CN103649617B - 用于发光二极管的散热器/连接器系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于高功率LED的组件，其提供LED(16)至密封在外壳中的陶瓷热导体/电绝缘体的直接附连，该外壳具有在外壳的一部分与陶瓷散热器(12)之间的压缩元件，以提供预定范围的偏置力，以随着由陶瓷散热器的热膨胀引起的陶瓷散热器的尺寸的改变而将所述陶瓷散热器设置成抵靠外壳的一部分。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求了2010年12月15日提交的美国临时申请61/423,153的权益，以及2011年8月8日提交的美国临时申请61/521,178的权益，两篇申请的内容通过引用合并在此。
技术领域
本发明涉及发光二极管，并且尤其涉及用于高功率发光二极管的改进的散热器组件。
背景技术
高功率发光二极管正在越来越多地替代用于一般照明目的的其他光技术，包括白炽灯和荧光灯。这种高功率发光二极管接收超过100毫安的电流，并且典型地接收至少一安培，以提供用于空间或区域照明的光输出，例如，在例如冰箱等的家电中。
高功率发光二极管通常需要散热器，以防止破坏性过热。例如，发光二极管将设置在例如印刷电路板的载体上，印刷电路板保持导电迹线，以将发光二极管连接至其他电路或电源线。可以将基底附连至散热器，例如模塑的或挤出的铝的散热器，以传导发光二极管产生的热离开二极管进入环境空气或其他介质。
发明内容
本发明提供高功能LED组件，其中，将LED直接附连至散热器，而不需要介于中间的印刷电路板。通过消除散热器的热阻，可以提供LED的提高的冷却，允许更高功率或更长寿命的照明系统。通过弹簧夹系统提供LED与线束之间的导电连接，该弹簧夹系统同时保持与附连至导线，并且为可以依次附连至LED的散热器的表面上的迹线提供确定的(pos itive)电连接。
特别地，本发明提供LED组件，其具有LED，所述LED在操作过程中耗散至少500mW，LED热连通地与陶瓷散热器的第一表面附连。将LED附连至第一与第二导线。密封外壳在其中容纳陶瓷散热器与LED，并且具有第一部分与第二部分，其中，第一部分安装在LED上方，以允许光穿过其通过，第二部分为穿过外壳壁向所述LED提供电力的第一与第二导体提供密封入口。压缩元件，其在外壳的一部分与陶瓷散热器之间延伸，以提供预定范围的偏置力，以随着由陶瓷散热器的热膨胀引起的陶瓷散热器的尺寸的改变而将所述陶瓷散热器设置成抵靠所述外壳的所述一部分。
因此本发明的至少一个实施例的特征在于提供保护附连至陶瓷散热器的LED的液体密封外壳，其可以调节散热器的热膨胀。
密封外壳的第一部分可以是透光热塑性塑料，并且密封外壳的第二部分为熔合至第一部分的热塑料塑性。相似地，导体可以具有一体同轴的热塑性绝缘体，并且密封外壳的第二部分可以熔合至热塑性绝缘体。
因此本发明的至少一个实施例的特征在于提供用于生产密封外壳的简单方法，其服从通过注塑成型而大批量生产。
压缩元件可以是柔性金属环。
因此本发明的至少一个实施例的特征在于提供耐疲劳的弹簧元件，其可以操作多个热膨胀循环。
密封外壳的第一部分可以提供邻接陶瓷散热器的第一表面的一部分的凸出部分以及围绕第一表面背面的陶瓷散热器的一部分延伸的套筒，并且压缩元件可以包括悬臂式齿部分，其提供与套筒的内表面楔入接合，以保持柔性金属环与第一表面背面的陶瓷散热器的第二表面相邻接。
因此本发明的至少一个实施例的特征在于提供在可以使用弹簧元件密封外壳之前将元件铆固在一起的方法。
金属环可以进一步包括接触第二表面，并且限制施加至第二表面的力的突出物。
