用於局部照明的高功率led模塊的製作方法
2023-04-23 22:13:26 4
專利名稱：用於局部照明的高功率led模塊的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及照明應用的發光二極體(LED)技術。它得到與局部模塊照明(spot module illumination)應用有關的具體應用並具體參照其進行描述。然而，可以認識到本發明也可以修改為其他類似的應用。
背景技術：
目前的局部模塊燈技術主要依靠用於微型反射器(MR)和拋物線反射器(PAR)類型的燈照明的滷素類型的燈。但是使用滷素類型的燈用於局部照明有一些缺點。例如，過熱會限制這些類型的燈用於商業和消費者應用。現有的LED方案在光源陣列中利用標準的、成品的、環氧樹脂封裝的、通孔的LED源。這些配置嚴重的限制了燈的輸出亮度。因此，可以被LED技術實現的潛在市場突破相應地很有限。
到目前為止，在這個技術領域的努力主要集中在輸出光的多色數字控制，以便在各種風格的封裝件中提供「彩色薄塗(color wash)」能力。基於LED的燈已經被設計用於模仿MR燈的照明區域。然而，由於用來形成這些燈的LED不可以導熱，這種燈的熱阻係數大約為300℃/W，這些LED燈產生過熱。因此，熱負載對於傳統的基於LED的MR燈是關鍵的問題。
解決熱問題的一個嘗試是將表面安裝裝置封裝到金屬包層(metal clad)印刷電路板(PCB)上。然而，這僅是平面的方法，在這種情況下PCB沒有直接集成到包括在燈體中的吸熱器固定裝置中。因此，不可能將高功率LED燈包含在MR封裝件中。
本發明提供一種新的和改進的裝置和方法，克服了上述問題和其他問題。
發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種發光模塊。它包括發光二極體組件，設置了前側發光二極體陣列和後側。後側與一個導熱延伸片熱聯通，一個導熱芯體與該導熱延伸片熱聯通。導熱芯體包括一個電導體，在工作中與前側發光二極體陣列聯繫，多個附件置於導熱芯體的周圍以便它們與該導熱延伸片熱聯通。
根據本發明的另一方面，一個發光二極體陣列包括由電連接元件穿過的本體支撐的發光面。該本體包括與發光面熱聯通的導熱芯體，導熱芯體包括與發光面中的發光二極體電聯通的電連接元件。多個導熱附件圍繞該導熱芯體，並且它們與發光二極體組件熱聯通。
根據本發明的又一方面，提供了一種使用局部模塊平臺的燈。該燈包括安排在具有反向前向和後向側面的LED組件中的多個LED。當將電供至那裡時前向側面選擇性的從該LED提供照明。一個吸熱器與LED組件的後向側熱聯通，它用於吸收來自LED的熱量。散熱裝置與吸熱器熱聯通，它通過對流將來自吸熱器的熱散掉。
本發明的一個優點是它將會減少MR或PAR類型的燈或其他新穎的燈配置中的基於LED的局部模塊(spot modules)的熱阻係數。
本發明的另一個優點是它使得在MR或PAR類型的燈或其他新穎的燈配置中的局部模塊中應用高功率LED成為可能。陣列中的LED數量可以根據具體應用的需要而改變。
本發明的另一個優點是它製造出了基本上可以模仿傳統的MR燈的照明區域的基於LED燈。同樣的方法也可以用於PAR類型燈的情況。
本發明的另一個優點是它產生的亮度水平超過傳統的用夾子夾住的(clip-on)過濾MR燈。
本發明的另一個優點是初級或者初級和次級鏡頭結合的配置可以用於將光輸出聚焦，以提供來自局部模塊的從10°到65°光譜半波寬(full-width-half-maximum)範圍的角度輸出。
本發明的另一個優點是LED的工作溫度被降低了，從而增加了基於LED的燈的工作壽命。
本發明的另外的優點將在本領域的技術人員閱讀和理解了以下優選實施例的描述後變得明顯。
本發明可以以各種元件和元件的安排的形式、以及以各種步驟和步驟的排列而實現。附圖只是為了解釋優選實施例，而不被解釋為對本發明的限制。
圖1圖解了適合於實施本發明的裝置的第一實施例。
圖2圖解了適合於實施本發明的裝置的第二實施例。
圖3圖解了適合於實施本發明的裝置的第三實施例。
圖4圖解了適合於實施本發明的裝置的第四實施例。
圖5圖解了適合於實施本發明的裝置的另一實施例。
具體實施例方式
