CN104160213A - 发光装置及用于制造发光装置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种发光装置包括具有导电电路层(8)的基板(6)，表面贴装在基板(6)上并电连接至电路层(8)的LED封装(7)，以及表面贴装在基板(6)上、与LED封装(7)分开的散热器元件，散热器元件具有包围LED封装(7)的、导热材料的主体(2)，主体热连接至电路层(8)，并适于提供从电路层(8)到周围环境的散热，其中散热器元件的面向LED封装的表面(3)适于形成光束整形光学元件的一部分，以用于整形从LED封装发出的光。由于散热主体与电路层的热接触，从LED封装经由电路层到散热主体的热阻被最小化。

Description

发光装置及用于制造发光装置的方法
技术领域
本发明通常涉及一种具有与LED封装相邻地表面贴装在基板的电路层上的散热器元件的发光装置。本发明还涉及一种用于制造这种发光装置的方法。
背景技术
在发光二极管(LED)产业中，各种不同的技术在制造包括LED封装或管芯及必要的配线或电路的完整功能的LED模块时被使用。从典型的5毫米通孔信号分量到板上芯片，以不同方式制造LED模块。此时，对于一般照明，表面贴装技术(SMT)是占主导地位的技术。SMT是自动的并且用于在印刷电路板(PCB)上放置用于电气产品的部件。
在LED产业中，尝试使LED封装更强大、具有更高的每表面积发光输出是一种持续且自然的趋势。在使LED更强大时产生的问题是，尽管其能效高，但是LED产生影响LED的效率和使用寿命的热量。因此，在增加LED封装的功率输入/输出时，带走热量是一个问题。
为了解决热量问题，使用了不同种类的散热器片。已知方式是在PCB中使用加盖填充通孔引导热量通过PCB到达PCB背面上的热导体。热导体通常是暴露于环境空气中的金属散热器的一部分。然而，使用通孔进行热传导是昂贵的并且对电绝缘提出了要求，从而使部件及其PCB的设计受到限制并复杂化。
另一种选项(例如在US7,282,740中所公开的)是设计并制造具有集成的光学和散热能力的更复杂的LED封装。尽管这部分地解决了上述问题，但它需要专门适合的LED封装。为了实现LED模块的高成本效益的生产，正常优选使用大量制造的标准LED封装。
因此，需要一种能够在高成本效益的制造过程中执行的、用于实现令人满意的散热的改进方式。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有令人满意的散热和发光控制，能够以高成本效益方式制造的发光装置。该目的和其他目的是通过发光装置实现的，该发光装置包括具有导电电路层的基板，表面贴装在基板上并电连接至电路层的LED封装，与LED封装分开地表面贴装在基板上的散热器元件。散热器元件具有包围LED封装的导热材料的主体，主体与电路层热接触并适于提供从电路层到周围环境的散热。散热器元件的面向LED封装的散热器元件表面还适于充当用于整形从LED封装射出的光的光束整形器。
由于散热器主体与电路层热接触，从LED封装经由电路层到散热器主体的热阻被最小化。由于散热器元件表面贴装在基板上(就像LED封装一样)，它可以进一步被布置成非常接近电路层，并且优选地直接接触电路层。这进一步降低了从LED封装到散热器主体的热阻。
在上下文中，LED封装旨在是可以被表面贴装在基板上并包括至少一个LED管芯的部件。
基板通常是PCB，但也可以是任何其他具有可以安装LED封装和其他电气部件的导电电路层的基板。由导热材料制成的散热器主体在周围环境比散热器主体更冷时，将热量引向热界面。光学界面被布置成面向LED封装，以引导从LED封装发出的光。光学界面通常包围在基板上的LED封装。
在电路层上表面贴装散热器元件可在将LED封装焊接至电路层之前或之后进行，从而使光束整形光学元件在LED板制造过程中安装为集成块。
通过使用标准的表面贴装技术，光学和热功能可以在与用于安装LED封装相同的过程中同时被添加。散热器元件使用与用于LED封装相同的过程同时被挑选、放置和焊接。这将节省成本，使制造具有期望的发射质量的廉价LED产品成为可能。通过选择简单的散热器元件，可以在合理的质量情况下保持低成本。通过选择更复杂的散热器元件，由于直接传热带来的良好散热，质量将非常好。
