DE102005057447A1 - LED-Befestigung mit erhöhter Wärmedissipation - Google Patents

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Abstract

Ein System und Verfahren zum Erhöhen der Wärmedissipation von LED-Anzeigen durch Verwenden des aktuellen PCB-Gehäuses, das auf einer LCD-Tafeltragestruktur befestigt ist, ist offenbart, wodurch der Bedarf für eine Metallkern-PCB eliminiert wird. Bei einem Ausführungsbeispiel werden umgekehrt befestigte LEDs mit Wärmedissipationsanschlussflächen verwendet, um die Wärmeübertragung zu einer Metallschicht zu optimieren, die dann in Kontakt mit der LCD-Tragestruktur platziert wird.

Description

  • Der Bedarf an LEDs mit hoher Leistung (erhöhter Helligkeit) steigt. Wenn die Leistung steigt, erhöht sich auch der Bedarf an Wärmedissipation, da die Helligkeit der LED verringert wird, falls die Wärme, die durch den LED-Übergang erzeugt wird, nicht effektiv dissipiert wird.
  • Derzeit werden LEDs in oberflächenbefestigten LED-Gehäusen hergestellt, die auf PCBs mit Aluminiummetallkern befestigt sind. Die Metallkern-PCBs wirken als direkte Wärmesenke, die Wärme von den LEDs ziehen. Die Verwendung von Metallkern-PCBs ist relativ teuer, da die Kosten des Materials für eine Metallkern-PCB hoch sind.
    •
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine LED-Anordnung sowie ein Verfahren zum Aufbauen eines LED-Arrays mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1, ein Array gemäß Anspruch 10, sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.
  • Ein System und ein Verfahren zum Erhöhen der Wärmedissipation von LED-Anzeigen durch Verwenden des aktuellen PCB-Gehäuses, das auf einer LCD-Tafel-Tragestruktur befestigt ist, sind offenbart, durch die der Bedarf an einer Metallkern-PCB eliminiert wird. Bei einem Ausführungsbeispiel werden umgekehrt befestigte LEDs mit Wärmedissipationsanschlussflächen verwendet, um die Wärmeübertragung zu einer Metallschicht zu optimieren, die dann in Kontakt mit der LED-Tragestruktur platziert wird.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Einzel-LED- und Kuppel-Gehäuses;
  • 2 ein Ausführungsbeispiel des LED-Gehäuses von 1 mit der LED entfernt;
  • 3A und 3B Ausführungsbeispiele von Seitenansichten des Einzel-LED-Gehäuses von 1 entlang der Abschnittslinie 3A-3A von 2;
  • 4 und 5 eine Drauf- bzw. Seitenansicht eines Mehrfach-LED-Gehäuses; und
  • 6 und 7 eine Anzeige, die LED-Streifen verwendet, die gemäß den Lehren der Offenbarung aufgebaut sind.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Einzel-LED-Gehäuses 10, das aus einem PCB-Substrat 22 besteht, das mit einer Wärmesenkeanschlussfläche 25 verbunden ist. Die optische Kuppel 12 ist durch Formen oder anderweitig über der Oberfläche 11 aufgebaut, die wiederum mit dem Substrat 22 verbunden ist. Kontaktstreifen 23 und 24 sind auf der Oberfläche des Substrats 22 aufgebaut und werden so verwendet, wie es hierin nachfolgend näher erörtert wird.
  • 2 zeigt das Gehäuse 10 mit der LED und der optischen Kuppel 12 entfernt. Ein LED-Chip (oder eine andere Licht emittierende Quelle) wäre physikalisch an der Wärmesenkeanschlussfläche 25 in der Reflektorschale 21 befestigt, durch einen wärmeleitfähigen Verbindungsagenten oder durch eine andere Befestigungseinrichtung. Die LED wäre dann über eine Drahtverbindung mit den Anschlussflächen 23-1 und 24-1 der Kontaktstreifen 23 bzw. 24 verbunden, für eine nachfolgende Verbindung mit einem externen elektrischen Weg. Der Wärmeweg von der LED ist durch die Wärmesenkeanschlussfläche 25, die beispielsweise Kupfer sein kann. Es ist anzumerken, dass der Wärmeweg von der LED die Anschlussfläche 25 ist und getrennt von dem elektrischen Weg ist, um die Wärmedissipation von dem Chip zu der Rückwandstruktur zu optimieren. Die LED ist unter Verwendung eines thermisch leitfähigen (aber nicht elektrisch leitfähigen) Haftmittel-Dielektrikums an der Anschlussfläche 25 befestigt. Die Wärmedissipation ist besser als bei herkömmlichen Metallkern-PCBs, weil die Anschlussfläche einen breiteren Oberflächenbereich hat.
