TWI482927B - 安裝在散熱器的發光二極體 - Google Patents

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Frank M Steranka
Frank J Wall Jr
Jeff Kmetec
Johannes Wilhelmus Weekamp
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Philips Lumileds Lighting Co
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Description

安裝在散熱器的發光二極體
本發明一般係關於發光二極體(LED)，且更特定言之係關於安裝LED在散熱器。
發光二極體(LED)已一般視為電子組件並同樣地已一般使用各種焊接技術(例如表面安裝封裝之回流焊接)而安裝在印刷電路板(PCB)。
LED技術中的進步已導致以較低製造成本的改良光學效率，而且較高功率LED現在可用於一般照度應用，例如家庭及商業照明。此類應用已建立對用於LED之簡單、低成本安裝解決方式的需求。焊接可能並非用於已在傳統上依賴於相對較低技術連接及安裝技術的照明行業之適當安裝及/或連接解決方式。將焊料技術引入至此類行業中可代表對LED照明組件之較廣採用的障礙。
LED亦係實質上比傳統照明器件(例如白熾及螢光燈泡)緊湊，此呈現熱移除問題，因為一LED具有比傳統燈泡小的可用於對流熱傳輸至周圍空氣的表面區域。
當安裝一LED時，需要傳輸由該LED產生的熱至一主體，其能夠消散熱至周圍大氣環境，因而將該LED維持在一安全工作溫度。
用於傳統光源(例如，白熾燈泡、螢光管等)的安裝技術係一般不適合用於LED器件，因為傳統光源一般沒有與一LED相同的熱傳輸要求。用於傳統光源的安裝技術之大部分並非可用於安裝緊湊LED來源(例如一有力LED可以係1mmx1mm或更小)。
因此，需要安裝LED的方法及裝置。
依據本發明之一態樣，提供一種安裝在散熱器的發光二極體(LED)裝置，該散熱器具有其中帶有一開口的一前表面。該裝置包括一子安裝座、安裝在該子安裝座上的至少一個LED晶粒，以及具有第一區域及第二區域的一導熱金屬塊。該第一區域係熱耦合至該子安裝座而且該第二區域具有從其向外突出的一柱子。該柱子可運作地經組態以容納在該散熱器中的該開口中並將該LED裝置固定於該散熱器以便該第二區域係熱耦合至該散熱器之該前表面。
該柱子可包括一螺紋部分，其係可運作以嚙合該散熱器中的該開口之一螺紋部分以將該LED裝置固定於該散熱器。
該導熱金屬塊可運作地經組態以容納一扳手來施加一扭矩以將該LED裝置固定於該散熱器。
該散熱器可包括其中具有開口的一基底，而且可進一步包括從該基板延伸並具有遠離該基底的一開放端之一圓筒形壁，該圓筒形壁至少部分地封閉該LED裝置並係可運作以透過該開放端引導由該LED晶粒產生的光。
該柱子可包括一螺紋部分，其當容納在該散熱器中的該開口中時會從其背表面突出並且可運作地經組態以容納用於將該LED裝置固定於該散熱器的一螺紋螺母。
該柱子可包括一遠端部分，其當容納在該開口中時從該散熱器之一背表面突出，該遠端部分可運作地經組態以容納一彈簧夾，其用於嚙合該散熱器之該背表面以促使該第二區域與該散熱器之該前表面熱耦合。
該裝置可包括佈置在該第二區域上的一導熱材料，該導熱材料係可運作以當將該LED裝置安裝在該散熱器上時形成該第二區域與該散熱器的該前表面之間的一介面，從而降低二者之間的熱阻。該裝置亦可包括一彈簧夾，其係佈置於該柱子之一遠端部分上，該彈簧夾具有至少一個部分，其可運作地經組態以壓縮成與該柱子齊平，同時係容納在該散熱器中的該開口中，該導熱材料係充分順應以准許該LED裝置抵著該散熱器之該前表面而下壓至一充分程度來准許該彈簧夾的至少一個部分嚙合該散熱器之該背表面以促使該第二區域與該前表面熱耦合。
該金屬塊可包括至少一個通道，其用於容納用於供應電流給該至少一個LED晶粒的至少一個導體。
該至少一個通道可延伸穿過該柱子以促進該至少一個導體行經至該散熱器之該背表面。
該裝置可包括佈置在該第二區域上的一導熱材料，該導熱材料係可運作以當可將該LED裝置安裝在該散熱器上時形成該第二區域與該散熱器之間的一介面，從而降低二者之間的熱阻。
該裝置可包括與該至少一個LED晶粒電連接的至少一個端子，該端子係可運作以容納並固定用於供應工作電流給該至少一個LED晶粒的一電導體。
依據本發明之另一態樣，提供安裝在散熱器的發光二極體(LED)裝置。該裝置包括一子安裝座、安裝在該子安裝座上的至少一個LED晶粒，以及具有第一區域及第二區域的一導熱金屬塊。該第一區域係熱耦合至該子安裝座。該裝置亦包括佈置在該金屬塊之第二區域上的一導熱材料，該導熱材料具有一外表面，其具有黏性性質以將該LED裝置固定於該散熱器以便該第二區域係熱耦合至該散熱器之該前表面。
該導熱材料可包括一導熱材料層，其具有一內表面及一外表面；一第一黏性層，其係佈置在該內表面上，該第一黏性層係可運作以將該導熱材料層黏合於該第二區域；以及一第二黏性層，其係在該外表面上。
該金屬塊可運作地經組態以容納在該散熱器中的對應凹入部分中，該凹入部分係可運作以促進該LED裝置與該散熱器的對準。
該裝置可包括佈置在該外表面上的一可移除保護膜，該保護膜可運作地經組態以在將該LED裝置固定於該散熱器之前加以移除。
