ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО С ОХЛАЖДЕНИЕМ
SEMICONDUCTOR DEVICE WITH COOLING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к охлаждению полупроводниковых устройств. В частности, изобретение относится к монтажу и охлаждению мощных светодиодов (светоизлучающих диодов) на обычной печатной плате. Изобретение описано применительно к осветительным устройствам, содержащим светодиоды, но может быть применено в отношении любых полупроводниковых устройств.
Уровень техники
Увеличение цен на энергию и необходимость экономии энергии привели к росту спроса на светодиодное освещение. Светодиоды представляют собой твердотельные источники света, в которых не используется разогретая нить или газ, и являются более эффективными, чем большинство других видов освещения. Тем не менее, светодиоды выделяют тепло при прохождении тока через них, что может иметь негативное влияние на срок службы и характеристики таких устройств. Если светодиоды сгруппированы в непосредственной близости друг от друга, это может приводить к перегреву, в то же время плотная группировка светодиодов важна, поскольку она позволяет снизить множественное затенение и так называемую «пятнистость».
В настоящее время в мощных светодиодных устройствах тепло отводится от плотно сгруппированных светодиодов с помощью сочетания теплоотводов, вентиляторов принудительного охлаждения и особых алюминиевых печатных плат. Эти способы в большей степени основаны на кондуктивной теплопередаче (через непосредственный контакт) от электродов (тепловых площадок) светодиодов в направлении тыльной стороны печатной платы, откуда тепло попадает в теплосток и рассеивается в окружающем воздухе. Большинство теплостоков выполняется из алюминия и требует значительной энергии для их изготовления, что отрицательно влияет на общую энергоэффективность (с учетом всего жизненного цикла) такого светодиодного освещения.
В таких теплостоках возникает температурный градиент, поскольку температура снижается в направлении от центра печатной платы. Светодиоды, расположенные в центре платы, имеют более высокую температуру, чем светодиоды, расположенные на периферии такой платы, что отрицательно влияет на характеристики и/или срок службы светодиодов, расположенных в центре.
Тепло выделяется светодиодами, расположенными на лицевой стороне печатной платы, а элементы, предназначенные для отвода этого тепла, находятся с тыльной стороны платы. Сама печатная плата представляет собой барьер для передачи тепла. Для увеличения теплопроводности в направлении тыльной стороны платы применяются более дорогостоящие алюминиевые печатные платы.
Примеры таких светодиодных устройств включают в себя: WO 2009/067558, US 2008/0191231, US 2002/175621 и US 2005/083698, в которых раскрыто использование сплошных теплоотводящих элементов, проходящих от тыльной стороны светодиодов сквозь печатную плату, на которой они установлены, так что тепло от светодиодов кондуктивно передается через эти теплоотводящие элементы и рассеивается с тыльной стороны платы;
US 2007/0145383, где раскрыто светодиодное устройство, в котором светодиоды установлены через пленку на теплоотводящем слое, расположенном на лицевой стороне платы;
WO 02/097884, где раскрыто, что светодиоды установлены на металлической плате с выступами с тыльной стороны платы;
US 5278432, где раскрыто, что массив светодиодов установлен на теплоотводящем слое с возможностью применения теплостока с тыльной стороны этого слоя и принудительного воздушного охлаждения.
Все эти усилия по охлаждению плотно сгруппированных светодиодов приводят к увеличению стоимости и росту форм-фактора (т.е. к излишнему увеличению размеров) светодиодного устройства.
Целью настоящего изобретения является реализация устройства на основе полупроводниковых элементов, например плотно сгруппированных светодиодов, на обычной печатной плате с обеспечением улучшенного охлаждения полупроводников/светодиодов, предпочтительно без использования обычных теплостоков, расположенных с тыльной стороны печатной платы, и в некоторых случаях - без необходимости применения принудительного воздушного охлаждения.
Раскрытие изобретения
В соответствии с настоящим изобретением реализовано полупроводниковое устройство, содержащее:
подложку с лицевой стороной и тыльной стороной и множеством проемов, каждый из которых расположен между лицевой стороной и тыльной стороной;
множество полупроводниковых элементов, расположенных на лицевой стороне подложки; и
теплопроводящие элементы, находящиеся в хорошем тепловом контакте с полупроводниковыми элементами и с краями проемов,
причем, по меньшей мере, некоторые из теплопроводящих элементов образуют открытый проход без препятствий, выполненный сквозь проемы между лицевой стороной и тыльной стороной подложки.
