СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД ДЛЯ УСТАНОВКИ НА ТЕПЛООТВОД
LIGHT EMITTING DIODE FOR INSTALLATION ON HEAT SINK

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область техники изобретения
Это изобретение в целом относится к светоизлучающим диодам (СИД, LED), а более точно к установке СИД на теплоотвод.
2. Описание предшествующего уровня техники
Светоизлучающие диоды (СИД) в общем смысле рассматривались в качестве электронных компонентов и как таковые обычно устанавливались на печатные платы (PCB) с использованием различных технологий пайки, таких как, например, пайка оплавлением корпусов поверхностного монтажа.
Прогресс в технологии СИД привел к улучшенной оптической эффективности при более низких производственных затратах, и СИД более высокой мощности теперь доступны для использования в применениях общего освещения, таких как домашнее и промышленное освещение. Такие применения, например, создали необходимость в простых недорогих решениях по установке для СИД. Пайка может не быть подходящим решением по установке и/или соединению для осветительных отраслей промышленности, которые традиционно полагались на относительно низкотехнологичные технологии соединения и установки. Привнесение технологий пайки в такие отрасли промышленности может представлять собой препятствие более широкому внедрению осветительных компонентов на СИД.
СИД также являются существенно более компактными, чем традиционные осветительные устройства, такие как лампы накаливания и люминесцентные лампы, которые представляют собой проблему для отвода тепла, по той причине, что СИД имеют меньшую площадь поверхности, доступную для конвективной теплопередачи в окружающий воздух, чем традиционные электролампы.
При установке СИД есть необходимость передавать тепло, вырабатываемое СИД, на корпусную деталь, которая способна рассеивать тепло в близлежащую окружающую среду, таким образом, поддерживая СИД на безопасной рабочей температуре.
Технологии установки, используемые для традиционных источников света (например, ламп накаливания, люминесцентных ламп и т.д.), обычно не являются подходящими для использования с устройствами на СИД, так как традиционные источники света обычно не имеют таких же требований к теплопередаче, как СИД. Большинство технологий установки для традиционных источников света бесполезны для установки компактных источников на СИД (например, мощный СИД может быть 1 мм × 1 мм или меньшим).
Соответственно, остается необходимость в способах и устройстве для установки СИД.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним из аспектов изобретения предложено светодиодное (СИД) устройство для установки на теплоотвод, причем теплоотвод имеет переднюю поверхность с отверстием в ней. Устройство включает в себя подложку, по меньшей мере один кристалл СИД, установленный на подложке, и теплопроводящий сердечник, имеющий первый и второй участки. Первый участок термически связан с подложкой, а второй участок имеет штырь, выступающий наружу из него. Штырь функционально сконфигурирован, чтобы приниматься в отверстие в теплоотводе и крепить СИД устройство к теплоотводу, так что второй участок термически связан с передней поверхностью теплоотвода.
Штырь может включать в себя резьбовую часть, работоспособную для ввинчивания в резьбовую часть отверстия в теплоотводе для крепления СИД устройства к теплоотводу.
Теплопроводящий сердечник может быть функционально сконфигурирован для приема гаечного ключа для прикладывания крутящего момента, чтобы крепить СИД устройство к теплоотводу.
Теплоотвод может включать в себя основание, имеющее отверстие в нем, и дополнительно может включать в себя цилиндрическую стенку, тянущуюся от основания и имеющую открытый конец, дистальный к основанию, причем цилиндрическая стенка по меньшей мере частично огораживает СИД устройство и является работоспособной для направления света, интегрируемого кристаллом СИД, через упомянутый открытый конец.
Штырь может включать в себя резьбовую часть, которая когда принята в отверстие в теплоотводе, выступает из его задней поверхности и функционально сконфигурирована для приема резьбовой гайки для крепления СИД устройства к теплоотводу.
Штырь может включать в себя дистальную часть, которая выступает из задней поверхности теплоотвода, когда принята в отверстие, причем дистальная часть является функционально сконфигурированной для приема пружинного зажима для сцепления с задней поверхностью теплоотвода, чтобы побуждать второй участок к термическому связыванию с передней поверхностью теплоотвода.
Устройство может включать в себя теплопроводящий материал, расположенный на втором участке, причем теплопроводящий материал является работоспособным для формирования поверхности раздела между вторым участком и передней поверхностью теплоотвода, когда СИД устройство установлено на теплоотвод, тем самым понижая тепловое сопротивление между ними. Устройство также может включать в себя пружинный зажим, расположенный на дистальной части штыря, причем пружинный зажим имеет по меньшей мере одну часть, функционально сконфигурированную быть сжатой заподлицо о штырь во время приема в отверстие в теплоотводе, причем теплопроводящий материал является достаточно податливым, чтобы позволить СИД устройству вдавливаться в переднюю поверхность теплоотвода в достаточной степени, чтобы позволить по меньшей мере одной части пружинного зажима сцепиться с задней поверхностью теплоотвода для побуждения второго участка к термическому связыванию с передней поверхностью.
Сердечник может включать в себя по меньшей мере один канал для приема по меньшей мере одного проводника для подведения тока к по меньшей мере одному кристаллу СИД.
Упомянутый по меньшей мере один канал может тянуться через штырь для облегчения прокладки по меньшей мере одного проводника к задней поверхности теплоотвода.
Устройство может включать в себя теплопроводящий материал, расположенный на втором участке, причем теплопроводящий материал является работоспособным для формирования поверхности раздела между вторым участком и теплоотводом, когда СИД устройство может быть установлено на теплоотвод, тем самым понижая тепловое сопротивление между ними.
