JP5011494B2 - 熱伝導／消散ユニット一体型半導体発光装置 - Google Patents

Description

本発明は発光装置、特に本発明により熱伝導/消散ユニットを一体化する発光装置に関する。

発光ダイオードは省電力、耐振、敏速応答といった多くの利点を有すると同時に大量生産が可能であるので、照明源として発光ダイオードを応用する現在の照明製品はますます広く採用されている。現在では、多くのメーカーは様々な外観の高輝度発光ダイオードパッケージ製品の製造に投資してきている。これらの高輝度発光ダイオードパッケージ製品はよりの大型発光チップを採用しているのでより高出力の要件を有している。高輝度発光ダイオードは従来の発光ダイオードより高輝度出力を発生させられるけれども、高輝度発光ダイオードもまた一定時間の連続発光後には大量の熱を発生させる。大量の発生熱により接合部温度が高温になりすぎる問題が引き起こされ、発光ダイオードの発光効率の減少につながって輝度の上昇が不可能となる。従って、高出力発光ダイオードを応用する様々なタイプの製品はすべて良好な熱消散機構を必要とする。

図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、図１Ａは従来技術による独立した装置としての熱消散ユニットを有する発光装置の模式図である。図１Ｂは図１Ａによる発光装置の横断面図である。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、半導体発光ユニット４にはベースプレート４６が含まれ、その上に複数のチップ４２が配置されるスロット４４がある。ベースプレート４６は金属材料、セラミック材料あるいは重合材料製である。ベースプレート４６の上には断熱層および伝導層がある。断熱層の上に置かれる伝導層は複数のチップ４２に電気接続される。複数のチップ４２による発生熱はベースプレート４６を通って伝導され、通常はフィンの形状をした熱消散プレートである熱消散ユニット５に到達する。複数チップ４２による発生熱は、熱消散用の熱消散ユニット５に直接接触しないで複数の材料層を通って伝導される。従って、熱が効率的に消散されるような敏速伝導は不可能であるとともに、チップの熱消散効率は熱伝導が遅いため精確な制御が不可能である。高出力の用途では、通常、発光ダイオードチップの接合部温度が安全範囲を超える。このタイプの熱消散ユニットは敏速な熱消散は不可能であるばかりでなく、熱消散効率の制御は精確には不可能でもある。高出力半導体発光ユニットは熱消散効率が不足して過熱に起因する損傷を特に受けやすい。

従って、本発明の範囲は高輝度半導体発光ユニットと良好な熱伝導/消散ユニットとが同時に含まれ得る発光装置の提供にある。該熱伝導/消散ユニットによりパッケージの層内温度抵抗が低下して、半導体チップの接合部温度が効果的に下がるとともに、高輝度の発光効果がもたらされるだけでなく、前述の熱消散問題が解決可能なものである。

本発明の範囲は発光装置の提供にある。本発明による発光装置には熱伝導/消散ユニットならびに少なくとも１つの半導体発光ユニットが含まれる。

熱伝導/消散ユニットには略円筒状の熱伝導装置と少なくとも１ヶ所の熱消散フィンが含まれる。該熱伝導装置には少なくとも１ヶ所の平坦部分がある。少なくとも１ヶ所の該熱消散フィンは該熱伝導装置の周囲に取り付けられる。少なくとも１つの半導体発光ユニットには受け座、複数の外側電極、少なくとも１つの半導体発光ダイならびに少なくとも２本の導線が含まれる。受け座は熱伝導装置の少なくとも１ヶ所の平坦部分に平坦に取り付けられる。複数の外側電極は受け座に配置される。少なくとも１つの半導体発光ダイは受け座に配置されると同時に、電源または地盤に接続されるようそれぞれ複数の外側電極に電気接続される。

発光装置が電源に接続されて発光する場合、発光装置による発生熱は少なくとも１ヶ所の平坦部分を通って熱伝導装置の少なくとも１ヶ所の消散フィンまで伝導された後に、熱は少なくとも１ヶ所の熱消散フィンによって消散される。

