CN103574323A - 提供定向光束的发光二极管照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体照明技术，特别涉及提供定向光束的发光二极管照明装置。按照本发明一个实施例的发光二极管照明装置（ 1 ）包括：外壳（ 10 ）；散热器（ 20 ），其设置于所述外壳（ 10 ）的内腔；绝缘导热基板（ 310 ），其设置于所述散热器上；至少一个设置在所述绝缘散热基板上的发光二极管单元（ 320 ）；设置在所述散热器（ 20 ）内的驱动电源模块（ 330 ），其与所述发光二极管单元电气连接；以及光学单元（ 40 ），其包含覆盖住所述外壳的开口的盖板（ 410 ）和至少一个形成于所述盖板的下表面上的透镜元件（ 420 ），所述透镜元件面对所述发光二极管单元。

Description

提供定向光束的发光二极管照明装置

技术领域

本发明涉及半导体照明技术，特别涉及提供定向光束的发光二极管（LED）照明装置。

 

背景技术

目前在照明装置中用作光源的发光二极管（LED）是一种固态的半导体器件，它的基本结构一般包括带引线的支架、设置在支架上的半导体晶片以及将该晶片四周密封起来的封装材料（例如硅胶或环氧树脂）。上述半导体晶片包含有P-N结构，当电流通过时，电子被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后以光子的形式发出能量，而光的波长则是由形成P-N结构的材料决定的。与传统光源相比，LED光源具有其它光源所不具备的一系列优点，例如无污染、寿命长、能耗低、耐振动、控制方便和便于调光等。

诸如射灯（又称为多面反射灯杯（MR））和帕灯（又称为碗碟状铝反射（PAR）灯）之类的产生定向光束的照明装置目前被广泛用于商场、KTV、橱窗商品展示以及家庭装修，因此在这类照明装置中采用LED作为光源具有很好的商业前景。但是受到技术发展的限制，LED在工作过程中仍然有相当一部分电能被转换为热能。当热能滞留在灯具内部时，将不可避免导致LED温度升高，从而造成光源性能劣化和失效。在MR灯和PAR灯中，由于热能密度较高，所以如何高效地将LED产生的热量散发到照明装置外部的问题显得尤为突出。

目前业界已经提出了多种将LED作为光源的MR灯和PAR灯。例如Tomislav J. Stimac等人的美国专利No. 6,787,999揭示了一种基于LED的组合灯，其作为参考文献，以全文引用的方式包含在本说明书中。该项美国专利所揭示的基于LED的组合灯包括光学模块和电子模块，其中，光学模块包括多个设置在印刷电路板上的LED和散热器（heat sink），设置有LED的印刷电路板被粘合在散热器的表面；电子模块适于向LED供电，其一端与散热器连接，另一端设置电气接插件以接收外部电能。在上述基于LED的组合灯中，可选地，光学模块还包括变焦透镜***（slidable zoom lens system），该透镜***包括透镜组件和使透镜组件与LED模组对准的定位框，此外，变焦透镜***与散热器通过夹片固定在一起。

需要指出的是，现有的产生定向光束的LED照明装置结构较为复杂，需要在设计上进行优化以在性能与成本之间提供较佳的平衡。

发明内容

本发明的目的是提供一种提供定向光束的发光二极管照明装置，其具有结构紧凑的优点。

本发明的上述目的可通过下列技术方案实现：

一种提供定向光束的发光二极管照明装置，包括：

外壳；

散热器，其设置于所述外壳的内腔；

绝缘导热基板，其设置于所述散热器上；

至少一个设置在所述绝缘散热基板上的发光二极管单元；

设置在所述散热器内的驱动电源模块，其与所述发光二极管单元电气连接；以及

光学单元，其包含覆盖住所述外壳的开口的盖板和至少一个形成于所述盖板的下表面上的透镜元件，所述透镜元件面对所述发光二极管单元。

在上述技术方案中，散热器被设置在外壳内部，当散热器为导电材料时能够避免意外触电事故。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述外壳由玻璃构成并且呈碗形。由于玻璃对红外辐射具有较高的透射率，因此散热器的热量除了以热传导方式传递至外壳以外，还可通过热辐射的形式直接散发到环境中去。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述散热器的外形与所述外壳的内腔形状匹配。形状匹配使得散热器与外壳的接触面积较大，这有利于它们之间的热传导。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述散热器的内表面上形成有台阶，所述绝缘导热基板被固定在所述台阶上。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述散热器由金属、石墨、常温远红外陶瓷辐射材料或导热塑料构成。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述散热器由金属构成，并且外表面覆盖石墨或常温远红外陶瓷辐射材料。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述绝缘导热基板由陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料构成。陶瓷材料低廉的价格有助于降低成本，此外，当采用陶瓷材料作为基板时，布线可以通过电子浆料（例如铜浆或银浆）烧结工艺来制作，这可以避免铜刻蚀工艺造成的环境污染。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述绝缘导热基板的表面上形成有与所述发光二极管单元电气连接的布线层，并且所述驱动电源模块借助穿越所述绝缘导热基板的导线与所述布线层电气连接。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述绝缘导热基板的表面上形成有与所述发光二极管单元电气连接的布线层，并且所述驱动电源模块的接线柱穿越所述绝缘导热基板后与所述布线层焊接在一起。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述布线层通过印制电路工艺形成。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述布线层使得多个所述发光二极管单元以串联、并联、混联或交叉阵列的形式相连。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述发光二极管单元为发光二极管单体，其与所述布线层通过焊接方式电气连接。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述盖板与所述透镜元件是一体成形的。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述透镜元件呈漏斗形，其底部开设凹腔以容纳所述发光二极管单元。由于发光二极管单元被设置在透镜元件的凹腔内，因此有利于节省外壳的内部空间。此外，凹腔更有利于聚集发光二极管单元发出的光线。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述透镜元件的凹腔表面涂覆有荧光粉。由于荧光粉与发光二极管单元在空间上是分离的，因此有助于抑制温度对荧光粉性能的不利影响。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述透镜元件的外表面上形成有金属层。当透镜元件的外表面上形成金属层时，发光二极管单元发射的光线在穿过透镜元件之后又被反射回去，因此减少了光的损失。

