具有分离的散热器和参考部分的LED模块、前灯以及制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年9月28日提交的美国临时专利申请号63/249,215的权益，其内容通过引用并入本文。

背景技术

可以包括任何或所有半导体发光器件(包括例如二极管激光器)的发光二极管(LED)，由于其优越的技术特性(例如能量效率和寿命)，越来越多地取代了较旧技术的光源。这对于要求高的应用(例如，车辆前灯)与对于要求较低的应用(例如，在亮度、发光度和/或光束整形方面)一样正确。然而，尽管LED的能量效率高，但是LED，特别是高功率LED，仍会产生相当多的热量，这需要冷却，冷却通常通过将LED连接到散热器以保持LED结温度低来实现。这种对散热LED的需求在许多其它高功率半导体部件中是共同存在的。

发明内容

本文描述了一种LED模块。该LED模块包括具有LED安装区域的散热器和与散热器分离的参考部分。参考部分固定到散热器并且包括LED对准结构和光学部件对准结构。至少一个LED设置在散热器的LED安装区域上并且与参考部分的LED对准结构对准。

附图说明

从以下结合附图以示例方式给出的描述中可以更详细地理解本发明，其中：

图1A和图1B是示例性LED模块的示意性透视图；

图2是另一示例性LED模块的示意性透视图；

图3是图2的示例性LED模块的示意性透视分解图；

图4是示例性车辆前灯系统的图；

图5是另一示例性车辆前灯系统的图；以及

图6是制造LED模块的示例性方法的流程图。

具体实施方式

不同光照明系统和/或发光二极管(“LED”)的实施方式的示例将在下文中参考附图更全面地描述。这些示例不是相互排斥的，并且一个示例中发现的特征可以与一个或多个其他示例中发现的特征组合以实现附加的实施方式。因此，应当理解，附图中所示的示例仅出于说明性目的而提供，并且它们不旨在以任何方式限制本公开。相似的数字在全文中指代相似的元件。

应当理解，虽然本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语可用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件并且第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”可以包括一个或多个相关列出项的任何组合和所有组合。

应当理解，当诸如层、区域或基底之类的元件被称为在另一元件“上”或延伸到另一元件“上”时，其可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或也可能存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，可能不存在中间元件。还应当理解，当元件被称为“连接”或“耦接”至另一元件时，其可以直接连接或耦接至另一元件和/或经由一个或多个中间元件连接或耦接至另一元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一元件时，在该元件和另一元件之间不存在中间元件。应当理解，除了图中描绘的任何定向之外，这些术语还旨在涵盖元件的不同定向。

诸如“下方”、“上方”、“上部”、“下部”、“水平”或“竖直”等相对术语可在本文中用于描述如图所示的一个元件、层或区域与另一元件、层或区域的关系。应当理解，这些术语旨在涵盖除了图中描绘的定向之外的设备的不同定向。

用于LED模块的散热器可以实现若干功能，并且同时可能必须服从各种约束。首先，散热器必须在操作时提供LED模块的热管理。换句话说，散热器必须将由工作的LED所输入的热量传输到散热器的安装LED的部分(在此也称为LED安装区域)中，再传输到散热器的其它部分，最终在该其它部分处，必须将热量传递到散热器的环境中。

向环境的热传递可以通过热传导、对流(其可以通过使用例如风扇的强制对流来增强)和/或辐射热传递来执行。所有这些工艺强烈地依赖于散热器的表面区域的尺寸。因此，传统上，用于高流明LED模块的散热器可能变得相当庞大，并且可在很大程度上非常好地确定LED模块所占据的空间。为了使LED模块装配到灯具的有限安装空间中，通常需要针对特定灯具定制散热器。这对于需要大流明封装的用于车辆前灯的LED模块尤其如此。

然而，对于车辆前灯，以及对于需要光束成形的其它应用，LED模块的LED需要与处理在操作中由LED发射的光的光学部件对准。因为，与直接接收由LED发射的光的第一光学部件(可以是邻近LED的反射器)的对准可能是特别敏感的，例如用于避免在期望的光束轮廓之外的眩光。因此，LED模块可以包括用于这种第一光学部件和用于LED的对准结构，并且必须以高精度执行这种对准结构和LED相对于这种对准结构的放置。

