大的摄氏度增加到LED接合温度上。将这个接合温度维持在或低于LED光源制造商的规格以下对于LED的寿命是关键的，并且这个温度越低，寿命越长。根据已接受的电子设计规范，对于每10摄氏度的温度降低，电子寿命是加倍的。
此外，LED灯的组装可以显著影响装置性能、产品寿命和产品成本。在常规的手动组装和半自动过程中，部件到部件的一致性难以维持并且部件到部件的可靠性受损，尤其是当热性能是任何LED灯成功和寿命长的关键并且采用了差的热设计以及热量管理时。今天的LED灯是以部件和机械上密集的方法制造的，因为对LED照明设备的部件(LED、驱动器/电源、散热片和热管理、光学器件和透镜)或对于将它们设计并组装在一起用于可靠的产品利用的最佳实践总体上不熟悉。在一种LED灯中，一般需要以下制造步骤和部件：将来自LED光源以及其他的电子设备的热量进行耗散的散热片是必须进行制造的。在LED灯和照明设备中，该散热片总体上是该产品的壳体的一部分。该LED电路板组件必须用其所有的部件(包括LED光源)进行制造。这一般是通过将LED光源和任何其他部件焊接在一个PCB上的迹线上来进行的。在高功率LED照明中，一般该PCB是一种金属内芯的印刷电路板(MCPCB)；然而，也使用了其他材料并且在几乎所有情况下这些材料被附连到散热片上并且被用来将来自LED光源的热量经一个热接口而引导至该散热片。该LED电路板组件必须安装到该散热片上。热接口必须置于散热片与LED电路板之间。该驱动器板和电子设备必须进行制造和组装并且接着安装在这个LED灯中。该驱动器板和电子设备通过恒定电流对LED供电并且确保了LED光源的运行。将该驱动器板装上电线并通过焊接和其他连接件而组装到LED电路板组件上(在某些情况下这些驱动电子设备和部件被安装在与这些LED照明装置相同的电路板组件上)。必须制造一个透镜并将其安装到该LED电路板的顶部且在该灯的前方以便将来自该LED光源的光聚焦成所希望的射束角度和强度。必须将一个GU或螺口或其他照明行业标准的连接件装上电线并组装到这些驱动电子设备上以便将该LED装置连接到电源上。所有这些组装步骤和技术都涉及到螺钉、胶液、电线、焊接步骤、用于将部件保持在一起的另外的部件并且需要手动劳力来将每样东西放在一起。
图1展示了一种示例性的现有技术LED照明灯，它采用了与该LED电路板和LED光源热连通的一个散热片/壳体从而通过将热量耗散到周围空气中而提供冷却。连接到该LED电路板上并组装在该LED装置中的在一侧上的是驱动电子板和连接件以及在另一侧上的是LED透镜。
图1示出了具有一个散热片壳体118的一个示例性LED灯110。壳体118可以由一种导热材料形成，如一种金属或金属合金或导热塑料。在一个注塑模制工艺过程中由该导热材料包覆模制了一个热量散布板128。然后将一个附连了连接件的驱动电子板111物理地插入散热片壳体118中并用连接螺钉129机械地拧到该热量散布板128上。然后将一种热接口材料131安装到该热量散布板128上。接着将在其上带有一个或多个LED光源117的电路板组件116物理地附连到照明灯110上，是通过将其抵靠该热接口131而放置并将其用螺钉129a拧到热量散布板128上。然后将一个光透镜/光学器件119抵靠该电路板116而放置并通过一个透镜盖或聚光圈130(或替代地诸如胶液或粘合剂的紧固件)而保持在位，该透镜盖或聚光圈被机械地紧固到散热片壳体118上以将该透镜保持在位。然后将螺口或GU连接件112装上电线连接到该LED装置110的末端上并且附连至该驱动电子设备板111上。
设计和制造用于LED灯和照明设备的散热片现在不是新的并且迄今为止已经通过多种材料实现了，这些材料包括导热塑料、铝挤出物、压模铸件等等。制造该导热塑料散热片的方法典型地是注塑模制，但由不同类型的聚合物、环氧树脂热固性材料来形成和产生聚合物形状的其他方法是工业上总所周知的，并且将注塑模制工艺作为一个实例。所有目前以及过去的LED灯使用一个单独制造的散热器并且接着将该LED电路板用螺钉、胶液或其他组装机构与一个热接口一起组装到该散热片上。某些产品和设计甚至不使用热接口，从而产生了表现显著很差的产品。
LED光源与传统光源相比功率消耗更低且寿命更长的结果是，今天世界上的照明市场和政府正在利用并促进使用高功率的LED。有了政府和市场的支持，LED获得了广泛的接受和采纳而进入主流照明应用中。随着全球的照明要求正在日渐增长，LED使得新出现的市场和低度开发的区域能够使用光源，这是由于低的功率消耗以及用太阳能对LED供电连同持续长时间而不用更换的能力。而且，在住宅中作为替代灯泡而大规模使用的LED照明的最大阻碍是对消费者带来的主要成本和热可靠性以及这些灯的制造重现性/成本。能源部正日益推动LED替代灯泡装置的发展，这些装置是能量和热致有效的、还具有与传统白炽和荧光灯泡相同的主要成本。
概述
本披露描述了一种改进的LED装置设计及其制造方法。
本披露使用了可模制的导热材料作为LED装置的整体的散热片以便减小或消除该散热片与LED电路板之间的结电阻，是通过使用注塑模制工艺来将这种导热材料直接包覆模制到该LED电路板的更大的周边上，从而在背侧中心中留下一个开口以使得该驱动电子设备被连接到电路板上、并在前部留下一个开口，从而暴露出整个LED，这样使得可以附接一个次级光学器件而如所希望地聚焦光线。这不仅未使用螺钉或次级附接技术而将LED电路板机械地紧固到壳体上、而且还减小或消除了电路板与散热片壳体之间的任何热结电阻，这是由于在包覆模制过程中该导热材料完全浸透了电路板与散热片壳体之间的表面接触区域。它还消除了对于散热片与电路板之间的一个热接口的需要，从而显著改进了热性能(更低的温度)并且由此增大了产品可靠性。通过消除该热接口而消除或减小结电阻还通过减少制造步骤和使用的部件而减少了成本。
