CN108343850B - 轻质热沉及采用该轻质热沉的led灯 - Google Patents

轻质热沉及采用该轻质热沉的led灯 Download PDF

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Abstract

本申请公开了轻质热沉及采用该轻质热沉的LED灯。一种热沉，包括热沉本体，其在一些实施方式中为塑料热沉本体；及设置在所述热沉本体上的导热层。在一些实施方式中，所述导热层包括铜层。基于发光二极管(LED)的灯包括上述热沉及LED模块，所述LED模块包含一个或多个LED器件，其中所述LED模块与所述热沉紧固且热连通。一些这种基于LED的灯可具有A字形灯泡结构或MR或PAR结构。所公开的方法实施方式包括形成热沉本体并将导热层设置在所述热沉本体上。所述形成可包括模塑可为塑料的所述热沉本体。在一些方法实施方式中，所述热沉本体包含鳍片，且所述设置包含将所述导热层设置在所述鳍片上。

Description

轻质热沉及采用该轻质热沉的LED灯
本申请是国际申请日2011年3月18日、国际申请号PCT/US2011/028970的国际申请于2012年11月30日进入国家阶段的申请号为201180027205.3、发明名称为“轻质热沉及采用该轻质热沉的LED灯”的专利申请的分案申请，其全部内容结合于此作为参考。
本申请要求于2010年4月2日提交的美国临时申请第61/320,417号的权益，通过引证将于2010年4月2日提交的第61/320,417号美国临时申请的全部内容结合于本文中。
技术领域
下文涉及照明领域、灯光领域、固态照明领域、热管理领域及相关领域。
背景技术
白炽灯、卤素灯及高强度放电(HID)光源具有相对高的操作温度，且因此，散热主要通过辐射及对流热传递路径来进行。例如，辐射放热随着温度升高至四次幂而进行，从而该辐射热传递路径随着操作温度升高而超线性地变得更为主导。因此，对于白炽灯、卤素灯及HID光源的热管理一般意味着在灯的附近提供足够的空气空间，以有效的辐射热传递及对流热传递。一般而言，在这些类型的光源中，无需增加或修改该灯的表面积来增强辐射热传递或对流热传递以达到灯的期望操作温度。
另一方面，出于器件性能及可靠性的原因，基于发光二极管(LED)的灯通常工作在实质上较低的温度下。例如，典型的LED器件的结温度应低于200℃，且在一些LED器件中，应低于100℃或甚至更低。在这些低操作温度下，至周围环境的辐射热传递路径较弱，使得至周围环境的对流及传导性热传递通常占主导。在LED光源中，可通过增设热沉而增强从灯或照明装置的外表面面积的对流热传递及辐射热传递。
热沉是提供用于使热量以辐射以及对流的方式而离开LED器件的大表面的组件。在典型设计中，热沉为表面面积设计得较大的相对大块金属元件，例如通过在该金属元件的外表面上设置鳍片或其他散热结构。大横截面积以及高导热率的热沉将热量从LED器件高效地传导至散热鳍片且大面积散热鳍片通过辐射及对流而提供了高效的散热。对于高功率的基于LED的灯，还已知的是，采用主动冷却，主动冷却使用风扇或合成射流或热管或热-电冷却器或经泵送冷却剂流体来增强排热。
发明内容
在本文公开为示意性示例的一些实施方式中，一种热沉，包括热沉本体及设置在该热沉本体上的导热层。在一些这种实施方式中，热沉本体为塑料热沉本体。在一些这种实施方式中，该导热层包括铜层。
在本文公开为示意性示例的一些实施方式中，一种基于发光二极管(LED)的灯包括：上一段落中所述的热沉；及包含一个或多个LED器件的LED模块，该LED模块与该热沉紧固且热连通。在一些这种实施方式中，该基于LED的灯具有A字形灯泡结构。在一些这种实施方式中，该基于LED的灯为MR或PAR结构。
在本文公开为示意性示例的一些实施方式中，一种方法包括：形成热沉本体；且在该热沉本体上设置导热层。在一些这种实施方式中，所述形成包括模塑热沉本体。在一些这种实施方式中，所述形成包括将所述热沉本体模塑为模塑的塑料热沉本体。在一些这种实施方式中，热沉本体包含鳍片，且所述设置包含将导热层设置在鳍片上。
附图说明
图1及图2示意性地示出了采用金属热沉组件的传统热沉的热模型(图1)及本文所公开的热沉的热模型(图2)。
图3及图4分别示意性地示出了适用于MR灯或PAR灯中的热沉的侧视截面图及侧视透视图。
图5示意性地示出了包含图3及图4的热沉的MR灯或PAR灯的侧视截面图。
图6示意性地示出了图5的MR灯或PAR灯的光学/电子模块的侧视图。
图7示意性地示出了用于制造轻质热沉的合适制造过程的流程图。
图8绘示了简化的“厚片”型热沉部分的涂层厚度与等效K数据的关系。