該裝置可包括與該至少一個LED晶粒電連接的至少一個端子，該端子係可運作以容納並固定用於供應工作電流給該至少一個LED晶粒的一電導體。
依據本發明之另一態樣，提供安裝在一散熱器之一發光二極體(LED)裝置，該散熱器具有附接至該散熱器之一前表面的一對彈簧夾，每一彈簧夾具有一自由端。該裝置包括一子安裝座、安裝在該子安裝座上的至少一個LED晶粒，以及具有第一區域及第二區域的一導熱金屬塊。該第一區域係熱耦合至該子安裝座。該裝置亦包括定位在該LED裝置之一上表面之相對側上的第一及第二槽，該等第一及第二槽係可運作以容納該等彈簧夾之個別自由端以便當將該LED裝置安裝在該散熱器上時促使該金屬塊之第二區域與該散熱器熱耦合。
該裝置可包括形成於該金屬塊之至少一部分周圍的一電絕緣主體而且該等第一及第二槽可形成於該電性絕緣主體中。
該裝置可包括導引至該等第一及第二槽之每一者的向上傾斜斜坡部分，該斜坡部分經定向用以容納該等彈簧夾之個別自由端而且係可運作以指導該等自由端與個別第一及第二槽嚙合。
該金屬塊之第二區域可經運作地組態以容納在形成於該散熱器之該前表面中的一凹入部分中，該凹入部分係可運作以定位該LED裝置於該散熱器上。
該裝置可包括佈置在該第二區域上的一導熱材料，該導熱材料係可運作以當可將該LED裝置安裝在該散熱器上時形成該第二區域與該散熱器之間的一介面，從而降低二者之間的熱阻。
該裝置可包括與該至少一個LED晶粒電連接的至少一個端子，該端子係可運作以容納並固定用於供應工作電流給該至少一個LED晶粒的一電導體。
依據本發明之另一態樣，提供一種安裝在散熱器之前表面的發光二極體(LED)裝置，該散熱器具有透過其形成的至少一個開口。該裝置包括一子安裝座，其具有一上表面及一下表面；至少一個LED晶粒，其係安裝在該子安裝座之該上表面上；以及一導體帶，其係接合至鄰近於該LED晶粒的該子安裝座之該上表面並與該LED電連接以向其供應工作電流。該導體帶具有至少一個連接器部分，其從該子安裝座之該上表面下垂。該裝置包括一電絕緣主體，其係模製在該連接器部分之至少一部分周圍並具有接近該連接器部分的一插入扣件，該插入扣件可運作地經組態以容納在該開口中並嚙合該散熱器之一背表面以將該LED裝置固定於該散熱器以便該子安裝座之該下表面係熱耦合至該散熱器之該前表面。
該連接器部分可包括其一遠端處的一v形切口，該v形切口係可運作以容納一電流供應導體並錯置該電流供應導體上的一絕緣層以建立與用於供應電流給該LED晶粒的該連接器之電接點。
該裝置可包括佈置在該子安裝座之該下表面上的一導熱材料，該導熱材料係可運作以當可將該LED裝置安裝在該散熱器上時形成該下表面與該散熱器之間的一介面，從而降低二者之間的熱阻。
依據本發明之另一態樣，提供安裝在散熱器的一發光二極體(LED)裝置，即該LED裝置。該裝置包括一子安裝座、安裝在該子安裝座上的至少一個LED晶粒以及具有第一及第二區域的一金屬塊，該第一區域係熱耦合至該子安裝座而且該第二區域具有從其向外突出的一金屬樁，該樁可運作地經組態用以從該金屬塊傳導一熔接電流至該散熱器以使該LED裝置加以熔接至該散熱器以便該第二區域係熱耦合至該散熱器。
該裝置可包括與該至少一個LED晶粒電連接的至少一個端子，該端子係可運作以容納並固定用於供應工作電流給該至少一個LED晶粒的一電導體。
依據本發明之另一態樣，提供安裝發光二極體(LED)裝置在金屬散熱器的一程序，該LED裝置包括一子安裝座、安裝在該子安裝座上的至少一個LED晶粒以及具有第一及第二區域的一金屬塊，該第一區域係熱耦合至該子安裝座，該方法。該程序涉及使該金屬塊之第二區域接近該散熱器加以定位，並且耦合一充電電容器至該金屬塊以建立該金屬塊之該第二區域與該散熱器之間的一熔接電流以熔接該金屬塊至該散熱器。
使該金屬塊之該第二區域接近該散熱器加以定位可涉及容納該LED裝置於一卡盤中，該卡盤可運作地經組態以嚙合該散熱器之一表面以便該金屬塊之該第二區域可在與該散熱器隔開的關係中加以定位。
使該金屬塊之該第二區域接近該散熱器加以定位可涉及容納該LED裝置於一卡盤中，該卡盤可運作地經組態以嚙合該散熱器之一表面以便該金屬塊之該第二區域嚙合該散熱器。
使該金屬塊之該第二區域接近該散熱器加以定位可涉及使從該金屬塊之該第二區域向外突出的一樁嚙合該散熱器，該樁係可運作以將熔接電流從該金屬塊傳導至該散熱器，因而熔化該樁以及該金屬塊之該第二區域的至少一部分以使該金屬塊加以熔接至該散熱器。
使該金屬塊之該第二區域接近該散熱器加以定位可涉及使從該金屬塊之該第二區域向外突出的一樁從該散熱器加以隔開，該樁係可運作以將熔接電流從該金屬塊傳導至該散熱器，因而熔化該樁以及該金屬塊之該第二區域的至少一部分以使該金屬塊加以熔接至該散熱器。
耦合充電電容器至該金屬塊可涉及容納該LED裝置於一卡盤中，該卡盤具有用於電接觸該金屬塊的一導電部分，以及耦合該充電電容器至該卡盤之導電部分。
在聯合附圖回顧本發明之特定具體實施例的下列說明之後，熟習此項技術者將明白本發明之其他態樣及特徵。