參照圖1，裝置8包括分別安裝到各自的電絕緣子安裝架(submount)20，22，24的高功率LED 10，12，14的集成陣列。子安裝架20，22，24固定到各自的井(well)30，32，34內的金屬製成的後側襯底26上。可以選擇的是，LED 10，12，14直接固定到金屬襯底26，由此可以不使用子安裝架。LED 10，12，14所在的井30，32，34通常是直接衝壓或鑽孔到襯底材料中，以便優選地形成「反射器」形狀。然而，還可以預見其它LED和井的配置。子安裝架20，22，24(或者可選擇的是LED 10，12，14)通過高導熱材料(例如焊料、填充的環氧樹脂、熱膠帶(heat tape)和/或其他具有優良導熱性的粘合劑)固定到作為吸熱器的後側襯底26。LED 10，12，14通過導體38連接到電接觸點36。
透鏡40，42，44分別覆蓋LED 10，12，14。可以選擇的是，包括一個次級光學透鏡陣列的帽被固定到井中的LED上。在這種情況下，透鏡陣列中各個小透鏡與LED和井以一對一的關係對應。
襯底26被固定到散熱延伸片60上，它包括像金屬這樣的導熱材料。在使用中，LED 10、12、14產生的熱量被傳遞給襯底26，然後傳送到散熱延伸片60。熱量在散熱延伸片60上被基本均勻分布。散熱延伸片60固定到導熱芯體62上。導熱的散熱鰭片64包圍芯體並從芯體62延伸。在所解釋的實施例中，散熱鰭片64形成了一個與芯體62幹涉配合的獨立的組件。在一個實施例中，在裝配前通過收縮芯體62和擴大散熱鰭片64來確保緊密的幹涉配合。更具體而言，通過冷卻芯體62(例如冷凍)將芯體的外徑暫時收縮，通過加熱散熱鰭片64將吸熱器散熱鰭片64的內徑暫時擴大。然後，散熱鰭片組件被滑動到或被置於芯體62的周圍。一旦部件恢復到周圍環境的溫度，就在散熱鰭片組件和芯體62之間形成了緊密的幹涉配合。由於散熱鰭片64接觸芯體62，熱量通過散熱鰭片64從芯體傳導到外部環境。另外，散熱延伸片60和鰭形的吸熱器64可以作為一個單獨的導熱材料成型。電導體68、70穿過芯體62和散熱延伸片60，以便將被引腳72、74接收的電供給LED 10，12，14。除了所示的例子外，也可以預見吸熱器用於增加外表面區域以改進熱控制的鰭形吸熱器，同時提供給「燈」更具美感的外觀。
本領域的技術人員可以理解陣列中LED的數量可以根據燈輸出的需要而變化。
圖2-5圖解了本發明的其它實施例。這些實施例中的元件的參考標號採用與圖1中圖解的實施例中對應的元件參考標號相同的標號並在其後加了(』)符號。新的元件標示有新的標號。
參照圖2，裝置77包括基本為平面的襯底78，高功率LED 10』，12』，14』安裝在其上。蓋子80固定在襯底78上。蓋子80包括與LED10』，12』，14』具有一對一對應關係的凹進部分82，84，86。凹進部分82，84，86被成型用來形成各自的反射器(例如蜂窩形狀)，反射器的形狀可以是圓錐形、拋物線形或者是提供所需要的光線輸出方向特性的具有特定斷面形狀的外形。
參照圖3，本發明的另一個實施例包括一個裝置90，具有安裝到金屬芯子(例如散熱延伸片)110的多個高功率LED 100，102，104。可以選擇的是，每個LED通過電絕緣的子安裝架安裝到金屬芯子110。在這個實施例中，每個LED 100，102，104單獨的封裝為離散元件。此外，每個封裝件包括單個的初級光學部件(例如透鏡)112，114，116。封裝件利用電路板120電連接。電路板120設計用於將從離散的封裝件的散熱最優化，例如帶有金屬芯的印刷電路板。可以選擇的是，該板包含通孔122，124，126以允許包括在封裝件中的吸熱器直接連接到作為組件的吸熱器的金屬芯子110。LED 102，102，104通過導熱粘合劑或焊料(例如熱膠帶)固定到金屬芯子110。另外，導熱粘合劑或焊料將LED 100，102，104固定到各自的子安裝架，此外，將子安裝架固定到金屬芯子110。板120上的電路(未顯示)將LED 100，102，104電連接到電源。電路最好由標準的金屬或陶瓷材料形成；然而，還可以預見其它材料。
現在參照圖4，另一個實施例的LED模塊130包括多個導熱柱或從LED陣列後側伸出的成形的突出部分132，與上述的從導熱芯體伸出相對。現在對於本領域的技術人員顯而易見的是發光模塊上的散熱延伸部分或突出部分的位置是可以變化的，其他等同的功能布局也是可能的。此外，對於具體的應用，延伸部分或突出部分的形狀、物理連續性和材料也可以變化。