本发明的上述目的还可通过下列技术方案实现：

一种提供定向光束的发光二极管照明装置，包括：

外壳；

散热器，其设置于所述外壳的内腔；

绝缘导热基板，其设置于所述散热器上；

发光二极管发光模块，包括：

图案化的金属载板，其设置在所述绝缘导热基板的表面并且包含电极区；

至少一个发光二极管管芯，其设置在所述金属载板上并且与所述电极区电气连接；

设置在所述散热器内的驱动电源模块，其与所述电极区电气连接；以及

光学单元，其包含覆盖住所述外壳的开口的盖板和至少一个形成于所述盖板的下表面上的透镜元件，所述透镜元件面对所述发光二极管发光模块。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述发光二极管发光模块进一步包括框架，其固定在所述金属载板上并且包围所述发光二极管管芯。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述绝缘导热基板的表面上形成有与所述发光二极管发光模块电气连接的布线层，并且所述驱动电源模块借助穿越所述绝缘导热基板的导线与所述布线层电气连接。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述绝缘导热基板的表面上形成有与所述发光二极管发光模块电气连接的布线层，并且所述驱动电源模块的接线柱穿越所述绝缘导热基板后与所述布线层焊接在一起。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述发光二极管管芯被混合荧光粉的透明硅胶包围。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述发光二极管管芯表面依次涂覆荧光粉和透明硅胶。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述金属载板包括互不连通的第一图案区和第二图案区，其中，所述第一图案区用作电极，所述LED管芯设置在所述第二图案区上并且与所述第一图案区电气连接。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述LED管芯的数量为至少两个，它们借助引线实现串联连接和与所述第一图案区的连接。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述LED管芯的数量为至少两个，它们借助引线实现与所述第一图案区的连接并且借助引线和第二图案区实现串联连接。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述金属载板包括互不连通的第一图案区和第二图案区，其中，所述第一图案区用作电极区，多个所述LED管芯设置在所述第一和第二图案区上，其连接在一起并且与所述第一图案区电气连接。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述金属载板包括多个互不连通的图案区，所述LED管芯包含形成于底部的电极并且被设置于不同的所述图案区上，其中，所述电极分别连接到不同的图案区的其中一个上。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，借助倒装晶片工艺将所述LED管芯设置在不同的图案区上。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述图案区中的至少两个包含用作所述LED发光模块的引脚的区域。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述LED管芯的数量为至少两个，它们借助所述图案区实现串联连接、并联连接或混联连接。

本发明的上述目的还可通过下列技术方案实现：

一种提供定向光束的发光二极管照明装置，包括：

外壳；

散热器，其设置于所述外壳的内腔；

基板，其设置于所述散热器上；

至少一个发光二极管发光（LED）模块，其包含至少一对第一金属图案区、第二金属图案区、与所述第一和第二金属图案区固定在一起的框架以及至少一个LED管芯，所述第一金属图案区位于所述基板上的通孔的内部或上方，所述第二金属图案区被焊接在所述基板的表面，所述LED管芯被设置在所述第二金属图案区上并且借助引线与所述第一金属图案区电气连接在一起；

设置在所述散热器内的驱动电源模块，其与所述第一金属图案区电气连接；以及

光学单元，其包含覆盖住所述外壳的开口的盖板和至少一个形成于所述盖板的下表面上的透镜元件，所述透镜元件面对所述发光二极管发光模块。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述框架包围所述发光二极管管芯。

在按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置中，所述基板由金属或电气非绝缘的导热塑料构成。

本发明的上述目的还可通过下列技术方案实现：

一种提供定向光束的发光二极管照明装置，包括：

外壳；

散热器，其设置于所述外壳的内腔；

基板，其设置于所述散热器上并且开设有通孔；

多个发光二极管单体，其底部与所述基板接触并且引脚位于所述通孔之内或上方；

设置在所述散热器内的驱动电源模块，其与所述发光二极管单体的引脚电气连接；以及

光学单元，其包含覆盖住所述外壳的开口的盖板和至少一个形成于所述盖板的下表面上的透镜元件，所述透镜元件面对所述发光二极管单元。

附图说明

本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示，附图包括：

图1为按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置的分解示意图。

图2为图1所示发光二极管照明装置的剖面示意图。

图3为按照本发明另一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置的分解示意图。

图4为按照本发明另一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置的分解示意图。

图5为图4所示发光二极管照明装置的剖面示意图。

图6A为按照本发明一个实施例的LED发光模块的示意图。

图6B为按照本发明另一个实施例的LED发光模块的示意图。

图6C为按照本发明另一个实施例的LED发光模块的示意图。

图6D为按照本发明另一个实施例的LED发光模块的示意图。

图7为按照本发明另一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置的分解示意图。

图8为按照本发明另一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置的分解示意图。

图9为按照本发明另一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置的分解示意图。

附图标号列表：

1 用于提供定向光束的发光二极管照明装置

10 外壳

110 台阶

20 散热器

210 台阶

30 发光二极管灯芯

310 基板

311 布线

312A、312B、312C 通孔

320、320A、320B、320C 发光二极管单元

330 驱动电源模块

331A、331B 接线柱

332A、332B 输入引脚

340 发光模块

341 金属载板

3411、3411-1、3411-2  第一图案区

3411A/3411A’第一电极对

3411B/3411B’第二电极对

3411C/3411C’第三电极对

3412、3412-1、3412-2 第二图案区

3413、3414 图案区

342 框架

343 引线

40 光学单元

410 盖板

420 透镜元件

421 凹腔

422 金属层。

具体实施方式

下面参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的上述各实施例旨在使本文的披露全面完整，更为全面地传达给本领域技术人员本发明的保护范围。

