теплопроводный установочный элемент для крепления печатной платы к радиатору

Формула изобретения

1. Устройство для рассеяния тепла для выделяющего тепло электрического компонента (10), содержащее: радиатор (30), печатную плату (20), выполненную с возможностью размещения на радиаторе (30), при этом печатная плата (20) содержит диэлектрическую подложку (22), снабженную теплопроводным слоем (23) на стороне, обращенной от радиатора (30), выделяющий тепло электрический компонент (10), размещенный на печатной плате (20) и находящийся в тепловом контакте с теплопроводным слоем (23), отличающееся тем, что теплопроводный установочный элемент (40) прикреплен к теплопроводному слою (23) посредством пайки, причем установочный элемент (40) имеет соединительную часть (43), выполненную с возможностью зацепления с углублением (31) в радиаторе (30), обеспечивая тем самым крепление печатной платы (20) к радиатору (30), так что обеспечивается тепловой канал от выделяющего тепло электрического компонента (10) через теплопроводный слой (23) и установочный элемент (40) к радиатору (30).

2. Устройство по п.1, в котором выделяющий тепло электрический компонент (10) является LED (светодиодом) (10).

3. Устройство по п.1 или 2, в котором углубление (31) является пазом, выходящим на поверхность на периферии радиатора (30), при этом в упомянутом радиаторе (30) выполнено отверстие, обеспечивающее вставку в и/или извлечение из паза путем скольжения.

4. Устройство по п.1 или 2, в котором соединительная часть (43) выполнена с возможностью приведения в контакт с двумя противоположными сторонами внутренней области углубления (31).

5. Устройство по п.1 или 2, в котором упомянутая соединительная часть (43) выполнена с возможностью сжатия при зацеплении с углублением (31) и удерживания на месте под действием пружины.

6. Устройство по п.1 или 2, в котором углубление (31) имеет упор (34), выполненный с возможностью зацепления с соответствующим упором (42) соединительной части (43).

7. Устройство по п.1 или 2, в котором печатная плата снабжена отверстием (24), при этом установочный элемент (40) проходит через отверстие (24).

8. Устройство по п.1 или 2, в котором установочный элемент (40) выполнен из меди.

9. Способ сборки электрического компонента, содержащий этапы, на которых: устанавливают выделяющий тепло электрический компонент (10) на печатную плату (20), имеющую теплопроводный слой (23), посредством пайки, прикрепляют теплопроводный установочный элемент (40) к теплопроводному слою (23) посредством пайки, прикрепляют упомянутую печатную плату (20) к радиатору (30) путем зацепления соединительной части (43) упомянутого элемента (40) с углублением (31) в радиаторе (30), прикрепляют таким образом печатную плату (20) к радиатору (30), так что обеспечивается тепловой канал от выделяющего тепло электрического компонента (10) через теплопроводный слой (23) и установочный элемент (40) к радиатору (30).

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к устройству для рассеяния тепла для выделяющего тепло электрического компонента, содержащему: радиатор; печатную плату, выполненную с возможностью размещения на радиаторе, причем печатная плата, содержит диэлектрическую подложку, снабженную теплопроводным слоем на стороне, обращенной от радиатора; выделяющий тепло электрический компонент, размещенный на печатной плате, при этом выделяющий тепло электрический компонент находится в тепловом контакте с теплопроводным слоем.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

При размещении выделяющего тепло электрического компонента на монтажной плате может быть желательно рассеивать выделяемое тепло, используя какой-нибудь тип радиатора. Одним примером выделяющих тепло компонентов являются светоизлучающие диоды (LED).

Светоизлучающие диоды (LED) привлекательны для широкого диапазона применений освещения по таким причинам, как эффективность и долгий срок службы по сравнению с традиционным освещением, таким как флуоресцентные лампы и лампы накаливания. Тем не менее, во многих применениях тепло, вырабатываемое LED, является причиной пониженной эффективности и влияет на надежность при длительной эксплуатации устройств LED. Следовательно, управление теплом LED имеет решающее значение для надлежащей работы и продленного срока службы.