如果散热器元件和LED封装被焊接就位，当焊料力求达到其自身最低的能量状态时，光束整形光学元件将进一步与LED封装自对准。
散热器元件优选地电连接至电路层。这意味着散热器元件将形成电路的一部分，并能包括能够通过电路被供电和控制的部件。散热器元件可以包括例如连接至光束整形光学元件的光传感器(测光表，彩色显像管等)和致动器(关闭器)。通过直接感测光束中的光，这可以提供非常有利的功能。
散热器主体可以由金属，例如铝、铜制成，优选地具有高导热率的金属。散热器主体可以由例如金属片或金属箔制成，在面向LED封装一侧具有反射表面。这个解决方案简单，但相当有效，从而提供高成本效益的解决方案。
散热器主体还可以至少部分地由透明材料制成。并不总是期望整形来自LED封装的发射(光)。如果LED只应给出漫射光，则光学散热器主体可以由具有结合的高反射颗粒的透明材料制成，以增加材料的散射系数并仍保持低水平的吸收。
面向LED封装的表面可以是透明的、高反射的、朗伯反射的或镜面反射的。选择取决于想要的光束特性、产品价格等。
面向LED封装的表面还可设置有适于转换LED辐射颜色的磷光材料。众所周知，大多数高功率白光LED发出在窄的蓝色波长区域内的光并需要被颜色转换以由人眼视为白色。这通常使用磷光转换完成，其中磷光粉、如YAG：Ce被蓝色LED发射激发，从而将大部分的蓝光发射转换为红色区域的宽带发射。由于可以在安装光学散热器前施加磷光粉，可以更廉价并精度更低地完成将磷光粉添加到光学散热主体的光学界面。将磷光粉直接添加到LED管芯是一个精细的并因此昂贵的操作。
散热器元件可以包括两个电和热分离部分，每个部分均热连接至电路层。这两个部分可以连接到安装在电路层上的LED封装的不同端子上，在这种情况下，这两个部分必须电绝缘以避免短路。两个部分可以通过空气或非导电材料(如陶瓷或橡胶材料)分离。分离材料优选预安装以避免不得不将两个部件放置到基板上。将散热器元件连接到LED封装的两个电端子的优点是热可以从LED管芯的两侧消散。
在本发明的另一实施例中，该散热器元件还包括被主体支承并与主体热连接的透镜，透镜被定位于LED封装的发射表面的前方。那样，精密光束整形可以通过表面贴装技术实现，同时保持光学透镜被散热器冷却。透镜可以是模制透镜或基本上是任何预安装到散热器元件上的透镜。因此，透镜的先行安装通过标准SMT自动完成。另一个优点是透镜可以被放置成非常靠近LED管芯。
本发明还涉及一种组装发光装置的方法，包括：提供具有导电电路层的基板的表面，在基板上表面贴装与电路层电连接的LED封装，以及与LED封装相邻地在基板上表面贴装分开的散热器元件，使得散热器元件被带入与电路层热连接，以便提供从电路层到周围环境的散热。
安装步骤可以使用具有如以上所讨论的接着的所有益处的标准SMT工艺来执行。
附图说明
本发明的上述目的以及附加目的、特征和优点，当结合附图理解时，通过参考本发明的优选实施例的下列说明性的且非限制性的详细描述，将被更充分地理解，其中：
图1是根据本发明的第一实施例的发光装置的实施例的剖视图。
图2a是其中散热器元件是以抛物线状成形的金属片的实施例的剖视图。
图2b是其中散热器元件包括定位于LED正上方的透镜的实施例的剖视图。
图2c是其中散热器元件是白色杯的实施例的剖视图。
图3a是其中具有透镜的散热器元件被围绕多个LED放置的实施例的剖视图。
图3b是其中散热器元件是围绕多个LED放置的白色杯的实施例的剖视图。
图4a是本发明的两个实施例的PCB布局的地形图。
图4b是图4a中的两个实施例的铜层布局的地形图。
图4c是图4a中的两个实施例的LED覆盖区(footprint)的地形图。
图4d是图4a中的两个实施例的光学散热器覆盖区的地形图。
图4e是基本上是图4a和图4c的组合的、具有LED的PCB布局的两个实施例的透视图。
图4f是具有添加的散热器元件的金属部分的图4e的两个实施例的透视图。
图4g是具有覆盖被添加的金属部分的材料以提供具有白色杯光学界面的实施例的图4f的两个实施例的透视图。
