用于安装到散热器的发光二极管的制作方法

专利名称：用于安装到散热器的发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及发光二极管(LED)，且更特别地涉及将LED安装到散热器。2.相关技术描述发光二极管(LED)通常被认为是电子部件并且因而通常使用各种焊接技术安装 到印刷电路板(PCB)，所述焊接技术诸如为例如表面安装封装的回流焊接。LED技术的进步已经导致以较低的制造成本提高光学效率，并且较高功率的LED 现在可用于普通照明应用，例如家庭和商业照明。这样的应用建立起对于用于LED的简单、 低成本安装解决方案的需求。焊接可能不是用于照明行业的一种适当的安装和/或连接解 决方案，照明行业传统上依赖于相对低技术的连接和安装技术。将焊接技术引入这样的行 业可能代表对于更广泛地采用LED照明部件的阻碍。LED也比诸如白炽灯泡和荧光灯泡之类的传统照明器件显著地更紧凑，这带来热 移除的问题，因为LED比传统灯泡具有较少的可用于对流传热到周围空气的表面面积。当安装LED时，需要将LED产生的热量传递到能够向周围周边环境散热的主体，从 而将LED维持在安全的工作温度。用于常规光源(例如白炽灯泡、荧光管等等)的安装技术通常不适合与LED器件 一起使用，因为常规光源通常没有与LED相同的热传递要求。用于常规光源的大多数安装 技术不能用于安装紧凑的LED源(例如，高功率LED可能为ImmX Imm或者更小)。因此，存在用于安装LED的方法和设备的需要。

发明内容
依照本发明的一个方面，提供了一种用于安装到散热器的发光二极管(LED)设 备，散热器具有其中带有开口的前表面。该设备包括载具(sub-mount)、安装到该载具上的 至少一个LED管芯以及具有第一和第二区域的导热嵌块。第一区域热耦合到载具并且第二 区域具有从其向外突出的柱(post)。该柱可操作地被配置成被接纳在散热器中的开口中并 且将LED设备固定到散热器，使得第二区域热耦合到散热器的前表面。所述柱可以包括螺纹部分，其可操作以与散热器中的开口的螺纹部分接合以便将 LED设备固定到散热器。所述导热嵌块可以可操作地被配置成接纳扳手用以施加扭矩以将LED设备固定 到散热器。散热器可以包括其中具有开口的基座，并且还可以包括从基座延伸且具有远离基 座的开口端的圆柱壁，该圆柱壁至少部分地封闭LED设备并且可操作以通过所述开口端引 导由LED管芯产生的光。所述柱可以包括螺纹部分，该螺纹部分当被接纳在散热器中的开口内时从其后表 面突出并且可操作地被配置成接纳螺母用以将LED设备固定到散热器。所述柱可以包括远端部分，该远端部分在被接纳在所述开口内时从散热器后表面突出，该远端部分可操作地被配置成接纳弹性锁片，用以接合散热器的后表面以推进第二 区域与散热器的前表面热耦合。所述设备可以包括设置在第二区域上的导热材料，该导热材料可操作以在LED设 备安装到散热器上时形成第二区域与散热器前表面之间的界面，从而降低其间的热阻。所 述设备还可以包括设置在所述柱的远端部分上的弹性锁片，该弹性锁片具有至少一个部 分，该至少一个部分可操作地被配置成在被接纳在散热器中的开口内的同时齐平地压抵所 述柱，导热材料足够柔顺以便允许LED设备被下压抵到散热器的前表面至足够的程度，以 允许弹性锁片的所述至少一个部分接合散热器的后表面，从而推进第二区域与前表面热耦所述嵌块可以包括用于接纳至少一个导体的至少一个通道，所述导体用于供应电 流给所述至少一个LED管芯。所述至少一个通道可以通过所述柱延伸以便有利于所述至少一个导体到散热器 后表面的布线。所述设备可以包括设置在第二区域上的导热材料，该导热材料可操作以在LED设 备可以安装到散热器上时形成第二区域与散热器之间的界面，从而降低其间的热阻。所述设备可以包括与所述至少一个LED管芯电气连接的至少一个端子，该端子可 操作以接纳和固定用于供应工作电流给所述至少一个LED管芯的电导体。依照本发明的另一个方面，提供了一种用于安装到散热器的发光二极管(LED)设 备。该设备包括载具、安装到载具上的至少一个LED管芯以及具有第一和第二区域的导热 嵌块。第一区域热耦合到载具。该设备还包括设置在嵌块的第二区域上的导热材料，该导 热材料具有外表面，该外表面具有粘结属性以便将LED设备固定到散热器，使得第二区域 热耦合到散热器的前表面。所述导热材料可以包括导热材料层，其具有内表面和外表面；设置在内表面上 的第一粘结层，该第一粘结层可操作以将导热材料层结合到第二区域；以及位于外表面上