图9及图10示出了块金属热沉的热性能与材料导热系数的关系。
图11示意性地示出了结合有本文所公开的热沉的“A字形灯泡”灯的侧视截面图。
图12示意性地示出了图9的“A字形灯泡”灯的变形的侧视透视图，其中该热沉包含鳍片。
图13及图14示意性地示出了设置有鳍片的“A字形灯泡”灯的其他实施方式的侧视透视图。
图15示出了如本文所公开的使用塑料热沉本体的铜电镀层所制造的PAR-38热沉的重量及材料成本的计算值与相同尺寸及形状的块铝热沉的重量及材料成本的计算值的比较。
图16及17示意性地示出了热沉本体(图16)及包含热分流路径的成品热沉(图17)的侧视透视图。
具体实施方式
就白炽灯、卤素灯及HID光源(均为热发光体)而言，至灯附近的空气空间的热传递通过辐射热路径及对流热路径的设计来管理，以在光源的操作期间实现提高的目标温度。相比之下，就LED光源而言，光子并非经热激发，而是通过电子与空穴在半导体的p-n结处复合而产生。通过使LED的p-n结的操作温度最低化而不是在升高的目标温度下操作，可优化光源的性能及寿命。通过提供具有鳍片或其他增大表面面积的结构的热沉，可增强表面的对流热传递及辐射热传递。
参照图1，方框示意性地表示具有鳍片的金属热沉MB，且该热沉的鳍片MF由虚线椭圆示意性地指示。热量通过对流和/或辐射传递到周围环境所经由的表面在本文中被称为散热表面(例如，鳍片MF)，且应具有大面积以使散热足以维持LED器件LD处于稳定的操作状态。自散热表面MF至周围环境中的对流散热及辐射散热可分别由热阻值Rconvection及RIR或等效地通过导热系数来模拟。阻值Rconvection模拟了通过自然气流或压迫气流而自该热沉的外表面至周围环境的对流。阻值RIR模拟了自该热沉的外表面至远处环境的红外(IR)辐射。另外，导热路径(在图1中由阻值Rspreader及Rconductor指示)串联在LED器件LD与散热表面MF之间，表示自LED器件LD至散热表面MF的热传导。该串联热传导路径的高导热系数确保自LED器件经由散热表面至附近空气的散热不会受限于串联导热系数。这通常通过将该热沉MB构造成具有鳍片或以其他方式的增强的表面面积MF(其限定散热表面)的相对大块的金属—该金属热沉本体提供LED器件与散热表面之间的期望高的导热系数来实现。在此设计中，该散热表面本身是连续的并且与提供高导热系数路径的该金属热沉本体紧密的热接触。
因此，基于LED的灯的传统散热包含热沉MB，该热沉MB包括金属(或金属合金)块，使大面积散热表面MF暴露至附近的空气空间。该金属热沉本体在LED器件与该散热表面之间提供高导热系数路径Rconductor。图1中的阻值Rconductor模拟了经由金属热沉本体MB的传导。LED器件安装在金属基电路板或包含均热器(spreader)的其他支撑件上，且来自LED器件的热量通过该均热器而传导至热沉。这由阻值Rspreader来模拟。
除了经由散热表面(阻值Rconvection及RIR)散热至周围环境之外，还存在经由爱迪生基座或其他灯连接器或灯基座LB(图1中的模型中由虚线圆而示意性地指示)来进行一些排热(即，散热)。经由该灯基座LB进行的排热在图1的示意性模型中由阻值Rsink表示，其表示经由固体或热管至远处环境或建筑基础设施的传导。然而，本文认识到，在爱迪生型基座的通常情形下，基座LB的导热系数限度及温度限度将限制经由该基座的热通量为约1瓦特。相比之下，对于意在为内部空间(例如，房间)照明或户外照明提供照明的基于LED的灯，要消散的热输出通常为约10瓦特以上。因此，本文中认识到，灯基座LB无法提供主要散热路径。相反，来自LED器件LD的热量主要经由穿过金属热沉本体至热沉的外散热表面的传导而排出，在此情形下，热量通过对流(Rconvection)及(较小程度)辐射(RIR)而消散到周围环境。该散热表面可具有鳍片(例如，图1中的示意性鳍片MF)或以其他方式修改为增加其表面面积由此来增加散热。
这种热沉具有一些缺点。例如，由于包括热沉MB的大体积金属或金属合金而导致热沉沉重。沉重的金属热沉会向基座及灯口施加机械压力，此会造成故障，且在一些故障模式中，可能发生电气危险。这种热沉的另一问题在于制造成本高。制造块金属热沉组件成本高，且根据所选择的金属，材料的成本也可能相当高。此外，热沉有时还用作电子器件的壳体，或作为爱迪生基座的安装点，或作为LED器件电路板的支撑件。这些应用需要以一定精度制造热沉，这又将增加制造成本。
发明人已经使用图1中所示的简化热模型而对这些问题予以分析。图1的热模型可以以代数方式表达为热阻抗的串联并联电路。在稳定状态下，所有的瞬时阻抗(例如灯自身的热质量或周围环境中的物体(例如灯连接器、电线及结构性安装件)的热质量)可视为热电容。在稳定状态下，可忽略瞬时阻抗(即，热电容)，正如在DC电路中忽略电容，且仅需考虑电阻。LED器件与环境之间的总热阻值Rthermal可写成