图4h和图4i示出了被用作散热器元件的折叠金属片和非折叠金属片。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的发光装置的实施例的剖视图，发光装置包括基板6，此处为PCB，使用表面贴装技术(SMT)已在基板之上安装有LED封装7和散热器元件1。散热器元件1、也被称为“光学散热器”，包括由导热材料制成的散热器主体2和被布置于主体2的表面上的光学界面3。光学界面形成光束整形光学元件的一部分，并可由提供期望的光学特性的材料制成，并且可以是透明的、高反射的朗伯型/白色的或镜面反射的。散热器主体2还具有暴露于周围环境(通常是空气)的热界面4。光学散热器1还具有焊料连接5。光学散热器1旨在使用焊料连接5被连接在PCB6基板的铜配线8上。光学散热器元件被围绕LED封装7设置，以使来自LED封装的光将入射在光学界面3上，并使来自LED封装7的热量将经由铜层8和散热主体2向外消散到周围。
散热器元件可以不仅热连接至电路层而且电连接到电路层。例如，它可以电连接至LED封装的一个或两个端子，或连接至LED封装的所谓的“散热基座”。供光学散热器连接的电端子优选地被制造得足够大以适合散热器主体的连接部分(与基板接触的部分)的覆盖区。因此，这样的LED封装端子的表面面积可能比常规的LED封装端子大得多。
为了产生令人满意的光束形状，散热器元件的光学界面2可具有像汽车前照灯中的反射器一样的抛物线形状。然而，由于LED封装7通常是矩形的，将光学界面并由此将整个散热器元件也制成矩形的可能更切合实际。为简单起见，并且由于准直的光束形状并不总是被期望的，光学界面2的形状也可以制成为远离LED成角度的平面，也可以呈非抛物线形状的杯子的形状，但仍在基部/PCB处具有比顶部(远离PCB)处更小的面积。
图2a示出了一个实施例的剖视图，其中光学散热器1由呈抛物线形状成形的金属片21制成。金属片本身会提供光学散热器主体2、21，光学界面3、21，热界面4、21和焊料连接5、21。使用金属片21的实施例提供了廉价的、但在许多情况下令人满意的解决方案。金属片可以具有不同的形状。在图2中，该片具有抛物线形状，从而产生来自LED的相当平行的光束形状，但该形状也可以像杯子一样是直的，或任何其他想要的形状。金属片可用作任何可以被期望的涂层的基础，例如，作为图2c的实施例的基础。
如果散热器元件在电路层上的两个连接点之间电连接，其将形成电路的一部分，并且因而可能包括可通过电路层被供电和控制的电气部件。该电气部件例如可以是光传感器、致动器等。这在图2b中由部件29示意性地示出。光传感器可以是例如测光表(Lm)、彩色显像管等，并可被设置用来测量发出的光的诸如强度或颜色之类的性质。致动器可以是例如根据上述实施例的影响反射器、准直器或透镜的关闭器。通过使用附连在散热器上的传感器，通过传感器的测量可用于实际控制光束，例如使用来自光传感器的直接反馈控制。
作为示例，图2b示出了一个实施例的剖视图，其中光学散热器具有定位于LED正上方的透镜9。透镜9由用作热界面和也可选地用作反射光学界面的折叠金属片21’控制。金属片21’将透镜9保持在保持装置10内，该保持装置被附连以保持透镜9。LED照明产品的光学设计通常必须管理两个功能：降低光源的亮度和光束整形。本发明描述的实施例涉及对光束整形的功能特别有用的近模光学元件。在板的层次解决光束整形问题将在灯具层次上限制光学设计以只降低光源亮度。
应该注意的是，根据本发明，透镜可以具有被磷光粉涂层覆盖的下表面23以提供LED发射的波长转换。磷光粉涂层然后将完全取代具有直接在LED管芯上涂覆的磷光粉的功能。透镜9的剩余表面也可被磷光粉涂层覆盖，以便以透镜效果为代价提供更完整的波长转换。然而，如果透镜是廉价的模制透镜，后者(透镜效果)仍然是令人感兴趣的，以减少在生产设备中可能的部件的数量。
透镜9可以是清晰的透镜。然而，如果期望漫射光，则透镜可以由任何其他类似大小的、由散热器元件保持的光学部件替代。例如，透镜可以由具有模制到其内的磷光粉颗粒的透明材料制成。于是散热器元件的光学元件也将用于反射从磷光粉颗粒在错误方向上发射的磷光。
图2c示出了一个实施例的剖视图，其中光学散热器元件是白色杯22。白色表面使来自LED的光漫射并给它更少的方向。该表面用于减小由看LED装置的人的感觉的亮度。
图3a示出了一个实施例的剖视图，其中，具有附连的清晰透镜的光学散热器被围绕多个LED放置。每个LED7一个清晰透镜9由折叠金属片31和透镜保持装置10’保持。
