JP2019516248A - 熱ブロックアセンブリ、それを有するｌｅｄ装置、及び熱ブロックアセンブリを製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ、３）のアノードパッド（３０）への接続用に具現化され、アノードパッドから来る熱に対する基本的に全面的な熱経路（Ｐ）を提供する寸法にされた、第１の熱的且つ電気的に伝導性のブロック部（１０）と、ＬＥＤ（３）のカソードパッド（３１）への接続用に具現化され、カソードパッドから来る熱に対する基本的に全面的な熱経路（Ｐ）を提供する寸法にされた、第２の熱的且つ電気的に伝導性のブロック部（１１）と、ギャップ（Ｇ）のそれぞれの側でブロック部の位置を固定するようにブロック部（１０、１１）に付けられた接合層（１２）と、を有する熱ブロックアセンブリ（１）を記述する。本発明は更に、熱ブロックアセンブリ（１）及びそれにマウントされた少なくとも１つのＬＥＤ（３）を有するＬＥＤ装置（５）、並びに熱ブロックアセンブリ（１）を製造する方法を記述する。

Description

本発明は、熱（サーマル）ブロックアセンブリ、ＬＥＤ装置、及び熱ブロックアセンブリを製造する方法を記述する。

ＬＥＤは、一般照明目的での光源（例えば、レトロフィット電球）として、しかし、例えば自動車前方照明などの高出力用途でも、ますます普及してきている。発光ダイオード（ＬＥＤ）は、アノード及びカソードを備えた半導体チップを有する。このようなＬＥＤを電子回路に含めるために、ＬＥＤは一般的に、例えば、電極パッドすなわちアノードパッド及びカソードパッドがチップの下側に配置されたボトムコンタクトチップとして、マウントする準備の整った“パッケージ”の形態で提供される。これらの電極パッドは、誘電体材料層に付けられた導電性被膜から前もってエッチングされた、プリント回路基板（ＰＣＢ）の適切な導電体に接合されることができる。

ＬＥＤは動作中に熱を発生し、熱の量はＬＥＤの電力密度に関係する。熱ダメージによるダイオードｐｎ接合の劣化を回避するために、熱をＬＥＤから引き離さなければならない。トレンドは、より小さいＬＥＤ発光表面積（より小さいダイ）を有し、それに対応して高い電力密度（Ｗ／ｍｍ^２）を有する高出力ＬＥＤに向かっている。照明用途で使用されるタイプの高出力ＬＥＤは非常に熱くなり得る。故に、ボトムコンタクトＬＥＤから熱を引き離すために、一般的に、ＰＣＢの反対側にヒートシンクが取り付けられる。故に、一次ヒートシンクはＰＣＢを介してアクセスされ、ＬＥＤからＰＣＢ材料に熱を導くためにリードフレームが使用される。アノード及びカソードパッドからの熱は、それらが結合された導電トラックによって吸い上げられ、誘電体層を通り抜け、そして、ヒートシンクによって吸い上げられ又は放散される。誘電体層又は熱的電気的インタフェースは、ＬＥＤからの熱伝達に有害な影響を持つので問題がある。これは、誘電体がもともと、例えばポリマーなどの電気絶縁体であるためであり、すなわち、誘電体が一般的に、大抵の金属の熱伝導率よりも典型的に著しく低い熱伝導率を持つ乏しい熱伝導体であるためである。故に、ＰＣＢの誘電体層は実効的に、ＬＥＤからの熱経路における熱障壁を提示する。

従来技術のアプローチに伴う別の１つの問題は、従来のプリント回路基板上の導電トラックが非常に薄くて、通常、数十マイクロメートルの厚さしかなく、それ故に、限られた熱容量しか持たないことである。この問題に対処する１つのアプローチでは、導電トラックが、薄い銅材料の層からエッチングされるのではなく、代わりに、例えば微細フライス加工などの好適な材料除去技術を用いて、比較的厚い導電材料の層（厚さ数百マイクロメートル）から形成される。しかしながら、たとえ導電トラックがそれらの熱容量を増加させるように幾分厚くされても、それでは動作中に高出力ＬＥＤによって発生される熱の量に対処するには不十分であることが観察されている。

従って、本発明の１つの目的は、上述の問題を解決するような、動作中のＬＥＤからの熱を放散する改善された手法を提供することである。

本発明の上記目的は、請求項１の熱ブロックアセンブリによって達成され、請求項９のＬＥＤ装置によって達成され、また、熱ブロックアセンブリを製造する請求項１０の方法によって達成される。

本発明によれば、熱ブロックアセンブリは、発光ダイオードのアノードパッドへの接続用に具現化され、アノードパッドから来る熱に対する基本的に全面的な熱経路を提供する少なくとも１つの第１の熱的且つ電気的に伝導性のブロック部と、発光ダイオードのカソードパッドへの接続用に具現化され、カソードパッドから来る熱に対する基本的に全面的な熱経路を提供する少なくとも１つの第２の熱的且つ電気的に伝導性のブロック部と、ギャップのそれぞれの側でこれらのブロック部の位置を固定するようにこれらのブロック部に付けられた接合層と、を有する自己完結型のユニットである。