LED типично заключен в оболочку из прозрачного полимера, которая является плохим проводником тепла. Таким образом, большая часть вырабатываемого тепла проводится через заднюю сторону кристалла LED. Поэтому для поддержания низкой температуры перехода и сохранения хорошей производительности LED, устройства LED типично снабжают радиатором. На фиг.1 проиллюстрировано типичное устройство предшествующего уровня техники, где LED 1 установлен на печатной плате (PCB) 2. PCB 2 содержит листы 3, 4 меди, нанесенные слоями на обе стороны диэлектрической подложки 8. Типично, из верхнего листа 3 меди (т.е. листа меди, обращенного к LED) вытравливают связи электрической схемы для обеспечения соответствующей схемы. Листы 3,4 меди, размещенные на обеих сторонах РСВ 2, также служат в качестве теплопроводных слоев. Эти теплопроводные слои связаны рядом тепловых переходных отверстий 5. LED 1 припаян к PCB 2, причем p-n переход LED 1 электрически соединен со связями электрических схем PCB. Пайка также обеспечивает тепловой контакт между p-n переходом и верхним тепловодным слоем верхнего листа 3 меди. Печатную плату 2 типично монтируют к радиатору 6, используя винты 7. Устройство может быть также снабжено термопастой для улучшения теплового контакта между радиатором 6 и теплопроводным слоем 4, обращенным к радиатору. Посредством этого устройства тепло, выделяемое на переходе LED, проводится через теплопроводные слои печатной платы 2 и к радиатору 6, а затем в окружающую среду.

Однако многослойные PCB, описанные выше, могут быть слишком дорогостоящими, чтобы использоваться в недорогих применениях. Кроме того, поскольку PCB крепят к радиатору винтами, то различия в коэффициенте теплового расширения (CTE) между PCB и радиатором могут приводить к напряжению, вызывающему изгиб печатной платы и наклон LED.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить или, по меньшей мере, сократить проблемы, рассмотренные выше. В частности, задача заключается в том, чтобы обеспечить экономически эффективное устройство, обеспечивающее эффективное рассеяние тепла.

Согласно варианту изобретения, предложено устройство для рассеяния тепла для выделяющего тепло электрического компонента, содержащее: радиатор; печатную плату, выполненную с возможностью размещения на радиаторе, причем печатная плата содержит диэлектрическую подложку, снабженную теплопроводным слоем на стороне, обращенной от радиатора; выделяющий тепло электрический компонент, размещенный на печатной плате, при этом выделяющий тепло электрический компонент находится в тепловом контакте с теплопроводным слоем, причем к теплопроводному слою посредством пайки прикреплен теплопроводный установочный элемент, при этом установочный элемент имеет соединительную часть, выполнен с возможностью зацепления с углублением в радиаторе; обеспечивая тем самым крепление печатной платы к радиатору; при этом обеспечен тепловой канал от выделяющего тепло электрического компонента через теплопроводный слой и установочный элемент к радиатору.

Вследствие применения теплопроводного установочного элемента, можно добиться рассеяния тепла с PCB, снабженной единственным теплопроводным слоем, а не многослойной PCB (имеющей теплопроводные слои на обеих сторонах, связанных при помощи тепловых переходных отверстий), требуемой в устройствах предшествующего уровня техники. Однослойная PCB типично ассоциируется с более низкими затратами, чем многослойная PCB. Кроме того, нет необходимости использования термопасты между PCB и радиатором. Так как не используется никаких винтов и/или клейких веществе для того, чтобы прикрепить PCB к радиатору, то PCB можно легко удалять, например, в случае неправильной работы LED.

Кроме этого, преодолена проблема изгиба PCB, вызываемого различиями в коэффициенте теплового расширения. Применение однослойной PCB может быть преимущественно, поскольку она может быть тоньше, чем многослойная PCB (типично около 0,4 мм вместо 1,6 мм).

Настоящее изобретение основано на понимание того, что используя теплопроводный установочный элемент, и надлежаще сконструированные области сопряжения между установочным элементом и теплопроводным слоем, и между установочным элементом и радиатором, можно добиться достаточного рассеяния тепла от выделяющего тепло электрического компонента к радиатору посредством однослойной PCB.

Углублением может быть паз, выходящий на поверхность на периферии радиатора, при этом в радиаторе сформировано отверстие, позволяющее извлечение установочного элемента из паза путем скольжения. Посредством такого устройства можно удалять (откреплять) PCB с радиатора путем перемещения PCB параллельно пазу. Кроме того, конструкция осуществима для производства, так как она может быть отштампована, что является экономически эффективным. Конструкция также обеспечивает большую поверхность контакта между установочным элементом и радиатором, благодаря тому, что паз проходит в продольном направлении, и, тем самым, обеспечивается эффективное рассеяние тепла.

Соединительная часть может быть выполнена с возможностью приведения в контакт с двумя противоположными сторонами внутренней области углубления, в силу чего поверхность контакта между установочным элементом и радиатором может быть доведена до максимума, обеспечивая эффективное рассеяние тепла.

Соединительная часть может быть выполнена с возможностью сжатия при зацеплении, в силу чего соединительная часть может зацепляться с углубление посредством действия пружины. Таким образом, PCB можно прикреплять к радиатору путем помещения PCB над радиатором и просто вдавливая установочный элемент в паз. Это также может способствовать зацеплению за счет трения соединительной части с углублением.

Углубление может иметь горловину, что позволяет углублению удерживать соединительную часть на месте, например, путем улучшенного зацепления за счет трения между соединительной частью и углублением.