Устройство может включать в себя по меньшей мере одну клемму в электрическом соединении с по меньшей мере одним кристаллом СИД, причем клемма является работоспособной для приема и крепления электрического проводника для подведения рабочего тока к по меньшей мере одному кристаллу СИД.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения предложено светодиодное (СИД) устройство для установки на теплоотвод. Устройство включает в себя подложку, по меньшей мере один кристалл СИД, установленный на подложке, и теплопроводящий сердечник, имеющий первый и второй участки. Первый участок термически связан с подложкой. Устройство также включает в себя теплопроводящий материал, расположенный на втором участке сердечника, причем теплопроводящий материал имеет наружную поверхность, имеющую адгезионные свойства, для крепления СИД устройства к теплоотводу, так что второй участок термически связан с передней поверхностью теплоотвода.
Теплопроводящий материал может включать в себя слой теплопроводящего материала, имеющий внутреннюю поверхность и наружную поверхность, первый адгезионный слой, расположенный на внутренней поверхности, причем первый адгезионный слой является работоспособным для приклеивания слоя теплопроводящего материала ко второму участку, и второй адгезионный слой на наружной поверхности.
Сердечник может быть функционально сконфигурирован, чтобы приниматься в соответствующую выемку в теплоотводе, выемка является работоспособной для облегчения выравнивания СИД устройства по отношению к теплоотводу.
Устройство может включать в себя удаляемую защитную пленку, расположенную на наружной поверхности, причем защитная пленка является функционально сконфигурированной, чтобы удаляться перед креплением СИД устройства к теплоотводу.
Устройство может включать в себя по меньшей мере одну клемму в электрическом соединении с по меньшей мере одним кристаллом СИД, причем клемма является работоспособной для приема и крепления электрического проводника для подведения рабочего тока к по меньшей мере одному кристаллу СИД.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения предложено светодиодное (СИД) устройство для установки на теплоотвод, имеющий пару пружинных зажимов, прикрепленных к передней поверхности теплоотвода, причем каждый пружинный зажим имеет свободный конец. Устройство включает в себя подложку, по меньшей мере один кристалл СИД, установленный на подложке, и теплопроводящий сердечник, имеющий первый и второй участки. Первый участок термически связан с подложкой. Устройство также включает в себя первый и второй пазы, расположенные на противоположных сторонах верхней поверхности СИД устройства, причем первый и второй пазы являются работоспособными для приема соответственных свободных концов пружинных зажимов, так чтобы второй участок сердечника побуждался к термическому связыванию с теплоотводом, когда СИД устройство установлено на теплоотводе.
Устройство может включать в себя электроизоляционную корпусную деталь, сформированную вокруг по меньшей мере части сердечника, а первый и второй пазы могут быть сформированы в электроизоляционной корпусной детали.
Устройство может включать в себя часть наклонной вверх наклонной плоскости, ведущую к каждому из первого и второго пазов, причем часть наклонной плоскости является ориентированной для приема соответственных свободных концов пружинных зажимов и является работоспособной для направления свободных концов в зацепление с соответственными первым и вторым пазами.
Второй участок сердечника может быть функционально сконфигурирован, чтобы приниматься в выемку, сформированную в передней поверхности теплоотвода, причем выемка является работоспособной для определения местоположения СИД устройства на теплоотводе.
Устройство может включать в себя теплопроводящий материал, расположенный на втором участке, причем теплопроводящий материал является работоспособным для формирования поверхности раздела между вторым участком и теплоотводом, когда СИД устройство может быть установлено на теплоотвод, тем самым понижая тепловое сопротивление между ними.
Устройство может включать в себя по меньшей мере одну клемму в электрическом соединении с по меньшей мере одним кристаллом СИД, причем клемма является работоспособной для приема и крепления электрического проводника для подведения рабочего тока к по меньшей мере одному кристаллу СИД.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения предложено светодиодное (СИД) устройство для установки на переднюю поверхность теплоотвода, причем теплоотвод имеет по меньшей мере одно отверстие, сформированное через него. Устройство включает в себя подложку, имеющую верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, по меньшей мере один кристалл СИД, установленный на верхней поверхности подложки, печатный проводник, приклеенный к верхней поверхности подложки, примыкающей к кристаллу СИД, и электрическое соединение с СИД для подведения рабочего тока к нему. Печатный проводник имеет по меньшей мере одну соединительную часть, которая свисает вниз с верхней поверхности подложки. Устройство включает в себя электроизоляционную корпусную деталь, отлитую вокруг по меньшей мере части соединительной части и имеющую вставочную защелку, ближайшую к соединительной части, причем вставочная защелка является функционально сконфигурированной, чтобы приниматься в отверстие и сцепляться с задней поверхностью теплоотвода для крепления СИД устройства к теплоотводу, так что нижняя поверхность подложки термически связана с передней поверхностью теплоотвода.
Соединительная часть может включать в себя v-образный вырез на ее дистальном конце, причем v-образный вырез является работоспособным для приема проводника подачи тока и смещения слоя изоляции на проводнике подачи тока, чтобы установить электрический контакт с соединителем для подведения тока к кристаллу СИД.
Устройство может включать в себя теплопроводящий материал, расположенный на нижней поверхности подложки, причем теплопроводящий материал является работоспособным для формирования поверхности раздела между нижней поверхностью и теплоотводом, когда СИД устройство может быть установлено на теплоотвод, тем самым понижая тепловое сопротивление между ними.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения предложено светодиодное (СИД) устройство для установки на теплоотвод, СИД устройство. Устройство включает в себя подложку, по меньшей мере один кристалл СИД, установленный на подложке, и металлический сердечник, имеющий первый и второй участки, причем первый участок является термически связанным с подложкой, а второй участок имеет металлический штифт, выступающий наружу из него, причем штифт является функционально сконфигурированным для проведения сварочного тока из сердечника в теплоотвод, чтобы заставлять СИД устройство привариваться к теплоотводу, так чтобы второй участок был термически связан с теплоотводом.
