CN103635745A - Led塑料热沉以及用于制造和使用其的方法 - Google Patents

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普万纳·特蒂拉·库沙拉帕
姜声南
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Abstract

在一个实施方式中,热沉系统可以包括:一体成形的塑料热沉(22)和印刷电路板封装件(12),其中塑料热沉包括导热塑料,导热塑料具有至少1.0W/mK的热导率。在另一个实施方式中,混合热沉系统包括:一体成形的塑料热沉(82)和嵌件(84),其中塑料热沉包括导热塑料,塑料热沉和嵌件各自具有圆柱形的形状,并且其中嵌件包括切口构造(86)、皱褶(98)、压纹(90)、孔(88)中的一种特征,或包括至少一种前述特征的组合。

Description

LED塑料热沉以及用于制造和使用其的方法
技术领域
本文披露了热沉(散热器,heat sink),尤其是发光二极管(LED)热沉及其制造和使用方法。
背景技术
目前,发光二极管(LED)用作白炽灯和荧光灯的替代品。LED是当在其PN结的正向电偏置时发射不相干窄谱光的半导体装置,并因此被称为固态照明装置。大功率LED灯装置产生大量的热量,如果不有效地从LED芯片去除热量,其可以导致性能降低甚至损坏。在LED灯装置中,核心是安装在基板上的LED芯片。覆盖LED芯片的透明盖作为用于调整发射光方向的透镜。虽然存在许多不同的设计,但对于由LED芯片产生的热量,主要的散热途径通常是通过安装LED芯片的底座或通过底座下另外的金属热沉完成的,然后到外部热沉。
与包括绝缘芯的传统印刷电路板相比,一种用于使安装在印刷电路板上的LED散热的方法是使用包括金属芯的印刷电路板。虽然金属芯印刷电路板对散热有效,但缺点是成本增加和加工困难。此外,由于对金属芯印刷电路板的尺寸存在限制,它们更难并入到较大尺寸的装置中。
用于从LED散热的另一种方法是使用导热胶或导热带将LED直接连接至热沉。这种方法的缺点是其是劳动密集型过程,这导致成本增加。此外,得到的结构容易发生高故障率。
再一种散热方法是在印刷电路板的正面上具有LED且在印刷电路板的背面上具有热沉。为了增加从印刷电路板到热沉的热量传递,印刷电路板具有多个一直延伸至热沉的孔,并且在印刷电路板内有多个导热垫。导热垫具有导热镀层,并且每个导热垫与至少一个孔连接,用于从每根LED引线向其中的一个导热垫导热。
需要进一步指出的是,可将压铸铝用作用于LED应用的热沉材料。然而,由于生产率问题和二次操作如压铸材料的喷漆,还在探索使用铝热沉的热沉系统的可替换设计。
存在对简化的LED封装件的持续需要,这些LED封装件具有减轻的重量,比上述设计更高的设计自由度,和/或提高生产率。
发明内容
本文披露了热沉系统、包括热沉系统的制品以及其制造和使用方法。
在一个实施方式中,热沉系统能够包括:与印刷电路板封装件一体成形的塑料热沉,其中印刷电路板封装件包括连接于基板表面的发光二极管,其中基板具有外围(periphery)并且其中热沉与基板在外围周围接触。
在另一个实施方式中,制造热沉系统的方法能够包括:将印刷电路板封装件置于模具中,其中印刷电路板封装件包括连接于基板表面的发光二极管,熔融导热塑料,以及将热绝缘塑料引入模具中并冷却热绝缘塑料以形成一体化塑料热沉系统。
在另一个实施方式中,制造一体化混合热沉系统的方法包括:将嵌件(insert)插入模具中;熔融导热塑料;将熔融的导热塑料引入模具中并与嵌件接触以在冷却时在嵌件周围形成塑料热沉;以及冷却导热塑料以形成一体化混合塑料热沉系统,其中塑料热沉和嵌件各自具有圆柱形形状,并且其中嵌件包括切口构造、皱褶、压纹、孔中的一种特征,或包括至少一种前述特征的组合。
本文还包括制品,这些制品包括一体化热沉系统。
通过以下附图和具体实施方式说明以上描述的特征和其他特征。
附图说明
现在所提到的附图,其是示例性实施方式,并且其中相同的元件有相同的编号。
图1是示例性热沉组件的截面图,其包括在具有LED封装件的印刷电路板和铝热沉之间的热界面材料。
图2是混合热沉组件的示例性实施方式的截面图,其包括在具有LED封装件的印刷电路板和塑料热沉之间具有热界面材料的塑料热沉。
图3是具有塑料热沉的简化热沉组件的另一个实施方式的截面图。
图4是图3的实施方式的顶部透视图。
图5示出了新型结构的工艺。
图6至7是具有板上芯片(chip on board,COB)的PCB封装件的示例性实施方式的透视图。
图8是印刷电路板(PCB)封装件(包括LED封装件)的俯视图。
图9是一种图8的PCB封装件的俯视图。
图10是热沉实施方式的透视图。
图11是LED组件实施方式的透视图。
图12是热沉组件实施方式的透视图,其包括图11的LED组件和图10的热沉。
图13是用于前照灯壳体的实施方式的透视图。
图14是包括图13壳体的前照灯的实施方式的透视图。
图15A是塑料热沉实施方式的透视图,图15B是包括切口构造的嵌件的实施方式的透视图,以及图15C是得到的混合热沉系统的透视图。
图16A是包括孔的塑料热沉的实施方式的透视图,图16B是杯形嵌件实施方式的透视图,以及图16C是得到的混合热沉系统的透视图。
图17A是包括薄片嵌件的混合热沉系统的实施方式的透视图,由于金属薄片上的褶皱其具有增大的接触表面积。
图17B是图17A的褶皱嵌件的部分端视图。
图18是包括具有压纹的薄片金属嵌件的混合热沉系统实施方式的透视图。
图19A、19B、19C和19D是用于热分析的多种混合热沉系统的透视图(分别是基线设计、切口设想、压纹设想、和具有肋的切口)。
图20是图19D嵌件的部分透视图,示出了切口构造(高度和直径)。
具体实施方式
