СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2014 года по МПК F21K99/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к светоизлучающему устройству, содержащему светодиод (LED) и элемент отведения тепла для рассеивания тепла, генерируемого светодиодом.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Светоизлучающие устройства на основе светодиодов (LED) сегодня используются все больше и больше для широкого разнообразия применений света. Одна из проблем, связанных со светодиодами, состоит в том, что они генерируют тепло, которое должно отводиться из устройства, чтобы избежать повреждения светодиода и устройства. Перегрев может также ухудшать рабочие характеристики и/или эффективность светодиода.

Традиционно для отведения тепла использовался теплоотвод, расположенный на обратной стороне (стороне, противоположной стороне установки светодиода) печатной платы (PCB), на которой установлен светодиод, требуя, таким образом, чтобы тепло проходило через печатную плату. Для улучшения теплопередачи использовались печатные платы с металлическим сердечником (MCPCB), обладающие, однако, тем недостатком, что они дороги. Напротив, стеклоэпоксидный пластик является дешевым, легко обрабатываемым материалом, традиционно используемым для печатных плат, обладающим, однако, плохой теплопроводностью, что создает большую проблему для изготовителей осветительных устройств на основе светодиодов.

Патент США 7078728 описывает светодиод для поверхностного монтажа, содержащий теплопроводящее основание, изолированную монтажную плату, прикрепленную к основанию и включающую в себя проводящий рисунок и установочное отверстие, чип светоизлучающего элемента, установленный на установочной поверхности, открытой за счет установочного отверстия, и отражающую раму, обладающую теплопроводностью и закрепленную на основании и термически соединенную с ним, чтобы окружать чип светоизлучающего элемента, причем тепло, генерируемое чипом светоизлучающего элемента, отводится как через основание, так и через отражающую раму или через что-либо одно их них. Однако это устройство не обеспечивает должного отведения тепла от мощного светодиода без использования дополнительных теплоотводов, прикрепленных к основанию или к отражающей раме.

Таким образом, в области техники существует потребность в светодиодных устройствах с улучшенными свойствами отведения тепла.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично преодолеть упомянутые выше недостатки, свойственные предшествующему уровню техники. В одном варианте изобретение относится к светоизлучающему устройству, содержащему печатную плату, PCB, изготовленную из стеклоэпоксида и имеющую, по меньшей мере, один электропроводящий или теплопроводящий участок, светодиод, LED, для излучения света, светодиод, термически соединенный с, по меньшей мере, одним электропроводящим или теплопроводящим участком посредством, по меньшей мере, одного контакта светодиода, и элемент отведения тепла для рассеивания тепла, генерируемого светодиодом, причем элемент отведения тепла термически соединен с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком, на котором тепло, генерируемое светодиодом, передается вдоль пути теплопередачи, проходящего от светодиода через, по меньшей мере, один контакт и, по меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок к элементу отведения тепла.

Светоизлучающее устройство, согласно изобретению, обеспечивает значительно улучшенное отведение тепла от светодиода, используя для печатной платы дешевые стеклоэпоксидные материалы. В результате оказывается возможным достигнуть более низкой рабочей температуры светодиода и, таким образом, лучших рабочих характеристик, вместе с пониженными производственными расходами. Изобретение особенно полезно при использовании светодиодных модулей большой мощности.

Устройство является несложным и также механически жестким, так как элемент отведения тепла прикреплен к печатной плате, а не к корпусу светодиода.

Кроме того, так как печатная плата может иметь многочисленные электропроводящие и теплопроводящие участки различных форм и размеров, существует широкий диапазон альтернатив для установки теплоотводящего элемента. Таким образом, светоизлучающее устройство, соответствующее изобретению, позволяет иметь множество различных конструкций.

Контакт светодиода может быть электрическим контактом, электрически соединяющим светодиод с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком. Электрические контакты светодиода могут, таким образом, участвовать в передаче тепла от светодиода к элементу отведения тепла, снижая, таким образом, необходимость в отдельном элементе теплопередачи и/или улучшая передачу тепла от светодиода.

В вариантах осуществления изобретения контакт является элементом теплопередачи. Альтернативно, светодиод может содержать множество контактов, включая, по меньшей мере, один электрический контакт и, по меньшей мере, один элемент теплопередачи. Элемент теплопередачи обеспечивает хорошую теплопередачу от светодиода к, по меньшей мере, одному электропроводящему и теплопроводящему участку. В частности, использование отдельного элемента теплопередачи в дополнение к использованию электрических контактов светодиода для теплопередачи может обеспечить улучшенную передачу тепла от светодиода.

