Полупроводниковое устройство с охлаждением
Изобретение относится к охлаждению полупроводниковых устройств, в частности мощных светодиодов. Достигаемый технический результат - возможность охлаждения светодиодов без использования теплостоков, располагаемых обычно с тыльной стороны печатной платы, и без необходимости применения принудительного воздушного охлаждения. Полупроводниковое устройство, в частности светодиодное осветительное устройство, содержит подложку (2), множество светодиодов (4), расположенных на лицевой стороне подложки. В подложке выполнено множество проемов (9), в которых расположены теплопроводящие элементы в виде трубчатых элементов или трубок (1). Теплопроводящие элементы в виде площадок (10) расположены между светодиодами и трубками. Каждая трубка образует открытый проход без препятствий сквозь проемы между лицевой стороной и тыльной стороной подложки. Тепло, выделяющееся в светодиодах, кондуктивно передается трубкам, откуда оно рассеивается путем конвекции. 12 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к охлаждению полупроводниковых устройств. В частности, изобретение относится к монтажу и охлаждению мощных светодиодов (светоизлучающих диодов) на обычной печатной плате. Изобретение описано применительно к осветительным устройствам, содержащим светодиоды, но может быть применено в отношении любых полупроводниковых устройств.
Уровень техники
Увеличение цен на энергию и необходимость экономии энергии привели к росту спроса на светодиодное освещение. Светодиоды представляют собой твердотельные источники света, в которых не используется разогретая нить или газ, и являются более эффективными, чем большинство других видов освещения. Тем не менее, светодиоды выделяют тепло при прохождении тока через них, что может иметь негативное влияние на срок службы и характеристики таких устройств. Если светодиоды сгруппированы в непосредственной близости друг от друга, это может приводить к перегреву, в то же время плотная группировка светодиодов важна, поскольку она позволяет снизить множественное затенение и так называемую «пятнистость».
В настоящее время в мощных светодиодных устройствах тепло отводится от плотно сгруппированных светодиодов с помощью сочетания теплоотводов, вентиляторов принудительного охлаждения и особых алюминиевых печатных плат. Эти способы в большей степени основаны на кондуктивной теплопередаче (через непосредственный контакт) от электродов (тепловых площадок) светодиодов в направлении тыльной стороны печатной платы, откуда тепло попадает в теплосток и рассеивается в окружающем воздухе. Большинство теплостоков выполняется из алюминия и требует значительной энергии для их изготовления, что отрицательно влияет на общую энергоэффективность (с учетом всего жизненного цикла) такого светодиодного освещения.
В таких теплостоках возникает температурный градиент, поскольку температура снижается в направлении от центра печатной платы. Светодиоды, расположенные в центре платы, имеют более высокую температуру, чем светодиоды, расположенные на периферии такой платы, что отрицательно влияет на характеристики и/или срок службы светодиодов, расположенных в центре.
Тепло выделяется светодиодами, расположенными на лицевой стороне печатной платы, а элементы, предназначенные для отвода этого тепла, находятся с тыльной стороны платы. Сама печатная плата представляет собой барьер для передачи тепла. Для увеличения теплопроводности в направлении тыльной стороны платы применяются более дорогостоящие алюминиевые печатные платы.
Примеры таких светодиодных устройств включают в себя: WO 2009/067558, US 2008/0191231, US 2002/175621 и US 2005/083698, в которых раскрыто использование сплошных теплоотводящих элементов, проходящих от тыльной стороны светодиодов сквозь печатную плату, на которой они установлены, так что тепло от светодиодов кондуктивно передается через эти теплоотводящие элементы и рассеивается с тыльной стороны платы;
US 2007/0145383, где раскрыто светодиодное устройство, в котором светодиоды установлены через пленку на теплоотводящем слое, расположенном на лицевой стороне платы;
WO 02/097884, где раскрыто, что светодиоды установлены на металлической плате с выступами с тыльной стороны платы;
US 5278432, где раскрыто, что массив светодиодов установлен на теплоотводящем слое с возможностью применения теплостока с тыльной стороны этого слоя и принудительного воздушного охлаждения.
