JP2015515101A - Ｌｅｄ照明構造 - Google Patents

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Abstract

開示されている実施例は、ヒートシンク１１０、２１０、３１０、４１０と、複数のセラミックタイル１２０、２２０、３２０、４２０と、各セラミックタイル１２０、２２０、３２０、４２０に配設される少なくとも１つのＬＥＤ１３０、２３０、３３０，４３０と、前記ＬＥＤ１３０、２３０、３３０，４３０を接続する複数のワイヤとを有し、前記複数のセラミックタイル１２０、２２０、３２０、４２０が、前記ヒートシンク１１０、２１０、３１０、４１０と直接接触している照明構造１００、２００、３００、４００に関する。

Description

本発明は、ＬＥＤ照明構造に関する。
マルチカラーＬＥＤスポットモジュールの最も重要な価値要因(value driver)は、1mm2当たりの出力であり、これは、かなり、熱管理によって決定される。1mm2当たりの高い光出力を達成するためには、ＬＥＤから環境への伝熱が優れていなければならない。更に、活性ＬＥＤ領域の割合は、可能な限り大きくなければならないＬＥＤが、密に実装されなければならない）。従って、優れた伝熱及び高いＬＥＤ密度は、ＬＥＤスポットの需要な価値要因である。
ＬＥＤチップが、基板（一般に、セラミック基板）に取り付けられ、この基板が、ＰＣＢ（ほとんどの場合には、メタルコアＰＣＢ）に取り付けられ、このＰＣＢが、ヒートシンクに取り付けられるシステムが、存在する。ＬＥＤチップをＰＣＢに直接取り付けることは、銅の熱膨張係数とＬＥＤチップの熱膨張係数とのずれが大きいため、好ましくない。
ヒートシンクに１つ以上のＰＣＢを取り付けることによる不利な点は、ＰＣＢとヒートシンクとの間の界面が、ＬＥＤの〜１０℃の温度上昇をもたらし得る熱障壁となることである。前記温度上昇は、かなりの上昇である。
全てのＬＥＤを備えるＰＣＢをヒートシンクにはんだ付けすることは、温度ギャップをかなり減らすが、完全なＰＣＢをヒートシンクにはんだ付けすることは、（完全なヒートシンクを加熱しなければならず、これは、長い時間がかかり、従って、長い製造時間（高いコスト）がかかる）困難で、コストが高いプロセスであるという別の不利な点を持つ。更に、はんだ付けの間、ＬＥＤは、高い温度にさらされ、これは、ＬＥＤの劣化をもたらし得る。更に、はんだ接合における品質問題が、例えば、高い熱抵抗を招く空隙、又は熱膨張のずれによる早期の故障などのようなものをもたらし得る。
多くのＬＥＤを、ヒートシンクに、直接、高い実装密度ではんだ付けすることによる不利な点は、１つのＬＥＤが損傷している場合、又ははんだ付けが失敗した場合には、全ＬＥＤアレイが無駄になることであり、これは高くつく。
ＬＥＤを銅に直接はんだ付けすることは、銅とＬＥＤとの熱膨張のずれのために、はんだ接合部の乏しい信頼性及び寿命をもたらす。
銅に直接接着されるＬＥＤチップは、接着剤による低い熱伝導率を持つ。
本発明の目的は、従来技術の問題を解決する又は軽減することである。
本発明の或る態様によれば、ヒートシンクと、複数のセラミックタイルと、各セラミックタイルに配設される少なくとも１つのＬＥＤとを有する照明構造であって、前記セラミックタイルが、全く中間熱障壁なしに前記ヒートシンクと直接接触して取り付けられる照明構造が提供される。
本発明によれば、前記ＬＥＤチップと、前記ヒートシンクとの間には、セラミックタイルしかない。詳細には、高い熱抵抗を持つＰＣＢ又は同様の層がない。それにより、前記ＬＥＤから前記ヒートシンクまでの（又は、より正確には、前記ＬＥＤから周囲空気までの）熱抵抗は、極めて低い。同時に、各セラミックタイルに幾つかのＬＥＤが取り付けられることができ、これは、取り付ける前に検査されることができる。ＬＥＤ又はボンドワイヤが損傷している場合には、そのタイルしか無駄にならない。