的第二粘结层。所述嵌块可以可操作地被配置成被接纳在散热器中相应的凹部内，该凹部可操作 以利于将LED设备与散热器对准。所述设备可以包括设置在外表面上的可移除的保护膜，该保护膜可操作地被配置 成在将LED设备固定到散热器之前被移除。所述设备可以包括与所述至少一个LED管芯电气连接的至少一个端子，该端子可 操作以接纳和固定用于供应工作电流给所述至少一个LED管芯的电导体。依照本发明的另一个方面，提供了一种用于安装到散热器的发光二极管(LED)设 备，其具有附接到散热器前表面的弹性锁片对，每个弹性锁片具有自由端。该设备包括载 具、安装到载具上的至少一个LED管芯以及具有第一和第二区域的导热嵌块。第一区域热 耦合到载具。该设备还包括置于LED设备的上表面的相对侧上的第一和第二槽，第一和第 二槽可操作以接纳弹性锁片的相应自由端，使得嵌块的第二区域在LED设备安装到散热器 上时被推进与散热器热耦合。所述设备可以包括在嵌块的至少一部分周围形成的电绝缘体，并且第一和第二槽 可以在该电绝缘体内形成。
所述设备可以包括通向第一和第二槽中的每一个的上倾斜坡部分，该斜坡部分被 取向成接纳弹性锁片的相应自由端并且可操作来引导这些自由端与相应的第一和第二槽接合。所述嵌块的第二区域可以可操作地被配置成被接纳在散热器前表面内形成的凹 部中，该凹部可操作以将LED设备定位到散热器上。所述设备可以包括设置在第二区域上的导热材料，该导热材料可操作以在LED设 备可以安装到散热器上时形成第二区域与散热器之间的界面，由此降低其间的热阻。所述设备可以包括与所述至少一个LED管芯电气连接的至少一个端子，该端子可 操作以接纳和固定用于供应工作电流给所述至少一个LED管芯的电导体。依照本发明的另一个方面，提供了一种用于安装到散热器前表面的发光二极管 (LED)设备，散热器具有穿过其形成的至少一个开口。该设备包括具有上表面和下表面的载 具、安装到载具的上表面上的至少一个LED管芯以及结合到载具的上表面的导体带，所述 导体带邻近LED管芯并且与LED电气连接以便向其供应工作电流。导体带具有从载具的上 表面向下悬垂的至少一个连接器部分。该设备包括在连接器部分的至少一部分周围模制并 且具有邻近连接器部分的插入搭钩的电绝缘体，插入搭钩可操作地被配置成被接纳在所述 开口内并且接合散热器的后表面以便将LED设备固定到散热器，使得载具的下表面热耦合 到散热器的前表面。连接器部分可以包括在其远端的ν形切口，该ν形切口可操作以接纳电流供应导 体并且置换(displace)电流供应导体上的绝缘层以便建立与用于供应电流给LED管芯的 连接器的电气接触。所述设备可以包括设置在载具下表面上的导热材料，该导热材料可操作以在LED 设备可以安装到散热器上时形成下表面与散热器之间的界面，从而降低其间的热阻。依照本发明的另一个方面，提供了一种用于安装到散热器的发光二极管(LED) 设备，LED设备。该设备包括载具、安装到载具上的至少一个LED管芯以及具有第一和第 二区域的金属嵌块，第一区域热耦合到载具并且第二区域具有从其向外突出的金属螺柱 (stud)，该螺柱可操作地被配置成将焊接电流从嵌块传导到散热器以致使LED设备焊接到 散热器，使得第二区域热耦合到散热器。所述设备可以包括与所述至少一个LED管芯电气连接的至少一个端子，该端子可 操作以接纳和固定用于供应工作电流给所述至少一个LED管芯的电导体。依照本发明的另一个方面，提供了一种用于将发光二极管(LED)设备安装到金属 散热器的工艺，该LED设备包括载具、安装到载具上的至少一个LED管芯以及具有第一和第 二区域的金属嵌块，第一区域热耦合到载具，所述方法。该工艺包括致使嵌块的第二区域被 定位成邻近散热器，以及将充电的电容器耦合到嵌块从而在嵌块的第二区域与散热器之间 建立焊接电流用以将嵌块焊接到散热器。致使嵌块的第二区域被定位成邻近散热器可以包括将LED设备接纳在卡盘内，该 卡盘可操作地被配置成接合散热器的表面，使得嵌块的第二区域可以相对于散热器被分隔 开而定位。致使嵌块的第二区域被定位成邻近散热器可以包括将LED设备接纳在卡盘内，该 卡盘可操作地被配置成接合散热器的表面，使得嵌块的第二区域接合散热器。
致使嵌块的第二区域被定位成邻近散热器可以包括致使从嵌块的第二区域向外 突出的螺柱接合散热器，该螺柱可操作以将焊接电流从嵌块传导到散热器，由此熔化螺柱 以及嵌块的第二区域的至少一部分，以便使得嵌块被焊接到散热器。致使嵌块的第二区域被定位成邻近散热器可以包括使得从嵌块的第二区域向外 突出的螺柱与散热器分隔开，该螺柱可操作以将焊接电流从嵌块传导到散热器，由此熔化 螺柱以及嵌块的第二区域的至少一部分，以便致使嵌块被焊接到散热器。将充电的电容器耦合到嵌块可以包括将LED设备接纳在卡盘内，该卡盘具有用 于电气接触嵌块的传导部分；以及将充电的电容器耦合到卡盘的传导部分。当回顾以下结合附图的对于本发明特定实施例的描述时，本发明的其它方面和特 征对于本领域普通技术人员将变得清楚明白。