依據本發明之一第一具體實施例的一LED裝置係一般顯示在圖1 及圖2 中的100 處。參考圖1 ，LED100 包括一子安裝座102 以及安裝在該子安裝座上的至少一個LED晶粒104 。子安裝座102 可包含(例如)陶瓷或矽材料。LED100 亦包括具有第一及第二區域108 及110 的一導熱金屬塊106 。第一區域108 係熱耦合至子安裝座102 。金屬塊106 亦包括從第二區域110 向外突出的一柱子112 。一般地，柱子112 可運作地經組態以容納在一散熱器中的一開口(圖1中未顯示)中以將該LED裝置固定於該散熱器，同時使該第二區域熱耦合至該散熱器。該散熱器可以係(例如)上面待安裝LED100 的金屬或合金板或夾具。柱子112 及金屬塊106 可在一起形成為導熱材料(例如鋁或銅)之單一體。
在圖1 及2 中所示的具體實施例中，LED100 亦包括一模製主體114 及用於耦合及/或引導由LED晶粒104 產生的光之透鏡116 。模製主體114 包圍金屬塊106 並為透鏡116 提供安裝特徵。
子安裝座102 亦包括電耦合至LED晶粒104 的一或多個子安裝座電極(未顯示)。LED100 亦包括用於容納一電流供應導體的一第一端子118 。第一端子118 可以係容納並固定(例如)一導體線的壓合端子。第一端子118 係電耦合至一第一接點120 並且LED100 進一步包括第一連接器121 ，其用於連接在第一接點120 與子安裝座102 之間以供應工作電流給該子安裝座上的一第一電極。
在所示的具體實施例中，LED100 亦包括一第二接點122 、一第二線接合連接器124 以及一第二端子(在圖3中顯示在154 處)以供應工作電流給該子安裝座上的一第二電極。在其他具體實施例中，LED晶粒104 可耦合至金屬塊106 並且該金屬塊可用作用於LED100 的第二電流供應端子。
LED需要電流以供運作，其一般係透過連接至該LED或LED封裝之正及負端子的導體來供應。或者，一些LED可加以電組態以便任一端子均可互換地用作正或負端子，此對於傳統交流電照明組件係典型的。
在一項具體實施例中，透鏡116 包含諸如聚矽氧凝膠之光學透明材料，其具有外表面117 並在子安裝座102 與該透鏡之外表面117 之間延伸。或者，透鏡116 可包含封閉子安裝座102 的剛性透鏡材料，其中一任選填充材料佔據透鏡116 之外表面117 與子安裝座102 之間的空隙。
參考圖3 ，在一項具體實施例中，LED100 係安裝在具有其中帶有一圓筒形開口142 之一前表面144 的金屬散熱器140 上。在此具體實施例中，開口142 在該板之一前表面144 與一背表面145 之間延伸，而且係定尺寸以容納柱子112 。
柱子112 包括一遠端部分148 ，其當將LED100 安裝在該板上時透過開口142 而突出。當安裝LED100 時，將一彈簧夾150 放置在柱子112 之遠端部分148 上。彈簧夾150 具有至少一個部分152 (圖3 中顯示二個部分152 )，其係可運作以嚙合該散熱器之背表面145 以促使第二區域110 與散熱器140 之前表面144 熱耦合。
安裝的LED100 亦具用佈置在散熱器140 之前表面144 與金屬塊106 之第二區域110 之間的一導熱材料146 。適當的導熱材料包括(例如)導熱黏性膠帶、相變材料、導熱彈性體接點以及石墨板。導熱材料填充前表面144 與金屬塊106 之第二區域110 之間的微空隙/間隙，其由於非理想表面拋光而出現並產生金屬塊106 與散熱器140 之間的增加熱阻。
或者，彈簧夾150 可成整體地附接至柱子112 之遠端部分148 ，而且部分152 可採用充分薄的材料(例如鈹銅帶)製造以准許彈簧夾部分壓縮成與柱子112 齊平，同時透過散熱器140 中的開口142 插入該柱子。在此具體實施例中，導熱材料146 應係充分順應以准許彈簧夾部分152 清理開口142 並向外彈出至如所示的位置，同時抵著該散熱器之前表面144 而下壓LED100 。適當的可壓縮導熱材料之一範例係可從日本東京的Sumiitomo3 M有限公司膠帶與黏結劑分公司購得之超軟導熱介面接點5502 S。
有利地，一旦安裝，可藉由插入一第一電流供應導體158 至第一端子118 中並插入一第二電流供應導體156 至第二端子154 中來容易地進行與LED100 的電連接。如以上結合圖1 及2 所說明，第一及第二端子118 及154 係連接至子安裝座102 以供應工作電流給LED晶粒104 。
有利地，柱子112 及對應開口142 在與該散熱器的機構對準中促進將LED100 無工具安裝在散熱器140 。為獲得最佳熱效能，彈簧夾150 及柱子的大小應加以最小化以增加金屬塊106 與散熱器140 之間的熱傳輸區域。
在一替代性具體實施例中，具有一般對應於金屬塊106 之一形狀的一凹入部分(未顯示)可形成於散熱器140 中以促進該散熱器與LED100 之間的對準。當LED100 係可運作以耦合光至具有透鏡、反射器及/或散射表面的光學分配系統內(未顯示)時，可能期望相對於該光學分配系統來精確地對準該LED。可藉由提供用於容納並定位LED100 之金屬塊106 的凹入部分來促進此對準。
參考圖4 ，在一替代性具體實施例中，一LED160 包括具有一螺紋部分164 的一柱子162 。LED160 一般係類似於圖1 及2 中所示的LED100 而且包括金屬塊106 、第一區域108 及第二區域110 。LED160 係安裝在具有一對應螺紋開口168 的一金屬散熱器166 上。螺紋開口168 可從散熱器166 之前表面170 延伸穿過該散熱器166 至背表面172 。或者，螺紋開口168 可以係散熱器166 中的盲開口。