Устройство может включать в себя по меньшей мере одну клемму в электрическом соединении с по меньшей мере одним кристаллом СИД, причем клемма является работоспособной для приема и крепления электрического проводника для подведения рабочего тока к по меньшей мере одному кристаллу СИД.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения предложен (технологический) процесс, способ для установки светодиодного (СИД) устройства на металлический теплоотвод, причем СИД устройство включает в себя подложку, по меньшей мере один кристалл СИД, установленный на подложке, и металлический сердечник, имеющий первый и второй участки, причем первый участок является термически связанным с подложкой. Процесс включает в себя побуждение второго участка сердечника располагаться ближайшим к теплоотводу и присоединение заряженного конденсатора к сердечнику для создания сварочного тока между вторым участком сердечника и теплоотводом для приваривания сердечника к теплоотводу.
Побуждение второго участка сердечника располагаться ближайшим к теплоотводу может включать в себя прием СИД устройства в зажимной патрон, причем зажимной патрон является функционально сконфигурированным для контактирования с поверхностью теплоотвода, так чтобы второй участок сердечника мог быть расположен отнесенным в сторону относительно теплоотвода.
Побуждение второго участка сердечника располагаться ближайшим к теплоотводу может включать в себя прием СИД устройства в зажимной патрон, причем зажимной патрон является функционально сконфигурированным для контактирования с поверхностью теплоотвода, так чтобы второй участок сердечника входил в контакт с теплоотводом.
Побуждение второго участка сердечника располагаться ближайшим к теплоотводу может включать в себя побуждение штифта, выступающего наружу из второго участка сердечника, сцепляться с теплоотводом, причем штифт является работоспособным для проведения сварочного тока из сердечника в теплоотвод, тем самым расплавляя штифт и по меньшей мере часть второго участка сердечника, чтобы заставлять сердечник привариваться к теплоотводу.
Побуждение второго участка сердечника располагаться ближайшим к теплоотводу может включать в себя побуждение штифта, выступающего наружу из второго участка сердечника, быть отнесенным от теплоотвода, причем штифт является работоспособным для проведения сварочного тока из сердечника в теплоотвод, тем самым расплавляя штифт и по меньшей мере часть второго участка сердечника, чтобы заставлять сердечник привариваться к теплоотводу.
Присоединение заряженного конденсатора к сердечнику может включать в себя прием СИД устройства в зажимной патрон, причем зажимной патрон имеет проводящую часть для электрического контактирования с сердечником, и присоединение заряженного конденсатора к проводящей части зажимного патрона.
Другие аспекты и признаки настоящего изобретения станут очевидными рядовым специалистам в данной области техники при рассмотрении последующего описания отдельных вариантов осуществления изобретения в соединении с прилагаемыми фигурами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах, которые иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения,
фиг. 1 изображает вид в перспективе СИД устройства в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
фиг. 2 - другой вид в перспективе СИД устройства, показанного на фиг. 1;
фиг. 3 - вид в поперечном разрезе СИД устройства по фиг. 1, установленного на теплоотводе, взятый по линии 3-3;
фиг. 4 - вид в поперечном разрезе СИД устройства в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
фиг. 5 - вид в поперечном разрезе СИД устройства в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения;
фиг. 6 - вид в поперечном разрезе СИД устройства в соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения;
фиг. 7 - еще один вид в поперечном разрезе СИД устройства, показанного на фиг. 6, взятый в направлении, ортогональном виду в поперечном разрезе по фиг. 6;
фиг. 8 - вид сверху СИД устройства, показанного на фиг. 6 и фиг. 7;
фиг. 9 - вид в перспективе СИД устройства в соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения;
фиг. 10 - вид в поперечном разрезе СИД устройства, показанного на фиг. 9;
фиг. 11 - вид в поперечном разрезе СИД устройства в соответствии с шестым вариантом осуществления изобретения;
фиг. 12 - вид в поперечном разрезе СИД устройства в соответствии с седьмым вариантом осуществления изобретения;
фиг. 13 - вид в перспективе СИД устройства в соответствии с восьмым вариантом осуществления изобретения;
фиг. 14 - вид в поперечном разрезе СИД устройства, показанного на фиг. 13, установленного на теплоотводе;
фиг. 15 - вид в перспективе СИД устройства в соответствии с девятым вариантом осуществления изобретения;
фиг. 16 - вид в перспективе второго участка СИД устройства, показанного на фиг. 15; и
фиг. 17-19 - последовательность видов в поперечном разрезе, иллюстрирующих последовательность операций приваривания СИД, показанного на фиг. 15 и фиг. 16, к теплоотводу.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
СИД устройство согласно первому варианту осуществления изобретения в целом показано под 100 на фиг. 1 и фиг. 2. Со ссылкой на фиг. 1, СИД 100 включает в себя подложку 102 и по меньшей мере один кристалл 104 СИД, установленный на подложке. Подложка 102, например, может содержать керамический или кремниевый материал. СИД 100 также включает в себя теплопроводящий сердечник 106, имеющий первый и второй участки 108 и 110. Первый участок 108 термически связан с подложкой 102. Сердечник 106 также включает в себя штырь 112, выступающий наружу из второго участка 110. Вообще, штырь 112 функционально сконфигурирован, чтобы приниматься в отверстие в теплоотводе (не показано на фиг. 1) для крепления СИД устройства к теплоотводу, обуславливая упомянутый второй участок быть термически связанным с теплоотводом. Теплоотвод, например, может быть пластиной или обоймой из металла или сплава, в которую должен устанавливаться СИД 100. Штырь 112 и сердечник 106, например, могут быть сформированы совместно в качестве единой корпусной детали из теплопроводящего материала, такого как алюминий или медь.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 1 и 2, СИД 100 также включает в себя формованную корпусную деталь 114 и линзу 116 для передачи и/или направления света, вырабатываемого кристаллом 102 СИД. Формованная корпусная деталь 114 окружает сердечник 106 и предусматривает установочные признаки для линзы 116.
