JP2010506410A - 熱分離を有する半導体の強力な発光モジュール - Google Patents

熱分離を有する半導体の強力な発光モジュール Download PDF

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Abstract

本発明は、熱放散部材、熱伝導装置およびダイオード発光素子を含む半導体の強力な発光モジュールを提供する。熱放散部材は、熱放散部材の第一側部に連結される絶縁部材を含む。熱放散部材は、第一側部の反対側に第二側部を有する。絶縁部材は、第一側部の反対側に第三側部を有する。第三側部の環境温度は、第二側部のそれより高い。熱伝導装置は、熱放散部材にしっかりと載置する平面端部および接触部分を有する。ダイオード発光素子は、熱伝導装置の平面端部に配置される。自動車のヘッドライトに適用される本発明の半導体発光モジュールは、電気を節約しかつ長寿命であるという特性を有し、さらに、熱放散部材を自動車のシェルに組み込む機能は、美的であり実用的でもある。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体の発光モジュールに関し、特に熱分離を有する半導体の強力な発光モジュールに関する。
電力削減、抗衝撃性、速い応答時間および大量生産への適応性のような利点のため、発光ダイオードを適用する照明装置は、絶え間なく研究・開発されている。しかしながら、強力な発光ダイオードによって生成される熱はまた多くの熱を生成するので、熱散逸の問題の解決法がこの領域における主題になる。伝統的に熱を放散させる一般的な方法は、低い温度環境で熱を放散させるための(複数のフィン含んでもよい)熱放散部材を配置することである。しかしながら、多くの実用的な用途において、その熱放散部材は高温の環境に配置されている。発光ダイオードの接合温度は高いままであるので、それが発光ダイオードの発光効率および耐用年数に非常に影響を与える。
例えば、ハロゲンランプは伝統的な自動車ヘッドライト市場において主流であるが、そのハロゲンランプは、不十分な照光および耐用年数の短さのような不都合を有する。不都合を改善するため、現在市場に出ている高輝度放電ランプが選ばれる。しかしながら、高輝度放電ランプの照明原理は、光を発するために二つの電極間に電気アークを生成することであるので、安定したかつ連続的高圧電源が必要とされる。安全性に関しては、運転者は高電圧を用いる状況から守られるべきである。ヘッドライトが現在の市場にある強力な発光ダイオードと取り替えられる場合、その熱放散部材の少なくとも一つの部分は車体に配置されるであろう。それにより、発光ダイオードはエンジンのような装置によって生成される熱を持つことになり、したがって、熱を放散させるのが難しくなる。
それゆえに、温度差のある環境において熱を十分に放散させることができる半導体の強力な発光モジュールが、上述の問題を解決するために提供されるべきである。
本発明の範囲は、半導体の発光モジュールを提供することである。
好適な実施態様によれば、本発明の半導体発光モジュールは、熱放散部材、ストリップ型の熱伝導装置、および、ダイオード発光素子を含む。熱放散部材は、熱放散部材の第一側部に連結される絶縁部材を有する。熱放散部材は、第一側部の反対側に第二側部を有する。絶縁部材は、第一側部の反対側に第三側部を有する。第三側部の環境温度は、第二側部のそれより高い。熱伝導装置は、平面端部および接触部分を有する。接触部分は熱放散部材と絶縁部材との間で配置され、しっかりと熱放散部材上に載置される。熱伝導装置の長さと幅の比率は、2より大きい。ダイオード発光素子の下部は、熱伝導装置の平面端部にしっかりと載置される。ダイオード発光素子は、電気エネルギを光に変換することができる。熱伝導装置は、高い熱伝導率効率を有する熱パイプまたは他の装置であってもよい。ダイオード発光素子は、少なくとも一つの発光ダイオード・ダイ、または、少なくとも一つのレーザダイオード・ダイを含む。熱伝導装置の接触部分は、スラブで熱放散部材に取り付けられる。ダイオード発光素子の動作の間、生成された熱は、熱伝導装置経由で熱放散部材に伝導され、外へ放散される。