用于LED模块的散热器的庞大体积以及将散热器装配在有限的安装空间中的要求导致了对于每种灯具类型而言特定的多个复杂的三维散热器形状。每个这种形状所需的有限数量的散热器妨碍了大规模制造，并且因此增加了制造成本。这甚至可能由于在散热器中并入对准结构(这在用于最佳热管理的LED被放置在散热器上时完成)而加剧，从而要求以高精度制造散热器。此外，具有庞大散热器的LED模块可能占据相对大的体积并且相当较重，从而导致运输成本也非常昂贵。

图1A和图1B是示例性LED模块的示意性透视图。更具体地说，图1A示出了具有前翼11、侧翼12和后翼13、对准结构15、16、固定结构17和安装结构19的散热器1的复杂形状。LED块20(仅示意性地示出)可以安装在散热器1上并且电连接到印刷电路板(PCB)30，该印刷电路板本身可以通过固定结构17(例如铆钉)安装到散热器1。PCB 30可以承载电连接器40(仅示意性地示出)。散热器1的安装结构19被示出为切口，并且可以用于将另外的部件安装到散热器，该另外的部件例如用于阻挡LED模块200的不期望的杂散光的遮光罩。散热器1和PCB 30中的通孔18可用于将可以是反射器(参见图1B)的光学部件50固定到散热器1，例如通过穿过通孔18的螺钉或铆钉进行固定。反射器可通过接触散热器1的对准结构15、16而对准。

图1B示出了反射器50的切口51如何包围散热器1的对准结构15(例如，从散热器的平面(PCB 30的平面)直立突出的圆柱形销)以在该平面内对准。横向于这种平面，对准可以通过使反射器50接触散热器1的对准结构16(例如，从散热器的平面稍微升高的平面条带(图1B中不可见))来执行。图1B示出了图1A的LED模块200，其中在旋转大约90°的视图中添加了反射器50，图1B示出了用于电连接到LED模块200和LED块10的环境的电连接器40的更多细节，该LED块10具有LED 21，该LED 21通过带状连接件22电连接到PCB 30。

散热器1可能具有上述问题。虽然这种散热器1可能已经比替代的压铸散热器更纤细和更轻，但是翼11、12、13使得散热器复杂、庞大且具有相对较重的3D形状。对准结构15、16必须以高精度制造。虽然现有技术的散热器1可以装配在一些照明器中，但是其他照明器可能需要修改，诸如需要修改翼11、12的散热器平面的不同延伸范围或角度，特别是后翼13的散热器平面的不同延伸范围或角度。这可能损害批量制造这样的散热器的规模经济，因为并入对准结构可能需要以高精度完成。

图2是另一示例性LED模块200的示意性透视图。与图1A和图1B类似，可以看到连接器40、用于反射器的光学部件对准结构15、16、通孔18(用于反射器固定)、三个LED 21和带状连接件22。除了单个散热器1之外，还可以使用另外的散热器1'，其中散热器1、1'的后翼13、13'可以彼此缠绕。此外，示出了电迹线或线41、另外的电气部件42(例如，过渡电压抑制(TVS)二极管)、用于接收连接LED21的带状连接件22的接触焊盘5、用于将散热器1、1'彼此固定的螺钉、铆钉的孔3、以及用于LED 21的参考放置的LED对准结构25(基准标记)。

与图1A和图1B的LED模块200相比，对准结构15、16、25不是散热器1、1'中的任一个的一部分，而是LED模块200的参考部分2的一部分。这可以在图3中看到，其中，为了清楚起见，散热器1、1'在分解图中已经与参考部分2分离。除了高精度对准结构15、16、25之外，参考部分2还可以包括电路，例如接触焊盘5、连接器40、电迹线41和另外的电气部件41。

参考部分2可以夹在散热器1、1'之间。例如，该下散热器1'可具有一空腔2'，空腔2'以装配方式容纳该参考部分2。该下散热器1'可进一步具有升高部4，升高部4以装配方式与该参考部分2中的切口4'接合。该上散热器1可具有与该下散热器1'镜像对称的部件，或者可仅为平坦的以放置在该下散热器1'上，根据实施方式，该两个散热器1、1'将该参考部分2夹在中间并固定。

