БЕСПАЕЧНЫЙ ВСТРОЕННЫЙ СОЕДИНИТЕЛЬ СВЕТОДИОДНОЙ СБОРКИ И ТЕПЛООТВОД ДЛЯ СВЕТОДИОДА
SOLDERLESS INBUILT CONNECTOR OF LIGHT DIODE ASSEMBLY AND HEAT SINK FOR LIGHT DIODE

Область техники
Настоящее изобретение относится к заключенным в корпус светодиодам и, в частности, к светодиодной сборке, которая обеспечивает отвод тепла от светодиода к внешнему теплоотводу и использует стандартный соединитель, не требующий пайки, для подачи энергии.
Предшествующий уровень техники
Светодиоды высокой мощности, используемые для освещения, создают большое количество тепла, которое необходимо отвести к внешнему теплоотводу. Обычно светодиодная сборка согласно известному уровню техники, например, такая как показана на фиг.1, включает в себя светодиодный кристалл 10, керамическую вспомогательную головку 12 с электродами, подсоединенными к электродам кристалла светодиода, металлический теплопроводный сердечник 14, отражательную полость 16, монтажные выводы 18 с паяемой поверхностью, соединенные с электродами вспомогательной головки для припаивания к печатной плате, отформованный пластиковый корпус 20 и линзу 22, приклеиваемую к корпусу.
Печатная плата (не показана) может иметь металлическую корпусную часть с электроизоляционной поверхностью, поверх которой образованы металлические дорожки. Металлические дорожки могут связывать друг с другом большое количество светодиодных сборок, при этом металлические выводы обычно заканчиваются в соединителях у края печатной платы для крепления к выводам, служащим для подачи энергии. Металлический сердечник 14 проводит тепло от светодиода к корпусной части печатной платы, которая затем будет охлаждена воздухом.
Обычно выводы светодиодной сборки припаивают к печатной плате для жесткого крепления светодиодной сборки к отводящей тепло печатной плате. Создание светодиодной сборки с припаиваемыми выводами также обеспечивает возможность выполнения обработки светодиодной сборки как интегральной схемы, поэтому могут быть использованы обычные способы монтажа и пайки интегральной схемы, когда происходит установка светодиодной сборки на печатные платы. По существу светодиодная сборка со светодиодом высокой мощности является следующим этапом сборки интегральной схемы высокой мощности.
Вследствие соединений, предполагающих использование пайки, изготовители оборудования, которые закупают и монтируют светодиодные сборки со светодиодами высокой мощности, должны вкладывать средства в технологии, касающиеся пайки, например, отдельно в системы с ванной для припоя или в оборудование, которое выполняет пайку соединений. Разные изготовители в разной степени компетентны в отношении припаивания светодиодных сборок к печатным платам, что вызывает у некоторых изготовителей трудности в отношении манипуляций с корпусами со светодиодами высокой мощности.
Кроме того, точное расположение светодиодной сборки на печатной плате трудно обеспечить в том отношении, что светодиодная сборка может незначительно отклониться от ее положения поверх контактных площадок на печатной плате, не будучи надлежащим образом припаянной к контактным площадкам печатной платы. Следовательно, источник света не будет точно расположен по отношению к печатной плате.
Изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание светодиодной сборки высокой мощности, выделяющей значительное количество тепла, которая упрощает электрическое соединение с источником энергии и обеспечивает превосходный отвод тепла от светодиода без использования пайки.
Здесь описаны разные светодиодные сборки, которые позволяют изготовителям оборудования, выполняющим работы со светодиодными сборками, использовать только стандартные соединители, не требующие пайки, для электрического соединения с корпусом, а также использовать простые способы зажима для монтажа корпуса на теплопроводной монтажной панели. Варианты осуществления изобретения также обеспечивают возможность точного расположения светодиодных сборок на монтажной панели. Кроме того, варианты осуществления изобретения обеспечивают возможность легкого крепления к светодиодной сборке заказываемых линз без использования клеящего вещества.