在说明本发明实施例的附图中，图1为依照本发明第一实施例的LED设备的透视图；图2为图1中所示LED设备的另一透视图；图3为沿着线3-3截取的安装到散热器上的图1的LED设备的截面图；图4为依照本发明第二实施例的LED设备的截面图；图5为依照本发明第三实施例的LED设备的截面图；图6为依照本发明第四实施例的LED设备的截面图；图7为在与图6的截面图正交的方向上截取的图6中所示LED设备的另一截面 图；图8为图6和图7中示出的LED设备的平面图；图9为依照本发明第五实施例的LED设备的透视图；图10为图9中所示LED设备的截面图；图11为依照本发明第六实施例的LED设备的截面图；图12为依照本发明第七实施例的LED设备的截面图；图13为依照本发明第八实施例的LED设备的透视图；图14为安装到散热器上的图13中所示LED设备的截面图；图15为依照本发明第九实施例的LED设备的透视图；图16为图15中所示LED设备的第二区域的透视图；以及图17-19为说明将图15和图16中所示LED焊接到散热器的工艺的一系列截面图。
具体实施例方式在图1和图2中以100大体示出了依照本发明第一实施例的LED设备。参照图1， LED 100包括载具(sub-mount) 102和安装到该载具上的至少一个LED管芯104。载具102 可以包括例如陶瓷或硅材料。LED100还包括具有第一和第二区域108和110的导热嵌块 106。第一区域108热耦合到载具102。嵌块106还包括从第二区域110向外突出的柱112。 通常，柱112可操作地被配置成被接纳在散热器(图1中未示出)的开口内以将LED设备 固定到散热器，同时致使所述第二区域热耦合到散热器。散热器可以是例如LED 100将安装到其的金属或合金板或夹具。柱112和嵌块106可以一起形成为例如导热材料(例如铝 或铜)的单一主体。在图1和图2所示的实施例中，LED 100还包括模制主体114以及用于耦合和/或 引导由LED管芯102产生的光的透镜116。模制主体114包围嵌块106并且提供用于透镜 116的安装部件。载具102还包括电耦合到LED管芯104的一个或多个载具电极(未示出)。LED 100还包括用于接纳电流供应导体的第一端子118。第一端子118可以是接纳并且固定例 如导体引线的压配合端子。第一端子118电耦合到第一垫片(pad) 120并且LED 100还包 括用于在第一垫片120与载具102之间连接以便将工作电流供应给载具上的第一电极的第 一连接器121。在所示的实施例中，LED 100还包括第二垫片122、第二引线结合连接器124以及 第二端子(图3中以154示出)用以将工作电流供应给载具上的第二电极。在其它实施例 中，LED管芯104可以耦合到嵌块106并且嵌块可以充当用于LED 100的第二电流供应端子。LED需要电流来工作，该电流通常通过连接到LED或LED封装的正和负端子的导体 来供应。可替换地，一些LED可以在电气上被配置成使得各端子可以可互换地用作正端子 或负端子，这对于常规交流照明部件而言是典型的。在一个实施例中，透镜116包括例如硅凝胶的光学透明材料，其具有外表面117并 且在载具102与透镜的外表面117之间延伸。可替换地，透镜116可以包括封闭载具102 的刚性透镜材料，可选的填充物材料占据透镜116的外表面117与载具102之间的孔洞。参照图3，在一个实施例中，LED 100安装到具有前表面144的金属散热器140上， 该金属散热器140中具有圆柱开口 142。在该实施例中，开口 142在该板的前表面144与后 表面145之间延伸，并且尺寸被确定成接纳柱112。柱112包括远端部分148，该远端部分148在LED 100安装到所述板上时通过开 口 142突出。当安装LED 100时，弹性锁片150置于柱112的远端部分148上。弹性锁片 150具有至少一个部分152 (图3中示出了两个部分152)，该至少一个部分152可操作来接 合散热器的后表面145以推进第二区域110与散热器140的前表面144热耦合。所安装的LED 100还具有设置在散热器140的前表面144与嵌块106的第二区域 110之间的导热材料146。适当的导热材料包括例如导热胶带、相变材料、导热弹性体垫和 石墨板。该导热材料填充前表面144与嵌块106的第二区域110之间的微孔洞和/或间隙， 所述微孔洞和/或间隙由于非理想的表面抛光而出现并且导致嵌块106与散热器140之间 的热阻增大。可替换地，弹性锁片150可以整体地附接到柱112的远端部分148，并且部分152 可以由充分薄的材料(例如铍铜带)制造以允许弹性锁片部分齐平地压抵柱112，同时柱 通过散热器140中的开口 142插入。在该实施例中，导热材料146应当充分柔顺，以允许弹 性锁片部分152顺畅通过开口 142并且向外弹到如所示的位置，同时LED 100下压抵住散 热器的前表面144。适当的可压缩导热材料的实例是可从日本东京Sumiitomo 3M Limited Tape and Adhesive Division获得的超软导热界面垫5502S。有利的是，一旦安装，可以通过将第一电流供应导体158插入第一端子118并且将