本创新内容将首先通过参考优选实施方案而在此进行说明，其中该散热片壳体是由一种导热塑料制成的，然而，也可以使用其他可模制的导热材料，如一种金属的注塑模制的材料。
在本披露的一个方面，一种LED照明装置包括一个电路板，该电路板包括位于其上的一个或多个LED照明元件以及包含该电路板的一个壳体构件，该壳体构件是由模制的导热材料形成的，所述壳体构件被热联接到所述LED照明元件上，其中该壳体构件是通过直接包覆模制到该电路板的外周边缘部分上而形成的。
在另一方面，一种发光二极管照明装置由多个部件模块构成，这些部件模块可以使用导热塑料(作为整体的并且包覆模制的散热片)卡扣在一起，一个或多个另外的部件模块卡扣在该散热片之内和/或之上。
在又另一个方面，一种形成LED照明装置的方法包括在一个注塑模制操作过程中使用塑料或金属、优选导热塑料将一个发光二极管电路板包封在一个导热壳体内，以便由此形成一个用于该LED装置的散热片并且消除或减小该散热片与LED电路板装置之间的结电阻。在本披露的一个更有限的方面，在该注塑模制操作过程中在该壳体上形成一个或多个机械紧固装置用于附接一个或多个另外的包括该发光二极管装置的部件或模块。
这个散热片壳体(直接包覆模制到LED电路板上)的包覆模制的组件接着可以被当做一个简单的组件并且可以与任何其他必须的部件(例如光学器件和驱动电子设备)进行组装以形成一个完成的LED照明产品。因为没有直接包覆模制具有暴露的带电电路元件的电子部件，因此没有使任何部件短路的可能性。因此在本披露中有可能使用同样导电的导热塑料作为散热片壳体材料。这些材料以与非导电的材料相比可获得的更大的导热性，从而传递了更好的热性能。在所披露的设计中没有包覆模制带电部件的风险，因此不需要对任何部件或该电路板进行高于或超出其典型制造技术的进一步绝缘的要求。
在一种进一步优选的使用中，本披露的LED装置和方法可以使用模块式LED部件组件，这些组件都快速且整体地卡扣并装配在一起。即，该导热塑料散热片壳体既可以用作LED装置的整体散热片并且也用作将该LED装置的所有部件组装并保持在一起的机构。它使用一种注塑模制工艺来模制该导热塑料并将其形成为是该散热片的机械特征连同将每样东西保持在一起的机械部分。它使用该注塑模制工艺来将该导热塑料直接模制到LED电路板上，这不仅不需要螺钉或次级紧固件或技术而将LED电路板机械地紧固到壳体上、而且还减小或消除了电路板与散热片壳体之间的热电阻，因为在包覆模制过程中它完全浸透了该表面接触区域。它还避免了对于散热片与电路板之间的一个热接口的需要，从而显著改进了热性能(更低的温度)并且进一步增大了产品可靠性。
该注塑模制工艺还可以用作在该注塑模制工艺周期的过程中将整个LED照明装置模块和子组件组装在一起的组装方法。在一些情况下，该LED照明装置可以在该导热塑料壳体散热片被包覆模制到LED电路板上时被组装在同一的模制室内，例如，通过结合自动化技术和机器人。这产生了一种热学上且机械上可靠的组装的LED灯而最小地(到没有)增加制造成本和时间。因此可以使得这种从装置到装置的制造过程是一致的并且可再现的，这再次增大了装置和产品的可靠性和可再现性。因此，这种自动化的组装可以显著减少LED灯的制造和组装时间以及成本。这些因素的组合显著减小了施加给消费者的装置主要成本。
通过使用该注塑模制工艺来通过包覆模制将该散热片组装到LED电路板模块上，可以消除之前昂贵的且热学上不可靠的组装方法。该LED电路板模块(其中所有的LED光源和电子设备都可以预先总装在其上)被插入该模具空腔内，该模具空腔模制该导热塑料散热片壳体。然后该散热片被包覆模制到LED电路板上，从而在一个操作中产生了散热片与LED电路板的子组件，该子组件在该PCB与散热片壳体之间具有极小的或者没有热结电阻并且不要求热接口。
在另一方面，构成该LED照明装置的这些部件的设计方式是使得它们全都是模块式的并且具有快速连接特征，因此它们可以有效地组装在一起。具有用于将LED装置安装到一个电灯附件上的连接件/插座的驱动电子板模块的设计方式可以是使得它在一个末端具有一个第二连接件，该第二连接件通过在该LED电路板模块背面上的更大的中央区域而快速连接到一个匹配的连接件中。该LED透镜(在要求或希望时)可以设计为使得它也具有卡扣特征，这些卡扣特征可以通过该照明装置模块的前部而快速组装到该LED照明装置上。
在一个另外的方面，在一个制造操作中模制该散热片、产生完整组装的照明产品的注塑模制工艺过程中将所有这些部件作为模块组装在一起。所有部件都被插入该模制室中。将该导热塑料包覆模制到该LED电路板上以创造该LED电路板模块与散热片的一个子组件模块。这些驱动电子设备接着通过连接到LED电路板中的一个连接件上而被卡扣或连接到该子组件模块上适当位置上，并且最后该透镜或盖(若要求或希望的话)通过卡扣到该导热的模制的散热片的前部上而被连接到该LED子组件模块上。产生了一种模块式设计的LED装置，该装置的制造方式是以产生一个组件所要求的周期时间而产生了一种具有超过现有技术LED装置的显著优点的、低成本、热可靠的装置。
本发展的一个显著优点是能够消除手动劳力以及相关的用螺钉和胶液将散热片组装到LED电路板上并且结合在这二者之间热接口的可靠性和组装成本的能力。第二个优点在于本创新能够消除对于用另外的螺钉和附接部件将这些驱动电子设备和部件组装到散热片壳体和LED电路板上的需要的能力。第三个优点是它可以允许消除将LED透镜/盖组装到LED电路板或散热片壳体上、和/或在常规LED灯制造工艺中使用的手动组装制造技术的其他组合、连同将所有剩余的部件组装在一起的劳动力成本的需要。
