JP2010531539A

JP2010531539A - 発光ダイオード照明設備

Info

Publication number: JP2010531539A
Application number: JP2010512487A
Authority: JP
Inventors: チェン，ジェンシャン
Original assignee: ネオバルブテクノロジーズ，インコーポレイテッド
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2010-09-24
Also published as: EP2172702A1; US20100148194A1; WO2009000105A1; EP2172702A4; CN101720407A

Abstract

本発明は、発光ダイオード照明設備を提供することである。
本発明の発光ダイオード照明設備は、担体、基板、発光ダイオードチップ、熱伝導装置および熱相変化材料を含む。担体は、上部表面および底部表面を含む。上部表面に第一の凹部が形成される。担体の底部表面に第二の凹部が形成される。第一の凹部が第二の凹部に連通する。基板は第二の凹部に埋め込まれる。発光ダイオードチップは基板上に配置される。熱伝導装置は、平坦部を含む。基板は平坦部上に配置される。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）照明設備、具体的には，熱相変化材料によって接着された基板を含む発光ダイオード照明設備に関する。

半導体発光装置の発展に伴って、発光ダイオードが低電力消費、耐衝撃性、速応答性および大量生産性を含む複数の利点を有する新しく開発された光源になった。その結果、ＬＥＤは、通常標識として用いられ、照明製品の光源の役割をする。しかし、十分な照明を供給するために、殆どの照明製品は高電力ＬＥＤを利用し、高い熱消散効率の必要性が求められる。

通常、ＬＥＤは基板の上に配置され、ついで該基板は熱消散装置上に配置される。該熱消散装置は、金属板、高い熱伝導効率を有する熱パイプまたは、その上に熱消散効率を上げるための複数の羽根が配置されている高い熱伝導効率を提供する他の材料であり得る。作動中のＬＥＤから発生する熱は、基板を介して熱消散装置に伝導される必要があるため、ＬＥＤと基板の間または基板と熱消散装置の間の界面の熱抵抗は、重要な問題であった。先行技術では、ＬＥＤの容量は基板よりもはるかに小さく、殆どのＬＥＤは、基板の上に直接形成されるか、貼り付けられているので、ＬＥＤと基板の間の界面の熱抵抗の減少は限られている。従って、全体のシステムの改善の主要な焦点は、基板と熱消散装置の間の界面の熱抵抗の減少に置かれる。

基板と熱消散装置は、しっかりと貼り付けられ得ないので、基板と熱消散装置の間に多数の気泡が発生する。加えて気泡の容量が小さいので、熱伝達の効率は非常に低くなり、従って、熱伝導が熱移動の主な役割を担う。更に、空気の熱伝導効率は非常に低いので、基板と熱消散装置の間の界面の熱抵抗は過度に高くなる。先行技術において、基板と熱消散装置の間の隙間は、熱消散クリームなどの熱伝導材料で殆ど埋められている。従って、気泡は形成されず、界面の熱抵抗は、低下する。しかし、長期間に亘って、高温が続くと、該熱消散クリームは硬化し、熱消散クリームの流動性もまた非常に低下する。代わりに、気泡の充填効果が低下し、気泡が形成されて界面の熱抵抗が増加する。悪い状況において、該熱消散装置は、熱を効率的に伝導または消散せず、ＬＥＤは加熱のために損傷する。

従って、基板と熱消散装置の間の隙間を埋める材料が、硬化作用に抵抗でき、該充填材料が、先述の問題を解決するために低い界面熱抵抗を連続的に供給できるＬＥＤ照明設備を提供することが必要である。

本発明の範囲は、ＬＥＤ照明設備を提供することである。

本発明の他の範囲は、熱相変化材料によって接着された基板を含む発光ダイオード照明設備を提供することである。

本発明のＬＥＤ照明設備は、担体、基板、第一のＬＥＤチップ、熱伝導装置および熱相変化材料を含む。担体は、分離部分、上部表面、底部表面を含む、更に、上部表面に第一の凹部が形成され、底部表面に第二の凹部が形成され、第一の凹部が第二の凹部に連通する。基板は第二の凹部に埋め込まれる。第一のＬＥＤチップは基板上に配置される。熱伝導装置は、平坦部を含み、基板は平坦部上に配置される。熱相変化材料は平坦部と基板の間に配置される。