Подложка 102 также включает в себя один или более электродов подложки (не показаны), которые электрически присоединены к кристаллу 104 СИД. СИД 100 также включает в себя первую клемму 118 для приема проводника подачи тока. Первая клемма 118, например, может быть запрессованной клеммой, которая принимает и крепит провод проводника. Первая клемма 118 электрически присоединена к первой площадке 120, и СИД 100 дополнительно включает в себя первый соединитель 121 для соединения между первой площадкой 120 и подложкой 102 для подведения рабочего тока к первому электроду на подложке.
В показанном варианте осуществления СИД 100 также включает в себя вторую площадку 122, второй проводник 124 проводного соединения и вторую клемму (показанную под 154 на фиг. 3) для подведения рабочего тока ко второму электроду на подложке. В других вариантах осуществления кристалл 104 СИД может быть присоединен к сердечнику 106, и сердечник может действовать в качестве второй клеммы подачи тока для СИД 100.
СИД требуют электрического тока для работы, который обычно подводится через проводники, присоединенные к положительной и отрицательной клеммам СИД или корпуса СИД. В качестве альтернативы, некоторые СИД могут быть электрически сконфигурированы, так чтобы любая клемма могла взаимозаменяемо функционировать в качестве положительной или отрицательной клемм, что является типичным для традиционных осветительных компонентов переменного тока.
В одном варианте осуществления линза 116 содержит оптически прозрачный материал, такой как силиконовый гель, имеющий наружную поверхность 117 и простирающийся между подложкой 102 и наружной поверхностью 117 линзы. В качестве альтернативы, линза 116 может содержать жесткий материал линзы, который вмещает подложку 102, с необязательным материалом наполнителя, занимающим пустоты между наружной поверхностью 117 линзы 116 и подложкой 102.
Со ссылкой на фиг. 3, в одном из вариантов осуществления СИД 100 установлен на металлический теплоотвод 140, имеющий переднюю поверхность 144 с цилиндрическим отверстием 142 в ней. В этом варианте осуществления отверстие 142 тянется между передней поверхностью 144 и задней поверхностью 145 пластины и является имеющим пространственные размеры для приема штыря 112.
Штырь 112 включает в себя дистальную часть 148, которая выступает через отверстие 142, когда СИД установлен на пластине. При установке СИД 100 пружинный зажим 150 размещается на дистальной части 148 штыря 112. Пружинный зажим 150 имеет по меньшей мере одну часть 152 (две части 152 показаны на фиг. 3), которая работоспособна для сцепления с задней поверхностью 145 теплоотвода, чтобы побуждать второй участок 110 к термическому связыванию с передней поверхностью 144 теплоотвода 140.
Установленный СИД 100 также имеет теплопроводящий материал 146, расположенный между передней поверхностью 144 теплоотвода 140 и вторым участком 110 сердечника 106. Пригодные теплопроводящие материалы, например, включают в себя теплопроводящую клейкую ленту, материалы с легким переходом из одной фазы в другую, теплопроводящие эластомерные подкладки и графитовую пластину. Теплопроводящий материал заполняет микропустоты и/или зазоры между передней поверхностью 144 и вторым участком 110 сердечника, которые возникают вследствие неидеальной обработки поверхности и дают в результате повышенное тепловое сопротивление между сердечником 106 и теплоотводом 140.
В качестве альтернативы, пружинный зажим 150 может быть интегрально присоединен к дистальной части 148 штыря 112, а части 152 могут быть изготовлены из достаточно тонкого материала (например, бериллиево-медных полос), чтобы давать частям пружинных зажимов возможность заподлицо впритык прижиматься к штырю 112, в то время как штырь вставляется через отверстие 142 в теплоотвод 140. В этом варианте осуществления теплопроводящий материал 146 должен быть достаточно податливым, чтобы позволить частям 152 пружинных зажимов освобождать отверстие 142 и пружинить наружу в положение, которое показано, в то время как СИД 100 вдавливается в переднюю поверхность 144 теплоотвода. Примером пригодно сжимаемого теплопроводящего материала является сверхмягкая теплопроводящая стыковая подкладка 5502S, доступная у Sumiitomo 3M Limited Tape and Adhesive Division из Токио, Япония.
Преимущественно, как только установлены, электрические соединения могут легко выполняться у СИД 100 вставкой первого проводника 158 подачи тока в первую клемму 118, а второго проводника 156 подачи тока во вторую клемму 154. Как описано выше в связи с фиг. 1 и 2, первая и вторая клеммы 118 и 154 присоединены к подложке 102 для подведения рабочего тока к кристаллу 104 СИД.
Преимущественно штырь 112 и соответствующее отверстие 142 облегчают безынструментную установку СИД 100 на теплоотвод 140 при механическом выравнивании с теплоотводом. Для наилучшей теплопроизводительности размеры пружинного зажима 150 и штыря должны быть минимизированы, с тем чтобы увеличить участок теплопередачи между сердечником 106 и теплоотводом 140.
В альтернативном варианте осуществления выемка (не показана), имеющая форму, в целом соответствующую сердечнику 106, может быть сформирована в теплоотводе 140 для содействия выравниванию между теплоотводом и СИД 100. Когда СИД 100 работоспособен для введения света в системы оптического распространения (не показаны), имеющие линзы, отражатели и/или поверхности рассеяния, может быть желательным точно выравнивать СИД по отношению к системе оптического распространения. Такое выравнивание может облегчаться обеспечением выемки для приема и определения местоположения сердечника 106 СИД 100.
Со ссылкой на фиг. 4, в альтернативном варианте осуществления СИД 160 включает в себя штырь 162, имеющий резьбовую часть 164. СИД 160 в целом подобен СИД 100, показанному на фиг. 1 и 2, и включает в себя сердечник 106, первый участок 108 и второй участок 110. СИД 160 установлен на металлическом теплоотводе 166, имеющем соответствующее резьбовое отверстие 168. Резьбовое отверстие 168 может тянуться через теплоотвод 166 от передней поверхности 170 до задней поверхности 172 теплоотвода 166. В качестве альтернативы, резьбовое отверстие 168 может быть слепым отверстием в теплоотводе 166.