  • Die Reflektorschale 21 ist mit einem optimalen Winkel zum Reflektieren von LED-Seitenlicht zu der Oberseite des Gehäuses aufgebaut. Die Reflektorschale ist beispielsweise unter Verwendung von für helle Farben undurchlässigem Material gebildet. Sobald die LED mit der Anschlussfläche verbunden ist, wird transparentes Material um die LED gegossen, um die LED einzukapseln und mit Draht zu verbinden, um das vollständige LED-Gehäuse 10 zu bilden.
  • Die optische Kuppel 12 (1) ist aufgebaut, um das Licht von der LED-Quelle in einer gewünschten Richtung zu richten. Die Lichtausgabe von der LED kann nach Wunsch für bestimmte Anwendungen geändert werden, einfach durch Neuentwerfen der Kuppelform.
  • 3A zeigt eine Seitenschnittansicht des LED-Gehäuses 10 entlang der Schnittlinie 3A-3A von 2 mit einer Lichtquelle, wie z. B. der LED 31, durch Verbindungsmaterial 302 mit der Wärmedissipationsanschlussfläche 25 physikalisch verbunden ist. Der Verbindungsdraht 32 verbindet einen Anschluss der LED 31 mit der Kontaktanschlussfläche 24-1 des Kontaktstreifens 24 (1). Der zweite elektrische Anschluss der LED 31 ist durch den Weg 33 mit der Kontaktanschlussfläche 23-1 verbunden. Jedes elektrische Kontaktsystem kann verwendet werden, um die LED 31 mit jeweiligen Kontakten außerhalb der Kuppel 21 zu verbinden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gibt es zwei solche Leitungen, aber es könnte drei oder mehr geben, falls gewünscht.
  • 3B zeigt in einer Schnittansicht, wie externe Leistung über Kontakte 52 und 53 mit der Kontaktfläche 23-2 und 24-2 verbunden ist. Die Position der Kontaktflächen 23-1, 23-2, 24-1 und 24-2 ist in 2 gezeigt. Es ist anzumerken, dass diese Kontakte irgendwo an dem Kontaktstreifen 23, 24 sein können, solang dieselben die Drahtverbindungen mit der LED nicht stören. 4 zeigt die Anzeige 40 mit einer Mehrzahl von LED-Gehäusen 10-1 bis 10-N, jede mit einer LED 12-1 bis 12-N. Jedes LED-Gehäuse umgibt eine Öffnung, wie z. B. die Öffnung 42-1 bis 42-N, die in der Struktur 42 gebildet sind, um es Licht von der jeweiligen LED zu ermöglichen, hindurchzugehen.
  • 5 ist ein Querschnitt der Anzeige 40 entlang der Linie 5-5 von 4, die drei LEDs 12-1, 12-2, 12-3 zeigt, die an der Befestigungsplatte 61 befestigt sind. (Die Befestigungsplatte 61 wird mit Bezugnahme auf 6 näher beschrieben). In 5 sind Kontakte 52 und 53 gezeigt, die unter der Oberfläche der Struktur 51 gebildet sind, zum Zweck des Lieferns von Steuerung und Leistung an die jeweiligen LEDs. Dies ermöglicht es dann, dass die Kontaktoberfläche auf der Oberseite der LED-Vorrichtung und entfernt von der Wärmeanschlussfläche 25 ist, für eine bessere elektrische und Wärmetrennung.
  • 6 zeigt das System 60, das eine Mehrzahl von LED-Streifen 40 aufweist, die an einem Wärmedissipationsstab 63 befestigt sind, der wiederum mit der Rückseitenbefestigungsplatte 61 verbunden ist. Falls gewünscht, kann eine Abdeckung 62 hinzugefügt werden. Die Abdeckung 62 könnte undurchlässige Bereiche aufweisen, um es zu ermöglichen, dass das LED-Licht außen gesehen wird.
  • 7 zeigt einen Querschnitt einer Struktur 60 entlang der Schnittlinie 7-7 von 6. In 7 sind Lichtdiffusor und andere Elemente 72, 73 zum Diffundieren oder anderweitigen Steuern des Lichts gezeigt. Eine solche Steuerung kann auf einer individuellen Basis sein, falls dies gewünscht wird.