ＬＥＤ照明設備は、更に、支持体を含み、担体は支持体によって熱伝導装置に固定される。更に、基板は底部表面を含み、基板の底部表面および担体の底部表面は実質的に平行している。従って、基板と平坦部の間の隙間は、熱相変化材料で容易に、且十分に充填され得、基板と熱伝導材料の間の熱伝導効率は上昇され得る。

更に、基板と第二の凹部の間の隙間は、基板と第二の凹部の間の接着性を上げるために糊で充填され得る。第一の凹部の直径は第二の凹部の直径より小さく、第二の凹部は上部を含み、基板は上部に接続されまたは電気的に接続される。１つの実施形態において、回路接点が基板上に構成され、対応して回路接点が上部に構成される。基板が上部に接続される時、基板の回路接点は上部の回路接点に電気的に接続される。

その時に、担体は、低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）プレート、プリント回路基板または金属コア回路基板であり得る。基板はシリコン材料、金属材料またはＬＴＣＣ材料であり得る。第一のＬＥＤチップは、半導体ＬＥＤまたは半導体レーザーである。熱伝導装置は熱パイプまたは熱カラムである。熱相変化材料は粘着性を有し、従って基板は平板に効果的に貼り付けられ得る。更に、熱相変化材料は、相変化温度を有する。熱相変化材料の相変化が引き起こされると、流動性が増加する。ついで、基板と平板の間の隙間は熱相変化材料で効果的に充填され、気泡の形成が避けられる。更に、作動中の第一のＬＥＤチップによって発生した熱は、効果的に熱伝導装置へ伝導され得、熱伝導装置により消散され得る。１つの実施形態において、熱相変化材料は、４０℃から６０℃までの相変化温度を有し、３．６Ｗ／ｍＫから４．０Ｗ／ｍＫの熱伝導係数を有する。

加えて、本発明のＬＥＤ照明設備は、更に基板上に配置された第二のＬＥＤチップを含み得る。担体は、分離部分を含み、第一のＬＥＤチップおよび第二のＬＥＤチップは、分離部分によって分離されている。第一のＬＥＤチップは、第一の波長の光を放出し得、第二のＬＥＤチップは、第二の波長の光を放出し得、第一の波長は第二の波長と異なる。第一のＬＥＤチップおよび第二のＬＥＤチップを分離している分離部分によって、ＬＥＤ照明設備は、同時に異なった波長の光を放出し得る。更に、ＬＥＤ照明設備は、包装材料を含み得る。包装材料は、第一のＬＥＤチップ、第二のＬＥＤチップおよび分離部分を同時に覆い得る。１つの実施形態において、包装材料は蛍光粉末を含む。

１つの実施形態において、本発明のＬＥＤ照明設備は、更に、第一の蛍光粉末領域および第二の蛍光粉末領域を含む。第一の蛍光粉末領域は、第一のＬＥＤチップの上方にあり、第一のＬＥＤチップから放出される第三の波長を有する光を第四の波長を有する光に変換するために用いられる。第二の蛍光粉末領域は、第二のＬＥＤチップの上方にあり、第二のＬＥＤチップから放出される第五の波長を有する光を第六の波長を有する光に変換するために用いられる。加えて、包装材料は、第一の蛍光粉末領域および第二の蛍光粉末領域を同時に覆い、第一の蛍光粉末領域の粉末は第二の蛍光粉末領域の粉末と異なる。従って、ＬＥＤ照明設備は、異なった波長の明るい光を同時に放出し得る。

