CN104185761A - Led照明结构 - Google Patents

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Abstract

所公开的实施例涉及照明结构（100,200,300,400），其包括热沉（110,210,310,410）、多个瓷砖（120,220,320,420）、设置在每个瓷砖（120,220,320,420）上的至少一个LED（130,230,330,430）、连接LED（130,230,330,430）的多个线，多个瓷砖（120,220,320,420）与热沉（110,210,310,410）直接接触。

Description

LED照明结构
技术领域
本发明涉及LED照明结构。
背景技术
针对多颜色LED聚光灯（spot）模块的最重要的价值驱动因子是非常多地由热管理确定的每mm2的输出。为了达到每mm2的高光输出，从LED到环境的传热必须是优良的。此外，有效LED面积的分数必须尽可能大（LED被紧密封装）。良好的传热和高LED密度因此是针对LED聚光灯的重要价值驱动因子。
存在其中LED芯片安装在衬底（一般而言，陶瓷衬底）上并且该衬底安装在PCB（在大多数情况下，金属核PCB）上并且该PCB安装在热沉上的系统。由于铜和LED芯片的热膨胀系数的高失配，将LED芯片直接安装在PCB上不是优选的。
关于将一个或多个PCB安装在热沉上的缺点在于，PCB与热沉之间的界面是可以导致~10℃的LED的温度增加的热障，所述温度增加是显著的增加。
将具有所有LED的PCB焊接在热沉上明显降低温度间隙，但是具有其它缺点：将整个PCB焊接在热沉上是困难且昂贵的过程（必须加热整个热沉，这花费长时间以及因此的长生产时间（增加的成本））。另外，在焊接期间，LED处于高温，这可能导致LED的劣化。此外，能够发生焊点中的质量问题，诸如例如引起高热阻的空隙或者归因于热膨胀失配的早期失效等。
关于以高封装密度将许多LED直接焊接在热沉上的缺点在于，如果一个LED损坏或者焊接失效，则浪费昂贵的整个LED阵列。
由于铜和LED的热膨胀失配，将LED直接焊接在铜上造成焊点的低劣的可靠性和寿命。直接胶合在铜上的LED芯片具有归因于胶合剂的低导热性。
发明内容
本发明的目的是克服或者减轻现有技术的问题。
根据本发明的方面，提供了一种照明结构，其包括热沉、多个瓷砖以及设置在每个瓷砖上的至少一个LED，其中瓷砖在没有任何中间热障的情况下被安装成与热沉直接接触。
根据本发明，在LED管芯与热沉之间仅存在瓷砖。具体而言，不存在PCB或者具有高热阻的类似层。从LED到热沉（或者更精确地，从LED到环境空气）的热阻因而极其低。同时，若干LED可以安装在每个瓷砖上，其可以在安装之前被测试。在LED或者键合线损坏的情况下，仅该砖被浪费。
根据优选实施例，瓷砖被焊接到热沉。例如，如果热沉是金属（例如铜）的并且瓷砖由AlN（氮化铝）制成，则这是可能的。PCB可以靠近多个瓷砖附接到热沉，并且例如经由键合线电气连接到LED。这样的PCB可以承载各种电路，诸如驱动器电路和控制电路。PCB不旨在承载任何LED，并且与热沉的热连接因此不成问题。
瓷砖优选地具有足够小的尺寸使得避免关于热膨胀的问题。作为示例，多个砖的长度可以在4至6 mm的范围中。
照明结构还可以包括安装在热沉上的至少一个PCB安装的LED。当在相同阵列中具有有着底部接触的LED和有着一个底部和一个顶部接触的LED的组合时，该设置是有利的。如果不同类型的LED以不同颜色发射光，使不同的LED在相同阵列中彼此接近，特别是使一种类型的LED的行与另一类型的LED的行交替是有利的。颜色的这种交替有利于混合光学器件中的颜色。术语“交替”在这里绝不限于仅两种类型的LED，而是还应用于其它预定义的LED序列。
瓷砖和PCB安装的LED优选地以这样的方式安装在热沉上，即瓷砖上的LED的发光表面和PCB安装的LED的发光表面与彼此在相同水平上。这是有利的，因为来自一个LED的光未被它的邻居阻挡。
热沉可以包括多个分离的热沉元件，每个元件具有安装在其上的多个瓷砖，其中电气连接器将不同瓷砖上的LED与彼此连接。关于这样的优点在于，一个元件可以被移除并且换成新的一个或者被修理。修理可以有利于在制造期间和在使用期间发生失效时增加产出。
照明结构可以包括关于辅助热沉元件之间的接触平面横向取向并且穿过所述热沉元件中的开口的冷却通道。
冷却可以通过冷却肋片或者冷却管提供并且可以基于冷却空气或者冷却液的流动。具有冷却液是有利的，因为以距照明结构一定距离设置热交换器是可能的，并且由于用于冷却液的冷却管不必占用额外的空间因此保持照明结构小型是可能的。这明显增加了设计自由度。
冷却通道可以纵向延伸通过热沉的多个部分。这是有利的，因为提供了照明结构的甚至更多的冷却。
多个砖可以设置在第一多个行中，多个第二PCB可以设置在第二多个行中，并且第一多个行的行和第二多个行的行可以沿彼此延伸并且以交替的方式设置，也就是说，第一多个行的行和第二多个行的行以每隔一个的方式设置。
可以通过使用从SAC、SAC+或者PAS的组选择的焊接材料将多个砖焊接到热沉来制造照明结构。这是有利的，因为焊接材料可以调节砖与热沉之间的热膨胀失配。