В одном из вариантов осуществления конструкции стандартные плоские охватываемые наконечники с отверстиями для крепежного винта, предназначенные для анодного и катодного электродов, жестко проходят от отформованного пластикового корпуса. Это позволяет изготовителю просто обеспечить охватываемые плоские соединители у концов проводов для подачи энергии к светодиоду. Охватывающие соединители легко скользят поверх охватываемых соединителей. Светодиодная сборка включает в себя относительно большой металлический сердечник, полностью проходящий через сборку. Светодиод устанавливают у верхней поверхности металлического сердечника с обеспечением электроизоляционной керамической вспомогательной головки между светодиодом и металлическим сердечником. Электроды на верхней части вспомогательной головки соединяют с охватываемыми плоскими наконечниками с отверстиями для крепежного винта. Зажимные средства, позволяющие обойтись без пайки, например отверстия для винтов, обеспечивают на светодиодной сборке для надежного закрепления светодиодной сборки на теплоотводе или на теплоотводящей панели. Далее как теплоотвод, так и теплоотводящую панель называют в описании панелью. Панель может представлять собой печатную плату, но может и не быть ею. Сердечник в светодиодной сборке термически контактирует с панелью для отвода тепла от светодиода. Установочные структуры в светодиодной сборке (например, отверстия) обеспечивают точное расположение светодиодной сборки на соответствующих установочных структурах, имеющихся на панели.
Поскольку соединители на светодиодной сборке сопрягаются со стандартными соединителями, имеющимися в продаже, любой изготовитель, использующий светодиодные сборки, может легко соединить и смонтировать светодиодные сборки, не вкладывая средства в системы, касающиеся пайки. Светодиодные сборки устанавливают с более точным допуском на размеры, чем в случае типичных светодиодных сборок, предназначенных для монтажа на поверхности, при этом тепловое соединение с теплопроводящей панелью будет улучшено, поскольку зажатие обеспечивает прижим корпуса к светодиодной сборке.
На корпусе созданы углубления и направляющие для захождения единой конструкционной линзы. Линза может быть полностью образована из отформованного прозрачного пластика с установочными пальцами, которые вставляют в установочные отверстия в корпусе для точного расположения линзы. Линза имеет упругие зажимные плечи, которые прижимаются к углублениям в корпусе для жесткого крепления линзы к корпусу без использования клеящего вещества.
Еще в одном варианте осуществления конструкции корпус представляет собой плоскую металлическую деталь (например, из Cu), при этом сердечник (например, из CuW) приваривают к центральной зоне металлического корпуса. Сердечник в сочетании с металлическим корпусом проводит тепло от светодиода к монтажной панели. К металлическому корпусу крепят небольшую печатную плату. Электроды вспомогательной головки и не требующие пайки выводы светодиодные сборки электрически соединяют посредством печатной платы. Выводы светодиодной сборки механически удерживают посредством печатной платы.
Описаны многие другие стандартные электрические соединители, предназначенные для использования в светодиодной сборке, включая пальцевые соединители и завинчивающиеся соединители, которые зажимают неизолированный провод посредством винтов.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен разнесенный вид известной светодиодной сборки;
на фиг.2 - вид спереди одного из вариантов осуществления светодиодной сборки с использованием стандартных соединителей, не требующих пайки, согласно одному из вариантов осуществления изобретения;
на фиг.3 - вид сбоку светодиодной сборки на фиг.2 согласно изобретению;
на фиг.4 - общий вид спереди светодиодной сборки на фиг.2 согласно изобретению;
на фиг.5 - вид сзади в перспективе светодиодной сборки на фиг.2 согласно изобретению;
на фиг.6 - вид сбоку линзы, имеющей единую конструкцию, которая защелкивается на верхней части светодиодной сборки, на фиг.2 согласно изобретению;
на фиг.7А - вид спереди панели, на которой монтируют светодиодную сборку (создавая модуль) совместно с соединителями, подсоединенными к источнику энергии, согласно изобретению;
на фиг.7В - частичное поперечное сечение по двум винтам на фиг.7А, иллюстрирующее сердечник, показанный сплошной контурной линией, согласно изобретению;
на фиг.8, 9 и 10 - соответственно вид спереди, первый вид сбоку и второй вид сбоку светодиодной сборки согласно второму варианту осуществления изобретения;
на фиг.11 и 12 - соответственно вид спереди и вид сбоку светодиодной сборки согласно третьему варианту осуществления изобретения;
на фиг.13 и 14 - соответственно вид спереди и вид сбоку светодиодной сборки согласно четвертому варианту осуществления изобретения;
на фиг.15 и 16 - соответственно частичный вид спереди и частичный вид сбоку светодиодной сборки согласно пятому варианту осуществления изобретения;
на фиг.17, 18 и 19 - соответственно вид спереди, первый вид сбоку и второй вид сбоку светодиодной сборки согласно шестому варианту осуществления изобретения.