本発明による発光装置により、半導体発光ユニットと熱伝導/消散ユニットとが照明機関に熱消散効率性が組み込まれた熱消散機能を有する１つの独立した発光装置に効果的に一体化される。熱伝導/消散ユニットは円筒状熱伝導装置を通じて少なくとも１つの半導体発光ユニットによる発生熱伝導が可能である。
熱伝導装置は従来技術によるものと比較してより広い表面積を有するばかりでなく半導体発光ユニットからの熱伝導も可能である。その後、少なくとも１ヶ所の各フィンにより直ちに熱を周辺空気中に消散して熱消散効率が実質的に上げられる。従って、先行技術に比較して、本発明による発光装置は半導体発光ユニットを熱伝導装置の平坦部分に平坦に置くことによって効果的に接合部温度を下げると同時に、高効率発光ダイオードチップが必要とされる照明装置の用途により相応しいものである。

本発明による発光装置は現在の発光ダイオードユニットを現状の熱伝導/消散ユニットとともに効率的な熱伝導が可能であると同時に、一体化してより良好な消散効率を有する独立した１つの装置にできる。本発明の利点と精神は付録図面を使用した以降の詳細説明により理解可能である。

本発明によりP=N接合部が非常に高温になることによる高出力発光ダイオードチップの発光効率と製品寿命の低下を防止する高熱消散効率の高出力発光装置が提供される。さらに、本発明による発光装置は第１レベルの半導体発光ユニットを第２レベルの組立品の高効率熱消散ユニットと一緒に熱消散機能を有する１つの独立した一体発光装置に一体化するシステムが組み込まれたパッケージ構造を有する。

図２および図３を参照すると、図２は本発明による発光装置の外観透視図である。図３は本発明による図２の発光装置のＬ−Ｌ線に沿った横断面図である。本発明による発光装置１には熱伝導/消散ユニット１０および半導体発光ユニット２０が含まれる。

図２および図３に示される通り、熱伝導/消散ユニット１０には略円筒状熱伝導装置１２および少なくとも１ヶ所の熱消散フィン１４が含まれる。該熱伝導装置１２には熱伝導装置１２の片端または周囲に取り付けられる少なくとも１ヶ所の平坦部分がある。本発明のある実施例では、熱伝導装置１２は円筒のヒートパイプ、ヒートコラム、または銅またはアルミニウム製の高熱伝導率材料である。円筒長さは円筒熱伝導装置の製造中の処理によって作られる少なくとも１ヶ所の平坦部分の最大幅の２倍を越える。少なくとも１ヶ所のフィン１４は熱消散効率を上げるために熱伝導装置１２の周囲に取り付けられる。少なくとも１ヶ所の各消散フィン１４は、発光装置１の熱消散効率を上げるとともに、導線が貫通形成穴１４２を通って覆い隠されるように、加熱空気の消散用の少なくとも１ヶ所の熱消散フィン１４によって伝導される消散導管としての少なくとも１ヶ所の貫通形成穴１４２を有する。

図４を参照すると、図４は本発明の好ましい実施例による発光装置の上面透視図である。図４および図５に示されるように、少なくとも１つの半導体発光ユニット２０には受け座２２、複数の外側電極２４、少なくとも１つの半導体発光ダイ２６ならびに少なくとも２本の導線２８が含まれる。受け座２２は重合材料、金属材料またはセラミック材料製であるとともに、熱伝導装置１２の少なくとも１ヶ所の平坦部分に平坦に取り付けられる。受け座２２には少なくとも２本の導線２８を覆い隠すための複数の貫通形成穴２３がある。受け座２２にはさらに該受け座２２下部に配置されるとともに熱伝導装置１２に固定される保持具２１が含まれる。該受け座２２は噛合圧力を上げて噛合境界での熱抵抗係数が下がるように、複数の貫通形成穴２３が通り抜けるとともに保持具２１に複数のボルトでねじ止めされる。