另一个优点是在之前的组件的基础上本发展的再现性。通过将该导热塑料包覆模制到LED电路板上来作为组装方法，它减小或消除了电路板与散热片之间的热结电阻并且使用了注塑模制的自动化且可再现的工艺来做到这点。没有机会忘记应用一个热接口胶带或脂膏。没有机会在将多个部件附接在一起时不拧紧螺钉。没有机会由于差的制造品质而得到未对准或差的装配。该注塑模制工艺完全发生在一个尺寸和形状固定的模制空腔内。该LED电路板被插入该注塑模制空腔内的方式是，使得待包覆模制的区域被暴露在该空腔内而其他的区域与该空腔密封隔离。然后将该导热塑料注入该开放的空腔中用于填充该区域、包覆模制该LED电路板的希望的区域并形成该包覆模制的散热片壳体的外形尺寸、形状和部分。
本披露的又另一个优点是该模制的散热片的设计。通过将该散热片设计为与用于制造(DFM)组装技术的塑料注塑模制设计相符合，可以按一种可重现的并且有效的方式来真正地利用先进自动化、半自动化以及甚至次级的手动组装。该散热片可以具有卡扣特征、肋、引导件、短柱、接片、或可以设计用于模制在其中的任何其他机械特征。这允许将其他的模块或部件，如透镜、聚光圈或驱动电子设备，容易地而直接地附接到该散热片壳体上。该包覆模制的散热片的设计方式是使得它是其他的每样东西快速且容易地安装到其上的锚固座或紧固本体，不需要任何次级的或额外的安装硬件或材料，如胶液。
本披露的又一个另外的优点是该LED照明装置的模块式设计。制造这些待模块式地组装在一起的部件中的一些或全部的能力允许本发明的LED照明装置设计简化并且系统成本降低。不同于完成的LED照明装置是其自身的完成的且定制的解决方案，该灯设计内的每个模块可以变为其自身的标准化的形态因子，从而允许这些独立的模块供应商/制造商来竞争地供应产品。通过制造这些模块的标准形态因子，制造商仅仅必须着重于产一个方面的品发展。这允许在生产这些模块时进一步的产品成本降低和制造效率。这些模块制造商/供应商将进而公开其具体模块的规范，这样，支持模块的供应商(透镜/盖或驱动板电子设备的制造商)将确保它们的辅助模块容易且有效地卡扣/装配在一起。目前存在许多限定光安全、电子设备规范连同照明形态因子如IEC 60630的标准。IEC 60630控制任何制造或出售的灯产品的形态因子要求从而简化产品的发展并对于电灯附件制造商和设计者产生形状的标准。本披露的模块式LED装置设计以类似的形式具有将制造工艺和模块式的设计形态因子标准化的潜力，其方式为使得在LED产品设计中散热片壳体的形态因子是确定的，板尺寸和模块是预先确定的，透镜/盖是预先定义的并且LED电路板的包覆模制变为标称的。这不仅增大了该装置中的可靠性，它还将所有可靠性因子集中至小到恰恰几个关键区域，如电子设计、LED光源选择以及电子设备部件的品质。它还允许倘若对于这些LED照明产品存在任何保修或升级方面的话更换和交换是容易的。
本发展的另一个优点在于将这些模块式LED装置模块组装在一起的制造方法，例如将这些驱动电子设备和连接器板组装到该LED照明装置上并且组装到该LED透镜(若要求的话)上，全都是在将该导热散热片壳体注塑模制到该LED电路板模块上时进行的。注塑模制的优点以及与之相关的自动化选项将部件和模块的复杂组装转变为容易的自动化组装过程，这个过程可以完全在该注塑模制室内部、在其紧密附近或在线外(若要求的话)完成，但优选是在该注塑模具本身内部通过被设计为将多个部件机械地自动组装在一起的多个模具来完成。这可以通过双喷射注塑模制(例如，透镜/盖可以被在原位模制)或通过自动机器人和构建在模制室之中的设备进行，全都使用被设计为快速组装在一起的部件。总之，这整个组装过程可以在以下的注塑模制周期内进行：首先将该散热片壳体注塑模制到LED电路板模块上并接着将所有剩余的部件/模块组装到该壳体上，由此这并没有增加额外的成本并且使之是极为可靠且有成本效益的。
本发展的又进一步的益处和优点在本领域的普通技术人员阅读和理解以下对优选实施方案的详细说明之时将变得清楚。
附图简要说明
本发明可以采取不同部件和部件安排、以及不同步骤和步骤安排的形式。这些附图仅是用于展示优选实施方案的目的并且不应理解为限制本发明。
图1是一种示例性的现有技术LED照明装置的截面视图。
图2是直接包覆模制到一个LED电路板模块上的包覆模制的散热片壳体组件的一个示例性实施方案的第一等距视图。
图3是图2中出现的包覆模制的散热片壳体组件的第二等距视图。
图4是图2中出现的包覆模制的散热片壳体组件的一个侧视图。
图5是沿图4中的线5--5截取的一个截面视图。
图6是采用了图2的包覆模制的散热片壳体组件的一种组装的LED照明装置的第一等距视图。
图7是图6中出现的组装的LED照明装置的第二等距视图。
图8是图6中出现的组装的LED照明装置的一个侧视图。
图9是沿图8中的线9--9截取的一个截面视图。
图10A-10C展示了该LED照明装置的若干示例性的替代实施方案。
图11和12是根据本披露的一个示例性实施方案的一种制造方法的工艺流程图。
优选实施方案的详细说明
参见附图，其中贯穿这几个视图，相似的参考号指代相似或类似的部件，现在具体地参见图2-5(其中出现了具有包覆模制的散热片壳体18的一个LED电路板16)和图6-9(其中出现了一种组装的LED照明装置10)。优选地，该LED电路板在包覆模制该散热片壳体18之前预先总装了这些LED元件，然而，将认识到该LED电路板可以在安装这些LED元件之前进行包覆模制。