на фиг.20, 21 и 22 - соответственно вид спереди, первый вид сбоку и второй вид сбоку светодиодной сборки согласно седьмому варианту осуществления изобретения;
на фиг.23, 24 и 25 - соответственно вид спереди, первый вид сбоку и второй вид сбоку светодиодной сборки согласно восьмому варианту осуществления изобретения;
на фиг.26, 27 и 28 - соответственно вид спереди, первый вид сбоку и второй вид сбоку светодиодной сборки согласно девятому варианту осуществления изобретения;
на фиг.29 и 30 - соответственно общие виды сверху и снизу сердечника, который заменяет сердечник, представленный на фиг.1-28, согласно изобретению;
на фиг.31 и 32 - соответственно виды сверху и сбоку светодиодной сборки, при этом ее корпус выполнен не из отформованного пластика, а представляет собой плоскую металлическую деталь, удерживающую прямоугольный сердечник, печатную плату и не требующие пайки выводы светодиодной сборки, согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
На фиг.2 представлен вид спереди светодиодной сборки 26, содержащей светодиодные кристаллы 28. В этом примере для того, чтобы добиться желаемого светового выхода при определенном входном токе, электрически соединены друг с другом четыре отдельных светодиодных кристалла 28, однако в одной и той же светодиодной сборке может быть связано друг с другом любое количество светодиодных кристаллов.
В одном из вариантов осуществления конструкции каждый светодиодный кристалл 28 представляет собой светодиод на основе GaN, испускающий голубой свет. Тонкая пластина люминофора алюмоиттриевого граната поверх каждого кристалла испускает желто-зеленый свет при возбуждении голубым светом. Сочетание желто-зеленого и голубого света, протекающего сквозь него, создает белый свет. Могут быть использованы любые другие типы светодиодов высокой мощности, при этом могут быть созданы любые другие цвета. Подходящие светодиоды могут быть получены от Philips Lumileds Lighting Company.
Светодиодные кристаллы 28 устанавливают на вспомогательную головку 30, показанную на фиг.3 и 4. Вспомогательная головка 30 связывает светодиодные кристаллы 28 со слоем с металлическими дорожками, обеспечивает относительно большие и прочные катодные и анодные контактные площадки электродов для подсоединения к выводам светодиодной сборки, создает дополнительную цепь (например, устройство управления электронной системой) и облегчает выполнение операций. Вспомогательная головка 30 может представлять собой изолированный алюминий, керамику, изолированный кремний или любой другой приемлемый материал, который является теплопроводным, а еще и электроизоляционным. Светодиодные кристаллы 28 представляют собой перевернутые кристаллы с обоими электродами на донной поверхности, поэтому не требуется никакого соединения посредством проводов для подсоединения к электродам вспомогательной головки. Донные электроды светодиодных кристаллов 28 либо припаяны к электродам вспомогательной головки, либо приварены к ним посредством термоультразвуковой сварки, используя известные технологии. Светодиоды с перевернутыми кристаллами и вспомогательные головки хорошо известны и более полно описаны в патентах США 6844571 и 6828596, права на которые принадлежат правопреемнику данной заявки на патент и которые введены сюда посредством ссылки на них.