安裝的LED160 亦具用佈置在散熱器166 之前表面170 與金屬塊106 之第二區域110 之間的一導熱材料174 。LED160 係螺釘連接至螺紋開口168 內並緊固以使該導熱材料一般符合前表面170 及該金屬塊之第二區域110 ，因而提供二者之間良好的熱耦合。可藉由下列方式達到改良式熱耦合：選擇用於柱子162 的最小直徑，其係仍可運作以提供充分穩固力，因而最大化與散熱器166 熱耦合的該第二區域之大小。散熱器166 之厚度可經選擇以允許嚙合用於可靠地將LED160 固定於該散熱器之螺紋開口168 中的柱子162 之螺紋部分164 的充分長度(例如，該柱子直徑的二倍)。一般地，當採用足以引起該導熱材料之最佳壓縮的力矩將LED160 固定於散熱器166 時，亦最小化第一區域110 與散熱器166 之間的熱阻。
在一替代性具體實施例中，模製主體114 可經成形以藉由一工具(例如扳手)來嚙合以促進緊固LED160 至用於最佳熱傳輸的期望力矩。
參考圖5 ，在另一具體實施例中，一LED190 包括接合至金屬塊106 之第二區域110 的一導熱材料192 。LED190 係一般類似於圖1 及2 中所示的LED100 ，在此具體實施例中於第二區域110 上不存在突出柱子除外。導熱材料192 包括具有黏性性質的外表面194 。
LED190 可具備已經接合至金屬塊106 之第二區域110 的導熱材料，其中藉由可移除保護膜來保護外表面194 。當安裝LED190 時，該保護膜加以移除並且LED190 係與一散熱器196 對準而且受壓以與該散熱器之一第一表面198 接觸。在此具體實施例中，散熱器196 包括具有對應於LED190 之第二區域110 的一形狀之一凹入部分199 。凹入部分199 容納上面具有導熱材料192 的第二區域110 ，並且促進該LED與散熱器196 的對準。
一般地，導熱材料包括一導熱材料層(未顯示)，其中第一及第二黏性層係在該導熱材料層之內及外表面上。適當的導熱黏性膠帶可從3 M電子黏結劑公司(3 M Electronic Adhesives)以及明尼蘇達州聖保羅之專家局(Specialties Department of St. Paul,MN)購得。3 M導熱黏性膠帶具有陶瓷填充物及壓敏黏性表面，其具有佈置在黏性表面上的聚矽氧處理聚酯之可移除保護膜。對於3 M膠帶，可藉由在約2 至5 秒內維持約5 至50 psi的壓力來達到良好的黏結。
有利地，圖5 中所示的LED190 促進許多現有LED產品之迅速翻新，其中對散熱器196 的唯一特定要求係提供用於接合的合理清潔平坦表面。LED190 可穩固地接合至散熱器196 而無需允許固化時間，例如當使用導熱環氧類樹脂時的情況。該接合可以係永久或半永久的，取決於用以接合導熱材料192 至第二區域110 及散熱器196 的黏結劑。當使用3 M膠帶時，可藉由施加熱以使該膠帶分層來協助LED190 的移除，若期望將該LED重新附接至散熱器196 ，則必須替換該膠帶。
參考圖6 ，在另一具體實施例中，一LED200 包括一模製主體206 ，其具有定位在該主體之一上表面208 之一相對側上的一第一凸緣202 以及一第二凸緣204 。第一凸緣及第二凸緣202 及204 可模製為主體206 之部分。或者，該等凸緣可形成為金屬塊106 之部分。LED200 亦包括用於容納一電流供應導體的端子207 及209 。端子207 及209 可以係壓合端子，其容納並固定一導體線，如以上結合圖1 所說明。
LED200 係安裝在一散熱器212 上，該散熱器具有附接至該散熱器的一第一彈簧夾214 及一第二彈簧夾216 。彈簧夾214 及216 可分別在附接點218 及220 處熔接至散熱器212 。在圖6 中所示的具體實施例中，彈簧夾214 及216 係片簧，而且可採用(例如)鈹銅或不銹鋼來製造。在其他具體實施例中，彈簧214 及216 可形成為散熱器212 之部分。
參考圖7 ，每一凸緣202 及204 包括一槽210 以容納個別彈簧夾214 及216 之自由端來使LED200 受壓以與散熱器212 接觸。在所示的具體實施例中，散熱器212 包括有於容納LED200 的一凹入區域222 。凹入區域222 具有對應於金屬塊106 的形狀及大小而且提供用於定位LED200 於散熱器212 上的一對準指導。該凹入區域亦容納導熱材料224 。
在圖6 及圖7 中所示的具體實施例中，凸緣202 及204 各包括個別向上傾斜斜坡部分226 及228 。參考圖8 ，斜坡部分226 及228 經定向用以容納以虛線外形所示之位置230 中的彈簧夾214 及216 之個別自由端。LED200 係接著以箭頭234 及236 之方向扭轉以沿個別斜坡部分226 及228 導引自由端以便彈簧夾214 及216 之個別自由端扣入與一位置232處的個別槽210 嚙合。當容納在個別槽210 中時，彈簧夾214 及216 之自由端施加向下壓力並亦預防LED200 進一步旋轉，因而將該LED固定於散熱器212 。
在其他具體實施例中，凸緣202 及204 與斜坡226 及228 可加以省略，並且槽210 可直接形成於主體206 或金屬塊106 之一上表面中。
LED200 因而穩固地安裝該LED在散熱器212 上，同時在需要替換該LED的情況下促進容易的移除及替換。有利地，藉由促進容易的移除及替換，LED200 可藉由現場相對不熟練及未經培訓人員來替換，因而避免替換載運該LED的整個夾具。