熱的且つ電気的に伝導性のブロック部は、電極パッドから来る熱を放散するヒートスプレッダ又はヒートシンクとして機能する。熱が系を離れることができる基本的に３つの方法、すなわち、対流、伝導及び放射が存在する。対流による熱損失は一般的に、周囲の空気に対してであり、伝導による熱損失は、システム又はアセンブリが他の物体に物理的に接続される方法によって決定されることになり、そして、放射による熱損失は通常、より高い温度でのみ有意である。ＬＥＤヒートシンクの場合、熱損失の主要なモードは対流及び伝導である。本発明の文脈において、“電極パッドから来る熱に対する全面的な熱経路を提供する”なる表現は、該当する熱的且つ電気的に伝導性のブロック部が、それが接続された電極パッドから上で概説した３つの熱損失モードを介して熱を遠ざける基本的に唯一の伝導体であることを意味し、“電極パッドから来る熱に対する全面的な放熱を提供する”として表現されることもできる。伝導ブロック部の材料及び形状の適切な選択により、その電極パッドから来る熱を放散させる又は沈めるために他のヒートシンクが必要とされないという意味で、これら伝導ブロック部が全面的な熱経路を提供する。故に、この熱ブロックアセンブリは、動作中のＬＥＤを冷却するために更なるヒートシンク又はヒートスプレッダが必要ないという意味で、自己完結型のユニットである。熱的且つ電気的に伝導性のブロック部の寸法（高さ、幅、厚さなど）は、そのブロック部の熱容量が、そのブロック部が接続されることになるＬＥＤ電極からの熱を沈めるのに十分であることを確保するように選択されることができる。

本発明の文脈において、“発光ダイオード”は、例えば、照明回路に配置するためのチップスケールパッケージ（ＣＳＰ）ＬＥＤとしてなどの、ＬＥＤチップであると理解され得る。本発明に従った自己完結型の熱ブロックアセンブリの１つの利点は、ブロック部が、動作中のＬＥＤの熱い電極（アノード又はカソード）からの非常に効率的で効果的な熱伝達を確保しながら、同時に、駆動電圧端子とその電極との間の直接的な電気コネクタとして作用することである。用語“自己完結型”は、本発明の熱ブロックアセンブリが、ドライバへの電気的接続のためにＰＣＢ上のコンタクトに取り付けられる必要がないことを指し示すため、また、本発明の熱ブロックアセンブリが、更なるヒートシンクに取り付けられる必要がないことを指し示すために使用される。放熱用の導電トラックをＰＣＢ上に用意する必要もなければ、熱ブロックアセンブリのブロック部をＰＣＢにはんだ付けする必要もないので、ＬＥＤ装置の組み立てを単純化することができる。この熱ブロックアセンブリは、ブロック部を通じて、１つ以上のＬＥＤからの、そしてひいては、周囲（大抵は周囲空気とし得るが、その上にこの熱ブロックアセンブリが取り付けられ得る機械的支持を含んでいてもよい）からの、途切れのない無制限な熱流路を提供する。本発明の熱ブロックアセンブリでは、熱経路から誘電体材料が完全に除去される。換言すれば、熱源（ＬＥＤの電極パッド）と主ヒートシンクとの間にもはや熱障壁が存在しない。故に、ブロック部を通じての効率的で効果的な熱伝達によって、ＬＥＤチップの温度を好ましく低いレベルに保つことができる。これは、本発明の自己完結型の熱ブロックアセンブリを組み込むＬＥＤ装置又は用途の有効寿命を好ましく延長させることができる。それに代えて、あるいは加えて、効率的な熱伝達は、ＬＥＤの光出力が増大され得るように、（等価なＬＥＤを備えた従来技術の熱ブロックアセンブリと比較して）より高いパワーでＬＥＤを駆動することを可能にし得る。これは、導電トラックとヒートシンクとの間の誘電体層の存在のためにＬＥＤチップからのあまり効率的でない熱伝達によって特徴付けられる従来技術の構成とは、好ましく対照的である。

第１及び第２のブロック部は、機能的及び構造的に別々の素子であり、ギャップを挟んで互いに面する。アセンブリの構造的安定性を確保するために、この熱ブロックアセンブリの第１及び第２のブロック部は、接合層によって定位置にしっかりと保持される。本発明の文脈において、“接合層”は、２つのブロック部の間の構造的接続を提供するのに十分な堅さの誘電体材料すなわち電気絶縁材料の層又はシートとして理解されるべきである。これは、第１及び第２のブロック部の形状に応じて、数多の手法で達成されることができる。例えば、誘電体材料の１つ以上の接合層を用いて、第１及び第２のブロック部を接合し得る。本発明の熱ブロックアセンブリでは、接合層は、基本的に熱経路の完全に外側にあるように配置される。一実施形態において、接合層は、介在するギャップを橋渡しして、しかし、ギャップの中には延在せずに、第１及び第２のブロック部の同一平面上の２つの外表面の上に位置するように設けられる。他の例では、１つ以上の接合層が、熱経路に直交する平面内で、第１及び第２のブロック部の２つの対向する表面間に設けられ得る。