Углубление может иметь упор, выполненный с возможностью зацепления с соответствующим упором соединительной части, обеспечивая, тем самым, надежное крепление соединительной части в углублении.

Печатная плата может быть снабжена отверстием, причем установочный элемент проходит через отверстие. Это обеспечивает надежное крепление PCB к радиатору, используя один установочный элемент.

Согласно варианту осуществления установочный элемент выполнен из меди, которая имеет хорошую теплопроводность и обеспечивает эффективное рассеяние тепла. Однако установочный элемент может быть изготовлен из какого-либо другого материала, имеющего высокую теплопроводность, например, из углерода или алюминиевого сплава.

Другие задачи, признаки и преимущества раскрыты в нижеследующем подробном описании прилагаемой формуле изобретения, а также показаны на чертежах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышесказанное, а также дополнительные задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения станут более понятны благодаря нижеследующему иллюстративному и не ограничивающему подробному описанию предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, где одни и те же номера позиций будут использоваться для подобных элементов, на которых:

Фиг.1 - вид в поперечном сечении устройства предыдущего уровня техники;

Фиг.2 - общий вид варианта осуществления изобретения;

Фиг.3 - поперечное сечение альтернативного варианта осуществления изобретения;

Фиг.4 - поперечное сечение альтернативного варианта осуществления изобретения;

Фиг.5 - поперечное сечение альтернативного варианта осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.2 показано устройство, в котором светоизлучающий диод (LED) 10 установлен на печатной плате (PCB) 20. PCB 20 снабжена установочным элементом 40, который выполнен с возможностью зацепления с углублением 31 в радиаторе 30. Это делает возможным монтаж PCB 20 к радиатору 30.

LED 10 типично содержит корпус 11 LED и линзу 12 в прозрачном полимере. PCB содержит лист 23 меди, нанесенный слоями на диэлектрическую подложку 22. Типично из листа 23 меди вытравлены связи электрических схем для обеспечения подходящей схемы, при этом диэлектрическая подложка 22 обеспечивает электрическую изоляцию между связями электрических схем и радиатором 30. Лист 23 меди также образует теплопроводный слой, размещенный на верхней части PCB 20 (т.е. обращенной от радиатора). Площадь PCB, покрытая теплопроводным слоем может меняться в зависимости от применения до тех пор, пока между LED и установочным элементом обеспечивается эффективный тепловой контакт. Хотя теплопроводный слой здесь образован листом меди, он может также быть из какого-нибудь альтернативного материала, имеющего высокую теплопроводность. Типичная толщина теплопроводного слоя составляет 35 или 75 микрометров.

LED 10 прикреплен к PCB 20 посредством пайки, причем p-n переход LED 10 соединен при помощи электричества со связями схем PCB 20 для питания LED. Кроме того, отдельная точка 13 пайки обеспечивает тепловой контакт между p-n переходом и участком листа меди, составляющего теплопроводный слой 23.

Установочный элемент 40 здесь размещен в отверстии 24 в PCB 20. Это обеспечивает прочное крепление PCB к радиатору 30, используя единственный установочный элемент 40, так как установочный элемент может быть расположен, например, возле центра PCB 20. При применении единственного установочного элемента также избегают статического электричества во время придания нужных размеров, тем самым, сокращая напряжение, которое может иначе возникать в PCB 20 при монтаже к радиатору 30.

Установочный элемент 40 типично выполнен из меди или какого-либо другого материала, имеющего высокую теплопроводность, такого как углерод или алюминиевый сплав. В этом варианте осуществления установочный элемент снабжен крепежной поверхностью 41, по существу, параллельной теплопроводному слою 23, при этом может достигаться эффективная теплопередача между теплопроводным слоем 23 и установочным элементом 40. Чтобы дополнительно способствовать теплопередаче установочный элемент 40 крепят к теплопроводному слою 23 посредством пайки, проиллюстрированной точкой 44 пайки. Установочный элемент обычно припаивают к PCB одновременно со LED. Это делают перед тем, как размещают PCB 20 на радиаторе 30.

Установочный элемент 40 имеет соединительную часть 43, которая здесь проходит перпендикулярно от PCB 20. В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.2, соединительная часть выполнена, по существу, U-образной формы, как видно на поперечном сечении. U-образная конструкция обеспечивает контакт с двумя противоположными сторонами внутренней области углубления 31, обеспечивая тем самым большую поверхность контакта между установочным элементом 40 и радиатором 30 и хорошую теплопередачу. U-образная конструкция типично обеспечивает присущую упругость, приводя соединительную часть 43 в контакт с внутренней областью углубления 31 и, тем самым, способствуя теплопередаче. Это также способствует зацеплению за счет трения между соединительной частью 43 и углублением 31 и удерживает PCB 20 с радиатором при креплении.