在本说明书中，除非特别说明，术语“半导体晶圆”指的是在半导体材料（例如硅、砷化镓等）上形成的多个独立的单个电路，“半导体晶片”或“晶片（die）”指的是这种单个电路，而“封装芯片”指的是半导体晶片经过封装后的物理结构，在典型的这种物理结构中，半导体晶片例如被安装在支架上并且用密封材料封装。

术语“发光二极管单元”指的是包含电致发光材料的单元，这种单元的例子包括但不限于P-N结无机半导体发光二极管和有机发光二极管（OLED和聚合物发光二极管（PLED））。

结无机半导体发光二极管可以具有不同的结构形式，例如包括但不限于发光二极管管芯和发光二极管单体。其中，“发光二极管管芯”指的是包含有P-N结构的、具有电致发光能力的半导体晶片，而“发光二极管单体”指的是将管芯封装后形成的物理结构，在典型的这种物理结构中，管芯例如被安装在支架上并且用密封材料封装。

术语“布线”、“布线图案”和“布线层”指的是在绝缘表面上布置的用于元器件间电气连接的导电图案，包括但不限于走线（trace）和孔（如焊盘、元件孔、紧固孔和金属化孔等）。

术语“热辐射”指的是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。

术语“热传导”指的是热量在固体中从温度较高的部分传送到温度较低的部分的传递方式。

术语“陶瓷材料”泛指需高温处理或致密化的非金属无机材料，包括但不限于硅酸盐、氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硼化物等。

术语“导热绝缘高分子复合材料”指的是这样的高分子材料，通过填充高导热性的金属或无机填料在其内部形成导热网链，从而具备高的导热系数。导热绝缘高分子复合材料例如包括但不限于添加氧化铝的聚丙烯材料、添加氧化铝、碳化硅和氧化铋的聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物等。有关导热绝缘高分子复合材料的具体描述可参见李丽等人的论文“聚碳酸酯及聚碳酸酯合金导热绝缘高分子材料的研究”（《材料热处理学报》2007年8月，Vol. 28, No.4, pp51-54）和李冰等人的论文“氧化铝在导热绝缘高分子复合材料中的应用”（《塑料助剂》2008年第3期, pp14-16），这些文献以全文引用的方式包含在本说明书中。

术语“红外辐射材料”指的是在工程上能够吸收热量而发射大量红外线的材料，其具有较高的发射率。进一步地，在本发明的实施例中可采用石墨或常温红外陶瓷辐射材料作为覆盖在散热器表面的红外辐射材料或构成散热器的红外辐射材料。常温红外陶瓷辐射材料例如包括但不限于下列材料中的至少一种：氧化镁、氧化铝、氧化钙、氧化钛、氧化硅、氧化铬、氧化铁、氧化锰、氧化锆、氧化钡、堇青石、莫来石、碳化硼、碳化硅、碳化钛、碳化钼、碳化钨、碳化锆、碳化钽、氮化硼、氮化铝、氮化硅、氮化锆、氮化钛、硅化钛、硅化钼、硅化钨、硼化钛、硼化锆和硼化铬。有关常温红外陶瓷辐射材料的详细描述可参见李红涛和刘建学等人的论文“高效红外辐射陶瓷的研究现状及应用”（《现代技术陶瓷》2005年第2期（总第104期）, pp24-26）和王黔平等人的论文“高辐射红外陶瓷材料的研究进展及应用”（《陶瓷学报》2011年第3期），这些文献以全文引用的方式包含在本说明书中。

在本发明中，比较好的是将下列准则作为选用红外辐射材料的其中一个考虑因素：在设定的发光二极管单元的P-N结温度（例如50-80摄氏度范围内的一个温度值）以下，红外辐射材料仍然具有较高的发射率（例如大于或等于70%）。

“电气连接”应当理解为包括在两个单元之间直接传送电能量或电信号的情形，或者经过一个或多个第三单元间接传送电能量或电信号的情形。

“驱动电源”或“LED驱动电源”指的是连接在照明装置外部的交流（AC）或直流（DC）电源与作为光源的发光二极管之间的“电子控制装置”，用于为发光二极管提供所需的电流或电压（例如恒定电流、恒定电压或恒定功率等）。在具体的实施方案中，驱动电源可以模块化的结构实现，例如其包含印刷电路板和一个或多个安装在印刷电路板上并通过布线电气连接在一起的元器件，这些元器件的例子包括但不限于LED驱动控制器芯片、整流芯片、电阻器、电容器和线圈等。

诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。

诸如“第一”、“第二”、“第三”和“第四”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。

诸如“物体A设置在物体B的表面”之类的用语应该广义地理解为将物体A直接放置在物体B的表面，或者将物体A放置在与物体B有接触的其它物体的表面。

 以下借助附图描述本发明的实施例。

图1为按照本发明一个实施例的提供定向光束的发光二极管（LED）照明装置的分解示意图。图2为图1所示发光二极管照明装置的剖面示意图。

本实施例的提供定向光束的LED照明装置1包括外壳10、散热器20、LED灯芯30和光学单元40。以下对各个组成单元作进一步的描述。

如图1和2所示，在本实施例中，外壳10与普通的MR灯一样也基本上呈碗形，其内腔中设置散热器20和LED灯芯30。在外壳10的底部可以设置一对引脚（未画出）作为连接器或电源引脚，适于与外部电源（例如12V/24V直流电源或者110V/220V交流电源）电气连接。

在本实施例中，外壳10采用玻璃材料制成。由于玻璃对于红外辐射有较高的透射率，因此散热器20的热量可在以热传导方式传递至外壳10的同时，还以热辐射的形式透过外壳10散发到环境中去。除了玻璃以外，其它具有合适的红外辐射透射率的材料也是可用的。