本発明によれば、ＬＥＤ装置は、このような熱ブロックアセンブリと、発光ダイオードのアノードパッドと第１のブロック部との間の第１の電気接続、及び発光ダイオードのカソードパッドと第２のブロック部との間の第２の電気接続によって、熱ブロックに取り付けられた少なくとも１つの発光ダイオードとを有する。

本発明に従ったＬＥＤ装置の１つの利点は、より効率的な熱伝達を、好ましく低いコストで達成し得ることである。以下で説明するように、この熱ブロックアセンブリは、例えばＳＭＤリフロープロセスなどの既存のプロセスを用いて製造されたり組み立てられたりすることができ、それ故に、本発明のＬＥＤ装置は有意な追加労力なしで具現化されることができる。故に、自己完結型の熱ブロックアセンブリにＬＥＤがマウントされる本発明のＬＥＤ装置は、“ＬＥＤ・オン・ヒートシンク”として参照され得る。

本発明によれば、熱ブロックアセンブリを製造する方法は、発光ダイオードのアノードパッドへの接続用の、アノードパッドから来る熱に対する基本的に全面的な熱経路を提供する寸法にされた、第１の熱的且つ電気的に伝導性のブロック部を提供する工程と、発光ダイオードのカソードパッドへの接続用に具現化され、カソードパッドから来る熱に対する基本的に全面的な熱経路を提供する寸法にされた、第２の熱的且つ電気的に伝導性のブロック部を提供する工程と、ギャップのそれぞれの側にこれらのブロック部を配置する工程と、これらのブロック部に接合層を付けてこれらのブロック部の位置を固定する工程とを有する。

本発明の方法の１つの利点は、効率的な熱伝達によって特徴付けられる熱ブロックアセンブリの比較的経済的な製造を可能にすることである。ＬＥＤ電極パッドを受ける熱的且つ電気的に伝導性のブロック部の配置は、パッドから来る熱を効果的に放散させるための、好ましいことに妨げがない又は無制限の熱流を提供するとともに、ブロック部がドライバへの電気接続として機能できることを保証する。ブロック部の上面のレベルにおいて、ギャップの幅は好ましくは、熱ブロックアセンブリに取り付けられることになる発光ダイオードチップのアノード−カソードギャップを超えない。ギャップ幅は、例えば、約０．２ｍｍの範囲内にあるとし得る。アノード−カソードギャップは、この文脈において、ＬＥＤチップのアノード電極とカソード電極との間の最短距離（例えば、フリップチップＬＥＤの底面上の（通常は矩形の）コンタクト間の最短距離）として理解されるべきである。ここで、用語“熱ブロックの上面”は、ＬＥＤが取り付けられる表面として理解されるべきであり、用語“熱ブロックの下面”は、反対側の熱ブロックの表面として理解されるべきである。

従属請求項及び以下の説明は、本発明の特に有利な実施形態及び特徴を開示している。それら実施形態の特徴は適宜に組み合わされ得る。１つのクレームカテゴリーの文脈で記述される特徴は、別のクレームカテゴリーにも等しく適用されることができる。

以下では、本発明をいかようにも限定することなく、発光ダイオードは、アノード及びカソードパッドがＬＥＤチップの下に配置されるボトムコンタクトＬＥＤチップであると仮定し得る。このタイプのＬＥＤチップは、一般に“フリップチップ”と呼ばれている。用語“熱ブロックアセンブリ”及び“熱ブロック”は同義語であり、以下では交換可能に使用され得る。

本発明の熱ブロックアセンブリの有利な熱的特性は、本発明の熱ブロックアセンブリを、ＬＥＤからの効率的な熱伝達が望ましい且つ／或いは必要な如何なる用途にも適したものとする。本発明に従った熱ブロックアセンブリは、特に、例えば自動車前方照明装置などの用途における具現化に適している。何故なら、フロントビームに必要な高い光出力は高いＬＥＤチップ温度を伴うからである。本発明の熱ブロックアセンブリの熱的且つ電気的に伝導性のブロック部によって達成される効率的な熱伝達は、本発明に従ったＬＥＤ装置内のＬＥＤの好ましく長い寿命及び好ましく高い光出力を保証する。例えば、自動車前方照明用途において、本発明のＬＥＤ装置は、少なくとも１．０Ｗ／ｍｍ^２の電力密度を有する発光ダイオードを組み込むことができる。

熱的且つ電気的に伝導性のブロック部は、良好な熱伝導体及び良好な電気伝導体のどちらでもある任意の好適材料で作製されることができる。好ましくは、ブロック部は、例えば銅などの金属で作製される。好ましくは、ブロック部は、少なくとも１．０ｍｍの厚さ、より好ましくは少なくとも５．０ｍｍの厚さ、最も好ましくは少なくとも２０ｍｍの厚さを有する。ブロック部は、鋳造金属片で作製されることができ、及び／又は、例えばフライス加工や旋盤加工などの何らかの好適な機械加工技術を使用して固体金属ブロックから機械加工され得る。