少なくとも１つの半導体発光ダイ２６が受け座２２に配置されるとともに、それぞれ複数の外側電極２４に電気接続される。少なくとも２本の導線２８は複数の外側電極２４に電気接続される。少なくとも２本の導線２８は複数の消散フィン１４上の少なくとも１ヶ所の貫通形成穴１４２を通りぬけて電源または地盤に接続可能である。

本発明の実施例では、少なくとも１つの半導体発光ユニットにさらに受け座に配置される光学ユニットが含まれる少なくとも１つの半導体発光ダイを上に重ねるためのパッケージ材料が含まれる。光学ユニットは少なくとも１つの半導体発光ダイによる発光光を集中させるのに利用される。

再び図３を参照すると、図３に示された発光装置１が電源に電気接続される場合、少なくとも１つの半導体発光ダイ２６による発光中の発生熱は熱伝導装置１２の少なくとも１ヶ所の平坦部分を通って熱消散する少なくとも１つの熱消散フィン１４まで伝導される。というのは、本発明による少なくとも１つの半導体発光ダイは、電源または制御回路ユニットが少なくとも１つの半導体発光ダイ２６による発生熱エネルギーによって直接影響を受けるのが回避されるように、平坦に、継ぎ目なしで熱伝導/消散ユニット１２の少なくとも１ヶ所の平坦部分に受け座２２を通じて取り付けられると同時に、これには接続電源または制御ユニットから離れた一定間隔があるからである。

図３に示されるように、本発明による発光装置にはさらに組み立てを容易にする取り付け部品３０が含まれる。受け座２２に配置される取り付け部品３０には２つの弾性体がある。例えば、ユーザーが発光装置１を壁または天井にある貫通形成孔に組み立てたい場合には、ユーザーは最初に２つの該弾性体のそれぞれ曲げて、これらの弾性体が熱伝導装置１２と平行にしてから、発光装置１は壁または天井にある貫通形成孔に取り付け可能である。発光装置１の貫通形成穴への取り付け時に、２つの弾性体がその柔軟性によって最初の状態に戻り、該発光装置１が貫通形成穴と一緒に固定されるようになる。

図５、図６および図７を参照すると、図５、図６および図７は本発明による発光装置のいくつかの仕様を示す模式図である。前述の図から、本発明による発光装置は様々なタイプの熱伝導装置または受け座に限定されないことが分かり、様々な用途ニーズに応じて変更や改造が可能である。

本発明の実際の用途では、本発明による発光装置には少なくとも１つの発光ダイオードダイまたは少なくとも１つのレーザーダイオードダイを有する少なくとも１つの半導体発光ダイが含まれる。半導体発光ダイは青色発光ダイオードであってよいと同時に、複数赤色発光ダイオード、複数青色発光ダイオード、ならびに複数緑色発光ダイオードのそれぞれの制御用の少なくとも１つの赤色発光ダイオード、少なくとも１つの青色発光ダイオード、ならびに少なくとも１つの緑色発光ダイオードが含まれてもよく、様々な色の発光ダイオードは発光割合を様々に変えることによって様々な色の光を構成できる。

本発明による発光装置は効率的に熱伝導/消散ユニットを半導体発光ユニットと一体化し、高効率の熱消散機能のあるひとつの独立した発光装置にする。本発明による発光装置は、半導体発光ユニットを熱伝導装置の平坦部分に平坦に取り付けると同時に、熱を運び去って半導体発光ダイの接合部温度を効果的に下げる熱伝導装置の略円筒状構造が採用される。熱伝導/消散ユニットは、円筒状熱伝導装置を利用して少なくとも１台の半導体発光ユニットによる発生熱を効率的に伝導できる。該熱伝導装置は先行技術と比較して表面積がさらに広いばかりでなく、熱エネルギーを半導体発光ユニットから運び去ることもできる。少なくとも１つの熱消散フィンは熱伝導装置による発生熱を直ちに周辺空気まで伝えて熱消散効率を実質的に上げることができる。熱消散効率を改善することによって、過熱により起こる半導体発光ダイの効率低下問題が解決される。