好ましい実施例によれば、前記セラミックタイルは、前記ヒートシンクにはんだ付けされる。これは、例えば、前記ヒートシンクが、金属（例えば銅）製であり、前記セラミックタイルが、AlN（窒化アルミニウム）で作成される場合に、可能である。ＰＣＢは、前記複数のセラミックタイルの隣で前記ヒートシンクに取り付けられ、例えばボンドワイヤを介して、前記ＬＥＤに電気的に接続され得る。このようなＰＣＢは、ドライバ回路及び制御回路などの様々な回路を担持し得る。前記ＰＣＢは、如何なるＬＥＤも担持するよう意図されておらず、それ故、前記ヒートシンクとの熱接続は、問題にならない。
前記セラミックタイルは、好ましくは、熱膨張による問題が回避されるような十分に小さなサイズのものである。例として、前記複数のタイルの長さは、4乃至6mmの範囲内であり得る。
前記照明構造は、前記ヒートシンクに取り付けられる少なくとも１つのＰＣＢ実装ＬＥＤを更に有し得る。この構成は、同じアレイに、底部接点を持つＬＥＤと、１つの底部接点及び１つの頂部接点を持つＬＥＤとの組み合わせを持つ場合に、有利である。同じアレイにおいて互いの近くに異なるＬＥＤを持つこと、特に、或るタイプのＬＥＤの列と別のタイプのＬＥＤの列を交互にすることは、前記異なるタイプのＬＥＤが異なる色の光を発する場合に、有利である。この、色を交互にすることは、光学部品において前記色を混ぜ合わせるのに有利である。「交互にする」という用語は、ここでは、決して、２つのタイプのＬＥＤに限定されるものではなく、他の所定のシーケンスのＬＥＤにも適用される。
前記セラミックタイル及び前記ＰＣＢ実装ＬＥＤは、好ましくは、前記セラミックタイル上のＬＥＤの発光面と、前記ＰＣＢ実装ＬＥＤの発光面とが、互いに同じ高さにあるようにして、前記ヒートシンクに取り付けられる。これは、或るＬＥＤからの光が、それに隣接するものによって遮られないという点で、有利である。
前記ヒートシンクは、複数の別々のヒートシンク素子であって、各素子が、前記各素子に取り付けられる複数のセラミックタイルを持ち、異なるセラミックタイル上のＬＥＤを互いに接続する電気コネクタを備える複数の別々のヒートシンク素子を有してもよい。これによる利点は、１つの素子が、取り除かれ、新たな１つの素子と交換されることができる、又は修理されることができることである。修理は、使用中に故障が生じた場合に、及び製造中の歩留まりを高めるために、有利であり得る。
前記照明構造は、前記ヒートシンク素子間の接触面に対して横方向に向けられており、前記ヒートシンク素子の開口部を通過する冷却チャネルを有し得る。
冷却は、冷却フィン又は冷却パイプによって供給されてもよく、冷却空気又は冷却液の流れに基づいていてもよい。冷却液を有することは、前記照明構造から或る距離をおいて熱交換器を配設することが可能である点、及び冷却液のための前記冷却パイプは必ずしも余分な空間を占めないことから前記照明構造を小さく保つことが可能である点で、有利である。これは、設計自由度をかなり増大させる。
前記冷却チャネルは、前記ヒートシンクの前記複数のパーツを通って長手方向に延在し得る。これは、前記照明構造のより一層の冷却が供給される点で、有利である。
前記複数のセラミックタイルは、第１の複数の列に配設されてもよく、複数の第２ＰＣＢは、第２の複数の列に配設されてもよく、前記第１の複数の列と、前記第２の複数の列とが、互いに沿って延在し、交互になるようにして配設されてもよく、即ち、前記第１の複数の列及び前記第２の複数の列は、１列おきに配設される。
前記照明構造は、SAC、SAC+又はPASのグループから選択されるはんだ付け材料を用いて前記ヒートシンクに前記複数のタイルをはんだ付けすることによって、製造され得る。これは、前記はんだ付け材料が、前記タイルと前記ヒートシンクとの間の熱膨張のずれを吸収し得ることから、有利である。
あらゆるＰＣＢが、前記ＰＣＢを前記ヒートシンクにはんだ付けする又はプレスすることによって、前記ヒートシンクに取り付けられ得る。プレスすることは、低い熱抵抗のために必要である。はんだ付けすることは、更に低い熱抵抗を供給する。プレスすることの利点は、製造においてより容易であり、より信頼性が高いことである。
ＰＣＢ実装ＬＥＤも、SAC、SAC+又はPASのグループから選択されるはんだ付け材料を用いて前記ヒートシンクにはんだ付けされ得る。これは、前記はんだ付け材料が、前記タイルと前記ＰＣＢとの間の熱膨張のずれを吸収し得ることから、有利である。