ＬＥＤチップパッケージのアノードコネクタ及びカソードコネクタは、互いに電気的に絶縁されなければならない。第１及び第２の熱的且つ電気的に伝導性のブロック部の間のギャップ（間隙）は、誘電体材料で充たされることができる。しかしながら、本発明の好適な一実施形態において、ギャップは誘電体材料で充たされず、単にエアギャップ（空隙）である。第１及び第２の熱的且つ電気的に伝導性のブロック部の間のエアギャップの利点は、ＬＥＤが金属及び誘電体材料の等しくない膨張に起因する機械的応力を受けないことである。

第１及び第２のブロック部は、機能的及び構造的に別々の素子であり、ギャップを挟んで互いに面する。アセンブリの構造的安定性を保証するため、熱ブロックアセンブリの第１及び第２のブロック部は、何らかの手法で好ましく接続される。これは、第１及び第２のブロック部の形状に応じて、数多の手法で達成されることができる。例えば、１つ以上の接続層又は接合層を用いて、第１のブロック部及び第２のブロック部を接続又は接合し得る。このような接合層は、好ましくは、熱経路の外側にあるように配置される。一実施形態において、接合層は、介在するギャップを橋渡しして、しかし、ギャップの中には延在せずに、第１及び第２のブロック部の同一平面上の２つの外表面の上に位置するように設けられる。

他の例では、１つ以上の接合層が、熱経路に直交する平面内で、第１及び第２のブロック部の２つの対向する表面間に設けられ得る。ブロック部を周囲から電気的に絶縁することが有利である。このような絶縁は、例えば、ＬＥＤの電極間の短絡を回避することができる。

上述のように、接続層又は接合層は誘電体層を有する。例えば誘電体フォイルといった、任意の好適材料を使用することができる。例えば、ブロック形状のアセンブリの第１及び第２のブロック部の隣接する又は同一平面上の外表面の上に誘電体接合フォイルを付けることができる。ブロック形状のアセンブリの２つの反対側の外表面の上に１つのそのようなフォイルを付けることができる。これは、アセンブリ全体が構造的に安定であることを保証する。熱ブロックアセンブリは本質的に熱的且つ電気的に自己完結しており、且つ接合層が構造的安定性を保証するので、本発明の熱ブロックアセンブリは、更なる機械的支持を必要としないという更なる利点を有する。

ブロック部は基本的に、例えば銅などの金属の中実ブロックを有することができる。ブロック部の主な目的はＬＥＤチップの電極から効果的に熱を引き出すことであるので、ブロック部の表面積を最大にすることが有利である。故に、本発明の好適な一実施形態において、ブロック部は、多数の冷却フィンを有する。これらは、例えば、水平配置又は垂直配置で具現化されることができ、好ましくは、ブロック部の放熱を更に促進させるために、熱ブロックアセンブリを収容することになる装置の空洞の中に面するように方向付けられる。このようなフィン又は薄板状素子は、周囲空気への対流による熱伝達を大いに増やすことができる。

ブロック部は、任意の好適形状を有するように構築されることができる。例えば、第１のブロック部及び第２のブロック部は、基本的に同じ構造を有し、互いの幾何学的鏡像とし得る。第１のブロック部及び第２のブロック部は、各ブロック部が同じ熱伝達能力を持つように、同じ大きさとし得る。例えば、各熱ブロック部は、１５．０−２０ｍｍの領域の高さと１．０ｃｍ^２の領域の断面積とを有する基本的に長方形の形状で具現化され得る。このような具現化は、熱ブロックアセンブリに十分なスペースが利用可能であるときに適し得る。熱はブロック部のボディを通って全方向に進むことになるが、この例ではブロック部の高さがその幅よりも大きいので、主たる“熱経路”は、ＬＥＤの発光面とは反対の方向に延びるように描かれ得る。

よりコンパクトな用途では、熱ブロックアセンブリに利用可能な全体的な高さが、設計制約のために制限されることがある。その場合、熱ブロックの全体が、１．０−５．０ｍｍの領域の高さと２．０ｃｍの領域の幅及び／又は深さとを有する基本的に長方形又は正方形の形状で具現化され得る。そのような一実施形態において、主たる“熱経路”は、ＬＥＤから外に向かって放射状に延びるように描かれ得る。好ましくは、第１のブロック部は第２のブロック部よりも大きい。取り得る好適な一実施形態において、第１のブロック部及び第２のブロック部は相補的な構造を有する。例えば、第１のブロック部の一部が、第２のブロック部の上に延在することができる。このような具現化は、ＬＥＤのアノードがカソードよりも有意に熱くなり得ることを考慮に入れており、第１のブロック部の熱容量が第２のブロック部の熱容量よりも大きくなることを可能にする。