在本实施例中，与外部电源的接口虽然采用的是***式结构，但是其它的接口也适用于本发明，例如包括但不限于E26/E27、E11、E14、E17和端子接线等接口形式。为适配E26/E27、E11、E14、E17接口，可在外壳10底部的外表面上设置相应的灯头。还需要指出的是，外壳10的形状也不限于本实施例的碗形，其它的形状也是可用的，例如筒形和棱柱形等。

如图1和2所示，散热器20呈壳体状并且设置在外壳10的内腔中（例如粘合在一起）。优选地，散热器20的外形与外壳10的内腔匹配，这可以增加二者之间的接触面积，有利于它们之间的结合和热传导。此外，为了加强热传导效果，粘合剂可选用导热胶。散热器可以采用金属、石墨、常温远红外陶瓷辐射材料或导热塑料，这里的金属应该理解为纯金属或者它们的合金。为了同时利用金属和非金属材料的优点，可以考虑采用金属作为散热器20的主体材料并且在散热器20的外表面覆盖一层石墨或常温远红外陶瓷辐射材料。导热塑料可以是电气绝缘或电气非绝缘的，这种塑料的一个例子是由荷兰皇家帝斯曼集团生产的Stanyl TC 501型导热塑料。

参见图1和2，散热器20在其内表面上形成有台阶210以为LED灯芯30的基板310提供支承面。可以借助粘合剂（例如导热胶）将基板310粘合在台阶210上。需要指出的是，还可以采用其它的方式将LED灯芯30固定到散热器20上。例如，可在基板310的侧部涂覆导热胶，然后将其粘合到散热器20的内表面；或者，在散热器20的内表面开设凹槽，通过将基板310卡入凹槽内而使LED灯芯30与散热器20固定在一起。

如前所述，在本实施例中，LED灯芯30产生的热量有一部分以热辐射的方式，经散热器20直接散发到环境中去。

在本实施例中，LED灯芯30包括基板310、多个单体形式的LED单元320和驱动电源模块330，其中LED单元320设置在基板310的表面，而驱动电源模块330则采用印刷电路板的形式实现，其被设置在基板310下方并且位于散热器20内。

基板310由诸如陶瓷或导热绝缘高分子复合材料之类的绝缘导热材料构成。如图1和2所示，基板310被固定在散热器20的台阶210上，因而LED单元和驱动电源模块产生的热量可以经基板传递至散热器。优选地，可以采用模具压制法来制作陶瓷材料构成的基板，这种方法制造的盖板较厚（例如1.5-3mm）并且硬度高。可选地，基板310的表面也可以覆盖红外辐射材料或者采用兼具优良的绝缘导热性能和红外辐射性能的材料制作，来自LED单元和驱动电源模块的热量由此可以同时以热传导和热辐射的方式散发。需要指出的是，除了上述陶瓷、红外辐射材料以及导热绝缘高分子复合材料以外，基板310也可以采用目前常用的铝基板制作。

参见图1，在基板310的表面形成有布线311（例如通过在陶瓷材料上烧结由诸如铜浆或银浆之类的电子浆料构成的图案而形成），多个采用封装芯片形式的LED单元320被焊接至布线311。此外，在基板310上开设有通孔，驱动电源模块330的接线柱331A、331B与布线311之间通过穿越通孔的导线电气连接。

值得指出的是，虽然在本实施例中，发光二极管单元以串联方式连接在一起，但是也可以并联、混联或交叉阵列的形式连接在一起。再者，虽然这里的LED灯芯采用多个LED单元，但是采用单个LED单元作为光源也是可行的。

根据外部供电的方式，驱动电源模块可采用各种拓扑架构的电路，例如包括但不限于非隔离降压型拓扑电路结构、反激式拓扑电路结构和半桥LLC拓扑电路结构等。有关驱动电源电路的详细描述可参见人民邮电出版社2011年5月第1版的《LED照明驱动电源与灯具设计》一书，该出版物以全文引用方式包含在本说明书中。

驱动电源模块330可以多种驱动方式（例如恒压供电、恒流供电和恒压恒流供电等方式）向发光二极管单元提供合适的电流或电压，其可以由一个或多个独立的部件组成。在本实施例中，驱动电源模块中的一个或多个部件以晶片或封装芯片的形式实现，以下将驱动电源中以晶片或封装芯片的形式实现的部件称为“驱动控制器”。

可选地，在驱动电源模块330中还可以集成实现其它功能的电路，例如调光控制电路、传感电路、功率因数校正电路、智能照明控制电路、通信电路和保护电路等。这些电路可以与驱动控制器集成在同一半导体晶片或封装芯片内，或者这些电路可以单独地以半导体晶片或封装芯片的形式提供，或者这些电路中的一些或全部可以组合在一起并以半导体晶片或封装芯片的形式提供。

结合图1和2可见，驱动电源模块330包含一对输入引脚332A和332B，其一端从外壳10的底部延伸出去作为与外部电源（例如12V/24V直流电源或者110V/220V交流电源）电气连接的连接器或电源引脚，另一端连接至驱动电源模块330的其它部件（例如整流元件），由此使得外部电源与驱动电源模块330电气连接。

可选地，外壳10包含一对从底部延伸出来的针状引脚，其位于外壳10内部的端部分别与驱动电源模块330的一对接线柱331A和331B电气连接（例如通过熔锡焊接或激光焊接的方式固定在一起），从而使得外部电源能够经引脚和接线柱向驱动电源模块330供电。

在本实施例中，光学单元40包含盖板410和多个透镜元件420。再次参见图1和2，在外壳10的开口处的内表面上形成有台阶110以为盖板410提供支承面。盖板410可以借助粘合剂（例如导热胶）粘合在台阶110上。可选地，当盖板410与外壳10皆由玻璃材料构成时，可以采用热融合的方式将二者固定在一起。

在盖板410的下表面（即面对LED灯芯的一面）上，为LED单元320的每一个都配备相应的透镜元件420，这些透镜元件将LED单元发出的光线变换为具有所需尺寸的光束。透镜元件的形状根据应用需要设计，例如在本实施例中其呈漏斗形。优选地，盖板与透镜元件为一体成型的部件。

