用于调节发光二极管温度的设备的制作方法

专利名称：用于调节发光二极管温度的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及诸如发光二极管之类的半导体器件。具体地，本发明涉及一种用于调 节发光二极管温度的设备。
背景技术：
LED的发射谱(在强度和峰值波长两方面)是温度依赖的。具体地，LED的结温度 影响发射谱。为了实现来自LED的稳定光输出，有必要调节LED的温度。传统上，经由温度传感器和模型直接或间接测量LED中的结温度以推导出所述结 温度，然后(通过调节流过LED的电流的幅度、频率和/或占空比来)操作LED对于LED温 度的任何变化起反应。这种类型的布置很复杂，要求提供至少包括可变电流源和LED温度 测量装置的控制回路。US5371753描述了一种具有针对激光二极管热沉(heat sink)的热耦合的激光二 极管底座，其利用形状记忆合金，以将激光二极管阵列保持在操作温度带宽内。二极管载体 构件保持激光二极管阵列，并且通过柱(post)可移动地附着到热沉上，并且通过可变空气 间隙与热沉热焊盘(thermal pad)间隔开来。所述二极管载体构件可以在所述柱上移动以 改变所述间隙，并且形状记忆合金构件成形为线圈或弹簧，并耦接在二极管载体构件和热 沉热焊盘之间，用于改变之间的间隙。US2003/076565描述了一种光通信模块，包括模块外壳和收纳在所述模块外壳中 的的转换元件。所述模块也包括热传导构件，当模块外壳中的大气温度高于信号处理电路 元件的工作温度范围时，所述热传导构件接触所述模块外壳和信号处理电路元件，但是当 模块外壳中的大气温度低于工作温度范围时，所述热传导构件与信号处理元件分开。

发明内容
根据本发明一方面，提出了一种用于调节发光二极管(LED)的温度的设备。所述 设备包括热沉、LED底座和安装在所述LED底座上的LED。所述LED底座被配置为响应于温 度变化而发生形状变化。所述LED底座包括其上安装了 LED的至少一个伸长的指状物。至 少一个指状物被配置为响应于温度变化而弯曲，从而响应于所述温度变化来使所述LED朝 着或者远离所述热沉偏转。形状变化改变LED相对于热沉的位置，用于调节LED和热沉之 间的热传递。本发明提出了针对LED温度调节问题的解决方案，其不要求上述种类的复杂控制 回路。根据本发明，其上安装了 LED的底座响应于温度变化而改变形状(例如，变大、变小、 变长、变短等)，以改变LED相对于热沉的位置。具体地，可以使用LED相对于热沉的位置改 变来调制热沉和LED之间的热传递。在一个示例中，底座的形状变化可以改变LED相对于热沉的位置，以响应于温度 的升高，使LED与热沉物理接触。因此当温度升高时，LED可以与热沉接触，从而增加从LED 到热沉的热流，进而提供附加的冷却能力来降低LED温度。相反，底座的形状变化也可以改变LED相对于热沉的位置，以响应于温度的降低来断开LED和热沉之间的物理接触。由于 LED和热沉之间缺少物理接触而引起的冷却能力的减少可以引起LED的温度升高。在一个实施例中，所述LED底座被配置为改变LED相对于热沉的位置，以维持LED 的温度在最高温度和最低温度之间。只作为示例，当LED的温度接近或者变为实质上等于 最高温度时，在LED和热沉之间形成物理接触。相反，当LED的温度接近或者变为实质上等 于最低温度时，断开LED和热沉之间的物理接触。这里描述了可以响应于温度变化而改变形成的各种LED底座的示例。在这样一个 示例中，LED底座的至少一部分被配置为响应于温度变化而经受热膨胀和/或热收缩，以改 变LED底座的形状。在另一个示例中，LED底座包括层压部分，所述层压部分包括具有不同 热膨胀系数的至少两层。所述至少两层可以配置为响应于温度变化以不同的速率膨胀和收 缩，从而使LED底座改变形状。所述层可以包括具有不同热膨胀系数的金属条。在另外的示例中，LED可以实质上安装在LED底座的指状物的一端。


