KR20190028731A - 납땜에 의해서 부착된 smd형 led를 가진 자동차 헤드램프 - Google Patents

납땜에 의해서 부착된 smd형 led를 가진 자동차 헤드램프 Download PDF

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KR20190028731A
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다니엘 페트쉬
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제트카베 그룹 게엠베하
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Abstract

본 발명은 자동차 헤드램프(1)에 관한 것으로서, 상기 자동차 헤드램프(1)는 적어도 하나의 LED(4; 4a, 4d)를 포함하고 있고, 상기 LED는 상기 LED의 연결 지점에서 납땜에 의해서, 인쇄회로기판(3)의 금속 표면(3-1, 3-2)에, SMD로서, 부착되어 있고, 상기 자동차 헤드램프(1)는 또한 상기 적어도 하나의 LED에 의해서 방사된 빛을 운행 공간으로 방사하는 광학 유닛(2; 8)을 포함하고 있고, 상기 적어도 하나의 LED의 방사 방향을 특정 방식으로 맞추기 위해서, 상기 LED가 상기 LED의 연결 지점(4-1, 4-2)과 상기 인쇄회로기판의 금속 표면 사이에 상이한 땜납 두께(d1, d2)를 가진 상태로 납땜에 의해서 부착되어 있다.

Description

납땜에 의해서 부착된 SMD형 LED를 가진 자동차 헤드램프
본 발명은 연결부에서 인쇄회로기판의 금속 표면에, SMD로서, 납땜된 적어도 하나의 LED뿐만 아니라, 상기 적어도 하나의 LED로부터 방사된 빛을 운행 공간으로 방사하는 광학 유닛을 가진 자동차 헤드램프에 관한 것이다.
이러한 종류의 자동차 헤드램프가 가진 한 가지 문제점은 LED가 매우 작은 방사 표면적을 가지고 있지만, 실제로 인쇄회로기판을 필요로 하고, 상기 인쇄회로기판상에서 LED가 납땜에 의해 전류가 흐르는 전도체 경로(live conductor path)와 연결되어 있다는 사실에 있다. 본 발명의 범위 내에서, LED는 SMD(표면 실장 부품) 컴포넌트로서 구성되어 있으며, 일반적으로 "패드(pad)"라고 칭해지는 LED의 전기적 연결부가 인쇄회로기판에 직접 납땜되고, 납땜시에 리플로우 처리(reflow process)가 이용된다. 하지만, 다른 무엇보다도, 상기 인쇄회로기판은 일반적으로 이 한 개의 LED 또는 복수의 LED를 냉각시키기 위해서 인쇄회로기판에 배치된 냉각 요소와 함께 사용될 것을 요하는데, 그 이유는 적절한 냉각이 이루어지지 않으면 헤드램프 구역에 사용되는 고성능 LED의 파손을 초래할 수 있고, LED의 사용 수명에 있어서의 받아들일 수 없는 감축으로 이어지기 때문이다.
하지만, 상기 헤드램프의 인쇄회로기판은 자신의 광학 유닛에 대해 문제점을 가지고 있는데, 그것은 인쇄회로기판에 납땜된 한 개의 LED 또는 복수의 LED가 인쇄회로기판 평면과 평행하게 놓여 있기 때문에, 특별한 조치를 취하지 않고서는 LED의 방사 방향을 조정할 수 없다는 것이다. 결과적으로, 한 개의 LED 또는 복수의 LED에 의해서 방사된 빛의 일부가 사용되지 않은 상태로 남아있거나 및/또는, 상기 헤드램프의 반사경을 활용할 때, 인쇄회로기판이 상기 반사경에 의해서 방사된 빛의 일부분을 비치지 않게 할 수 있다.
이 시점에서, 다수의 다른 종래의 램프와는 대조적으로, LED는 단지 제한된 개구 각도(limited opening angle)를 가지고 있어서, 구면에 대해서 일부 각도로 방사하기 때문에, 백열등에 적합한 광학 유닛은 무비판적으로 사용될 수 없고, 아래에서 더 설명할, 전체 효율을 낮추는 특별한 문제가 발생한다는 것을 더욱 유의해야 한다.