Figure BDA0001598529680000051
其中：Rsink为经由爱迪生连接器(或其他灯连接器)至“环境”电线的热量的热阻抗值；Rconvection为通过对流热传递而自散热表面传递到周围环境中的热量的热阻值；RIR为通过辐射热传递而自散热表面传递到周围环境中的热量的热阻值；且Rspreader+Rconduction为自LED器件穿过均热器(Rspreader)且穿过金属热沉本体(Rconduction)传递到达散热表面的热量的串联热阻值。应注意，对于项1/Rsink，对应的串联热阻值并不精确等于Rspreader+Rconduction，其原因在于，串联热路径是到达灯连接器而不是到达散热表面；然而，由于对于典型灯，穿过基座连接器的导热系数1/Rsink相当小，此误差可被忽略。实际上，完全忽略穿过该基座的散热的简化模型可写为
Figure BDA0001598529680000061
该简化等式表明经由热沉本体的串联热阻值Rconduction为热模型的控制参数。实际上，这对于采用块金属热沉MB的传统热沉设计是合理的—热沉本体为串联热阻值Rconduction贡献极低的值。鉴于上述，可认识到，期望的是实现具有低串联热阻值Rconduction，但同时较传统热沉重量小(且优选地，低成本)的热沉。
可实现此目的的一种方式为增强通过基座的散热Rsink，使得增强此路径以提供10瓦特以上的散热率。然而，在LED灯用于替代传统白炽灯或卤素灯或荧光灯或HID灯的改造型光源应用中，LED替代灯安装在初始针对白炽灯、卤素灯或HID灯而设计的传统类型基座或灯座或照明器中。针对此连接，至建筑基础设施或远处环境(例如，地面)的热阻值Rsink相较Rconvection或RIR大，从而使得通过对流及辐射至周围环境的热路径占主导。
另外，由于LED组件的相对较低的稳定状态操作温度，辐射路径通常由对流路径占主导(也就是说，Rconvection＜＜RIR)。因此，典型的基于LED的灯的主导热路径为包括Rconduction及Rconvection的串联热电路。因此，需要提供低串联热阻值Rconduction+Rconvection，同时减小热沉的重量(且优选，降低成本)。
本发明的发明人从第一原理的观点仔细考虑了在基于LED的灯中的热去除问题。本文认识到，在通常认为极具重要性的参数(热沉体积、热沉重量对导热系数的比率、热沉表面面积及通过基座的传导性热移除及散热)中，两个主要的设计要素为LED与热沉之间的路径的导热系数(即，Rconduction)及用于使热对流传递及辐射传递至周围环境的热沉的外表面面积(其影响Rconvection和RIR)。
可通过排除处理进行进一步分析。热沉体积仅在其影响热沉质量及热沉表面面积范围内是至关重要的。热沉质量在瞬时情形下相当重要，但不会严重影响稳定状态热移除性能，而热移除性能在连续操作灯中是至关重要，除非金属热沉本体提供一定程度低的串联阻值Rconduction。穿过可替换灯(例如PAR或MR或反射器或A字形灯)的基座的散热路径对于低功率灯而言极其重要；然而，爱迪生基座的导热系数仅足以提供约1瓦特的散热至周围环境(且其他类型的基座(例如销型基座)很可能具有相当的或甚至更低的导热)，且因此不期望通过基座至周围环境的传导性散热对各种市售的基于LED的灯具有原则上的重要性，预期这种灯在稳定状态下产生高达几个数量级以上的热负荷。
参照图2，根据上文所述，本文公开了一种改进的热沉，包括：轻质热沉本体LB，其不必导热；及导热层CL，设置在热沉本体上以限定散热表面。热沉本体并非热电路的一部分(或可选地，可为实现热沉本体的导热率的微小组件)；然而，热沉本体LB限定导热层CL的形状，导热层CL限定散热表面。例如，热沉本体LB可具有涂覆有导热层CL的鳍片LF。由于热沉本体LB并非热电路的一部分(如图2所示)，其可针对可制造性及性质(诸如结构稳健性及重量小)而设计。在一些实施方式中，热沉本体LB为模塑塑料组件，其包括绝热或具有相对较低导热率的塑料。