  • 8 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel 80 einer Vorrichtung, die eine Lichtquelle 92 verwendet, die beide Verbindungsdrähte auf der Lichtquelle umfasst. Dies ist aufgrund der horizontalen Struktur der Lichtquelle 92 möglich, wie es in 9B gezeigt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein Haftmittel (oder ein anderes Verbindungsagent) 802 sowohl wärmeleitfähig als auch elektrisch leitfähig sein. Dies ermöglicht dann die Verwendung von Lötmittel als Verbindungsagent, was bei einigen Situationen effektiver sein könnte als einfach nur wärmeleitfähig.
  • 9A zeigt ein Diagramm einer Lichtquelle mit vertikaler Struktur 91, die ihre elektrischen Verbindungen auf und unterhalb der Vorrichtung aufweist.
  • 9B zeigt ein Diagramm einer Lichtquelle mit einer horizontalen Struktur 92, die ihre beiden elektrischen Verbindungen auf der Oberseite der Vorrichtung aufweist. Es ist anzumerken, obwohl nur zwei elektrische Verbindungen gezeigt sind, jede Anzahl verwendet werden kann und die hierin erörterten Konzepte mit Leitern funktionieren können, die von den Seiten der Vorrichtung kommen, falls dies gewünscht wird.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile näher beschrieben wurden, sollte klar sein, dass verschieden Änderungen, Ersetzungen und Änderungen hierin durchgeführt werden können, ohne von der Wesensart und dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert ist. Darüber hinaus soll der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsbeispiele des Prozesses, der Maschine, der Herstellung, der Zusammensetzung des Gegenstands, der Einrichtung, Verfahren und Schritte beschränkt sein, die in der Beschreibung beschrieben sind. Wie es für einen Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet von der Offenbarung der vorliegenden Erfindung offensichtlich ist, können Prozesse, Maschinen, Herstellungsarten, Zusammensetzungen des Gegenstands, Einrichtungen, Verfahren oder Schritte die derzeit existieren oder später entwickelt werden, die im Wesentlichen die gleiche Funktion durchführen oder im Wesentlichen das gleiche Ergebnis erreichen wie die entsprechenden hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung, verwendet werden. Folglich sollen die angehängten Ansprüche innerhalb ihres Schutzbereichs solche Prozesse, Maschinen, Herstellungsarten, Zusammensetzungen des Gegenstands, Einrichtungen, Verfahren oder Schritte umfassen.

Claims (20)

  1. LED-Anordnung (10), die folgende Merkmale umfasst: ein Substrat (22) mit einer Wärmesenkeanschlussfläche (25), die eine Unteroberfläche desselben bildet; eine LED (91), die zumindest teilweise auf dem Substrat befestigt ist und einen Abschnitt der LED in Kontakt mit der Wärmesenkeanschlussfläche aufweist; und Drahtverbindungsanschlussflächen (23-1, 24-1) auf einer oberen Oberfläche (11) des Substrats, wobei die Drahtverbindungsanschlussflächen elektrisch mit der LED verbunden sind.
  2. Anordnung gemäß Anspruch 1, die ferner folgendes Merkmal umfasst: eine Reflektorschale (21), die in dem Substrat aufgebaut ist, wobei die LED in der Reflektorschale angeordnet ist.
  3. Anordnung gemäß Anspruch 2, bei der der Abschnitt der LED in Kontakt mit der Wärmesenkeanschlussfläche ein Abschnitt ist, der für die Dissipation von Wärme von der LED entworfen ist.
  4. Anordnung gemäß Anspruch 2 oder 3, die ferner folgendes Merkmal umfasst: eine optische Kuppel, die die LED und die Reflektorschale bedeckt.
  5. Anordnung gemäß Anspruch 4, bei der die optische Kuppel Tei eines Substrats ist, das angeordnet ist, um die obere Oberfläche zu bedecken.
  6. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, die ferner folgendes Merkmal umfasst: ein getrenntes Substrat (11), das über dem Substrat angeordnet ist, wobei das getrennte Substrat elektrische Kontakte zum Herstellen von elektrischem Kontakt mit zumindest einem Abschnitt der Drahtverbindungsanschlussflächen aufweist; und wobei in dem getrennten Substrat eine Einrichtung aufgebaut ist, die es ermöglicht, dass Licht von der LED für einen Beobachter sichtbar ist.