Вспомогательная головка 30 имеет верхний металлический слой, формирующий большую анодную контактную площадку 32 и большую катодную контактную площадку 34. Контактные площадки 32 и 34 связаны металлическими лентами 40 с концами соответствующих охватываемых плоских выводов 36 и 38, проходящих от корпуса. Связывание лентами 40 обычно выполняют посредством термоультразвуковой сварки, но оно может быть выполнено посредством припоя, проволочного соединения или любых других средств. Плоские выводы 36 и 38 представляют собой стандартные выводы, обычно используемые для многих случаев применения в электрике. Для гарантии соединения с источником энергии, обеспечивающего надлежащую полярность, используют широкие и узкие плоские выводы. Изготовитель оборудования, использующий светодиодную сборку 26, заталкивает соответствующие охватывающие соединители (или наконечники) поверх плоских выводов 36 и 38 для подачи энергии к светодиодам. Такие охватывающие соединители могут быть получены от Tyco Electronics и многих других изготовителей.
Корпус 42 светодиодной сборки образован из любого формуемого материала, предпочтительно пластика, при этом плоские выводы 36 и 38 жестко заделаны в корпус при формовании. В одном из вариантов осуществления конструкции формовочный материал представляет собой жидкий кристаллический полимер для обеспечения низкого коэффициента теплового расширения и обеспечения возможности выполнения обработки и эксплуатации при высоких температурах.
Кроме того, в корпус 42 при формовании заделан металлический сердечник 44, например, образованный из соединения меди и вольфрама (CuW), Cu и другого подходящего электропроводного материала, который полностью проходит через отформованный корпус 42. Сердечник 44 имеет отличительные признаки (показанные на фиг.7В), которые обеспечивают его жесткое удерживание внутри корпуса 42. Верхняя поверхность и нижняя поверхность сердечника 44 предпочтительно выполнены прямоугольными, чтобы, в общем, они сопрягались с вспомогательной головкой 30 и чтобы довести до максимума площадь их поверхности при термической связи с монтажной панелью. Сердечник, который должен быть вставлен, может быть круглым, шестиугольным или иметь другие конфигурации.
Нижняя поверхность вспомогательной головки 30 металлизирована, при этом вспомогательную головку 30 припаивают к верхней поверхности сердечника 44, чтобы обеспечить максимальную термическую связь.
Металлическую пластину 46 (например, медную) (фиг.5), как вариант, при формовании заделывают в нижнюю поверхность корпуса 42, чтобы придать корпусу дополнительную прочность.
В корпусе 42 выполнены имеющие разную конфигурацию установочные отверстия 48 и 50 (фиг.1), предназначенные для зацепления с соответствующими направляющими пальцами на монтажной панели. Это обеспечивает точную установку светодиодной сборки на панели с надлежащей ориентацией перед ее жестким прижатием к панели посредством винтов. Направляющие пальцы, когда они вставлены в отверстия 48, также предотвращают поворот светодиодной сборки при завертывании винтов для прижатия светодиодной сборки к монтажной панели, вследствие чего будет гарантирована точная ориентация светодиодов.
Отформованные отверстия 52 и 54 для винтов выполнены с уступами (наилучшим образом показанными на фиг.4), при этом головки винтов проталкивают вниз на уступы, чтобы жестко прижать светодиодную сборку к панели.
Установочные отверстия 56 на верхней части светодиодной сборки 26 предназначены для расположения линзы 58 (фиг.6) поверх светодиодов с целью формирования луча каким-либо способом, определяемым конфигурацией линзы. Линза 58 имеет пальцы 60, которые жестко устанавливают в отверстия 56 (фиг.2) для точного центрирования линзы 58 поверх светодиодов. Корпус 42 имеет углубления 62 (фиг.5), в которых будут зафиксированы с защелкиванием ушки 64 на линзе 58, когда линзу наталкивают на корпус после установки светодиодной сборки на панель.