По меньшей мере, некоторые из полупроводниковых элементов могут быть светодиодами, а подложка может быть обычной печатной платой.
Теплопроводящие элементы могут включать в себя проводящий листовой материал, расположенный между светодиодами и проемами, предпочтительно расположенный с лицевой стороны подложки.
Теплопроводящие элементы могут включать в себя теплопроводящие трубчатые элементы, расположенные внутри проемов и образующие открытые проходы между лицевой стороной и тыльной стороной подложки. По меньшей мере, некоторые из этих внутренних проходов могут располагаться перпендикулярно подложке, и, по меньшей мере, некоторые из трубчатых элементов могут выступать за лицевую сторону и/или тыльную сторону подложки.
Устройство может содержать вентиляционное устройство, например вентилятор, выполненный с возможностью формирования потока воздуха сквозь проемы (и сквозь внутренние проходы трубчатых элементов) в направлении от лицевой стороны подложки к тыльной стороне подложки.
Краткое описание чертежей
Далее, для лучшего понимания настоящего изобретения и для иллюстрации его практической реализации, изобретение описано на примере неограничивающего характера со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
фиг. 1 представляет собой вид спереди полупроводникового устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 2 представляет собой вид сбоку устройства с фиг. 1; и
фиг. 3 представляет собой увеличенный вид сверху части печатной платы полупроводникового устройства с фиг. 1.
Осуществление изобретения
Как показано на чертежах, осветительное устройство или полупроводниковое устройство содержит подложку в виде обычной печатной платы 2, на которой размещен массив полупроводниковых элементов в виде светодиодов 4, сгруппированных в непосредственной близости друг от друга на верхней стороне печатной платы. Печатная плата 2 представляет собой «обычную» печатную плату в том смысле, что она выполнена из обычного материала, например из слоистого диэлектрика с эпоксидным вяжущим, и может быть двусторонней печатной платой. Над каждым из светодиодов 4 установлена линза 3 для рассеивания или для направления света, излучаемого светодиодом.
Устройство показано и описано со ссылкой на верхнюю, боковую и нижнюю стороны, но специалисту в данной области техники очевидно, что оно может быть ориентировано в любом направлении, а определения «верх» и «низ» использованы лишь для ясности. Верхняя сторона устройства может также рассматриваться как «лицевая» сторона, а нижняя сторона - как «тыльная» сторона.
Несколько проемов или сквозных отверстий 9 выполнены в печатной плате 2 в зазорах между линзами 3 и расположены между верхней и нижней сторонами печатной платы, а трубчатые элементы в виде медных трубок 1 расположены внутри сквозных отверстий 9, при этом каждая трубка ориентирована в направлении верх-низ, запрессована или припаяна к печатной плате. Вместо медных трубок 1 могут использоваться другие теплопроводящие материалы, например графен. Помимо трубок 1 цилиндрической формы могут быть использованы трубчатые элементы с другой формой поперечного сечения или, по меньшей мере, с другой формой внутреннего прохода - особенно с формой, обеспечивающей увеличенную площадь внутренней поверхности для улучшения передачи тепла и уменьшения требуемой длины трубки или трубчатого элемента и, таким образом, уменьшения форм-фактора устройства. Медные трубки 1 не обязательно являются лучшим вариантом трубчатых элементов и эффективность рассеивания ими тепла может быть повышена за счет увеличения внутренней поверхности, например применения внутренних ребер и т.п. Тем не менее, медные трубки 1 широкодоступны и дешевы (по сравнению с трубчатыми элементами с внутренними выступами), хорошо паяются и имеют приемлемую толщину стенок - они достаточно толстые для передачи тепла и достаточно тонкие для обеспечения внутреннего прохода.