8第二电流供应导体156插入第二端子154来容易地形成到LED 100的电气连接。如上面结 合图1和图2所描述的，第一和第二端子118和154连接到载具102用以将工作电流供应 给LED管芯104。有利的是，柱112和相应的开口 142有利于与散热器机械对准地将LED 100无工 具安装到散热器140。为了获得最佳的热性能，弹性锁片150和柱的尺寸应当最小化以便增 大嵌块106与散热器140之间的热传递区域。在可替换的实施例中，可以在散热器140内形成具有与嵌块106大体相应的形状 的凹部(未示出)以利于散热器和LED 100之间的对准。当LED 100可操作来将光耦合到 具有透镜、反射器和/或散射表面的光学分布系统(未示出)中时，所期望的可能是将LED 相对于该光学分布系统精确地对准。通过提供用于接纳和定位LED 100的嵌块106的凹部 可以有助于这样的对准。参照图4，在可替换的实施例中，LED 160包括具有螺纹部分164的柱162。LED 160大体上类似于图1和图2中示出的LED 100并且包括嵌块106、第一区域108和第二区 域110。LED 160安装到具有相应的螺纹开口 168的金属散热器166上。螺纹开口 168可 以通过散热器166从散热器166的前表面170延伸到散热器166的后表面172。可替换地， 螺纹开口 168可以是散热器166中的盲孔。所安装的LED 160还具有设置在散热器166的前表面170和嵌块106的第二区 域110之间的导热材料174。LED 160被拧入螺纹开口 168内并被紧固以致使导热材料大 体上与前表面170和嵌块的第二区域110相符，由此提供其间的良好热耦合。通过选择柱 162的最小直径可以获得改善的热耦合，该柱162仍可操作地提供充分的固定力，因而使与 散热器166热耦合的第二区域的尺寸最大化。散热器166的厚度可被选择以允许将柱162 的螺纹部分164充分的长度接合到螺纹开口 168内，用以可靠地将LED 160固定到散热器 (例如，两倍于柱的直径)。大体上，当LED 160以足以致使导热材料最优压制的扭矩被固 定到散热器166时，第一区域110和散热器166之间的热阻也被最小化。在可替换的实施例中，模制主体114可由例如扳手的工具来成形用于接合，从而 有助于将LED 160紧固至期望的扭矩以用于最优的热传递。参考5，在另一实施例中，LED 190包括结合到嵌块106的第二区域110的导热材 料192。LED 190大体上与图1和2中所示的LED 100类似，例外之处为在此实施例中在第 二区域110上没有突出的柱。导热材料192包括具有粘结属性的外表面194。LED 190可以被供以已经结合到嵌块106的第二区域110的导热材料，导热材料 的外表面194由可移除保护膜保护。当安装LED 190时，该保护膜被移除并且LED 190与 散热器196对准且被压成与散热器的第一表面198接触。在该实施例中，散热器198包括 具有与LED 190的第二区域110对应的形状的凹部199。凹部199接纳其上具有导热材料 192的第二区域110并且有利于将LED与散热器196对准。通常，导热材料包括导热材料层(未示出)，第一和第二粘结层在导热材料层的内 表面和外表面上。适当的导热胶带可从明尼苏达州圣保罗的3M电子粘合剂和特种产品部 获得。该3M导热胶带具有陶瓷填充物和压力敏感粘结表面，这些粘结表面上设置了硅树脂 处理聚酯的可移除保护膜。对于3M带，可以通过将大约5-50psi(磅/平方英寸)的压力 维持大约2-5秒来实现良好的粘结。