圖4還圖解了外殼136，由塑料、金屬或其他材料製成，附著在發光面周邊的周圍。在LED的對面，一個光學部件140優選的是通過螺紋、咬合、夾子、螺釘或類似物附著到外殼136上。光學部件140可以根據需要被著色(tinted)，或者與下面的LED顏色匹配來提供想要的顏色輸出，或者可以是透明的，可以作為一個扁平的窗口、一個透鏡、或其它光調節系統或者光線整形器、一個多菲涅耳光學系統、一個漫射片或者另外的裝置而形成。可以選擇的是，光學部件140可以包括一個微透鏡板或這一個具有與下面的LED對準的光軸的小透鏡陣列。在任何情況下，優選的是光學部件140附著到外殼136，以便其不同類型的種類根據需要易於互換，從而選擇性地為各種應用定製模塊130。另外，外殼136可以選擇高度可調和/或可與各種不同高度的外殼互換，從而選擇光學部件140和下面的LED之間需要的距離。技術人員將意識到，通過以這種方式在LED和光學部件140之間形成各種分隔，可以適應不同焦距的透鏡。
參照圖5，備用的固定裝置150包括金屬襯底152或摺疊作為燈具的外殼的散熱固定裝置。包含在內的是高功率LED156，158和對應的透鏡160，162。這種本體152最好由鋁或其他導熱材料以適當鑄造或機械加工的形狀製成。用於將LED內連到電源(未圖解)的電路170可以是直接在外殼組件上形成圖案，或由附在外殼的頂表面的印刷線路板構成。該電路包括用於LED 156，158的開口並且還可以選擇包括用於附加鏡頭160，162的機械特徵。到電路170的電連接通過中間部分的接頭174進行，其可以適合於接收電源或來自裝置外的電源的引線。另外，可以通過在外殼中的通路或孔電連接。外殼中空的中間部分還可以用於容納其它用於LED 156，158的電氣控制電路，外殼的底部可以連接到一個合適的連接器設計中，以便連接到一個插座。散熱片178包圍組件的外部。本領域的技術人員可以理解一個單獨的外殼中的陣列中的LED的數量和顏色可以根據燈輸出的需要而改變。此外，附加的散熱片的數量和排布可以根據需要而改變。
本發明的裝置中公開的機械設計具有與約40℃/W或者更少的相似(例如大約15℃/W)的熱阻係數。此外，可以理解裝置8，77，90，130，150可以設計為模仿傳統的MR或PAR類型的燈(例如MR-16燈)的照明區域。
優選的是，本發明使用的高功率LED產生飽和色(例如綠色，藍色，青色，紅色，橙色，黃色，或者琥珀色)和/或白光，以便各個燈產生至少大約60流明(lumens)的光。還可以預見到在陣列中的多種顏色。
優選的是，本發明的透鏡和小透鏡是折射、繞射、或菲涅耳透鏡類型的並設計用於產生用於聚光燈應用的範圍從大約10°到大約65°範圍的局部照明光線。
還可以預見電源轉換元件也被包括在裝置8，77，90，130，150中，用於將交流(AC)輸入(例如，12VAC，120VAC，或220 VAC)轉換成為LED供電的直流、低電壓電源。還可以預見到用於通用的AC輸入的電源轉換元件。
還可以預見到裝置8，77，90，130，150中的單個LED被選擇性的操作。在這種情況下，單個的或成組的LED尋址(addressing)可以局部的通過位於燈具中的合適的控制電路實現，或者通過通信裝置選擇性地遠程尋址單個的LED。
已經參照優選實施例對本發明進行了說明。顯然，其他人在閱讀和理解了以上詳細描述後可以想到修改和變化。本發明意圖構造成將所有這樣的修改和變化包括在所附的權利要求和其等價物的範圍之內。
權利要求
1.一種發光模塊，包括發光二極體組件，設置了一個前側發光二極體陣列和一個後側，所述後側與一個導熱延伸片熱聯通；導熱芯體，與所述導熱延伸片熱聯通，所述導熱芯體提供用於導電體在工作中與所述前側發光二極體陣列聯繫的裝置；和多個附件，置於所述導熱芯體的周圍，所述多個附件與所述導熱延伸片熱聯通。
2.根據權利要求1所述的發光模塊，還包括外殼，圍繞所述前側發光二極體陣列；和光學部件，可拆卸地固定到與所述前側發光二極體陣列相對的所述外殼。
3.根據權利要求2所述的發光模塊，其中所述光學部件包括多個對應於所述前側發光二極體陣列中的發光二極體的小透鏡。