好ましい実施態様によれば、本発明の半導体発光モジュールは、自動車のヘッドライトに適用することができる。熱放散部材は、自動車の本体(例えばバンパまたはシェルの後ろのフレーム)に係合することができる。さらに、ヘッドライトの位置は高温(例えばエンジン)の装置により近いので、半導体発光モジュールは、熱放散部材の効率を上述の装置により生じる環境温度の影響から防ぐための絶縁部材を含む。さらに、絶縁スリーブは、熱放散部材の環境温度の方へ上述の装置により生じる熱の影響をさらに減少するように、ダイオード発光素子と接触部分との間で熱伝導装置を覆うために使用される。熱散逸効率を高めるため、複数のフィンが熱放散部材の第二側部の上に形成される。また半導体発光モジュールは、ダイオード発光素子が光を発するように制御するため、ダイオード発光素子に電気的に連結される制御回路をさらに含む。
したがって、本発明の半導体発光モジュールは、半導体発光モジュールの熱放散部材の熱散逸効率を高温の環境の影響から防ぐために絶縁部材を利用するので、熱放散部材は、低温の環境において効果的に熱を放散させることができる。自動車のヘッドライトにおいて適用される場合、本発明の半導体発光モジュールの熱放散部材は、美的なだけでなく機能的でもあるシェルと一体的に設計することができる。さらに、自動車の本体からダイオード発光素子の動作の間に生成される熱を熱放散部材によって、低い温度の環境に放散させることによって、強力な半導体発光モジュールを自動車のヘッドライトに配置することが可能である。
本発明の利点および意図は、添付の図面と共に以下の説明によって理解される。
図1Aは、第一の本発明の好ましい実施態様による半導体発光モジュールXを示す概略図である。 図1Bは、本発明の他の実施態様による半導体発光モジュールX´を示す概略図である。 図1Cは、本発明の他の実施態様による半導体発光モジュールX´´を示す概略図である。 図1Dは、本発明の他の実施態様による半導体発光モジュールX´´´を示す概略図である。 図1Eは、本発明の他の実施態様による半導体発光モジュールを示す概略図である。 図2Aは、自動車のヘッドライトに適用される第二の本発明の好ましい実施態様による半導体発光モジュールを示す図である。 図2Bは、ヘッドライトのランプホルダを示す断面図である。 図2Cは、発光ダイオード・パッケージ構造を示す断面図である。 図2Dは、他の発光ダイオード・パッケージ構造を示す断面図である。 図2Eは、第二の本発明の好ましい実施態様による熱伝導装置の他の種類の平面端部を示す概略図である。 図3は、自動車のヘッドライトに適用される第三の本発明の好ましい実施態様による半導体発光モジュールを示す図である。 図4は、自動車のヘッドライトに適用される第四の本発明の好ましい実施態様による半導体発光モジュールを示す図である。 図5は、第四の好ましい実施態様の熱放散部材の他のタイプのフィンを示す概略図である。
図1Aを参照する。図1Aは、第一の本発明の好ましい実施態様による半導体発光モジュール1を示す概略図である。図1Aの下部は、上部図面の線X‐Xに沿った断面図である。半導体発光モジュール1は、熱放散部材11、熱伝導装置12、ダイオード発光素子13、絶縁スリーブ15および担体16を含む。熱放散部材11は、熱放散部材11の第一側部112に連結される絶縁部材14を有する。熱放散部材11は、第一側部112の反対側に第二側部114を有する。絶縁部材14は、第一側部112の反対側に第三側部116を有する。第三側部116の環境温度は、第二側部114のそれより高い。熱伝導装置12は、平面端部122および接触部分124を有する。接触部分124は、熱放散部材11と絶縁部材14との間で配置され、熱放散部材11にしっかりと載置される。熱伝導装置12の長さと幅の比率は、2より大きい。担体16は、熱伝導装置12が通過するための孔を有する。熱伝導装置12は孔を通過し、平面端部122は本質的に担体16の表面と同じ高さにある。ダイオード発光素子13の下部は、熱伝導装置12および担体16の平面端部122にしっかりと載置される。ダイオード発光素子13は、電気エネルギを光に変換することができる。熱伝導装置12は、高い熱伝導率効率を有する熱パイプまたは他の装置であってもよい。ダイオード発光素子13は、少なくとも一つの発光ダイオード・ダイ、または、少なくとも一つのレーザダイオード・ダイを含む。
