JP6151448B2 - 低発光障害の高出力ｌｅｄ街灯及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、低発光障害の高出力ＬＥＤ街灯及びその製造方法に関し、高出力ＬＥＤ街灯の技術分野に属する。

最近、発光ダイオード（LED：Light Emitting Diode）は、省エネルギー、高輝度及び小サイズ等の利点により照明用の光源として広範に適用されている。しかしながら、従来技術においては、ＬＥＤ光源の放熱構造は、通常、アルミニウム合金構造の冷却フィンを採用し、又は、放熱用の重いアルミニウム鋳造ピースを採用している。これらの構造が単純に見えるけれども、乏しい放熱効果、高い製造コスト、動作中にＬＥＤランプを効果的に冷却することができない等の欠点があり、そのため、１５０Ｗを超える出力を有する高出力ＬＥＤランプには相応しくない。一方で、放熱しながらプロファイルアルミニウムがカスケード温度を生成するので、ＬＥＤは、７０℃を超える温度下で動作し得、それは、ＬＥＤの劣化を加速し、実質的な発光障害現象が起こり、発光効率が大幅に低下し、それによってＬＥＤの電力消費を増加させ、耐用寿命を短くし、コストを高くする。さらに、高出力ＬＥＤ街灯の放熱の要求に適合するように、冷却フィンは、大きく製造され、そのため、大きなサイズ及び重い重量等の問題がある。従って、光源としてＬＥＤを採用する現在のＬＥＤ街灯の構造的なスタイルは望ましくなく、それは、ＬＥＤ光源の利点である省電力を十分に実現できない。

従来技術における欠点を克服するために、本発明の目的は、低発光障害の高出力ＬＥＤ街灯及びその製造方法を提供することであり、それは、単純な構造であり、小サイズであり、軽量であり、高い発光効率、長い耐用寿命及び低消費電力などの利点を有する。

本発明は、以下の通り実現される：本発明による低発光障害の高出力ＬＥＤ街灯の製造方法は、ＬＥＤバルブが載置された回路基板の放熱用の冷却要素としてＮ型半導体素子及びＰ型半導体素子を採用する段階であって、冷却要素としてＮ型半導体素子及びＰ型半導体素子を採用したときに、Ｎ型半導体素子又はＰ型半導体素子を製造する結晶バーを、予め一端が大きく、他端が小さい円錐形状の結晶バーになるように処理し、次いで、同一厚さを有するウエハを得るために円錐形状の結晶バーをスライス状に切断し、より小さな直径を有する表面が先端であると見なされ、より大きな直径を有する表面が末端であると見なされる段階と、各ウエハの末端の表面にカラーマークを作る段階と、次いで、同一の多角柱形状に各ウエハの円錐面を切断し、粒状化する段階であって、多角柱形状を有する半導体が、先端及び末端を有するＮ型又はＰ型半導体素子である段階と、次いで、Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子を上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ及び下部ベリリウム酸化物セラミックウエハの間にマトリクス形態で配列する段階であって、上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ及び下部ベリリウム酸化物セラミックウエハの両方に導電回路が提供される段階と、を含み、各列のＮ型半導体素子及びＰ型半導体素子が直列に接続され、直列に接続されるとき、Ｎ型半導体素子の先端が、Ｐ型半導体素子の末端に接続され、又は、Ｎ型半導体素子の末端が、Ｐ型半導体素子の先端に接続されるようになり、次いで、グラフェン熱伝導グリースオン層を介してＬＥＤバルブが載置される回路基板の背面に下部ベリリウム酸化物セラミックウエハを取り付ける段階と、上部ベリリウム酸化物セラミックウエハに放熱板を載置する段階と、次いで、放熱板を有する回路基板を街灯ハウジングに載置する段階と、を含む。

上記方法によって構成される低発光障害の高出力ＬＥＤ街灯は、街灯ハウジング、ＬＥＤバルブが載置された回路基板及び直流電源を備え、回路基板が、導電ワイヤを介して直流電源に接続され、回路基板及び直流電源が、街灯ハウジングに載置され、街灯ハウジングの下部に透過性カバーが備えられ、少なくとも１つの下部ベリリウム酸化物セラミックウエハが、グラフェン熱伝導グリースオン層を介して回路基板の後方に接続され、上部ベリリウム酸化物セラミックウエハが、下部ベリリウム酸化物セラミックウエハに備えられ、Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子が、マトリクス形態で上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ及び下部ベリリウム酸化物セラミックウエハの間に接続され、Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子の両方の端部に、Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子を製造するために使用される結晶バーの、切断前の向きが分かるように作られた電気伝導カラーマークが備えられ、カラーマークを有する端部が、Ｎ型半導体素子又はＰ型半導体素子の末端であり、カラーマークを有しない端部が、Ｎ型半導体素子又はＰ型半導体素子の先端であり、Ｎ型半導体素子の各列及びＰ型半導体素子の各列がそれぞれ、上部ベリリウム酸化物セラミックウエハに提供される上部導電プレート及び下部ベリリウム酸化物セラミックウエハに提供される下部導電プレートを介して直列に接続され、Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子の接続後の向きが、切断前の結晶バーの向きに一致するように、Ｎ型半導体素子の各列の先端が、Ｐ型半導体素子の各列の末端に接続され、又は、Ｎ型半導体素子の各列の末端が、Ｐ型半導体素子の各列の先端に接続され、Ｎ型半導体素子の各列及びＰ型半導体素子の各列が、列の最も外側の２つの端部に提供される上部導電プレート又は下部導電プレートの導電ワイヤを介して直流電源に接続され、ベリリウム銅プレートプレスブロックが、各上部ベリリウム酸化物セラミックウエハの上部表面に取り付けられ、放熱板が、ベリリウム銅プレートプレスブロックに載置される。

放熱板は、放熱アルミニウムベース、熱伝導パイプ及び冷却フィンからなり、放熱アルミニウムベースは、ベリリウム銅プレートプレスブロックにプレスされ、熱伝導パイプの下部は、平坦な形状になるように作られ、放熱アルミニウムベースの下部にある穴に組み込まれ、熱伝導パイプの下部の平坦な形状の表面は、ベリリウム銅プレートプレスブロックに取り付けられ、冷却フィンは、熱伝導パイプの上部に接続され、放熱アルミニウムベース上に配置され、放熱アルミニウムベースは、ネジで回路基板に固定される。

放熱板の熱伝導パイプは、熱伝導性液体で充填される。

街灯ハウジングの側部に放熱穴が備えられる。

Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子の通常の製造に基づく上記技術的方法の採用によって、半導体結晶バーは、切断後にカラーマークを有して作られ、Ｎ型半導体素子又はＰ型半導体素子の先端及び末端が、簡便な方法で区別され、先端又は末端の向きを整えることによって、切断前の結晶バーの向きに一致することができるようになる。そのようなものとして、Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子を採用する半導体の低温ドーム結合素子（cold dome couple element）を形成するとき、先端及び末端を区別することが容易であり、それによって、Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子を接続するとき、区別できない先端及び末端によって先端及び末端が無秩序に接続され、形成される半導体低温ドーム結合素子の動作効率が低減されるという従来技術における状況を避ける。本発明のＮ型半導体素子及びＰ型半導体素子を採用する低温素子を製造するとき、先端及び末端の秩序がある接続を実現することが簡便であり、それは、Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体子の各々の動作効率を増加させ、冷凍及び冷却デバイス全体の冷凍効果を効果的に増加させる。本発明のＮ型半導体素子及びＰ型半導体素子を採用して形成される半導体低温ドーム結合素子が動作中にあるとき、低温端部及び高温端部の間の温度差は、７３〜７８℃であり、冷凍効果は、従来技術に比べて非常に優れる。さらに、本発明において、Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子を採用するＬＥＤ光源の回路基板を直接冷却し冷凍し、又は熱除去を行うことを介して、ＬＥＤ光源の回路基板の動作温度は、大幅に低下され得る。本発明において、動作中、通常動作中に直流電源に電源供給装置を置くことだけが必要であり、同時に、ＬＥＤ光の回路基板のＬＥＤバルブは、通常動作し、Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子によって形成される半導体低温ドーム結合素子は、動作中に冷凍し始め、半導体低温ドーム結合素子の低温端部は、ＬＥＤ光源の回路基板を冷やし、冷凍し、半導体低温ドーム結合素子の高温端部によって生成される熱は、放熱板の熱伝導パイプを介して冷却フィンに伝わり、冷却フィンは、空気中に放熱する。試験後に、本発明の方法を用いた冷却及び放熱の状況下でＬＥＤ光源の回路の出力が２００Ｗであるとき、９０００時間の連続動作後に、ＬＥＤ光源の回路基板上のＬＥＤの温度は、６０℃を超えることはなく、ＬＥＤの発光障害現象は起こらない。２００Ｗの低発光障害のＬＥＤ街灯の重量は、５ｋｇ未満であり、それは、同一の出力の通常のＬＥＤ街灯の１／３であり、そのサイズは、同一の出力の通常のＬＥＤ街灯の１／２である。従って、従来技術と比較して、本発明は、良好な放熱効果、ＬＥＤ光源の大幅に低下した動作温度、発光障害がないこと、長い耐用寿命、良好な動作安定性及びＬＥＤバルブの増加した動作効率等の利点を有する。

本発明の概略構成図である。 街灯用のハウジング及び透過性カバーを取り外した後の、図１のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。

参照符号１は、街灯ハウジングを示し、参照符号１．１は、放熱ホールを示し、参照符号２は、回路基板を示し、参照符号３は、ＬＥＤバルブを示し、参照符号４は、グラフェン熱伝導グリース層を示し、参照符号５は、透過性カバーを示し、参照符号６は、Ｎ型半導体素子を示し、参照符号７は、Ｐ型半導体素子を示し、参照符号８は、上部ベリリウム酸化物セラミックウエハを示し、参照符号９は、下部ベリリウム酸化物セラミックウエハを示し、参照符号１０は、上部導電プレートを示し、参照符号１１は、下部導電プレートを示し、参照符号１２は、導電ワイヤを示し、参照符号１３は、直流電源を示し、参照符号１４は、ベリリウム銅プレートプレスブロックを示し、参照符号１５は、放熱板を示し、参照符号１５．１は、放熱アルミニウムベースを示し、参照符号１５．２は、熱伝導パイプを示し、参照符号１５．３は、冷却フィンを示し、参照符号１５．４は、熱伝導性液体を示し、参照符号１６は、ネジを示す。

本発明は、添付の図面及び実施形態を参照して以下にさらに詳細に記載される。

本発明の実施形態：本発明による低発光障害の高出力ＬＥＤ街灯の製造方法は、ＬＥＤバルブが載置された回路基板の放熱用の冷却要素としてＮ型半導体素子及びＰ型半導体素子を採用する段階を含み、冷却要素としてＮ型半導体素子及びＰ型半導体素子を採用したときに、Ｎ型半導体素子又はＰ型半導体素子を製造する結晶バーが、予め一端が大きく、他端が小さい円錐形状の結晶バーになるように処理され（結晶の小さい端部の直径は、実際の要求に応じて決定され得、そのテーパ度は、２から５度の範囲で制御され得る）、次いで、円錐形状の結晶バーが、同一厚さを有するウエハを得るためにスライス状に切断され、より小さな直径を有する表面が先端であると見なされ、より大きな直径を有する表面が末端であると見なされ、カラーマークが、各ウエハの末端の表面に作られ、次いで、各ウエハの円錐面が、同一の多角柱形状に切断され、粒状化され、多角柱形状を有する半導体が、先端及び末端を有するＮ型又はＰ型半導体素子であり、次いで、Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子が、上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ及び下部ベリリウム酸化物セラミックウエハの間にマトリクス形態で配列され、それらの両方に導電回路が提供され、各列のＮ型半導体素子及びＰ型半導体素子が直列に接続され、直列に接続されるとき、Ｎ型半導体素子の先端が、Ｐ型半導体素子の末端に接続され、又は、Ｎ型半導体素子の末端が、Ｐ型半導体素子の先端に接続されるようになり、次いで、下部ベリリウム酸化物セラミックウエハが、グラフェン熱伝導グリースオン層を介してＬＥＤバルブが載置される回路基板の背面に取り付けられ、放熱板が上部ベリリウム酸化物セラミックウエハに載置され、次いで、回路基板が、放熱板と共に街灯ハウジングに載置される。

上記方法による低発光障害の高出力ＬＥＤ街灯の構造は、図１及び図２に示される通りであり、低発光障害の高出力ＬＥＤ街灯は、街灯ハウジング１、ＬＥＤバルブ３が載置された回路基板２及び直流電源１３を含み、それらの全ては、従来技術における製品を採用し得る。街灯ハウジングは、プラスチック又は金属材料で作られる街灯ハウジング製品を採用することができ、電極ホルダーと接続する末端シートが備えられる。回路基板２は、導電ワイヤを介して直流電源１３に接続され、回路基板２及び直流電源１３は、街灯ハウジング１に載置される。少なくとも１つの下部ベリリウム酸化部セラミックウエハ９（回路基板２の後方に接続される下部ベリリウム酸化物セラミックウエハ９の数は、使用される回路基板２の面積に応じて決定され得、製造中に、回路基板２の後方に、好ましくは、下部ベリリウム酸化物セラミックウエハ９が完全に取り付けられる）は、グラフェン熱伝導グリースオン層４を介して回路基板２の後方に接続される。次いで、上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ８は、下部セラミック酸化物ウエハ９に提供され、一方で、通常のマトリクス形態で配置されるＮ型半導体素子６及びＰ型半導体素子７は、上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ８及び下部ベリリウム酸化物セラミックウエハ９の間に接続される。載置するとき、Ｎ型半導体及びＰ型半導体の両方の端部に電気伝導カラーマークが備えられ、カラーマークを有する端部がＮ型半導体素子６又はＰ型半導体素子７の末端と見なされ、カラーマークを有しない端部が、Ｎ型半導体素子６又はＰ型半導体素子７の先端と見なされる。Ｎ型半導体素子６の各列及びＰ型半導体素子７の各列がそれぞれ、上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ８に提供される上部導電プレート１０及び下部ベリリウム酸化物セラミックウエハ９に提供される下部導電プレート１１を介して直列に接続され、Ｎ型半導体素子６の各列の先端が、Ｐ型半導体素子７の各列の末端に接続され、Ｎ型半導体素子６の各列及びＰ型半導体素子７の各列が、列の最も外側の２つの端部に提供される上部導電プレート１０又は下部導電プレート１１の導電ワイヤ１２を介して直流電源１３に接続されるようになる。高い機械強度及び伝導性を有するベリリウム銅プレートプレスブロック１４は、各上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ８の上部表面に取り付けられ、放熱板１５は、ベリリウム銅プレートプレスブロック１４に載置される。放熱板１５は、放熱アルミニウムベース１５．１、熱伝導パイプ１５．２及び冷却フィン１５．３からなる（図１及び図２に示されるように）。放熱アルミニウムベース１５．１は、ベリリウム銅プレートプレスブロック１４にプレスされ、熱伝導パイプ１５．２の下部は、平坦な形状になるように作られ、放熱アルミニウムベース１５．１の下部にある穴に組み込まれ、一方、熱伝導パイプ１５．２の下部の平坦な形状の表面は、ベリリウム銅プレートプレスブロック１４に取り付けられ、次いで、冷却フィン１５．３は、熱伝導パイプ１５．２の上部に接続され、冷却フィン１５．３は、放熱アルミニウムベース１５．１上に配置され、次いで、放熱アルミニウムベース１５．１は、ネジ１６で回路基板２に固定される（接続するとき、ネジ１６及び回路基板２が互いに絶縁されることに留意すべきである）。より良好な熱伝導及び放熱を実現するために、熱伝導性液体１５．４は、熱伝導パイプ１５．２に充填され得、熱伝導性液体１５．４が充填されるとき、熱伝導パイプ１５．２の空間が完全に充填されるべきではなく、熱伝導性液体１５．４がそこに流れるように特定の空間が残っているべきであることに留意すべきである。熱伝導性液体１５．４は、標準海水、蒸留水又は変圧器油であり得る。より良好な放熱を実現するために、放熱穴１．１は、街灯ハウジング１の対称的な両方の側部に提供され得る。最後に、透過性カバー５は、街灯ハウジング１の下部に載置される。透過性カバー５は、通常の方式でガラス又は有機ガラスで作られ得る。

１ 街灯ハウジング
１．１ 放熱ホール
２ 回路基板
３ ＬＥＤバルブ
４ グラフェン熱伝導グリース層
５ 透過性カバー
６ Ｎ型半導体素子
７ Ｐ型半導体素子
８ 上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ
９ 下部ベリリウム酸化物セラミックウエハ
１０ 上部導電プレート
１１ 下部導電プレート
１２ 導電ワイヤ
１３ 直流電源
１４ ベリリウム銅プレートプレスブロック
１５ 放熱板
１５．１ 放熱アルミニウムベース
１５．２ 熱伝導パイプ
１５．３ 冷却フィン
１５．４ 熱伝導性液体
１６ ネジ

Claims (5)

1. ＬＥＤバルブが載置された回路基板の放熱用の冷却要素としてＮ型半導体素子及びＰ型半導体素子を採用する段階であって、前記冷却要素として前記Ｎ型半導体素子及び前記Ｐ型半導体素子を採用したときに、前記Ｎ型半導体素子又は前記Ｐ型半導体素子を製造する結晶バーを、予め一端がより大きく、他端がより小さい円錐形状の結晶バーになるように処理し、次いで、同一厚さを有するウエハを得るために前記円錐形状の結晶バーをスライス状に切断し、より小さな直径を有する表面が先端であると見なされ、より大きな直径を有する表面が末端であると見なされる段階と、
   各ウエハ前記末端の表面にカラーマークを作る段階と、
   次いで、同一の多角柱形状に各ウエハの円錐面を切断し、粒状化する段階であって、前記多角柱形状を有する半導体が、前記先端及び前記末端を有するＮ型又はＰ型半導体素子である段階と、
   次いで、前記Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子を上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ及び下部ベリリウム酸化物セラミックウエハの間にマトリクス形態で配列する段階であって、前記上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ及び前記下部ベリリウム酸化物セラミックウエハの両方に導電回路が提供される段階と、
   を含み、
   各列の前記Ｎ型半導体素子及び前記Ｐ型半導体素子が直列に接続され、直列に接続されるとき、前記Ｎ型半導体素子の先端が、前記Ｐ型半導体素子の末端に接続され、又は、前記Ｎ型半導体素子の末端が、前記Ｐ型半導体素子の先端に接続されるようになり、
   次いで、グラフェン熱伝導グリースオン層を介して前記ＬＥＤバルブが載置される前記回路基板の背面に前記下部ベリリウム酸化物セラミックウエハを取り付ける段階と、
   前記上部ベリリウム酸化物セラミックウエハに放熱板を載置する段階と、
   次いで、前記放熱板を有する前記回路基板を街灯ハウジングに載置する段階と、
   を含む、低発光障害の高出力ＬＥＤ街灯の製造方法。
2. 街灯ハウジング（１）、ＬＥＤバルブ（３）が載置された回路基板（２）及び直流電源（１３）を備える低発光障害の高出力ＬＥＤ街灯であって、
   前記回路基板（２）が、導電ワイヤを介して前記直流電源に接続され、
   前記回路基板（２）及び前記直流電源（１３）が、前記街灯ハウジング（１）に載置され、
   前記街灯ハウジング（１）の下部に透過性カバー（５）が備えられ、
   少なくとも１つの下部ベリリウム酸化物セラミックウエハ（９）が、グラフェン熱伝導グリースオン層（４）を介して前記回路基板（２）の後方に接続され、
   上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ（８）が、前記下部ベリリウム酸化物セラミックウエハ（９）に備えられ、
