JP2009510753A - 発光ダイオードを金属製の放熱部品へ固定する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は発光素子に関する。発光素子の良好な熱放散及び容易な調整を供するために，金属ベース10を持っている発光ダイオード12を金属製の放熱部品18へ固定することが供され，この固定は，発光ダイオードのベースから金属スリーブ14への物質間接合を有し，当該スリーブは放熱部品を覆うようにこの金属スリーブを放熱部品上へと位置決めし，この金属スリーブを当該放熱部品に接続する。

Description

本発明は金属ベースを持つ発光ダイオードを，金属性の放熱部品へ固定する方法に関する。本発明は，他に発光装置及び斯様な発光装置の使用にも関する。

発光ダイオード（LED）を有する発光装置は，自動車用アプリケーションに使われることが出来る。例えば，車両の前後の照明装置はLEDを発光部品として役立てることが出来る。後部のコンビネーションランプ（RCL）及び昼間走行灯（DRL）にはLEDのモジュールを装備出来ることがわかった。

しかしながら，LEDモジュールは周囲の熱に対して敏感である。第1に，LEDモジュールの最大接合点温度は限られている。更に，LEDモジュールの光出力は，特にAlInGaP製のLEDの光出力は接合点温度の増加と共に強く減衰する。それにも拘わらず，自動車用アプリケーションでは，点灯中の周囲温度は，尾灯では85度Cに至るまでになり，前照灯では105度Cに至るまでになる。

これゆえ，LEDモジュールの性能にとって，良好な熱管理を行うことは最大限重要である。金属の接触，熱伝導性接着剤，又は熱伝導性テープによって，ヒートシンクがLEDへ熱的に接続出来ることが知られている。しかしながら，全てのこれらの解決策は，介在材料の熱伝導性及び厚みによって熱の流れが限定されるか，又は小さな空隙によって熱の流れが限定されるかのどちらかであるという欠点を持っている。

従来技術では，LEDの金属ベースと金属製の放熱部品との間に直接銅を接合することが提案されてきた。例えば米国特許公開公報US 2004/0190294 A1においては，レーザのスポット溶接によって放熱部品をLEDへ固定するための方法が説明されている。レーザスポット溶接によって，放熱部品はLEDの金属ベースへ固定されることが可能であると説明されている。良好な接触を供するために，当該放熱部品には金属の層，例えばレーザ光のエネルギをよく吸収することが出来るニッケルがコーテイングされることが可能である。このニッケル層の存在は，効率の良い溶接を確立するのに役立ち，従って良好な物質間接合を確立するのに役立つ。

良好な熱放散とは別に，LEDモジュールは良好な光を供するように位置合わせされる必要がある。これは，良好な光を供するために，LEDモジュールは全て一つの向きに導かれる必要があることを意味する。LEDの光の向きが異なる場合，全体の光がうまく引出されることはない。

放熱部品上にLEDの正しい幾何学的な位置決めを確立するために，米国特許公開公報US 2004/0190294 A1は放熱器の表面上にダイオードを位置決めするための補助具を供している。切削工具を介して，放熱器の表面に一つ以上の突起形状をした物理的な心出し手段を生成することが提案されている。正しい幾何学的な位置決めを供するために，これらの突起はLEDの輪郭と連携する必要が在る。しかしながら，ダイオードの主要な光の向きは，斯様な既知の装置では訂正することは出来ない。

これゆえ，改善された照明能力のある，LEDを固定するための方法を提供することが，本発明の目的である。配置されている全てのダイオードの照射光を十分に引出す発光装置を提供することが，他の目的である。放熱部品付きの発光ダイオードの容易な製造を提供することが，本発明のもう一つの目的である。

これらの目的の一つ以上を解決するために，金属ベースを持つ発光ダイオードを金属製の放熱部品へと固定する方法を本発明は提供する。この固定方法は，ダイオードの金属ベースを金属スリーブへ物質間接合することと，スリーブが放熱部品を覆うように当該スリーブを放熱部品上へ位置決めすることと，当該スリーブを放熱部品へと結合することとを含む。

発光ダイオードは，好ましくはパワー発光ダイオードであり，この放散されるべき熱エネルギは固有の金属製ベースを必要とする。パワー発光ダイオードは，一般に，例えば銅で作られた金属ベースと共に供される。この金属ベースは，金属スリーブとの物質間接合の確立を可能にする。この金属スリーブは，ダイオードの金属ベースと放熱部品との間に供される部品である。この金属スリーブは放熱部品を覆うことが出来るように形成される。当該放熱部品はボルト状に形成されることが好ましく，当該スリーブはこのボルトを覆うことが出来ることが好ましい。

放熱部品上へダイオードを適切に位置合わせすることを可能にするために，当該ダイオードは，先ず，スリーブへ物質間接合され，当該スリーブは，次に，放熱部品と位置合わせされ，その後，当該スリーブは放熱部品と結合される。これによって，ダイオードとスリーブとの間の良好な接合の提供が可能であり，放熱部品上へのダイオードの良好な位置合わせを提供することも可能である。