设置在轻质热沉本体LB上的导热层CL执行散热表面的功能，且其关于使热量消散至周围环境的性能(由热阻值Rconvection及RIR的热阻值量化)与图1中模型化的传统热沉的性能实质上相同。然而，此外，导热层CL限定自LED器件至散热表面的热路径(由串联阻值Rconduction量化)。这也在图2中示意性地示出。为了实现充分低的Rcondution值，导热层CL应具有充分大的厚度(因为Rcondution随着厚度增加而降低)且应具有充分低的材料导热系数(因为Rcondution也随着材料导热系数增加而降低)。本文中公开了通过适当地选择导热层CL的材料及厚度，包括轻质(且可能绝热)的热沉本体LB及设置在热沉本体上且限定散热表面的导热层CL的热沉可具有与近似大小和形状的块金属热沉相比相同或甚至更好的散热性能，同时相较等效的块金属热沉更轻质，且制造成本更低。又，不仅用于辐射/对流散热至周围环境的表面面积决定该热沉的性能，而且由散热层限定的与周围环境热连通的外表面上的热量的热传导(即，对应于串联阻值Rconduction)也起决定作用。较高的表面导热率促使热量在整个散热表面面积上更有效地分布且因此促进辐射以及对流散热至周围环境中。
鉴于上文，本文所公开的热沉实施方式包括热沉本体及设置在热沉本体上且至少位于(且限定)热沉的散热表面上的导热层。热沉本体的材料的导热率比导热层的材料的导热率低。实际上，热沉本体甚至可绝热。另一方面，导热层应具有(i)面积及(ii)厚度且(iii)由具有充分导热系数的材料制成，使得其提供足以将基于LED的灯的LED器件的p-n半导体结保持在指定最大温度以下的至周围环境的辐射/对流散热，指定最大温度一般低于200℃且有时低于100℃。
导热层的厚度及材料导热系数共同限定导热层的片导热率，其类似于片导电率(或者，在相反的情形中，片电阻率)。可以将片导热率定义为
Figure BDA0001598529680000081
其中ρ为材料的热阻率且σ为材料的导热率，且d为导热层的厚度。可以看出，片热阻率合适地具有K/W单位。取倒数则得到片导热率Ks＝σ·d，具有合适的单位W/K。因此，可在导热层的厚度d与材料导热率之间做出权衡。对于高导热率材料，则可使该导热层较薄，从而使重量减轻、体积减小且成本降低。
在本文所公开的实施方式中，该导热层包括金属层，例如铜、铝、其各种合金等，其通过电镀、真空蒸镀、溅射、物理气相沉积(PVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)或工作温度低到足以与塑料或热沉本体的其他材料热兼容的另一合适的层形成技术。在一些示意性实施方式中，导热层为铜层，其通过包含无电镀且之后的电镀的顺序而形成。
热沉本体(即，不包含导热层的热沉)并不严重影响热移除，除非其限定执行热散布(由图2中的热模型中的串联热阻值Rconduction量化)的导热层的形状且限定散热表面(由图2中的热模型中的Rconvection及RIR量化)。由热沉本体提供的表面面积影响后续的通过辐射及对流的热移除。因此，可对该热沉本体加以选择，以实现所需的特性，例如重量小、成本低、结构刚性或强固性、热强固性(例如，热沉本体应耐受操作温度而不因此发生熔化或过度软化)、易于制造、表面面积最大(继而控制导热层的表面面积)等。在本文所公开的一些示意性实施方式中，热沉本体为模塑塑料组件，例如，由聚合材料(例如聚(甲基丙烯酸甲酯)、尼龙、聚乙烯、环氧树脂、聚异戊二烯、丁苯热塑橡胶、聚双二环戊二烯、聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚苯醚、硅烷树脂、聚酮、热塑性塑料等)制成。热沉本体可被模塑成具有鳍片或其他热辐射/对流/表面面积增强结构。
为了最小化成本，热沉本体优选使用一次性模塑工艺来形成，且因此具有均匀材料一致性且各处皆均匀(与例如通过采用不同模塑材料而多次模塑操作所形成的热沉本体相比，该热沉本体具有不均匀材料一致性且并非各处皆均匀)，且优选包括低成本材料。为了达成后一目的，热沉本体的材料优选不包含任何金属填料，且更优选不包含任何导电填料，且更进一步优选完全不包含任何填料。然而，还可设想热沉本体包含金属填料或其他填料，例如所散布的金属颗粒以提供一定程度的导热率增强或非金属填料颗粒以提供增强的机械性质。
下文将描述一些示意性实施方式。
参照图3及图4，热沉10具有适用于MR或PAR类型的基于LED的灯的构造。热沉10包含上文已描述的由塑料或另一合适材料制成的热沉本体12；及导热层14，其设置在热沉本体12上。导热层14可为诸如铜层、铝层或其各种合金。在示意性实施方式中，导热层14包括首先通过无电镀之后再进行电镀所形成的铜层。
如在图4中可见，热沉10具有鳍片16以增强最终的辐射热移除及对流热移除。也可使用其他表面面积增强结构来替代所示的鳍片16，例如多区段鳍片、杆、微/纳米级表面及体积特征等。示意性热沉本体12将热沉10限定为中空的且通常为圆锥形的热沉，其具有内表面20及外表面22。在图3所示的实施方式中，导热层14设置在内表面20及外表面22二者上。可替换地，导热层可仅设置在外表面22上，如图7中的可替换的实施方式热沉10'所示。