參考圖9 ，在另一具體實施例中，一LED240 包括用於安裝一或多個LED晶粒244 的一導熱金屬塊242 。在此具體實施例中，四LED晶粒244 係顯示為安裝在接合至金屬塊242 的一導熱子安裝座246 上。子安裝座246 可包含(例如)矽或陶瓷材料。子安裝座246 進一步包括用於連接一電流供應導體至LED晶粒244 的接點(未顯示)。
金屬塊242 包括用於安裝子安裝座246 的一安裝部分248 ，以及一柱子250 。柱子250 包括該柱子之一遠端處的一螺紋部分252 。在圖9 中所示的具體實施例中，LED240 包括容納在柱子250 之螺紋部分252 上的螺紋螺母254 。金屬塊242 係採用導熱材料(例如鋁、鋼或銅)形成。
在圖9 中所示的具體實施例中，金屬塊242 包含具有銅之表面塗層的鋼螺栓。有利地，該鋼螺栓係比銅或鋁金屬塊堅硬並且一般具有較低成本。鋼亦具有比銅或鋁之熱膨脹係數(分別為百萬分之17 及23 /℃)低的熱膨脹係數(百萬分之11 /℃)。用於安裝LED晶粒244 的材料一般具有低熱膨脹係數(矽具有約3.2 ppm/℃之熱膨脹係數)。鋼因而提供金屬塊242 與晶粒244 之間的較低熱膨脹係數匹配，因而減小LED240 上由於溫度變化所致的應力。
LED240 亦包括延伸穿過金屬塊242 之安裝部分248 及柱子的第一及第二通道256 及258 。通道256 及258 係可運作以容納用於供應電流給LED晶粒244 的個別導體260 及262 。導體260 及262 包括個別上方彎曲端部分264 及266 ，其係焊接或超聲波接合至LED晶粒244 上的接點以透過子安裝座246 提供與該晶粒的電連接。在其中金屬塊242 係導電的具體實施例中，導體260 及262 應該與第一及第二通道256 及258 電絕緣。
參考圖10 ，LED240 係顯示為安裝在散熱器270 。散熱器270 包括用於容納柱子250 的一開口272 。一導熱材料249 係佈置在散熱器270 之一前表面274 與金屬塊242 之安裝部分248 之間。LED240 係藉由嚙合並緊固螺紋螺母254 而固定於散熱器270 ，因而使金屬塊242 之安裝部分248 促使與散熱器270 之前表面274 熱耦合。導體260 及262 延伸越過柱子250 之螺紋部分252 之端部，並且促進與用於供應工作電流給LED240 的電流供應之連接。
在圖10 中所示的具體實施例中，散熱器270 具有一圓筒形罐形主體，其進一步用作一光反射器及/或導光板以收集並引導由LED晶粒244 產生的光。導體260 及262 可連接至用於懸掛該LED裝置的一房間之天花板上的照明夾具(未顯示)。在其他具體實施例中，散熱器270 可以係一板，或一散熱器具有(例如)冷卻鰭狀物。
參考圖11 ，一LED300 係顯示為安裝在一替代性散熱器302 。LED300 一般係類似於圖9 中所示的LED240 ，其具有帶有螺紋部分306 的一柱子304 ，但具有一圓筒形主體308 。散熱器302 包括一圓筒形凹入部分312 及一螺紋開口314 以容納用於固定LED300 的柱子304 之螺紋部分306 。一導熱材料318 係佈置在主體308 與凹入部分312 之一表面320 之間。
有利地，LED300 可螺釘連接至螺紋開口314 並緊固以使導熱材料318 壓縮來提供主體308 與散熱器302 之間的熱耦合。
參考圖12 ，在另一具體實施例中，一LED340 包括用於安裝一或多個LED晶粒344 的一圓筒形主體342 。LED340 包括導體346 及348 ，其係連接至LED晶粒344 ，如以上結合圖9 說明。
LED340 係安裝在具有用於導體346 及348 之穿通開口354 的散熱器350 上。散熱器350 亦包括一連接器區塊356 ，其係固定至該散熱器並包括用於容納個別導體346 及348 的連接插座358 及360 。插座358 及360 係分別連接至電流供應導體362 及364 以供應電流給LED340 。
插座358 及360 一般係類似於用於印刷電路板裝配件上以可移除地連接電子組件至該板的插座，而且用以提供連接給導體346 及348 ，而同時將LED340 固定於該散熱器。插座358 及360 經組態用以提供充分力以至少部分地壓縮主體342 與散熱器350 之一前表面352 之間的導熱材料366 ，因而確保LED340 與該散熱器之間的良好熱接觸。
參考圖13 ，在另一具體實施例中，一LED380 包括一LED晶粒382 ，其係安裝在一子安裝座384 之一第一表面385 上。LED380 亦包括接合至第一表面385 的第一及第二細長導體帶386 及388 。在一項具體實施例中，子安裝座384 包含一金屬化陶瓷，其具有用於將導體帶386 及388 焊接在適當位置的連接接點(未顯示)。該等連接接點可進一步係與用於向其供應工作電流的LED晶粒382 電連接。
該等導體帶各分別具有下垂連接器部分390 及392 。在所示的具體實施例中，連接器部分390 及392 係折疊以從子安裝座384 之第一表面385 向下延伸。
參考圖14 ，LED380 係囊封在一塑膠主體396 中，該塑膠主體包圍子安裝座384 (LED晶粒382 及該子安裝座之背表面398 除外)。主體396 亦包括模製於該主體中的插入扣件402 。