有利的是，图5中示出的LED 190有利于许多现有LED产品的快速改进，对于散热 器196的唯一特殊要求是提供用于结合的合理清洁的平坦表面。LED 190可以牢固地结合 到散热器196而无需像例如使用导热环氧树脂时的情况那样考虑固化时间。所述结合可以 是永久的或半永久的，这取决于用来将导热材料192结合到第二区域110和散热器196的 粘合剂。当使用3M带时，可以通过加热以剥离带来帮助移除LED 190，如果希望将LED重新 附接到散热器196，那么必须替换所述带。参照图6，在另一个实施例中，LED 200包括模制主体206，该模制主体206具有位 于该主体的上表面208的相对侧的第一突出部202和第二突出部204。第一和第二突出部 202和204可以模制成为主体206的一部分。可替换地，这些突出部可以形成为嵌块106的 一部分。LED 200还包括用于接纳电流供应导体的端子207和209。端子207和209可以 是如上面结合图1所描述的接纳和固定导体引线的压配合端子。LED 200安装到散热器212上，其具有附接到散热器的第一弹性锁片214和第二弹 性锁片216。弹性锁片214和216可以分别在附接点218和220处焊接到散热器212。在 图6所示的实施例中，弹性锁片214和216为片簧，并且可以由例如铍铜或不锈钢制造。在 其它实施例中，弹性锁片214和216可以形成为散热器212的一部分。参照图7，每个突出部202和204包括槽210，该槽用于接纳致使LED 200被压成 与散热器212接触的相应弹性锁片214和216的自由端。在所示的实施例中，散热器212 包括用于接纳LED 200的凹陷区域222。该凹陷区域222具有与嵌块106对应的形状和尺 寸并且提供用于将LED 200定位到散热器212上的对准引导装置。该凹陷区域也容纳导热 材料224。在图6和图7所示的实施例中，突出部202和204中的每一个包括相应的上倾斜 坡部分226和228。参照图8，斜坡部分226和228被取向成在虚线轮廓所示的位置230接 纳弹性锁片214和216的相应自由端。LED 200于是在箭头234和236所示的方向上扭转 以沿着相应斜坡部分226和228引导这些自由端，使得弹性锁片214和216的相应自由端 在位置232与相应的槽210咬合。当被接纳在相应的槽210中时，弹性锁片214和216的 自由端施加向下的压力并且还防止LED200进一步旋转，从而将LED固定到散热器212。在其它实施例中，突出部202和204以及斜坡226和228可以省略，并且槽210可 以直接在嵌块106或主体206的上表面中形成。LED 200因此牢固地将LED安装到散热器212上，同时如果有必要替换LED的话， 有利于轻松的移除和替换。有利的是，通过有利于轻松的移除和替换，LED 200可以由本领 域相对不熟练的和未经训练的人员替换，从而避免了替换承载LED的整个固定装置。参照图9，在另一实施例中，LED 240包括用于安装一个或多个LED管芯244的导 热嵌块242。在该实施例中，示出了安装在结合到嵌块242的导热载具246上的四个LED管 芯244。载具246可以包括例如硅或陶瓷材料。载具246还包括用于将电流供应导体连接 到LED管芯244的垫片(未示出)。嵌块242包括用于安装载具246的安装部分248以及柱250。柱250在柱的远端 包括螺纹部分252。在图9所示的实施例中，LED 240包括被接纳在柱250的螺纹部分252 上的螺母254。嵌块242例如由诸如铝、钢或铜的导热材料形成。在图9所示的实施例中，嵌块242包括具有铜表面涂层的钢螺栓。有利的是，该钢螺栓比铜或铝嵌块更强固并且通常具有更低的成本。钢还具有比铜或铝(分别为17和 23ppm(百万分率)/°C)更低的热膨胀系数(大约llppm/°C)。用于安装LED管芯244的 材料通常具有低的热膨胀系数(硅具有大约3. 2ppm/°C的热膨胀系数)。钢因此在嵌块242 与管芯244之间提供了较低的膨胀系数失配，从而降低由于温度变化而引起的LED 240上 的应力。LED 240还包括通过嵌块242的安装部分248和柱延伸的第一和第二通道256和 258。通道256和258可操作来接纳用于供应电流给LED管芯244的相应导体260和262。 导体260和262包括相应的弯曲端部264和266，其焊接或者超声结合到LED管芯244上 的垫片用以通过载具246提供到管芯的电气连接。在其中嵌块242导电的实施例中，导体 260和262应当与第一和第二通道256和258电气隔离。参照图10，LED 240被示为安装到散热器270。散热器270包括用于接纳柱250 的开口 272。导热材料249设置在散热器270的前表面274与嵌块242的安装部分248之 间。LED 240通过接合并紧固螺母254而固定到散热器270，因而致使嵌块242的安装部分 248被推进与散热器270的前表面274热耦合。导体260和262延伸通过柱250的螺纹部 分252的端部，并且有利于到用于将工作电流供应给LED 240的电流源的连接。在图10所示的实施例中，散热器270具有圆柱罐形主体，其还充当用于收集且引 导由LED管芯244产生的光的光反射器和/或光导。