Установленный СИД 160 также имеет теплопроводящий материал 174, расположенный между передней поверхностью 170 теплоотвода 166 и вторым участком 110 сердечника 106. СИД 160 завинчивается в резьбовое отверстие 168 и затягивается, чтобы заставлять теплопроводящий материал в целом плотно прилегать к передней поверхности 170 и второму участку 110 сердечника, таким образом, обеспечивая хорошее термическое связывание между ними. Улучшенное термическое связывание может достигаться выбором минимального диаметра для штыря 162, который по-прежнему работоспособен для обеспечения достаточной силы крепления, таким образом, максимизируя размер второго участка в термическом связывании с теплоотводом 166. Толщина теплоотвода 166 может выбираться, чтобы предоставлять возможность зацепления достаточной длины резьбовой части 164 штыря 162 в резьбовом отверстии 168 для надежного крепления СИД 160 к теплоотводу (например, удвоенного диаметра штыря). Вообще, когда СИД 160 крепится к теплоотводу 166 крутящим моментом, достаточным для причинения оптимального сжатия теплопроводящего материала, тепловое сопротивление между первым участком 110 и теплоотводом 166 также минимизируется.
В альтернативном варианте осуществления формованная корпусная деталь 114 может быть имеющей определенную форму для зацепления инструментом, таким как гаечный ключ, чтобы облегчать затягивание СИД 160 до требуемого крутящего момента для оптимальной теплопередачи.
Со ссылкой на фиг. 5, в еще одном варианте осуществления СИД 190 включает в себя теплопроводящий материал 192, связанный со вторым участком 110 сердечника 106. СИД 190 в целом подобен СИД 100, показанному на фиг. 1 и 2, за исключением того, что в этом варианте осуществления нет выступающего штыря на втором участке 110. Теплопроводящий материал 192 включает в себя наружную поверхность 194, имеющую адгезионные свойства.
СИД 190 может быть снабжен теплопроводящим материалом, уже приклеенным ко второму участку 110 сердечника 106, с наружной поверхностью 194, являющейся защищенной удаляемой защитной пленкой. При установке СИД 190 защитная пленка удаляется, и СИД 190 выравнивается по отношению к теплоотводу 198 и прижимается в соприкосновение с первой поверхностью 198 теплоотвода. В этом варианте осуществления теплоотвод 198 включает в себя выемку 199, имеющую форму, которая соответствует второму участку 110 СИД 190. Выемка 199 принимает второй участок 110, имеющий теплопроводящий материал 192 на нем, и облегчает выравнивание СИД по отношению к теплоотводу 196.
Вообще, теплопроводящий материал включает в себя слой теплопроводящего материала (не показан) с первым и вторым адгезионными слоями на внутренней и наружной поверхностях слоя теплопроводящего материала. Пригодные теплопроводящие клейкие ленты доступны у 3M Electronic Adhesives and Specialties Department из Сент-Пол, штат Миннесота. Теплопроводящие клейкие ленты 3M имеют керамические наполнители и самоклеящиеся адгезионные поверхности, имеющие удаляемую защитную пленку из силикона, обработанного полиэстером, нанесенную на адгезионные поверхности. Что касается лент 3M, хорошее прилипание может достигаться поддержанием давления приблизительно в 5-50 фунтов на квадратный дюйм в течение приблизительно 2-5 секунд.
Преимущественно СИД 190, показанный на фиг. 5, облегчает быструю модернизацию многих существующих изделий на СИД, с особым требованием только к теплоотводу 196, в предоставлении достаточно чистой плоской поверхности для приклеивания. СИД 190 может прочно приклеиваться к теплоотводу 196 без необходимости предусматривать время выдержки, такой как, например, была бы в случае при использовании теплопроводящих эпоксидных смол. Клеевое соединение может быть постоянным или полупостоянным в зависимости от клея, используемого для приклеивания теплопроводящего материала 192 ко второму участку 110 и теплоотводу 196. При использовании лент 3M съем СИД 190 может поддерживаться прикладыванием тепла для отслаивания ленты, которая должна быть снята, если потребуется повторно прикреплять СИД к теплоотводу 196.
Со ссылкой на фиг. 6, в еще одном варианте осуществления СИД 200 включает в себя формованную корпусную деталь 206, имеющую первую бобышку 202 и вторую бобышку 204, расположенные на противоположных сторонах верхней поверхности 208 корпусной детали. Первая и вторая бобышки 202 и 204 могут быть отформованы в качестве части корпусной детали 206. В качестве альтернативы, бобышки могут быть образованы в качестве части сердечника 106. СИД 200 также включает в себя клеммы 207 и 209 для приема проводника подачи тока. Клеммы 207 и 209 могут быть запрессованной клеммой, которая принимает и крепит провод проводника, как описано выше в связи с фиг. 1.
СИД 200 установлен на теплоотводе 212, который имеет первый пружинный зажим 214 и второй пружинный зажим 216, прикрепленные к теплоотводу. Пружинные зажимы 214 и 216 могут быть приварены к теплоотводу 212 в точках 218 и 220 крепления соответственно. В варианте осуществления показанном на фиг. 6, пружинные зажимы 214 и 216 являются пластинчатыми пружинами и, например, могут быть изготовлены из бериллиево-медного сплава или нержавеющей стали. В других вариантах осуществления, пружины 214 и 216 могут быть сформированы в качестве части теплоотвода 212.