为了更好的热传导,目前LED照明原始设备制造商在印刷电路板(PCB)和热沉之间使用TIM(热界面材料)填充空气间隙。然而,TIM的热导率(瓦特/米-开尔文(W/m-K))大约是1至2W/m-K,因此,这在从PCB至热沉的热传导中是一个瓶颈。此外,TIM的应用(例如,TIM制浆处理)增加循环时间,其导致成本增加。另外,PCB和热沉通过螺钉组装,因此每个制品需要额外的组装时间,并且当使用导热塑料作为热沉时,由于其易碎的性质,潜在地引起破裂问题。
图1是示例性热沉组件的截面图,该热沉组件包括在具有LED(形成印刷电路板封装件12)的铝印刷电路板和铝热沉16之间的热界面材料14(如热滑脂),使印刷电路板封装件12和铝热沉16之间能够牢固组装的螺钉10。使用螺钉10将铝PCB连接至铸铝热沉16。
图2是混合热沉组件实施方式的截面图,该混合热沉组件包括印刷电路板封装件12(如铝)和混合热沉之间的热界面材料14。而且,连接元件(如螺钉)使印刷电路板封装件12和混合热沉之间能够牢固地组装。由于塑料本身的热传递限制,混合热沉由铝嵌件(金属部分)20和塑料部分18构成。
本设计的实施方式可以减少组件的数量和/或工艺的数量。图3至5示出了具有金属PCB的LED热沉的简化结构。可以看出,该设计消除了对TIM和连接元件的需要。该设计具有成型至塑料热沉22的非塑料材料如碳、石墨、和/或金属(例如,铝、铜或其他金属)PCB12,其形成期望的结构。换句话说,热沉不包括金属连接元件(例如,用于啮合螺钉、螺栓、铆钉等的元件,以提高热传递)。此处,金属PCB可以与导热塑料包覆成型(over-molded)。
导热塑料还可以是电绝缘的,例如,具有大于或等于1013欧姆/平方(Ohm/sq)的电阻率。导热塑料可以包括有机聚合物和填料组合物,填料组合物包括石墨和氮化硼。例如,导热塑料可以具有大于或等于1013Ohm/sq的体表面电阻率(bulk surface resistivity),同时表现出大于或等于2W/m-K的热导率。在280℃的温度和16千克力/平方厘米(kg-f/cm2)的载量下,熔体流动指数可以是1克/10分钟至30克/10分钟。在共同受让的美国专利序列号61/446,665、61/446,666和11/689,228中披露了示例性导热塑料。
用于导热塑料的有机聚合物可以选自多种热塑性树脂、热塑性树脂的掺混物、热固性树脂、或热塑性树脂与热固性树脂的掺混物,以及包括至少一种上述项的组合。有机聚合物还可以是聚合物的掺混物、共聚物、三元共聚物,或包括至少一种上述项的组合。有机聚合物还可以是低聚物、均聚物、共聚物、嵌段共聚物、交替嵌段共聚物(alternating blockcopolymer)、无规聚合物、无规共聚物、无规嵌段共聚物、接枝共聚物、星形嵌段共聚物(star block copolymer)、树枝状聚合物等,或包括至少一种上述项的组合。有机聚合物的实例包括聚缩醛、聚烯烃、聚丙烯酸化物(polyacrylics)、聚(亚芳基醚)聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酯(例如,脂环族聚酯、高分子量的聚对苯二甲酸乙二醇酯(polymeric glycol terephthalate)或间苯二甲酸乙二醇酯等)、聚酰胺(例如,半芳香族聚酰胺如PA4.T、PA6.T、PA9.T等)、聚酰胺酰亚胺(polyamideimides)、聚芳酯(polyarylate,多芳基化合物)、聚芳砜(polyarylsulfones)、聚醚砜、聚苯硫醚、聚氯乙烯、聚砜、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺(polyetherimides)、聚四氟乙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯并噁唑、聚苯酞、聚缩醛、聚酐、聚乙烯醚、聚乙烯硫醚、聚乙烯醇、聚乙烯酮、聚卤乙烯(polyvinyl halides)、聚乙烯腈、聚乙烯酯、聚磺酸酯、聚硫化物、聚硫酯、聚砜、聚磺酰胺、聚脲、聚膦腈(polyphosphazene)、聚硅氮烷(polysilazane)、苯乙烯丙烯腈、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚氨酯、三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene rubber)(EPR)、聚四氟乙烯、氟化乙丙烯(fluorinated ethylene propylene)、全氟烷氧基乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride)等,或包括至少一种上述有机聚合物的组合。聚烯烃的实例包括聚乙烯(PE),其包括高密度聚乙烯(HDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的聚乙烯、马来酸酐官能化的聚乙烯、马来酸酐官能化的弹性体乙烯共聚物(如来自于ExxonMobil的EXXELOR VA1801和VA1803)、乙烯-丁烯共聚物、乙烯-辛烯共聚物、乙烯-丙烯酸酯共聚物(如乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物和乙烯-丙烯酸丁酯共聚物)、甲基丙烯酸缩水甘油酯官能化的乙烯-丙烯酸酯三元共聚物、酸酐官能化的乙烯-丙烯酸酯聚合物、酸酐官能化的乙烯-辛烯共聚物和酸酐官能化的乙烯-丁烯共聚物、聚丙烯(PP)、马来酸酐官能化的聚丙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的聚丙烯,以及包括至少一种上述有机聚合物的组合。
在本申请的上下文中,“半芳香族聚酰胺”应理解为包含衍生自芳香族二羧酸、芳香族二胺或芳香族氨基羧酸的芳香族或半芳香族单元的聚酰胺均聚物或共聚物,所述单元的含量是至少50mol%。在一些情况下,为了更好的可加工性,将半芳香族聚酰胺与少量的脂肪族聚酰胺掺混。它们在如DuPont,Wilmington,DE,USA的商品名Zytel HTN、Solvay AdvancedPolymers的商品名Amodel、或来自DSM,Sittard,The Netherlands的商品名Stanyl For Tii下商业上可获得。