放熱部品上へのスリーブの位置決め及び/又は位置合わせは，能動的手段及び受動的手段の両方によって行われることが出来る。能動的調整及び/又は位置決めの間，並びに受動的な調整及び/又は位置決めの間，内部の基準部品に対して規定された態様で，放熱部品はホルダに取り付けられている。これらの基準部品（例えば基準ピン又は拡張バヨネット）は，使用中はランプハウジングに対するLEDモジュールの精密な位置決めを確立するために，ランプハウジングへのインタフェイス中で用いられている。能動的な位置決めプロセスの場合，当該LEDは電気的に接続され，点灯される。放熱部品上に在る金属スリーブの，少なくとも3軸の位置決めにより，所望の光の分布が調節される。この光の分布は，例えば視覚システムによってモニタされる。受動的な位置決めの場合，視覚システムはLEDの位置を3方向でモニタし，順方向に対するLEDの傾きをモニタする。LEDの正しい位置決めの後，金属スリーブが接続され，放熱部品へと固定される。

実施例は，ダイオードの金属ベースの，金属スリーブへの溶接を供する。この溶接は，例えばレーザスパイク溶接プロセスであることが可能である。斯様なプロセスの間，レーザビームは金属スリーブの材料を融解して小さな塊にし，LEDの，例えば金属ベースへと融解する。この結果，最適な熱伝導性と高い機械的強度との両方を持つ金属材料の直接結合が得られる。放熱部品は受動的な冷却用ヒートシンクであり得，発生した熱を十分に大きな表面を通じて周囲へと伝達する。放熱部品はヒートパイプでもあり得，金属スリーブは当該ヒートパイプの熱い端部に直接結合されることが可能である。

良好な溶接特性を持つ金属スリーブを供するために，実施例では銅製，ニッケル製，又はこれらの合金で作られたスリーブを供している。しかしながら当該金属スリーブの材料は，レーザ溶接が可能な高い熱伝導性を持つ，いかなる材料で作られても良い。

実施例によれば，当該金属スリーブの厚さは一般に0.1mmと1cmとの間である。ダイオードの金属ベースと金属スリーブの材料との間の金属間相の薄い層を形成することにより，この金属スリーブはダイオードの金属ベースに結合される。斯様な金属間相は，密着している両方の材料を局部的に急速に加熱することによって形成される。

ダイオードが金属スリーブへ結合された後，当該金属スリーブは放熱部品上に位置決めされる必要がある。良好な位置決めと良好な位置合わせとを供するために，実施例では，発光ダイオードが放熱部品に位置合わせされるよう，当該放熱部品の長軸周りに金属スリーブを旋回させている。このように，放熱部品上で金属スリーブを動かすことによって，ダイオードは位置合わせされることが出来る。光の放射方向は，よって，調節されることが出来る。

良好な調節能力を供するよう，金属スリーブは茶碗形をしている。この茶碗形の金属スリーブは放熱部品と位置決めされることが出来，同放熱部品の長軸周りに旋回されることが出来る。この放熱部品が，金属スリーブに合うように形成されることも好ましい。放熱部品はボルト形状となり得る。

金属スリーブが放熱部品の長軸周りに旋回されることを可能にするために，実施例では当該放熱部品を端面に向かってテーパ状に形成している。放熱部品の端面が半円形であることも好ましい。

金属スリーブの付いたLEDを放熱部品と位置合わせした後，このアセンブリは固定される必要がある。これゆえ，実施例では金属スリーブを放熱部品にぴったり合わせることによって，スリーブを放熱部品に接続することを供している。この接続は，スリーブの物質間接合又はスリーブの電磁成形の何れかによって成されることが出来る。これらの方法は，スリーブと放熱部品との間の機械的に強固な接続を提供する。

本発明の他の態様は，金属ベース，金属スリーブ及び放熱部品を持つ発光ダイオードを有する発光装置であり，金属ベースは金属スリーブへ物質間接合され，金属スリーブは放熱部品に固定される。

本発明の別の態様は，車両照明に対する斯様な発光装置の使用であり，特に後部コンビネーションランプ又は昼間走行灯に対する使用である。

本発明のこれらの態様及び他の態様は，以下の図を参照して明らかにされ，説明されるであろう。

図1は，図2に例示されている発光装置を組み立てるための方法2を例示している。第1のステップ4において，LED 12の金属ベース10が金属製のスリーブ14へと接合される。

図2に例示されているように，LED 12は電極16及び金属ベース10を有する。この金属ベース10は，好ましくは銅で作られている。接合ステップ4において，金属ベース10は金属スリーブ14へと接合される。両部品間の金属間相を供するために，この接合は金属ベース10及び金属スリーブ14の両方の材料の急速な局部加熱によって行うことが出来る。好ましくは，この加熱は溶接によって行うことが出来，又はレーザスパイク溶接のようなレーザ溶接プロセスによって好ましくは行うことが出来る。