Со ссылкой на фиг. 7, каждая бобышка 202 и 204 включает в себя паз 210 для приема свободного конца соответственных пружинных зажимов 214 и 216, чтобы заставлять СИД 200 прижиматься в соприкосновение с теплоотводом 212. В показанном варианте осуществления теплоотвод 212 включает в себя утопленный участок 222 для приема СИД 200. Утопленный участок 222 имеет форму и размер, соответствующие сердечнику 106, и обеспечивает направляющие выравнивания для определения местоположения СИД 200 на теплоотводе 212. Утопленный участок с выемкой также вмещает теплопроводящий материал 224.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 6 и фиг. 7, каждая из бобышек 202 и 204 включает в себя соответственные части 226 и 228 наклонной вверх наклонной плоскости. Со ссылкой на фиг. 8, части 226 и 228 наклонной плоскости ориентированы, чтобы принимать соответственные свободные концы пружинных зажимов 214 и 216 в положении 230, показанном пунктирным контуром. СИД 200 в таком случае поворачивается в направлении стрелок 234 и 236, чтобы направлять свободные концы вдоль соответственных частей 226 и 228 наклонной плоскости, так чтобы соответственные свободные концы пружинных зажимов 214 и 216 защелкивались в зацепление с соответственными пазами 210 в положении 232. Когда принимаются в соответственные пазы 210, свободные концы пружинных зажимов 214 и 216 прикладывают направленное вниз давление и также предохраняют СИД 200 от дальнейшего вращения, таким образом, прикрепляя СИД к теплоотводу 212.
В других вариантах осуществления бобышки 202 и 204 и наклонные поверхности 226 и 228 могут быть исключены, а пазы 210 могут быть сформированы непосредственно на верхней поверхности корпусной детали 206 или сердечника 106.
СИД 200, таким образом, прочно устанавливает СИД на теплоотводе наряду с содействием легкому снятию и замене, если будет необходимо заменить СИД. Преимущественно, содействуя легкому снятию и замене, СИД 200 может заменяться относительно неквалифицированным и неподготовленным персоналом в данной области, таким образом, избегая замены всего прибора, который несет СИД.
Со ссылкой на фиг. 9, в еще одном варианте осуществления СИД 240 включает в себя теплопроводящий сердечник 242 для установки одного или более кристаллов 244 СИД. В этом варианте осуществления четыре кристалла 244 СИД показаны установленными на теплопроводящей подложке 246, которая приклеена к сердечнику 242. Подложка 246, например, может содержать кремниевый или керамический материал. Подложка 246, кроме того, включает в себя площадки (не показаны) для присоединения проводника подачи тока к кристаллу 244 СИД.
Сердечник 242 включает в себя установочную часть 248 для установки подложки 246 и штырь 250. Штырь 250 включает в себя резьбовую часть 252 на дистальном конце штыря. В варианте осуществления, показанном на фиг. 9, СИД 240 включает в себя резьбовую гайку 254, принятую на резьбовую часть 252 штыря 250. Сердечник 242 сформирован из теплопроводящего материала, например, такого как алюминий, сталь или медь.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 9, сердечник 242 содержит стальной болт, имеющий поверхностный слой меди. Преимущественно стальной болт является более прочным, чем медный или алюминиевый сердечник, и обычно имеет более низкую стоимость. Сталь также имеет более низкий коэффициент теплового расширения (около 11 частей на миллион/°C), чем медь или алюминий (17 и 23 частей на миллион/°C соответственно). Материалы, используемые для установки кристалла 244 СИД, обычно имеют низкий тепловой коэффициент расширения (кремний имеет коэффициент теплового расширения около 3,2 частей на миллион/°C). Сталь, таким образом, обеспечивает более низкое несоответствие коэффициентов расширения между сердечником 242 и кристаллом 244, таким образом, снижая напряжение в СИД 240, обусловленное изменениями температуры.
СИД 240 также включает в себя первый и второй каналы 256 и 258, которые тянутся через установочную часть 248 и штырь сердечника 242. Каналы 256 и 258 работоспособны для приема соответственных проводников 260 и 262 для подведения тока к кристаллу 244 СИД. Проводники 260 и 262 включают в себя соответственные загнутые концевые части 264 и 266, которые припаиваются или привариваются ультразвуковой сваркой к площадкам на кристалле 244 СИД для обеспечения электрического присоединения к кристаллу через подложку 246. В вариантах осуществления, где сердечник 242 является электропроводящим, проводники 260 и 262 должны быть электрически изолированы от первого и второго каналов 256 и 258.
Со ссылкой на фиг. 10, СИД 240 показан установленным на теплоотвод 270. Теплоотвод 270 включает в себя отверстие 272 для приема штыря 250. Теплопроводящий материал 249 расположен между передней поверхностью 274 теплоотвода 270 и установочной частью 248 сердечника 242. СИД 240 крепится к теплоотводу 270 навинчиванием и затягиванием резьбовой гайки 254, таким образом, заставляя установочную часть 248 сердечника поджиматься к термическому связыванию с передней поверхностью 274 теплоотвода 270. Проводники 260 и 262 тянутся мимо конца резьбовой части 252 штыря 250 и содействуют присоединению к источнику тока для подведения рабочего тока к СИД 240.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 10, теплоотвод 270 имеет цилиндрическую имеющую форму жестяной банки корпусную деталь, которая, кроме того, действует в качестве отражателя света и/или световода для сбора и направления света, вырабатываемого кристаллом 244 СИД. Проводники 260 и 262 могут быть присоединены к осветительной арматуре (не показана) на потолке комнаты для подвешивания СИД устройства. В других вариантах осуществления теплоотвод 270, например, может быть пластиной или теплоотводом, имеющим охлаждающие ребра.
Со ссылкой на фиг. 11, СИД 300 показан установленным на альтернативный теплоотвод 302. СИД 300 в целом подобен СИД 240, показанному на фиг. 9, имея штырь 304 с резьбовой частью 306, но имея цилиндрическую корпусную деталь 308. Теплоотвод 302 включает в себя цилиндрическую выемку 312 и резьбовое отверстие 314 для приема резьбовой части 306 штыря 304 для крепления СИД 300. Теплопроводящий материал 318 расположен между корпусной деталью 308 и поверхностью 320 выемки 312.