下面将参考附图并且只作为示例描述本发明的实施例，其中相似的参考符号涉及 相似的元件，附图中图1示出了根据本发明实施例的设备的示例，所述设备包括LED底座、LED和热 沉；图2示出了在LED底座的形状改变之后的图1的示例设备；图3示出了根据本发明实施例的设备的示例，所述设备包括LED底座、LED和热 沉；图4A和4B更加详细地示出了图3设备的LED底座；图5示出了根据本发明实施例的设备的示例，所述设备包括LED底座、LED和热 沉；图6示出了在LED底座的形状改变之后的图5的示例设备；以及图7示出了根据时间的温度的曲线，说明了根据本发明实施例的LED的温度调节。
具体实施例方式以下参考附图描述本发明的实施例。图1和图2示意性地说明了本发明的第一实施例。根据该实施例，提出了安装在 LED底座6上的LED 2以及热沉4。如图1和图2所示，LED底座6包括第一部分7和第二 部分8。所述LED底座6的第一部分7通常在位置上是固定的，并且例如可以包括印刷电路 板(PCB)的一部分，或者包括其中结合了 LED 2的器件的外壳的另一部分。LED底座6的第二部分8配置为响应于温度变化而发生形状变化。例如，这种形状 变化来自第二部分8内的热膨胀/收缩。通常，第二部分8中的温度变化来自从LED 2到 第二部分8的热耗散。由于LED 2和第二部分8之间的热传导，第二部分8的温度趋向于 跟踪LED 2的温度。图1和图2示意性地示出了第二部分，目的是说明如何可以将第二部 分8中的形状变化用于调节LED 2的温度。下文中描述了可以用于实现第二部分8的具体 结构的示例。
如图1和图2所示，因为LED 2附着到第二部分8，所以第二部分8的形状变化改 变了 LED 2相对于热沉4的位置。更具体地，LED 2相对于热沉4的移动可以使LED 2与 热沉4接触(如图1所示)。LED 2相对于热沉的移动也可以断开LED 2和热沉4之间的 物理接触(如图2所示)。当LED 2和热沉4之间的物理接触如图2所示断开时，在LED 2 和热沉4之间开放了间隙12。当LED 2和热沉4处于物理接触时，在LED 2和热沉4之间存在良好的热接触。 在这种条件下，热可以从LED 2自由流动至热沉4，从而热沉4能够向LED 2提供效果冷却 能力。相反，当在LED 2和热沉4之间存在间隙12时，在LED 2和热沉4之间只存在弱的 热接触。尽管少量的热仍然会桥接LED 2和热沉4之间的间隙12，但是这种配置中由热沉 提供的冷却能力是最小的。因为LED 2在工作期间持续地产生热，所以当存在间隙12时， LED 2 (并且因此第二部分8)的温度将趋向于升高。然而，当LED2与热沉4接触时，热沉4 的冷却能力趋向于导致LED 2 (并且因此也在第二部分8)中的温度下降。因此根据本发明，(通过LED底座6的形状变化)可以改变LED 2相对于热沉4的 位置，以调节LED 2和热沉4之间的热传递。具体地，在该实施例中，当LED 2的温度降低 时，LED底座6的第二部分8沿ζ方向膨胀，以断开LED 2和热沉4之间的物理接触，达到 如图2所示的配置。如上所述，由于来自相对较冷的LED 2热耗散减少，所以通过第二部分 8中的温度降低来促使第二部分8形状改变。随后，LED 2和热沉4之间的间隙12减小了 LED 2和热沉4之间的热流，从而LED 2的温度趋向于升高，进而增加了至LED底座6的热 耗散，升高了第二部分8的温度。对这种温度升高作出反应，第二部分8沿ζ方向收缩，从 而得到了如图1所示的配置。LED 2和热沉4之间恢复的接触增大了从LED 2至热沉4的 热流，从而趋向于降低LED 2的温度。上述循环本身可以在LED 2的正常工作期间重复，从而调节LED 2的温度。