Светодиод и элемент отведения тепла устанавливаются на одной стороне печатной платы. Дополнительно, по меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок может быть предусмотрен на той же самой стороне печатной платы. При установке элемента отведения тепла на передней стороне печатной платы тепло не должно будет проходить через или вокруг печатной платы. Следовательно, достигаются как низкое тепловое сопротивление, так и менее сложная сборка. Дополнительно, обратная сторона печатной платы может использоваться в целях, отличных от крепления элемента отведения тепла, таких как, например, дополнительная схема управления. Используя обратную сторону печатной платы для установки схемы управления, схема может быть легко защищена от повреждения. Кроме того, могут быть достигнуты отведение тепла от светодиода и отведение тепла от схемы управления.

Дополнительно, схема управления может, по меньшей мере, частично быть помещена в защитный материал, такой как полимер или подобный защитный материал.

В вариантах осуществления изобретения элемент отведения тепла выполняется с возможностью размещения внутри него оптического элемента, используемого, например, в целях коллимирования и/или перераспределения света от светодиода. Использование элемента отведения тепла в качестве держателя оптического элемента экономит свободное место, избегая необходимости отдельного держателя и сокращая количество конструктивных элементов, устанавливаемых на печатной плате, упрощает процесс изготовления. Дополнительно, так как элемент отведения тепла/держатель оптического элемента могут быть достаточно большими, возможно получение хорошего рассеивания тепла.

Элемент отведения тепла может быть установлен на, по меньшей мере, одном электропроводящем и теплопроводящем участке, используя, по меньшей мере, одно или комбинацию из припоя и проводящего клея.

Дополнительно, элемент отведения тепла может быть установлен в таком месте, чтобы схема управления была электромагнитно экранирована от светодиода. При использовании элемента отведения тепла для электромагнитной экранировки необходимость в отдельной экранирующей конструкции снижается, таким образом, сохраняя свободное место, а также упрощая производственный процесс, что снизит стоимость.

Дополнительно, в вариантах осуществления изобретения светоизлучающее устройство содержит множество светодиодов, причем каждый светодиод термически соединен с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком посредством, по меньшей мере, одного контакта и элементом отведения тепла для рассеивания тепла, генерируемого множеством светодиодов. Таким образом, множество светодиодов может использоваться с одним элементом отведения тепла, упрощая, следовательно, производство систем, содержащих множество светодиодов, а также позволяя иметь множество различных конструкций светоизлучающего устройства и/или системы освещения, содержащей светоизлучающее устройство.

Альтернативно, светоизлучающее устройство может содержать множество светодиодов, причем каждый светодиод термически соединен с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком посредством, по меньшей мере, одного контакта, и множество элементов отведения тепла для рассеивания тепла, генерируемого множеством светодиодов, в котором тепло от, по меньшей мере, одного из множества светодиодов передается вдоль пути теплопередачи, проходя от, по меньшей мере, одного из множества светодиодов к, по меньшей мере, одному из множества элементов отведения тепла. Обеспечивая большую свободу в изменении количества светодиодов и элементов отведения тепла и в способах соединения между ними, светоизлучающее устройство, соответствующее вариантам осуществления изобретения, позволяет иметь много различных конструкций.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие варианты настоящего изобретения будут теперь описаны более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, показывающие предпочтительные в настоящее время варианты осуществления изобретения, на которых:

Фиг.1 изображает схематический вид в разрезе светоизлучающего устройства, соответствующего предпочтительному варианту осуществления изобретения;

Фиг.2 изображает схематический вид в разрезе светоизлучающего устройства, соответствующего другому предпочтительному варианту осуществления изобретения; и

Фиг.3 изображает схематический вид в разрезе светоизлучающего устройства, соответствующего еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение далее будет описано более полно со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых показаны предпочтительные варианты осуществления изобретения. Это изобретение может, однако, быть осуществлено во многих различных формах и не должно рассматриваться как ограниченное вариантами осуществления, изложенными здесь, скорее эти варианты осуществления приведены для всестороннего и полного представления, и полностью представляют объем изобретения специалисту в данной области. Схожие ссылочные позиции повсеместно относятся к схожим элементам.