热塑性树脂的掺混物的实例包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/尼龙、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/聚氯乙烯、聚苯醚/聚苯乙烯、聚苯醚/尼龙、聚砜/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯/热塑性聚氨脂、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯、热塑性弹性体合金、尼龙/弹性体、聚酯/弹性体、聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯、缩醛/弹性体、苯乙烯-马来酸酐/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚醚醚酮/聚醚砜、聚醚醚酮/聚醚酰亚胺聚乙烯/尼龙、聚乙烯/聚缩醛等。
热固性树脂的实例包括聚氨酯、天然橡胶、合成橡胶、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、聚酰胺、聚硅酮等,或包括至少一种上述热固性树脂的组合。可以使用热固性树脂的掺混物以及热塑性树脂与热固性树脂的掺混物。
在一个实施方式中,可以用于传导性组合物的有机聚合物是聚亚芳基醚。术语聚(亚芳基醚)聚合物包括聚亚苯基醚(PPE)和聚(亚芳基醚)共聚物;接枝共聚物;聚(亚芳基醚)离聚物;以及烯基芳香族化合物与聚(亚芳基醚)、乙烯基芳香族化合物、和聚(亚芳基醚)的嵌段共聚物等;以及包括至少一种上述项的组合。
可以以可成型组合物总重量的10至85重量百分比(wt%)、尤其是33wt%至80wt%、更尤其是35wt%至75wt%、且还更尤其是40wt%至70wt%的量使用有机聚合物。
用于可成型组合物的填料组合物包括石墨和氮化硼。期望使用具有1微米至5,000微米平均粒度的石墨。在此范围内,可以有利地使用具有大于或等于3微米、尤其是大于或等于5微米尺寸的石墨颗粒。具有小于或等于4,000微米、尤其是小于或等于3,000微米且更尤其是小于或等于2,000微米尺寸的石墨颗粒也是期望的。石墨通常是片状的,具有大于或等于2、尤其是大于或等于5、更尤其是大于或等于10、甚至更尤其是大于或等于50的长宽比。在一方面中,石墨是片状石墨,其中片状石墨通常作为离散的薄片被发现,其具有10微米至800微米的直径(沿主轴测得)和1微米至150微米的厚度,例如,具有80%-99.9%范围碳的纯度。在另一方面中,石墨是球形的。
通常以大于或等于可成型组合物总重量的10wt%至30wt%、尤其是13wt%至28wt%、更尤其是14wt%至26wt%、且还更尤其是15wt%至25wt%的量使用石墨。
氮化硼可以是立方氮化硼、六边形氮化硼、无定形氮化硼、菱形氮化硼或另外的同素异形体。它还可以以粉末、凝聚体、纤维等,或包括至少一种上述项的组合使用。
氮化硼具有1微米至5,000微米的平均粒度。在此范围内,可以有利地使用具有大于或等于3微米、尤其是大于或等于5微米尺寸的氮化硼颗粒。具有小于或等于4,000微米、尤其是小于或等于3,000微米、且更尤其是小于或等于2,000微米尺寸的氮化硼颗粒也是期望的。氮化硼通常是片状的,具有大于或等于2、尤其是大于或等于5、更尤其是大于或等于10、甚至更尤其是大于或等于50的长宽比。示例性粒度是125微米至300微米,具有10微米至15微米的结晶粒度。氮化硼颗粒可以以凝聚体的形式或作为单独的颗粒或作为单独的颗粒和凝聚体的组合存在。示例性氮化硼是PT350、PT360或PT370,商业上可从General Electric AdvancedMaterials获得。
通常以可成型组合物总重量的5wt%至60wt%、尤其是8wt%至55wt%、更尤其是10wt%至50wt%、且还更尤其是12wt%至45wt%的量使用氮化硼(BN)。氮化硼的示例量是导热塑料总重量的15wt%至40wt%。在一个方面中,BN具有95%至99.8%的BN纯度。在一个方面中,使用具有3微米至50微米平均粒度和超过98%的BN纯度的大尺寸单晶片状BN。此处指出的粒度是指其任何尺寸的单个BN颗粒或聚集体。
可以使用一种或多种低热导率的填料。低热导率电绝缘填料具有10W/mK至30W/mK、尤其是15W/mK至30W/mK、且更具尤其是15W/mK至20W/mK的固有热导率。电阻率可以大于或等于105Ohm·cm。低热导率填料的实例包括但不限于ZnS(硫化锌)、CaO(氧化钙)、MgO(氧化镁)、ZnO(氧化锌)、TiO2(二氧化钛),或包括至少一种上述项的组合。
可以使用一种或多种高热导率电绝缘填料。高热导率的填料具有大于或等于50W/mK、尤其是大于或等于100W/mK、更尤其是大于或等于150W/mK的固有热导率。电阻率可以大于或等于105Ohm·cm。高热导率电绝缘填料的实例包括但不限于AlN(氮化铝)、BN(氮化硼)、MgSiN2(magnesium silicon nitride,氮化硅镁)、SiC(碳化硅)、陶瓷涂覆的石墨,或包括至少一种上述项的组合。
可以使用一种或多种高热导率导电填料。高热导率导电填料具有大于或等于50W/mK、尤其是大于或等于100W/mK、更尤其是大于或等于150W/mK的固有热导率。电阻率可以小于或等于1Ohm·cm。高热导率导电填料的实例包括但不限于石墨、膨胀石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管(CNT)、石墨化炭黑(graphitized carbon black),或包括至少一种上述项的组合。