如下 所述，可以在预定的温度上限和温度下限内执行温度调节，并且LED底座6的第二部分8可 以被配置为提供LED 2相对于热沉4的适当移动，以确保LED 2的温度不会落到这些预定 界限之外。图3和图4示意性地示出了本发明的第二实施例。与相对于图1和图2描述的实 施例共同的是，第二实施例包括LED 2和热沉4。LED 2安装在包括第一部分7和第二部分 18的LED底座6上。如相对于第一实施例所述，LED底座6的第二部分18被配置为响应于 温度变化来改变形状，以改变LED 2相对于热沉4的位置，来调节LED 2和热沉4之间的热 传递。如图3所示，LED底座6的第二部分18的形状是弯曲的，并且在该示例中采取安装 在第一部分7上的一个或更多个伸长指状物的形式。在一个实施例中，可以将所述指状物 按照规则的间隔设置为围绕LED 2的外围。每一个伸长指状物的第一端部(标记为A)固 定到第一部分7，而每一个伸长指状物的第二端部(标记为B)自由移动，如下面详细所述。图如和图4b详细地示出了第二部分18。具体地，将第二部分18示为在结构上是 层压的，具有第一层18a和第二层18b。第一层18a位于第二层1 上方。第一层18a和第 二层18b具有不同的热膨胀系数。具体地，第一层18a的线性热膨胀系数小于第二层18b 的线性热膨胀系数。从图4b开始，现在将描述LED底座6的第二部分18的层18a和18b的工作。在图4b所示的配置中，例如LED相对于LED底座6的第一部分7的高度是h2(参见图4b)。在 这种配置中，LED 2典型地不与热沉4接触(因此这种配置与图2所示的配置类似)。因此 在这种配置中，限制了 LED 2和热沉4之间的热流，从而LED 2的温度趋向于升高。当LED 2的温度升高时，通过LED 2和其上安装了 LED 2的第二部分18之间的热传导，LED底座6 的第二部分18的温度也趋向于升高。响应于第二部分18的这种温度变化，第一层18a和第 二层18b趋向于膨胀。然而，因为第一层18a和第二层18b具有不同的热膨胀系数，这将趋 向于在第二部分18中引起变形(形状变化)。具体地，第二层18b将趋向于比第一层18a 膨胀更大程度。这趋向于减小第二部分18的曲率，使得第二部分采取更直一些的配置，如 图4A所示。注意在该示例中，形状变化引起每一个伸长指状物的自由端部B沿第一部分7 的表面移动。形状变化也将LED底座6的第二部分18的垂直高度减小为hl，如图如和图 4b所示。因此在该示例中，第二部分响应于温度升高在水平维度上膨胀并且在垂直维度上 收缩。第二部分18垂直高度的减小会引起LED 2恢复与热沉4物理接触，从而如上所述 增强热沉或LED 2的冷却能力。当LED 2冷却时，由于缺乏来自LED 2的热传递，其上安装 了 LED 2的第二部分18也将趋向于冷却。由于这种冷却，第二部分18的第一层18a和第 二层18b将趋向于热收缩，从而恢复如图4b所示的配置。因此，LED底座6的第二部分18 的第一层18a和第二层18b的循环的热膨胀/收缩可以使LED 2改变相对于热沉的位置， 用于调节LED 2和热沉4之间的热传递。图5和图6示意性地示出了本发明的第三实施例。如第一和第二实施例那样，LED 2安装在LED底座6上。在该实施例中，LED底座6包括层压部分观，所述层压部分28包括第一层28a和 第二层^b。所述层压部分观可以采取一个或更多个伸长指状物的形式，LED 2附着到每 一个指状物的尖端。例如，每一个指状物的另一端可以安装在PCB或一些其他结构上。在 图5和图6中，提供了两个指状物。在其他示例中，可以提供更多指状物(或者只提供单个 指状物)。层压部分观被配置为响应于温度变化而改变形状，以改变LED 2相对于热沉4的 位置。更具体地，在该示例中，第二层28b具有比第一层28a更大的线性热膨胀系数。如图 5和图6所示，当层压部分观温度升高时，所述层压部分观趋向于伸直。