第一の好ましい実施態様によれば、熱伝導装置12の接触部分124は熱放散部材11の中に全体的に入り込み、熱伝導装置12は、絶縁部材14と共に熱放散部材11上に直接載置される。さらに、絶縁スリーブ15は、ダイオード発光素子13と接触部分124との間で熱伝導装置12を覆う。絶縁部材14は、熱放散部材11を高温の環境の影響から防ぐことができる。図1Aの下部に示すように、その構造によって、半導体発光モジュール1は、絶縁部材14の環境温度TAが熱放散部材11の環境温度TBより高い状況に適用されるようにできる。さらに、第一の好ましい実施態様を図1Bの他の図示された実施態様と比較すると、熱散逸効率を高めるために複数のフィンが半導体発光モジュール1´の熱放散部材11´の第二側部114´上に形成される。
また、図1Cに示された他の実施態様と第一の好ましい実施態様とを比較すると、半導体発光モジュール1´´の接触部分124もまた熱放散部材11´´に部分的に入り込むことができ、熱伝導装置1´´は、絶縁部材14´と共に熱放散部材11´´上に直接載置される。さらに、図1Dに示された他の実施態様と第一の好ましい実施態様とを比較すると、半導体発光モジュール1´´´の絶縁部材14´´と熱放散部材11´´とは、接触部分124を含むための隙間を有する空間を形成する。接触部分124はなお、絶縁部材14´´によって、または、スラブ(図1Dにおいて図示せず)で取り付けることができる。最終的に、図1Eに示された他の実施態様によると、半導体発光モジュールは、絶縁部材14´´´と熱放散部材との間で配置される3つのダイオード発光素子13´を含む。第一の好ましい実施態様と比較すると、ダイオード発光素子13´は、完全にまたは個別に実装することができる。パッケージ構造は、より詳細に以下において説明される。
空間は封止される必要はなく、接触部分124からの熱放散部材11、11´および11´´への熱伝導装置12の熱伝導率効率を高めるのによりよいということは注目すべきである。例えば、熱伝導材料での接触部分124への割り込み、または、接触部分124と熱放散部材11、11´および11´´との間の隙間の充填により、接触領域を増加させる。
図2Aおよび図2Bを参照する。図2Aは、自動車のヘッドライト3に適用される第二の本発明の好ましい実施態様による半導体発光モジュールを示す図である。図2Bは、ヘッドライト3のランプホルダ31を示す断面図である。第二の好ましい実施態様によれば、自動車の右のヘッドライトは、半導体発光モジュールの構造で構成される。本発明が右のヘッドライトに限定されないことは注目すべきである。
本発明の半導体発光モジュールは、熱放散部材21、三つの熱伝導装置22、三つのダイオード発光素子23、絶縁部材24、担体25、および、支持物26を含む。
各々の熱伝導装置22は、平面端部222および接触部分224を有する。接触部分224は、熱放散部材21にしっかりと取り付けられる。担体25は、熱伝導装置22が通過するための孔を有する。熱伝導装置22は孔を通過し、平面端部222は担体25の表面と本質的に同じ高さにある。ダイオード発光素子23は、それぞれ熱伝導装置22の平面端部222に配置されている。各々のダイオード発光素子23は、電気エネルギを光に変換することができる。熱伝導装置22は、高い熱伝導率効率を有する熱パイプ、または、他の装置であってもよい。ダイオード発光素子23は、少なくとも一つの発光ダイオード・ダイ、または、少なくとも一つのレーザダイオード・ダイを含む。
第二の好ましい実施態様によれば、熱伝導装置24の接触部分224は、スラブ27で熱放散部材21に取り付けられる。ダイオード発光素子23の動作の間、生成された熱は、熱伝導装置22経由で熱放散部材21に伝導され、外へ放散される。
さらに、ヘッドライトの位置は高温(例えばエンジン)の装置により近いので、絶縁部材24は、熱放散部材21の効率を上述の装置によって生じる(通常80℃以上の)高温の環境の影響から防ぐため、上述の装置と熱放散部材21との間に配置される。したがって、絶縁部材24は、熱と実装とを分離する機能を有するスラブ27として使われることができる。