従って、本発明による発光装置は半導体発光ユニットが熱伝導装置の平坦部分に平坦に取り付けられて、熱伝導装置の略円筒状構造を通じて熱が運び去られ、半導体発光ダイの接合部温度が効果的に下げられるため、本発光装置はより高ワット数（１０ワットを越える）まで作動可能であって実質的な発光効率が上がるものである。

上述の例と説明によって、本発明の特色と精神が十分説明されたことが期待される。専門技術者であれば、本発明に関する教唆を保持したままでも本装置に関する数多くの変更、修正がなされ得ることを容易に認めよう。従って、上述の公開内容は付録の請求項の範囲と制約によってのみ制約されるものと解されるべきである。

先行技術による独立した装置としての消散ユニットを有する発光装置の模式図。 先行技術による独立した装置としての熱消散ユニットを有する発光装置の横断面図。 本発明による発光装置の外観透視図。 図２の発光装置のＬ−Ｌ線に沿った横断面図。 本発明の好ましい実施例による発光装置の上部透視図。 本発明による発光装置の多くの仕様例を示す模式図。 本発明による発光装置の多くの仕様例を示す模式図。 本発明による発光装置の多くの仕様例を示す模式図。

Claims (11)

1. 少なくとも１ヶ所の平坦部分およびヒートパイプの周囲に取り付けられた少なくとも１つのフィンを有する略円筒状ヒートパイプを含む熱伝導/消散ユニット、
   該ヒートパイプの少なくとも１ヶ所の平坦部分上に平坦に取り付けられる底面を有する受け座が含まれ、該受け座に複数の第１貫通孔を有する少なくとも１つの半導体発光装置、
   ならびに受け座に配される複数の外側電極、
   受け座上に取り付けられると同時にそれぞれ複数の外側電極に電気接続される少なくとも１つの半導体発光ダイ、
   ならびに複数の外側電極に電気接続される少なくとも２本の導線、
   ならびに受け座下に配置されると同時に該ヒートパイプに取り付けられるとともに、該ヒートパイプの部分を収容するパイプ収容部を有し、該受け座を保持具上にねじ止めするために利用される複数の第一貫通孔を有する保持具、
   が含まれる発光装置。
2. 受け座が重合材料、金属材料あるいはセラミック材料から製造される請求項１の発光装置。
3. 少なくとも１つの半導体発光ユニットにさらに少なくとも１つの半導体発光装置による発光を集中させるために受け座上に取り付けられる光学ユニットが含まれる請求項１の発光装置。
4. ヒートパイプが高熱伝導率の材料から製造される円筒状装置であると同時に、該円筒状装置の高さが少なくとも１ヶ所の平坦部分の幅の２倍を越える請求項１の発光装置。
5. 少なくとも１ヶ所の平坦部分がヒートパイプの片端に位置する請求項１の発光装置。
6. 少なくとも１ヶ所の平坦部分がヒートパイプの周囲に位置する請求項１の発光装置。
7. 少なくとも１つの半導体発光ダイに少なくとも１つの発光ダイオードダイまたは少なくとも１つのレーザーダイオードダイが含まれる請求項１の発光装置。
8. 少なくとも１つ半導体発光ダイに青色光ダイオードダイが含まれる請求項１の発光装置。
9. 少なくとも１つの半導体発光ダイに少なくとも１つの赤色光ダイオードダイ、少なくとも１つの青色光ダイオードダイ、少なくとも１つの緑色光ダイオードダイが含まれる請求項１の発光装置。
10. さらに受け座上に取りつけられる埋め込み組立品が含まれ、前記発光装置が該埋め込み組立品を利用して任意物体を埋め込み可能である請求項１の発光装置。
11. 少なくとも１つの各熱消散フィンが有する少なくとも１つの第一貫通孔を通って少なくとも２本の導線が電源または地盤に電気接続される請求項１の発光装置。

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