继续参照图3及图4且进一步参照图5及图6，示意性中空且通常为圆锥形的热沉10包含中空顶部26。LED模块30(图6中示出)适于设置在顶部26(如图5所示)，以限定出基于MR或PAR的灯。LED模块30包含一个或多个(在该示意性实施方式中为三个)发光二极管(LED)器件32，其安装在包含均热器36的金属基印刷电路板(MCPCB)34上，例如包括MCPCB 34的金属层。示意性LED模块30进一步包含螺纹口爱迪生基座40；然而，诸如接合销式基座或猪尾电子连接件的其他类型基座可替换爱迪生基座40。该示意性LED模块30进一步包含电子器件42。电子器件可包括如图所示的封闭电子器件单元42，或可为设置在热沉10的中空顶部26中而不具有独立壳体的电子组件。电子器件42可适宜地包括供电电路，以将A.C.电力(例如，110伏特，美国居民生活用电；220伏特，美国工业或欧洲用电等)转换成适于操作LED器件32的(一般较低的)DC电压。电子器件42可可选地包含其他组件，例如静电放电(ESD)保护电路、保险丝或其他安全电路、调光电路等。
本文中所使用的术语“LED器件”应理解为涵盖无机LED或有机LED的裸半导体芯片；无机或有机LED的封装半导体芯片；LED芯片“封装件”，其中在该封装件中，LED芯片安装在一个或多个中间元件(例如子镶嵌芯片(sub-mount)、引线框、表面安装支撑件等)上；包含波长转换荧光体涂层的无机LED或有机LED且具有或不具有密封剂的半导体芯片(例如，涂敷有黄色、白色、琥珀色、绿色、橙色、红色或设计为协作地产生白光的其他荧光体的紫外或紫色或蓝色LED芯片)；多芯片无机LED器件或有机LED器件(例如，白色LED器件，其包含三个LED芯片，该三个LED芯片分别发射红光、绿光及蓝光，且可能发出其他颜色的光，从而共同作用而产生白光)等。一个或多个LED器件32可以被构造为针对给定照明应用共同发射白光束、带黄光束、红光束或实质上任何其他感兴趣的颜色的光束。还可设想，一个或多个LED器件32包含发射不同颜色光的LED器件，且电子器件42包含合适的电路来独立地操作不同颜色的LED器件，以提供可调整光输出。
均热器36提供自LED器件32至导热层14的热连通。可以以各种方式实现均热器36与导热层14之间的良好热连通，例如通过焊接、导热粘合剂、借助于LED模块30与热沉10的顶部26之间的高导热率焊盘的牢固机械配合等。尽管本文并未阐明，但可设想，将导热层14设置在顶部26的内直径表面上，以提供或增强均热器36与导热层14之间的热耦合。
参照图7，阐述一种合适的制造方法。在此方法中，首先在操作S1中，通过合适的方法(例如，通过模塑法)形成热沉本体12，模塑法在热沉本体12包括塑料或其他聚合材料的实施方式中，是便于形成热沉本体12的。形成热沉本体12的其他方法包含铸塑、挤压(例如，在制造圆柱形热沉的情形下)等。在可选操作S2中，通过涂敷聚合物层(通常约2微米至10微米)、执行表面粗糙化或通过施加其他表面处理来处理模塑的热沉本体的表面。选择性表面处理操作S2可执行各种功能，例如促成后续电镀铜的粘合、提供压力释放和/或增大用于散热至周围环境的表面积。对于后一点，通过使塑料热沉本体的表面粗糙化或孔蚀化，后续施加的铜涂层将在该粗糙化或孔蚀化之后以提供较大的散热表面。
在操作S3中，通过无电镀来涂敷初始铜层。可有利地在电绝缘(例如，塑料)热沉本体上执行无电镀(化学镀)。然而，无电镀的沉积速率较低。本文所陈述的设计考虑(尤其提供足够低的串联热阻值Rconduction)偏向采用厚度为数百微米级的电镀铜层。因此，该无电镀用于沉积初始铜层(厚度优选不超过10微米，且在一些实施方式中，厚度为约2微米以下)，使得具有该初始铜层的塑料热沉本体导电。初始无电镀S3之后为电镀(electroplating)操作S4，其迅速地沉积剩余的铜层厚度，例如，一般为数百微米。电镀S4的沉积速率远高于无电镀S3的沉积速率。
铜涂层存在的一个问题在于，其可能锈蚀，这会对自表面至环境中的散热热传递施加不利的影响，且不美观。因此，在选择性操作S5中，例如，通过在铜上电镀钝化金属(例如，镍、铬或铂金)而在铜上可选地沉积合适的钝化层。若设置钝化层，则其厚度一般不超过10微米，且在一些实施方式中，厚度为约2微米以下。也可执行选择性操作S6，以提供各种表面增强，例如表面粗糙化或表面保护或提供期望的美的外观，例如涂敷薄的漆涂层、涂漆或聚合物或粉末涂层(例如金属氧化物粉末(例如二氧化钛粉末、氧化铝粉末或其混合物等))等。这种表面处理意在使经由增强的对流和/或辐射的自该散热表面至环境的热传递增强。