LED380 係安裝在一散熱器404 上，該散熱器具有對應於下垂連接器部分390 及392 之開口，該等部分之開口410 及412 已加以顯示。當安裝LED380 時，插入扣件402 係容納在開口410 及412 中，而且主體396 係向下按壓，直至插入扣件402 嚙合散熱器404 之一背表面408 。一導熱材料414 係佈置在子安裝座384 之背表面398 與散熱器404 之一前表面406 之間，而且在此等條件下，該子安裝座之該背表面係熱耦合至該散熱器並固定在適當位置。導熱材料414 可以係一順應材料，例如以上結合圖5說明的3 M超軟熱接點。
在圖13 及圖14 中所示的具體實施例中，下垂連接器部分390 及392 各具有"V"形切口416 及418 以分別容納絕緣導體420 及422 。在此具體實施例中，切口416 及418 亦具有圓形部分417 及419 ，其經移除以准許該等連接器部分在該等導體部分之平面中折曲。該等絕緣導體各包括一導電核心424 及一絕緣層426 ，而且當迫使絕緣導體420 及422 成為"V"形切口416 及418 時，個別切口會折曲以藉由錯置絕緣來電接觸該導電核心而嚙合該導體。塑膠主體396 藉由使引線與散熱器404 絕緣來預防供應電流之電短路。
如關於圖1 及圖2 中所示的具體實施例論述，一光學元件可提供在以上說明的替代性具體實施例之任一者中。例如，參考圖14 ，該光學元件可包含一透鏡(未顯示)，其係在附接導電帶386 及388 之前預先模製於該子安裝座上。
參考圖15 及圖16 ，在另一具體實施例中，一LED450 包括一子安裝座452 以及該子安裝座上的至少一或多個LED晶粒454 。LED450 亦包括具有第一及第二區域458 及460 的一金屬塊456 。第一區域458 係熱耦合至子安裝座452 。金屬塊456 亦包括從第二區域460 突出的一金屬樁462 。
在此具體實施例中，LED450 包括一透鏡464 ，其用於耦合及/或引導由LED晶粒454 產生的光。透鏡464 係安裝在一模製主體468 上，該模製主體連同該透鏡包圍並保護LED 晶粒454 。LED450 亦包括端子470 及472 以及個別連接器474 及476 ，其用於供應工作電流給LED晶粒454 。在此具體實施例中，連接器474 及476 係絕緣錯置型連接器，例如以上結合圖13 及圖14 說明的連接器。在其他具體實施例中，可提供壓合端子，例如圖1 中的端子118 。
參考圖17 至圖19 說明用於安裝LED450 的程序。參考圖17 ，LED450 係容納在在一熔接工具(未顯示)之卡盤490 中。該熔接工具可以係一電容放電樁熔接系統(例如可從俄亥俄州伊利裏亞市的尼爾森樁熔接(Nelson Stud Welding)公司購得之CD Lite I系統)之部分。尼爾森系統包括電源供應單元，其用於將一66,000 μF電容器充電至50 V至220 V之範圍內的電壓。該熔接工具經組態用以容納用於容納待熔接的工件之各種卡盤附接。該熔接工具包括一電纜，其用於耦合至該電容器，並進一步包括一開關，其用於啟動透過該卡盤使該電容器放電至該工件。
在此具體實施例中，卡盤490 包括一外套筒492 ，其具有用於嚙合一散熱器496 的絕緣部分494 。卡盤490 進一步包括一固持器498 ，其用於固持LED450 並用於將熔接電流從該充電電容器傳導至金屬塊456 。固持器498 係容納在套筒492 中而且可在由箭頭500 指示的方向上相對於該套筒而移動。卡盤490 亦包括用於朝散熱器496 促使LED450 的彈簧502 。一般地，電容放電樁熔接系統促進由彈簧502 提供的促使力之調整以達到一期望熔接特性。
在熔接之前，定位LED450 以便連接器474 及476 嚙合個別導體504 及506 。卡盤490 係接著放置在LED450 之上而且該LED係由卡盤490 初始地定位以便樁462 係接近的，但是並非與散熱器496 電接觸。在其他具體實施例中，LED450 可載入至卡盤490 中並接著相對於該散熱器來定位，同時保持在該卡盤中。
該電源供應亦經啟動用以使該電容器充電至一期望電壓。當對該電容器進行充電並且LED450 係在一期望位置處時，由使用者啟動該熔接工具開關，此舉使該電容器透過固持器498 來放電。
一初始電流流量係透過樁462 而集中並建立該樁與散熱器496 之間的電弧(其通常係保持在一接地電位)。集中的電流流量會透過樁362 產生高電流密度，從而使該樁迅速加熱至其中該樁至少部分地熔化及/或蒸發的一程度，因而准許第二區域460 移動至更接近於散熱器496 。隨著第二區域460 移動至更接近於散熱器496 ，在該第二區域與該散熱器之間建立複數個電弧510 。電弧510 引起第二區域460 中的金屬塊456 以及散熱器496 之局部熔化，此舉當其後使該第二區域與該散熱器接觸時穩固地熔接LED450 至該散熱器。
參考圖19 ，當熔化的金屬其後冷卻並凝固時，LED450 之金屬塊456 與散熱器496 之間的所得熔接確保良好的熱接觸。
有利地，該電容放電樁熔接系統透過樁362 在極短期限中耦合一較大電流(例如，4 毫秒內9000 A)。樁462 及周圍第二區域460 之所得加熱係極迅速的並且熱消散因此加以最小化，因而局部化金屬塊456 及/或散熱器496 的任何損壞或變色。
