JP5227948B2 - 改良されたヒートシンクを備えた発光ダイオード照明パッケージ - Google Patents

Description

本発明は、概略的には、発光ダイオード（ＬＥＤ）照明設備の分野において改良することに関し、より詳細には、ＬＥＤ照明設備の熱消失を改良する方法および装置に関する。

図１Ａ、１Ｂ、および１Ｃによって図示されるように、共通の従来技術ＬＥＤマウンティング配列は、光出力の実質部分が、図１Ｂに示すように半導体フォトニックチップ１２の上面に対して垂直方向で上向きに進む結果となる。ＬＥＤ１０の平面図である図１Ａに示されるように、半導体フォトニックチップ１２は回路基板１４上にマウントされ、またこの回路基板１４はボンディングパッド１６上にマウントされる。チップ１２は、チップ１２によって放出された光をフォーカスする光学レンズ１８の下にカプセル化される。

図１Ｂは、チップ１２の上面に対する法線Ｎに関連する複数の光線を伴うＬＥＤの側面図を示し、レンズ１８から出ていくようにチップ１２によって放出される光を図示する。ＬＥＤ１０は、本件特許出願人のＸＬａｍｐ（商標）７０９０である。

図１Ｃは、光強度Ｉを表すｙ軸および図１Ｂの法線方向Ｎに対する放出された光の角度θを表すｘ軸に関して、ＬＥＤ１０により放出された光の実例となるプロットを示している。図１Ｃに図示されるように、ＬＥＤから放出される光の実質部分は法線方向Ｎに沿うか、もしくは法線方向Ｎに近い。逆に言えば、わずかな割合のみが横方向に放出される。角度αは、強度に関連する角度であるが、２＊θに等しい。

法線方向Ｎに近く放出される光強度が大部分を占める典型的な従来技術のＬＥＤパッケージの更なる詳細に関しては、例えば、本件特許出願人のＸＬａｍｐ（商標）７０９０についての製品情報を参照されたい。

ＬＥＤ１０が電源オンされたとき、ＬＥＤ１０からの熱はボンディングパッド１６の底面１５に沿ってたまる。一般的には、フォトニックチップ１２の底から熱が放出する。典型的には、ＬＥＤ１０などのＬＥＤは、約３５０ｍアンペアで駆動され、消費電力の約９０％が熱となり、約１ワットの電力を消費する。ＬＥＤで生ずる熱の消失に関する従来のアプローチは、能動的および受動的な技術を含む。従来の能動的技術は、ＬＥＤ１０の背面上に冷気を送風するファンを採用することを含む。しかしながら、従来のファンを利用した技術のいくらかの不利な点は、コスト、美感を欠く外観、およびファンノイズを生ずることを含む。

１つの従来の受動的な技術は、照明設備の外側エッジから出ているフィン状の大きなアルミニウム突出部を備えたアルミニウムブロックを含む。このアプローチの失敗は、突出部を構成する材料に付加的コスト、付加的重量、およびフィンによりとらわれた熱気によって生じる気圧の高まりに起因して制限された熱消失を含む。

いくらかの局面に関して、本発明は、高電力型ＬＥＤによって生ずる熱に関して改良された受動的な熱消失技術が望まれていることを認識する。

いくらかの例示的な照明利用は、水平表面を照明すること、壁面洗浄、ディフューザの裏面照明などを含む。これらの各照明利用は、明度レベル、照明パターン、カラー均一性に関して異なる要求を持ち得る。ＬＥＤ１０などの複数のＬＥＤは、異なる照明利用、集光可能な放出光の明度、および配列に伴い変化するエリアごとに発生される熱の量、についての様々な要求を取り扱うよう設計される。例えば、特殊な照明用途は、高明度レベルを要求し得る。特殊な照明用途に要求される高い明度を満たすために、低い明度を要求する照明用途と同じ所定のエリア内に、より多くのＬＥＤが相互に近接して配置され得る。しかしながら、ＬＥＤが相互により近接して設置されればされるほど、ＬＥＤを含む集中したエリア内に熱がより多く発生する。