Все эти усилия по охлаждению плотно сгруппированных светодиодов приводят к увеличению стоимости и росту форм-фактора (т.е. к излишнему увеличению размеров) светодиодного устройства.
Целью настоящего изобретения является реализация устройства на основе полупроводниковых элементов, например плотно сгруппированных светодиодов, на обычной печатной плате с обеспечением улучшенного охлаждения полупроводников/светодиодов, предпочтительно без использования обычных теплостоков, расположенных с тыльной стороны печатной платы, и в некоторых случаях - без необходимости применения принудительного воздушного охлаждения.
Раскрытие изобретения
В соответствии с настоящим изобретением реализовано полупроводниковое устройство, содержащее:
подложку с лицевой стороной и тыльной стороной и множеством проемов, каждый из которых расположен между лицевой стороной и тыльной стороной;
множество полупроводниковых элементов, расположенных на лицевой стороне подложки; и
теплопроводящие элементы, находящиеся в хорошем тепловом контакте с полупроводниковыми элементами и с краями проемов,
причем, по меньшей мере, некоторые из теплопроводящих элементов образуют открытый проход без препятствий, выполненный сквозь проемы между лицевой стороной и тыльной стороной подложки.
По меньшей мере, некоторые из полупроводниковых элементов могут быть светодиодами, а подложка может быть обычной печатной платой.
Теплопроводящие элементы могут включать в себя проводящий листовой материал, расположенный между светодиодами и проемами, предпочтительно расположенный с лицевой стороны подложки.
Теплопроводящие элементы могут включать в себя теплопроводящие трубчатые элементы, расположенные внутри проемов и образующие открытые проходы между лицевой стороной и тыльной стороной подложки. По меньшей мере, некоторые из этих внутренних проходов могут располагаться перпендикулярно подложке, и, по меньшей мере, некоторые из трубчатых элементов могут выступать за лицевую сторону и/или тыльную сторону подложки.
Устройство может содержать вентиляционное устройство, например вентилятор, выполненный с возможностью формирования потока воздуха сквозь проемы (и сквозь внутренние проходы трубчатых элементов) в направлении от лицевой стороны подложки к тыльной стороне подложки.
Краткое описание чертежей
Далее, для лучшего понимания настоящего изобретения и для иллюстрации его практической реализации, изобретение описано на примере неограничивающего характера со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
фиг. 1 представляет собой вид спереди полупроводникового устройства в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 2 представляет собой вид сбоку устройства с фиг. 1; и
фиг. 3 представляет собой увеличенный вид сверху части печатной платы полупроводникового устройства с фиг. 1.
Осуществление изобретения
Как показано на чертежах, осветительное устройство или полупроводниковое устройство содержит подложку в виде обычной печатной платы 2, на которой размещен массив полупроводниковых элементов в виде светодиодов 4, сгруппированных в непосредственной близости друг от друга на верхней стороне печатной платы. Печатная плата 2 представляет собой «обычную» печатную плату в том смысле, что она выполнена из обычного материала, например из слоистого диэлектрика с эпоксидным вяжущим, и может быть двусторонней печатной платой. Над каждым из светодиодов 4 установлена линза 3 для рассеивания или для направления света, излучаемого светодиодом.
Устройство показано и описано со ссылкой на верхнюю, боковую и нижнюю стороны, но специалисту в данной области техники очевидно, что оно может быть ориентировано в любом направлении, а определения «верх» и «низ» использованы лишь для ясности. Верхняя сторона устройства может также рассматриваться как «лицевая» сторона, а нижняя сторона - как «тыльная» сторона.