如在此使用的，术语“包覆模制”及其变形如“包覆模制了”、“包覆模制的”等等，在作为动词使用时，旨在是指一种模制或铸造工艺，优选注塑模制，其中该LED电路板被置于该散热片壳体模具空腔内并且该导热的可模制的材料在原位被模制到该LED电路板上面或上方。同样地，术语“包覆模制”及其变形如“包覆模制了”在作为名词使用时，旨在是指通过如以上定义的包覆模制工艺所生产的一种模制的或铸造的部件。
壳体18可以由一种可注塑模制的导热材料形成，如一种金属或金属合金(例如，一种金属的可注塑模制的材料)、或更优选地一种导热的塑料或聚合物材料，如包括聚合物基质和导热填充剂的一种导热的复合材料。因此壳体18既充当一个壳体又充当一个散热片。
该导热塑料优选地具有2W/mK的最小热传导率。在优选实施方案中，该用于壳体18的可模制的导热材料的热传导率是在约10-15W/mK的范围内、并且更优选在约15-20W/mK的范围内、或者更高。
该形成壳体18的导热的聚合物材料不限于任何具体的基质材料。可以使用任何适合的基质材料。该基质材料可以是例如热固性材料，如环氧树脂或聚酯树脂。它可以是例如弹性体的或橡胶材料，包括但不限于：丁二烯-丙烯腈共聚物、橡胶共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、苯乙烯-马来酸酐共聚物，等等。更优选地，该基质材料是一种基于例如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)共聚物、芳香族聚碳酸酯、芳香族聚酯、聚苯硫醚、以及聚酰胺的热塑性材料。以上清单仅仅旨在是示例性的并且也可以使用其他的基质材料，如本领域的普通技术人员已知的。
导热填充剂或添加剂材料的实例包括例如：铜薄片、石墨(包括天然和合成的石墨)、膨胀石墨、碳纤维、碳黑、沥青基碳纤维、金属氮化物(如氮化铝、氮化硼、氮化硅)、氧化硅、金属氧化物(如氧化铝)等等。在该基质中该导热填充剂按重量计的含量通常将是从约5百分比至约70百分比，优选从约25百分比至约50百分比。
在该基质系统中可以任选地存在任何其他常规的添加剂，这些添加剂包括但不限于：阻燃剂、催化剂、促进剂、或硬化剂，如固化或交联催化剂或促进传导性材料生长的催化剂，填充剂，如用于减小热膨胀的石英粉末或为了减少成本而可能添加的或其他较惰性的材料，或者用来改性机械特性、用作彩色效果的基底、或为了改进表面织构的其他填充剂或增充剂，或为了稀释或扩展高成本树脂而不显著减小其特性的增充剂，抑制剂，触变剂，助黏附剂，能够对基底并且在处理过程中施加正面效果的任何其他添加剂，如用于改进基质到填充剂的偶联的最终处理剂或用于使材料对于铜的非电镀沉积有催化性的贵金属或贵金属化合物等等。此类添加剂及其使用是本领域技术人员所熟知的。
提供了如图7中所示的一系列鳍片或肋21来增大散热片/壳体构件18的表面积从而增强热量向周围空气中的耗散。将认识到可以代替鳍片而提供用于增大壳体/空气界面的表面积的其他几何形状构型，例如销钉或其他凸起等等。可以提供一个透镜盖19来覆盖散热片壳体18的开放末端23。该透镜可以是例如一个透明的盖、并且可以任选地包括整体的光学元件，如扩散器、射束成型元件等等。在所描绘的优选实施方案中，透镜19包括多个支腿37，这些支腿各自具有一个凸起39，该凸起与一个对应的对齐的开口或凹陷34接合。在所展示的实施方案中，这些支腿是弹性的并且包括一个斜坡的或倾斜的表面来协助将该透镜盖插入就位，同时一旦透镜19被卡扣就位则防止或抵抗其被移除。
将一个或多个LED元件17(在所描绘的实施方案中是三个)安装在该电路板16(例如一个印刷电路板)上，该电路板进而被包覆模制在该散热片/壳体18内。该电子电路板16包括一个外部周边部分以及被置于该周边部分径向向内的一个内部中央部分。该电子电路板16还包括：一个外侧24，该外侧在LED照明装置的操作过程中任选地与周围环境相接；以及一个与该外侧相反的内侧。这些LED元件被安装在该电路板16的中央部分的外侧上。该导热壳体18包封了该电子电路板并且限定了一个与该电子电路板外侧的中央部分相邻的第一空腔23以及一个与该电子电路板16的内侧的中央部分相邻的第二空腔29，使得所述导热壳体的一部分被包覆模制到该电路板16的周边部分上。
该电路板16包括一个连接件15，用于将LED电气联接到一个外部电源上，例如一个建筑物的电源(AC干线)、DC驱动电子电路板模块13等等上。该电路板16和/或被埋入该驱动器板模块13中的LED驱动器板11还可以携带与该LED装置10相关联的任何其他电子设备，如本领域的普通技术人员所理解的。该电路板16、连接件15、LED元件17、以及任何其他相关联的电子设备组成了该LED电路板模块16。
该电路板16可以是例如一个玻璃/环氧树脂的印刷电路板或一种导热的可挤出的或可注塑模制的聚合物。更优选地，该电路板16可以是一种类型的铝或其他金属内芯的印刷电路板(MCPCB)，该类型可以有利地用来将热量从LED元件17中传导离开。在一个非金属PCB 16的情况下，该传导层可以用来将来自LED的热量传导至该散热片壳体18。更优选地，在非金属的电路板16的情况下，电路板16可以进行包覆模制而在电路板16的内侧上结合一个热量散布板并且与这些LED元件17热连通从而将来自在从这些LED元件中传导离开而到达该散热片壳体18。
通过用形成外壳18的可注塑模制的导热材料部分地或完全地包封该电路板16的外部或外周边缘，其中该导热材料形成了该外壳、恰恰留下一个空隙用于该电路板连接件15之间的电子连接以及到外部电源上的连接，电路板16与壳体散热片18之间的结电阻可以被减小或消除。