图2仅示出了一对LED单元和透镜元件的组合，但是对于其它几对LED单元和透镜元件的组合，下面描述的内容也是适用的。如图2所示，透镜元件420位于基板310的表面的上方或者与表面接触，在其底部开设有凹腔421以容纳对应的LED单元320。凹腔结构使得LED单元可以被封闭在一个空间中，这有利于提高出光效率。具体而言，在图2所示的LED照明装置中，LED单元320发出的光线在透镜元件420的汇聚作用下，大部分透过盖板410向外发射出去，但是还有一部分光线将从透镜元件420的侧面透过而无法发射到照明装置的外部。为了提高出光效率，可在透镜元件420的外表面上覆盖一层金属层422，因此透过透镜元件420侧面的光线又被反射回凹腔421。

 图3为按照本发明另一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置的示意图。

按照本实施例的提供定向光束的LED照明装置1同样包括外壳10、散热器20、LED灯芯30和光学单元40，其中散热器20和LED灯芯30被设置在外壳10的内腔中。发光二极管灯芯30包括由绝缘导热材料制成的基板310、设置在基板表面上的多个LED单元320以及位于散热器20内的驱动电源模块330。与上述借助图1和2所述的实施例相比，本实施例的主要不同之处在于驱动电源模块与LED单元的连接方式。对于其它方面，本实施例可采用借助前述实施例的各种特征，此处不再详述。

如图3所示，在本实施例中，驱动电源模块330采用一对接线柱331A、331B作为输出引脚，该对输出引脚穿过基板310上的焊孔并与布线311焊接在一起，从而将驱动电源模块与LED单元电气连接在一起。另一方面，由于接线柱为刚性部件，因此焊接还使得驱动电源模块同时被固定到基板310上。

图4为按照本发明另一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置的分解示意图。图5为图4所示发光二极管照明装置的剖面示意图。

按照本实施例的提供定向光束的LED照明装置1同样包括外壳10、散热器20、LED灯芯30和光学单元40，其中散热器20和LED灯芯30也被设置在外壳10的内腔中。与上述借助图1-3所述的实施例相比，本实施例的主要不同之处在于发光二极管单元在基板上的设置方式以及光学单元的结构。对于其它方面，本实施例可采用借助前述实施例的各种特征，此处不再详述。

在本实施例中，LED灯芯30包括由绝缘导热材料制成的基板310、包含管芯形式的LED单元的LED发光模块340和驱动电源模块330，其中LED发光模块340设置在基板310的表面，印刷电路板形式的驱动电源模块330被设置在基板310下方并且位于散热器20内。

参见图4，基板310的表面形成有布线311（例如通过在陶瓷材料上烧结由诸如铜浆或银浆之类的电子浆料构成的图案而形成），LED发光模块340的输出引脚被焊接至布线311。与此同时，驱动电源模块330的接线柱331A、331B与布线311借助穿越基板310上开设的通孔的导线电气连接在一起。

在本实施例中，光学单元40包含盖板410和单个透镜元件420。盖板410借助粘合剂（例如导热胶）粘合在外壳内表面的台阶110上，或者采用热融合的方式固定在台阶110上。

在盖板410的下表面（即面对LED灯芯的一面）上形成有单个透镜元件420，其将LED发光模块340发出的光线变换为具有所需尺寸的光束。优选地，盖板与透镜元件为一体成型的部件。透镜元件的形状可根据应用需要设计，例如在本实施例中其呈漏斗形。

如图5所示，透镜元件420位于基板310的表面的上方或者与表面接触，在其底部开设有凹腔421以容纳LED发光模块340。凹腔结构使得LED发光模块被封闭在一个空间中以利于提高出光效率。为了提高出光效率，在透镜元件420的外表面上可覆盖一层金属层422，使得透过透镜元件420侧面的光线又被反射回凹腔421。此外，在本实施例中，可以在凹腔421的内表面上覆盖荧光粉来调整照明光线的颜色。覆盖在凹腔内表面的荧光粉由于与LED单元未直接接触，因此受热温度有所降低，从而可延缓荧光粉的老化。

以下借助图6A-6D描述发光二极管发光模块的结构。

图6A为按照本发明一个实施例的LED发光模块的示意图。

如图6A所示， LED发光模块340包括金属载板341、多个LED管芯320和框架342。金属载板341包括第一图案区3411和第二图案区3412。第一图案区3411用作发光模块的电极区或输出引脚，其包含多个相互之间以及与第二图案区3412均不连通的分立小区或电极对以作为LED管芯320与外部的电气接口。LED管芯320的P型电极和N型电极都设置在上表面，其例如通过共晶焊接技术被固定在第二图案区3412上。由于金属良好的导热性能，LED管芯320与第二图案区3412之间的热阻接近于零，因此前者产生的热量可以高效地传递给发光模块340下面的绝缘散热基板310。框架342由绝缘材料制成，其例如通过注压工艺与金属载板341固定在一起，并且将LED管芯320包围其中。由于第一和第二图案区3411和3412都被固定在框架342上，因此它们的相对位置关系得以固定。参见图6A，LED管芯320通过引线343实现它们之间的互连以及与第一图案区3411的连接。为了避免LED管芯320和引线343直接暴露在空气中，可以在框架342内注入透明硅胶以将它们包封起来。

如上所述，可以通过在透镜元件的凹腔内表面涂覆荧光粉来改变LED管芯的发光波长。可选地，也可以通过用混合荧光粉（例如钇铝石榴石（YAG）荧光粉）的硅胶包围住LED管芯或者在LED管芯的表面依次涂覆荧光粉和硅胶达到上述目的。如图6A所示，由于框架342的设置，硅胶的流动受到限制而仅分布在LED管芯的周围。