4.根據權利要求2所述的發光模塊，其中所述外殼提供所述光學部件和所述前側發光二極體陣列之間的一個選擇性變化的間隔。
5.根據權利要求1所述的發光模塊，其中所述多個附件包括附著在所述導熱芯體周圍的散熱鰭片。
6.根據權利要求1所述的發光模塊，其中所述多個附件包括從所述發光二極體陣列的後側向外延伸的杆。
7.根據權利要求1所述的發光模塊，其中所述發光二極體組件包括多個發光二極體，每個發光二極體放置在一個成形的凹進部分中，所述凹進部分和發光二極體被一個透鏡覆蓋。
8.根據權利要求1所述的發光模塊，其中所述發光二極體組件包括單獨封裝的發光二極體元件。
9.根據權利要求8所述的發光模塊，其中所述單獨封裝的發光二極體元件以與所述導熱延伸片熱聯通的方式被固定。
10.根據權利要求1所述的發光模塊，其中所述發光模塊具有小於40攝氏度每瓦特的熱阻係數。
11.根據權利要求1所述的發光模塊，其中所述導熱芯體和所述電導體適合於被容納在一個固定裝置中，所述固定裝置從一組MR類型的固定裝置和PAR類型的固定裝置中選擇。
12.根據權利要求1所述的發光模塊，其中所述前側發光二極體陣列選擇性的產生飽和色光。
13.根據權利要求1所述的發光模塊，其中所述前側發光二極體陣列選擇性的產生白光。
14.根據權利要求1所述的發光模塊，其中所述前側發光二極體陣列選擇性的產生基於來自各種飽和色LED的混合的降低飽和度的顏色。
15.根據權利要求1所述的發光模塊，其中所述前側發光二極體陣列選擇性的產生至少50流明的光。
16.根據權利要求1所述的發光模塊，還包括在所述前側發光二極體陣列中的可單獨供電的多組二極體。
17.一種發光二極體組件，包括由一個本體支撐的發光面，電連接元件通過所述本體，所述本體包括一個導熱芯體，與所述發光面熱聯通，所述導熱芯體提供一個路徑用於所述電連接元件與所述發光面中的發光二極體電聯繫；多個圍繞所述導熱芯體的導熱附件，所述多個導熱附件與所述發光二極體組件熱聯通。
18.根據權利要求17所述的發光二極體組件，其中所述多個導熱附件包括附著到所述導熱芯體的散熱鰭片。
19.根據權利要求18所述的發光二極體組件，其中所述散熱鰭片包括附著到所述導熱芯體的一個附件邊緣，所述附件邊緣與所述導熱芯體的中心軸平行。
20.根據權利要求17所述的發光二極體組件，其中所述導熱附件包括附著到與所述發光面相反的一側的細長柱。
21.一種使用了局部模塊平臺的燈，所述燈包括多個LED，安排在一個具有反向的前向和後向側的LED組件中，當供電至所述前向側時，所述前向側選擇性地從所述LED提供照明；一個吸熱器，與所述LED組件的所述後向側熱聯通，所述吸熱器用於從所述LED吸收熱量；以及，散熱裝置，與所述吸熱器熱聯通，所述散熱裝置通過對流將來自所述吸熱器的熱量散掉。
22.根據權利要求21所述的燈，其中所述散熱裝置包括具有暴露在外的表面區域的多個部件，所述部件與所述吸熱器熱聯通。
23.根據權利要求22所述的燈，其中所述吸熱器包括一個導熱基底，與所述LED組件的後向側接觸；和一個導熱芯體，從所述基底向遠離所述LED組件的方向延伸。
24.根據權利要求23所述的燈，其中所述散熱裝置的部件與至少所述基底和所述吸熱器的芯體之一接觸並且從至少所述基底和所述吸熱器的芯體之一向外延伸。
全文摘要
一種發光模塊，包括一個發光二極體組件，該組件設置了一個前側發光二極體陣列和一個後側。後側與一個導熱的延伸片熱聯通，一個導熱芯體與傳導性的延伸片熱聯通。導熱芯體包括一個電導體，在工作中與前側發光二極體陣列聯繫，以及多個附件置於導熱芯體的周圍，以便它們與傳導性的延伸片熱聯通。
文檔編號F21S8/04GK1518768SQ02812366
公開日2004年8月4日 申請日期2002年5月24日 優先權日2001年5月26日
發明者克里斯多福·L·博勒爾, 克里斯多福 L 博勒爾, D 波拉德, 安東尼·D·波拉德, E 伯克霍爾德, 格雷格·E·伯克霍爾德, T 彼得羅斯基, 詹姆士·T·彼得羅斯基, L 薩默斯, 馬休·L·薩默斯, 小羅伯特·F·卡爾利切克, 特 F 卡爾利切克, 小斯坦特恩·E·韋弗, 特恩 E 韋弗, A 貝克爾, 查爾斯·A·貝克爾 申請人:吉爾科有限公司