在电路板16的包覆模制过程中，该可注塑模制的材料是处于热塑性塑料或软相(soft phase)或液体相的形式。这允许该材料完全浸透它将被包覆模制到上面的这个表面。当它在模具中凝固成其最终的外壳形状18时，电路板16与该导热外壳18之间所产生的接触电阻被减小或消除了。这避免了对于如图1中所描绘的次级热接口131的需要并且增大了长期的热可靠性还减小了组件到组件的热变异性。
电气连接件15被电气联接到电路板16的底面24上并且经电路板16中一个孔25而穿过该电路板16的背面离开，这个孔是用于将电路板模块16电气联接到电网、驱动电子模块13、次级电力连接件、来自该灯电源的线电压、电灯附件或用于将电力供给这些LED元件17和电路板16或类似物上的其他装置上。
在一个优选实施方案中，该LED装置10包括一个驱动电子模块13，该模块在该注塑模制组装过程中与该LED装置10卡扣在一起并通过该驱动电子模块板11上的一个连接件14而连接到电路板模块16上并且连接到电路板模块16上的一个连接件15上。在这个优选实施方案中，多个对准凹槽或键锁式安排32被模制到该散热片壳体18中，它们有助于在组装过程中对该驱动器板模块13进行引导、定位并固定就位。这样的键锁式安排可以包括例如：与一个互补的凹槽相接合的一个肋或凸起、相对于有待接收在空腔23中的该驱动电子模块13的形状而言偏心的或以其他方式相匹配的几何形状的空腔23的壁等等。所展示和讨论的这些实施方案仅是示例性和说明性的并且考虑到了该驱动电子模块13及其在LED器件10中的模块式组装的其他构型。将认识到，可以采用任何构型的一种自含式驱动器电子模块13，该模块提供了一种进行电力传送和转化的、处于模块式方式的装置。一种模块式驱动器电子板组件13对于在封闭室的制造方法中制造一个完成的照明装置也是有利的。
该驱动器板模块13由一个电路板11和一个连接件/驱动板模块壳体材料27构成，该材料用于保护LED装置10的使用者和消费者免于来自被供应给LED装置10的线电压和电力的电击。优选地，LED驱动器板13的壳体27是由一种导热的、电绝缘的材料(如一种导热的电绝缘的塑料)形成的。
在某些情况下，模块13可以包括用于将LED照明装置10连接到照明附件上的连接件12。替代地，用于连接到电灯附件上的连接件12可以是一个单独的模块。在所描绘的实施方案中，连接件12显示为一个GU型连接件。将认识到，可以使用将该LED照明装置连接到一个电灯附件上的任何其他的连接件。例如，图10A展示了具有Bi-Pin GU5.3低电压连接件12a的第二实施方案的LED装置10a。图10B展示了具有一个螺口灯座12b的第三实施方案的LED装置10b。图10C展示了具有用于110或更高电压的连接的一个GU10的第四实施方案的LED照明装置10c。
电路板11包括一个用于将该驱动板模块13电气联接到电路板模块16的连接件15上的一个连接件14。在所描绘的优选实施方案中，该驱动板模块13包括一个凸起35，该凸起被接收在电路板16中一个互补的开口33内，例如用于提供一种卡扣配合、摩擦配合或类似方式。在一个尤其优选的实施方案中，该凸起35可以包括一个斜坡的或倾斜的表面，该表面协助将该透凸起插入该开口33之中，但是一旦它被卡扣就位则防止或抵抗被移除。
该电路板11还可以包括多个连接件销钉或螺口灯座12，用于将该驱动板模块13联接到一个外部电源上，例如一个建筑物的电源(AC干线)、一个照明附件中的匹配的连接件等等上。连接件销钉或螺口灯座12从该驱动器模块壳体材料27伸出、通过其连接或者通过其电绝缘。
该电路板还可以携带与该驱动板模块13和/或LED装置10相关联的任何其他电子设备，如本领域的普通技术人员所理解的。电子板11可以是例如一个玻璃/环氧树脂的印刷电路板。替代地，电路板11可以是一种导热的可挤出的或可注塑模制的聚合物。更优选地，该电路板11可以是一种类型的铝或其他金属内芯的印刷电路板，该类型可以有利地用来将热量从安装在电路板11上的这些驱动电子部件中传导离开、并随后通过这些物理连接件而将热量从这些LED元件17传导离开。
该LED装置10由一个外部电源供电，如以上说明的。在运行过程中，该LED灯元件17产生热量，该热量被LED散热块26和其他部件在LED光源的热路径中传导至电路板16的底侧24。该热量被传导经过该电路板、经过电路板16的周边部分22与散热片/壳体18之间的所有结点，并且该该散热片壳体18以及壳体18的冷却鳍片21所耗散。通过在注塑模制工艺过程中用该可注塑模制的导热外壳18来包覆模制该电路板16的周边部分22，消除了对于一种单独的接口材料131(见图1)以及横跨所产生的界面或接触电阻所得到的温度增加的需要，因此产生了用于热量前行至该散热片壳体18并且被这些冷却鳍片21耗散掉的一个直接且热有效的路径。产生的这种热接口材料的消除可以改进热传递效率，例如改进了1.5％与10％之间，并且优选在2％与30％之间，例如从LED 17的结点温度中消除了1至10摄氏度。
该LED装置10还包括一个透镜或盖19，它可以充当该LED装置10的开口23的盖并且还可以充当一个扩散器、用于将这些LED元件17产生的光聚焦为所希望的射束角度和光安排的一个透镜，等等。在某些实施方案中，透镜19可以在其表面上具有一个包括量子点的涂层，这些量子点允许该透镜将白色LED光转化成暖色LED光。
该LED透镜19被接收在开口23中，使得其上的任何光学元件都在这些LED元件17上对齐。该透镜19可以被适配为用设计在部件内的卡扣特征(例如37、39)以及例如对应的开口34而卡扣在位，这些开口可以作为该注塑模制制造组装过程的一部分形成。替代地，该透镜可以用一个装配在该透镜19上的卡扣环或聚光圈(未示出)保持在位，该透镜进而附接到或卡扣到该LED装置10上。在一些情况下，该LED透镜可以在其制造过程中直接形成在该LED元件17上并且被直接构建到该LED光源之中。在这样的情况下，可以任选地增加一个另外的保护透镜19，如果希望如此的话。