此外,导热塑料还可以可选地包含添加剂如抗氧化剂,例如,如有机亚磷酸酯(例如,亚磷酸三(壬基-苯基)酯、亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯、双(2,4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯或二硬脂基季戊四醇二亚磷酸酯),烷基化的单酚、多酚以及多酚与二烯的烷基化反应产物(例如,如四[亚甲基(3,5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸酯)]甲烷、3,5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸酯、十八烷基2,4-二叔丁基苯基亚磷酸酯、对甲酚和二环戊二烯的丁基化反应产物、烷基化氢醌、羟基化硫代二苯醚、亚烷基双酚、苄基化合物、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸与一元醇或多元醇的酯、β-(5-叔丁基-4-羟基-3-甲基苯基)丙酸与一元醇或多元醇的酯;硫代烷基或硫代芳基化合物的酯,例如,如硫代丙酸二硬脂基酯、硫代丙酸二月桂基酯、硫代二丙酸二(十三烷基)酯,β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸的酰胺;填料和增强剂,例如,如硅酸盐、二氧化钛(TiO2)、碳酸钙、滑石、云母以及其他添加剂如,例如,脱模剂、紫外线吸收剂、稳定剂如光稳定剂和其他稳定剂、润滑剂、增塑剂、颜料、染料、着色剂、抗静电剂、发泡剂、阻燃剂、抗冲改性剂等,以及包括至少一种上述添加剂的组合。
导热塑料可以包括随机分布的石墨和氮化硼,并且可以具有大于2瓦特/米-开尔文(W/mK)的热导率。导热塑料可以具有2W/mK至6W/mK、尤其是2.2W/mK至4.0W/mK、更尤其是2.3W/mK至3.9W/mK、且还更尤其是2.4W/mK至3.8W/mK的热导率。
导热塑料可以包括:35体积百分比(vol%)至80vol%的热塑性聚合物;5vol%至45vol%的具有小于或等于10W/mK的固有热导率的热绝缘填料;以及5vol%至15vol%的具有大于或等于50W/mK的固有热导率的导热填料。导热塑料可以具有至少1.0W/mK的热导率、总填料体积分数乘以纯热塑性聚合物的热导率的至少7倍的热导率;和/或至少107欧姆·厘米(Ohm·cm)的体积电阻率。可选地,导热填料可以包括AlN、BN、MgSiN2、SiC、石墨、陶瓷涂覆的石墨、膨胀石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、石墨化炭黑,或包括至少一种上述导热填料的组合。在一个实施方式中,热塑性聚合物包括聚酰胺、聚酯、聚乙烯和基于乙烯的共聚物、聚丙烯、聚苯硫醚,或包括至少一种上述项的组合;热绝缘填料包括滑石、CaCO3、Mg(OH)2,或包括至少一种上述项的组合;且导热填料包括石墨。
可选地,导热塑料(例如,组合物)可以包含:35vol%至80vol%的热塑性聚合物;5vol%至45vol%的具有10W/mK至30W/mK固有热导率的低热导率热绝缘填料;2vol%至15vol%的具有大于或等于50W/mK固有热导率的高热导率热绝缘填料;以及2vol%至15vol%的具有大于或等于50W/mK固有热导率的高热导率导电填料。该组合物可以具有至少1.0W/mK的热导率和至少107Ohm·cm的体积电阻率。
导热塑料的实例是Konduit*导热塑料,商业上可从SABIC InnovativePlastics,Pittsfield,MA购得,其包括但不限于PX08321、PX08322、PX09322、PX10321、PX10322、PX10323和PX10324等级。
PCB封装件12可以包括在其上安装有发光二极管(LED)26的基板28以形成封装件。利用多种技术如钎焊可以将LED26安装在基板上。基板28具有用于向LED26供应驱动电流的配线(wiring)。而且,LED基板28可以包括用于向发光二极管(LED)26供应驱动电流的端子(接线柱,terminal)。配线30可以由如铜或铜基金属材料制造,并且安装在基板28上的发光二极管(LED)26电连接至配线30。
可选地,例如,如图6中所示,PCB封装件(其包括LED)12可以包括支撑LED的基板(不具有电路)42和印刷电路40。PCB封装件12可以包括COB(板上的芯片)和/或COHC(热沉上的芯片)。因此,在本文披露的各种实施方式中,除了LED或代替LED,可以使用COB和/或COHC。
图8是PCB的图解,而图9是通过表面安装过程在其上安装有LED封装件的PCB。
图10示出了热沉,图11示出了LED组件58,以及图12示出了包括热沉56和LED组件58的热沉组件。本过程和组件可以去除位于LED组件58和热沉56之间界面中的热界面材料46,并且去除连接元件62(例如,分离(即单独的)元件如螺钉、螺栓、铆钉等)。用于形成没有TIM46和连接元件62的热沉组件的方法包括将LED组件(不具有应用于组件的TIM)置于模具工具中。然后将导热塑料注入至模具中以形成一体化热沉组件。用这种方式,LED组件和热沉是单个成型的组件(例如,它们不能分离;即对热沉和/或LED组件没有损坏)。可选地,可以调整LED组件58的基板64(如黄铜板)的尺寸以控制散热。例如,可以增大图11的基板64(与包括TIM和使用连接元件的LED相比)以增强从LED向热沉的散热,和/或可以去除一些或所有连接开口。可以保留基板上的一些开口以便导热材料可以通过孔,进一步将元件固定在一起。