また、熱伝導装置24の接触部分224も、ゲルのような材料または溶接での熱放散部材21上への接触部分224の取り付け等の他の方法によって取り付けることができる。そして、接触部分224から熱放散部材21への熱伝導率効率を増加させるため、接触部分124はより大きい接触領域を形成するために割り込まれる、または、接触部分224と熱放散部材21との間の隙間は熱伝導率領域を増加させるために熱伝導材料で満たされる。他の一実施態様において、複数の溝が、それぞれ複数の熱伝導装置を含むように熱放散部材の上に形成される、または、溝が、熱伝導装置を含むように熱放散部材上に形成されることができる。溝の形状は熱伝導装置に従って形成される、または、熱伝導装置の形状は溝に従って形成されることができる。一方で、絶縁部材は、熱と実装とを分離する機能を提供するため、直接溝を覆うことができる。
第二の好ましい実施態様により、熱放散部材21の効率を上述の装置により生じる高温の環境の影響から防ぐ効果はまた、熱放散部材21および熱伝導装置22の接触部分224上の絶縁部材24等を覆う動作と置き換えることができることは注目すべきである。
さらに、絶縁スリーブ(図示せず)は、熱放散部材の効率への上述の装置によって生じる高温の環境の影響をさらに減少するため、絶縁部材24から露出するダイオード発光素子23と接触部分224または熱伝導装置22との間の熱伝導装置22を覆うために使用することができる。絶縁スリーブは複数の熱伝導装置22を覆うことができる、または、複数の絶縁スリーブはそれぞれ熱伝導装置22を覆う。絶縁スリーブは、スリーブの形に限定されない;それは、熱伝導率の熱的な分離/減少の効果を達成するため、粘着テープの形で、または、分離材料層をその上に直接広げることによって機能することができる。また、熱散逸効率を高めるため、複数のフィン212は、放散領域を増加させるように熱放散部材21上に形成されることができる。好ましい実施態様において、絶縁部材が熱放散部材を覆う領域は上述の装置によって生じる高温の環境の影響から効果的に熱放散部材の効率を防ぐためにできる限り拡大されるべきであることは、言及に値する。
第二の好ましい実施態様によれば、担体25は、熱伝導装置22が通過し、かつ、ダイオード発光素子23が熱伝導装置22の平面端部222に配置されるのを可能にする三つの孔を有する。ダイオード発光素子23の基板232は、担体25に配置される。制御回路28の電極は、基板232の表面272に連結するために形成または担持される。電極に連結される電気ワイヤは、支持物26の開口部262を経て制御回路28に電気的に連結される。支持物26は、ランプホルダ31に熱伝導装置22を係合する。支持物26および担体25は、一体となって成形されてもよい。第二の好ましい実施態様によれば、支持物26はネジでランプホルダ31に固定される。しかしながら、支持物26はまた、取り付けるまたは留めることによって、または、代替的にランプホルダ31の他の部分に載置することによって、ランプホルダ31に載置することができる。
また、ダイオード発光素子23は、基板232と共に実装されることができる。図2Cを参照する。図2Cは、発光ダイオード・パッケージ構造4を示す断面図である。パッケージ構造4は、基板41、より下部のサブマウント42、少なくとも一つの半導体発光ダイ43、および、パッケージ材料44を含む。基板41はその上に上面411を定め、複数の外部電極46はその上面411に配置される。下部のサブマウント42はその上に第一表面421を定め、少なくとも一つの半導体発光ダイ43は、下部431の間の電極(すなわち結合パッド)で下部サブマウント42の第一表面421に載置される。第一の凹部分4111は、基板41の上面411上に形成される。その上にある基板41は、底面412を定める。第二の凹部分4121は基板41の底面412上に形成され、第二の凹部分4121および第一の凹部分4111は互いに連結される。下部サブマウント42は、第二の凹部分4121において埋め込まれる。下部サブマウント42は、その上にさらに第二表面422を定め、下部サブマウント42の第一表面421は、第一の凹部分4111の内側に露出する。少なくとも一つの半導体発光ダイ43の下部431は、第一の凹部分4111の内側に露出する下部サブマウント42の第一表面421の部分に取り付けられる。パッケージ材料44は、少なくとも一つの半導体発光ダイ43を覆うために第一の凹部分4111に満たされるように使用される。少なくとも一つの半導体発光ダイ43は、上面411の外部電極46に電気的に連結される間の電極を有する。少なくとも一つの半導体発光ダイ43と外部電極46との間の電極の接続は直列接続であるが、電極間の接続はまた、本発明の同じ目的を達成するため並列接続であってもよい。