Несколько проемов или сквозных отверстий 9 выполнены в печатной плате 2 в зазорах между линзами 3 и расположены между верхней и нижней сторонами печатной платы, а трубчатые элементы в виде медных трубок 1 расположены внутри сквозных отверстий 9, при этом каждая трубка ориентирована в направлении верх-низ, запрессована или припаяна к печатной плате. Вместо медных трубок 1 могут использоваться другие теплопроводящие материалы, например графен. Помимо трубок 1 цилиндрической формы могут быть использованы трубчатые элементы с другой формой поперечного сечения или, по меньшей мере, с другой формой внутреннего прохода - особенно с формой, обеспечивающей увеличенную площадь внутренней поверхности для улучшения передачи тепла и уменьшения требуемой длины трубки или трубчатого элемента и, таким образом, уменьшения форм-фактора устройства. Медные трубки 1 не обязательно являются лучшим вариантом трубчатых элементов и эффективность рассеивания ими тепла может быть повышена за счет увеличения внутренней поверхности, например применения внутренних ребер и т.п. Тем не менее, медные трубки 1 широкодоступны и дешевы (по сравнению с трубчатыми элементами с внутренними выступами), хорошо паяются и имеют приемлемую толщину стенок - они достаточно толстые для передачи тепла и достаточно тонкие для обеспечения внутреннего прохода.
Как хорошо видно на фиг. 3, тепловые площадки 10 в виде тонкого слоя теплопроводящего материала выполнены на верхней стороне печатной платы 2 и расположены вокруг каждого светодиода 4. Основание светодиода 4 находится в хорошем тепловом контакте с тепловой площадкой 10, которая расположена вокруг близлежащих сквозных отверстий 9 и медных трубок 1, что обеспечивает хорошую теплопроводность на пути от светодиода до медных трубок 1. Внутренняя поверхность сквозных отверстий 9 покрыта хорошим проводником тепла, например медью, к которому медные трубки 1 присоединены пайкой или запрессовкой, как было упомянуто ранее, с целью обеспечения хорошего теплового контакта. По существу, тепловые площадки 10 под светодиодами 4 непосредственно соединены с медными трубками 1, способствующими отводу тепла от светодиодов (см. далее).
Как хорошо видно на фиг. 2, каждая медная трубка 1 выступает с верхней стороны печатной платы 2 на большую длину, чем с нижней стороны 7, так что трубки расположены между линзами 3. Вентиляционное устройство 5 принудительного воздушного охлаждения (или вентилятор) расположено ниже печатной платы 2 и выполнено с возможностью создания воздушного потока в направлении вниз, как обозначено поз. 6. Температурный датчик 8 расположен на нижней стороне 7 печатной платы 2 и может использоваться в цепи обратной связи для управления температурным режимом устройства путем управления скоростью вентиляционного устройства 5.
При эксплуатации тепло, выделяющееся в светодиодах 4, весьма эффективно отводится через тепловые площадки 10 на медные трубки 1 и нагревает их. Воздушный поток 6, формируемый вентиляционным устройством 5, вызывает внутри медных трубок 1 движение воздуха в направлении вниз, и тепло со светодиодов 4 рассеивается (отводится) весьма эффективно внутри медных трубок - с внутренней поверхности стенок медных трубок в воздушный поток 6.
В тех вариантах осуществления изобретения, где устройство ориентировано в обратном направлении, т.е. светодиоды 4 направлены вниз, тепло, выделяемое светодиодами, также передается медным трубкам 1, но в некоторых случаях передача тепла воздуху внутри медных трубок может быть достаточной для появления восходящего потока воздуха за счет естественной конвекции, что позволяет избавиться от вентиляционного устройства 5.
В некоторых вариантах осуществления изобретения поток воздуха может быть направлен в обратную сторону - от тыльной стороны печатной платы 2 к лицевой стороне, за счет принудительного или естественного движения воздуха. Тем не менее, в большинстве случаев предпочтительно отводить тепло с освещенной стороны, например, если устройство используется для освещения хранилища пищи.
Поскольку медные трубки 1 выступают с верхней (лицевой) стороны печатной платы 2, на которой расположены светодиоды 4 и где выделяется тепло, нет необходимости передавать это тепло на нижнюю (тыльную) сторону печатной платы лишь посредством кондукции, напротив, тепло отводится с медных трубок 1 конвекцией, поскольку воздух может проходить через проходы в медных трубках. Это прямо противоположно устройствам из уровня техники, в которых необходим теплоотвод с тыльной стороны печатной платы (поскольку размещение теплоотвода на лицевой стороне печатной платы непрактично или невозможно) и требуется кондуктивная передача тепла к теплоотводу через печатную плату.