Как показано на фиг.7А, светодиодная сборка 26 расположена на монтажной панели 66 с помощью винтов 68. В одном из вариантов осуществления конструкции панель 66 имеет металлическую сердцевину (например, из алюминия) для проводимости тепла от сердечника 44 и для захождения винтов. В одном из вариантов открытый сердечник 44 проходит номинально на 25 микрон за нижнюю поверхность пластикового корпуса, чтобы обеспечить прочный тепловой контакт между сердечником 44 и панелью. Допуск на удлинение сердечника может составлять плюс или минус 25 микрон. Еще в одном варианте податливый теплопроводный материал (например, металлическую пасту) осаждают на панель под светодиодной сборкой 26 для обеспечения прочного теплового контакта между сердечником 44 и панелью.
С задней стороны панели 66 могут быть обеспечены гайки для винтов, либо непосредственно в панели 66 может быть образована резьба для винтов. Еще в одном варианте осуществления конструкции светодиодная сборка 26 прижата к панели 66 посредством использования не винтов, а, например, пружин, скоб, заклепок, либо иных механизмов фиксации или закрепления.
На фиг.7В представлен частичный вид в поперечном сечении, демонстрирующий, что сердечник 44 имеет полки 69 (или ушки), которые проходят с двух сторон. Для простоты отформованный корпус 42 (фиг.7А) не показан. Полки 69 обеспечивают прочное крепление сердечника 44 в отформованном корпусе 42, а также прижимаются винтами 68 для обеспечения прочного теплового контакта между сердечником 44 и монтажной панелью 66.
Панель 66 может иметь по ее поверхности электроизоляционный слой и удерживать значительно больше компонентов. Металлические дорожки (не показаны) на панели 66 могут связывать друг с другом различные электрические компоненты.
После прикрепления светодиодной сборки 26 к панели 66, наконечники 70 и 72 соединяют с плоскими выводами 36 и 38, и крепят выбранную линзу 58 (фиг.6). На фиг.7А показаны наконечники 70 и 72, подсоединенные к источнику подачи энергии 73. Большое количество светодиодных сборок может быть подсоединено последовательно или параллельно.
Как показано, светодиодная сборка 26 обеспечивает весьма надежное электрическое соединение с источником энергии без пайки, при этом тепло от светодиодов будет эффективно подведено к внешнему теплообменнику через сердечник 44. Светодиодная сборка может быть использована для предполагаемых светодиодов высокой мощности вследствие надежной тепловой связи с панелью.
На фиг.8-10 представлены разные виды светодиодной сборки 76, идентичной светодиодной сборке 26 согласно фиг.2-5, за исключением того, что плоские выводы 78 и 79 перпендикулярны верхней поверхности светодиодной сборки. Это позволяет уменьшить пространство, требуемое для светодиодной сборки на панели, а также уменьшить напряжение, когда происходит наталкивание наконечников на выводы.
На фиг.11 и 12 представлены разные виды светодиодной сборки 80, идентичной светодиодной сборке 26 на фиг.2-5, за исключением того, что выводы 82 и 84 представляют собой выводы с зажимом проводов, при этом провода 90/92 зажимают винтами 86/88.
На фиг.13 и 14 представлены разные виды светодиодной сборки 94, идентичной светодиодной сборке 26 на фиг.2-5, за исключением того, что выводы 96 и 98 представляют собой пальцы, проходящие перпендикулярно верхней поверхности светодиодной сборки. Соединители для пальцев 96 и 98 стандартизованы и могут быть получены от Tyco Electronics.
На фиг.15 и 16 представлены разные частичные виды светодиодной сборки 100, идентичной светодиодной сборке 94 на фиг.13 и 14, за исключением того, что выводы 102 и 104 представляют собой пальцы, проходящие от боковой стороны и параллельные верхней поверхности светодиодной сборки.
На фиг.17-19 представлены разные виды светодиодной сборки 106, идентичной светодиодной сборке 94 согласно фиг.13 и 14, за исключением того, что выводы 108 и 110 представляют собой пальцы, установленные в корпусе ниже, чтобы уменьшить высоту корпуса и защитить пальцы.