导体260和262可以连接到房间天花 板上用于悬挂LED设备的照明器材(未示出)。在其它实施例中，散热器270可以为例如板 或者具有冷却片的散热器。参照图11，其示出LED 300安装到替换性的散热器302。LED 300大体上类似于图 9中示出的LED 240，LED 300具有带有螺纹部分306的柱304，但是具有圆柱主体308。散 热器302包括圆柱凹部312以及用于接纳柱304的螺纹部分306以便固定LED 300的螺纹 开口 314。导热材料318设置在主体308与凹部312的表面320之间。有利的是，LED 300可以拧入螺纹开口 314并且紧固以致使导热材料318受压从 而提供主体308与散热器302之间的热耦合。参照图12，在另一实施例中，LED 340包括用于安装一个或多个LED管芯344的 圆柱主体342。LED 340包括如上面结合图9所描述的连接到LED管芯344的导体346和 348。LED 340安装到具有用于导体346和348的馈通开口 354的散热器350上。散热 器350还包括连接器块356，该连接器块固定到散热器并且包括用于接纳相应的导体346和 348的连接插口 358和360。插口 358和360分别连接到电流供应导体362和364用以供 应电流给LED340。插口 358和360大体上类似于使用在印刷电路板组件上的用于可移除地将电子部 件连接到电路板的插口，并且用来提供到导体346和348的连接，而同时将LED 340固定到 散热器。插口 358和360被配置成提供足够的力以至少部分地将导热材料366压缩在主体 342与散热器350的前表面352之间，从而确保LED 340与散热器之间的良好的热接触。参照图13，在又一实施例中，LED 380包括安装到载具384的第一表面385上的 LED管芯382。LED 380还包括结合到第一表面385的第一和第二长形导体带386和388。 在一个实施例中，载具384包括具有用于将导体带386和388焊接到适当位置的连接垫片(未示出)的金属化陶瓷。这些连接垫片还可以与LED管芯382电气连接用以向其供应工 作电流。导体带中的每一个分别具有向下悬垂的连接器部分390和392。在所示的实施例 中，连接器部分390和392弯折以从载具384的第一表面385向下延伸。参照图14，LED 380密封在塑性主体396中，该塑性主体包围载具384 (除了 LED管 芯382和载具的后表面398之外)。主体396还包括模制到主体内的插入搭钩(insertion snap)402 οLED 380安装到具有与向下悬垂的连接器部分390和392对应的开口的散热器 404，其开口 410和412被示出。当安装LED 380时，插入搭钩402被接纳在开口 410和412 中，并且主体396被向下按压，直到插入搭钩402与散热器404的后表面408接合。导热材 料414设置在载具384的后表面398与散热器404的前表面406之间，并且在这些条件下， 载具的后表面热耦合到散热器且固定在适当的位置。导热材料414可以是柔顺材料，例如 如上面结合图5所描述的3M超软热垫。在图13和图14所示的实施例中，向下悬垂的连接器部分390和392中的每一个 具有用以分别接纳绝缘导体420和422的“V”形切口 416和418。在该实施例中，切口 416 和418还具有被移除以允许连接器部分的端部在导体部分的平面内弯曲的圆形部分417和 419。绝缘导体中的每一个包括传导核心424和绝缘层426，并且当绝缘导体420和422受 力进入“V”形切口 416和418中时，相应的切口弯曲以通过将绝缘置换到与传导核心电气 接触来接合所述导体。塑性主体396通过将引线与散热器404绝缘防止所供应的电流电气 短路。如结合图1和图2中所示实施例讨论的，可以在任何上面描述的可替换实施例中 提供光学元件。例如，参照图14，该光学元件可以包括透镜(未示出)，其在附接传导带386 和388之前预模制到载具上。参照图15和图16，在另一实施例中，LED 450包括载具452和载具上的至少一个 或多个LED管芯454。LED 450还包括具有第一和第二区域458和460的金属嵌块456。第 一区域458热耦合到载具452。嵌块456还包括从第二区域460突出的金属螺柱462。在该实施例中，LED 450包括用于耦合和/或引导由LED管芯454产生的光的透 镜464。透镜464安装到模制主体468内，模制主体468与透镜一起包围并且保护LED管 芯454。LED 450还包括用于供应工作电流给LED管芯454的端子470和472以及相应的 连接器474和476。在该实施例中，连接器474和476为例如上面结合图13和图14所描述 的绝缘置换类型连接器。