参见图6A，在本实施例中，第一图案区3411包含第一电极对3411A/3411A’、第二电极对3411B/3411B’和第三电极对3411C/3411C’。这些电极对可以并联连接至驱动电源模块330。相应地，多个LED管芯320被分为三组并且每组内的LED管芯以串联方式连接在各自的电极对之间，由此实现了混联方式的连接。LED管芯之间也可以采用诸如串联、并联或交叉阵列之类的其它连接形式。再者，本实施例以多个LED管芯为例，然而采用单个LED管芯作为发光元件也是可行的。

为了将LED发光模块340设置在基板310上并且使LED发光模块与布线电气连接，可以先在基板310的表面印刷电子浆料图案，该图案对应于布线311以及与LED发光模块的第一和第二图案区3411、3412接触的区域（以下又称为接触区）；然后通过高温烧结，在基板表面形成布线311以及接触区；最后将金属载板341的第一和第二图案区通过热熔合的方式固定到基板表面的接触区，并且使第一、第二和第三电极对从框架342延伸出来的部分与布线焊接在一起。在本实施例中，金属载板341可采用铜、铝等材料制成，优选地，可以在第一和第二图案区与基板接触的表面上形成一层熔点较低的金属或合金层以有利于热熔合。

图6B为按照本发明另一个实施例的发光二极管（LED）发光模块的示意图。与上述借助图6A所述的实施例相比，本实施例的主要不同之处在于金属载板的图案形状以及LED管芯的连接方式等，以下对此作进一步的描述。对于其它方面，本实施例可采用前述实施例的各种特征，因此不再详述。

如图6B所示， LED发光模块340包括金属载板341、多个LED管芯320和框架342。金属载板341包括第一图案区3411和第二图案区3412，其中，第一图案区3411包含一对电极或输出引脚3411A、3411A’，LED管芯320例如通过共晶焊接技术被固定在第二图案区3412上。在本实施例中，LED管芯320的P型电极和N型电极也设置在上表面，并且借助引线343将LED管芯连接在一起以及与第一图案区3411的电极对3411A/3411A’相连。但是与图6A所示的实施例不同，本实施例的第二图案区3412除了承载LED管芯320以外，还为LED管芯提供电气连接。具体而言，在图6B中，对于位于图中左下角和右上角的LED管芯，每个管芯的其中一个电极借助引线343被电气连接至第二图案区3412。由于第二图案区3412是一个连通的区域，因此在左下角和右上角的LED管芯之间实现了电气连接，由此将全部LED管芯依次串联连接在第一图案区3411的电极对3411A/3411A’之间。由绝缘材料（例如塑料）制成的框架342例如通过注压工艺与第一和第二图案区3411、3412固定在一起并且将LED管芯320包围其中。当第一和第二图案区3411和3412都被固定在框架342上时，它们三者之间的相对位置关系得以固定。为了避免LED管芯320和引线343直接暴露在空气中，可以在框架342内注入透明硅胶以将它们包封起来。同样，所注入的透明硅胶中可以混合荧光粉以改变LED发光模块发出的光线的颜色。可选地，荧光粉与透明硅胶的涂覆可以分开来施行，即，先在每个LED管芯320上覆盖荧光粉然后再向框架342内注入透明硅胶。

发光模块340可以按照与上面的实施例同样的方式设置在基板310上并且与布线电气连接。

值得指出的是，虽然这里所示的LED管芯采用串联方式连接在一起，但是也可以采用并联方式。例如图6B中的每个LED管芯的两个电极可以直接连接在电极对3411A/3411A’之间，从而形成并连连接。

图6C为按照本发明另一个实施例的发光二极管（LED）发光模块的示意图。与上述借助图6A和6B所述的实施例相比，本实施例的主要不同之处在于金属载板的图案形状以及LED管芯的设置和连接方式等，以下对此作进一步的描述。对于其它方面，本实施例可采用前述实施例的各种特征，因此不再详述。

如图6C所示， LED发光模块340包括金属载板341、多个LED管芯320A-320C和框架342。金属载板341包括第一图案区3411-1、3411-2和第二图案区3412-1、3412-2，其中，第一图案区3411-1、3411-2分别包含向框架342外部延伸的电极3411A和3411A’。与前述实施例不同的是，在本实施例中，在第一和第二图案区上都设置有LED管芯，第二图案区包含两个分立的区域3412-1和3412-2，而且LED管芯的P型电极和N型电极分别设置在上表面和下表面。管芯之间的互连以及与第一图案区的连接按照下列方式实现。参见图6C，LED管芯320A被设置在第一图案区3411-1上，其位于下表面的电极被焊接在第一图案区3411-1上，而位于上表面的电极则借助引线343与第二图案区的分立区域3412-1电气连接。同时，LED管芯320B被设置在分立区域3412-1上，其位于下表面的电极被焊接在分立区域3412-1上，而另一个电极则借助引线343与另一个分立区域3412-2电气连接。LED管芯320C被设置在分立区域3412-2上，其位于下表面的电极被焊接在分立区域3412-2上，而另一个电极则借助引线343与第一图案区3411-2电气连接。由此，LED管芯被依次串联连接在第一图案区的电极对之间。

同样，由绝缘材料（例如塑料）制成的框架342例如通过注压工艺与第一和第二图案区固定在一起并且将LED管芯320A-320C包围其中。当第一和第二图案区都被固定在框架342上时，它们的相对位置关系得以固定。在本实施例中，通过向框架342内注入混合有荧光粉的透明硅胶以将LED管芯和引线包封起来。可选地，荧光粉与透明硅胶的涂覆也可以分开来施行。另外，在本实施例中，LED发光模块340也可以按照已经在上面描述的方式设置在基板310上并且与布线电气连接。

图6D为按照本发明一个实施例的发光二极管（LED）发光模块的示意图。与上述借助图6A和6B所述的实施例相比，本实施例的主要不同之处在于金属载板的图案形状以及LED管芯的设置和连接方式等，以下对此作进一步的描述。对于其它方面，本实施例可采用前述实施例的各种特征，因此不再详述。