Преимущественно СИД 300 может ввинчиваться в резьбовое отверстие 314 и затягиваться для побуждения теплопроводящего материала 318 сжиматься для обеспечения термического связывания между корпусной деталью 308 и теплоотводом 302.
Со ссылкой на фиг. 12, в еще одном варианте осуществления СИД 340 включает в себя цилиндрическую корпусную деталь 342 для установки одного или более кристаллов 344 СИД. СИД 340 включает в себя проводники 346 и 348, которые присоединены к кристаллу 344 СИД, как описано выше в связи с фиг. 9.
СИД 340 установлен на теплоотводе 350, имеющем отверстие 354 со сквозным соединением для проводников 346 и 348. Теплоотвод 350 также включает в себя клеммную колодку 356, которая крепится к теплоотводу и включает в себя соединительные гнезда 358 и 360 для приема соответственных проводников 346 и 348. Гнезда 358 и 360 соответственно присоединены к проводникам 362 и 364 подачи тока для подведения тока к СИД 340.
Гнезда 358 и 360 обычно подобны гнездам, используемым на сборках печатных плат для съемного присоединения электронных компонентов к плате, и функционируют для обеспечения присоединения проводников 346 и 348 наряду с одновременным креплением СИД 340 к теплоотводу. Гнезда 358 и 360 сконфигурированы для обеспечения достаточного усилия, чтобы по меньшей мере частично сжимать теплопроводящий материал 366 между корпусной деталью 342 и передней поверхностью 352 теплоотвода, таким образом, гарантируя хороший тепловой контакт между СИД 340 и теплоотводом.
Со ссылкой на фиг. 13, в еще одном варианте осуществления СИД 380 включает в себя кристалл 382 СИД, установленный на первую поверхность 385 подложки 384. СИД 380 также включает в себя первый и второй удлиненные печатные проводники 386 и 388, приклеенные к первой поверхности 385. В одном из вариантов осуществления подложка 384 содержит металлизированную керамику, имеющую контактные площадки (не показаны) для припаивания печатных проводников 386 и 388 на месте. Контактные площадки, кроме того, могут быть в электрическом соединении с кристаллом 382 СИД для подведения рабочего тока к нему.
Печатные проводники каждый имеют свисающие вниз соединительные части 390 и 392 соответственно. В показанном варианте осуществления соединительные части 390 и 392 перегибаются, чтобы тянуться вниз от первой поверхности 385 подложки 384.
Со ссылкой на фиг. 14, СИД 380 заключен в пластиковой корпусной детали 396, которая окружает подложку 384 (за исключением кристалла 382 СИД и задней поверхности 398 подложки). Корпусная деталь 396 также включает в себя вставочные защелки 402, заформованные в корпусную деталь.
СИД 380 установлен на теплоотводе 404, имеющем отверстия, соответствующие свисающим вниз соединительным частям 390 и 392, у которых показаны отверстия 410 и 412. При установке СИД 380 вставочные защелки 402 принимаются в отверстия 410 и 412, и корпусная деталь 396 нажимается вниз до тех пор, пока вставочные защелки 402 не зацепляются с задней поверхностью 408 теплоотвода 404. Теплопроводящий материал 414 расположен между задней поверхностью 398 подложки 384 и передней поверхностью 406 теплоотвода 404 и, при этих условиях задняя поверхность подложки термически связана с теплоотводом и закреплена на месте. Теплопроводящий материал 414 может быть податливым материалом, таким как сверхмягкие термические подкладки 3M, описанные выше в связи с фиг. 5.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 13 и фиг. 14, каждая из свисающих вниз соединительных частей 390 и 392 имеет V-образный вырез 416 и 418 для приема изолированных проводников 420 и 422 соответственно. В этом варианте осуществления вырезы 416 и 418 также имеют круглые части 417 и 419, удаленные, чтобы давать концам соединительных частей возможность гнуться в плоскости частей проводников. Изолированные проводники каждый включают в себя проводящую жилу 424 и слой 426 изоляции, и, когда изолированные проводники 420 и 422 втискиваются в V-образные вырезы 416 и 418, соответственные вырезы деформируются, чтобы зацепляться с проводником, смещая изоляцию, для электрического контакта с проводящей жилой. Пластиковая корпусная деталь 396 предотвращает электрическое закорачивание подаваемого тока, изолируя питающие провода от теплоотвода 404.
Как обсуждено в связи с вариантами осуществления, показанными на фиг. 1 и фиг. 2, оптический элемент может быть предусмотрен в любом из альтернативных вариантов осуществления, описанных выше. Например, со ссылкой на фиг. 14, оптический элемент может содержать линзу (не показана), которая предварительно заформована в подложку до прикрепления проводящих полос 386 и 388.
Со ссылкой на фиг. 15 и фиг. 16, в еще одном варианте осуществления СИД 450 включает в себя подложку 452 и по меньшей мере один или более кристаллов 454 СИД на подложке. СИД 450 также включает в себя металлический сердечник 456, имеющий первый и второй участки 458 и 460. Первый участок 458 термически связан с подложкой 452. Сердечник 456 также включает в себя металлический штифт 462, выступающий из второго участка 460.
В этом варианте осуществления СИД 450 включает в себя линзу 464 для передачи и/или направления света, вырабатываемого кристаллом 454 СИД. Линза 464 установлена в формованной корпусной детали 468, которая вместе с линзой окружает и защищает кристалл 454 СИД. СИД 450 также включает в себя клеммы 470 и 472 и соответственные соединители 474 и 476 для подведения рабочего тока к кристаллу 454 СИД. В этом варианте осуществления соединители 474 и 476 являются соединителями типа монтажа с прорезанием изоляции, такими как описанные выше в связи с фиг. 13 и фиг. 14. В других вариантах осуществления могут быть предусмотрены запрессованные клеммы, такие как клемма 118 на фиг. 1.