Как хорошо видно на фиг. 3, тепловые площадки 10 в виде тонкого слоя теплопроводящего материала выполнены на верхней стороне печатной платы 2 и расположены вокруг каждого светодиода 4. Основание светодиода 4 находится в хорошем тепловом контакте с тепловой площадкой 10, которая расположена вокруг близлежащих сквозных отверстий 9 и медных трубок 1, что обеспечивает хорошую теплопроводность на пути от светодиода до медных трубок 1. Внутренняя поверхность сквозных отверстий 9 покрыта хорошим проводником тепла, например медью, к которому медные трубки 1 присоединены пайкой или запрессовкой, как было упомянуто ранее, с целью обеспечения хорошего теплового контакта. По существу, тепловые площадки 10 под светодиодами 4 непосредственно соединены с медными трубками 1, способствующими отводу тепла от светодиодов (см. далее).
Как хорошо видно на фиг. 2, каждая медная трубка 1 выступает с верхней стороны печатной платы 2 на большую длину, чем с нижней стороны 7, так что трубки расположены между линзами 3. Вентиляционное устройство 5 принудительного воздушного охлаждения (или вентилятор) расположено ниже печатной платы 2 и выполнено с возможностью создания воздушного потока в направлении вниз, как обозначено поз. 6. Температурный датчик 8 расположен на нижней стороне 7 печатной платы 2 и может использоваться в цепи обратной связи для управления температурным режимом устройства путем управления скоростью вентиляционного устройства 5.
При эксплуатации тепло, выделяющееся в светодиодах 4, весьма эффективно отводится через тепловые площадки 10 на медные трубки 1 и нагревает их. Воздушный поток 6, формируемый вентиляционным устройством 5, вызывает внутри медных трубок 1 движение воздуха в направлении вниз, и тепло со светодиодов 4 рассеивается (отводится) весьма эффективно внутри медных трубок - с внутренней поверхности стенок медных трубок в воздушный поток 6.
В тех вариантах осуществления изобретения, где устройство ориентировано в обратном направлении, т.е. светодиоды 4 направлены вниз, тепло, выделяемое светодиодами, также передается медным трубкам 1, но в некоторых случаях передача тепла воздуху внутри медных трубок может быть достаточной для появления восходящего потока воздуха за счет естественной конвекции, что позволяет избавиться от вентиляционного устройства 5.
В некоторых вариантах осуществления изобретения поток воздуха может быть направлен в обратную сторону - от тыльной стороны печатной платы 2 к лицевой стороне, за счет принудительного или естественного движения воздуха. Тем не менее, в большинстве случаев предпочтительно отводить тепло с освещенной стороны, например, если устройство используется для освещения хранилища пищи.
Поскольку медные трубки 1 выступают с верхней (лицевой) стороны печатной платы 2, на которой расположены светодиоды 4 и где выделяется тепло, нет необходимости передавать это тепло на нижнюю (тыльную) сторону печатной платы лишь посредством кондукции, напротив, тепло отводится с медных трубок 1 конвекцией, поскольку воздух может проходить через проходы в медных трубках. Это прямо противоположно устройствам из уровня техники, в которых необходим теплоотвод с тыльной стороны печатной платы (поскольку размещение теплоотвода на лицевой стороне печатной платы непрактично или невозможно) и требуется кондуктивная передача тепла к теплоотводу через печатную плату.
Расстояние между светодиодами 4 и медными трубками 1 невелико, поскольку каждый светодиод окружен медными трубками, и, следовательно, каждый светодиод расположен близко к медным трубкам, поэтому температурный градиент в направлении от центра к периферии печатной платы оказывается меньше, чем в случае обычных теплоотводов.
Помимо упомянутых выше преимуществ, весьма эффективное охлаждение светодиодов 4 позволяет располагать их ближе друг к другу, чем в устройствах из уровня техники, при этом они работают при меньших температурах и/или при большей выходной мощности. Столь хорошее охлаждение достигается без использования дорогостоящих теплопроводящих печатных плат или теплоотводов, а в некоторых случаях и без вентиляционного устройства 5.
Кроме того, устройство по настоящему изобретению существенно компактней (имеет меньший форм-фактор), чем устройства из уровня техники, в основном, за счет отсутствия крупного теплоотвода с тыльной стороны печатной платы.
Изобретение имеет определенное преимущество, заключающееся в том, что воздушный поток 6 возникает (за счет принудительной вентиляции или естественной конвекции) в направлении, противоположном направлению света светодиодов 4 (т.е. воздушный поток направлен спереди назад) и, соответственно, тепло не рассеивается и не накапливается в области перед устройством, свет которого создается светодиодами.