いくらかの局面の中で、本発明は、それ全体が参照されることによって本発明に取り込まれる「発光ダイオードパッケージ」という名の現在出願中の特許出願における説明に加えて、一般に、ＬＥＤ設備の改良を認識する。

本発明の１つの局面は、
共有された受動的な冷却構造を採用した、照明用途のための発光ダイオードの照明パッケージであって、
上面と底面をもつ平面シートを含む熱伝導性の材料からなるパネルと、
熱伝導性の材料からなるセル構造とを備え、前記セル構造は隣り合わせに連続して配置された複数の空洞セルを含み、前記セル構造の上部は前記パネルの前記底面に取り付けられて、開いた底部をもつ裏当て材を形成して、前記パネルから離れる前記空洞セルを通した自由な空気流を許容しており、
前記パネルの前記上面に熱的に結合された発光ダイオードのアレイを備え、これにより、この照明パッケージの前部から光が放出され、その結果、前記発光ダイオードのアレイによって光が放出されるとき、ファンを使用することなく前記裏当て材によってこの照明パッケージの前部から熱が受動的に消失し、上記アレイは個々の発光ダイオードの複数の列を含み、この照明パッケージは開いた裏部をもつことを特徴とする。
前記発光ダイオードのアレイはプリント回路基板の上面に取り付けられ、前記プリント回路基板の底面は、熱硬化型エポキシを用いて前記パネル上に取り付けられているのが望ましい。
本発明の別の局面は、熱伝導材料の裏当て材およびＬＥＤのアレイを含んでいる。「ＬＥＤのアレイ」という用語は、ここで使われているように、様々な構成および配列の１または２以上のＬＥＤのモジュールを意味する。裏当て材は、セル構造を含む。セル構造は、隣り合わせに連続して配置された複数の空洞セルを含む。ＬＥＤのアレイはプリント基板（ＰＣＢ）にマウントされる。２またはそれ以上のアレイに関するＰＣＢは、セル構造に取り付けられて、ＬＥＤの熱消失とカラー均一性とのバランスをとる。

本発明の他の局面は、空洞のチューブおよびＬＥＤのアレイを含む。ある実施形態において、空洞のチューブは、平坦な上面を有する。ＬＥＤのアレイは、プリント基板（ＰＣＢ）にマウントされる。ＬＥＤのアレイに関するＰＣＢは、空洞のチューブの上面に取り付けられる。

本発明の他の局面は、ＬＥＤに関する光ストリップに向けられる。光ストリップは、空洞のチューブおよびＬＥＤのアレイを含む。空洞のチューブは平坦な底面と、第１の開口端と、第２の開口端とを備える。第１の開口端は、第２の開口端によって画定されるエリアよりも小さいエリアを画定して、空洞のチューブ内に気圧差を作る。ＬＥＤのアレイは、プリント基板（ＰＣＢ）にマウントされ、ＬＥＤのアレイに関するＰＣＢは空洞のチューブの底部平面に取り付けられる。

本発明の更なる完全な理解は、本発明の他の特徴および利点と同様に、図面および特許請求の範囲を付随して後述する詳細な説明から明らかであろう。

図２は、本発明に関連する１フィート×１フィートの発光ダイオード（ＬＥＤ）照明パッケージ２００の平面図を示している。ＬＥＤ照明パッケージ２００は、アルミニウムなどの熱伝導性材料からなる裏当て材２１０を含む。セラミクス、プラスチック、などの他の熱伝導性材料を用いることができるが、豊富で比較的安いコストであるので、アルミニウムを用いることが好ましい。図２に示すような裏当て材２１０の構成は、図４の議論に関連してさらに説明されるであろう。