Фиг.1 изображает светоизлучающее устройство, соответствующее варианту осуществления изобретения. Светоизлучающее устройство 1 содержит светодиод (LED) 2, установленный на печатной плате (PCB) 6. Светодиод 2 содержит чип 21 светодиода, установленный на подложке 22 и электрически и термически соединенный с электрическими контактами 31, 32. Электрические контакты 31, 32 электрически и термически соединены с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком 4 печатной платы 6.

Печатная плата 6 может быть изготовлена из любого материала, традиционно используемого в этой области техники. Материал, используемый для печатной платы 6, может иметь плохую теплопроводность. Как правило, печатная плата 6 изготавливается из стеклоэпоксидного пластика.

Печатная плата 6 имеет, по меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок 4, выполненный из электропроводящего и теплопроводящего материала, такого как металл или проводящий полимер. Например, по меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок 4 может быть, по меньшей мере, частично, изготовлен из меди. По меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок 4, как правило, является слоем, покрывающим часть печатной платы 6. По меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок 4 может содержать множество участков, таких как множество слоев, каждый из которых покрывает часть печатной платы 6. По меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок 4 может иметь различные формы, и различные электропроводящие и теплопроводящие участки могут иметь различные формы. Как правило, каждый из электрических контактов 31, 32 электрически и термически соединен с отдельным электропроводящим и теплопроводящим участком печатной платы 6.

Дополнительно, в варианте осуществления, показанном на фиг.1, светодиод 2 термически соединен с элементом 33 теплопередачи. Элемент 33 теплопередачи термически соединен посредством припоя 9 с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком 4. Однако элемент 33 теплопередачи может также присоединяться к, по меньшей мере, одному электропроводящему и теплопроводящему участку 4 посредством любого другого традиционного теплопроводящего соединения, такого как теплопроводящий клей. Элемент 33 теплопередачи может быть электрически изолированным. Элемент 5 отведения тепла использован для рассеивания тепла, генерируемого во время работы светодиода 2. Элемент 5 отведения тепла термически соединен с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком 4.

Тепло может передаваться от светодиода 2 к электропроводящему и теплопроводящему участку 4 и далее к элементу 5 отведения тепла различными путями. В вариантах осуществления изобретения тепло, выделяющееся светодиодом 2, передается вдоль пути теплопередачи, проходя от светодиода 2 через электрические контакты 31, 32 и, по меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок 4 к элементу 5 отведения тепла. Альтернативно, в других вариантах осуществления изобретения, электрические контакты 31, 32 термически не соединены с элементом 5 отведения тепла. Вместо этого тепло может передаваться вдоль пути теплопередачи, проходя от светодиода 2 через элемент 33 теплопередачи и, по меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок 4 к элементу 5 отведения тепла. В других вариантах осуществления изобретения тепло может передаваться от светодиода 2 и через электрические контакты 31, 32 и через элемент 33 теплопередачи к, по меньшей мере, одному электропроводящему и теплопроводящему участку 4 и далее к элементу 5 отведения тепла.

Электрические контакты 31, 32 могут быть изготовлены из любого традиционного материала, такого как металл. Специалистам в данной области техники известны другие подходящие материалы для электрических контактов.

Элемент 33 теплопередачи может быть изготовлен из любого традиционного теплопроводящего материала, используемого в этой области техники. К примерам подходящих материалов для элемента 33 теплопередачи относятся металлы, такие как медь и алюминий, теплопроводящие полимеры, полимеры, обладающие металлическим наполнителем, и тепловые интерфейсные материалы (TIM).

Элемент 5 отведения тепла может быть выполнен из любого материала или комбинации материалов, традиционно используемых для тепловых теплоотводов, таких как металл. Как правило, элемент отведения тепла изготавливается из металла, например алюминия, меди или магния, или керамического материала.