在一个进一步的方面，提供了一个中间的或子组件部件，包括在其上包覆模制了该导热的注塑模制的散热片壳体的电路板16，因此形成了可以用来形成一个完成的LED照明装置的子组件。这个实施方案可以任选地省略这些用来所有剩余的部件和子组件组装到其上的卡扣特征和模制在其中的接片、引导件和特征等等中的一些或全部，同时仍提供关于减小或消除LED电路板模块与散热片壳体之间的结电阻的所有这些增强作用和改进，从而导致了该LED照明装置的热性能、可靠性、部件到部件的变化以及显著的主要成本、消费者的成本降低这些方面的改进。一定程度上消除了一些或所有这些卡扣特征和模制在其中的接片、引导件和特征等等，根据这个实施方案的组件可以通过传统的用来安装剩余部件的组装技术来获取并组装，这些剩余部件是例如透镜(若希望的话)、聚光圈、驱动器电子模块、以及螺口灯座或用于将该照明组装与电源连接的其他插座连接件，等等。
关于现有技术的制造方法，LED照明装置由在全世界制造的许多部件组成，这些部件进而被运输到组装现场，在这里它们被手动组装成照明装置。这产生了显著量的可靠性、再现性、组装、运输及制造成本和无效率，这必须不仅构建在LED装置成本中并且产生在LED装置的设计中，该装置设计是热致无效的并且不可靠的。根据本披露的装置和制造方法用一种将LED的整个制造组装过程简化并自动化成为一个步骤的制造方法提供了一种最新型的LED装置设计。
例如，根据本披露的一个示例性实施方案的一种电路板模块(被设计为其周边包覆模制了一种导热的可注塑模制的材料，该材料形成了该壳体)的设计包括从其中伸出的连接件，例如位于该电路板的一个面向内的侧面上，用于一个驱动电子模块卡扣到并且连接到该注塑模制的导热壳体(例如通过其空腔29)的一个侧面上。该壳体进而可以具有多个整体模制的特征以接受一个透镜和盖来从另一侧卡扣到其上。以这种方式，组装该LED照明设备的部件和步骤的数目可以显著减少，例如从典型地多达10个或更多减少至4个或更少。通过使用一种可注塑模制的热塑性材料作为该壳体和散热片以及将所有模块在该装置中保持在一起的紧固件系统，有可能消除一些或所有这些次级外部机械紧固件，如螺钉、丝线、铆钉、夹子、棘爪、以及其他类似的紧固部件。
根据一个另外的实施方案，进一步考虑到了可以不使用一些或全部的这些整体模制的卡扣特征而提供包覆模制了导热的可注塑模制的材料的一种电路板模块，因此形成包覆模制了该LED电路板模块的该导热壳体的组件，该组件接着可以用已知的组装方法组装到一个完成的照明设备上。这个实施方案将不具有用来将所有剩余部件和子组件组装到其上的所有这些卡扣特征和模制在其中的接片、引导件和特征。然而，这个实施方案将包含在减小或消除LED电路板模块与散热片壳体之间的结电阻方面的所有增强作用和改进，因此导致了在该LED照明装置的热性能、可靠性、部件到部件的变化、以及带给消费者的显著的主要成本减少方面的改进。那么这种包覆模制的组件可以通过传统的或已知的用于安装剩余的部件的组装技术来获取并组装，这些剩余部件是例如透镜(若希望的话)聚光圈、驱动器电子模块以用于将该照明装置与电源相连的及螺口、GU型、或其他的插座连接件。
图11描绘了用于制造根据本披露的LED照明装置10的一种优选方法。关于图12中所示的优选方法的过程图，出现了一个预定义的工艺步骤A，该步骤包括用该可模制的导热材料来包覆模制该LED电路板。在步骤B，附接了该透镜/光学器件部件，例如是通过卡扣在其上或使用快速连接方法以其他方式附接。在步骤C，附接了该驱动器组件部件，例如是通过卡扣在多个特征上或其他的快速连接技术。在步骤D，对该LED产品进行测试并且在步骤E，将组装的产品准备用于包装。
现在参见图12，出现了一种优选方法，该方法可以使用在线内与该注塑模制工艺建立的一种先进的自动化的制造室来实施，例如在预编程序的控制下运行，其中该导热的散热片壳体被包覆模制到该LED电路板上，这样使得在包覆模制该LED电路板16的周期时间内可以包覆模制并组装一个完成的LED照明设备10。以此方式，对于每个模制周期，产生了一个完成的测试过的照明设备。然而将认识到，也考虑到了在这些工艺步骤的一些或全部之间进行部分完成的工作产品的手动转移和组装。
根据在此的优选方法，在该制造线上使用的工作室可以对应这些工艺步骤进行优化。根据这个实施方案的它们的功能在下面更详细地描述。在步骤A，将进入的材料(即，这些LED板16)预装载到处理材料的托盘上并提供给该注塑模制机器，在这里它们例如经自动控制系统被提供给一个注塑模制机器的能够抓握进入的材料的机器人(例如，一个机器人臂)，这些进入的材料，即，这些LED板16连同所完成的包覆模制的壳体组件。
在完成该包覆模制过程并且将形成该散热片壳体18的该可注塑模制的导热材料包覆模制到该PCB组件16上之后，如此生产的这些中间壳体/电路板组件被提供给第二个工艺步骤B，例如，是通过自动化的工艺和处理。步骤B代表第二个预定义的工艺步骤，其中可以任选地进行一个初级测试来检验该LED的功能，并且其中将该光学器件/透镜19附接并卡扣到该包覆模制的壳体上，优选在程序设计的控制下自动地进行。
然后这些部件被提供给预定义的过程C，其中使用先进的模块式连接件以及自动化的组装过程将该驱动器子组件13(包括壳体和插座/螺钉底座)附接到一个功能性的包覆模制的照明设备/透镜组件上。接着，这些完成的组件10被提供给预定义的站D，在此进行最后检验。在预定义的过程E处，所完成的、合格的照明设备10被提供用于产品包装和运输。