参照图8，示出了用于使导热率在200W/mK至500W/mK(各种类型铜材料的典型材料导热率)的范围内的导热层的厚度优化的模拟数据。(应理解，本文所使用的术语“铜”意在涵盖各种铜合金或铜的其他变体)。在该模拟中，热沉本体的材料导热系数为2W/mK，但发现，该结果仅在微小程度上取决于此值。图8中的值是针对长度为0.05m、厚度为0.0015m且宽度为0.01米，且导热层材料涂敷在厚片的两侧的简化“厚片”的热沉的。例如，这可对应于由该塑料热沉本体所限定且镀铜的厚度为200W/mK至500W/mK的热沉部分(例如平面鳍片)。在图8中可以看出，对于200W/mK的材料，厚度为约350微米的铜提供100W/mK的等效(体)导热率。相比之下，对于导热率为500W/mK的导热性更强的材料，小于150微米的厚度足以提供100W/mK的等效(体)导热率。因此，厚度为数百微米的镀铜层足以经由辐射及对流提供与导热及后续的热移除至环境相关的稳态性能，并且这与由导热率为100W/mK的金属制成的块金属热沉的性能相媲美。
一般而言，导热层14的片导热率应足够高以确保来自LED器件32的热量均匀地散布在整个热辐射/对流表面区域上。在由发明人执行的模拟中，已发现，性能随着导热层14的厚度(对于给定材料导热系数)增加而得到改善，但一旦厚度超过一定水平就会变平(或更准确地说，性能对厚度曲线大约呈指数形式衰减)。在不受任何特定操作理论限制的情形下，认为这是由于至周围环境的散热在材料具有较大厚度的情形下受限于辐射/对流热阻值Rconvection及RIR，而非受限于经由导热层的热传递的热阻值Rconduction。换句话说，在层厚度较大的情形下，串联热阻值Rconduction相较Rconvection及RIR变得可以忽略。
参照图9及图10，在块金属热沉的热模拟中，可以看到随着材料导热系数增加，出现的是类似的性能趋平。图9示出了通过对于四个不同材料导热系数(20W/m·K；40W/m·K；60W/m·K及80W/m·K)模拟体热沉的热成像而获得的结果。图9中绘制了针对每个模拟的LED板温度(Tboard)。可以看出，Tboard下降在80W/m·K时开始趋平。图10绘制了在导热系数不超出600W/m·K的情形下，Tboard与体热沉材料材料导热系数的关系，其示出在100W/m·K至200W/m·K范围内，基本上性能趋平。在不受任何特定操作理论限制的情形下，认为这是由于在更高(块)材料导热系数的情形下，至周围环境的散热受限于辐射/对流热阻值Rconvection及RIR，而非限于通过导热层的热传递Rconduction的热阻值。换句话说，在高(块)材料导热系数下，串联热阻值Rconduction相比Rconvection及RIR可忽略。
基于上文，在一些设想的实施方式中，导热层14的厚度为500微米以下且导热系数为50W/m·K以上。对于具有更高材料导热系数的铜层而言，可使用厚度相当小的层。例如，通过普通制造工艺所形成的常用铝合金通常具有约100W/m·K的(体)导热率，但纯铝的导热系数可高达240W/m-K。从图8可见，厚度为约150微米以上、导热系数为500W/m·K的铜层可达到的散热性能可超过典型块铝热沉的散热性能。厚度为约180微米以上、导热系数为400W/m·K的铜层可达到的散热性能可超过块铝热沉的散热性能。厚度为约250微米以上、导热系数为300W/m·K的铜层可达到的散热性能可超过块铝热沉的散热性能。厚度为约370微米以上、导热系数为200W/m·K的铜层可达到的散热性能可超过块铝热沉的散热性能。一般而言，材料导热系数及层厚度根据该片导热率Ks＝σ·d而缩放。在一些实施方式中，片导热率Ks为至少0.05W/K。对于产生较少热量的更高效LED灯引擎，也可设想较低的导热率(例如Ks为至少0.0025W/K)。
参照图11及图12，所公开的热沉方面可并入各种类型的基于LED的灯中。
参照图11及图12，所公开的热沉方面可结合在各种类型的基于LED的灯中。
图11示出了适于改造白炽灯A字形灯泡的“A字形灯泡”灯的侧视截面图。热沉本体62形成结构性基础，且可适合地制成为模塑塑料元件，例如，由聚合材料(例如聚丙烯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲脂、尼龙、聚乙烯、环氧树脂、聚异戊二烯、丁苯热塑橡胶、聚双二环戊二烯、聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚苯醚、硅烷树脂、聚酮、热塑性塑料等)制成。例如包括铜层的导热层64设置在热沉本体62上。导热层64可以图3至图5及图7中的MR/PAR灯实施方式的导热层14的相同制造方法而制造，例如，根据图8的操作S2、S3、S4、S5、S6。