はんだ付け後の、前記はんだ付け材料の厚さは、10乃至150μmの範囲内であり得る。これは、前記はんだ付け材料が、幾らかの熱膨張のずれを吸収することができ、且つ低い熱抵抗を持つのに十分に薄い点で、有利である。
本発明は、請求項において列挙されている特徴の全てのあり得る組み合わせに関することに注意されたい。
ここで、本発明のこの及び他の態様を、本発明の実施例を示している添付の図面を参照して、より詳細に説明する。
本発明の照明構造の実施例の概略的な側面図である。 本発明の照明構造の実施例の概略的な斜視図である。 本発明の照明構造の実施例の概略的な側面図である。 本発明の照明構造の実施例の概略的な斜視図である。 本発明の照明構造の図４ａの実施例の概略的な斜視図である。
図は、本発明の照明構造の実施例の概略的な側面図である。照明構造１００は、ヒートシンク１１０を有する。ヒートシンク１１０は、熱を周囲空気へ放散させることによって照明構造１００を冷却するよう構成される。これは、空気などの、それを囲む冷却流体と接触する表面積を増大させることによって達成される。ヒートシンク１１０は、例えば、冷却及び空調システムにおいて用いられるもののような熱交換器、又は自動車において用いられるもののようなラジエータであり得る。或る実施例においては、ヒートシンクは、図１に開示されているような冷却フィン１１５を持つ。冷却フィン１１５は、冷却空気１１６を有する。ヒートシンク１１０は、例えば、銅で作成され得る。
照明構造１００は、更に、複数のセラミックタイル１２０を有する。セラミックタイル１２０は、AlN（窒化アルミニウム）で作成され得る。AlNは、ＬＥＤとほとんど同じ熱膨張係数を持つ。本発明者は、AlNのタイルと、銅のヒートシンクとの間の熱膨張のずれは、問題を招かないことを、実験によって、見出した。セラミックタイル１２０は、2乃至20mmの範囲内の、好ましくは、3mmと8mmとの間の、最も好ましくは、4乃至6mmの間の長さを持ち得る。或る実施例においては、セラミックタイルのサイズは、5×5mmである。セラミックタイル１２０は、正方形のものであり得る。セラミックタイルは、250μmの厚さを持ち得る。
各セラミックタイル１２０には複数のＬＥＤ１３０が配設される。電気コネクタの第１セットは、同じセラミックタイルに取り付けられたＬＥＤを接続する。これらのコネクタ１３１は、ここでは、ボンドワイヤとして図示されているが、セラミックタイルの表面上の導電トラックであってもよい。電気コネクタの第２セットは、異なるセラミックタイル上のＬＥＤを互いに接続する。これらのコネクタ１３２は、ここでは、ボンドワイヤとして図示されている。複数のセラミックタイル１２０が、ヒートシンク１１０と直接接触している。
ＰＣＢ１４０は、複数のセラミックタイル１２０の隣でヒートシンク１１０に取り付けられる。ＰＣＢ１４０は、ここではワイヤ１４１を介して、ＬＥＤ１３０に電気的に接続される。ＰＣＢ１４０は、ＬＥＤ以外の電気的接続部及び構成要素をＰＣＢ１４０に接続することを容易にするために複数の層を持ち得る。ＰＣＢ１４０は、セラミックタイル１２０より安価且つ単純である材料で作成され得る。例えば、ＰＣＢは、銅のトラックを備えるFR4で作成され得る。ＰＣＢ１４０は、例えばワイヤを用いて、照明構造１００を駆動装置に接続する手段を含む。好ましくは、これらのＰＣＢ１４０は、サイズの小型化を達成するために、複数の層を持つ。
図２は、本発明の照明構造の実施例の概略的な斜視図である。照明構造２００は、図１の照明構造１００に対応するが、一対の付加物を備える。照明構造２００は、ヒートシンク１１０に対応するヒートシンク２１０を有する。照明構造２００は、複数のセラミックタイル２２０を更に有し、各セラミックタイル２２０上には、複数のＬＥＤ２３０が配設される。セラミックタイル２２０は、図１のセラミックタイル１２０に対応する。更に、複数のＬＥＤ２３０は、図１の複数のＬＥＤ１３０に対応する。２つのＰＣＢ２４０は、複数のセラミックタイル２２０の隣でヒートシンク２１０に取り付けられる。ＰＣＢ２４０は、ワイヤ（図示せず）を介してＬＥＤ２３０に接続される。ＰＣＢ２４０は、図１のＰＣＢ１４０に対応する。