热沉的设计取决于具体的应用和所需的热量传递。热沉的形状与将与热沉一体成形的PCB/COB/COHS封装件互补。因此,热沉可以具有圆形或多边形的截面几何形状。热沉还可以包括散热元件。这些元件可以位于与LED相对的热沉的壁上和/或侧面上。参照图4,示出了散热元件(例如,散热片)44。散热片44径向设置在热沉周围,从本体向外延伸并增加塑料热沉的表面积。图10和图12示出了其他散热元件的设计,其中散热片如横向向外延伸。散热元件44的任何设计和合适的间隔都是可能的。散热元件44增加热沉的表面积以增强从LED组件向外散热。
图15A至图18示出了用于混合热沉系统的另外结构。这些图中示出了混合热沉系统80,其也包括散热元件(例如,散热片)44。具体地,混合热沉系统80可以包括一体成形的塑料热沉82和嵌件(例如,金属嵌件)84,其中,塑料热沉82可以包括前述导热材料。本文已进一步确定,通过增加塑料热沉82的表面积和/或增加嵌件84和塑料热沉82之间的接触表面积可以提高散热性能。这些设计在改善得到的包覆成型件(over-molded part)的总体热学性能上利用了该原理。
因此,混合热沉系统80可以包括一体成形的塑料热沉82和嵌件84,其中塑料热沉82可选地包括径向延伸的散热片44。塑料热沉82和嵌件84可以具有与所需的LED相称的形状如圆柱形或杯形。如以下进一步描述,混合热沉系统80还可以包括至少一个以下项:i)嵌件84上的切口构造86;ii)嵌件84是具有褶皱98的金属薄板;iii)嵌件84上的压纹90;iv)位于塑料热沉82和/或嵌件84中的孔88(也称为“微孔”);v)位于径向延伸的散热片44之间的压纹100;以及vi)特征(i)-(v)的任何组合。
简言之且如以下进一步描述,图15A是塑料热沉82的实施方式的透视图,图15B是包括切口构造86的嵌件84实施方式的透视图,以及图15C是得到的金属-塑料(例如,一体成形的)混合热沉系统80的透视图。图16A是包括孔88的塑料热沉82实施方式的透视图,图16B是杯形嵌件84实施方式的透视图,以及图16C是得到的金属-塑料一体成形的混合热沉系统80的透视图。图17A是金属-塑料一体成形的混合热沉系统80实施方式的透视图,该混合热沉系统80包括增大嵌件84和塑料热沉82之间接触表面积的金属薄片嵌件84。图18是金属-塑料一体成形的混合热沉系统80实施方式的透视图,该混合热沉系统80包括具有压纹90的金属薄片嵌件84。
图15C、16C、17A和18的混合热沉系统80的设计和形状,特别是塑料热沉82的设计和形状,取决于具体的应用和所需热量传递。塑料热沉82的形状与如包括可以用塑料热沉82成形的LED芯片的LED封装件互补。例如,塑料热沉82可以具有圆形、圆柱形或多边形的截面几何形状。图15A、15C、16A、16C、17A和18示出了多种圆柱形的塑料热沉82。例如,如果应用是LED白炽灯,则热沉的形状可能是圆形的。
用于该部件的标称壁厚(nominal wall thickness)可以从0.8mm至3.5mm变化。肋厚可以是0.8mm至3.5mm,这取决于结构和热学要求。
类似地,嵌件84可以由互补的形状和尺寸制成,并且可以由具有期望热导率的材料制成,例如,大于或等于100W/m-K、尤其是大于或等于150W/m-K、且更尤其是大于或等于175W/m-K的热导率。用于嵌件的材料的实例包括铝、铜、刚(steel)、碳、石墨、黄铜、银,以及包括至少一种上述的组合。嵌件的具体尺寸取决于其热导率和通过其的期望热量传递。例如,嵌件的厚度可以上达至数毫米厚或更厚,尤其是可上达至10mm,更尤其是0.05mm至5mm,且更尤其是0.1mm至3mm。
图15C实施方式中所示的混合热沉系统80包括金属嵌件84,金属嵌件84包括切口构造86。切口构造86(例如,其包括由部分向内或向外弯曲的嵌件壁形成的开口70,其也在图15B和图20中示出)在成型过程中接收导热塑料流。如图15B和15C所示,切口构造是可位于嵌件84(例如,金属嵌件)的外围周围的开口(例如,狭槽(slot)),如在接近嵌件端部的外围附近。虽然示出的切口构造沿侧壁和底面之间的棱角设置,但它们能够可替换地沿侧壁设置或者也沿侧壁设置。切口构造的形状可以是圆形的和/或多边形的如部分圆(例如,半圆和/或四分之一圆)。切口间的间距取决于嵌件(例如,金属嵌件)的厚度以及所期望的结合强度。例如,切口间的间距可以等于包括切口构造的壁的厚度的1至10倍,尤其是2至8倍的厚度,且更尤其是3至5倍的厚度。
图16C的实施方式中所示的混合热沉系统80包括具有杯形且与塑料热沉82一体成形的嵌件84,其中塑料热沉82包括位于径向延伸的散热片44间的孔88。如图16A和16C所示,孔可以从塑料热沉82的基部92延伸至塑料热沉82的相反部分(opposite portion)(例如,顶部)94。可替换地,孔88不必须延伸塑料热沉82的整个长度96。由于孔88,塑料热沉82的表面积增加,从而增加对流传热。孔可以具有任何几何形状,由于容易制造通常使用圆形的几何形状。孔的尺寸基于热沉的尺寸。通常,孔具有小于或等于几毫米(例如,小于或等于3mm)、尤其是0.025mm至3mm、更尤其是0.05mm至2mm、且更尤其是0.5mm至1.5mm的尺寸。孔间的间距(例如,一个孔的边缘到下一个相邻孔的边缘)可以上达至5t或更大,尤其是0.5t至3t,且更尤其是1t至1.5t,其中“t”是包括孔的壁的厚度。
图17A的实施方式中所示的混合热沉系统80包括具有杯形且与塑料热沉82一体化成形的嵌件84如金属薄板。在该实施方式中,金属嵌件84还包括褶皱98。褶皱98增加了嵌件84和塑料热沉(壳体)82之间的接触表面积。因此,改善传导传热,由此增强混合热沉系统80的散热性能。褶皱的半径(“R”,参见图17B)将由嵌件的制造工艺控制。在一些实施方式中,褶皱的半径是2.5t至10t(非限制因素)。例如,半径可以上达至20mm,尤其是1mm至15mm,且更尤其是2.5mm至10mm。例如,当褶皱半径为2.5mm、高为0.7mm、宽为2.4mm时,与区别仅为缺少褶皱的相同尺寸的热沉相比,表面积可以增加大于或等于11mm2