灯基座部66与热沉本体62紧固一起以形成灯本体。灯基座部66包含螺旋口爱迪生基座70，其类似于图3至图5及图7的实施方式的MR/PAR灯的实施方式的爱迪生基座40。在一些实施方式中，热沉本体62和/或灯基座部66限定中空区域71，其容纳用于将在该爱迪生基座70接收到的电力转换为适于驱动LED器件72的操作电力的电子器件(图中未示出)，其中LED器件72提供灯光输出。LED器件72安装在金属基印刷电路板(MCPCB)或与导热层64热连通的其他均热支撑件73上。均热器73与导热层64之间的良好热耦合可以可选地通过焊接、导热粘合剂等来增强。
为了在大立体角范围(例如，至少2π球面度)内提供基本上全方向光输出，在LED器件72上设置漫射器74。在一些实施方式中，漫射器74可包含(例如，涂敷有)波长转换荧光体。对于产生基本为朗伯光输出的LED器件72而言，漫射器74为基本上球形且LED器件72位于漫射器74的周边的所示配置可增强输出照明的全方向性。
参照图12，示出了变形“A字形灯泡”灯，其包含具有爱迪生基座70的基座部66以及图11的灯的漫射器74，且还包含LED器件72(在图12的侧视图中不可见)。图12的灯包含热沉80，其类似于图11的灯的热沉62、64，且具有热沉本体(在图12的侧视图中不可见)，热沉本体涂敷有导热层64(在图12的侧视透视图中用交叉影线所指示)。图12灯与图11中的灯的不同之处在于，热沉80的热沉本体的形状被成形为限定在漫射器74的部分之上延伸的鳍片82。替换示意性鳍片82，热沉本体可被模塑成具有其他热辐射/热对流/热表面面积增大的结构。
在图12的实施方式中，可预想到，热沉80的热沉本体及漫射器74包括单个整体性的模塑塑料元件。然而，在此情形下，单个整体的模塑塑料元件应由光学透明或半透明材料(使得该漫射器74可透射光)制成。此外，如果导热层64光学上吸收灯光输出(例如，对于铜的情况)，则如图12所示，导热层64应仅涂敷热沉80，而不涂覆该漫射器74。这可通过例如在无电镀铜操作S3期间对漫射器表面进行合适的掩模来实现(电镀操作S4仅将铜镀到传导表面——相应地，无电镀铜操作S3期间的掩模足以避免电镀到漫射器74上)。
图13及图14示出了与热沉80基本上相同的可替代热沉80'、80"，不同之处在于，鳍片并不延伸远至漫射器74之上。在这些实施方式中，漫射器74及热沉80'、80"的热沉本体可以是分离注塑(或以其他方式分离制造)的元件，可简化将导热层64设置在热沉本体上的处理。
图15示出了对于如本文所公开的使用对塑料热沉本体镀铜而制作的示意性PAR-38热沉的重量及材料成本与相同大小及形状的块铝热沉的重量及材料成本比较的计算。该示例假设聚丙烯热沉本体电镀有300微米的铜。图15中所示的材料成本仅仅为估计值。与等效的块铝热沉相比，其重量及材料成本均减少约一半。预计通过降低制造工艺成本进一步降低成本。
参照图16及图17，在一些实施方式中，热沉包含穿过热沉本体的体积的热分流路径，以进一步增强导热。图16示出了由塑料制成的热沉本体100在涂敷有导热层之前的情形，而图17示出了热沉102包含导热层104(例如，铜层)。尽管图17中未示出，但可设想，完成的热沉还可包含设置在导热层104上的表面增强件，例如表面粗糙化、白色粉末涂层(例如金属氧化物粉末)等，以增强热传递、美观或提供额外/其他益处。
热沉本体100适于为模塑的塑料组件，例如，由聚合物材料(例如聚(甲基丙烯酸甲酯)、尼龙、聚乙烯、环氧树脂、聚异戊二烯、丁苯热塑橡胶、聚双环戊二烯、聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚苯醚、硅氧树脂、聚酮、热塑性塑料等)制成。热沉本体100被模塑为具有鳍片106，且形状类似于图14中所示的热沉80″的形状。然而，热沉本体100还包含穿过热沉本体100的通道110。如在图17中可见，导热层104涂敷用于限定通道110的表面，以形成穿过热沉本体100的热分流路径112。为此，涂敷导热层104的涂敷工艺应为全方位且不应例如显现出真空沉积的情形下的阴影。图7的电镀工艺例如适当地将铜全方位地涂敷至热沉本体100上，以涂敷通道110的内侧，以提供热分流路径112。
参照图17，可如下理解热分流路径112的益处。包含环状电路板的LED灯引擎的外围(未示出)位于热沉102的环状突起(ledge)114上。热量自该突起114上下传导开。在向下方向上远离突起传导的热传导的部分沿热沉102的内表面移动而离开鳍片106(及通常热沉102的“内侧”)。为了到达鳍片106，热量流至热沉102的外表面附近或流经热沉本体100(高度阻热性)。自设置在热沉102内的任何电子器件流动的热量将遇到类似长度和/或热阻性的热流路径。通过提供热连接热沉本体100的内表面与外表面的高度导热路径，热分流路径112绕过这些长的和/或阻热性热流路径。