可以通过将PCB焊接或者压制在热沉上来将任何PCB安装在热沉上。压制对于低热阻而言是必要的。焊接提供了甚至更低的热阻。压制的优点在于，它在制造中更容易并且它更可靠。
同样地，PCB安装的LED可以使用从SAC、SAC+或者PAS的组选择的焊接材料来焊接到热沉。这是有利的，因为焊接材料可以调节砖与PCB之间的热膨胀失配。
在焊接之后，焊接材料的厚度可以在10至150                                               的范围中。这是有利的，因为焊接材料可以调节一些热膨胀失配并且足够薄以具有低热阻。
注意，本发明涉及权利要求中陈述的特征的所有可能组合。
附图说明
现在将参照示出本发明的实施例的附图更加详细地描述本发明的该方面和其它方面，在附图中，
图1是发明的照明结构的实施例的示意性侧视图。
图2是发明的照明结构的实施例的示意性透视图。
图3是发明的照明结构的实施例的示意性侧视图。
图4a是发明的照明结构的实施例的示意性透视图。
图4b是图4a的发明的照明结构的实施例的示意性透视图。
具体实施方式
图1是发明的照明结构的实施例的示意性侧视图。照明结构100包括热沉110。热沉110被设置成通过将热耗散到周围空气中来冷却照明结构100。这通过增加与它周围的冷却流体（诸如空气）接触的表面面积来完成。热沉110可以例如是热交换器（诸如在制冷和空调系统中使用的那些）或者散热器（诸如在汽车中使用的那些）。在一个实施例中，热沉具有冷却肋片115，如图1中所公开的那样。冷却肋片115包括冷却空气116。热沉110可以例如由铜制成。
照明结构100还包括多个瓷砖120。瓷砖120可以例如由AlN（氮化铝）制成。AlN具有大约与LED相同的热膨胀系数。发明人通过测试已经发现，AlN砖与铜热沉之间的热膨胀失配并不引起问题。瓷砖120可以具有在2至20 mm的范围中的长度，优选地在3与8 mm之间，最优选地在4至6 mm之间。在一个实施例中，瓷砖的尺寸是5×5 mm。瓷砖120可以是方形的。瓷砖可以具有250的厚度。
在每个瓷砖120上设置多个LED 130。第一组电气连接器连接安装在相同瓷砖上的LED。这些连接器131在这里被图示为键合线，但是还可以是瓷砖表面上的传导轨迹。第二组电气连接器将不同瓷砖上的LED与彼此连接。这些连接器132在这里被图示为键合线。多个瓷砖120与热沉110直接接触。
两个PCB 140靠近多个瓷砖120附接到热沉110。PCB 140在这里经由线141电气连接到LED 130。PCB 140可以具有多个层以便促进将电气连接和除LED之外的部件连接到PCB 140。PCB 140可以由比瓷砖120更便宜和更简单的材料制成。例如，PCB可以由具有铜轨迹的FR4制成。PCB 140包含例如使用线将照明结构100连接到驱动设备的装置。优选地，这些PCB 140具有多个层以便获得降低的尺寸。
图2是发明的照明结构的实施例的示意性透视图。照明结构200对应于图1的照明结构100，但是具有几个附加件。照明结构200包括对应于热沉110的热沉210。照明结构200还包括多个瓷砖220，并且在每个瓷砖220上设置多个LED 230。瓷砖220对应于图1的瓷砖120。另外，多个LED 230对应于图1的多个LED 130。两个PCB 240靠近多个瓷砖220附接到热沉210。PCB 240经由线（未示出）连接到LED 230。PCB 240对应于图1的PCB 140。
照明结构200在这里还包括安装在PCB 260上的具有底部接触的多个LED 250（也被称为PCB安装的LED）。这些LED 250可以例如是类型Rebel或者Cree XPG。PCB 260靠近多个瓷砖220和LED 230安装在热沉210上。
在多颜色系统中，使用若干类型的LED（例如，若干颜色、具有和不具有磷光体、来自不同LED制造商等）。这意味着一些LED类型可能具有底部接触并且因此不能像LED 130和230所能够的那样设置在瓷砖上。而是，这些LED被设置为LED 250。因此，图2的实施例在多颜色系统中是有利的，例如以供娱乐。
图3是发明的照明结构的实施例的示意性侧视图。照明结构300对应于图2中的照明结构200。照明结构包括瓷砖320、LED 330、PCB 360以及具有底部接触的LED 350。如从图3可以看到，以不同于PCB安装的LED 350的水平设置瓷砖320，使得上部、LED 330和LED 350的发光表面在相同的水平上或者在相等的高度上。在这里，这通过将瓷砖320设置在热沉310的突起上来完成。
热沉310还包括将热耗散到周围的冷却空气316的冷却肋片315。此外，热沉310包括承载冷却液318的冷却管317。因此，可以使用液体（例如，水）来冷却该热沉310。如图3中可见，可以以距LED一定距离设置热交换器。
图4a是发明的照明结构的实施例的示意性透视图。图4a中的照明结构400的热沉410被划分成多个元件410a、b、c、d和e。在元件410a、c和e上设置多个瓷砖420，每个承载多个LED 430。在每个部分410b和d上，设置多个PCB安装的LED 450。部分410a、b、c、d和e合并在一起，随之在它们之间限定接触平面，如图4b中所示。照明结构400具有关于接触平面横向取向的冷却管417。冷却管417可以承载冷却液和/或冷却流体。使冷却肋片或者冷却管平行于接触平面延伸也是可能的（未示出）。在图4a和b中，以交替的方式设置具有瓷砖的热沉元件和具有PCB安装的LED的热沉元件。