更に、集光の効率を上げるために、包装材料の上方にレンズを置き得、本発明のＬＥＤ照明設備の第一の凹部上に反射層が配置され得る。

従って、本発明のＬＥＤ照明設備は、基板が平坦部に貼り付くのを助けるために熱相変化材料を利用する。熱相変化材料の相変化後、流動性は上昇し、基板と平坦部の間の隙間は熱相変化材料で効果的に充填され得る。熱相変化材料は、長時間に亘って、流動性と熱伝導性を維持し得る。更に、本発明のＬＥＤ照明設備によると、第一のＬＥＤチップと第二のＬＥＤチップの間に分離部分が配置され、複数のＬＥＤチップを１つの単一の包装領域に統合する。更に、包装領域が収縮するので、本発明のＬＥＤ照明設備は異なった波長の光を同時に放出することができる。

本発明の利点および精神は、添付の図面を参照して以下の引例により理解されよう。

本発明の第一の好適な実施形態によるＬＥＤ照明設備の断面図である。図１Ａの部分拡大図である。本発明のＬＥＤ照明設備の支持を説明する他の模式図である。複数の基板および複数のＬＥＤチップを含む本発明のＬＥＤ照明設備を説明する模式図である。本発明のＬＥＤ照明設備の熱伝導装置およびその上の羽根を説明する他の模式構造図である。第二の実施形態によるＬＥＤ照明設備の部分断面図である。第三の実施形態によるＬＥＤ照明設備の部分断面図である。複数の基板および複数のＬＥＤチップを含む本発明のＬＥＤ照明設備を説明する模式図である。レンズおよび反射層を含む本発明のＬＥＤ照明設備を説明する模式図である。

図１Ａおよび図１Ｂを参照されたい。図１Ａは本発明のＬＥＤ照明設備の第一の好適な実施形態の断面図である。図１Ｂは、図１Ａの部分拡大図である。本発明のＬＥＤ照明設備は、担体１２、基板１４、第一のＬＥＤチップ１６、支持１８、熱伝導装置２０および熱相変化材料２２を含む。

担体１２は、上部表面１２２および底部表面１２４を含む。第一の凹部１２６は、担体１２の上部表面１２２上に形成され、第二の凹部１２８は、担体１２の底部表面１２４上に形成される。第一の凹部１２６は、第二の凹部１２８と連通する。基板１４は、第二の凹部１２８に埋め込まれる。第一のＬＥＤチップ１６は、表面１４上に配置される。更に、第一の凹部１２６の直径は、第二の凹部１２８の直径より小さく、従って、第二の凹部１２８は上部部分１３０を有する。基板１４は、上部部分１３０に接続される。上部部分１３０は、基板を遮断でき、基板１４と第二の凹部１２８の間の接触面積を増やすことができる。替わりに、上部部分１３０は、基板１４と第二の凹部１２８の間の接着を増強する。更に、１つの実施形態において、回路接点（図示せず）が基板１４上に構成され得、他の回路接点（図示せず）が対応して上部部分１３０上に構成され得る。基板１４が上部部分１３０に接続される時、基板１４の回路接点は、上部部分１３０の回路接点に電気的に接続される。この状況において、第一のＬＥＤチップ１６は、担体１２に配線される必要はない。

加えて、支持１８は、孔（標示せず）を有し、従って支持１８は、熱伝導装置２０上に固定され得る。熱伝導装置２０は、平坦部２０２を含む。熱相変化材料２２は、平坦部２０２上に配置され、次いで基板１４が熱相変化材料２２上に配置される。基板１４と平坦部２０２の間の隙間は、熱相変化材料２２で充填され得、基板１４と平坦部２０２の間の界面熱抵抗は減少され得る。第二の凹部が、基板１４に埋め込まれているため、基板１４の固定化の目標は担体１２の固定によって達成される。図１Ｂに示すように、支持１８が、担体１２を熱伝導装置２０に複数のスクリュー１８２を介して固定し、従って基板１４は、平坦部２０２上に熱相変化材料２２を圧縮することによって固定され得る。基板１４の底部表面１４２および担体１２４の底部表面１４２は共平面であるため、基板１４と平坦部２０２の間の隙間は、熱相変化材料２２で十分に充填され得る。