散热器1、1'可以具有切口5'，在组装之后，该切口被参考部分2的升高的接触焊盘5穿透，以使得接触焊盘5可以从散热器1、1'的外表面接近。图2和图33示出了双功能LED模块200。在这样的实施例中，除了在图中可见并安装在上散热器1的安装区域14上的LED 21之外，在下散热器1'的下表面上也可存在在图中不可见的LED 21。这些下LED 21可以经由(在图中不可见的)参考部分2的下侧上的接触焊盘5接触，该接触焊盘5穿过下散热器1'的切口5'。在组装之后，参考部分2上的对准结构15、16、25可以穿透上散热器1中的切口15'、16'，并且因此可以变得可触及以用于对准光学部件50并且将LED 21参考安装在上散热器1的LED安装区域14上(参见图1B中光学部件50的布置)。

在与光学部件50以及可能的车辆前灯中的其他光学部件一起组装到车辆中之后，上散热器1的LED安装区域14上的LED 21可以实现双功能LED模块200的第一功能，例如近光功能。以类似的方式，在下散热器1'的下表面上的LED 21与在其下侧附接到LED模块200的另外的光学部件以及可能地车辆前灯中的其它光学部件一起组装在车辆中之后，可以实现双功能LED模块200的第二功能，诸如远光功能。

虽然图2和图3的双功能LED模块200示出了由上散热器1和下散热器1'构成的两部分散热器，但是双功能LED模块200也可以利用单个散热器来实现。例如，用于第一功能的LED 21可安装到单个散热器的上表面上，用于第二功能的LED 21可安装在单个散热器的下表面上。在这样的实施例中，单个散热器可能需要被调节以确保包括用于参考部分2的接触焊盘5的必要切口5'，以允许在单个散热器的上表面和下表面上的LED 21的电接触。另外，可以不需要在两个散热器1、1'或单个散热器的上表面和下表面上附接到LED模块200的两个分离的光学部件。在这样的实施例中，LED模块200可以例如直接放置在单个反射器前面，作为LED模块200的两个功能共用的单个光学部件。

将对准结构15、16、25从散热器1、1'移动到分离的参考部分2可以仅留下参考部分2作为高精度部件，而散热器1、1'可以被更粗糙地制造。这是可能的，因为参考部分2与散热器1、1'之间的固定可以是紧密的，而不需要散热器1、1'处的高精度。这例如可以通过将参考部分2夹持在散热器1、1'之间，在参考部分2的不受夹持力影响的部分处施加夹持力，或者在夹持区域处使用弹性材料来实现。在参考部分2和散热器1、1'已经彼此紧密地固定之后，LED 21可以安装在散热器1、1'的安装区域14中。因此，LED 21的这种安装可以参考在参考部分2上的LED对准结构25执行。以相同的方式，例如在将参考部分2固定到散热器1、1'之后，光学部件50(参见图1)可以参考光学部件对准结构15、16安装。因此，散热器1、1'可以不需要高精度。

由于大体积散热器1、1'不再需要高精度，所以可以显著简化它们的制造，并且因此可以降低制造成本。此外，高精度参考部分2和大体积散热器1、1'的制造可以被分离到不同的工厂。更重要的是，正好作为需要固定到散热器的部件的参考部分2可以保持形状上相当简单和通用。因此，参考部分2的单个形状可以在许多不同的照明器中使用，而散热器1、1'可以适于每个特定的照明器形状。这可以在定制散热器1、1'的同时实现在大规模制造参考部分2时的相当大的规模经济。参考部分相对较小，因此是重量轻的部件，运输成本可以较小，从而允许在几个工厂或甚至单个工厂中集中地批量制造，同时使散热器1、1'对于当地人而言是当地制造的。

由此，用于参考部件2和散热器1、1'的构建块系统是可能的。例如，通过使参考部分和散热器之间的固定标准化，一系列或集合的不同参考部分的形状可以与一系列或集合的散热器的形状进行组合。这种固定可以通过任何合适的方法来执行，例如机械地进行(例如，通过螺纹连接、铆接或压接，如果参考部分携带产生热的电气部件，则具有或没有用于改善热传递的居间导热脂)。然而，这种连接也可以通过粘合或热熔接来实现，当参考部分由热变形材料例如塑料制成时，热熔接特别适合。附加地或替代地，参考部分也可以被模制到散热器。