参见图18,其中所示的混合热沉系统80包括嵌件84(例如,金属薄板),嵌件84具有压纹90并与塑料热沉82一体成形。同样如图18所示,压纹100还可以可选地存在于塑料热沉82上。示出的嵌件84上的压纹90为多个圆形槽。然而,压纹90的其他形状和结构是预期的。类似地,示出的塑料热沉82上的压纹100为位于每个散热片44间的圆形突起,但用于塑料热沉82的压纹100的其他形状和结构也是预期的,并且突起不必须位于每个散热片44之间。例如,可以使用交替的压纹100(突起)以致于其位于每隔一个散热片44之间。包括压纹90和/或压纹100的混合设计的结果是表面积增加。该增加的表面积使得从塑料热沉82和嵌件84的散热增加。此外,压纹的尺寸取决于所使用的工艺、嵌件和塑料热沉的尺寸以及材料。例如,压纹可以具有尺寸如大于或等于0.05mm、尤其是0.05mm至3mm、更尤其是0.1mm至2mm的直径(沿长轴测得)。
需要注意的是,本文中上述实施方式的前述特征的任何组合是预期的。例如,图18示出了切口构造86、和压纹90、压纹100的组合使用。在嵌件84和/或塑料热沉82上可以使用切口构造86、压纹90、压纹100、孔88和/或褶皱98的任何组合。此外,尽管在前面引用的设计方案中显示了散热片44,但在每个实施方式中不要求且不必须存在此类散热片44。
需要进一步注意的是,可以如由发射红色(R)光的红色LED、发射绿光的绿色(G)LED、发射蓝光的蓝色(B)LED,或包括至少一种上述项的组合成形与本文描述的多种设计结合使用的LED。通过混合来自于RGB LED的光束(或等效地颜色混合),可以实现具有宽范围颜色再现性的光源。
嵌件成型(Insert molding)可以在不需要分离连接机构的情况下用于成形本文描述的具有PCB的塑料热沉。换句话说,嵌件成型PCB和热沉形成单一的一体化的元件。与现有设计(其中可除去螺钉而元件分解)不同的是,在不损坏一些或所有元件的情况下不能分解该一体化的设计。
在嵌件成型过程中,将PCB封装件置于模具中。将导热塑料加热至熔融状态并引入至模具中以成形包括PCB封装件的热沉。所使用的温度基于具体的材料和PCB封装件的完整性以及熔融塑料所需的温度。在一些实施方式中,在150℃至200℃的温度下熔融塑料。可将模具维持在较低温度如小于或等于100℃(尤其是85℃至95℃)。在已经将导热材料引入模具后,可将模具冷却(主动地和/或被动地)。得到的热沉系统是可以在很多应用中使用的一体化系统。
类似地,在不需要任何分离连接机构的情况下,此处可以使用此类嵌件成型法成形图15C、16C、17和18中所示的混合热沉系统80。因此,制造一体化混合热沉系统80的方法可以包括将嵌件置于模具中,熔融导热塑料。将熔融的导热塑料引入模具中,在模具中熔融的导热塑料与嵌件84接触以在冷却时在嵌件84的一部分周围形成塑料热沉82。
随着LED芯片和封装件技术在未来的改进,可以减少由LED产生的热量。在这种情况下,还可以期望使用普通塑料。通过去除TIM和一个或多个螺钉,可以降低总循环时间和系统成本。此外,通过将目前的铝压铸工艺替换为塑料成型,显著改善了生产率。
实施例1
热CAE(计算机辅助工程)分析(模拟)比较了基线设计和本文描述的混合设计结构(例如,包括塑料热沉的图2)。图1示出了铝基线设计。图2和图3是用于分析的模型。对于所有三种样品来说,连同散热片的外径是58mm,热沉的高度是33mm,散热片的数量是24个,壁厚是1.5mm,以及体积大约是20.6cm3
由于在混合设计中材料由铝(Al)变为塑料,设计自由度使设计师们能够实现可比得上铝热沉的散热性能。因此,仅在本文提出的塑料结构和混合设计之间的比较是合理的。在这种计算机模拟中,假定在混合设计的TIM加工过程中没有空气间隙(air gap)。
图1设计的LED结温(junction temperature)是51.09℃,而图2的混合设计显示出59.55℃的结温且图3显示出57.75℃的温度。这些结果证明通过使用本文描述的混合设计的塑料结构可以改善散热性能。假定实际样品中改进的量将比CAE分析大得多且还可以根据热沉模型变化。
实施例2
对本文提出的多种混合设计进行热CAE(计算机辅助工程)分析(模拟)。对于LED芯片上3瓦特的热源,进行模拟以确定这些设计的效果。对于所有测试的设计,观察到LED芯片温度降低。更具体地,下表1给出了对这些混合设计的热分析试验的结果。图19A中示出了被认为是基本案例的样品1;图19B中示出了包括切口构造86的样品2;图19C中示出了包括压纹90(1.4mm的高度)的样品3;以及图19D中示出了包括切口构造86和内散热片44的样品4,切口构造86具有4mm的高和3mm的半径(见图20)。所有样品1至4具有相同的连同散热片的外径(58mm),热沉的高度是33mm,散热片的数量是24个,壁厚是1.5mm,且体积大约是20.6em3
这些样品的模拟在3瓦特的热源上进行。施加热量直到达到稳态。如从下表1中给出的结果可以看出,可以观察到LED芯片温度降低。此外,表面积增加越大,温度降低越多。
具有LED/COB/COHC的本塑料热沉是可以不含热界面材料、不含螺钉和其他连接件(螺栓、铆钉、夹具、按扣等)以及不含分离金属嵌件的简化设计。由于这些变化,还减少了成形装置的加工步骤的数量。例如,本方法去除了施加并固化热界面材料,去除了冲压和插入金属嵌件,并去除了用连接元件(例如,螺钉)将元件连接在一起。
此外,本嵌件成型工艺和连接元件的去除还消除了与许多导热材料相关的问题如它们缺乏延性。许多导热材料易碎的性质(brittle nature)使它们不适合用作具有利用连接元件连接于其上的PCB的热沉。由于不需要连接元件,消除了由此导致的潜在的破裂问题。