图3b示出了一个实施例的剖视图，其中光学散热器是围绕多个LED放置的白色杯32。金属片31’被结合到白色杯内以从LED封装7经由电路层引导热。白色材料可以是具有强烈漫射特性的塑料，如图2c所示，但它也可以是具有结合的磷光粉颗粒以用于光波长转换的包含磷光粉的材料。
图4a至图4i示出了本发明的两个可能的实施例的部分和层。图4a示出了两个实施41、42的PCB布局。左边的实施例41具有一个LED封装，而右边的实施例42具有8个LED封装。图4b示出了铜层布局，图4c示出了LED覆盖区，并且图4d示出了两个实施例的光学散热器覆盖区。图4e示出了基本上是图4a和图4c的组合的、具有LED的PCB布局的两个实施例的透视图，而图4f示出了具有添加的光学散热器的金属部分的图4e的两个实施例。在该实施例中，金属部分是折叠金属片，如图4h和图4i所示。在图4g中，图4f的两个实施例被提供了覆盖金属部分的材料以提供具有白色杯光学界面的实施例。
应该理解，本发明中其他变型是可想象到的并且在某些情况下，本发明的一些特征可以在没有其他特征相应使用的情况下被使用。因此，所附权利要求以与本发明的范围一致的方式宽泛地被解释是适当的。

Claims (12)

1.一种发光装置，其包括：
具有导电电路层(8)的基板(6)，
LED封装(7)，其表面贴装在所述基板(6)上并且电连接到所述电路层(8)，以及
散热器元件，其与所述LED封装(7)分开地表面贴装在所述基板(6)上，所述散热器元件具有包围所述LED封装(7)的、导热材料的主体(2、21、22、31)，所述主体热连接至所述电路层(8)，并且适于提供从所述电路层(8)到周围环境的散热，
其中所述散热器元件的面向所述LED封装的表面(3)适于形成光束整形光学元件的一部分以用于整形从所述LED封装发出的光。
2.根据权利要求1所述的发光装置，其中所述散热器元件电连接至所述电路层。
3.根据权利要求2所述的发光装置，其中所述散热器元件进一步包括与所述电路层电接触的电气部件(29)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的发光装置，其中所述主体(2)是折叠成杯形的金属片(21、21’、31)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的发光装置，其中所述主体(2)由金属制成。
6.根据权利要求1-4中的任一项所述的发光装置，其中所述主体(2)至少部分由透明材料制成。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的发光装置，其中所述主体的面向所述LED封装(7)的所述表面(3)是透明的、高反射的、朗伯反射的或镜面反射的。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的发光装置，其中所述主体的面向所述LED封装(7)的所述表面(3)被提供有适于转换LED辐射的颜色的磷光材料。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的发光装置，其中所述散热器元件(1)包括两个电和热分离部分，每个部分热连接至所述电路层。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的发光装置，其中所述散热器元件(1)被焊接到所述电路层。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的发光装置，其中所述散热器元件(1)进一步包括由所述主体支承并且与所述主体热连接的透镜(9)，所述透镜被定位在所述LED封装的发射表面的前方。
12.一种组装发光装置的方法，所述方法包括以下步骤：
提供具有导电电路层(8)的基板的表面，
在所述基板(7)上表面贴装LED封装(7)，所述LED封装与所述电路层(8)电连接，以及
与所述LED封装(7)相邻地在所述基板上表面贴装分开的散热器元件(1)，使得所述散热器元件被带入与所述电路层(8)热连接，以便提供从所述电路层(8)到周围环境的散热。
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