В варианте осуществления, показанном на фиг.1, элемент 5 отведения тепла устанавливается на электропроводящем и теплопроводящем участке 4 печатной платы 6 посредством припоя 10. Элемент 5 отведения тепла может быть установлен на печатную плату 6 любым традиционным средством, которое обеспечивает тепловое соединение с электропроводящим и теплопроводящим участком 4, такое как использование припоя или теплопроводящего клея (тепловой интерфейсный материал). Как правило, элемент 5 отведения тепла соединяется непосредственно с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком 4, используя теплопроводящее соединение, такое как припой или теплопроводящий клей.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.2, элемент 5 отведения тепла светоизлучающего устройства 1 выполняется с возможностью размещения в нем оптического элемента 11. Элемент 5 отведения тепла, показанный на фиг.2, по меньшей мере, частично ограждает светодиод 2 и определяет пространство перед светодиодом 2, которое может быть, по меньшей мере, частично занято одним или более оптическими элементами 11. Элемент 5 отведения тепла также может быть выполнен с возможностью размещения в нем множества оптических элементов различного вида, формы и функциональности. Примерами оптических элементов являются линза, рассеиватель, отражатель, коллиматор и световод.

Для размещения оптического элемента 11 сторона элемента 5 отведения тепла, обращенная к светодиоду 2, может быть снабжена выступом. Один или более оптических элементов могут устанавливаться, например, посредством склеивания, пружинной нагрузки или фрикционной посадки.

Обращаясь теперь к фиг.3, которая изображает светоизлучающее устройство 1, содержащее светодиод 2, установленный на печатной плате 6, имеющей, по меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок 4. Светодиод 2 термически соединен с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком 4, по меньшей мере, одним контактом 3. По меньшей мере, один контакт 3 может быть электрическим контактом и/или электрически изолированным элементом теплопередачи. В вариантах осуществления изобретения, где контакт 3 является электрически изолированным элементом теплопередачи, светодиод 2 электрически соединяется с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком 4 дополнительными электрическими контактами. Элемент 5 отведения тепла термически соединен с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком 4. Печатная плата 6 может быть такой, как описано выше.

В варианте осуществления, показанном на фиг.3, по меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок 4, светодиод 2 и элемент 5 отведения тепла устанавливаются на одной и той же стороне печатной платы 6. На противоположной стороне печатной платы 6 устанавливается схема 7 управления. Схема 7 управления может содержать, например, один или более резисторов, один или более транзисторов, одну или более интегральных схем и/или провода или кабели. Дополнительно, схема 7 управления герметизируется посредством герметизации 8. Герметизация 8 защищает схему 7 управления от повреждения, например от влаги.

Элемент 5 отведения тепла по варианту осуществления, показанному на фиг.3, частично окружает печатную плату 6. Таким образом, элемент 5 отведения тепла может быть сделан довольно большим, чтобы обеспечить хорошее рассеивание тепла. Кроме того, элемент 5 отведения тепла снабжается фланцами 51 охлаждения, чтобы обеспечить хорошее отведение тепла от элемента 5 отведения тепла.

В других возможных вариантах осуществления изобретения элемент 5 отведения тепла может быть установлен так, что схема 7 управления электромагнитно экранирована от светодиода 2 элементом 5 отведения тепла. Электромагнитная экранировка схемы управления от светодиода 2, используя элемент 5 отведения тепла, особенно полезна, когда схема 7 управления и светодиод 2 устанавливаются на одной и той же стороне печатной платы 6.

Специалист в данной области техники понимает, что настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Напротив, в рамках объема прилагаемой формулы изобретения возможны многочисленные изменения и вариации. Например, светоизлучающее устройство 1 может содержать множество элементов отведения тепла так, чтобы светодиод 2 мог быть термически соединен с несколькими элементами отведения тепла. В таких вариантах осуществления, по меньшей мере, один элемент отведения тепла может быть выполнен с возможностью установки в него оптического элемента.

Дополнительно, светоизлучающее устройство 1 может содержать множество светодиодов. В таких вариантах конструкции два или более светодиодов могут быть термически соединены, как описано выше, с одним и тем же элементом 5 отведения тепла. Например, множество светодиодов могут быть установлены на печатной плате 6 и термически соединены, как описано выше, с элементом 5 отведения тепла, который тоже может быть установлен на печатной плате, так чтобы тепло от каждого светодиода 2 передавалось через электропроводящий и теплопроводящий участок 4 печатной платы 6 к элементу 5 отведения тепла. Альтернативно, в вариантах осуществления изобретения множество светодиодов могут быть термически соединены, как описано выше, с множеством элементов отведения тепла, причем каждый светодиод 2 термически соединяется с, по меньшей мере, одним элементом 5 отведения тепла и каждый элемент отведения тепла термически соединяется с, по меньшей мере, одним светодиодом 2. Например, два или более светодиодов могут быть термически соединены с каждым элементом 5 отведения тепла из множества элементов отведения тепла.