在使用从LED向热沉散热的任何应用中都可以使用本文披露的热沉系统(包括直接连接于塑料热沉的LED组件(即在LED组件和热沉之间没有TIM以及没有将LED组件保持在热沉上的分离连接元件))的许多实施方式。可能的应用包括照明(例如,路灯(street light)、EPL(explosionproof light,防爆灯)系列、CGC系列(例如,商业上可从CGC IndustrialCol.Ltd,China购得)室内和室外照明、汽车(例如,前照灯)等)。例如,MFR LED封装件和热沉、LED驱动器模块、LED调平装置(levelingdevice)、近光MFR反射镜(low beam MFR reflector)以及其他装置。
在一个实施方式中,制品可以是灯(例如,前照灯),包括壳体、位于壳体内与热沉系统光学连通的反射镜以及覆盖LED组件的透镜。热沉系统包括一体化的LED组件和塑料热沉。热沉系统可以在LED组件和热沉之间不含TIM,和/或不含分离连接元件(例如,螺钉等)。
如图13和图14所示,热沉还可以作为壳体如用于灯(例如,汽车的前照灯)。在该实施方式中,灯包括热沉系统,热沉系统包括壳体形状的塑料热沉以及与热沉一体化的LED组件。透镜在LED组件上横跨壳体设置。
本设计的优点包括良好的电绝缘性(electrical isolation)、生产率提高(例如,部件数量减少以及组件简化)、重量降低(与具有金属热沉、TIM和连接元件的相同类型的组件相比)、设计自由度较大、密封水平高。
一般而言,塑料结构工艺可以可替换地包括本文披露的任何合适的部件,由本文披露的任何合适的组件组成,或基本上由本文披露的任何合适的组件组成。另外或可替换地,可以配制本发明以不含或基本上不含现有技术组合物中使用的或实现本发明的功能和/或目的不必需的任何组分、材料、配料、佐剂或种类。
本文使用的组分的固有热导率基于在文献中描述的指定值,例如,“Thermal conductivity of Nonmetallic Solids,”Y. S.Touloukian,R.W.Powell,C.Y. Ho,and PG Klemans,IFI/Plenum:New York-Washington,1970或“Thermal Conductivity-Theory,Properties and Applications,”T.M.Tritt,Ed.Kluwer Academic/Plenum Publishers:New York,2004中。在通过平面(样品厚度)方向根据ASTM E1461测试本文使用的组合物的热导率。物质的热导率不取决于存在多少物质,且也不取决于材料的形式(形状、尺寸等)。
通过在样品棒的两端开槽(notching)和之后在-60℃冷破裂测量本文使用的体积电阻率。用银色漆(silver paint)处理破裂的表面并干燥。用万用表测量通过棒的电阻以获得体积电阻率(以Ω·cm表示),并且由以下公式计算:体积电阻率=(R*A/L),其中,R是电阻(以Ω表示),A是样品表面积,且L是样品长度(电距离)。
在实施方式中,热沉系统可以包括:一体成形的塑料热沉和印刷电路板封装件,其中塑料热沉包括导热塑料,导热塑料具有至少1.0W/mK的热导率。
在实施方式中,灯包括:壳体、包括印刷电路板封装件和塑料热沉的热沉系统;位于壳体内与印刷电路板封装件的LED光学连通的反射镜、以及覆盖印刷电路板封装件的透镜。塑料热沉包括导热塑料,导热塑料具有至少1.0W/mK的热导率。
在另一个实施方式中,混合热沉系统包括:一体成形的塑料热沉和嵌件,其中塑料热沉包括导热塑料,塑料热沉和嵌件各自具有圆柱形的形状,并且其中嵌件包括切口构造、皱褶、压纹、孔中的一种特征,或包括至少一种前述特征的组合。
在实施方式中,制造一体化混合热沉系统的方法包括:将嵌件插入模具中;熔融导热塑料;将熔融的导热塑料引入模具中并与嵌件接触以在冷却时在嵌件周围形成塑料热沉;以及冷却导热塑料以形成一体化混合热沉系统,其中塑料热沉和嵌件均各自具有圆柱形的形状,并且其中嵌件包括切口构造、皱褶、压纹、孔中的一种特征,或包括至少一种前述特征的组合。可选地,该方法进一步包括在将熔融的导热塑料引入模具之前将印刷电路板封装件置于模具中。
在各个实施方式中,(i)导热塑料的热导率是2至6W/mK;和/或(ii)热沉系统不含将印刷电路板封装件连接于塑料热沉的独立连接元件;和/或(iii)塑料热沉具有圆柱形的形状;和/或(iv)塑料热沉包括径向延伸的散热片,并且其中印刷电路板封装件位于塑料热沉的一端附近;和/或(v)印刷电路板封装件进一步包括板上芯片;和/或(vi)在印刷电路板封装件和塑料热沉之间没有热界面材料;和/或(vii)印刷电路板封装件在没有分离连接元件的情况下连接于热沉;和/或(viii)塑料热沉包括:35vol%至80vol%的热塑性聚合物、5vol%至45vol%的具有10W/mK至30W/mK固有热导率的低热导率热绝缘填料、2vol%至15vol%的具有大于或等于50W/mK固有热导率的高热导率热绝缘填料以及2vol%至15vol%的具有大于或等于50W/mK固有热导率的高热导率导电填料;和/或(ix)热沉系统进一步包括嵌件,其中塑料热沉包括径向延伸的散热片,并且其中嵌件包括切口构造、皱褶、压纹、孔中的一种特征,或包括至少一种前述特征的组合;和/或(x)塑料热沉和嵌件各自具有圆柱形的形状;和/或(xi)嵌件包括切口构造且切口构造包括由延伸至嵌件内的突起形成的开口,其中导热塑料延伸至开口中;和/或(xii)塑料热沉包括径向延伸的散热片和位于散热片之间的孔;和/或(xiii)嵌件包括孔,并且其中嵌件的孔和塑料热沉的孔对齐;和/或(xiv)嵌件包括压纹;和/或(xv)系统进一步包括一体成形的印刷电路板封装件。