第一の実施形態によると、熱相変化材料２２は４０℃から６０℃の相変化温度を有するが、本発明はこれに限定されない。熱相変化材料２２の相変化が引き起こされた後、流動性は増加する。従って基板１４と平坦部２０２の間の隙間は、熱相変化材料２２で効果的に充填され得、気泡の形成が避けられる。作動中の第一のＬＥＤチップ１６によって発生した熱は熱伝導装置２０へ伝導され、熱伝導装置２０によって消散される。熱相変化材料２２は、３．６Ｗ／ｍｋから４．０Ｗ／ｍｋまでの熱伝導効率を有する。更に、熱伝導装置２０は、平坦部２０２から伝導された熱を消散するために複数の羽根２０４（図１Ａに図示）を含む。羽根２０４の形状は、製品のデザインによるので、本明細書に再度記載されないであろう。

図１Ｂに示すように、担体１２全体は熱相変化材料２２上に配置されるが、本発明はこれに限定されない。更に、支持１８による担体１２の固定方法は図１Ｂに示したものに限定されない。例えば、支持１８’は図１Ｃに示すように構造の担体１２に貼り付けられ得る。図１Ｂと図１Ｃに示した先述の２つの固定方法が組み合わせられ得ることは確かである。更に、第一の実施形態によれば、ＬＥＤ照明設備１は、単に１つの基板１４と１つのＬＥＤチップ１６を含むが、本発明はこれに限定されない。替わりに、本発明のＬＥＤ照明設備はまた、複数の基板１４を含み得、図１Ｄに示すように、基板１４のそれぞれの上に複数のＬＥＤチップ１６が配置される。更に、平坦部２０２は、必ずしも熱伝導装置２０の末端表面に位置する必要はない。平坦部２０２’はまた、熱伝導装置２０’のパイプの中間部に形成され得る。図１Ｅ（図１Ｅは、熱伝導装置２０’および羽根２０４’のみを示す）に示すように、熱伝導装置２０’は、Ｕ形パイプであり得、中間部は平坦部２０２を形成するために押しつぶされる。羽根２０４’は、熱伝導装置２０’の２つの端末上に構成され得る。この状況において、支持１８は対応して構造における修正を要する。従って、支持１８は、担体１２を熱伝導装置２０’上に固定でき、基板１４は、平坦部２０２’上に配置され得る。

本発明によれば、担体１２は、低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）プレート、プリント回路基板，金属コア回路基板または基板１４に係合できる他の材料であり得る。基板１４は、シリコン材料、金属材料、ＬＴＣＣ材料またはＬＥＤチップを搭載できる他の材料であり得る。基板１４と第二の凹部１３０の間の隙間は、接着を増加するために糊で充填され得る。第一のＬＥＤチップ１６は、半導体ＬＥＤまたは半導体レーザーである。

図２Ａを参照されたい。図２Ａは、本発明の第二の好適な実施形態によるＬＥＤ照明設備３の部分断面図である。第一の実施形態のＬＥＤ照明設備１と比べて、ＬＥＤ照明設備３は更に第二のＬＥＤチップ１７を含み、担体１２は、分離部１３２を含む。第二のＬＥＤチップ１７は基板１４上に配置される。第一のＬＥＤチップ１６および第二のＬＥＤチップ１７は、分離部１３２によって隔てられている。

第一のＬＥＤチップ１６は第一の波長の光を放出でき、第二のＬＥＤチップ１７は、第二の波長の光を放出でき、第一の波長は、第二の波長と異なる。第一のＬＥＤチップ１６および第二のＬＥＤチップ１７を隔てる分離部１３２によって、ＬＥＤ照明設備３は同時に異なった波長の光を放出できる。更に、ＬＥＤ照明設備３は包装材料２４も含み得る。包装材料２４は、第一のＬＥＤチップ１６、第二のＬＥＤチップ１７および分離部１３２を同時に覆い得る。１つの実施形態において、包装材料２４は、蛍光粉末を含む。包装材料２４の記載は第一の実施形態に適していることに留意されたい。