参考部分2可以仅需要包含用于光学部件和LED参考的对准结构15、16、25。图2和3中所示的所有其它特征可以移动到LED模块200的其它部件，例如移动到分离的PCB(参见图1A和图1B的PCB 30)或移动到散热器1、1'上。然而，通过将这些部件中的至少一些包含在参考部分2中可以获得优点。例如，在参考部分2内包括接触焊盘5和电迹线41可以进一步集中有利于标准化制造的功能。这可以通过包括另外的电气部件42来继续，该另外的电气部件例如为TVS二极管、LED箱电阻器、或者甚至是用于LED 21的驱动器部件。如果需要，连接器40也可以与参考部分2制成一体。

参考部分2可以主要由塑料制成并且例如通过嵌件成型来制造。该电迹线41可形成为引线框架的条带，然后由塑料包覆成型，该引线框架的端部及该塑料例如亦形成该连接器40。或者，电连接件及电部件以及电连接器可被置于PCB上且作为部件而被接合至该参考部分2，或者，该电迹线可例如通过印刷在该参考部分2的塑料表面上而形成。然而，该参考部分2可通过任何适当的方法制成，例如通过将分离的部件组装在外壳中而制成。

如图2和图3所示，参考部分2的板状形状可以是有利的，特别是对于夹在两个散热器1、1'之间的情况。如果仅使用单个散热器1，例如如果这种散热器1本身是板状的，这也是适用的。然而，通过模制，可以容易地实现用于参考部分的更复杂的形状，该更复杂的形状可以适于参考部分将被附接到的散热器的形状。

图4是可包括本文描述的实施例和示例中的一个或多个的示例性车辆前灯系统400的图。图4中所示的示例性车辆前灯系统400包括电源线402、数据总线404、输入滤波和保护模块406、总线收发器408、传感器模块410、LED直流到直流(DC/DC)模块412、逻辑低压差(LDO)模块414、微控制器416和有源前灯418。

电力线402可以具有从车辆接收电力的输入，并且数据总线404可以具有输入/输出，通过该输入/输出可以在车辆和车辆前灯系统400之间交换数据。例如，车辆前灯系统400可以从车辆中的其他位置接收指令，例如打开转向信号灯或打开前灯的指令，并且如果需要的话，车辆前灯系统400可以向车辆中的其他位置发送反馈。传感器模块410可以通信地耦接到数据总线404，并且可以向车辆前灯系统400或车辆中与例如环境条件(例如，一天中的时间、雨、雾或周围光水平)、车辆状态(例如，停放、行驶中、运动速度或运动方向)以及其他物体(例如车辆或行人)的存在/位置相关的其他位置提供附加数据。与通信地耦接到车辆数据总线的任何车辆控制器分开的前灯控制器也可以被包括在车辆前灯系统400中。在图4中，前灯控制器可以是微控制器，例如微控制器(μc)416。微控制器416可以通信地耦接到数据总线404。

输入滤波和保护模块406可以电耦接到电力线402并且可以例如支持各种滤波以减少所传导的发射并提供电力抗干扰性。另外，输入滤波和保护模块406可以提供静电放电(ESD)保护、负载突降保护、交流场衰减保护和/或反极性保护。

LED DC/DC模块412可耦接在输入滤波和保护模块406与有源前灯418之间，以接收经滤波的电力并提供驱动电流以对有源前灯418中的LED阵列中的LED供电。LED DC/DC模块412可以具有：7伏到18伏之间的输入电压，且标称电压大约为13.2伏；以及输出电压，其可以比LED阵列的最大电压略高(例如高0.3伏)(这例如由负载、温度或其他因素引起的操作条件调整以及因素或本地校准来决定)。

逻辑LDO模块414可以耦接到输入滤波和保护模块406以接收滤波后的电力。逻辑LDO模块414还可以耦接到微控制器416和有源前灯418，以向微控制器416和/或有源前灯418中的电子器件(例如CMOS逻辑)提供电力。