本文中披露的所有范围都包括端点,并且端点可互相独立地组合(例如,范围“上达至25wt.%、或更尤其是5wt.%至20wt.%”包括端点和范围“5wt.%至25wt.%”的所有中间值,等)。“组合”包括掺混物、混合物、合金、反应产物等。此外,本文中的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性,而是用于区分一种要素与另一种要素。除非在本文中另有说明或通过上下文明显矛盾,否则本文中的术语“一个”和“一种”以及“该”并不表示数量的限制,而被解释为涵盖单数和复数。本文使用的后缀“(s)”意在包括其修饰的术语的单数和复数,从而包括一种或多种那个术语(例如,薄膜(s)包括一种或多种薄膜)。整个说明书中提及的“一个实施方式”、“另一个实施方式”、“实施方式”等是指描述的与该实施方式相关的具体要素(例如,特征、结构和/或特性)包含在至少一个本文描述的实施方式中,并且在其他实施方式中可以存在或可以不存在。此外,应该理解的是描述的要素在各个实施方式中可以以任何合适的方式组合。
所有引用的专利、专利申请以及其他参考文献通过援引将其全部并入本文。然而,如果本申请中的术语与并入的参考文献中的术语相矛盾或冲突,相对于来自并入的参考文献中的相冲突的术语,优先选用来自本申请的术语。
虽然已经描述了具体实施方式,但申请人或本领域的其他技术人员可以想到目前无法预料的或可能无法预料的替换、修改、变化、改进以及实质等效物。因此,提交且可能修改的所附权利要求书意在包含所有此类替换、修改、变化、改进以及实质等效物。

Claims (21)

1.一种混合热沉系统,包括:
一体成形的塑料热沉和嵌件,其中,所述塑料热沉包括导热塑料,所述塑料热沉和所述嵌件各自具有圆柱形的形状,并且其中所述嵌件包括切口构造、皱褶、压纹、孔中的一种特征,或包括至少一种前述特征的组合。
2.根据权利要求1所述的热沉系统,进一步包括印刷电路板封装件。
3.一种热沉系统,包括:
一体成形的塑料热沉和印刷电路板封装件,其中所述塑料热沉包括具有至少1.0W/mK热导率的导热塑料。
4.根据权利要求3所述的热沉系统,进一步包括嵌件,其中,所述塑料热沉包括径向延伸的散热片,并且所述塑料热沉和所述嵌件各自具有圆柱形的形状,并且其中所述嵌件包括切口构造、皱褶、压纹、孔中的一种特征,或包括至少一种前述特征的组合。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的热沉系统,其中,所述塑料热沉具有圆柱形的形状并包括径向延伸的散热片,并且其中所述印刷电路板封装件位于所述塑料热沉的一端附近。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的热沉系统,其中,所述印刷电路板封装件进一步包括板上芯片。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的热沉系统,其中,没有位于所述印刷电路板封装件和所述塑料热沉之间的热界面材料。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的热沉系统,其中,所述印刷电路板封装件在没有分离连接元件的情况下连接于所述热沉。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的热沉系统,其中,所述塑料热沉包括:
35vol%至80vol%的热塑性聚合物;
5vol%至45vol%的低热导率电绝缘填料,具有10W/mK至30W/mK的固有热导率;
2vol%至15vol%的高热导率电绝缘填料,具有大于或等于50W/mK的固有热导率;以及
2vol%至15vol%的高热导率导电填料,具有大于或等于50W/mK的固有热导率。
10.根据权利要求2-9中任一项所述的热沉系统,其中,所述热沉系统不含将所述印刷电路板封装件连接于所述塑料热沉的独立连接元件。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的混合热沉系统,其中,所述嵌件包括切口构造,并且所述切口构造包括由延伸至所述嵌件的突起形成的开口,其中所述导热塑料延伸至所述开口中。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的混合热沉系统,其中,所述塑料热沉包括径向延伸的散热片和位于所述散热片之间的孔。
13.根据权利要求12所述的混合热沉系统,其中,所述嵌件包括孔,并且其中所述嵌件的孔与所述塑料热沉孔对齐。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的混合热沉系统,其中,所述嵌件包括压纹。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的混合热沉系统,其中,所述导热塑料的热导率是2W/mK至6W/mK。
16.一种灯,包括:
壳体;
根据权利要求2-15中任一项所述的热沉系统;
位于所述壳体内与所述印刷电路板封装件的LED光学连通的反射镜;以及
覆盖所述印刷电路板封装件的透镜。
17.一种制造一体化混合热沉系统的方法,包括:
将嵌件插入模具中;
熔融导热塑料;
将所述熔融的导热塑料引入至所述模具中并与所述嵌件接触以在冷却时在所述嵌件周围形成塑料热沉;以及
冷却所述导热塑料以形成所述一体化混合热沉系统,其中,所述塑料热沉和所述嵌件各自具有圆柱形的形状,并且其中所述嵌件包括切口构造、皱褶、压纹、孔中的一种特征,或包括至少一种前述特征的组合。
18.根据权利要求17所述的方法,其中,所述嵌件包括切口构造,并且所述切口构造包括由延伸至所述嵌件的突起形成的开口,其中所述导热塑料延伸至所述开口中。
19.根据权利要求17-18中任一项所述的方法,其中,所述嵌件和所述塑料热沉是圆柱形的形状且包括压纹。
20.根据权利要求17-19中任一项所述的方法,其中,所述嵌件具有圆柱形的形状,并且所述塑料热沉包括径向延伸的散热片和位于每个所述径向延伸的散热片之间的孔。
21.根据权利要求1-20中任一项所述的方法,进一步包括在将所述熔融的导热塑料引入所述模具前将印刷电路板封装件置于所述模具中。
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