照明構造２００は、ここでは、（ＰＣＢ実装ＬＥＤと呼ばれる）ＰＣＢ２６０に取り付けられる底部接点を持つ複数のＬＥＤ２５０を更に有する。これらのＬＥＤ２５０は、例えば、Rebel又はCree XPGのタイプのものであり得る。ＰＣＢ２６０は、複数のセラミックタイル２２０及びＬＥＤ２３０の隣でヒートシンク２１０に取り付けられる。
マルチカラーシステムにおいては、（例えば、幾つかの色、蛍光体を備えるもの及び備えないもの、異なるＬＥＤ製造業社製のものなどの）幾つかのタイプのＬＥＤが用いられる。これは、ＬＥＤのタイプの幾つかは、底部接点を持ち、従って、ＬＥＤ１３０及び２３０が配設され得るようなセラミックタイル上に配設されることができないことを意味する。その代わり、これらのＬＥＤは、ＬＥＤ２５０として配設されるそれ故、図２の実施例は、例えば娯楽のための、マルチカラーシステムにおいて有利である。
図３は、本発明の照明構造の実施例の概略的な側面図である。 照明構造３００は、図２の照明構造２００に対応する。前記照明構造は、セラミックタイル３２０と、ＬＥＤ３３０と、ＰＣＢ３６０と、底部接点を持つＬＥＤ３５０とを有する。図３を見て分かるように、セラミックタイル３２０は、ＬＥＤ３３０及びＬＥＤ３５０の上部発光面が、同じ高さ又は等しい高さにあるように、ＰＣＢ実装ＬＥＤ３５０と異なる高さに配設される。これは、ここでは、ヒートシンク３１０の突出部にセラミックタイル３２０を配設することによって達成される。
ヒートシンク３１０は、熱を周囲冷却空気３１６に放散させる冷却フィン３１５も有する。更に、ヒートシンク３１０は、冷却液３１８を運ぶ冷却パイプ３１７を有する。従って、このヒートシンク３１０は、液体、例えば、水を用いて冷却され得る。図３を見て分かるように、熱交換器が、ＬＥＤから或る距離をおいて配設され得る。
図４ａは、本発明の照明構造の実施例の概略的な斜視図である。図４ａの照明構造４００のヒートシンク４１０は、複数の素子４１０ａ、ｂ、ｃ、ｄ及びｅに分けられる。素子４１０ａ、ｃ及びｅ上には、各々が複数のＬＥＤ４３０を担持する複数のセラミックタイル４２０が配設される。素子４１０ｂ及びｄ上には、複数のＰＣＢ実装ＬＥＤ４５０が配設される。パーツ４１０ａ、ｂ、ｃ、ｄ及びｅは、図４ｂに示されているように、互いに結合され、それによって、それらの間に接触面を規定する。照明構造４００は、接触面に対して横方向に向けられている冷却パイプ４１７を持つ。冷却パイプ４１７は、冷却液及び／又は冷却流体を運ぶことができる。冷却フィン又は冷却パイプを接触面に対して平行に延在させることも可能である（図示せず）。図４ａ及びｂにおいては、セラミックタイルを備えるヒートシンク素子と、ＰＣＢ実装ＬＥＤを備えるヒートシンク素子とが、交互になるようにして配設される。
次に、上で概説した照明構造１００、２００、３００、４００を製造する方法について記載する。
SAC、SAC+又はPASのグループから選択されるはんだ付け材料を用いて、ヒートシンクに複数のタイルがはんだ付けされる。はんだ付け材料は、ヒートシンクとセラミックタイルとの間の熱膨張のずれを補償し得る。ＰＣＢをヒートシンクにプレスすることによって、ヒートシンクにＰＣＢが取り付けられる。SAC、SAC+又はPASのグループから選択されるはんだ付け材料を用いて、第２ＰＣＢに、底部接点を持つＬＥＤがはんだ付けされる。はんだ付け後の、はんだ付け材料の厚さは、10乃至200μmの範囲内であり、好ましくは、30乃至150μmの範囲内である。
要約すると、開示されている実施例は、ヒートシンク１１０、２１０、３１０、４１０と、複数のセラミックタイル１２０、２２０、３２０、４２０と、各セラミックタイル１２０、２２０、３２０、４２０に配設される少なくとも１つのＬＥＤ１３０、２３０、３３０，４３０と、前記ＬＥＤ１３０、２３０、３３０，４３０を接続する複数のワイヤとを有し、前記複数のセラミックタイル１２０、２２０、３２０、４２０が、前記ヒートシンク１１０、２１０、３１０、４１０と直接接触している照明構造１００、２００、３００、４００に関する。
本発明を、図面において図示し、上記の説明において詳細に説明しているが、このような図及び説明は、説明的なもの又は例示的なものとみなされるべきであって、限定するものとみなされるべきではない。本発明は、開示されている実施例に限定されない。