図２Ｂを参照すると、図２Ｂは、本発明の第三の実施形態によるＬＥＤ照明設備５の部分断面図である。第二の実施形態と比べて、ＬＥＤ照明設備５は、第一の蛍光粉末領域と第二の蛍光粉末領域とを含む（どちらも図示せず）。第一の蛍光粉末領域は、第一のＬＥＤチップ１６の上方にあり、第一のＬＥＤチップ１６から放出される第三の波長を有する光を第四の波長を有する光に変換するために用いられる。第二の蛍光粉末領域は、第二のＬＥＤチップ１６の上方にあり、第二のＬＥＤチップ１６から放出される第五の波長を有する光を第六の波長を有する光に変換するために用いられる。加えて、包装材料２４’は、第一の蛍光粉末領域および第二の蛍光粉末領域を同時に覆い、第一の蛍光粉末領域の粉末は第二の蛍光粉末領域の粉末と異なる。従って、第三の波長が第五の波長と同じであったとしても、異なった蛍光粉末のために、第四の波長は第六の波長と異なり得る。従って、ＬＥＤ照明設備５は、異なる波長を有する明るい光を同時に放出できる。

ＬＥＤ照明設備５によれば、包装材料２４’は、第一のＬＥＤチップ１６および第二のＬＥＤチップ１７を独立して覆う。従って、１つの実施形態において、第一の蛍光粉末領域の包装材料２４’は、第四の波長を有する光を第七の波長を有する光に変換する蛍光粉末を含み得る。同様に、第二の蛍光粉末領域の包装材料２４’は、第六の波長を有する光を第八の波長を有する光に変換する他の蛍光粉末を含み得る。従って、第四の波長が第六の波長と同じであったとしても、ＬＥＤ照明設備５は、包装材料２４’の蛍光粉末を調整することによって、異なった波長の光を放出できる。

ＬＥＤ照明設備５の包装材料２４は、分離部１３２を覆わず、従って第一のＬＥＤチップ１６から放出された光は、第二のＬＥＤチップ１７から放出された光と干渉しないことに留意されるべきである。従って、ＬＥＤ照明設備５は、同時に異なった波長の明るい光を放出できる。反対に、ＬＥＤ照明設備３の包装材料２４は、分離部１３２を覆い、従って第一のＬＥＤチップ１６から放出される光は部分的に第二のＬＥＤチップ１７から放出される光と混合され。更に、柔軟効果が形成される。従ってＬＥＤ照明設備３は、異なる波長のより柔らかい光を放出できる。更に、本発明のＬＥＤ照明設備は、単一波長の光を確実に放出し、それは本明細書に再度記載されないものとする。

第一の実施形態に記載したように、第二または第三の実施形態によると、ＬＥＤ照明設備３または５は、単に１つの基板と２つのＬＥＤチップ１６および１７を含むが、本発明はこれに限定されない。替わりに、本発明のＬＥＤ照明設備は複数の基板１４を含み得、図２Ｃに示すように、複数のＬＥＤチップ１６および１７が基板１４のそれぞれの上に配置され得る。更に、集光の効率を上げるために、図２Ｄに示すように、レンズ２６が包装材料の上方に配置され得、反射層２８が第一の凹部１２６上に配置され得る。レンズ２６は、包装材料２４および２４’にしっかりと貼り合わせられる必要はない。

要約すると、本発明のＬＥＤ照明設備は、平坦部への基板の貼り合わせを助けるために熱相変化材料を利用する。熱相変化材料の相変化後、流動性が上昇し、基板と平坦部の間の隙間は熱相変化材料によって、効果的に充填され得る。熱相変化材料は、長時間にわたり流動性および熱伝導性を維持し得る。更に、本発明のＬＥＤ照明設備において、分離部分が第一のＬＥＤチップと第二のＬＥＤチップの間に配置され１つの単一の包装領域に複数のＬＥＤチップを一体化する。更に、包装領域は収縮し、本発明のＬＥＤ照明設備は同時に異なる波長の光を放出できる。