Процесс установки СИД 450 описан со ссылкой на фиг. 17 по фиг. 19. Со ссылкой на фиг. 17, СИД 450 принимается в зажимной патрон 490 сварочного инструмента (не показан). Сварочный инструмент может быть частью системы приваривания шпилек емкостным разрядом, такой как система Nelson CD Lite I, доступная у Nelson Stud Welding из Элирай, штат Огайо. Система Nelson включает в себя блок источника питания для зарядки конденсатора 66000 мкФ до напряжения в диапазоне 50В-220В. Сварочный инструмент сконфигурирован для приема различных оснасток зажимных патронов для приема заготовки, которая должна привариваться. Сварочный инструмент включает в себя кабель для присоединения к конденсатору и, кроме того, включает в себя переключатель для активизации разряда конденсатора через зажимной патрон в заготовку.
В этом варианте осуществления зажимной патрон 450 включает в себя наружную гильзу 492, имеющую изолированные части 494 для вхождения в контакт с теплоотводом 495. Зажимной патрон 490, кроме того, включает в себя держатель 498 для удерживания СИД 450 и для проведения сварочного тока из заряженного конденсатора в металлический сердечник 456. Держатель 498 принимается в гильзу 492 и является подвижным в направлении, указанном стрелкой 500, относительно верха гильзы. Зажимной патрон 490 также включает в себя пружину 502 для поджимания СИД 450 к теплоотводу 496. Вообще, системы приваривания шпилек емкостным разрядом облегчают регулировку поджимающей силы, выдаваемой пружиной 502, для достижения требуемой характеристики сварки.
Перед привариванием СИД 450 располагается так, чтобы соединители 474 и 476 входили в контакт с соответственными проводниками 504 и 506. Зажимной патрон 490 затем помещается поверх СИД 450, и СИД изначально располагается зажимным патроном 490, так чтобы штифт 462 был ближайшим к, но не в электрическом контакте с теплоотводом 496. В других вариантах осуществления СИД 450 может накладываться в зажимной патрон 490, а затем позиционироваться по отношению к теплоотводу, будучи удерживаемым в зажимном патроне.
Источник питания также активируется для зарядки конденсатора до требуемого напряжения. Когда конденсатор заряжен, а СИД 450 находится в требуемом положении, сварочный инструмент активируется пользователем, который заставляет конденсатор разряжаться через держатель 498.
Начальный электрический ток концентрируется через штифт 462 и создает дугу между штифтом и теплоотводом 496 (который обычно удерживается при потенциале земли). Концентрированный электрический ток имеет следствием высокую плотность тока через штифт 462, вызывающую быстрое нагревание штифта до степени, когда штифт по меньшей мере частично оплавляется и/или испаряется, таким образом, позволяя второму участку 460 перемещаться ближе к теплоотводу 496. По мере того как второй участок 460 перемещается ближе к теплоотводу 496, множество дуг 510 создается между вторым участком и теплоотводом. Дуги 510 вызывают местное оплавление сердечника 456 на втором участке 460 и теплоотвода 496, которое прочно приваривает СИД 450 к теплоотводу, когда второй участок по существу приведен в соприкосновение с теплоотводом.
Со ссылкой на фиг. 19, получающаяся в результате сварка между сердечником 456 СИД 450 и теплоотводом обеспечивает хороший тепловой контакт, когда оплавленный металл впоследствии остывает и затвердевает.
Преимущественно система приваривания шпилек емкостным разрядом передает большой ток через штифт 462 за очень короткий выделенный интервал времени (например, 9000 А в течение 4 миллисекунд). Получающееся в результате нагревание штифта 462 и окружающего второго участка 460 является очень быстрым, и рассеяние тепла поэтому минимизировано, таким образом, локализуя любое повреждение или изменение цвета в сердечнике 456 и/или в теплоотводе 496.
Возвращаясь к фиг. 17, в альтернативном варианте осуществления (известном в качестве контактного приваривания шпилек емкостным разрядом) штифт 462 может располагаться в электрическом контакте с теплоотводом 496. Впоследствии, когда переключатель активирован, сварочный ток передается непосредственно через штифт 462 в теплоотвод 496. Контактное приваривание шпилек емкостным разрядом дает в результате слегка большие времена сварки, чем варианты осуществления, в которых разряд инициируется, когда есть зазор между штифтом 462 и теплоотводом 496.
Преимущественно штифт 462 задает начальное положение сварочного тока в требуемом местоположении (то есть в центре второго участка 460). Однако в других вариантах осуществления штифт 462 может быть исключен. В таких случаях начальный сварочный ток создает дугу между вторым участком 460 и теплоотводом 496 и может требовать более тщательного выравнивания СИД 450 по отношению к теплоотводу, чтобы гарантировать, что получающаяся в результате сварка достаточно однородна.
Преимущественно СИДы вариантов осуществления, описанных в материалах настоящей заявки, предусматривают присоединение к теплоотводу без использования припоя наряду с обеспечением хорошего термического связывания между СИД и теплоотводом, так чтобы тепло могло эффективно передаваться на теплоотвод. Некоторые из вариантов осуществления, описанных в материалах настоящей заявки, облегчают безынструментное присоединение к теплоотводу, наряду с тем, что другие варианты осуществления могут устанавливаться с использованием обыкновенных ручных инструментов или других пригодных инструментов.
Несмотря на то что были описаны и проиллюстрированы отдельные варианты осуществления изобретения, такие варианты осуществления должны рассматриваться исключительно иллюстрирующими изобретение, а не в качестве ограничивающих изобретение, как истолковывается в соответствии с прилагаемой формулой изобретения.