总线收发器408可以具有例如通用异步收发器(UART)或串行外围接口(SPI)接口并且可以耦接到微控制器416。微控制器416可以基于来自传感器模块410的数据来转换车辆输入，或可以转换包括来自传感器模块410的数据的车辆输入。转换后的车辆输入可包括可传输至有源前灯418中的图像缓冲器的视频信号。此外，微控制器416可加载默认图像帧并测试启动期间开路/短路像素。在实施例中，SPI接口可以在CMOS中加载图像缓冲器。图像帧可以是全帧、差分帧或部分帧。微控制器416的其他特征可以包括CMOS状态(包括管芯温度)的控制接口监测以及逻辑LDO输出。在实施例中，可以动态地控制LEDDC/DC输出以最小化头上空间。除了提供图像帧数据之外，还可以控制其他前灯功能，例如与侧指示灯或转向信号灯相结合的互补使用，和/或日间行车灯的激活。

图5是另一示例性车辆前灯系统500的图。图5所示的示例性车辆前灯系统500包括：应用平台502、两个LED照明系统506和508以及辅助光学器件510和512。

LED照明系统508可以发射光束514(在图5中的箭头514a和514b之间示出)。LED照明系统506可以发射光束516(在图5中的箭头516a和516b之间示出)。在图5所示的实施例中，辅助光学器件510邻近LED照明系统508，并且从LED照明系统508发射的光穿过辅助光学器件510。类似地，辅助光学器件512邻近LED照明系统506，并且从LED照明系统506发射的光穿过辅助光学器件512。在替代实施例中，在车辆前灯系统中没有提供辅助光学器件810/812。

当包括第二光学器件510/512时，第二光学器件510/512可以是或者包括一个或多个光导。该一个或多个光导可以是边缘照射型光导，或者可以具有限定光导的内部边缘的内部开口。LED照明系统508和506可以插入一个或多个光导的内部开口中，从而使得它们将光注入到一个或多个光导的内部边缘(内部开口型光导)或外部边缘(边缘照射型光导)中。在实施例中，一个或多个光导可以以期望的方式对由LED照明系统508和506发射的光进行整形，例如使其具有梯度分布、斜面分布、窄分布、宽分布或角分布。

应用平台502可以经由线路504向LED照明系统506和/或508提供电力和/或数据，线路504可以包括图4的电力线402和数据总线404中的一个或多个或一部分。一个或多个传感器(其可以是车辆前灯系统500中的传感器或其他附加传感器)可以在应用平台502的外壳内部或外部。替代地或附加地，如在图4的示例性车辆前灯系统400中所示，每个LED照明系统508和506可以包括其自己的传感器模块、连接和控制模块、电源模块和/或LED阵列。

图6是制造LED模块的示例性方法的流程图600。在图6所示的示例中，该方法包括提供包括LED安装区域的散热器(602)以及提供与散热器分离的参考部分(604)。参考部分可以包括LED对准结构和光学部件对准结构。散热器可以机械地耦接到参考部分(606)。光学元件可以在由参考部分的LED对准结构所固定的位置处机械地耦接到散热器(608)。

在一些实施例中，将该散热器机械地耦接到该参考部分上可以包括将该散热器螺纹连接、铆接、压接、粘合或模制到该参考部分中的至少一种。参考部分可以选自不同参考部分的集合，并且散热器可以类似地选自不同参考部分的集合。在一些实施例中，参考部分可以通过包覆成型引线框架以至少形成LED对准结构和光学部件对准结构来形成。在一些实施例中，可以提供第二或其他散热器，并且参考部分可以被夹持在两个散热器之间以将它们机械地耦接在一起。

相关领域的技术人员将明白，基于本文的描述，本发明的实施例可使用例如Verilog或VHDL等硬件描述语言(HDL)以软件方式进行设计。HDL设计可以对电子系统的特性进行建模，其中可以综合处理该设计并最终制造到硬件设备中。此外，HDL设计可以存储在计算机产品中，并且在硬件制造之前加载到计算机系统中。

已经详细描述了实施例，本领域技术人员将理解，在给出本描述的情况下，可以对本文描述的实施例进行修改而不背离本发明构思的精神。因此，不试图将本发明的范围限于所示出和所描述的具体实施例。