每个预定义的工艺步骤优选地被设计为花费不长于第一个工艺步骤A的时间。这导致一旦进行了整个过程并且第一个产品到达步骤E时，每次包覆模制过程A发生时就产生一个完成的照明设备10。工艺步骤A、B、C和D还可以包括关于注塑模制准备的工艺步骤，包括但不限于：注塑模制设计和制造、注塑模制机器选择、散热片壳体最终部件的设计(用于进行包覆模制的注塑模具的模具设计)。这些工艺步骤还可以包括使用对于在注塑模制工艺过程中使用并组装的这些模块进行夹持和处理所要求的任何自动控制或工具加工，如本领域的普通技术人员所理解的。许多注塑模制室包括机器人，这些机器人拾取部件、将它们放在模具中、在产品制造完成后将它们提供给操作者或传送机。
工艺步骤A、B、C和D还可以涉及：与部件的处理相关的任何机器人活动以及臂末端的工具加工、用于模块组件和部件的进行区域连同用于过程控制的对注塑模制机器的任何程序设计、机器人自动化处理程序以及任何其他一般性自动控制或总体上与该注塑模制过程和自动化处理相关联的过程，如本领域的普通技术人员所理解的。
使用一种根据本披露的注塑模制的组装方法允许在一个操作中以自动化的方式完全组装根据本披露的LED装置设计。注塑模制允许今天的各种各样的模具内组装技术。自动控制、双喷射模制、插入模制和模具内组装的技术和能力允许在模制周期和过程内制造出完整的部件。通过消除并统一多个部件并最小化处理和组装步骤可以获得显著的制造成本的节约。在某些实施方案中，使用预组装的电路板、透镜和其他希望的模块，将这些部件置于该注塑模具内。使用1射或2射模制(例如，任选地该透镜也可以在此时模制)，用一种导热的形成该散热片的壳体材料来包覆模制该电路板。使用自动控制以及新的模具内组装技术，可以将该透镜、多个模块以及任何其他希望的连接件或部件附接到灯上而产生一个完成的LED照明设备，由此显著地削减制造和组装成本。
例如，如果LED装置的手动组装以每小时$10USD的速率花费了5分钟，则制造组装成本将是每个装置$0.83。使用注塑模制作为基线组装和包覆模制技术，假定一个4空腔的模具在每小时$100USD的机器速度下运行30秒的周期时间，则每个装置的组装成本是每个装置$0.21或仅为该成本的1/4。该自动化组装方法同消除电路板16与LED装置壳体18之间的结电阻的变化相结合，还增大了产品的可靠性，这显著减小了保修成本，而保修成本是今天的LED装置中的一个显著的成本因子。
在该LED装置的制造方法的一个替代实施方案中，在该预定义过程A中设计的模具具有用于在其中进行操作的四个侧面。在该模制过程中，该模具打开并然后在第二操作发生时转动90度。因此一种四个侧面的模具可以具有四个操作。例如在第一模制注射过程中包覆模制该LED电路板并转动之后，相匹配的模具部件和工具将该驱动电子模块压制并卡扣式装配到该包覆模制的散热片壳体和电路板模块之中。然后这在所有侧面上继续，直到整个组件完成，并且在最终的模制周期之后一个机器人或其他装置将一个完全组装的LED照明装置从该模具中去除。
在又另一个替代实施方案中，用一种导热的可注塑模制的材料包覆模制该LED电路板模块，该材料将用于剩余LED模块子组件和部件的所有安装特征进行整合而装配在其中。这个子组件然后被转移到该注塑模制室外部的次级组装站，在这里该驱动电子板和LED透镜/盖被精确地组装在位。
在又另一个替代实施方案中，没有单独的LED电路板模块。相反，在已经注塑模制该壳体之后，该电路和LED被直接安装到该可注塑模制的散热片壳体上。在这个实施方案中，该壳体可以在该注塑模制过程中将所有安装特征和组件结合到任何子组件和部件中。此外，可以消除该PCB并将电路直接置于该散热片壳体上，在此情况下该单元在完成其他组织过程之后经历一个将LED直接安装在其上的额外步骤。
一些LED装置设计可以具有更多的部件子组件而其他将具有更少的。在此这些实施方案旨在仅是示例性和展示性的并且多种变更在本领域的普通技术人员阅读并连接本披露之时将变得清楚。
在一个替代实施方案中，可以使用一种混合的散热片方法。在这种方法中，可以将一种金属或其他散热片散布体或插入物与该电路板模块一起插入该模具中，由此该散布体充当了该散热片/热耗散装置。在此情况下该可注塑模制的壳体材料可以是导热塑料、任何金属的可注塑模制的材料或甚至一种非导热的常规塑料(被用来结合所有部件的安装和组装)，还利用该金属散热片散布体作为LED光源的散热装置。
在又另外的替代实施方案中，该驱动电子模块的电路板可以组合到LED装置的电路板上。在此情况下，仅仅将导线、用于连接到电源上的连接件、以及一种连接件壳体材料连接到电路板16上。当LED是AC LED时典型地这种情况，并且可以采用直线电压而不要求特殊的驱动电子设备来降低来自该电源的AC线电压并将其转化为DC以驱动这些DC LED。本领域的普通技术人员将认识到关于不同LED类型和供电选项的驱动电子设备要求。
在某些实施方案中通过使用AC LED技术，可以将驱动电子设备成本显著以该LED装置10的总电子设备成本的20％-30％之间、优选10％-40％之间来减少。消除这种电子设备驱动器不仅降低了成本，而且还增大了可获得的部件体积，这个体积可以被该散热片和热材料使用而进一步将来自该LED的热量耗散掉一个显著的倍数。这提高了LED装置10的效率，从而降低了其温度并由此显著增大了其可靠性。
已经参照这些优选实施方案对本发明进行了说明。其他人员在阅读并理解以上详细说明之后将想到多种变更和替代方案。意图是将本发明解释为包括所有这样的变更和替代方案。应理解的是以上说明的物质应仅被理解为是对本发明的展示而非限制。