如图6D所示，LED发光模块340包括金属载板341、多个LED管芯320A-320C和框架342。金属载板341包括图案区3411、3412、3413和3414，其中，图案区3411和3414分别包含一个伸长的区域3411’和3414’以用作LED发光模块与外部电路电气连接的一对引脚。在本实施例中，图案区3411-3414之间互不连通，它们例如通过注压工艺与由绝缘材料（例如塑料）制成的框架342固定在一起，从而保持固定的相对位置关系。LED管芯320A-320C的P型电极和N型电极都设置在下表面，并且如图6D所示，每个LED管芯分别设置在一对相邻的图案区上。具体而言，LED管芯320A同时位于图案区3411与图案区3412上，其P型电极和N型电极分别焊接至图案区3411与图案区3412。类似地，LED管芯320B同时位于图案区3412和3413上，其P型电极和N型电极分别焊接到图案区3412和3413。LED管芯320C则同时位于图案区3413和图案区3414上，其P型电极和N型电极分别焊接到图案区3413和图案区3414。由此，LED管芯无需借助引线即可串联连接在引脚3411A和3414A之间。

由于金属良好的导热性能，LED管芯与图案区之间的热阻接近于零，因此前者产生的热量可以高效地传递给发光模块340下面的绝缘散热基板310。另外，在本实施例中，在将LED管芯设置到金属载板上的同时即可完成LED管芯的电气连接，因此简化了制作工艺。优选地，可以利用倒装晶片工艺完成LED管芯在金属载板上的设置以及电气连接。

在本实施例中，通过向框架342内注入混合有荧光粉的透明硅胶以将LED管芯和引线包封起来。可选地，荧光粉与透明硅胶的涂覆也可以分开来施行。另外，在本实施例中，LED发光模块340也可以按照已经在上面描述的方式设置在基板310上并且与布线电气连接。

需要指出的是，在本实施例中，LED管芯之间的连接方式并不局限于图6D所示的串联连接，其也可以采用诸如并联或交叉阵列之类的其它连接形式。例如可以省去图6D中的图案区3412和3413并且将LED管芯320A-320C都同时设置在图案区3411和图案区3414，每个LED管芯的P型电极和N型电极分别焊接至图案区3411和图案区3414，由此实现了LED管芯之间的并联连接。再者，本实施例以多个LED管芯为例，然而采用单个LED管芯作为发光元件也是可行的。

图7为按照本发明另一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置的分解示意图。

与上述借助图4、图5和图6A-6D所述的实施例相比，本实施例的主要不同之处在于驱动电源模块与LED发光模块的连接方式。对于其它方面，本实施例可采用借助前述实施例的各种特征，此处不再详述。

在本实施例中，提供定向光束的LED照明装置1同样包括外壳10、散热器20、LED灯芯30和光学单元40，其中散热器20和LED灯芯30被设置在外壳10的内腔中。发光二极管灯芯30包括由绝缘导热材料制成的基板310、设置在基板表面上的LED发光模块340以及位于散热器20内的驱动电源模块330。

如图7所示，驱动电源模块330采用一对接线柱331A、331B作为输出引脚，该对输出引脚穿越基板的焊孔并与布线311焊接在一起，从而将驱动电源模块与LED发光模块电气连接在一起。

图8为按照本发明另一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置的分解示意图。

与上述借助图4、图5、图6A-6D和图7所述的实施例相比，本实施例的主要不同之处在于基板以及驱动电源模块与LED发光模块的连接方式。对于其它方面，本实施例可采用借助前述实施例的各种特征，此处不再详述。

如图8所示，本实施例的提供定向光束的LED照明装置1同样包括外壳10、散热器20、LED灯芯30和光学单元40，其中散热器20和LED灯芯30被设置在外壳10的内腔中。发光二极管灯芯30包括基板310、设置在基板表面上的LED发光模块340以及位于散热器20内的驱动电源模块330，其中，LED发光模块340采用如图6B所示的结构。

与前述实施例不同的是，在本实施例中，基板310由金属材料制成，并且LED发光模块340按照下述方式被设置在基板310上：在基板310上与第一图案区3411对应的区域开设有通孔312A和312B，由此使得第一图案区3411可以位于通孔之内或者上方，从而避免与基板310的直接接触；另一方面，使LED发光模块340的第二图案区3412与基板340之间形成面接触以将LED管芯产生的热量传递至基板。在图8中，由于框架342内被注入硅胶，因此未示出LED发光模块的内部结构。由图8并且结合图6B可见，引脚3411A和3411A’从框架342延伸出来并且分别位于通孔312A和312B之内。

设置在基板310下方的驱动电源模块330包含一对接线柱331A、331B，该对接线柱穿过通孔312A和312B后与LED发光模块的引脚3411A和3411A’电气连接（例如通过焊接或螺栓连接的方式）。

为了使LED发光模块340的第二图案区3412与基板310形成面接触，可以先在基板的表面与LED发光模块的第二图案区3412对应的区域涂覆一层低熔点的金属层或合金层，而后将第二图案区与基板热熔合在一起。此外，在本实施例中，可以考虑在基板310的表面涂覆红外辐射材料以进一步增强散热能力。

需要指出的是，虽然在本实施例中LED发光模块340采用如图6B所示的结构，但是也可以采用具有其它结构的LED发光模块，例如具有图6A所示结构的LED发光模块。

还需要指出的是，在本实施例中，基板310也可以采用电气非绝缘的导热塑料制成。这种导热塑料的一个例子是由荷兰皇家帝斯曼集团生产的Stanyl TC导热塑料。

图9为按照本发明另一个实施例的提供定向光束的发光二极管照明装置的分解示意图。

与上述借助图1-3所述的实施例相比，本实施例的主要不同之处在于基板以及驱动电源模块与LED单元的连接方式。对于其它方面，本实施例可采用借助前述实施例的各种特征，此处不再详述。