  7. Anordnung gemäß Anspruch 6, die ferner folgendes Merkmal umfasst: eine Tragestruktur, die mit der Wärmesenkeanschlussfläche verbunden ist.
  8. Anordnung gemäß Anspruch 7, bei der das PCB-Substrat eine Mehrzahl der LEDs umfasst, die alle in Kontakt mit der Wärmesenke sind, und wobei die Wärmesenke in Kontakt mit der Tragestruktur ist.
  9. Anordnung gemäß Anspruch 8, bei der in dem getrennten Substrat eine Einrichtung aufgebaut ist, die es ermöglicht, dass Licht von der Mehrzahl der LEDs für einen Beobachter sichtbar ist.
  10. LED-Array, wobei das Array folgende Merkmale umfasst: ein erstes Substrat (11), in dem Reflektorschalen aufgebaut sind, wobei die Reflektorschalen zum Befestigen der LEDs in demselben vorgesehen sind; wobei an dem ersten Substrat eine wärmeleitfähige Schicht (25) in Kontakt mit einer ersten Oberfläche von befestigten der LEDs angebracht ist; wobei das erste Substrat folgende Merkmale umfasst: elektrische Anschlussflächen (23-1, 24-1) zum Verbinden mit befestigten der LEDs, wobei die elektrischen Anschlussflächen angeordnet sind, um elektrische Steuersignale von einem zusammenpassenden Substrat (41) zu kommunizieren, wobei in dem zusammenpassenden Substrat eine Steuerschaltungsanordnung zum Steuern der LEDs aufgebaut ist; wobei das LED-Array ferner folgendes Merkmal umfasst: eine wärmeleitfähige Tragestruktur (45) in nichtelektrischem Kontakt mit der wärmeleitfähigen Schicht, um Wärme weg zu übertragen, die von dem Betrieb der befestigten der LEDs erzeugt wird.
  11. Array gemäß Anspruch 10, bei dem das zusammenpassende Substrat folgendes Merkmal umfasst: eine Mehrzahl von optischen Kuppeln (12) zum Ermöglichen, das Licht von befestigten der LEDs von dem zusammenpassenden Substrat abgestrahlt wird, wobei das Licht von einer zweiten Oberfläche der LEDs abstrahlt.
  12. Array gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem die wärmeleitfähige Schicht eine Metallschicht ist.
  13. Array gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die wärmeleitfähige Tragestruktur eine Metallstruktur ist.
  14. Array gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die wärmeleitfähige Tragestruktur mit einem thermisch leitfähigen, nicht elektrisch leitfähigen Dielektrikum mit der wärmeleitfähigen Schicht verbunden ist.
  15. Verfahren zum Aufbauen eines LED-Arrays, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Aufbauen eines Reflektorbereichs in einem ersten Substrat zum Befestigen einer LED in demselben, wobei der Reflektorbereich ein Wärmeübertragungsmaterial in Kontakt mit einer Unteroberfläche des ersten Substrats enthält; und Aufbauen von Kontaktanschlussflächen zum Verbinden mit elektrischen Kontakten einer befestigten LED auf einer oberen Oberfläche des ersten Substrats, wobei die Kontaktanschlussflächen auch einen Bereich zum Herstellen von elektrischem Kontakt mit elektrischen Kontakten auf einem zweiten Substrat aufweisen, das in Kontakt mit der oberen Oberfläche des ersten Substrats ist.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 15, das ferner folgenden Schritt umfasst: Positionieren einer LED in dem Reflektorbereich mit einer Unteroberfläche der LED in wärmeübertragender Beziehung mit dem Wärmeübertragungsmaterial.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, das ferner folgenden Schritt umfasst: Positionieren einer Lichtkuppel über dem Reflektorbereich, um Licht von einer befestigten LED zu streuen.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 17, das ferner folgenden Schritt umfasst: Aufbauen einer Mehrzahl der Reflektorbereiche des ersten Substrats.
  19. Verfahren gemäß Anspruch 18, das ferner folgenden Schritt umfasst: Befestigen einer Mehrzahl der ersten Substrate, jedes mit einer Mehrzahl von Reflektorbereichen, auf einer Tragestruktur, um ein Matrixarray von LEDs zu bilden.
  20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, das ferner folgenden Schritt umfasst: Befestigen einer Mehrzahl der ersten Substrate auf einer Tragestruktur, um ein Array von LEDs zu bilden, wobei das Array von dem zweiten Substrat gesteuert wird.
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