ＬＥＤ照明パッケージ２００は、４列のＬＥＤを含む。各列は、ＰＣＢ２２０Ａおよび２２０Ｂなどの２つのプリント基板（ＰＣＢ）を含んでいる。各ＰＣＢ上には、ＬＥＤ１０などの５つのＬＥＤがマウントされており、互いに電気的に直列接続されている。ＬＥＤ照明パッケージ２００のＬＥＤの合計数は、４０である。各ＰＣＢは、正電圧端子および負電圧端子（図示せず）を含む。ＰＣＢ２２０Ａの負電圧端子は、ＰＣＢ２２０Ｂの正電圧端子に電気的に接続されており、その結果、ある列を定義する１０個のＬＥＤは電気的に直列接続されている。２つのＰＣＢがＬＥＤの１列を構成するように示されているが、単一のＰＣＢがＬＥＤの特定の列について利用されてもよいことを認識されたい。１０個のＬＥＤからなる各列は、その隣の列とワイヤ２３０ＡからＤを介して電気的に並列に接続されており、かつ、隣接するＬＥＤの中央から水平方向に距離ｄで一定に離隔されている。例えば、図２の間隔ｄは約２．４インチである。垂直方向には、ＬＥＤは距離ｖで一定に離隔されており、ｖは約１インチである。裏当て材２１０は、好ましくは陽極酸化処理された白色アルミニウムであり、ＬＥＤから放出された光を反射する。環境温度が約２５℃においてＬＥＤ照明パッケージ２００に電力をかけたとき、クロスメンバ３１５Ａから３１５Ｃの温度は、定常状態において約５３℃である。

「発光ダイオードパッケージ」という名の特許出願において議論されているように、ｄが選択された距離より近接している限り、ＬＥＤに関する色均一性が処理されるであろう。一定に離隔された６や８のＬＥＤの列を含む他の配置もまた、テストされる。６列配置すなわち６０ＬＥＤにおいては、ｄはおおよそ１．７インチであり、安定温度は約６２度である。８列配置または８０ＬＥＤにおいては、ｄはおおよそ１．３３インチであり、定常状態温度は約７４度である。

図３は、本発明に従った代替の裏当て材配置３０５を採用した１フィート×１フィートのＬＥＤ照明パッケージ３００の平面図を示している。裏当て材配置３０５は、ラダー構造の形態である。裏当て材配置３０５は、アルミニウムのような熱伝導性材料からなり、好ましくは白光沢で陽極酸化処理されている。ラダー構造は、クロスメンバ３１５Ａから３１５Ｃに取り付けられた、上部メンバ３１０Ａおよび下部メンバ３１０Ｂを備えている。ＰＣＢ３２０Ａおよび３２０Ｂを備えたクロスメンバ３１５ＣのコンビネーションはＬＥＤモジュール３１７を構成する。例示的実施形態において示されるクロスメンバ３１５Ａから３１５Ｃは、おおよそ、１．５インチの幅、１フィートの長さ、１／１６インチの厚みである。クロスメンバ３１５Ａから３１５Ｃは、メンバ３１０Ａから３１０Ｂに固定的に取り付けられ、自由空間により隔離されている。図３には示されていないが、クロスメンバ３１５Ａから３１５Ｃは、熱伝導性材料のセル構造を備え、図４から７の議論にさらに関連して記述される。代替的に、各クロスメンバは、図８および９に示すように、空洞チューブにマウントされてよい。ＬＥＤのアレイを含むＰＣＢ３２０Ａおよび３２０ＢなどのＰＣＢは、クロスメンバ３１５Ａから３１５Ｃに取り付けられる。垂直に等距離ｖとは、この例示的な実施形態において、約１インチである。水平に等距離ｄとは、この例示的な実施形態において、約２．７５インチである。エッジ距離ｅとは、図３に示されるように、約３．２５インチである。クロスメンバの空隙によって、熱消失が増加して、所与の熱消失レベルについて、クロスメンバがより近接して配置されることを許容することが期待されるであろう。近接したクロスメンバを配置することにより、１フィート×１フィートパッケージにより多くの空間を許容して、追加のＬＥＤ列を加えて明度レベルを増大する。

図４は、図２に示される本発明に従った裏当て材２１０の一実施形態についての斜視図である。裏当て材２１０は、セル構造４１５に固定的に取り付けられたアルミニウムパネル４０５を含む。アルミニウムパネル４０５は、約１／１６インチの厚みを有する。