相反，在较低温度 时，层压部分观的曲率增大。因此，LED 2中温度升高引起层压部分观中温度的相应升高，进而引起层压部分 观采取更直一些的配置，这使得LED 2与热沉4接触，如图5所示。LED 2和热沉4之间的 物理接触增加了由热沉4提供给LED 2的冷却能力，并且LED 2将因此趋向于冷却。这进 而导致层压部分观的冷却，从而使得层压部分将趋向于采取更加弯曲的配置，如图6所示。 层压部分观的曲率变化改变了 LED 2相对于热沉4的位置，使得物理接触断开，并且在LED 2和热沉4之间开放出间隙12(图6)。这减小了由热沉4提供的冷却能力，从而LED 2的 温度将趋向于升高。如前所述，上述循环可以用于在预定界限之间调节LED 2的温度。相对于图3、4、5和6所述的实施例中每一个均采用了层压部分，例如层18a和18b 以及层28a*^b。这些层压部分可以采取双金属条(bi-metallic strip)的形式。典型地，这些金属条可以由两种分离的金属材料构成，第一材料用于所述层之一，而第二材料用 于所述层的另一个。然而应该注意的是，层压部分不局限于只包括两层。可以设想到，也可 以采用多于两层，具有类似的效果。在该条中可以使用的典型材料包括铁、镍和铜。如上所述，根据本发明的实施例，可以预先配置LED底座6 (或者所述LED底座的 至少一部分)的形状变化，以在预定温度界限之间调节LED2的温度。下面将参考图7更详 细讨论这一点。图7示出了根据本发明实施例的LED的温度调节。图7的曲线绘制了根据时间的 LED温度。线条30示出了永久附着到热沉上的LED的温度表现。可以看出，在T = O时， LED的温度开始上升并且最终达到平稳状态。线条32说明了安装在根据本发明实施例的 LED底座上的LED的温度表现，在最低所需温度Tmin和最高温度Tmax之间调节。可以从强度和/或波长方面，针对给定输出，选择温度Tmin和Tmax以优化LED的温 度。在图7中，LED初始不与热沉接触。因此，如线条32所示，初始，LED的温度在达到温度 Tmax之前为止以增加的速率上升。此时，升高的温度引起LED底座发生形状变化，从而使得 LED与热沉接触。如线条32所示，这导致LED中的温度下降。
在该实施例中，温度在达到温度Tmin之前持续下降，从而LED底座中的形状变化再 次改变LED相对于热沉的位置，从而断开LED 2和热沉4之间的物理接触。在这一阶段并 且如线条32所示，LED 2的温度再次开始上升。如图7所示，上述循环本身可以无限地重复，使LED 2与热沉4发生物理接触或者 断开物理接触，从而在预定温度Imin和Tmax之间调节LED2的温度。应该理解的是，LED底座的形状变化可以不是突发的，并且因此可能不会精确地发 生在温度达到Tmin的点34处或者在温度达到Tmin的点36处。而是，形状变化可以是逐渐 的，持续地改变LED 2和热沉4的相对位置。此外，可以设想到，发生物理接触和/或断开物 理接触可以不按照突发方式进行，但是也可以按照连续方式进行。例如，LED 2和热沉4的 接触表面面积可以根据LED 2和热沉4之间的相对位置的变化而连续地改变。LED 2和热 沉4之间的接触表面面积的变化也会导致由热沉4为LED 2提供的冷却能力的相应变化， 这将再次对LED 2的温度具有调节效果。这种实施例可以包括也可以不包括实际断开LED 2和热沉4之间的接触。在这种实施例中，图7中所示的曲线可以不包括锐变点34和36， 不是锯齿线形状，而是可以观察到更加圆角的波浪线形状。为了确保LED底座的形状变化带来在Tmin和Tmax之间的所需温度调节，有必要选择 形状、配置以及在LED底座中使用的材料。例如，在关于上述第二和第三实施例中所述的层 压部分的情况下，可以选择各个层的长度、厚度和/或曲率。也可以根据所要求的变形的需 要量，适当地选择具有已知热膨胀系数的材料。因此，已经描述了一种用于调节发光二极管(LED)温度的设备。所述设备包括热 沉、LED底座和安装在所述LED底座上的LED。所述LED底座被配置为响应于温度变化来发 生形状变化。所述形状变化改变LED相对于热沉的位置，以调节LED和热沉之间的热传递。 所述LED底座可以包括诸如双金属条之类的层压部分。尽管已经描述了本发明的具体实施例，应该理解的是在所要求权利要求的本发明 的范围内，可以进行许多修改/添加和/或替换。