공보 WO 2011099328 A1, US 2014319200 A1 및 CN 201708701 U로부터 상이한 땜납 두께로 인해서 인쇄회로기판과 더 이상 평행하게 배치되어 있지 않은 SMD-LED가 알려져 있다. 상기 LED는 원하는 방사 방향을 달성하기 위해서 오히려 특수하게 경사져 있다. 하지만, 관련 기술 분야는 LCD용 백라이트, 상밀도 검출기(image density detector) 또는 LED 형광등을 포함하지만, 이는 자동차 헤드램프 구성 분야가 아니고, LED 빛을 운행 공간으로 방사하는 LED로부터 하류부의 추가적인 광학 유닛을 포함하고 있지도 않다.
본 발명의 목적은 가능하다면 어떠한 추가 비용도 발생시키지 않고 상기한 단점을 없애서, 상기 헤드램프의 전체 효율을 높이는 것이다.
처음에 언급한 종류의 헤드램프로부터, 이 목적은 LED의 방사 방향을 특정적으로 맞추기 위해서 LED의 연결부와 인쇄회로기판의 금속 표면 사이에 상이한 땜납 두께를 가지는 상태로 적어도 하나의 LED를 납땜하는 것에 의해서 본 발명에 따라 달성된다.
본 발명은 하나 또는 수 개의 LED의 방사 방향을 조정할 수 있게 해주므로, 사실상 추가적인 비용을 발생시키지 않고 LED에 의해서 방사된 빛을 최적으로 활용할 수 있게 해준다.
본 발명의 하나의 바람직한 변형례는 상기 광학 유닛이 적어도 하나의 렌즈를 가진 렌즈 시스템으로 설계되어 있고, 적어도 두 개의 LED를 가진 인쇄회로기판이 광축과 대략 수직인 렌즈로부터 이격되어 배치되어 있고, 광축의 외측에 놓여 있는 LED가 자신의 연결부와 상기 인쇄회로기판의 금속 표면 사이에 상이한 땜납 두께를 가진 상태로 자신의 주된 방사 방향이 상기 렌즈의 중심쪽으로 향하도록 배치되어 있는 것을 제공할 수 있다.
이렇게 하여, 광축에 대하여 경사져 있는, 광축의 외측에 배치된 LED로부터 나온 빛이 보다 잘 활용될 수 있고, 전체 효율이 높아질 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 변형례는 상기 광학 유닛이 광학적 반사경 유닛으로 설계되어 있으며 하프-쉘 반사경(half-shell reflector)을 가지고 있고, 적어도 하나의 LED를 가진 인쇄회로기판이 기본적으로 광축을 포함하는 단면 평면에 놓여 있고, 자신의 연결부와 상기 인쇄회로기판의 금속 표면 사이에 상이한 땜납 두께를 가진 적어도 하나의 LED가 자신의 주된 방사 방향이 상기 반사경에 대해 경사지도록 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구성도 효율성을 높일 수 있고, 인쇄회로기판이 방사된 빛이 비추어지지 않게 하는 것을 막는다.
상기 반사경이 포물면 하프-쉘 반사경이면 특히 유리하다.
몇몇 경우에는, 적어도 하나의 렌즈를 가진 렌즈 시스템이 상기 반사경에 추가적으로 배치되어 있는 것을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
도면에 도시되어 있는 예시적인 실시례에 기초하여 본 발명을 추가적인 장점과 함께 아래에서 설명할 것이다.
도 1은 LED 광원이 인쇄회로기판에 배치된 종래 기술에 따른 헤드램프의 하프-쉘 반사경의 개략적인 단면도이고,
도 2는 경사진 인쇄회로기판에, LED 광원이 배치되어 있는, 도 1과 유사한 단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 원리 해결방안이 도시된 도 1 또는 도 2과 유사한 단면도이고,
도 4a는 리플로우 납땜 처리 전에 인쇄회로기판 상의 SMD 구성요소와 같이 구성된 LED의 배치상태를 나타내는 단면도이고,
도 4b는 리플로우 납땜 처리 후에 인쇄회로기판 부분 상의 LED가 최종적인 본 발명의 배치상태로 도시된 도 4a와 유사한 단면도이고,
도 5는 네 개의 LED 광원이 인쇄회로기판에 배치된 종래 기술에 따른 헤드램프의 렌즈의 개략도이고, 그리고
도 6은 본 발명에 따라 두 개의 LED 광원이 인쇄회로기판에 대하여 경사진 상태의, 도 5와 유사한 개략도이다.