第１及び第２のブロック部は、集合的に“一次ヒートシンク”と見なされ得る。一次ヒートシンクの熱伝達能力は、二次ヒートシンクによって増補されることができる。例えば、第１及び第２のブロック部の隣接する外表面の上に誘電体層が付けられるとき、該誘電体層の上に外側構造支持部を設け得る。このような外側支持部は、例えば、熱ブロックアセンブリの２つの反対側の面に使用され得る。

本発明の熱ブロックアセンブリの製造は、好ましいことに簡単であり、既に上述したように比較的少数の組立工程のみを必要とする。例えば、２つの相等しい形状にされた熱的且つ電気的に伝導性のブロック部を用いて熱ブロックアセンブリが構築されるとき、ギャップによって物理的に離隔されるようにこれらを配置することができる。この場合、当該方法は好ましくは、ブロック部の間に一時的なスペーサを配置する工程も有する。例えば、ブロック部の対向する面の間に薄いプラスチックの層を配置することができる。このスペーサは後に取り外されることができる。

本発明の更なる好適な一実施形態において、当該方法は、第１のブロック部を第２のブロック部から絶縁する工程を有する。これは、例えば、これらブロック部の隣接する外表面の上に誘電体層を付けることによって達成されることができる。これは、アノード及びカソードにそれぞれ接続されたブロック部の間の意図せぬ電気的接続を防止することができる。誘電体層は、例えばホットプレスプロセス工程で、接着剤を用いて貼り付けられ得る。ブロック部は、好ましくは金属で製造され、動作中にＬＥＤによって発生される熱によって僅かに膨張し得るので、このような一実施形態において、誘電体層及びブロック部は好ましくは、基本的に等しい熱膨張係数を有するように選択される。これは、誘電体層がブロック部から外れないことを保証し得る。例えば、ブロック部は銅で製造されることができ、誘電体層の材料は、誘電体層の平面内で銅と基本的に同じ熱膨張係数を有するように選択され得る。この平面をデカルト空間のＸＹ平面と見なし得る。これら基本的に等しいＣＴＥは、アノード−カソードギャップが安定なままである（すなわち、有意に変化しない）ことを保証する。これは、誘電体材料のＺ方向ＣＴＥがそのＸＹ平面ＣＴＥ及びブロック部のＣＴＥよりも高い場合であっても当てはまることになる。何故なら、熱ブロックは、Ｚ方向の誘電体材料の熱膨張を許すように容易に設計されることができるからである。

本発明に従った熱ブロックアセンブリは、基本的に、単一のユニットとして合体される複数の物理的に別個のコンポーネントを有する。熱ブロックアセンブリが堅牢で安定していることを確実にするため、それらのコンポーネントは好ましくはしっかりと接続される。本発明の好適な一実施形態において、２つのブロック部が、これらブロック部の外側の隣接し合う面に接着剤によって固定された誘電体層によって、特定の構成に保持される。それら誘電体層に外側支持部を取り付けることによって更なる安定性を達成することができ、例えば、接着剤によって外側支持部を誘電体層に固定することができる。

本発明に従った自己完結型の熱ブロックアセンブリは、複数のＬＥＤチップを収容することができる。例えば、第１及び第２のブロック部は各々、間にギャップを有する２つの物理的に別々の素子を有することができる。ブロック部の素子間のギャップは、第１のブロック部と第２のブロック部との間のエアギャップに直交する方向に延在する。例示的な一実施形態において、２つのＬＥＤチップが隣り合わせて配置される。この目的のため、第１のブロック部は、２つの基本的に同じ第１ブロック部素子を有し、第２のブロック部は、２つの基本的に同じ第２ブロック部素子を有する。２つのアノードパッドの各々が第１ブロック部素子に接合される。２つのカソードパッドの各々が第２ブロック部素子に接合される。例示的な他の一実施形態では、３つのＬＥＤチップが隣り合わせて配置される。この目的のため、各ブロック部が、１つの大きめの素子と１つの小さめの素子とを有し、そして、これらが、以下のように互いにずらして配置され、すなわち、第１のＬＥＤが大きい方の第１ブロック部素子と小さい方の第２ブロック部素子とを跨ぎ、第２のＬＥＤが大きい方の第１ブロック部素子と大きい方の第２ブロック部素子とを跨ぎ、第３のＬＥＤが小さい方の第１ブロック部素子と大きい方の第２ブロック部素子とを跨ぐように、互いにずらして配置される、
大量生産品の電気回路は、一般に、高度な自動化を用いて製造される。例えばプレースメント及びはんだ付けなどのエラーフリーのハンドリング工程を確実にするために、各部品が厳しい設計要求に適合しなければならない。ＬＥＤチップがマウントされる基板は、ＬＥＤチップの僅かに誤ったプレースメントのみであっても許容できない不具合になり得るので、非常に正確に画成されなければならない。故に、本発明方法の更なる好適な一実施形態において、一次ヒートシンク及び／又は二次ヒートシンクのコンポーネントを、好適なアライメント手段を用いて一時的に固定することができる。例えば、第１のブロック部が、（一時的なスペーサを挟んで）第２のブロック部に対して、これらブロック部（及びスペーサ）内の孔の中を延在するピン又はボルトによってアライメントされ得る。これらは、後に取り外されることができる。本発明方法の他の好適な一実施形態では、誘電体層の位置を規定するために、ブロック部の外表面上にアライメント手段を配置することができる。本発明方法の他の好適な一実施形態では、ガイドを用いて、二次ヒートシンクをブロック部に対してアライメントすることができる。このガイドは、例えば、硬化工程中又はホットプレス工程中に二次ヒートシンクを定位置に保持するためにねじ止め又はボルト締めされることができ、やはり、熱ブロックが完成したら取り外されることができる。