权利要求
1.一种用于调节发光二极管LED的温度的设备，所述设备包括 热沉⑷；LED底座(6)；以及安装在所述LED底座上的LED (2)，其中，所述LED底座配置为响应于温度变化而发生形状变化，并且所述LED底座包括至 少一个伸长的指状物，在所述至少一个伸长的指状物上安装了所述LED，其中至少一个指状 物被配置为响应于温度变化而弯曲，从而响应于所述温度变化来使所述LED朝着或者远离 所述热沉偏转；其中，所述形状变化改变LED相对于热沉的位置，以调节LED和热沉之间的热传递。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述形状变化改变LED相对于热沉的位置，以响 应于温度的升高使所述LED与所述热沉物理接触。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述形状变化改变LED相对于热沉的位置， 以响应于温度的降低断开所述LED和所述热沉之间的物理接触。
4.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述LED底座被配置为改变LED相对于热 沉的位置，以将LED的温度保持在最高温度和最低温度之间。
5.根据从属于权利要求2的权利要求4所述的设备，其中当LED的温度接近或者实质 上等于所述最高温度时，所述形状变化改变LED相对于热沉的位置以使LED与热沉物理接 触。
6.根据从属于权利要求3的权利要求4所述的设备，其中当LED低温度接近或者实质 上等于所述最低温度时，所述形状变化改变LED相对于热沉的位置以断开LED和热沉之间 的物理接触。
7.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述LED底座的至少一部分被配置为响 应于所述温度变化而经受热膨胀和/或热收缩，以改变LED底座的形状，从而改变LED相对 于热沉的位置。
8.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述LED底座包括层压部分，所述层压部 分包括具有不同热膨胀系数的至少两层(18a、18b、28a、28b)，所述至少两层被配置为响应 于温度变化以不同的速率膨胀和收缩，从而使LED底座发生形状变化。
9.根据权利要求5所述的设备，其中，所述至少两层包括具有不同热膨胀系数的金属条。
10.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述LED实质上安装在LED底座的指状物的一端。
全文摘要
一种用于调节发光二极管(LED)温度的设备。所述设备包括热沉、LED底座以及安装在所述LED底座上的LED。所述LED底座被配置为响应于温度变化来改变形状，形状变化改变了LED相对于热沉的位置，以调节LED和热沉之间的热传递。LED底座可以包括诸如双金属条之类的层压部分。
文档编号H01L33/48GK102054929SQ20101051829
公开日2011年5月11日 申请日期2010年10月20日 优先权日2009年10月22日
发明者伯努特·巴泰娄, 帕斯卡尔·贝思肯, 戴维·范斯滕温克尔, 拉杜·苏尔代亚努, 菲特·恩古耶恩霍安 申请人:Nxp股份有限公司