도 1을 참고하면 광학 유닛으로 하프-쉘 반사경(2)을 가지고 있고, LED 광원(4)이 인쇄회로기판(3)에 배치되어 있는 종래 기술에 따른 헤드램프(1)를 볼 수 있다. 참고 번호 5는 냉각 요소 또는 헤드램프(1)의 하우징의 일부분을 나타낸다. 하나의 실시례에서, 상기 반사경(2)의 하프-쉘은 포물면이라기 보다는 이어져 있는 여러 패시트(facet)들의 결합체이지만, 후자는 한 개의 포물면으로부터 나온 것일 수 있다. 한 개의 패시트가 단면도로 도시되어 있지만, 인접한 것은, 단지 약간의 인클로저(slight enclosure)를 가지고 있는 내부 반사경 표면(2f)의 완만한 각도 뷰(shallow-angle view)를 제공한다. LED 광원(4)을 가진 인쇄회로기판(3)은 기본적으로 단면 평면 σ에 놓여 있고, 상기 단면 평면은 헤드램프(1)의 광축(더 이상 자세하게 표시되어 있지 않음)을 포함하고 있다. 상기 반사경 개구(reflector opening)는 초점 구역 또는 광원(4)의 위치에 배치되어 있다. 이 예에서는, LED의 주된 방사 방향으로부터 측정된 대략 10°의 각도 β로 된 빛줄기만 반공간(half-space)으로부터 빛이 상기 반사경을 떠나는 방향으로 α를 초과하는 전반적인 방사 각도로 내부 반사경 표면(2f)에 부딪친다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 인쇄회로기판(3)은 광수득률(light yield)을 높이기 위해서 상기 반사경(2)의 내부쪽으로 더 경사질 수 있다. 인쇄회로기판(3)이 포물선 정점(S) 쪽으로 대략 10°만큼 경사진 상태로 도시되어 있기 때문에, 빛줄기가 상기 LED의 주된 방사 방향으로부터 측정된 20°이하의 각도 α로 내부 반사경 표면(2f)과 부딪친다. 하지만, 이것은 포물선 정점(S) 근처의 내부 반사경 표면(2f) 구역에 빛이 비치지 않게 하는 섀도잉(shadowing)을 초래한다. 도 2에서는, 이것이 표시된 1점 쇄선 사이의 구역 b이다. 당연히, 이 섀도잉은 다시 빛 손실로 이어지고, 측광 관점에서 바람직하지도 않다.
도 4a 및 도 4b와 관련하여, 도 3은 상기 문제가 본 발명에 따라 어떻게 해결되는지를 나타내고 있다. 광원만, 구체적으로 SMD-LED(4)만, 인쇄회로기판(3)에 대하여 10°만큼 경사져 있기 때문에, 빛줄기가 반사경 표면의 추가적인 부분에 섀도잉을 초래하지 않고서 상기 주된 방사 방향으로부터 측정된 20°이하의 각도 α로 반사경 표면과 부딪친다.
이를 달성하기 위해서, 적어도 하나의 LED(4)의 방사 방향이 상기 LED를 상기 LED의 연결 지점과 인쇄회로기판의 금속 표면 사이의 상이한 땜납 두께로 납땜하는 것에 의해서 특정적으로 조정된다. 이에 대해서 도 4a와 도 4b에 기초하여 이하에서 상세하게 설명할 것이다.
도 4b는 SMD-LED(4)의 기울기가 인쇄회로기판(3)의 각각의 금속 표면(3-1, 3-2)과 SMD-LED(4) 사이의 상이한 땜납 두께(d1, d2) 또는 변화하는 두께의 납땜 간격에 기초하고 있다는 것을 인쇄회로기판(3) 아래의 냉각 요소가 생략되어 있는 매우 확대된 단면도로 나타내고 있다.