さらに、熱伝導ゲル45は、下部サブマウント42の第一表面421と第一の凹部分4111の下部とを組み合わせるように下部サブマウント42の第一表面421と第一の凹部分4111の下部との間に配置されることができる。すなわち、熱伝導ゲル45は、下部サブ-マウント42と基板41とを連結するために使用される。基板41は、金属、セラミック、可撓性プリント回路基板、または、剛性プリント回路基板によって形成されることができる。下部サブマウント42は、半導体で構成されることができる。ダイオード発光素子23のパッケージが上記の説明に限定されないことは、言及に値する。ダイオード発光素子23もまた、図2Dに示すように第一の凹部分4111および第二の凹部分4121のデザインを採用するよりはむしろ、基板41´に配置されることができる。基板41´に露出する二つの電極47は、外側の回路を連結するために使われる。
各々の熱伝導装置22が一つのみのダイオード発光素子23を担持することに限定されないことは、注目すべきである。各々の熱伝導装置22は、複数のダイオード発光素子23を担持することができる。その状況において、熱伝導装置22の平面端部222´は、前述の平面端部222とは異なる。より大きい平面端部222´は、図2Eに示すように熱伝導装置22の端部を押出成形することによって、形成される。二つの種類の平面端部の選択は、製品の実際のデザイン次第である。そして、ダイオード発光素子の数および空間は、決定における重要な因子である。この状況において、担体25および基板232の両方の幾何学的寸法は、したがって変更される必要がある。
図3を参照する。図3は、自動車のヘッドライト6に適用される第三の本発明の好ましい実施態様による半導体発光モジュールを示す図である。第二の好ましい実施態様と比較して、第三の好ましい実施態様の半導体発光モジュールの熱放散部材51は、半導体発光モジュール2の熱放散部材21が自動車の本体(例えばバンパの後ろのフレーム)に係合される点において第二の好ましい実施態様と異なり、自動車のフードの近くのシェルに係合される。図4を参照する。図4は、自動車のヘッドライト8に適用される第四の本発明の好ましい実施態様による半導体発光モジュールを示す図である。第二の好ましい実施態様および第三の好ましい実施態様と比較して、第四の好ましい実施態様の半導体発光モジュールの熱放散部材71は、自動車の前方側面のシェルに係合される。
第四の好ましい実施態様を例にとると、熱放散部材71の熱散逸効率は、熱放散部材71上にフィン712を成形することを除いて、熱放散部材71の外側の構造を変えることによって増加することができる。例えば、熱放散部材71の熱を放散させる領域は、表面粗さを増加させる、または、他のパターンを適用することによって増加することができる。または、熱放散部材71は、熱放散部材71上のフィン712の外側に並列したフィンの層を形成することができる。二つのフィンの層の間の内抱角A(第四の好ましい実施態様を示す上面図である図5において示される)は、熱を放散させる領域を増加させるのみならず、熱散逸効率を増加させるためにフィンの層の間で流れる流体Fの速度および密度を増加させるために設計されることができる。さらに、第三の好ましい実施態様によれば、この場合では記載されていないが、熱放散部材51の外部でフィンが形成されることが可能である。そして、熱放散部材51上に形成される熱の放散を援助するあらゆるフィンまたはあらゆる構造、または、熱放散部材51に適用されるあらゆる表面処理は、自動車のデザインに対応する。
したがって、好ましい実施態様によれば、本発明の半導体発光モジュールは、熱放散部材が低温の環境に効果的に熱を放散させることができるように半導体発光モジュールの熱放散部材の熱散逸効率を高温の環境の影響から防ぐために絶縁部材を利用する。換言すれば、半導体発光モジュールの熱放散部材は、温度差のある環境で正常に作動することができる。本発明の半導体発光モジュールの用途領域は、好ましい実施態様において言及される自動車のヘッドライトに限定されない。動作環境で温度差が存在し、熱を放散させる必要がある場合、本発明の半導体発光モジュールが適用されることができる。しかしながら、熱放散部材の幾何学的寸法は動作環境に対応する必要がある。