因此本发明的至少一个实施例的特征在于控制施加至陶瓷的最大力，以防止对其的损害。突出物限制最大力，并且通过提供环与陶瓷之间的空间而允许弹簧力的更大变形。
第一表面可以包括直接附连至第一表面，并且在LED与第一及第二导体之间电连通的导电迹线。
因此本发明的至少一个实施例的特征在于允许将LED的集成靠近陶瓷散热器。
导电迹线可以是印刷导电墨水。
因此本发明的至少一个实施例的特征在于提供对可能位于外壳的密封环境中的LED模的简化的电连接。
陶瓷可以是皂石。
因此本发明的至少一个实施例的特征在于提供导热并且电绝缘的容易制造的陶瓷材料。
LED组件可以进一步包括第一与第二弹簧夹，其可插入穿过陶瓷散热器中的孔，每个弹簧夹均具有当插入弹簧夹时接触不同导电迹线的第一部分，以及接受与保持第一与第二导体中的不同的一个的夹紧元件。
因此本发明的至少一个实施例的特征在于提供以简单机械装配允许电线与导电迹线之间电连通的方法。
弹簧夹的第一部分可以通过弹簧夹弹簧偏置成抵靠导电迹线。
因此本发明的至少一个实施例的特征在于随着陶瓷的热膨胀和收缩，提供陶瓷上的导电材料与导体之间的确定(positive)连接。
弹簧夹的夹紧元件可以提供柔性对置的弹簧元件，其以电接合的方式可滑动地接收导体的端部。
因此本发明的至少一个实施例的特征在于提供简单的导线至LED的连接器式附连。
一旦观察了以下详细说明、权利要求以及附图，对本领域技术人员而言，本发明的其他特征与优势将变得明显，在附图中，相同的数字用于表示相同的零部件。
附图说明
图1为在本发明中使用的支撑用于直接安装于其上的LED模的陶瓷散热器的不完整的透视图，并且示出了附连至陶瓷表面的导电金属迹线；
图2为沿图1的线2-2的横截面视图，示出了陶瓷散热器合并入保护的成型组件；
图3为散热器顶部的分解的，不完整的透视图，示出了可插入散热器中的槽的弹簧夹；
图4为沿图1的线4-4的横截面，示出了在插入散热器中之前的弹簧夹以及在插入弹簧夹中之前的导线；
图5为未分解形式的图4的详细的不完整的视图，示出了弹簧夹的弹簧偏压，以接合散热器的表面上的迹线；
图6为使用载芯片板(COB)结构的本发明的可替换实施例的透视局部横截面视图；
图7为压缩元件的透视图与局部横截面视图，该压缩元件将散热器保持在保护的成型组件中，同时，调节热膨胀；
图8为相似于图1的图，示出了导体至散热器上迹线的可替换的直接焊接连接；
图9为相似于图2的图，示出了图8的直接焊接连接。
在详细说明本发明的实施例之前，应该理解的是，本发明并不限于在以下说明中陈述的或在附图中示例的元件的布置与结构的细节的应用。本发明能够是其他实施例，并且是有经验的，或以各种方式实施。而且，应该理解的是，此处使用的措辞与术语为了说明的目的，并且不认为是限制。“包括”、“包含”与其变形的使用意味着包含其后列举的项目及其等同物，以及额外的项目与其等同物。
具体实施方式
现参照图1，本发明的每一个实施例的LED组件10均可以提供具有支撑高功率LED16的平面14的陶瓷基底/散热器12。LED 16可以包括附连至导电迹线20的导电衬垫18，该导电迹线20例如通过印刷而直接附连至陶瓷基底/散热器12的上平面14。如同将被描述地，导电迹线20可以从导电衬垫18连通至弹簧夹22，该弹簧夹连接至电源线导体24。
一个实施例中的陶瓷基底/散热器12可以是皂石或滑石，其通过模压成型，并且高温烧制，以给予好的热导率与高的电阻。皂石主要是含水硅酸镁。在一个实施例中，陶瓷基底/散热器12的热膨胀系数大致与迹线20的热膨胀系数相匹配，并且例如，当陶瓷为皂石，可以选择L3级。迹线20优选地由丝网印刷的银/铂墨水制成，银/铂墨水在陶瓷基底/散热器12的表面上烘烤，用于实现改进的粘附。