Расстояние между светодиодами 4 и медными трубками 1 невелико, поскольку каждый светодиод окружен медными трубками, и, следовательно, каждый светодиод расположен близко к медным трубкам, поэтому температурный градиент в направлении от центра к периферии печатной платы оказывается меньше, чем в случае обычных теплоотводов.
Помимо упомянутых выше преимуществ, весьма эффективное охлаждение светодиодов 4 позволяет располагать их ближе друг к другу, чем в устройствах из уровня техники, при этом они работают при меньших температурах и/или при большей выходной мощности. Столь хорошее охлаждение достигается без использования дорогостоящих теплопроводящих печатных плат или теплоотводов, а в некоторых случаях и без вентиляционного устройства 5.
Кроме того, устройство по настоящему изобретению существенно компактней (имеет меньший форм-фактор), чем устройства из уровня техники, в основном, за счет отсутствия крупного теплоотвода с тыльной стороны печатной платы.
Изобретение имеет определенное преимущество, заключающееся в том, что воздушный поток 6 возникает (за счет принудительной вентиляции или естественной конвекции) в направлении, противоположном направлению света светодиодов 4 (т.е. воздушный поток направлен спереди назад) и, соответственно, тепло не рассеивается и не накапливается в области перед устройством, свет которого создается светодиодами.
1. Полупроводниковое устройство, содержащее:
подложку (2) с лицевой стороной и тыльной стороной и множеством проемов (9), каждый из которых расположен между лицевой стороной и тыльной стороной;
множество полупроводниковых элементов (4), расположенных на лицевой стороне подложки (2); и
теплопроводящие элементы (1, 10), находящиеся в хорошем тепловом контакте с полупроводниковыми элементами (4) и с краями проемов (9),
отличающееся тем, что, по меньшей мере, некоторые из теплопроводящих элементов (1, 10) представляют собой теплопроводящие трубчатые элементы (1), выступающие за лицевую сторону подложки (2) и образующие открытые проходы без препятствий, выполненные сквозь проемы между лицевой стороной и тыльной стороной подложки (2).
2. Полупроводниковое устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, некоторые из полупроводниковых элементов (4) представляют собой светодиоды.
3. Полупроводниковое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что подложка (2) представляет собой обычную печатную плату.
4. Полупроводниковое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что теплопроводящие элементы (1, 10) включают в себя проводящий листовой материал (10), расположенный между полупроводниковыми элементами (4) и трубчатыми элементами (1).
5. Полупроводниковое устройство по п.4, отличающееся тем, что проводящий листовой материал (10) расположен с лицевой стороны подложки (2).
6. Полупроводниковое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что теплопроводящие трубчатые элементы (1) расположены внутри проемов (9) и образуют открытые проходы между лицевой стороной и тыльной стороной подложки (2).
7. Полупроводниковое устройство по п.6, отличающееся тем, что, по меньшей мере, некоторые из открытых проходов располагаются перпендикулярно подложке (2).
8. Полупроводниковое устройство по п.6, отличающееся тем, что, по меньшей мере, некоторые из трубчатых элементов (1) выступают за тыльную сторону подложки (2).
9. Полупроводниковое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что содержит вентиляционное устройство (5), выполненное с возможностью формирования потока воздуха (6) сквозь открытые проходы в направлении от лицевой стороны подложки (2) к тыльной стороне подложки (2).
10. Полупроводниковое устройство по п.6, отличающееся тем, что теплопроводящие трубчатые элементы (1) представляют собой цилиндрические трубки.
11. Полупроводниковое устройство по п.3, отличающееся тем, что подложка (2) выполнена из неметаллического материала.
12. Полупроводниковое устройство по п.7, отличающееся тем, что по меньшей мере, некоторые из трубчатых элементов (1) выступают за тыльную сторону подложки (2).
13. Полупроводниковое устройство по п.7, отличающееся тем, что теплопроводящие трубчатые элементы (1) представляют собой цилиндрические трубки.