自動車のヘッドライトに適用される場合、本発明の半導体発光モジュールの熱放散部材は、美的だけでなくまた機能的でもあるシェルと一体的に設計されることができる。さらに、ダイオード発光素子の動作の間、自動車の本体から生成される熱を熱放散部材により低温の環境に放散させることによって、強力な半導体発光モジュールの自動車のヘッドライトへの配置を実現させることが可能である。同時に、熱放散部材の一部が高温の環境で配置されているけれども、熱放散部材はなお、半導体発光モジュールの熱放散部材の熱散逸効率を高温の環境の影響から防ぐために絶縁装置を用いて良好な熱散逸効率を有する。また、発光ダイオードが様々な種類の色を有するので、半導体発光モジュールは、例えばフォグランプおよび一般の照明機能を半導体発光モジュールに組み込むことにより、表示/照明の機能を有することができる。
上記の例および説明により、本発明の特徴および意図は十分に記載される。本発明の教示を保持する一方で装置の多数の修正および変更が作成される可能性があることは当業者により容易に認められる。したがって、上記の開示は、添付の請求の範囲の境界および範囲によって限定されると解釈されるべきである。

Claims (10)

  1. 熱放散部材であって、該熱放散部材の第一側部に連結される絶縁部材を有し、該熱放散部材は該第一側部の反対側に第二側部を有し、該絶縁部材は該第一側部の反対側に第三の側面を有する熱放散部材と;
    平面端部と接触部分とを有する熱伝導装置であって、該接触部分は、該熱放散部材と該絶縁部材との間で配置され、該熱放散部材に載置される熱伝導装置と;および、
    ダイオード発光素子であって、該ダイオード発光素子の下部が該熱伝導装置の該平面端部に載置されるダイオード発光素子と;を含む、半導体発光モジュール。
  2. 前記熱伝導装置の長さと幅の比率が2より大きい、請求項1の半導体発光モジュール。
  3. 前記熱伝導装置が熱パイプである、請求項1の半導体発光モジュール。
  4. 前記ダイオード発光素子と前記接触部分との間で前記熱伝導装置を覆う絶縁スリーブをさらに含む、請求項1の半導体発光モジュール。
  5. 複数のフィンが前記熱放散部材の前記第二側部の上に形成される、請求項1の半導体発光モジュール。
  6. 前記ダイオード発光素子を発光するように制御するため、前記ダイオード発光素子に電気的に連結される制御回路をさらに含む、請求項1の半導体発光モジュール。
  7. 前記ダイオード発光素子が少なくとも一つの発光ダイオード・ダイ、または、少なくとも一つのレーザダイオード・ダイを含む、請求項1の半導体発光モジュール。
  8. 前記ダイオード発光素子が、
    上面および底面をその上に定める基板であって、第一の凹部分が該基板の該上面の上に形成され、第二の凹部分が該基板の該底面の上に形成され、該第二の凹部分と該第一の凹部分とが互いに連結され、複数の外部電極が該上面に配置される基板と;
    その上に第一の表面および第二の表面を定める該第二の凹部部分に連結される下部サブマウントであって、該下部サブマウントの該第一表面の部分が該第一の凹部分の該内側に露出するように該第二の凹部分に埋め込まれる下部サブマウントと;
    少なくとも一つの半導体発光ダイであって、各々の半導体発光ダイは下部と中間の電極とを備え、該少なくとも一つの半導体発光ダイは、該下部を有する該第一の凹部分の内側に露出する該下部サブマウントの該第一表面の部分に載置される少なくとも一つの半導体発光ダイと;
    および、該少なくとも一つの半導体発光ダイを覆うために該第一の凹部分に満たされるパッケージ材料と、を含む、請求項1の半導体発光モジュール。
  9. 前記基板が、金属、セラミック、可撓性プリント回路基板および剛性プリント回路基板から構成される群から選択されるもので形成される、請求項8の半導体発光モジュール。
  10. 前記下部サブマウントが半導体で構成される、請求項8の半導体発光モジュール。
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