陶瓷基底/散热器12远离上平面14延伸至有凹槽的散热器主体部分26，以通过根据已知技术的翅片的增加的表面积提供与周围空气等的热耦合。
现参照图2，LED组件10可以进一步提供支撑组件，支撑组件包括在LED 16上方提供半球形圆顶37的透镜组36。半球形圆顶37可以是透明热塑塑料，其具有遵从基本上中心位于LED 16上的的球体一部分的尺寸，该球体具有略微小于上平面14的直径。径向延伸的凸缘38可以从半球形圆顶37的圆周向外延伸，该凸缘38具有基本上与上平面14高度相等的下表面。该凸缘38可以延伸过金属片控制台40等，金属片控制台40具有开口尺寸，以在其中容纳LED组件10。夹子42可以从凸缘38的底部向后延伸，以穿过金属片控制台40中的孔安装。夹子42提供弹簧加载的向外的悬臂，以保持LED组件10抵靠金属片控制台40，后者夹在凸缘38的下部与夹子42的每个悬臂的上部之间。
圆柱形套筒或凹穴44也可以在夹子42的内侧从凸缘38向后延伸，以穿过套筒或凹穴44接收陶瓷基底/散热器12的上平面14。圆柱形凹穴44中的陶瓷基底/散热器12的上平面14的边缘可以邻接圆顶37的边缘46。陶瓷基底/散热器12可以在其背面的边缘处提供凸缘表面50，其可以接收在圆柱形凹穴44的内壁与凸缘表面50之间安装的压缩垫圈52，以保持陶瓷基底/散热器12邻接边缘46。
还参照图7，压缩垫圈52可以由柔性金属片制成，并且可以提供具有向外张开的棘爪55的环53，操作环53，以通过压装操作将压缩垫圈52支撑在圆柱形凹穴44内，以使得环53紧紧邻接凸缘表面50，并且张开的棘爪55以棘轮爪的方式支撑抵靠圆柱形凹穴44的内表面，以防止环53远离表面50移动。环53可以具有轧花的浅凹57，用于限制压缩垫圈52抵靠表面50的力，并且通过在环53与表面50之间提供空间，允许压缩垫圈52弯曲以适应陶瓷基底/散热器12在密封外壳中的热膨胀。
再次参照图2，圆柱形凹穴44的超出凸缘表面50的其余部分及压缩垫圈52可以填充有例如尼龙的低温热塑塑料59，以通过与圆柱形凹穴44的内壁相熔合而杜绝外部的水分进入圆顶37。低温热塑塑料59还可以模制成沿导体24向后延伸的张力解除臂54，以通过和导体24的绝缘套熔合而密封导体24。张力解除臂54具有圆周肋，其提供受控的柔性，并且限制导体24的弯曲的曲率半径。
张力解除臂54之间的热塑塑料的桥56邻接陶瓷基底/散热器12的后表面，以进一步防止其脱离。
现参照图3与4，从LED 16引导的导电迹线20朝向上表面14的圆周向着分隔开的两个矩形开口60延伸，矩形开口60向下延伸到表面14中，矩形开口60可以接收穿过其向上的电源线导体24。弹簧夹22可以插入到矩形开口60中，以为LED 16的每个导线提供电源线导体24与导电迹线20之间的电连接。
弹簧夹22可以由例如黄铜或青铜的单片金属片形成，并且提供上部桥61，上部桥61将最终大致平行于陶瓷基底/散热器12的上表面14平放，并且具有向下延伸的左腿62a与右腿62b，以安装到矩形开口60中。腿62的宽度(大致垂直于桥61的长度)和矩形开口60的宽度(最短的横截面尺寸)一致，腿62a与62之间的间隔大致和矩形开口60的长度(最长的横截面尺寸)一致，以使得弹簧夹22可以紧密地安装在矩形开口60中。