可基于热源(例如，LED器件、电子器件等)的位置及特性而适当地选择热分流路径112的精确尺寸、形状及配置。在该示意性热沉102中，热分流路径112的最顶部环状列接近围绕该环状突起114，且因此为LED引擎产生的热量提供热分流。热分流路径112的两个下环状列接近围绕设置在热沉102内的任何电子器件，且因此为电子器件所产生的热量提供热分流。此外，虽然示出了适于用在全方位灯中的热沉102(例如，参看图14)的示意性热分流路径112，但热分流路径还可选地包含在其他轻质热沉中，例如，位于中空的且通常圆锥形的热沉10(参看图3至图5)中。对于图2的热模型，热分流路径一般减小LED器件与散热表面之间的导热路径Rconductor的热阻值。然而，热分流路径所提供的增大表面积也可提供增强的对流/辐射热传递至周围环境。
提供热分流路径的另一益处在于，可进一步降低(已为轻质的)热沉的整体重量。然而，此益处取决于被“移除”以限定通道110的热沉本体材料的质量是否大于用于涂敷通道110的内侧以形成热分流路径112的额外导热层的材料。
在图16及图17的实施方式中，通道110足够大，使得导热层104不会完全封闭或密封通道。然而，也可设想，通道足够小以使得后续的电镀或形成导热层104的其他处理将完全地封闭或密封通道。热分流并不受这种封闭的影响，除非导热系数随着导热层的厚度进一步增加而超过足以封闭(通道)的厚度而停止进一步增加。
另一方面，如果通道110足够大而使得导热层104不完全封闭或密封通道(例如，图17中的情形)，则由热分流路径112所提供的流传导路径可可选地具有额外的优点。如上所述，益处之一在于，表面积增大，而这使得可增强至周围环境的热对流/辐射。另一设想的益处在于，热分流路径112的流路径可作为与主动驱动的振动膜、旋转风扇或其他装置(未示出)关联工作的孔，以经由合成射流作用和/或冷却气流模式而提供主动冷却。
以上已经示出并描述了优选实施方式。明显地，一旦阅读和理解之前的详细描述，修改和替换是可行的。目的在于，本发明被构建为包括所有这种修改和替换，只要它们在所附权利要求及其等同物的范围内即可。

Claims (14)

1.一种LED灯，所述LED灯设置有LED器件和热沉，所述热沉包括：
热沉本体和从所述热沉本体上延伸的散热鳍片，所述热沉本体为模塑塑料组件并且具有内表面和外表面；以及
设置在所述散热鳍片和所述热沉本体的所述内表面和所述外表面上的导热层，
其中，所述塑料是绝热的，
其中，所述导热层限定散热表面并且限定从所述LED器件至所述散热表面的热路径，所述热路径包括从所述热沉本体的所述内表面上的导热层至所述热沉本体的所述外表面上的导热层的路径，并且所述热沉本体并非所述热路径的一部分，所述热沉本体和所述散热鳍片保持所述LED器件的p-n半导体结低于200℃。
2.根据权利要求1所述的LED灯，其中，所述导热层的厚度为500微米以下，且导热系数为50W/m·K以上。
3.根据权利要求2所述的LED灯，其中，所述导热层的厚度为至少100微米。
4.根据权利要求1所述的LED灯，其中，所述导热层的片导热率为至少0.025W/K。
5.根据权利要求1所述的LED灯，其中，所述导热层的片导热率为至少0.05W/K。
6.根据权利要求1所述的LED灯，其中，所述导热层的片导热率为至少0.0025W/K。
7.根据权利要求1所述的LED灯，其中，所述热沉本体具有粗糙表面，且设置在所述粗糙表面上的所述导热层与所述粗糙表面共形。
8.根据权利要求1所述的LED灯，其中，所述导热层具有粗糙外表面，所述粗糙外表面的粗糙与所述热沉本体的表面不共形。
9.根据权利要求1所述的LED灯，进一步包括设置在所述热沉本体与所述导热层之间的聚合物层。
10.根据权利要求9所述的LED灯，其中，所述聚合物层的厚度介于2微米至10微米之间，并包括2微米和10微米。
11.根据权利要求1所述的LED灯，其中，所述导热层包括：铜层，邻近所述热沉本体；以及钝化金属层，设置在所述铜层上。
12.根据权利要求1所述的LED灯，其中，所述热沉本体包含由设置在所述热沉本体上的所述导热层涂敷的通道以限定出热分流路径。
13.根据权利要求1所述的LED灯，其中，所述导热层的厚度为500微米以下，且导热系数为50W/m·K以上，并且所述LED器件与所述导热层热连通。
14.根据权利要求1所述的LED灯，其中，所述热路径具有10瓦特以上的散热率。
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