在其它实施例中，可以提供诸如图1中的端子118之类的压配合 端子。下面结合图17至图19描述用于安装LED 450的工艺。参照图17，使LED 450被接 纳在焊接工具(未示出)的卡盘490中。焊接工具可以是电容放电螺柱焊接系统的一部分， 所述系统例如是可从俄亥俄州伊利里亚Nelson Stud Welding获得的Nelson ⑶Lite I 系统。该Nelson系统包括用于将66000 μ F电容器充电到50V-220V范围内的电压的电源单 元。焊接工具被配置成接纳各种卡盘附件，所述卡盘附件用于接纳待焊接的工件。焊接工 具包括用于耦合到电容器的电缆并且还包括用于激活电容器通过卡盘放电到工件的开关。在该实施例中，卡盘490包括具有用于接合散热器496的绝缘部分494的外套筒492。卡盘490还包括用于保持LED 450并且用于将焊接电流从充电的电容器传导到金属 嵌块456的保持器498。保持器498被接纳在套筒492中并且可在箭头500指示的方向上 相对于套筒运动。卡盘490还包括用于朝向散热器496推进LED 450的弹簧502。通常，电 容性放电螺柱焊接系统有利于调节由弹簧502提供的推进力以实现所期望的焊接特性。在焊接之前，LED 450被定位成使得连接器474和476接合相应的导体504和506。 卡盘490然后置于LED 450上并且LED初始时由卡盘490定位，使得螺柱462邻近但不电 气接触散热器496。在其它实施例中，LED 450可以装载到卡盘490中并且然后在保持在卡 盘中的同时相对于散热器定位。电源也被激活以便将电容器充电到所期望的电压。当电容器被充电并且LED 450 处于所期望的位置时，焊接工具开关由用户激活，这使得电容器通过保持器498放电。初始电流流量通过螺柱462集中，并且在螺柱与散热器496 (其通常保持在地电 位)之间建立电弧。集中的电流流量导致通过螺柱362的高电流密度，致使螺柱快速加热 到其中螺柱至少部分地熔化和/或汽化的程度，从而允许第二区域460移动成更靠近散热 器496。随着第二区域460移动成更靠近散热器496，多个电弧510在第二区域与散热器之 间建立。电弧510造成第二区域460中嵌块456以及散热器496的局部熔化，这在随后第 二区域达到与散热器接触时牢固地将LED 450焊接到散热器。参照图19，当熔化的金属随后冷却和固化时，所得到的LED 450的嵌块456与散热 器496之间的焊接确保了良好的热接触。有利的是，电容性放电螺柱焊接系统在非常短的时间帧内通过螺柱362耦合大的 电流(例如4毫秒内9000A)。所得到的对螺柱462和周围第二区域460的加热非常迅速并 且散热因而最小化，从而使对于嵌块456和/或散热器496的任何损害或褪色局部化。再次参照图17，在可替换的实施例(称为接触电容性放电螺柱焊接)中，螺柱462 可以被定位成与散热器496电气接触。随后，当激活开关时，焊接电流通过螺柱462直接耦 合到散热器496。相比于其中在螺柱462与散热器496之间存在间隙时启动放电的实施例， 接触电容性放电螺柱焊接导致稍微更长的焊接时间。有利的是，螺柱462初始化所期望的位置处(即第二区域460的中心处)的焊接 电流。然而，在其它实施例中，螺柱462可以省略。在这样的情况下，初始焊接电流在第二 区域460与散热器496之间建立电弧，并且可能需要LED 450相对于散热器的更仔细的对 准，以便确保所得到的焊接足够均勻。有利的是，这里所描述的实施例的LED提供了不使用焊料的到散热器的附接，同 时提供了 LED与散热器之间的良好热耦合，使得热量可以有效地传递给散热器。本文描述 的若干实施例有利于到散热器的无工具附接，而其它实施例可以使用普通的手持工具或其 它方便的工具来安装。尽管已经描述和图示了本发明的特定实施例，但是这样的实施例应当被理解为仅 仅说明本发明而不是限制如依照所附权利要求所解释的本发明。
1权利要求
一种用于安装到散热器140、166、270的发光二极管(LED)设备，该散热器具有其中带有开口142、168、272的前表面144、170、274，该LED设备包括载具102；安装到所述载具上的至少一个LED管芯104、244；以及具有第一区域108和第二区域110的导热嵌块106，所述第一区域热耦合到所述载具并且所述第二区域具有从其向外突出的柱112、162、250，所述柱可操作地被配置成被接纳在该散热器中的开口内并且将该LED设备固定到该散热器，使得所述第二区域热耦合到该散热器的前表面。
2.权利要求1的设备，其中所述柱162包括螺纹部分164，该螺纹部分164可操作以与 散热器166中的开口 168的螺纹部分接合用以将该LED设备固定到该散热器。
3.权利要求2的设备，其中所述导热嵌块106可操作地被配置成接纳扳手用以施加扭 矩以将该LED设备固定到散热器140、166、270。
4.权利要求2的设备，其中散热器140、166、270包括其中具有所述开口272的基座，并 且还包括从所述基座延伸且具有远离所述基座的开口端的圆柱壁，所述圆柱壁至少部分地 封闭该LED设备并且可操作以通过所述开口端引导由LED管芯244产生的光。
5.权利要求1的设备，其中所述柱112、162、250包括远端部分148，该远端部分148在 被接纳在所述开口 142内时从散热器140的后表面145突出，并且其中所述远端部分可操 作地被配置成接纳弹性锁片150，用以接合该散热器的后表面以推进第二区域110与该散 热器的前表面144热耦合。
6.权利要求1的设备，还包括设置在所述第二区域110上的导热材料146，所述导热材料可操作以在该LED设备安装 到该散热器上时形成所述第二区域与散热器140的前表面144之间的界面，由此降低其间 的热阻；以及设置在所述柱112、162、250的远端部分148上的弹性锁片150，所述弹性锁片具有至 少一个部分152，该至少一个部分152可操作地被配置成在被接纳在该散热器中的开口 142 内的同时齐平地压抵所述柱，所述导热材料足够柔顺以允许所述LED设备被下压抵住该散 热器的前表面至足够的程度，从而允许所述弹性锁片的所述至少一个部分接合该散热器的 后表面145，进而推进该第二区域与该前表面热耦合。
7.权利要求1的设备，其中所述嵌块106包括用于接纳至少一个导体的至少一个通道， 所述至少一个导体用于供应电流给所述至少一个LED管芯。
8.权利要求7的设备，其中所述至少一个通道通过所述柱112、162、250延伸以便有利 于所述至少一个导体到散热器140、166、270的后表面145、172的布线。
9.权利要求1的设备，还包括设置在所述第二区域110上的导热材料146、174、249，所 述导热材料可操作以在所述LED设备安装到该散热器上时形成所述第二区域与所述散热 器140、166、270之间的界面，由此降低其间的热阻。
10.权利要求1的设备，还包括与所述至少一个LED管芯104、244电气连接的至少一个 端子118、154，所述端子可操作以接纳和固定用于供应工作电流给所述至少一个LED管芯 的电导体。
11.一种用于安装到散热器196的发光二极管(LED)设备，该LED设备包括载具102 ；安装到所述载具上的至少一个LED管芯104 ；以及具有第一区域108和第二区域110的导热嵌块106，所述第一区域热耦合到所述载具；以及设置在所述嵌块的所述第二区域上的导热材料192，所述导热材料具有外表面196，该 外表面196具有粘结属性用以将该LED设备固定到该散热器，使得所述第二区域热耦合到 该散热器的前表面198。
12.权利要求11的设备，其中所述导热材料192包括 导热材料层，具有内表面和外表面；设置在所述内表面上的第一粘结层，所述第一粘结层可操作以将所述导热材料层结合 到所述第二区域；以及位于所述外表面上的第二粘结层。
13.权利要求12的设备，其中所述嵌块106可操作地被配置成被接纳在散热器196中 的相应凹部199内，所述凹部可操作以利于将该LED设备与该散热器对准。
14.权利要求12的设备，还包括设置在所述外表面上的可移除的保护膜，所述保护膜 可操作地被配置成在将该LED设备固定到散热器196之前被移除。
15.权利要求11的设备，还包括与所述至少一个LED管芯104电气连接的至少一个端 子118，所述端子可操作以接纳和固定用于供应工作电流给所述至少一个LED管芯的电导
全文摘要
公开了一种用于安装到散热器的发光二极管(LED)设备，散热器具有其中带有开口的前表面。该设备包括载具、安装到该载具上的至少一个LED管芯以及具有第一和第二区域的导热嵌块。第一区域热耦合到载具并且第二区域具有从其向外突出的柱。该柱可操作地被配置成被接纳在散热器中的开口中并且将LED设备固定到散热器，使得第二区域热耦合到散热器的前表面。还公开了利用粘结导热材料196、弹性锁片、插入搭钩或者焊接安装LED设备的其它实施例。
文档编号F21K99/00GK101896760SQ200880120919
公开日2010年11月24日 申请日期2008年12月11日 优先权日2007年12月13日
发明者F·J·沃尔, F·M·斯特兰卡, J·W·韦坎普, J·克梅特克, L·张 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司;飞利浦拉米尔德斯照明设备有限责任公司