接下来，将描述一种用于制造上文所概述的照明结构100、200、300、400的方法。
使用从SAC、SAC+或者PAS的组选择的焊接材料将多个砖焊接到热沉。焊接材料可以补偿热沉与瓷砖之间的热膨胀失配。通过在热沉上压制PCB来将PCB附接到热沉。使用从SAC、SAC+或者PAS的组选择的焊接材料将具有底部接触的LED焊接到第二PCB。在焊接之后，焊接材料的厚度在10和200的范围中，优选地为30至150。
总之，所公开的实施例涉及照明结构100、200、300、400，其包括热沉110、210、310、410，多个瓷砖120、220、320、420，设置在每个瓷砖120、220、320、420上的至少一个LED 130、230、330、430，连接LED 130、230、330、430的多个线，多个瓷砖120、220、320、420与热沉110、210、310、410直接接触。
虽然在附图和前述描述中已经详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被视为是说明性或者示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时，通过附图、公开内容和随附的权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或者步骤，并且不定冠词“一”或者“一个”不排除多个。单个处理器或者其它单元可以实现权利要求中陈述的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能被用于获益。权利要求中的任何参考标记不应解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种照明结构（100,200,300,400），包括：
热沉（110,210,310,410），
多个瓷砖（120,220,320,420），
设置在每个瓷砖（120,220,320,420）上的至少一个LED（130,230,330,430），其中瓷砖（120,220,320,420）在没有任何中间热障的情况下被安装成与热沉（110,210,310,410）直接接触。
2.根据权利要求1的照明结构，还包括连接相同瓷砖上的LED的第一组电气连接器，以及连接不同瓷砖上的LED的第二组电气连接器。
3.根据权利要求1-2中的任一项的照明结构（100,200,300,400），还包括附接到热沉（110,210,310,410）并且电气连接到LED（130,230,330,430）中的至少一个的PCB（140,240,340,440）。
4.根据权利要求1-3中的任一项的照明结构（100,200,300,400），其中每个砖（120,220,320,420）的长度在4至6 mm的范围中。
5.根据前述权利要求中的任一项的照明结构，其中瓷砖（120,220,320,420）由AlN制成。
6.根据前述权利要求中的任一项的照明结构，其中热沉由金属制成。
7.根据前述权利要求中的任一项的照明结构，其中所述瓷砖已经焊接到所述热沉。
8.根据权利要求7的照明结构，其中瓷砖已经使用从SAC、SAC+和PAS的组选择的焊接材料被焊接。
9.根据权利要求7或8的照明结构，其中焊接材料的厚度在10至150                                               的范围中。
10.根据前述权利要求中的任一项的照明结构（200,300,400），还包括安装在热沉（210,310,410）上的至少一个PCB安装的LED（250,350,450）。
11.根据权利要求10的照明结构（200,300,400），其中瓷砖和PCB安装的LED以这样的方式安装在热沉上，其使得瓷砖上的LED的发光表面和PCB安装的LED的发光表面与彼此在相同水平上。
12.根据前述权利要求中的任一项的照明结构（400），其中热沉（410）包括多个分离的热沉元件（410 a- e），每个元件具有安装在其上的多个瓷砖，其中电气连接器将不同瓷砖上的LED与彼此连接。
13.根据权利要求12的照明结构，还包括具有安装在其上的多个PCB安装的LED的附加的热沉元件，其中电气连接器将PCB安装的LED与彼此连接。
14.根据权利要求12或13的照明结构，还包括关于所述热沉元件之间的接触平面横向取向并且穿过所述热沉元件中的开口的冷却通道。
15.根据前述权利要求中的任一项的照明结构（200,300,400），其中多个瓷砖（220,320,420）设置在第一多个行中，其中多个PCB安装的LED（260,360,460）设置在第二多个行中，并且其中砖的行和PCB安装的LED的行沿彼此延伸并且以交替的方式设置。
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