本発明の他の目的及び特徴が、添付の図面と併せて検討される以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、理解されるべきことには、図面は、本発明の範囲を定めるものとしてではなく、単に例示の目的で作成されたものである。

本発明に従った熱ブロックアセンブリの第１の実施形態の斜視図を示している。 本発明に従ったＬＥＤ装置の一実施形態における図１の熱ブロックアセンブリの平面図を示している。 図３−５は、本発明方法の一実施形態の組立工程を示している。 図３−５は、本発明方法の一実施形態の組立工程を示している。 図３−５は、本発明方法の一実施形態の組立工程を示している。 本発明に従ったＬＥＤ装置の第２の実施形態の斜視図を示している。 図６のＬＥＤ装置の分解図を示している。 本発明に従ったＬＥＤ装置の第３の実施形態の斜視図を示している。 図８のＬＥＤ装置の分解図を示している。 本発明に従ったＬＥＤ装置の一実施形態を貫く断面図を示している。 従来技術のＬＥＤ装置を貫く断面図を示している。

図面においては、全体を通して、似通った参照符号が同様のオブジェクトを参照する。図中のオブジェクトは必ずしも縮尺通りに描かれていない。

図１は、本発明に従った熱ブロックアセンブリ１の第１の実施形態の斜視図を示している。この実施形態において、熱ブロックアセンブリ１は、ギャップＧを挟んで互いに面して配置された、２つの基本的に同じブロック部１０、１１を有している。これらのブロック部１０、１１は各々、例えば銅などの金属の中実片（ソリッドピース）を有し、共同で一次ヒートシンクとして作用する。各ブロック部１０、１１の高さは、例えば１０．０ｍｍ又はそれより高いとすることができ、水平断面積は１．０ｃｍ^２の領域とすることができる。ブロック部１０、１１の上面に別々のプレースメント領域１００、１１０を有するように、例えばレーザアブレーションプロセスを用いて、ＬＥＤフリップチップのための“フットプリント”が形成されている。これらのプレースメント領域１００、１１０には、後の製造段階で、例えばＣＳＰ ＬＥＤなどの表面実装ＬＥＤデバイスのアノード及びカソードの底面コンタクトが、例えばはんだ又は導電性接着剤を用いて接合されることになる。この例示実施形態では、ブロック部１０、１１の隣接する外表面の上に誘電体層１２が付けられている。一次ヒートシンク１０、１１のそれぞれの側に２つの外側支持構造１３が配置されている。これらのコンポーネント１０、１１、１３が組み合わさって熱ブロック１を有する。放熱は、主に、ブロック部１０、１１の材料を通ってプレースメント領域１００、１１０からの直接的な又は途切れのない熱経路によって確保される。２つの外側支持構造１３は、一次ヒートシンクの熱容量を増補する二次ヒートシンクを有する。

図２は、図１の熱ブロックアセンブリ１を有するＬＥＤ装置２の平面図を示している。この図は、熱ブロックアセンブリ１の上面上の定位置にある表面実装ＬＥＤチップを示しており、エアギャップＧを横切ってブロック部１０、１１を跨いでいる。図１及び２はまた、以下に説明するように、熱ブロック１の組立中に誘電体層１２をアライメントするために使用されるアライメントピン４２を示している。

図３−５は、本発明方法の一実施形態の組立工程を示している。図３にて、２つのブロック部１０、１１が準備されている。ブロック部１０、１１の間に一時的なスペーサ４０が配置される。この図はまた、２つのブロック部１０、１１及びスペーサ４０を接続する更なる一時的なアライメントボルト４１を示している。図４は後続工程を示している。ここでは、一次ヒートシンクの２つの反対側の面に誘電体層１２が当てられ、誘電体層１２は、ブロック部１０、１１の２つの隣接する面にわたって延在し、当初において、アライメントピン４２によって適所に保持される。対応する誘電体層１２の上に配置される準備の整った２つの外側支持構造１３が示されている。この例示実施形態では、各金属ブロック１３に、例えばねじ付きブッシングといったブッシング４４０が設けられている（この図は、紙面に面しない一方のみのこのようなブッシング４４０を示している）。図５は、最終組立工程を示している。ここでは、ブロック部１０、１１及び外側支持構造１３の正確なアライメントを保証するために、２つのガイド４３が使用される。ガイド４３は、ボルト４４によって外側支持構造１３に固定され、２つのボルト４４の各々がアセンブリの片側からブッシング４４０内に延在する。誘電体層１２は、接着材料を有することができ、又は接着剤でコーティングされ得る。接着剤がコンポーネント１０、１１、１２、１３を接合するように作用する前は、アライメント手段４２、４３が部品１０、１１、１２、１３の正しい配置を保証する。接着剤が有効な接合を形成すると、一時的なアライメント手段４０、４１、４３、４４は取り外されることができる。その後、例えば、ＳＭＤリフロープロセス段階において第１のブロック部１０及び第２のブロック部１１上の適切な領域にそれぞれアノードパッド及びカソードパッドを接合することによって、熱ブロック１にＬＥＤをマウントすることができる。