セル構造４１５は、約１／４インチの高さｈを有する。セル構造４１５は、隣り合わせに連続して配置されたセル４１０などの多数の六角形状の空洞セルから構成されている。各セルは約１／２インチの直径を有する。セル構造４１５は、アルミニウムパネル４０５と実質的に同じ長さおよび幅の大きさを有し、アルミニウムパネル４０５のエッジとセル構造４１５のエッジとを位置合わせされるようにされている。アルミニウムパネル４０５は、Ｌｏｃｔｉｔｅ（商標）３８４などの熱硬化型エポキシを用いて、セル構造４１５に適切に取り付けられてよい。しかしながら、アルミニウムは現在好ましいが、グラファイトなどの他の熱伝導性材料も用いられ得る。

ＰＣＢ２２０ＡやＰＣＢ２２０Ｂなどのプリント回路基板（ＰＣＢ）に付けられたＬＥＤ４２０などのＬＥＤから光が放出されるとき、アルミニウムパネル４０５および六角形状のセルの表面エリアから熱が消散する。

図５Ａから図５Ｅは、本発明に従ったセル４１０の代替的形状の平面図を示している。図５Ａは、環状セル５１０の平面図を示している。図５Ｂは、楕円セル５２０の平面図を示している。図５Ｃは、正方形セル５３０の平面図を示している。図５Ｄは、五角形セル５４０の平面図を示している。図５Ｅは、八角形セル５５０の平面図を示している。他のセル形状はセル構造４１５として用いられ得ることを理解されたい。図５Ｆは、同心円で構成されたセル５６０の平面図を示している。他のセル形状がセル構造４１５として用いられ得ることを理解されたい。図５のセル構造は、隣り合わせに連続して配置され得ることによって、代替的セル形状４１５に最適なセル構造を形成する。

図４および５に示されたセル構造は約１／２インチのセル直径を有するが、他のセル直径は、１／８インチから１インチの直径レンジを含んで用いられ得る。

図６は、図２において裏当て材２１０として最適に採用され得る本発明に従った代替的裏当て材配置６００の斜視図を示している。裏当て材配置６００は、図４と同様な方法でセル構造６１５に取り付けられた上部フラット（平面）パネル６０５を備えている。任意の底部フラットパネル６２０はセル構造６１５の底に取り付けられている。任意の底部フラットパネル６２０は実質的に平面パネル６０５と同じ大きさを有し、セル構造６１５に固定的に取り付けられている。ディスプレイモデル等の照明パッケージの裏面において、平面を要求する照明用途に対して底部フラットパネル６２０は採用され得る。ここで、照明パッケージ３００などの照明パッケージの底部フラットパネル６２０が、照明パッケージを壁に取り付けるときに利用される。

図７は、本発明に従った代替的裏当て材７００の部分の斜視図を示している。裏当て材７００において、セル構造７０５は、約１／４インチの高さｈを有する。セル構造７０５は、多数の六角形の空洞セルからなる。セル構造７０５は、六角形状の空洞セルを横断するｘ方向およびｙ方向の両方向に貫通された一連の１０個のボアを有している。ボア７１０などの各ボアは、直径約１／８インチを有する。隣接するボア同士の間隔は、中央において約１インチである。貫通されたボアの数は、各ボアの直径に依存していることを理解されたい。その結果、より多くのボアがより小さい直径で貫通される。さらに、ボアの変化する直径は代替的に用いられることを理解されたい。

図８は、図３に示す裏当て材３０５などの裏当て材としての使用に最適な、本発明に従った代替的裏当て材８００を示している。裏当て材８００は、３つのクロスバー８１０Ａから８１０Ｃと、熱的伝導性材料から作られた２つのフレームバー８２０Ａから８２０Ｂとを有する。簡単のために、ここではクロスバー８１０Ａのみを詳細に開示するが、クロスバー８１０Ｂから８１０Ｃはクロスバー８１０Ａと適宜同じにすることができる。クロスバー８１０Ａは、１インチ×１インチの正方形面を有する約１フィート長さの空洞バーであり、陽極酸化処理された黒色アルミニウムから好ましくは作られる。ＬＥＤ１０などの総数１０のＬＥＤを備える１またはそれ以上のＰＣＢは、クロスバー８１０Ａの上面にマウントされる。ボア８１５などの１０個のボアはクロスバー８１０Ａの側面に沿って貫通されている。フレームバー８２０Ａから８２０Ｂは、１インチ×１インチの正方形面を有する約１２インチ長さの空洞バーである。フレームバー８２０Ａから８２０Ｂは、クロスバー８１０Ａから８１０Ｃの底面にマウントされる。クロスバー８１０Ａから８１０Ｃは、フレームバー８２０Ａから８２０Ｂの中央について等間隔であり、クロスバー８１０Ａの中央がフレームバー８２０Ａから８２０Ｂの前端から約２．２５インチであり、クロスバー８１０Ｂはフレームバー８２０Ａから８２０Ｂの前端から約４．５インチであり、クロスバー８１０Ｃは、フレームバー８２０Ａから８２０Ｂの前端から約６．７５インチである。