На фиг.20-22 представлены разные виды светодиодной сборки 112, идентичной светодиодной сборке 106 согласно фиг.17-19, за исключением того, что выводы 114 и 116 представляют собой пальцы, устанавливаемые внутри светодиодной сборки и параллельные верхней поверхности корпуса.
На фиг.23-25 представлены разные виды светодиодной сборки 120, которая выполнена круглой. Сердечник 44 при формовании заделывают в корпус 121 светодиодной сборки, и он проходит из верхней части. Сердечник 44 поддерживает вспомогательную головку с кристаллами светодиодов (не показано). Печатная плата или другой соединитель (не показаны) соединяет электроды вспомогательной головки с плоскими выводами 122 и 124, которые проходят с противоположных сторон светодиодной сборки. Светодиодная сборка расположена на монтажной панели с выравниванием с охватывающим гнездом для плоских выводов 122 и 124. Впадины 125 используют для выравнивания светодиодной сборки по отношению к гнезду и упругого блокирования корпуса в его конечном положении. После этого светодиодную сборку поворачивают таким образом, что плоские выводы 122 и 124 скользят в охватывающие гнезда.
На фиг.26-28 представлены разные виды светодиодной сборки 126, подобной светодиодной сборке 120, показанной на фиг.23-25, за исключением того, что плоские выводы 128 и 130 проходят от нижней части светодиодной сборки для их заталкивания в соединители, образованные в монтажном корпусе.
На фиг.29 и 30 представлен сердечник 140, который может быть использован вместо сердечника 44, показанного на фиг.1-28. Сердечник 140 может быть изготовлен из CuW или из другого металла, обладающего высокой теплопроводностью. Сердечник 140 при формовании заделывают в пластиковый корпус (не показан), наружные размеры которого (известные как отпечаток) и установочные отверстия фактически идентичны наружному диаметру и установочным отверстиям корпуса 42, показанного на фиг.1, так чтобы представлять собой непосредственную замену светодиодной сборки 26, показанной на фиг.1. В корпус при формовании также заделывают соединители, не требующие пайки, которые были описаны ранее. Сердечник 140 имеет удлинения 142 с отверстиями 144 для винтов, так что при движении головки винта вниз происходит ее непосредственный контакт с удлинением и надавливание на него. Вся нижняя поверхность сердечника 140 открыта через пластиковый корпус для обеспечения значительного теплового контакта с монтажной панелью. Вспомогательная головка 30 (фиг.1) со светодиодами установлена на верхнюю поверхность сердечника 140.
Могут быть использованы многие другие типы конструкций светодиодных сборок, имеющих заделанные в них при формовании стандартные соединители и в которых применены описанные здесь конструкции теплоотвода.
На фиг.31 и 32 представлена светодиодная сборка 148, в которой не используют отформованный пластиковый корпус. На фиг.31 представлен вид спереди, а на фиг.32 вид сбоку. Отпечаток светодиодной сборки 148, включающий в себя установочные отверстия 150 для совпадения, может быть идентичен отпечатку светодиодной сборки 26, показанной на фиг.1, так чтобы он обеспечивал непосредственную замену. Плоская металлическая (например, из Cu) пластина 152 имеет приваренный или припаянный на ее поверхности твердым припоем сердечник 154 (например, из CuW). Вспомогательную головку 30 со светодиодными кристаллами 28 припаивают к верхней поверхности сердечника 154. Печатную плату 156 крепят к металлической пластине 152. Печатная плата 156 имеет соединительные контактные площадки, которые связаны (термоультразвуковым способом или пайкой) с лентами 40 и плоскими выводами 36 и 38. Это исполнение обеспечивает наилучший теплоотвод для любого из вариантов конструкции.
Хотя описаны и показаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, квалифицированным специалистам в этой области будет понятно, что без отклонения от этого изобретения в его широких аспектах могут быть выполнены изменения и модификации, при этом прилагаемые пункты формулы изобретения должны заключать в себе все такие модификации и изменения, находящиеся в пределах существа и объема этого изобретения.