Claims (27)

  1. 具有了如此描述的这些优选实施方案，现在对本发明提出权利要求的是：
    1.一种LED照明装置，该装置包括：
    一个电子电路板，该电子电路板具有一个周边部分以及一个在所述周边部分的径向向内的中央部分，所述电子电路板具有一个用于在工作过程中与周围环境光学连接的外侧以及一个与该外侧相反的内侧；
    安装在该电子电路板中央部分的外侧上的至少一个LED；以及
    包封所述电子电路板的一个导热壳体，所述导热壳体是由一种可模制的导热材料形成的；
    所述导热壳体限定了一个与该电子电路板外侧的中央部分相邻的第一空腔以及一个与该电子电路板内侧的中央部分相邻的第二空腔，所述导热壳体的一部分被包覆模制到所述周边部分上。
  2. 2.如权利要求1所述的LED照明装置，其中，所述可模制的导热材料是一种导热塑料。
  3. 3.如权利要求1所述的LED照明装置，该装置进一步包括：
    接收在所述第二空腔内的一个LED驱动器。
  4. 4.如权利要求3所述的LED照明装置，该装置进一步包括：
    在所述电子电路板上的一个电气连接件，用于与所述LED驱动器上的一个互补的电气连接件相匹配从而将所述LED驱动器电气联接到所述至少一个LED上。
  5. 5.如权利要求3所述的LED照明装置，其中，所述LED驱动器包括包封了一个LED驱动器电路板的LED驱动器壳体，所述LED驱动器壳体是由一种导热的电绝缘塑料形成的。
  6. 6.如权利要求1所述的LED照明装置，进一步包括：
    限定了一个开口的所述第一空腔；以及
    围绕所述开口固定的一个透镜。
  7. 7.如权利要求6所述的LED照明装置，其中，所述透镜是选自：透明板、光学扩散器、以及光学射束整形器。
  8. 8.如权利要求6所述的LED照明装置，其中，所述透镜具有一个在其表面上包括量子点的涂层，这些量子点允许该透镜将白色LED光转化成暖色LED光。
  9. 9.如权利要求1所述的LED照明装置，其中，所述电子电路板是一种印刷电路板。
  10. 10.如权利要求9所述的LED照明装置，其中，所述印刷电路板是一种金属内芯的印刷电路板。
  11. 11.如权利要求10所述的LED照明装置，进一步包括：
    一个散热块，该散热块是安装在所述电子电路板的外侧上并且与所述至少一个lED中的每个相邻并且与所述金属内芯的印刷电路板是热连通的。
  12. 12.如权利要求9所述的LED照明装置，其中，所述印刷电路板是一种非金属的印刷电路板。
  13. 13.如权利要求12所述的LED照明装置，进一步包括：
    与该电子电路板的内侧相邻的一个热量散布板，所述热量散布板与所述至少一个LED是热连通的，其中所述导热壳体的一部分被包覆模制到所述热量散布板的一个周边部分上。
  14. 14.如权利要求13所述的LED照明装置，进一步包括：
    一个散热块，该散热块是安装在所述电子电路板的外侧上并且与所述至少一个LED中的每个相邻并且与所述热量散布板是热连通的。
  15. 15.如权利要求1所述的LED照明装置，其中，该可模制的导热材料包括一种聚合物基质材料以及一种导热填充剂。
  16. 16.如权利要求15所述的LED照明装置，其中，该导热填充剂是选自下组，该组由以下各项组成：天然或合成的石墨、碳纤维、炭黑、氮化铝、氮化硅、氧化硅、金属氧化物、以及它们的组合。
  17. 17.如权利要求15所述的LED照明装置，其中，该可模制的导热材料是导电的。
  18. 18.如权利要求15所述的LED照明装置，其中，所述可模制的导热材料是电绝缘的。
  19. 19.一种制造方法，该方法包括：
    提供一个电子电路板，该电子电路板具有一个周边部分以及一个在所述周边部分的径向向内的中央部分，所述电子电路板具有一个用于在工作过程中与周围环境光学连接的外侧以及与该外侧相反的一个内侧；
    将至少一个LED安装在该电子电路板中央部分的所述外侧上；并且
    用一种可模制的导热材料包覆模制所述电子电路板周边部分以形成包封所述电子电路板的一个包覆模制的导热壳体，所述导热壳体限定了一个与该电子电路板外侧的中央部分相邻的第一空腔以及一个与该电子电路板内侧的中央部分相邻的第二空腔。
  20. 20.如权利要求19所述的制造方法，其中，所述可模制的导热材料包括一种聚合物基质材料以及一种导热填充剂。
  21. 21.如权利要求19所述的制造方法，其中，所述包覆模制是一种注塑包覆模制。
  22. 22.如权利要求20所述的制造方法，其中，所述可模制的导热材料是导电的。
  23. 23.如权利要求20所述的制造方法，其中，所述可模制的导热材料是电绝缘的。
  24. 24.如权利要求19所述的方法，其中，将所述至少一个LED安装在该电子电路板中央部分的所述外侧上的所述步骤在用一种可模制的导热材料包覆模制所述电子电路板周边部分的所述步骤之前进行。
  25. 25.如权利要求19所述的方法，进一步包括：
    使用整体地形成在所述包覆模制的导热壳体上的一个紧固件将一个光学上透明的盖附连在所述电路板外侧之上。
  26. 26.如权利要求19所述的方法，进一步包括：
    将一个LED驱动器电子模块电气联接至所述电子电路板上。
  27. 27.如权利要求26所述的方法，其中，该LED驱动器电子模块是使用整体地形成在所述包覆模制的导热壳体上的一个紧固件而被附连到该包覆模制的导热壳体上的。
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