金属スリーブ14は好ましくはCuNiで作られ，同スリーブは0.1mmと10mmとの間の厚さを持つ。

金属ベース10が金属スリーブ14へ接合された後，ステップ6において，当該スリーブ14は放熱部品18上に位置決めされる。

この位置決めは，放熱部品18の長軸Xの周りにスリーブ14を旋回させることにより行うことが出来る。当該放熱部品18は，ボルト形状をしている。当該放熱部品18の端面20は，半円形に成形されている。これによって，他の複数のLEDにLED 10を位置合わせするために，及び発光の方向を制御するために，スリーブ14は容易に旋回させることが出来る。

放熱部品18は，ヒートパイプであることと同様，受動的な冷却用ヒートシンクであることが可能である。端面20は，ヒートパイプの熱い端部であることが可能である。

見てとれるように，放熱部品18の端面20は，金属スリーブ14と精密に嵌め合わされている。

金属スリーブ14が放熱部品18の端部20上に位置合わせされた後，ステップ8において当該スリーブ14は放熱部品18に接続される。

この接続は，電磁成形と同様に，物質間接合によって行われることが出来る。電磁成形の間，当該スリーブ14は放熱部品18の端面20に精密に嵌め合わされている。

金属ベース10と端面20との間のインタフェイスの熱伝導率は，金属スリーブの材料によって，金属スリーブ材の厚さによって，及びLED 12の金属ベース10と金属スリーブ14との間の溶接点の数と直径とによって調整可能である。溶接点は，金属ベース10の中心の周りに放射状に配置されたり，金属ベース10の直径内で平行線上に在ることが可能である。

金属スリーブと放熱部品との間の熱抵抗を最小にするために，好ましくは金属スリーブと放熱部品との間の接触エリアを最適にするよう，溶接点が決定されることが出来る。

上述された方法は，良好な位置合わせ特性と同様，良好な熱放散特性を持つ発光装置の組み立てを可能にする。更に，当該発光装置は自動車のアプリケーション用に使うことが出来るが，しかしまた一般の照明アプリケーション，信号等にも使われることが出来る。

本発明に従った方法のフローチャートを示す。 本発明に従った発光装置の側面図を示す。

Claims (15)

1. 発光ダイオードの金属ベースを金属スリーブへ物質間接合することと，
   前記金属スリーブが放熱部品を覆うように，当該金属スリーブを前記放熱部品へ位置合わせすることと，
   前記金属スリーブを前記放熱部品へ接続することとを含む，金属ベースを持つ発光ダイオードを金属製の放熱部品へと固定するための方法。
2. 物質間接合することが，前記発光ダイオードの前記金属ベースを前記金属スリーブへ溶接することを含む，請求項１に記載の方法。
3. 前記発光ダイオードの前記金属ベースを前記金属スリーブへ溶接することが，レーザスパイク溶接を有することを含む，請求項２に記載の方法。
4. 銅，ニッケル，又はこれらの合金を用いて前記金属スリーブを形成することを更に含む，請求項１に記載の方法。
5. 0.1mm‐10mmの厚さを持つ前記金属スリーブを形成することを更に含む，請求項１に記載の方法。
6. 前記発光ダイオードが前記放熱部品上へと位置合わせされるように，前記放熱部品の表面上への前記金属スリーブを位置合わせすることは，当該放熱部品の長軸周りに前記金属スリーブを回転させることを含む，請求項１に記載の方法。
7. 前記金属スリーブを茶碗形状に形成することを更に含む，請求項１に記載の方法。
8. 前記放熱部品を前記金属スリーブの内部に少なくとも部分的に合わせるよう形成することを更に含む，請求項１に記載の方法。
9. 前記放熱部品を端面に向かってテーパ状に形成することを更に含む，請求項１に記載の方法。
10. 半円状の端面を持つ前記放熱部品を形成することを更に含む，請求項１に記載の方法。
11. 前記金属スリーブを前記放熱部品に接続することは，前記金属スリーブを前記放熱部品へ嵌め合わせることを含む，請求項１に記載の方法。
12. 前記金属スリーブを前記放熱部品に接続することは，物質間接合することを含む，請求項１に記載の方法。
13. 前記金属スリーブを前記放熱部品に接続することは，電磁成形することを含む，請求項１に記載の方法。
14. 金属ベースが物質間接合で金属スリーブへ接続され，当該スリーブは放熱部品へと固定されている前記金属ベースと，前記スリーブと，前記放熱部品とを持つ発光ダイオードを有する発光装置。
15. 請求項14に記載の発光装置の，車両用照明への，特に後部コンビネーションランプ又は昼間走行灯への使用。

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