Радиатор 30 обычно выполнен из металла, такого как алюминий. Он снабжен углублением 31, здесь в виде паза на поверхности, обращенной к PCB (также именуемой как верхняя поверхность радиатора). В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.2, паз проходит по прямой линии в верхней поверхности радиатора 30 и имеет единообразное поперечное сечение по всей своей протяженности. Паз преимущественно достает до, по меньшей мере, одного края радиатора 30, так что в радиаторе сформировано отверстие, через которое соединительную часть 43 установочного элемента 40 можно по скольжению вставлять в и/или вынимать из паза. Поперечное сечение здесь, по существу, прямоугольное, чтобы соответствовать U-образной соединительной части 43 установочного элемента 40. В этом варианте осуществления паз центрирован в радиаторе 30.

Теплопередача между установочным элементом 40 и радиатором 30 может быть повышена путем увеличения поверхности контакта между ними, например, обеспечивая установочный элемент 40, имеющий большую протяженность в направлении паза.

Посредством вышеописанного устройства, PCB 20 может быть прикреплена к радиатору 30 путем размещения PCB над радиатором 30 и просто вдавливания установочного элемента 40 в паз.

Из-за своей U-образной конструкции соединительная часть 43 установочного элемента 40 может быть отчасти сжата, когда она вводится в паз. Таким образом, присущая упругость U-образной соединительной части 43 приводит соединительную часть 43 в контакт с радиатором 30, обеспечивая хороший тепловой контакт и удерживая PCB 20 с радиатором 30, поскольку соединительная часть 43 за счет трения входит в зацепление в паз. Углубление 31 может также иметь упор 34, выполненный с возможностью зацепления с соответствующим упором 42 соединительной части 43, чтобы гарантировать зацепление, как показано в варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.2, обеспечивая, тем самым, «защелкивающуюся посадку». PCB 20 можно удалить с радиатора путем перемещения PCB параллельно пазу, тем самым, вынимая путем скольжения соединительную часть 43 из паза.

Радиатор 30 может быть также снабжен выступами 35 по краям, чтобы избежать того, что PCB чрезмерно поднимает сама себя от радиатора 30. Эти выступы типично размещены на сторонах радиатора 30, которые параллельны пазу.

При работе тепло, выделяемое на p-n переходе LED 10, проводится через точку пайки к теплопроводному слою 23 и далее передается через установочный элемент 40 к радиатору 30 и в окружающую среду. Типичные температуры LED здесь около 130°C, а радиатор типично может иметь температуру до 80°C.

Согласно другому варианту осуществления для крепления PCB 20 к радиатору могут быть использованы многочисленные установочные устройства 40. Пример такого варианта осуществления проиллюстрирован на фиг.3. Здесь PCB 20 прикреплена к радиатору 30 с помощью двух установочных элементов 40, размещенных на обеих сторонах PCB 20. Этот вариант осуществления также иллюстрирует пример альтернативной конструкции упоров 34, 42 установочного элемента и углубления.

Согласно еще одному варианту осуществления паз может быть снабжен горловиной, или быть суживающимся по направлению к верхней поверхности радиатора. Таким образом, по мере ввода соединительной части, U-образная соединительная часть будет сжиматься, при этом сила сжатия пружины приводит установочный элемент в контакт с радиатором и за счет трения зацепляется с пазом.

Изобретение было в основном описано выше со ссылкой на несколько вариантов осуществления. Однако, как легко понятно специалисту в данной области техники, в пределах объема изобретения равным образом возможны и другие варианты осуществления, отличные от раскрытых выше, как определено прилагаемой формулой изобретения.

Например, хотя установочный элемент здесь был описан с U-образной соединительной частью, она может иметь многообразие форм. Например, соединительная часть могла бы иметь поперечное сечение формы якоря или полое прямоугольное поперечное сечение. Соединительная часть может быть также цельной, как приведено для примера на фиг.4 и 5. На фиг.5 также проиллюстрировано, как поверхность контакта между установочным элементом и углублением может быть расширена путем обеспечения продольных ребер, проходящих в направлении паза. Это обеспечивает улучшенную теплопередачу и может быть выгодным, например, когда на ограниченной поверхности установлено большое число LED. Продольные ребра могут также закреплять соединительную часть 43 установочного элемента 40 в пазу.

Хотя вышеописанные варианты осуществления были описаны с единственным выделяющим тепло электрическим компонентом, понятно, что изобретение в равной степени применимо для множества выделяющих тепло электрических компонентов, размещенных на PCB.

Кроме того, изобретение не ограничено охлаждением LED, а могло бы одинаково хорошо использоваться для рассеяния тепла других выделяющих тепло электрических компонентов, таких как, например, полевые МОП-транзисторы.