桥61的中心提供环形部分64，当弹簧夹22处于矩形开口60中的合适位置，且桥61基本上与表面14的顶部平齐，并且导体24在向上穿过陶瓷基底/散热器12之后与弹簧夹22接合时，环形部分64将同轴的围绕向上延伸的导体24。环形部分64包括向下延伸的左右浅凹66，左右浅凹平分环形部分64与桥61。浅凹66以大于矩形开口60宽度的距离彼此分离，以便当弹簧夹22处于矩形开口60中的合适位置时，跨立于矩形开口60。一个浅凹66将接触导电迹线20的最靠近矩形开口60的上表面，并且另一个浅凹66将接触直接位于矩形开口60的相反侧上的上表面14，以抵抗扭转而稳定环形部分64(在图3中较大地夸张了导电迹线20的厚度)。
现参照图4与6，每个向下延伸的腿62在临近其长度的下部处均可以具有向外延伸的弹簧偏置齿70，弹簧偏置齿70在松开状态下突伸超过矩形开口60的长度，但可以随着腿62的向内弯曲一起向内弯曲，以允许弹簧夹22插入矩形开口60中。表面14之下的矩形开口60的下部扩大至更大的长度，以提供向外延伸且面向下的突出部分71。当弹簧夹22完全插入矩形开口60中时，向内压缩的齿70可以向外松开，以接合这些突出部分，从而防止弹簧夹22被向上的力移除。
即刻参照图5，当将弹簧夹22插入矩形开口60，并且通过突出部分71与齿70的接合而向下保持时，由箭头78所示地向上弯曲桥61与环形部分64，以提供向下的弹簧力80，从而提供浅凹66与导电迹线20之间的确定(positive)接合，使得更好的抗震。
在此参照图4与6，腿62的下端向上并且朝向彼此弯曲，以提供悬臂式导电指状件76，悬臂式导电指状件76以一定角度彼此靠近，并且在环形部分64下方在穿过桥61的中点的垂直轴上接触。悬臂式导电指状件76因此可以提供与向上穿过陶瓷基底/散热器12插入且在这些悬臂式导电指状件指76的端点之间的导体24滑动电接合。悬臂式导电指状件76的成角度的接近提供对拔出导体24的阻力，当导体退回时，导体24与悬臂式导电指状件76端部的摩擦接合趋于加强它们在导体24上的抓握。相同的弯曲允许对可能不适当地增加导体24的张力的热膨胀的一些适应。
参照图6，在可替换的实施例中，LED 16可以设置在迹线20之一的顶部上，接合线82附连于LED 16的上表面与板上芯片(COB)构造中的第二迹线20之间。
现参照图8与9，在可替换实施例中，导体24可以向上穿过陶瓷基底/散热器12，其中，以垂直孔80替代图3的槽60，该垂直孔80的尺寸适合接收导体24以及环绕导体24的绝缘体。随后导体24的无遮蔽端部可以向上穿过导电环状线圈82，该导电环状线圈82与迹线20相结合，导电迹线20使用焊料84，以简单焊接接缝附连至导电环状线圈82。
在以下的权利要求中提出本发明的各种特征。应该理解的是，本发明并不限于其对此处提出的元件的结构与布置的细节的应用。本发明能够以各种方式实践或实现其他实施例。前述的变形与修改均在本发明范围中。还应该理解的是，此处公开与限定的本发明延伸至提及的或从文本和/或附图中显而易见的两个或多个独立特征的所有可替换的组合。所有这些不同组合构成了本发明的各种可替换的方面。此处描述的实施例说明了用于实现本发明的最佳方式，并且将使得本领域技术人员能够实现本发明。
Claims (20)
1.一种LED组件，包括：
LED，其在操作过程中耗散至少500mW；
陶瓷散热器，其提供支撑所述LED并且与所述LED热连通的第一表面；
第一与第二导体，所述第一与第二导体与所述LED电连通；
密封外壳，其在其中容纳所述陶瓷散热器与LED，所述密封外壳具有第一部分与第二部分，其中，所述第一部分安装在所述LED上方，以允许光穿过其通过，所述第二部分为穿过密封外壳壁向所述LED提供电力的所述第一与第二导体提供密封入口；以及