請求項に記載の発明を実施する当業者は、図面、明細及び添付の請求項の研究から、開示されている実施例に対する他の変形を、理解し、達成し得る。請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数の存在を除外しない。請求項において列挙されている幾つかのアイテムの機能を単一のプロセッサ又は他のユニットが実現してもよい。単に、特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように用いられることができないことを示すものではない。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

Claims (14)

  1. ヒートシンクと、
    複数のセラミックタイルと、
    各セラミックタイルに配設される少なくとも１つのＬＥＤとを有する照明構造であって、前記セラミックタイルが、全く中間熱障壁なしに前記ヒートシンクと直接接触して取り付けられ、前記照明構造が、前記ヒートシンクに取り付けられる少なくとも１つのＰＣＢ実装ＬＥＤを更に有する照明構造。
  2. 同じセラミックタイル上のＬＥＤを接続する電気コネクタの第１セットと、異なるセラミックタイル上のＬＥＤを接続する電気コネクタの第２セットとを更に有する請求項１に記載の照明構造。
  3. 前記ヒートシンクに取り付けられ、前記ＬＥＤの少なくとも１つに電気的に接続されるＰＣＢを更に有する請求項１乃至２のいずれか一項に記載の照明構造。
  4. 各タイルの長さが、4乃至6mmの範囲内である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の照明構造。
  5. 前記セラミックタイルが、AlNで作成される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の照明構造。
  6. 前記ヒートシンクが、金属で作成される請求項１乃至５のいずれか一項に記載の照明構造。
  7. 前記セラミックタイルが、前記ヒートシンクにはんだ付けされている請求項１乃至６のいずれか一項に記載の照明構造。
  8. 前記セラミックタイルが、SAC、SAC+及びPASから成るグループから選択されるはんだ付け材料を用いてはんだ付けされている請求項７に記載の照明構造。
  9. 前記はんだ付け材料の厚さが、10乃至150μmの範囲内である請求項７又は８に記載の照明構造。
  10. 前記セラミックタイル及び前記ＰＣＢ実装ＬＥＤが、前記セラミックタイル上のＬＥＤの発光面と、前記ＰＣＢ実装ＬＥＤの発光面とが、互いに同じ高さにあるようにして、前記ヒートシンクに取り付けられる請求項１に記載の照明構造。
  11. 前記ヒートシンクが、複数の別々のヒートシンク素子を有し、各素子が、前記各素子に取り付けられる複数のセラミックタイルを持ち、異なるセラミックタイル上のＬＥＤを互いに接続する電気コネクタを備える請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の照明構造。
  12. 付加的なヒートシンク素子であって、前記付加的なヒートシンク素子に取り付けられる複数のＰＣＢ実装ＬＥＤを持ち、前記ＰＣＢ実装ＬＥＤを互いに接続する電気コネクタを備える付加的なヒートシンク素子を更に有する請求項１１に記載の照明構造。
  13. 前記ヒートシンク素子間の接触面に対して横方向に向けられており、前記ヒートシンク素子の開口部を通過する冷却チャネルを更に有する請求項１１又は１２に記載の照明構造。
  14. 前記複数のセラミックタイルが、第１の複数の列に配設され、複数のＰＣＢ実装ＬＥＤが、第２の複数の列に配設され、タイルの列と、ＰＣＢ実装ＬＥＤの列とが、互いに沿って延在し、交互になるようにして配設される請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の照明構造。
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