도 4a는 리플로우 처리(reflow process) 전의 설치된 LED(4)와 인쇄된 땜납(6-1, 6-2)을 나타내고 있다. 포물선 정점(S)을 향해 있는 땜납 연결부에 대하여, 땜납(6-2)이 땜납 방지막(7)으로부터 벗어난 인쇄회로기판(3)의 금속 표면(3-2) 구역의 내측에만 배치되어 있다. 상기한 금속 표면(3-1, 3-2)은 대체로 전도체 경로 구역이다. 상기 반사경 개구를 향하는 각각의 땜납 연결부에서, 리플로우 처리 전에는 땜납 방지막(7)으로부터 벗어난 금속 표면(3-1) 구역 외에, 인쇄된 땜납(6-1)이 땜납 방지막(7)에도 배치되어 있다. 이 금속 표면(3-1)에 있는 땜납(6-1)의 양은, 땜납이 땜납 방지막(7)으로부터 벗어난 금속 표면(3-1)에 모였을 때, 납땜 간격의 높이 d1이 포물선 정점(S)을 향해 있는 금속 표면(3-2)에 대한 것보다 더 높게 되도록 하는 것에 의해 측정된다.
상기 연결 지점(4-1, 4-2)과 금속 표면(3-1, 3-2) 사이의 상이한 땜납 두께의 결과로, 도 2에 도시된 것과 같은 섀도잉을 발생시키지 않고서, LED(4)의 주된 방사 방향이 반사경(2)에 대하여 경사진다.
도 1 내지 도 4는 광학적 반사경 유닛을 가진 자동차 헤드램프(1)를 나타내고 있고, 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈 시스템이 당업자에게 알려진 방식으로 상기 반사경에 배치될 수도 있다는 것을 주의해야 한다.
하나의 예에 기초하여, 본 발명이 헤드램프의 광학 유닛이 렌즈 시스템으로 이루어진 헤드램프에도 적용될 수 있다는 것을 이하에서 설명할 것이다. 동일하거나 유사한 부분에는 위에서 사용한 것과 동일한 참고 번호가 표시되어 있다. 도 5는 인쇄회로기판(3) 상의 네 개의 LED(4a, 4b, 4c, 4d)와 렌즈(8)로 이루어져 있는 헤드램프(1)에 대한 광학적 배치형태(optical arrangement)를 나타내고 있다. LED(4a, 4b, 4c, 4d)는 광축(a)과 수직인 평면(ε)에 놓여 있으며, 광축으로부터 다른 거리에 놓여 있다. 광축에 대해서 가장 먼 거리에 있는 발광 다이오드(4a, 4d)의 경우에는, 광축(렌즈의 중심)으로부터 멀어지게 향하는 반평면(half-plane)에서 각각의 LED의 주된 방사 방향으로부터 측정된 최대 30°까지의 예시적인 각도 범위로 방사되는 빛줄기가 렌즈(8)의 빛 입사면과 부딪친다. 검토한 평면은 광원을, 보다 정확하게는 한편으로는 LED의 빛 방사면의 중심점을, 다른 한편으로는 광축(a)을 포함한다. 이러한 배치형태를 고려하면, 외측 LED(4a, 4d)에 의해서 방사된 빛의 일부는 손실되는 것이 분명하다.
도 6은 광축(a)으로부터 가장 멀리 떨어진 LED들이 인쇄회로기판(3)의 평면에 대하여 경사져서 장착되어 있기 때문에, 이들 LED의 주된 방사 방향이 렌즈(8)의 중심쪽으로 경사져 있는 유사한 배치형태를 나타내고 있다. LED의 빛 방사면의 이러한 배치방향으로 LED를 조립하는 동안 광축으로부터 멀어지게 향하는 반평면(half-plane)에서 상기 LED의 주된 방사 방향으로부터 측정하였을 때 예시적인 각도인 40°까지 방사되는 빛줄기가 렌즈의 빛 입사면과 부딪친다.