压缩元件，其在所述密封外壳的一部分与陶瓷散热器之间延伸，以提供预定范围的偏置力，以随着由所述陶瓷散热器的热膨胀引起的所述陶瓷散热器的尺寸的改变而将所述陶瓷散热器设置成抵靠所述密封外壳的所述一部分。
2.根据权利要求1所述的LED组件，其中，所述密封外壳的所述第一部分为透光热塑塑料，并且所述密封外壳的所述第二部分为熔合至所述第一部分的热塑塑料。
3.根据权利要求2所述的LED组件，其中，所述第一和第二导体设有一体同轴的热塑性绝缘体，并且其中，所述密封外壳的所述第二部分熔合至热塑性绝缘体。
4.根据权利要求1所述的LED组件，其中，所述压缩元件为柔性金属环。
5.根据权利要求4所述的LED组件，其中，所述密封外壳的所述第一部分提供邻接所述陶瓷散热器的所述第一表面的一部分的凸出部分以及围绕所述第一表面背面的所述陶瓷散热器的一部分延伸的套筒，并且其中，所述压缩元件包括悬臂式齿部分，其提供与所述套筒的内表面的楔入接合，以保持所述柔性金属环与所述第一表面背面的陶瓷散热器的第二表面相邻接。
6.根据权利要求5所述的LED组件，其中，所述金属环进一步包括接触所述第二表面并且限制施加于所述第二表面的力的突出部分。
7.根据权利要求1所述的LED组件，其中，所述第一表面包括直接附连至所述第一表面并且在所述LED与所述第一及第二导体之间电连通的导电迹线。
8.根据权利要求7所述的LED组件，其中，所述导电迹线为印刷导电墨水。
9.根据权利要求1所述的LED组件，其中，所述陶瓷为皂石。
10.根据权利要求1所述的LED组件，其中，所述第一表面包括直接附连至所述第一表面的导电迹线；并且进一步包括
第一与第二弹簧夹，所述第一和第二弹簧夹可插入穿过所述陶瓷散热器中的孔，并且每个弹簧夹均具有当这样插入时接触不同导电迹线的第一部分，以及接收并且保持所述第一与第二导体中的不同的一个的夹紧元件。
11.根据权利要求10所述的LED组件，其中，所述第一部分通过所述第一与第二弹簧夹弹簧偏置成抵靠所述导电迹线。
12.根据权利要求10所述的LED组件，其中，所述导电迹线为印刷导电墨水。
13.根据权利要求10所述的LED组件，其中，所述夹紧元件提供柔性对置的弹簧元件，所述柔性对置的弹簧元件以电接合的方式可滑动地接收所述第一和第二导体的端部。
14.根据权利要求1所述的LED组件，其中，所述陶瓷为皂石。
15.一种制造LED组件的方法，包括：
LED，其在操作过程中耗散至少500mW；
陶瓷散热器，其提供支撑所述LED并且与所述LED热连通的第一表面；
第一与第二导体，所述第一和第二导体与所述LED电连通；
密封外壳，其在其中容纳所述陶瓷散热器与LED，所述密封外壳具有第一部分与第二部分，其中，所述第一部分安装在所述LED上方，以允许光穿过其通过，所述第二部分为穿过外壳壁向所述LED提供电力的所述第一与第二导体提供密封入口；以及
压缩元件，其在所述密封外壳的一部分与陶瓷散热器之间延伸，以提供预定范围的偏置力，以随着由所述陶瓷散热器的热膨胀引起的所述陶瓷散热器的尺寸的改变而将所述陶瓷散热器按压成抵靠所述密封外壳的所述一部分；
所述方法包括以下步骤：
(a)将所述LED附连至所述陶瓷散热器的所述第一表面；
(b)将组装好的LED与陶瓷散热器安装到所述密封外壳的所述第一部分中，并且通过所述压缩元件将所述陶瓷散热器保持在所述第一部分中；
(c)将所述第一部分和所述第一和第二导体与提供所述密封外壳的所述第二部分的热塑材料二次成型，所述密封外壳的所述第二部分提供容纳所述陶瓷散热器与LED的密封容积。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，将所述LED附连至所述陶瓷散热器的所述第一表面的步骤包括将导电迹线施加至所述陶瓷散热器的所述第一表面，并且将所述LED与所述导电迹线附连的步骤。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述陶瓷散热器进一步支撑与所述LED连通的导电迹线，并且包括以下步骤：