返回參考圖17 ，在一替代性具體實施例(稱為接觸電容放電樁熔接)中，樁462 可與散熱器496 電接觸來加以定位。其後，當啟動該開關時，透過樁462 直接耦合熔接電流至散熱器496 。接觸電容放電樁熔接會產生比其中當在樁462 與散熱器496 之間存在一間隙時起始放電之具體實施例稍長的熔接時間。
有利地，樁462 初始化一期望位置處(即在第二區域460 之中心處)的熔接電流。然而在其他具體實施例中可省略樁462 。在此類情況下，初始熔接電流建立第二區域460 與散熱器496 之間的一電弧並且可能需要LED450 相對於該散熱器之更仔細的對準以確保所得熔接係充分均勻的。
有利地，本文中說明的具體實施例之LED提供至一散熱器的附接而不使用一焊料，同時提供該LED與該散熱器之間的良好熱耦合以便可有效地將熱傳輸至該散熱器。本文中說明的具體實施例之數個者促進與該散熱器的無工具附接，而其他具體實施例可使用共同手動工具或其他方便工具來安裝。
雖然已說明並解說本發明之特定具體實施例，但是此類具體實施例應考量為僅解說本發明而非限制本發明，如依據附圖所解釋。
100．．．LED
102．．．子安裝座
104．．．LED晶粒
106．．．導熱金屬塊
108．．．第一區域
110．．．第二區域
112．．．柱子
114．．．模製主體
116．．．透鏡
117．．．外表面
118．．．第一端子
120．．．第一接點
121．．．第一連接器
122．．．第二接點
124．．．第二線接合連接器
140．．．散熱器
142．．．開口
144．．．前表面
145．．．背表面
146．．．導熱材料
148．．．遠端部分
150．．．彈簧夾
152．．．部分
154．．．第二端子
156．．．第二電流供應導體
158．．．第一電流供應導體
160．．．LED
162．．．柱子
164．．．螺紋部分
166．．．散熱器
168．．．開口
170．．．前表面
172．．．背表面
174．．．導熱材料
190．．．LED
192．．．導熱材料
194．．．外表面
196．．．散熱器
198．．．第一表面/前表面
199．．．凹入部分
200．．．LED
202．．．第一凸緣
204．．．第二凸緣
206．．．主體
207．．．端子
208．．．上表面
209．．．端子
210．．．槽
212．．．散熱器
214．．．第一彈簧夾
216．．．第二彈簧夾
218．．．附接點
220．．．附接點
222．．．凹入區域
224．．．LED晶粒/導熱材料
226．．．斜坡部分
228．．．斜坡部分
240．．．LED
242．．．導熱金屬塊
244．．．LED晶粒
246．．．子安裝座
248．．．安裝部分
249．．．導熱材料
250．．．柱子
252．．．螺紋部分
254．．．螺紋螺母
256．．．第一通道
258．．．第二通道
260．．．導體
262．．．導體
264．．．端部分
266．．．端部分
270．．．散熱器
272．．．開口
274．．．前表面
300．．．LED
302．．．散熱器
304．．．柱子
306．．．螺紋部分
308．．．圓筒形主體
312．．．凹入部分
314．．．螺紋開口
318．．．導熱材料
320．．．表面
340．．．LED
342．．．圓筒形主體
344．．．LED晶粒
346．．．導體
348．．．導體
350．．．散熱器
352．．．前表面
354．．．穿通開口
356．．．連接器區塊
358．．．插座
360．．．插座
362．．．電流供應導體/樁
364．．．電流供應導體
366．．．導熱材料
380．．．LED
382．．．LED晶粒
384．．．子安裝座
385．．．第一表面
386．．．導體帶/導電帶
388．．．導體帶/導電帶
390．．．連接器部分
392．．．連接器部分
396．．．塑膠主體
398．．．背表面
402．．．扣件
404．．．散熱器
406．．．前表面
408．．．背表面
410．．．開口
412．．．開口
414．．．導熱材料
416．．．切口
417．．．部分
418．．．切口
419．．．部分
420．．．導體
422．．．導體
424．．．導電核心
426．．．絕緣層
450．．．LED
452．．．子安裝座
454．．．LED晶粒
456．．．金屬塊
458．．．第一區域
460．．．第二區域
462．．．樁
464．．．透鏡
468．．．模製主體
470．．．端子
472．．．端子
474．．．連接器
476．．．連接器
490．．．卡盤
492．．．套筒
494．．．絕緣部分
496．．．散熱器
498．．．固持器
502．．．彈簧
504．．．導體
506．．．導體
510．．．電弧
在解說本發明之具體實施例的圖中，
圖1 係依據本發明之一第一具體實施例的一LED裝置之透視圖；
圖2 係圖1 中所示的LED裝置之另一透視圖；
圖3 係沿線3-3 截取的安裝在一散熱器上的圖1之LED裝置之斷面圖；
圖4 係依據本發明之一第二具體實施例的一LED裝置之斷面圖；
圖
5 係依據本發明之一第三具體實施例的一LED裝置之斷面圖；
圖6 係依據本發明之一第四具體實施例的一LED裝置之斷面圖；
圖7 係在正交於圖6 之斷面圖之方向上截取的圖6 中所示的LED裝置之另一斷面圖；
圖8 係圖6 及圖7 中所示的LED裝置之平面圖；
