JP6151449B2 - 高出力ｌｅｄランプ冷却デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高出力ＬＥＤランプ冷却デバイス及びその製造方法に関し、高出力ＬＥＤランプ用の放熱及び冷却技術の分野に属する。

ＬＥＤランプの発光効率は、ＬＥＤランプバルブの品質に依存するだけではなく、より重要なことに、動作中のＬＥＤランプの温度にも依存し、特に、高出力ＬＥＤランプが動作中にあるとき、温度が５５℃を超えると、温度が１℃増加する毎にその発光効率が約２％低下し、従って、ＬＥＤランプ、特に高出力ＬＥＤランプが動作中にあるときに冷却処理が重要である。従来技術において、高出力ＬＥＤランプは、通常、空気冷却によって、又は半導体冷却デバイスを用いて冷却される。電圧が印加されるとＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子の高温端部及び低温端部において異なる温度が生じるという特徴は、半導体冷却又は加熱デバイスの製造の分野に広く適用されている。現在、冷却デバイスを製造するためにＮ型又はＰ型半導体素子が使用されるとき、Ｎ型又はＰ型半導体素子の方向を常に考慮しなければならず、すなわち、Ｎ型又はＰ型半導体素子が接続されると、Ｎ型又はＰ型半導体素子の先端及び末端が区別できず、Ｎ型又はＰ型半導体素子の任意の端部が相互に接続され、先端及び末端に関わりなくこのような接続の方式は、半導体素子の動作効率を低下させ、消費電力を増加させるだけではなく、製造された冷却デバイスが所望の冷却温度に達しないようにする。一般的に言えば、一般的な方法で製造された冷却デバイスに関して、その高温端部及び低温端部の間の温度差は、約６０度に達し得るだけである。従って、冷却デバイス、特に高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスを製造するための既存のＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子の使用の効果は、望まれるものより低い。

従来技術における欠陥を解消するために、本発明の対象は、高出力ＬＥＤランプ冷却デバイス及びその製造方法を提供することであり、それは、良好な冷却効果、高い動作効率及び低いエネルギー消費によって特徴づけられる。

本発明は、以下のように実施される：Ｎ型半導体素子又はＰ型半導体素子で作られる高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスの製造方法において、Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子が高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスの部品として使用されるとき、Ｎ型半導体素子又はＰ型半導体素子を製造するために使用される半導体結晶バーを予め円錐状の結晶バーに製造し、その一端が大きな直径を有し、その他端が小さな直径を有し、同一厚さを有するウエハを得るために円錐状の半導体結晶バーをスライス状に切断し、ウエハの小さな直径の端部が先端であり、大きな直径の端部が末端であり、次いで、各ウエハの末端の表面にカラーマークを作り、次いで、同一の多角柱形状に各ウエハの円錐面を切断し、ペレット化し、多角柱の半導体が、先端及び末端を有するＮ型半導体素子又はＰ型半導体素子であり、Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子を、導電回路を備える２つのベリリウム酸化物セラミックチップの間にマトリクス形態で配置し、Ｎ型半導体素子の各列の先端がＰ型半導体素子の末端に直列的に接続され、又は、Ｎ型半導体素子の各列の末端がＰ型半導体素子の先端に接続されるように、Ｎ型半導体素子の各列をＰ型半導体素子に互いに直列的に接続する。

多角柱は、四角柱、又は正方形柱、又は正六角形柱、又は正八角形柱、又は正十角形柱、又は正十二角形柱である。

上記方法によって構成される高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスは、導電回路を備える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置されるＮ型半導体素子及びＰ型半導体素子を備え、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、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それぞれ直列的に接続され、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上の導電ワイヤを介して直流電源に接続される。

ベリリウム銅プレートプレスブロックは、上部ベリリウム酸化物セラミックウエハの上部表面に付けられ、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載置され、下部ベリリウム酸化物セラミックウエハの下部表面は、グラフェン熱伝導グリースオン層を介して熱伝導均一温度プレートに付けられ、熱伝導均一温度プレートに、ＬＥＤバルブが載置された高出力ＬＥＤランプ回路が備えられ、熱伝導均一温度プレートの両端部は、それぞれネジを用いてアルミニウムベースに接続される。

アルミニウムベースに、放熱板の熱伝導パイプを載置する熱パイプ載置ホールが提供される。

熱伝導均一温度プレートは、ＬＥＤバルブの高出力ＬＥＤランプ回路を載置するための印刷回路基板である。

Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子の一般的な製造に基づく上記技術的解決方法によって、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、便利な方法で区別され、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。このように、本発明における半導体素子が使用されると、先端及び末端を区別することが容易であり、そのため、区別できない先端及び末端のためにＮ型半導体素子が従来技術に接続されるときにおける不規則な接続の発生を避けることができる。本発明におけるＮ型又はＰ型半導体素子が冷却デバイスを製造するために使用されるとき、先端−末端の順序の規則的な接続は、便利な方法で実施することができ、それによって、冷却デバイス全体の冷却効果に加えて、効果的に各Ｎ型又はＰ型半導体素子の動作効率を改善することができる。試験を通じて、本発明によって製造された高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスが使用されると、その低温端部及び高温端部の間の温度差が約７３℃から７８℃に達し、本発明による冷却デバイスが、使用に際して２００Ｗの高出力ＬＥＤランプに載置されると、高出力ＬＥＤランプの回路基板が長時間にわたり４５℃以下に安定され得ることが保証され、そのため、高出力ＬＥＤランプの作業効率を改善し、及び高出力ＬＥＤランプの耐用寿命を延ばす。従って、従来技術と比較して、本発明は、良好な冷却効果、高い動作効率及び低いエネルギー消費を有するだけではなく、高出力ＬＥＤランプの発光障害を低減し、高出力ＬＥＤランプの耐用寿命を延ばすこともできる。

本発明の構成概略図である。

参照符号１は、アルミニウムベースを示し、参照符号２は、熱パイプ載置ホールを示し、参照符号３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４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５は、上部導電プレートを示し、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、下部導電プレートを示し、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、グラフェン熱伝導グリース層を示し、参照符号１１は、熱伝導均一温度プレートを示し、参照符号１２は、導電ワイヤを示し、参照符号１３は、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。

本実施形態は、以下の通りである：Ｎ型半導体素子又はＰ型半導体素子で作られる高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスの製造方法において、一般的な方法を用いてＮ型半導体素子及びＰ型半導体素子が高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスの部品として使用されるとき、Ｎ型半導体素子又はＰ型半導体素子を製造するために使用される半導体結晶バーを予め円錐状の結晶バーに製造し、その一端が大きな直径を有し、その他端が小さな直径を有し、同一厚さを有するウエハを得るために円錐状の半導体結晶バーをスライス状に切断し、ウエハの小さな直径の端部が先端であり、大きな直径の端部が末端であり、次いで、導電材料で作られるカラー（例えば、銅、アルミニウム又は銀等の導電材料で作られるカラー）を用いて各ウエハの末端の表面にカラーマークを作り、次いで、同一の多角柱形状に各ウエハの円錐面を切断し、ペレット化し、多角柱が、使用の要求に応じて四角柱、正方形柱、正六角形柱、正八角形柱、正十角形柱、又は正十二角形柱として作られ、多角柱形状を有する製造された半導体が、先端及び末端を有するＮ型半導体素子又はＰ型半導体素子であり、Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子を、導電回路を備える２つのベリリウム酸化物セラミックチップの間に一般的なマトリクス形態で配置し、Ｎ型半導体素子の各列の先端がＰ型半導体素子の末端に直列的に接続され得、又は、Ｎ型半導体素子の各列の末端がＰ型半導体素子の先端に接続され得るように、Ｎ型半導体素子の各列をＰ型半導体素子に互いに直列的に接続する。

上記方法によって構成される高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスの構成概略図は、図１に示され、この冷却デバイスは、導電回路を備える上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ４及び下部ベリリウム酸化物セラミックウエハ９の間に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を備え、Ｎ型半導体６及びＰ型半導体７の両方の端部に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の末端であると見なされ、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の先端であると見なされ、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、上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ４に提供される上部導電プレート５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８を介してそれぞれ直列的に接続され、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、又は、Ｎ型半導体素子６の各列の末端が、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、列の最も外側の端部に提供される上部導電プレート５又は下部導電プレート８上の導電ワイヤ１２を介して直流電源に接続され（図１に示されるように）、製造中に、ベリリウム銅プレートプレスブロック３が、上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ４の上部表面に付けられ、放熱アルミニウムベース１が、ベリリウム銅プレートプレスブロック３に載置され、一方で、アルミニウムベース１が、放熱板の熱伝導パイプを載置する熱パイプ載置ホール２を有して製造され、下部ベリリウム酸化物セラミックウエハ９の下部表面が、グラフェン熱伝導グリースオン層１０を介して熱伝導均一温度プレート１１に付けられ、熱伝導均一温度プレート１１が、一般的な高出力ＬＥＤランプ回路によってＬＥＤバルブが載置された高出力ＬＥＤランプ回路を有して製造され、熱電動均一温度プレート１１がまた、ＬＥＤバルブの高出力ＬＥＤランプ回路を載置するための既存の印刷回路基板を直接的に使用することができ、最後に、熱伝導均一温度プレート１１の両端部が、それぞれネジ１３を用いてアルミニウムベース１に接続される。

本発明による高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスを用いるとき、高出力ＬＥＤランプハウジング内にデバイスを載置し、熱伝導均一温度プレート１１にＬＥＤバルブを載置し、一方で、アルミニウムベース１の熱パイプ載置ホール２に放熱板の熱伝導パイプをクランプし、それぞれ導電ワイヤ１２の出力線及び熱伝導均一温度プレート１１と直流電源を接続することだけが必要である。

１ 放熱アルミニウムベース
２ 熱パイプ載置ホール
３ ベリリウム銅プレートプレスブロック
４ 上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ
５ 上部導電プレート
６ Ｎ型半導体素子
７ Ｐ型半導体素子
８ 下部導電プレート
９ 下部ベリリウム酸化物セラミックウエハ
１０ グラフェン熱伝導グリースオン層
１１ 熱伝導均一温度プレート
１２ 伝導ワイヤ
１３ ネジ

Claims (6)

1. 高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスの製造方法であって、
   前記高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスの冷却部品としてＮ型半導体素子及びＰ型半導体素子を用いることを含み、
   前記Ｎ型半導体素子及びＰ型半導体素子が前記高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスの冷却部品として使用されるとき、
   前記Ｎ型半導体素子又はＰ型半導体素子を製造するために使用される半導体結晶バーを予め円錐状の結晶バーに製造する段階であって、その一端が大きな直径を有し、その他端が小さな直径を有する段階と、
   同一厚さを有するウエハを得るために前記円錐状の半導体結晶バーをスライス状に切断する段階であって、前記ウエハの小さな直径の端部が先端であり、前記大きな直径の端部が末端である段階と、
   次いで、各ウエハの前記末端の表面にカラーマークを作る段階と、
   を含み、
   次いで、同一の多角柱形状に各ウエハの円錐面を切断し、ペレット化する段階であって、前記多角柱の半導体が、先端及び末端を有する前記Ｎ型半導体素子又はＰ型半導体素子である段階と、
   前記Ｎ型半導体素子及び前記Ｐ型半導体素子を、導電回路を備える２つのベリリウム酸化物セラミックチップの間にマトリクス形態で配置する段階と、
   前記Ｎ型半導体素子の各列の先端が前記Ｐ型半導体素子の末端に直列的に接続され、又は、前記Ｎ型半導体素子の各列の末端が前記Ｐ型半導体素子の先端に接続されるように、Ｎ型半導体素子の各列をＰ型半導体素子に互いに直列的に接続する段階と、
   を含む、高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスの製造方法。
2. 前記多角柱が、四角柱、又は正方形柱、又は正六角形柱、又は正八角形柱、又は正十角形柱、又は正十二角形柱である、請求項１に記載の高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスの製造方法。
3. 導電回路を備える上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ（４）及び下部ベリリウム酸化物セラミックウエハ（９）の間に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）を備える高出力ＬＥＤランプ冷却デバイスであって、
   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、前記上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ（４）に提供される上部導電プレート（５）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（８）を介してそれぞれ直列的に接続され、
   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端部に提供される前記上部導電プレート（５）又は前記下部導電プレート（８）上の導電ワイヤ（１２）を介して直流電源に接続される、高出力ＬＥＤランプ冷却デバイス。
4. ベリリウム銅プレートプレスブロック（３）が、前記上部ベリリウム酸化物セラミックウエハ（４）の上部表面に付けられ、
   放熱アルミニウムベース（１）が、前記ベリリウム銅プレートプレスブロック（３）に載置され、
   前記下部ベリリウム酸化物セラミックウエハ（９）の下部表面が、グラフェン熱伝導グリースオン層（１０）を介して熱伝導均一温度プレート（１１）に付けられ、
   前記熱伝導均一温度プレート（１１）に、ＬＥＤバルブが載置された高出力ＬＥＤランプ回路が備えられ、
   前記熱伝導均一温度プレート（１１）の両端部が、それぞれネジ（１３）を用いて前記アルミニウムベース（１）に接続される、請求項３に記載の高出力ＬＥＤランプ冷却デバイス。
5. 前記アルミニウムベース（１）が、放熱板の熱伝導パイプを載置する熱パイプ載置ホール（２）を有して製造される、請求項４に記載の高出力ＬＥＤランプ冷却デバイス。
6. 前記熱伝導均一温度プレート（１１）が、ＬＥＤバルブの高出力ＬＥＤランプ回路を載置するための印刷回路基板である、請求項４に記載の高出力ＬＥＤランプ冷却デバイス。

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