穿过所述陶瓷散热器中的孔插入第一与第二弹簧夹，每个弹簧夹均具有当这样插入时接触不同导电迹线的第一部分，以及接收并且保持所述第一和第二导体中的不同的一个的夹紧元件；
将所述第一和第二导体附连至所述夹紧元件，以提供所述第一和第二导体与所述LED之间的电连接。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述密封外壳的所述第一部分提供邻接所述陶瓷散热器的所述第一表面的一部分的凸出部分以及围绕所述第一表面背面的所述陶瓷散热器的一部分延伸的套筒，并且包括将所述压缩元件压装成与所述套筒的内表面以及所述第一表面背面的所述陶瓷散热器的第二表面相接合的步骤。
19.一种LED组件，包括：
LED，其在操作过程中耗散至少500mW；
陶瓷散热器，其提供支撑所述LED并且与所述LED热连通的第一表面；
第一与第二导体，所述第一与第二导体与所述LED电连通；
密封外壳，其在其中容纳所述陶瓷散热器与LED，所述密封外壳具有第一部分与第二部分，其中，所述第一部分安装在所述LED上方，以允许光穿过其通过，所述第二部分为穿过外壳壁向所述LED提供电力的所述第一与第二导体提供密封入口；以及
压缩元件，其在所述密封外壳的一部分与陶瓷散热器之间延伸，以提供预定范围的偏置力，以随着由所述陶瓷散热器的热膨胀引起的所述陶瓷散热器的尺寸的改变而将所述陶瓷散热器设置成抵靠所述密封外壳的一部分；
其中所述第一与第二导体包括可分隔开的接触表面，所述可分隔开的接触表面通过弹簧元件保持接触，以在由所述陶瓷散热器的热膨胀引起的所述陶瓷散热器的尺寸的改变的过程中提供与所述LED的电连通。
20.一种制造LED组件的方法，包括：
LED，其在操作过程中耗散至少500mW；
陶瓷散热器，其提供支撑所述LED并且与所述LED热连通的第一表面；
第一与第二导体，所述第一与第二导体与所述LED电连通；
密封外壳，其在其中容纳所述陶瓷散热器与LED，所述密封外壳具有第一部分与第二部分，其中，所述第一部分安装在所述LED上方，以允许光穿过其通过，所述第二部分为穿过外壳壁向所述LED提供电力的所述第一与第二导体提供密封入口；以及
压缩元件，其在所述密封外壳的一部分与陶瓷散热器之间延伸，以提供预定范围的偏置力，以随着由所述陶瓷散热器的热膨胀引起的所述陶瓷散热器的尺寸的改变而将所述陶瓷散热器按压成抵靠所述密封外壳的所述一部分；并且
其中所述第一与第二导体包括可分隔开的接触表面，所述可分隔开的接触表面通过弹簧元件保持接触，以在由所述陶瓷散热器的热膨胀引起的所述陶瓷散热器的尺寸的改变的过程中提供与所述LED的电连通；
所述方法包括以下步骤：
(a)将所述LED附连至所述陶瓷散热器的所述第一表面；
(b)将组装的LED与陶瓷散热器安装到所述密封外壳的所述第一部分中，并且通过所述压缩元件将所述陶瓷散热器保持在所述第一部分中；
(c)将所述第一部分与所述第一和第二导体和提供所述密封外壳的所述第二部分的热塑材料二次成型，所述密封外壳的所述第二部分提供容纳所述陶瓷散热器与LED的密封容积。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170208 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |