具有非电气隔离的驱动器的半导体照明装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种半导体照明装置（11，11a），具有多个半导体光源（16）和用于运行半导体光源（16）的非电气隔离的驱动器（14），其中，半导体光源（16）分配到至少两个载体（22a1，22b1）上，载体（22a1，22b1）安装在能导电的底座（12）上，并且驱动器（14）以及存在于载体（22a1，22b1）的表面上的引导电流的区域（24，25）相对于底座（12）电绝缘。
【专利说明】具有非电气隔离的驱动器的半导体照明装置【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体照明装置，具有多个半导体光源和用于运行半导体光源的非电气隔离(galvanisch nicht-1solierten)的驱动器。
【背景技术】
[0002]W02010/092110A1公开了一种照明装置，它具有用于至少一个半导体光源的冷却体，特别是用于发光二级管的冷却体，该冷却体带有至少一个安装在其外侧面上的载体，以及具有用于容纳驱动器的开槽部和至少一个将开槽与冷却体的外侧面连接的电绝缘的引入件，其中，该引入件具有表面平整地连接在冷却体的外侧面上的接触面，该接触面至少部分地被载体遮盖。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是，至少部分地消除现有技术的缺点，特别是同时提供便宜的并且节约能源的半导体照明装置。
[0004]该目的根据独立权利要求所述的特征得以实现。特别是可以从从属权利要求中获取优选的实施方式。
[0005]该目的通过一种半导体照明装置得以实现，其具有多个半导体光源和用于运行半导体光源的非电气隔离的驱动器。此外这些半导体光源被分配到至少两个载体上，这些载体安装在能导电的底座上，并且驱动器以及存在于载体的表面上的、引导电流的区域相对于底座电绝缘。
[0006]通过分配到至少两个载体上能够以特别多样的形式布置和对准这些半导体光源。由此特别是能够相对简单地提供理想的光照特性或者说光照图案。这使得一种便宜并且节约能量的半导体照明装置成为可能。通过电绝缘驱动器(作为一般的、用于驱控半导体光源的驱控电路)和引导电流的区域使得也能够使用非电气隔离的驱动器，而不会在触碰到能导电的底座(例如冷却体)时出现安全问题。因为非电气隔离的驱动器通常具有比初级侧和次级侧之间电气隔离的驱动器更高的效率，具体来说通常超过90%，并且此外还可以成本更低地构造而成，所以由此有助于提供特别便宜并且节约能量的半导体照明装置。于是例如不需要像在输出防护电压的驱动器中使用变压器的情况下经常规定的那样设置在驱动器中从初级侧到次级侧的安全距离。而是主要在载体和导电的底座(例如冷却体)之间发生初级侧和次级侧之间的分离。
[0007]如果驱动器构造成无变压器的驱动器，就能够有利地通过线圈或者Buck降压配置/降压变流器取代变压器。
[0008]优选地，驱动器构造成输出用于运行半导体光源的(工作)电压的驱动器，该电压高于额定安全特低电压(Safety Extra Low Voltage, SELV)、保护性特低电压(ProtectiveExtra Low Voltage,PELV)或者功能性特低电压(Functional Extra Low Voltage,FELV)。然而原则上也可以考虑低电压作为工作电压。[0009]工作电压有利地可以是大于或者等于25伏的直流电压，特别是大于或者等于50伏。然而原则上也可以利用值较低的直流电压以及交流电压作为工作电压。
[0010]优选地，至少一个半导体光源包括至少一个发光二极管。在存在多个发光二极管时，它们能够以相同的颜色或者以不同的颜色照明。颜色可以是单色谱的(例如红、绿、蓝等等)或者是多色谱的(例如白色)。由至少一个发光二极管发出的光也可以是红外光(IR-LED)或者紫外光(UV-LED)。多个发光二极管可以产生混合光；例如白色的混合光。至少一个发光二极管可以包含至少一种能够转换波长的突光材料(Konversions-LED)。作为代替或者作为补充，这种荧光材料可以远离发光二极管来布置(远程荧光粉)。至少一个发光二极管可以以至少一个单独被包封的发光二极管的形式或者以至少一个LED芯片的形式存在。多个LED芯片可以装配在共同的基板(封装基板)上。至少一个发光二极管可以装备至少一个独有的和/或共同的用于引导射线的光学元件，例如至少一个菲涅尔透镜、准直仪等等。作为无机的发光二极管(例如以InGaN或AlInGaP为基础)的代替或者补充，一般也可以使用有机的LED (0LED，例如聚合物-0LED)。作为代替，至少一个半导体光源例如可以具有至少一个二极管激光器。
[0011]一种构造方式是，让至少其中两个载体相互成夹角地布置。这例如可以通过以下方式实现，即，让用于载体的底座或者底座的接触区域相互成夹角。于是能够以简单的方式让半导体光源产生多种形式的角度取向。
[0012]还有一种构造方式是，让载体通过至少一个浮装的连接线路相互电连接。浮装的连接线路特别可以理解为这样的连接线路，它的整个纵长不是接合在固定的底座上(例如导体轨道)，而是至少原则上至少部段地能够自由地敷设(例如金属线或电缆)。浮装的连接线路具有以下优点，即，它使得能够利用简单的装置电连接可柔性布置的载体。在底座具有棱边或者间隙的情况下尤为如此，正如特别是在底座的接触区域相互形成夹角和/或分层时可能出现的情况那样。此外，这样就能够在大部分情况下实现较小的欧姆电阻和/或较强的电流强度。此外，浮装的连接线路能够特别优选的电绝缘。然而原则上也可以使用至少一个固定敷设的(不是浮装的)连接线路，例如导体轨道。
[0013]另一种构造方案是，所述至少一个浮装的连接线路，特别是电缆，是三重绝缘的连接线路。这能简化对它的敷设，因为它就连能导电的底座也可以毫无危险地触碰，也就是对于高于安全电压的电压，特别是高于额定安全特低电压(SELV)、保护性特低电压(PELV)或者功能性特低电压(FELV)的电压。
[0014]还有一种构造方式是，在两个载体之间的、连接着它们的至少一个电连接线路下方的区域内存在绝缘元件。该绝缘元件例如可以是垫层(Auf Iage)，它局部地放置在两个载体之间的底座上，并且特别是遮盖能导电的底座的可能被至少一个连接线路触碰到的区域(例如在连接线路有意或无意地向底座拐弯时)。于是可以降低对至少一个连接线路的电绝缘要求。特别是就可以只需要简单地绝缘至少一个连接线路，例如电缆。该绝缘元件例如可以是塑料元件。
[0015]一种用于提供长的爬电路径和足够高的抗击穿性的优选的改进方案是，让至少其中一个载体是电绝缘的载体。该载体可以具有一个或者多个布线层。
[0016]还有一种构造方式是,至少其中一个载体是(特别是致密的(kompakter))陶瓷载体。陶瓷载体具有特别强的电绝缘能力，此外还通常具有良好的导热性，从而有助于半导体光源的有效的热量导出。陶瓷例如可以具有A1203、AIN、BN或SiC。陶瓷载体也可以构造成多层式陶瓷载体，例如用LTCC工艺。在此例如也可以使用具有不同的材料的分层，例如具有不同的陶瓷。它们例如可以构造成交替地具有高度的绝缘性和低的绝缘性。
[0017]此外还有一种构造方式是，至少其中一个载体具有电路板基材(例如FR4)或者是电路板，这相比陶瓷载体成本很低。特别是也可以使用绝缘的金属基板(MS)或者金属基印刷电路板(MCPCB )作为载体。
[0018]为了在一方面最大化光源和底座之间的绝缘路段并且另一方面最小化它们之间导热路径之间达到特别有利的平衡，载体的厚度有利地可以在0.15mm和Imm之间的范围内。
[0019]以有利的方式，该载体具有至少4KV的抗击穿性，因此至少这个大小等级内的过压脉冲不会击穿该载体。
[0020]以有利的方式，该载体可以借助电绝缘的并且特别是能导热的过渡层固定在底座上。附加的电绝缘设计使得进一步提高抗击穿性和延长爬电路径成为可能。
[0021]为了载体和底座之间的可靠的连接，电绝缘的过渡层有利地是两侧可粘附的。过渡层优选地是导热的过渡材料(TIM,“热界面材料(Thermal Interface Material)”),如导热膏(例如添加了氧化铝、氧化锌、氮化硼或者银粉的硅油)、箔或者胶。箔例如也可以以一种双面胶带的形式存在。胶例如可以借助弥散过程和接下来刮胶过程涂在两侧上。特别是TIM过渡层尤其是可能在热穿透性良好的情况下具有高的抗击穿性和延长爬电路径的优点。通过过渡层也能够实现无螺栓的构造，由此能够省去否则在载体上围绕着通往冷却体的螺栓穿通部周围的必要的绝缘区域。这有助于照明装置的紧凑的构造。然而该载体原则上也可以以其他的方式固定到冷却体上。于是该载体也可以借助一个或者多个塑料螺栓与底座旋拧在一起。
[0022]还有一种构造方式是，载体通过电绝缘的过渡层安装在底座上，并且过渡层在侧面超出载体向外伸。由此能够使爬电路径在各个边沿上延长，延长的长度等于电绝缘的过渡层在侧面或者在旁面超出各个边沿向外伸的长度。
[0023]此外还有一种构造方式是，底座是冷却体的表面。由此使得紧凑的构造方式和半导体光源的有效冷却成为可能。以有利的方式，冷却体可以由导热性良好的、λ > IOff/(m.K)的材料构成，特别优选的是λ > IOOW/ (m.K)，尤其是由如铝、铜或者它们的合金这样的金属构成。但是，冷却体也可以完全地或者部分地由塑料构成；为了电绝缘和延长爬电路径，特别有利的是导热性良好并且电绝缘的塑料，但是也可以使用导热性良好并且导电的塑料。冷却体优选地可以是对称的，特别是旋转对称，例如围绕着纵轴线。以有利的方式，该冷却体可以具有散热元件，例如散热片或者散热条。
[0024]还有一种构造方案是，至少两个载体被设计为共同的柔性电路板的电路板区域。由此可以省去单独的连接线路，而是可以使用该柔性电路板的部分区域作为电连接件。这种照明装置能够特别简单地组装起来并且可靠。
[0025]为了简化装配并且为了保持柔性电路板的用作电连接件的部分区域与底座的间距，一种有利的构造方式是，至少两个电路板区域布置在各一个(导热性良好的)的热膨胀元件(W a:rmespreizelement)上，该元件布置在能导电的底座上。
[0026]一种改进方案是，热膨胀元件是能导电的，例如由金属构成，特别是由铝构成。这种热膨胀元件能够简单地成形，高度导热并且便宜。然而该热膨胀元件也可以由能导电的陶瓷构成。
[0027]还有一种改进方案是，热膨胀元件是电绝缘的，这能提高抗击穿性并且增加爬电路径的长度。这种热膨胀元件特别是可以有良好的导热性，尤其是由陶瓷构成。
[0028]热膨胀元件和底座也可以一体式地构成。
[0029]还有另一种构造方式是，两个电路板区域之间的至少一个浮装的连接线路由柔性电路板的至少一个变窄的、具有至少一个导体轨道的连接区域构成。变窄使得连接区域更容易弯曲。可以早在生产柔性电路板时或者通过后来的材料剥蚀(例如铣削或切除)实现变窄的设计。
[0030]还有另一种构造方式是，半导体照明装置构造成改型灯或者构造成用于改型灯的模块。改型灯总体上可以是白炽灯-改型灯或者是卤素灯-改型灯。
[0031]驱动器特别是可以安装在冷却体的开槽或空穴内。开槽优选地具有用于导入驱动器的导入开口，例如驱动板。以有利的方式，开槽的导入开口可以位于冷却体的背侧上。导入开口和引入件有利地位于开槽的相互对置的侧面上。开槽例如可以构造成圆柱形的。开槽有利地可以相对于冷却体电绝缘，从而避免直接的爬电路径，例如借助电绝缘的加衬(也称为驱动器空穴的外壳，GTK)，例如以穿过导入开口插入开槽的塑料管的形式。该加衬可以具有一个或者多个用于固定驱动器的固定元件。
[0032]一种改进方案是，开槽借助电绝缘的引入件与冷却体的外侧连接。引入件特别是用于在位于开槽内的驱动器和至少一个半导体光源或者说装配该半导体光源的载体之间引入说穿引至少一个电导线。引入件和加衬可以一体式地构造成唯一的元件。随着将加衬推入开槽就同时也将引入件推移穿过冷却体的穿通孔。
[0033]至少一个电导体例如可以构造成金属线、电缆或者任何形式的连接件，它可以借助任意合适的方法进行接触，例如借助钎焊、电阻焊、激光焊等等。
[0034]结合以下对结合附图更详尽阐述的实施例的示意性的描述能够更清楚更明白地理解本发明的以上描述的特征、特点和优点以及实现这些特征和优点的方式和方法。其中，为了清楚起见，相同的或者作用相同的元件配有相同的附图标记。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1用侧视角的剖面图简略地示出白炽灯-改型灯形式的半导体照明装置的剖面图，其具有非电气隔离的驱动器；
[0036]图2至7用侧视角的剖面图示出半导体照明装置的第一至第六种可能的构造方式在其装配有半导体光源的前侧区域内的截面图。
【具体实施方式】
[0037]图1示出一种白炽灯-改型灯形式的半导体照明装置11。半导体照明装置11具有由铝制成的冷却体12，该冷却体具有用于容纳驱动器14的开槽13 (驱动器空穴)。驱动器14用于将能够通过灯头15提供的供电信号转换成用于运行多个发光二级管16形式的半导体光源的电流工作信号。
[0038]灯头15在这里示例性地以爱迪生灯头的形式存在，它特别是可以插入可以施加电源电压的灯座中。灯头15关闭开槽13的朝后的引入口 13a，并且是半导体照明装置11的朝后的端部。
[0039]与之相对置地，发光二极管16安装在冷却体12的前侧17上，并且例如可以被可透光的(透明的或者散射的)灯泡18遮盖，发光二级管16特别是可以作为LED芯片存在。
[0040]驱动器14构造成非电气隔离的驱动器，也就是说，它电连接在灯头15上的初级侧和它电连接在发光二级管16上的次级侧相互非电气隔离，这使得高的效率成为可能。为了相对于冷却体12电绝缘驱动器14，开槽13以被插入开槽13的塑料管形式存在的电绝缘的加衬19来遮挡(verkleidet)。开槽13借助电绝缘的引入件20与冷却体12的前侧17连接，并且通过穿过引入件20延伸的电导线21与发光二级管16电连接。
[0041]图2用截面图示出半导体照明装置11在其配有发光二极管16的前侧17区域内第一种可能的构造方式11a。
[0042]发光二极管16分配到至少两个载体22上，其中，这里示出了第一载体22al和第二载体22bl。两个载体22或22al和22bl安装在底座上的能导电的冷却体12上，也就是在相互邻接的、相互成夹角的接触区域23a或23b上。
[0043]驱动器14通过至少其中一个电导线21与载体22al电连接(见图1 )，并且(由于载体22al的上侧面具有布线层24，该布线层将电导线21的接触点25与发光二级管16电连接)因此也与发光二极管16电连接。此外，载体22al和22bl相互之间还通过浮装的连接线路26相互电连接，例如为了实现载体22al和22bl或安装在其上的发光二级管16的串联电路或者并联电路。
[0044]为了确保存在于载体22al和22bl的表面上的引导电流的区域(也就是布线层24和接触点25)相对于冷却体12安置电绝缘，载体22al，22bl在这里由电绝缘的材料构成，也就是致密陶瓷。在(陶瓷)载体22al，22bl的前侧配有发光二极管16时，载体22al，22bl利用其背侧通过用作电绝缘的过渡层和--Μ层的双面胶带27固定到相应的接触区域23a或23b上。
[0045]爬电路径kl例如在载体22bl上从接触点25延伸至下一个侧边沿(附加上载体22bI和胶带27的厚度)
[0046]为了确保浮装的连接线路26与冷却体12充分绝缘，也就是当连接线路26可能触碰冷却体12时，连接线路26被三重绝缘，例如实现为三重绝缘的电缆的形式。
[0047]图3用截面图示出半导体照明装置11在其配有发光二极管16的前侧17区域内的第二种可能的构造方式lib。
[0048]与半导体照明装置11的第一种可能的构造方式相反，双面胶带27现在在侧面超出各个载体22al，22bl向外伸出去。于是，爬电路径kl延长，延长的长度等于用作附加绝缘件的双面胶带27的侧面的超出长度K2，这能提高防护效果。
[0049]图4用截面图示出半导体照明装置11在其配有发光二极管16的前侧17区域内的第三种可能的构造方式11c。这种构造方式Ilc与第二构造方式Ilb的区别在于，载体22a2和22b2现在基本上利用电路板的基材作为电绝缘材料制造而成，特别是用或者由FR4制成。这使得成本更低的构造成为可能。
[0050]图5用截面图示出半导体照明装置11在其配有发光二极管16的前侧17区域内的第四种可能的构造方式lid。这种构造方式Ild与之前的构造方式lla-c (相对于第一种可能的构造方式示意性地示出)的区别在于，在两个载体22al和22bl之间的位于连接线路30下方的区域内存在电绝缘的绝缘元件31。绝缘元件31在这里是由塑料构成的垫层，并且特别是覆盖冷却体12的前侧17的可能被连接线路30触碰到的区域，例如当连接线路30有意或无意地靠在冷却体12上时。于是可以降低对至少一个连接线路30的电绝缘的要求，因此它例如只需要简单地绝缘。
[0051]图6用截面图示出半导体照明装置11在其配有发光二极管16的前侧17区域内的第五种可能的构造方式lie。在这里，载体构造成共同的柔性电路板32的电路板区域22a3和22b3。柔性的电路板32具有柔性的、电绝缘的、带金属布线层34的基板33。所示的两个电路板区域22a3和22b3布置在各一个由铝制成的热膨胀元件35上，它超出侧边向外伸出的双面胶带27固定在冷却体12上。
[0052]电路板区域22a3和22b3之间的浮装的连接线路36由柔性电路板32的(在这里垂直于画面)变窄的、具有布线层34的至少一个导体轨道的区域(连接区域)构成。于是，电路板区域22a3和22b3和连接线路36是柔性电路板32的集成化的组成部分。因此这种构造方式Ile特别可靠并且能够简单地装配。通过设计热膨胀元件35有利于简单的可装配性以及连接线路36/连接区域相对于冷却体12的电绝缘。
[0053]图7用截面图示出半导体照明装置11的类似于第五种构造方式的第六种可能的构造方式Hf。其中，热膨胀元件37现在由陶瓷构成。这能延长爬电路径并且由此使得能够更加多样化地构造电路板区域22a3和22b3。
[0054]尽管通过所示实施例更详尽地阐述并描述了本发明，但是本发明不局限于此，并且专业技术人员可以从中推导出其他的变化方案，而不会离开本发明的保护范围。
[0055]因此，所示的可能的构造方式的特征也可以相互混合和/或相互交换，例如通过设置从侧边突伸出的双面胶带。
[0056]一个载体也可以具有一个或者多个半导体光源。
【权利要求】
1.半导体照明装置(11;lla-f)，具有 -多个半导体光源(16)，以及 -用于运行半导体光源(16)的非电气隔离的驱动器(14)， 其中， -所述半导体光源(16)分布到至少两个载体(22 ;22al，22bl ;22a2，22b2 ;22a3，22b3)上， -所述载体(22 ;22al，22bl ;22a2，22b2 ;22a3，22b3)安装在能导电的底座(12)上，-并且所述驱动器(14)以及存在于所述载体(22 ;22al，22bl ;22a2，22b2 ;22a3，22b3)的表面上的引导电流的区域(24，25 ;34)相对于所述底座(12)电绝缘。
2.根据权利要求1所述的半导体照明装置(11;lla-f)，其中，至少其中两个所述载体(22 ;22al，22bl ;22a2，22b2 ;22a3，22b3)布置成相互形成夹角。
3.根据前述权利要求中任一项所述的半导体照明装置(11;lla-f)，其中，所述载体(22 ;22al，22bl ;22a2，22b2 ;22a3，22b3)通过至少一个浮装的连接线路(26 ；30 ；36)彼此电连接。
4.根据权利要求3所述的半导体照明装置(11;lla-c)，其中，至少一个浮装的所述连接线路(26)是三重绝缘的连接线路。
5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体照明装置(11;lld)，其中，在两个载体(22al，22bl)之间的、连接这两个载体的至少一个电的所述连接线路(30)下方的区域内存在绝缘元件(31)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体照明装置(11；lla ；llb ;lld)，其中，至少其中一个所述载体(22al，22bl)是陶瓷载体。
7.根据前述权利要求中任一项所述的半导体照明装置(11；llc ;lle-f)，其中，至少其中一个所述载体(22a2，22b2)具有电路板基材。
8.根据前述权利要求中任一项所述的半导体照明装置(11；llb ；llc ;lle)，其中，所述载体(22a2，22b2 ；22a3, 22b3)通过电绝缘的过渡层(27)安装在所述底座(12)上，并且所述过渡层(27)在侧面超出所述载体(22a2，22b2 ;22a3，22b3)向外伸出。
9.根据前述权利要求中任一项所述的半导体照明装置(11;lla-f)，其中，所述底座是冷却体(12)的表面(17)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的半导体照明装置(11;lle-f)，其中，至少两个载体(22a3，22b3 )被设计为共同的柔性电路板(32 )的电路板区域。
11.根据前述权利要求中任一项所述的半导体照明装置(11;lle_f)，其中，至少两个所述电路板区域(22a3，22b3)布置在各一个热膨胀元件(35 ；38)上，所述热膨胀元件布置在能导电的所述底座(12，17)上。
12.根据权利要求3与权利要求10或11中任一项组合的半导体照明装置(11；lle-f),其中，两个电路板区域(22a3，22b3)之间的至少一个浮装的所述连接线路(36)由所述柔性电路板(32)的至少一个变窄的、具有至少一个导体轨道的连接区域(36)构成。
13.一种半导体照明装置(11 ;lla-f)，其中，所述半导体照明装置(11 ;lla_f)是改型灯。
【文档编号】F21K99/00GK103890481SQ201280051158
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年9月14日 优先权日:2011年10月19日
【发明者】马库斯·霍夫曼, 托马斯·普罗伊施勒, 克劳斯·埃克特, 克里斯托夫·斯特劳斯 申请人:欧司朗有限公司