비록 상세하게 도시되어 있지는 않지만, 외측 LED의 상기한 경사가 도 4a 및 도 4b의 실시례에 대해서 보다 상세하게 설명되어 있는 것과 동일한 방식으로, 구체적으로는 상기 LED의 방사 방향을 목표한 방식으로 맞추기 위해서 상기 LED의 연결 지점과 인쇄회로기판의 금속 표면 사이에 상이한 땜납 두께를 가진 상태로 LED(4a, 4d)를 납땜하는 것에 의해서 달성되는 것은 당업자에게는 분명하다. 본 발명이 특정의 다른 갯수의 LED, 예를 들어, 도 6과 함께, 한 개의 LED가 광축을 따라 중심에 놓여 있는, 세 개의 LED에 대해서 마찬가지로 적용될 수 있다는 것도 분명하다. 동심적인 LED 배치도 가능하다.
본 발명의 범위 내에서, "LED"라는 용어는 발광 SMD 요소로 매우 포괄적으로, 예를 들면, 수 개의 발광면을 가진, 소위 멀티칩 LED, 혼합된 "백색광"을 방출하는 형광 물질과 함께 청색 LED도 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
위에서는 LED의 두 개의 연결 지점만이 있고 상이한 땜납 두께로 납땜되어 있는 것이 개시되어 있지만, 상응하는 땜납 두께가 LED의 원하는 경사를 달성하기만 하면, 본 발명이 세 개 이상의 연결 지점을 가진 발광 SMD 요소를 마찬가지로 포함하는 것은 분명하다.
1 헤드램프
2 광학 유닛, 반사경
2f 내부 반사경 표면
3 인쇄회로기판
3-1 인쇄회로기판의 금속 표면
3-2 인쇄회로기판의 금속 표면
4 LED, SMD-LED
4a-4d LED
4-1 LED의 연결 지점
4-2 LED의 연결 지점
5 냉각 요소
6-1 땜납
6-1 땜납
7 땜납 방지막
8 렌즈
a 광축
b 구역
d1 땜납 두께
d2 땜납 두께
S 포물선 정점
α 전반적인 방사 각도
β 각도
ε 평면
σ 단면 평면

Claims (5)

  1. 연결부에서 인쇄회로기판(3)의 금속 표면(3-1, 3-2)에, SMD로서, 납땜된 적어도 하나의 LED(4)뿐만 아니라, 상기 적어도 하나의 LED로부터 방사된 빛을 운행 공간으로 방사하는 광학 유닛을 가진 자동차 헤드램프(1)에 있어서,
    상기 적어도 하나의 LED(4)의 방사 방향을 특정적으로 맞추기 위해서 상기 적어도 하나의 LED(4)가 자신의 연결부(4-1, 4-2)와 상기 인쇄회로기판(3)의 금속 표면(3-1, 3-2) 사이에 상이한 땜납 두께(d1, d2)를 가진 상태로 납땜되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 광학 유닛이 적어도 하나의 렌즈(8)를 가진 렌즈 시스템으로 설계되어 있고, 적어도 두 개의 LED(4a, 4b, 4c, 4d)를 가진 인쇄회로기판(3)이 광축(a)과 대략 수직인 렌즈로부터 이격되어 배치되어 있고, 광축의 외측에 놓여 있는 LED(4a, 4d)가 자신의 연결부와 상기 인쇄회로기판의 금속 표면 사이에 상이한 땜납 두께를 가진 상태로 자신의 주된 방사 방향이 상기 렌즈의 중심쪽으로 향하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프(1).
  3. 제1항에 있어서, 상기 광학 유닛이 광학적 반사경 유닛으로 설계되어 있으며 하프-쉘 반사경(2)을 가지고 있고, 적어도 하나의 LED(4)를 가진 인쇄회로기판(3)이 기본적으로 광축을 포함하는 단면 평면(σ)에 놓여 있고, 자신의 연결부(4-1, 4-2)와 상기 인쇄회로기판의 금속 표면(3-1, 3-2) 사이에 상이한 땜납 두께(d1, d2)를 가진 적어도 하나의 LED가 자신의 주된 방사 방향이 상기 반사경(2)에 대해 경사지도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프(1).
  4. 제3항에 있어서, 상기 반사경이 포물면 하프-쉘 반사경(2)인 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프(1).
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 적어도 하나의 렌즈를 가진 렌즈 시스템이 상기 반사경에 추가적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 헤드램프(1).
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