上記の実施例および説明によって、本発明の特徴と精神が十分説明されたものと考える。当業者は、本発明の教示を維持しながら、本装置の多数の修正および変更がなされ得ることを容易に見出すであろう。従って、上記の開示は、添付した請求の範囲の境界と限界によってのみ制限されると解釈されるべきである。

Claims

担体の上部表面上に第一の凹部が形成されており、担体の底部表面上に第二の凹部が形成されており、第一の凹部が第二の凹部に連通している、上部表面および底部表面を含む担体、
第二の凹部に埋め込まれている基板、
基板上に配置される、発光ダイオードチップ、
平坦部を含み、基板が平坦部上に配置される、熱伝導装置、
平坦部と基板の間に配置される、熱相変化材料
を含む、発光照明設備。
基板上に配置された第二の発光ダイオードチップを更に含み、担体が分離部分を含み、第一の発光ダイオードチップおよび第二の発光ダイオードチップが分離部分によって分離されている、請求項１の発光照明設備。
第一の発光ダイオードチップは、第一の波長の光を放出し得、第二の発光ダイオードチップは、第二の波長の光を放出し得、第一の波長が第二の波長と異なる、請求項２の発光照明設備。
第一の発光ダイオードチップ上に第一の蛍光粉末領域を更に含み、該第一の蛍光粉末領域が、第一の発光ダイオードチップから放出される第三の波長を有する光を第四の波長を有する光に変換するために用いられる、請求項２の発光照明設備。
第二の発光ダイオードチップ上に第二の蛍光粉末領域を更に含み、該第二の蛍光粉末領域が、第二の発光ダイオードチップから放出される第四の波長を有する光を第六の波長を有する光に変換するために用いられる、請求項４の発光照明設備。
第一の蛍光粉末領域および第二の蛍光粉末領域を同時に覆う包装材料を更に含み、第一の蛍光粉末領域の蛍光粉末が第二の蛍光粉末領域の蛍光粉末と異なる、
請求項５の発光照明設備。
第一の発光ダイオードチップ、第二の発光ダイオードチップおよび分離部分を同時に覆う包装材料を更に含む、請求項２の発光照明設備。
包装材料が蛍光粉末を含む、請求項７の発光照明設備。
包装材料の上方に配置されたレンズを更に含む、請求項７の発光照明設備。
担体が、低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）プレート、プリント回路基板または金属コア回路基板である、請求項１の発光照明設備。
第一の凹部の直径が、第二の凹部の直径より小さく、第二の凹部は上部を含み、基板が上部に接続されている、請求項１の発光照明設備。
基板が電気的に上部に接続されている、請求項１１の発光照明設備。
基板と第二の凹部の間の隙間が糊で充填されている、請求項１の発光照明設備。
第一の凹部上に反射層を更に含む、請求項１の発光照明設備。
基板が、シリコン材料、金属材料またはＬＴＣＣ材料である、請求項１の発光照明設備。
第一の発光ダイオードチップが、半導体発光ダイオードまたは半導体レーザーである、請求項１の発光照明設備。
基板が、底部表面を含み、基板の底部表面と担体の底部表面が実質的に共平面である、請求項１の発光照明設備。
担体を熱伝導装置上に固定する支持を更に含む、請求項１の発光照明設備。
熱伝導装置が、熱パイプまたは熱カラムである、請求項１の発光照明設備。
熱相変化材料が粘着性を有する、請求項１の発光照明設備。
熱相変化材料が、４０℃から６０℃の相変化温度を有する、請求項１の発光照明設備。
熱相変化材料が、３．６Ｗ／ｍＫから４．０Ｗ／ｍＫの熱伝導係数を有する、請求項１の発光照明設備。