Таким образом, светоизлучающее устройство, соответствующее изобретению, обеспечивает значительно улучшенный отвод тепла от светодиода, используя для печатной платы дешевые материалы, такие как стеклоэпоксидный пластик. В результате могут быть достигнуты значительно улучшенные тепловые характеристики вместе со снижением затрат производства.

Изобретение относится к светоизлучающему устройству (1), содержащему печатную плату (PCB), имеющую, по меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок, светодиод (LED), термически соединенный с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком посредством, по меньшей мере, одного контакта светодиода, и элемент отведения тепла для рассеивания тепла, генерируемого светодиодом, причем элемент отведения тепла термически соединен с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком, в котором тепло, генерируемого светодиодом, передается вдоль пути теплопередачи, проходящего от светодиода через, по меньшей мере, один контакт и, по меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок к элементу отведения тепла.

Светоизлучающее устройство, соответствующее изобретению, обеспечивает значительно лучшее отведение тепла от светодиода, в то же время используя для печатной платы дешевый стеклоэпоксидный материал. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Светоизлучающее устройство (1), содержащее:
печатную плату, PCB, (6), изготовленную из стеклоэпоксида и имеющую, по меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок (4);
светодиод (LED) (2) для излучения света, причем светодиод термически соединен с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком (4) посредством, по меньшей мере, одного контакта светодиода (2); и
элемент (5) отведения тепла для рассеивания тепла, генерируемого светодиодом (2), причем элемент (5) отведения тепла термически соединен с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком (4), при этом светодиод (2) и элемент (5) отведения тепла установлены на одной стороне печатной платы (6);
а тепло, выделяемое светодиодом (2), передается вдоль пути теплопередачи, проходящего от светодиода (2) через, по меньшей мере, один контакт и, по меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок (4) к элементу (5) отведения тепла.

2. Светоизлучающее устройство по п.1, в котором упомянутый контакт является электрическим контактом (31, 32), электрически соединяющим светодиод (2) с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком (4).

3. Светоизлучающее устройство по п.1, в котором упомянутый контакт является элементом (33) теплопередачи.

4. Светоизлучающее устройство по любому из пп.1-3, в котором светодиод (2) содержит множество контактов, включающих в себя, по меньшей мере, один электрический контакт (31, 32) и, по меньшей мере, один элемент (33) теплопередачи.

5. Светоизлучающее устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, один электропроводящий и теплопроводящий участок (4) предусмотрен на той же стороне печатной платы (6).

6. Светоизлучающее устройство, по любому из пп.1-3, дополнительно содержащее схему (7) управления, причем схема (7) управления и светодиод (2) установлены на разных сторонах печатной платы (6).

7. Светоизлучающее устройство по п.6, в котором схема (7) управления, по меньшей мере, частично встроена в защитный материал (8).

8. Светоизлучающее устройство по любому из пп.1-3, в котором элемент (5) отведения тепла выполнен с возможностью размещения в нем оптического элемента (11).

9. Светоизлучающее устройство по любому из пп.1-3, содержащее:
множество светодиодов, причем каждый светодиод (2) термически соединен с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком (4), по меньшей мере, одним контактом; и
элемент (5) отведения тепла для рассеивания тепла от упомянутого множества светодиодов.

10. Светоизлучающее устройство по любому из пп.1-3, содержащее множество светодиодов, причем каждый светодиод (2) термически соединен с, по меньшей мере, одним электропроводящим и теплопроводящим участком (4) посредством, по меньшей мере, одного контакта, и множество элементов отведения тепла для рассеивания тепла, генерируемого множеством светодиодов, причем тепло от, по меньшей мере, одного из множества светодиодов передается вдоль пути теплопередачи, проходящего от, по меньшей мере, одного из множества светодиодов к, по меньшей мере, одному из множества элементов отведения тепла.

11. Светоизлучающее устройство по любому из пп.1-3, в котором элемент (5) отведения тепла установлен на, по меньшей мере, одном электропроводящем и теплопроводящем участке (4), используя, по меньшей мере, одно из припоя или клея.

12. Светоизлучающее устройство по п.6, в котором элемент (5) отведения тепла установлен так, что схема (7) управления электромагнитно экранирована от светодиода (2).