如图9所示，按照本实施例的提供定向光束的LED照明装置1同样包括外壳10、散热器20、LED灯芯30和光学单元40，其中散热器20和LED灯芯30被设置在外壳10的内腔中。发光二极管灯芯30包括基板310、设置在基板表面上的多个单体形式的LED单元320A、320B、320C以及位于散热器20内的驱动电源模块330。

在本实施例中，基板310由金属材料或电气非绝缘的导热塑料制成，并且如图9所示，其上开设有通孔312A、312B和312C。每个LED单元被放置在其中一对通孔之间并且输出引脚分别位于该对通孔的其中一个的上方或之内。具体而言，LED单元320A的底部与基板310形成面接触，其两个输出引脚分别位于通孔312A和312B的上方或之内，LED单元320B的底部与基板310形成面接触，其两个输出引脚分别位于通孔312B和312C的上方或之内，LED单元320C的底部与基板310形成面接触，其两个输出引脚分别位于通孔312C和312A的上方或之内。另一方面，为了在LED单元320A、320B、320C之间形成串联连接，LED单元320A和320C的位于通孔312A内的输出引脚分别与驱动电源模块330一对接线柱331A、331B连接在一起（例如通过焊接或螺栓连接），LED单元320A和320B的位于通孔312B内的输出引脚借助连接杆电气连接在一起，LED单元320B和320C的位于通孔312C内的输出引脚借助连接杆电气连接在一起。

由于LED单元的底部与基板310为面接触，所以LED单元产生的热量得以高效地传导。此外，在本实施例中，也可以在基板310的表面涂覆红外辐射材料以进一步增强散热能力。

虽然已经展现和讨论了本发明的一些方面，但是本领域内的技术人员应该意识到：可以在不背离本发明原理和精神的条件下对上述方面进行改变，因此本发明的范围将由权利要求以及等同的内容所限定。

Claims (10)

1.一种提供定向光束的发光二极管照明装置，包括：

外壳；

散热器，其设置于所述外壳的内腔；

绝缘导热基板，其设置于所述散热器上；

至少一个设置在所述绝缘散热基板上的发光二极管单元；

设置在所述散热器内的驱动电源模块，其与所述发光二极管单元电气连接；以及

光学单元，其包含覆盖住所述外壳的开口的盖板和至少一个形成于所述盖板的下表面上的透镜元件，所述透镜元件面对所述发光二极管单元。

2.如权利要求1所述的用于产生定向光束的发光二极管照明装置，其中，所述散热器由金属、石墨、常温远红外陶瓷辐射材料或导热塑料构成。

3.如权利要求1所述的用于产生定向光束的发光二极管照明装置，其中，所述散热器由金属构成，并且外表面覆盖石墨或常温远红外陶瓷辐射材料。

4.一种提供定向光束的发光二极管照明装置，包括：

外壳；

散热器，其设置于所述外壳的内腔；

绝缘导热基板，其设置于所述散热器上；

发光二极管发光模块，包括：

图案化的金属载板，其设置在所述绝缘导热基板的表面并且包含电极区；

至少一个发光二极管管芯，其设置在所述金属载板上并且与所述电极区电气连接；

设置在所述散热器内的驱动电源模块，其与所述电极区电气连接；以及

光学单元，其包含覆盖住所述外壳的开口的盖板和至少一个形成于所述盖板的下表面上的透镜元件，所述透镜元件面对所述发光二极管发光模块。

5.如权利要求4所述的提供定向光束的发光二极管照明装置，其中，所述发光二极管发光模块进一步包括框架，其固定在所述金属载板上并且包围所述发光二极管管芯。

6.如权利要求4所述的提供定向光束的发光二极管照明装置，其中，所述金属载板包括互不连通的第一图案区和第二图案区，其中，所述第一图案区用作电极，所述LED管芯设置在所述第二图案区上并且与所述第一图案区电气连接。

7.如权利要求4所述的提供定向光束的发光二极管照明装置，其中，所述金属载板包括互不连通的第一图案区和第二图案区，其中，所述第一图案区用作电极区，多个所述LED管芯设置在所述第一和第二图案区上，其连接在一起并且与所述第一图案区电气连接。

8.如权利要求4所述的提供定向光束的发光二极管照明装置，其中，所述金属载板包括多个互不连通的图案区，所述LED管芯包含形成于底部的电极并且被设置于不同的所述图案区上，其中，所述电极分别连接到不同的图案区的其中一个上。

9.一种提供定向光束的发光二极管照明装置，包括：

外壳；

散热器，其设置于所述外壳的内腔；

基板，其设置于所述散热器上；

至少一个发光二极管发光模块，其包含至少一对第一金属图案区、第二金属图案区、与所述第一和第二金属图案区固定在一起的框架以及至少一个LED管芯，所述第一金属图案区位于所述基板上的通孔的内部或上方，所述第二金属图案区被焊接在所述基板的表面，所述LED管芯被设置在所述第二金属图案区上并且借助引线与所述第一金属图案区电气连接在一起；

设置在所述散热器内的驱动电源模块，其与所述第一金属图案区电气连接；以及

光学单元，其包含覆盖住所述外壳的开口的盖板和至少一个形成于所述盖板的下表面上的透镜元件，所述透镜元件面对所述发光二极管发光模块。

10.一种提供定向光束的发光二极管照明装置，包括：

外壳；

散热器，其设置于所述外壳的内腔；

基板，其设置于所述散热器上并且开设有通孔；

多个发光二极管单体，其底部与所述基板接触并且引脚位于所述通孔之内或上方；

设置在所述散热器内的驱动电源模块，其与所述发光二极管单体的引脚电气连接；以及

光学单元，其包含覆盖住所述外壳的开口的盖板和至少一个形成于所述盖板的下表面上的透镜元件，所述透镜元件面对所述发光二极管单元。

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