図９は、本発明に従ったＬＥＤのストリップから熱を消失されるＬＥＤライトストリップ９００を示している。ＬＥＤライトストリップ９００は、空洞チューブ９０５の底面にマウントされたＬＥＤ９１０のストリップを有している。空洞チューブ９０５は、２つの開口端９１５Ａから９１５Ｂを有する。開口端９１５Ａは、空洞チューブ９０５に１インチ×１インチ正方形状の入り口を画定する。開口端９１５Ｂは、空洞チューブ９０５に１インチ×１．５インチの長方形状の出口を画定する。２つの開口端９１５Ａと９１５Ｂとのサイズの違いにより、開口端９１５Ａにおいて、（周囲の空気）が空洞チューブ９０５に流れるようにしており、ＬＥＤ９１０のストリップによって加熱された空気（air:エア）が開口端９１５Ｂにおいて空洞チューブ９０５から出て行くようにしている。ＬＥＤライトストリップ９００は天井や家具にマウントされてよく、机、テーブルなどの表面を照らすよう典型的に用いられる。空洞チューブは、好ましくは、黒く陽極酸化処理された長尺のアルミニウムである。

ＬＥＤ照明パッケージは、本件特許出願人のＸＬａｍｐ（商標）７０９０の文脈に開示されているが、パッケージ内に開示された大きさは、ＸＬａｍｐ（商標）３ ７０９０、ＸＬａｍｐ（商標）４５５０、およびＬＥＤ照明パッケージに採用される場合などの特別なＬＥＤの動作特性に基づいて変動し得る。

しかしながら、上述のセル構造は、多くの独立したセルを有するよう開示されているが、本発明は、ＬＥＤの配置に囲まれたエリアのサイズまで広がる一連の同心円などのセル内の一連のセルなどの様々な他の配置を意図している。図１０は、本発明に従った図４に示すセル構造についての代替的実施形態１０００の底面から見た図を示している。代替的実施形態１０００は、プリント回路基板１０１０の底面に取り付けられたアルミニウム、グラファイトなどの熱伝導性材料からなる一連の同心円１０２０を含む。ＰＣＢ１０１０は、その上面にマウントされた１またはそれ以上のＬＥＤ（図示せず）を含む。一連の同心円は、様々な範囲の高さを備え得る。好ましくは、高さは１インチに対して１／８インチの範囲である。代替的に、熱伝導性材料の平面シートは、一連の同心円１０２０およびＰＣＢ１０１０の間に挿入される。

ＬＥＤのアレイはプリント回路基板にマウントされるよう記述されていることに注意されたい。マウントする他の配置は裏当て材が熱的にＬＥＤアレイに結合されている限りにおいて可能である。上記実施形態において記述された１またはそれ以上のＬＥＤを備えるプリント回路基板（ＰＣＢ）が、Ｌｏｃｔｏｔｅ（商標）３８４などの熱硬化型エポキシや、スクリューやリベットなどを利用した他の周知の技術やその他の本発明で意図されるものなどを利用して、熱伝導性材料に好ましくマウントされることを注意されたい。また、上述のＰＣＢは、放出光の反射を助けるように白く、または特別な照明用途に付随して熱消失を助けるように黒く塗装され得る。