   Ｎ型半導体素子（６）及びＰ型半導体素子（７）が、マトリクス形態で前記上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ（８）及び前記下部ベリリウム酸化物セラミックウエハ（９）の間に接続され、
   前記Ｎ型半導体素子（６）及び前記Ｐ型半導体素子（７）の両方の端部に、前記Ｎ型半導体素子（６）及び前記Ｐ型半導体素子（７）を製造するために使用される結晶バーの、切断前の向きが分かるように作られた電気伝導カラーマークが備えられ、
   前記カラーマークを有する端部が、前記Ｎ型半導体素子（６）又は前記Ｐ型半導体素子（７）の末端であり、
   前記カラーマークを有しない端部が、前記Ｎ型半導体素子（６）又は前記Ｐ型半導体素子（７）の先端であり、
   Ｎ型半導体素子（６）の各列及びＰ型半導体素子（７）の各列がそれぞれ、前記上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ（８）に提供される上部導電プレート（１０）及び前記下部ベリリウム酸化物セラミックウエハ（９）に提供される下部導電プレート（１１）を介して直列に接続され、
   前記Ｎ型半導体素子（６）及び前記Ｐ型半導体素子（７）の接続後の向きが、切断前の前記結晶バーの向きに一致するように、前記Ｎ型半導体素子（６）の各列の先端が、前記Ｐ型半導体素子（７）の各列の末端に接続され、又は、前記Ｎ型半導体素子（６）の各列の末端が、前記Ｐ型半導体素子（７）の各列の先端に接続され、
   Ｎ型半導体素子（６）の各列及びＰ型半導体素子（７）の各列が、前記列の最も外側の２つの端部に提供される前記上部導電プレート（１０）又は前記下部導電プレート（１１）の導電ワイヤ（１２）を介して直流電源（１３）に接続され、
   ベリリウム銅プレートプレスブロック（１４）が、各上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ（８）の上部表面に取り付けられ、
   放熱板（１５）が、前記ベリリウム銅プレートプレスブロック（１４）に載置される、低発光障害の高出力ＬＥＤ街灯。
3. 前記放熱板（１５）が、放熱アルミニウムベース（１５．１）、熱伝導パイプ（１５．２）及び冷却フィン（１５．３）からなり、
   前記放熱アルミニウムベース（１５．１）が、前記ベリリウム銅プレートプレスブロック（１４）にプレスされ、
   前記熱伝導パイプ（１５．２）の下部が、平坦な形状になるように作られ、前記放熱アルミニウムベース（１５．１）の下部にある穴に組み込まれ、
   前記熱伝導パイプ（１５．２）の下部の平坦な形状の表面が、前記ベリリウム銅プレートプレスブロック（１４）に取り付けられ、
   前記冷却フィン（１５．３）が、前記熱伝導パイプ（１５．２）の上部に接続され、前記放熱アルミニウムベース（１５．１）上に配置され、
   前記放熱アルミニウムベース（１５．１）が、ネジ（１６）で前記回路基板（２）に固定される、
   請求項２に記載の低発光障害の高出力ＬＥＤ街灯。
4. 前記放熱板（１５）の前記熱伝導パイプ（１５．２）が、熱伝導性液体（１５．４）で充填される、請求項３に記載の低発光障害の高出力ＬＥＤ街灯。
5. 前記街灯ハウジング（１）の側部に放熱穴（１．１）が備えられる、請求項２に記載の低発光障害の高出力ＬＥＤ街灯。

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