圖9 係依據本發明之一第五具體實施例的一LED裝置之透視圖；
圖10 係圖9 中所示的LED裝置之斷面圖；
圖11 係依據本發明之一第六具體實施例的一LED裝置之斷面圖；
圖12 係依據本發明之一第七具體實施例的一LED裝置之斷面圖；
圖13 係依據本發明之一第八具體實施例的一LED裝置之透視圖；
圖14 係圖13 中所示的安裝在一散熱器上的LED裝置之斷面圖；
圖15 係依據本發明之一第九具體實施例的一LED裝置之透視圖；
圖16 圖15 中所示的LED裝置之一第二區域的透視圖；以及
圖17 至19 係解說用於熔接圖15 及圖16 中所示的LED至一散熱器的一程序之一系列斷面圖。
100．．．LED
102．．．子安裝座
104．．．LED晶粒
106．．．導熱金屬塊
108．．．第一區域
114．．．模製主體
116．．．透鏡
117．．．外表面
118．．．第一端子
120．．．第一接點
121．．．第一連接器
122．．．第二接點
124．．．第二線接合連接器

Claims (15)

  1. 一種發光二極體(LED)裝置，其包含：一子安裝座；至少一個LED晶粒，其係安裝在該子安裝座上；以及一導熱金屬塊，其具有一第一區域及相對於該第一區域之一第二區域，該第一區域係熱耦合至該子安裝座，且該第二區域具有一垂直於該第二區域之表面而突出的柱子(post)，該柱子可運作地經組態以容納在一散熱器(heat sink)中的一開口中並將該LED裝置固定於該散熱器以便該第二區域係熱耦合至該散熱器。
  2. 如請求項1 之裝置，其中該柱子包含一螺紋部分，其係可運作以嚙合該散熱器中的該開口之一螺紋部分以將該LED裝置固定於該散熱器。
  3. 如請求項2 之裝置，其中該導熱金屬塊經組態用以容納用於施加一力矩以將該LED裝置固定於該散熱器的一扳手。
  4. 如請求項2 之裝置，其中該散熱器包含其中具有該開口的一基底，而且進一步包含從該基底延伸並具有遠離該基底的一開放端之一圓筒形壁，該圓筒形壁至少部分地封閉該LED裝置而且係可運作以透過該開放端引導由該LED晶粒產生的光。
  5. 如請求項1 之裝置，其中該柱子包含一遠端部分，其當容納在該開口中時從該散熱器之一背表面突出而且其中該遠端部分可運作地經組態以容納一彈簧夾，其用於嚙 合該散熱器之該背表面以促使該第二區域與該散熱器之一第一表面熱耦合。
  6. 如請求項1 之裝置，其中該金屬塊包含用於容納用於供應電流給該至少一個LED晶粒的至少一個導體之至少一個通道。
  7. 如請求項6之裝置，其中該至少一個通道延伸穿過該等柱子以促進該至少一個導體行經至該散熱器之該背表面。
  8. 如請求項1 之裝置，其進一步包含佈置在該第二區域上的一導熱材料，該導熱材料係可運作以當將該LED裝置安裝在該散熱器上時形成該第二區域與該散熱器之間的一介面，從而降低二者之間的一熱阻。
  9. 如請求項1 之裝置，其進一步包含與該至少一個LED晶粒電連接的至少一個端子，該端子係可運作以容納並固定用於供應工作電流給該至少一個LED晶粒的一電導體。
  10. 一種安裝在一散熱器的發光二極體(LED)裝置，該LED裝置包含：一子安裝座；至少一個LED晶粒，其係安裝在該子安裝座上；一導熱金屬塊，其具有一第一區域及一第二區域，該第一區域係熱耦合至該子安裝座；以及一導熱材料，其係配置在該金屬塊之第二區域上，該導熱材料具有黏性性質以將該LED裝置固定於該散熱器以便該第二區域係熱耦合至該散熱器之一第一表 面。
  11. 如請求項10之裝置，其中該導熱材料包含：一導熱材料層，其具有一內表面及一外表面；一第一黏性層，其係佈置在該內表面上，該第一黏性層係可運作以將該導熱材料層黏合於該第二區域；以及一第二黏性層，其係在該外表面上。
  12. 如請求項11之裝置，其中該金屬塊可運作地經組態以容納在該散熱器中的對應凹入部分中，該凹入部分係可運作以促進該LED裝置與該散熱器的對準。
  13. 如請求項11之裝置，其進一步包含佈置在該外表面上的一可移除保護膜，該保護膜可運作地經組態以在將該LED裝置固定於該散熱器之前加以移除。
  14. 如請求項10之裝置，其進一步包含與該至少一個LED晶粒電連接的至少一個端子，該端子係可運作以容納並固定用於供應工作電流給該至少一個LED晶粒的一電導體。
  15. 一種發光二極體(LED)，其包括：一子安裝座；至少一個LED晶粒，其係安裝在該子安裝座上；一導熱金屬塊，其具有一第一區域及相對於該第一區域之一第二區域，該第一區域係熱耦合至該子安裝座，且該第二區域具有一垂直於該第二區域之表面而突出的柱子，該柱子可運作地經組態以容納在一散熱器中的一開口中並將該LED裝置固定於該散熱器以便該第二區域 係熱耦合至該散熱器；一導熱材料，其係佈置在該第二區域上，該導熱材料係可運作以當將該LED裝置安裝在該散熱器上時形成該第二區域與該散熱器的一第一表面之間的一介面；以及一彈簧夾，其係佈置在該柱子之一遠端部分上，該彈簧夾具有至少一個部分，其可運作地經組態以壓縮成與該柱子齊平，同時係容納在該散熱器中的該開口中，該導熱材料係充分順應以准許該LED裝置抵著該散熱器之該第一表面而下壓至一充分程度來准許該彈簧夾的該至少一個部分嚙合該散熱器之一第二表面，以使該第二區域與該第一表面熱耦合。
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