ＬＥＤモジュール３１７などの熱伝導性の裏当て材にマウントされるＰＣＢおよびＬＥＤコンビネーションを含むＬＥＤモジュールは、モジュラであり、特別な照明用途に従った様々な設定を扱うようアレンジされ得る。実施形態によっては、ＬＥＤ照明パッケージはＬＥＤモジュールおよび／またはＬＥＤのないサポートメンバを有し得る。ある実施形態では、ＬＥＤモジュールまたはサポートメンバはストリップとして記述されており、ＬＥＤモジュールの代替の形状および／または長さは、本発明にしたがって利用され得る。たとえば、同心円に配置されたＬＥＤモジュールは、スポットライト照明用途に的を絞って利用され得る。

文脈において、特別なパッケージの大きさを含む現在の好ましい実施形態の様々な側面に関して本発明は開示されているが、添付の特許請求の範囲と一致する、異なるパッケージの大きさおよびＬＥＤモジュール配置を含む他の環境に適切に本発明が適用され得ることが理解されるべきである。

従来技術のＬＥＤパッケージ配置を示す平面図である。 従来技術のＬＥＤパッケージ配置を示す側面図である。 法線となす角度に対して光放出の強度がどのように変化するかを示す図である。 本発明に従って１フィート×１フィートのＬＥＤ照明パッケージを示す平面図である。 本発明に従って図２に対して代替的な裏当て材の配置を有する１フィート×１フィートのＬＥＤ照明パッケージを示す平面図である。 本発明に関連して図２に示された裏当て材の実施形態を示す斜視図である。 本発明に従って図４に示されるセルの代替的形状を示す平面図である。 本発明に従って図４に示されるセルの代替的形状を示す平面図である。 本発明に従って図４に示されるセルの代替的形状を示す平面図である。 本発明に従って図４に示されるセルの代替的形状を示す平面図である。 本発明に従って図４に示されるセルの代替的形状を示す平面図である。 本発明に従って図４に示されるセルの代替的形状を示す平面図である。 本発明に従って底部フラットパネルに取り付けられた裏当て材２１０を示す斜視図である。 本発明に従って図６に示される裏当て材の一部を示す斜視図である。 本発明に従った図３に示される裏当て材の代替的実施形態を示す図である。 本発明に従ってＬＥＤのストリップから熱消失するためのＬＥＤライトストリップを示す図である。 本発明に従った図４に示すセル構造の代替的実施形態を示す底面図である。

Claims (9)

1. 共有された受動的な冷却構造を採用した、照明用途のための発光ダイオードの照明パッケージであって、
   上面と底面をもつ平面シートを含む熱伝導性の材料からなるパネルと、
   熱伝導性の材料からなるセル構造とを備え、前記セル構造は隣り合わせに連続して配置された複数の空洞セルを含み、前記セル構造の上部は前記パネルの前記底面に取り付けられて、開いた底部をもつ裏当て材を形成して、前記パネルから離れる前記空洞セルを通した自由な空気流を許容しており、
   前記パネルの前記上面に熱的に結合された発光ダイオードのアレイを備え、これにより、この照明パッケージの前部から光が放出され、その結果、前記発光ダイオードのアレイによって光が放出されるとき、ファンを使用することなく前記裏当て材によってこの照明パッケージの前部から熱が受動的に消失し、上記アレイは個々の発光ダイオードの複数の列を含み、この照明パッケージは開いた裏部をもつことを特徴とする、パッケージ。
2. 前記発光ダイオードのアレイはプリント回路基板の上面に取り付けられ、前記プリント回路基板の底面は、熱硬化型エポキシを用いて前記パネル上に取り付けられていることを特徴とする、請求項１に記載のパッケージ。
3. 前記平面シートは白光沢の陽極酸化処理されていることを特徴とする、請求項２に記載のパッケージ。
4. 各空洞セルは六角形セルの形状であることを特徴とする、請求項１に記載のパッケージ。
5. 各空洞セルは八角形セルの形状であることを特徴とする、請求項１に記載のパッケージ。
6. 前記パネルはアルミニウムから作られていることを特徴とする、請求項１に記載のパッケージ。
7. 前記セル構造はアルミニウムから作られていることを特徴とする、請求項６に記載のパッケージ。
8. 前記セル構造は前記複数の空洞セルを横切る複数のボアを有することを特徴とする、請求項１に記載のパッケージ。
9. 前記パッケージは１フィート×１フィートの大きさを有することを特徴とする、請求項１に記載のパッケージ。

Images