図６は、ＬＥＤ３を定位置に有した、本発明に従った熱ブロックアセンブリ１の第２の実施形態の斜視図を示している。この図はまた、熱ブロックアセンブリ１の第１のブロック部１０を介してＬＥＤ３のアノードに正の駆動電圧Ｖ^＋を印加するとともに、第２のブロック部１１を介してＬＥＤ３のカソードに負の駆動電圧Ｖ⁻を印加するように構成されたドライバ５０を（非常に模式的に）示している。この例示実施形態では、ＬＥＤ装置１がコンパクトに具現化されている。この目的のため、熱ブロック１は、図７に分解図として示されるように、大きい上面領域及び下面領域と比較的小さい厚さとを有する２つの平坦なブロック部１０、１１を有している。熱ブロック１０、１１の高さは、１．０−５．０ｍｍの範囲内とし得る。ＬＥＤのアノードは動作中にカソードよりも熱くなり得るので、第１のブロック部１０は、熱ブロックアセンブリ１のより大きい部分を有し、第２のブロック部１１は、熱ブロックアセンブリ１のより小さい部分を有する。また、各ブロック部１０、１１の寸法は、所望の機械的安定度を達成するように選択されることができる。これらの理由のうちの一方又は双方のため、第１のブロック部１０の体積（及び質量）は、第２のブロック部１１の体積（及び質量）よりもかなり大きくすることができる。図７はまた、第１のブロック部１０を第２のブロック部１１から電気的に絶縁するとともにブロック部１０、１１を永久的に接合するように作用する誘電体層１２を適所に示している。

図８は、本発明に従った熱ブロックアセンブリ１の第３の実施形態の斜視図を示している。この図は、コンパクトなＬＥＤ装置５の別の具現化を示している。ここでも、熱ブロック１は、図９に分解図として示されるように、大きい上面領域及び下面領域と比較的小さい厚さとを有する２つの平坦なブロック部１０、１１を有している。この図はまた、熱ブロックアセンブリ１のブロック部１０、１１を介してアノード及びカソードに駆動電圧を印加するドライバ５０を示している。

図１０は、本発明のＬＥＤ装置５の一実施形態を貫く概略的な断面図を示している。ブロック部１０、１１間にギャップＧが形成されるように、ブロック部１０、１１がともに、安定したアセンブリ１にて誘電体層１２によって保持又は接合される。ＬＥＤチップ３が定位置に示されており、ブロック部１０、１１間のギャップＧを跨いでいる。ＬＥＤ３のボトムコンタクトアノード３０が第１のブロック部１０に電気的に接続され、ＬＥＤ３のボトムコンタクトカソード３１が、第２のブロック部１１に電気的に接続されている。この図は、各ブロック部１０、１１を通る途切れのない熱経路Ｐを示している。この図はまた、熱ブロック１の第１のブロック部１０を介してＬＥＤ３のアノードに正の駆動電圧Ｖ^＋を印加するとともに、第２のブロック部１１を介してＬＥＤ３のカソードに負の駆動電圧Ｖ⁻を印加するように構成されたドライバ５０を（非常に模式的に）示している。

図１１は、従来技術のＬＥＤ装置７を貫く断面図を示している。ここでは、例えばプリント回路基板（ＰＣＢ）のポリマー層などの誘電体７２に付けられた導電層からエッチングされた導電トラック７０、７１に、ＬＥＤ３が取り付けられている。この図はまた、第１の導電トラック７０を介してＬＥＤ３のアノードに正の駆動電圧Ｖ^＋を印加するとともに、第２の導電トラック７１を介してＬＥＤ３のカソードに負の駆動電圧Ｖ⁻を印加するように構成されたドライバ５０を（非常に模式的に）示している。誘電体７２がヒートシンク７３に取り付けられている。ＬＥＤ３の動作中に発生した熱は、先ず、導電トラック７０、７１を通ってＬＥＤ３から遠ざかるように輸送され、その後、ヒートシンク７３に到達する前に誘電体層７２を通り抜けなければならない。導電トラック７０、７１は熱の限られた部分しか放散させることができず、裂けた矢印によってここに指し示されるように、誘電体層７１が熱経路Ｐ_７内の障壁を示すので、誘電体層７２の存在がヒートシンク７３の効率を損ねてしまう。

本発明を好適な実施形態及びそれについての変形の形態で開示してきたが、理解されることには、それらには、本発明の範囲を逸脱することなく、数多の更なる変更及び変形が為され得る。

明瞭さのため、理解されるべきことには、この出願全体を通して“ａ”又は“ａｎ”の使用は、複数であることを排除せず、“有する”は、他の工程又は要素を排除しない。

１ 熱（サーマル）ブロックアセンブリ
１０、１１ 熱的且つ電気的に伝導性のブロック部
１２ 誘電体層
１３ 構造的支持部
１００、１１０ パッドのプレースメント領域
３ 発光ダイオード
３０ アノードパッド
３１ カソードパッド
４０、４１、４２、４３、４４ アライメント手段
５ ＬＥＤ照明装置
５０ ドライバ
７ 従来技術のＬＥＤ素子
７０、７１ 導電トラック
７２ 誘電体層
７３ ヒートシンク
Ｐ 全面的な熱経路
Ｇ ギャップ
Ｖ^＋ 正の駆動電圧
Ｖ⁻ 負の駆動電圧

本発明の上記目的は、請求項１の熱ブロックアセンブリによって達成され、請求項９のＬＥＤ装置によって達成され、また、熱ブロックアセンブリを製造する請求項１１の方法によって達成される。

Claims (15)

1. 発光ダイオードのアノードパッドへの接続用に具現化され、前記アノードパッドから来る熱に対する基本的に全面的な熱経路を提供する寸法にされた、第１の熱的且つ電気的に伝導性のブロック部と、
   前記発光ダイオードのカソードパッドへの接続用に具現化され、前記カソードパッドから来る熱に対する基本的に全面的な熱経路を提供する寸法にされた、第２の熱的且つ電気的に伝導性のブロック部と、
   ギャップのそれぞれの側で前記ブロック部の位置を固定するように前記ブロック部に付けられた接合層と、
   を有する熱ブロックアセンブリ。
2. ブロック部は、少なくとも１．０ｍｍの厚さ、より好ましくは少なくとも５．０ｍｍの厚さ、最も好ましくは少なくとも２０ｍｍの厚さを有する、請求項１に記載の熱ブロックアセンブリ。
3. ブロック部は、好ましくは銅である金属の中実ブロックを有する、請求項１又は２に記載の熱ブロックアセンブリ。
4. ブロック部は、複数の冷却フィンを有する、請求項１乃至３の何れかに記載の熱ブロックアセンブリ。
5. 前記接合層は、前記ブロック部に接着するように構成された誘電体層を有する、請求項１乃至４の何れかに記載の熱ブロックアセンブリ。
6. 前記接合層の熱膨張係数が、前記ブロック部の熱膨張係数に実質的に等しい、請求項１乃至５の何れかに記載の熱ブロックアセンブリ。
7. ブロック部は、ボトムコンタクト発光ダイオードの電極パッドを受けるように、好ましくはチップスケールパッケージ型ボトムコンタクト発光ダイオードの電極パッドを受けるように、整形されている、請求項１乃至６の何れかに記載の熱ブロックアセンブリ。
8. ２つ以上の発光ダイオードへの接続用に構成された、２つの第１のブロック部及び２つの第２のブロック部を有する、請求項１乃至７の何れかに記載の熱ブロックアセンブリ。
9. 請求項１乃至８の何れかに記載の熱ブロックアセンブリと、
   少なくとも１つの発光ダイオードであり、当該発光ダイオードのアノードパッドと第１のブロック部との間の第１の電気接続と、当該発光ダイオードのカソードパッドと第２のブロック部との間の第２の電気接続とによって、熱ブロックに取り付けられた発光ダイオードと、
   を有するＬＥＤ装置。
10. 第１のブロック部に正の駆動電圧を印加するとともに第２のブロック部に負の駆動電圧を印加するドライバ、を有する請求項９に記載のＬＥＤ装置。
11. 熱ブロックアセンブリを製造する方法であって、
    発光ダイオードのアノードパッドへの接続用の、前記アノードパッドから来る熱に対する基本的に全面的な熱経路を提供する寸法にされた、第１の熱的且つ電気的に伝導性のブロック部を提供する工程と、
    前記発光ダイオードのカソードパッドへの接続用に具現化され、前記カソードパッドから来る熱に対する基本的に全面的な熱経路を提供する寸法にされた、第２の熱的且つ電気的に伝導性のブロック部を提供する工程と、
    ギャップのそれぞれの側に前記ブロック部を配置する工程と、
    前記ブロック部に接合層を付けて前記ブロック部の位置を固定する工程と、
    を有する方法。
12. 前記第１及び第２のブロック部の１つ以上の外表面に対して複数の構造的支持部を配置する工程、を有する請求項１１に記載の方法。
13. 前記接合層とブロック部との間に接着結合を形成する工程、を有する請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 部品上及び／又は部品中にアライメント手段を配置し、製造段階中に前記熱ブロックアセンブリの２つ以上の部品をアライメントする工程、を有する請求項１１乃至１３の何れかに記載の方法。
15. 第１のブロック部の上面上のアノードプレースメント領域と、第２のブロック部の上面上のカソードプレースメント領域とを形成するレーザアブレーション工程、を有する請求項１１乃至１４の何れかに記載の方法。

Images