Refrigeración de dispositivos semiconductores.

Un dispositivo de iluminación semiconductor que comprende:

una lámina de sustrato (2) con una parte frontal (2') y una parte posterior (7) y que define una pluralidad de aberturas (9),

extendiéndose cada abertura (9) entre la parte frontal (2') y la parte posterior (7);

una pluralidad de semiconductores (4) soportados en la parte frontal (2') de la lámina de sustrato (2); y elementos térmicamente conductores (1,10) que están en buena comunicación térmica con los semiconductores (4) y con la periferia de las aberturas (9);

caracterizado por que al menos algunos de dichos elementos térmicamente conductores son conductos térmicamente conductores (1) que están dispuestos dentro de las aberturas (9) y sobresalen más allá de la parte frontal (2') de la lámina de sustrato (2) y definen pasos abiertos que se extienden a través de las aberturas entre la parte frontal (2') y la parte posterior (7) de la lámina de sustrato (2) sin obstrucción.

Refrigeración de dispositivos semiconductores CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a la refrigeración de dispositivos semiconductores. En particular, la invención se refiere a un conjunto y a la refrigeración de LED de alta potencia (diodos emisores de luz) en una placa de circuito impreso común. La invención se describe en el presente documento con referencia a dispositivos de iluminación que incorporan LED, pero se podría aplicara cualquier dispositivo semiconductor.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como los precios de la energía aumentan y se incrementa la necesidad de ahorrar energía, ha crecido la demanda de soluciones de iluminación LED. Los LED, al ser una iluminación de estado sólido porque no queman un filamento ni un gas, son más eficaces que la mayoría de las otras formas de iluminación. No obstante, los LED aún generan calor de la corriente que pasa a través de los mismos lo que puede tener un efecto perjudicial sobre la vida útil y el rendimiento de dichos dispositivos. Cuando los LED están agrupados en cercana proximidad entre sí, se puede producir un sobrecalentamiento, aunque una agrupación cercana de los LED es importante ya que reduce múltiples sombras y el denominado "punteado".

En la actualidad, en las instalaciones de LED de alta potencia, el calor se retira del LED de agrupamiento cercano con una combinación de disipadores de calor, ventiladores de flujo forzado y placas de circuito impreso de aluminio especiales. Estos procedimientos se basan mayormente en la conducción de calora través del contacto directo de los electrodos (almohadillas térmicas) de los LED hacia la parte posterior de la placa de circuito impreso, desde donde se propaga el calor a un disipador de calor y se disipa al aire ambiente. La mayoría de los disipadores de calor están fabricados de aluminio y produce un alto consumo energético y tienen un efecto perjudicial sobre las eficacias energéticas globales (ciclo de vida) de dichas luces LED.

En dichos disipadores de calor se produce un gradiente de temperatura ya que la temperatura desciende lejos del centro de la placa de circuito impreso. Los LED situados en el centro de la placa estarán más calientes que los LED situados en el exterior de dicha placa, con efectos perjudiciales sobre el rendimiento y/o la vida en servicio de los LED situados en el centro.

El calor es generado por los LED en la parte frontal de la placa de circuito impreso donde se sitúan los LED, mientras que las partes destinadas a retirar este calor se sitúan en la parte posterior de la placa de circuito. La propia placa de circuito impreso forma una barrera para la transferencia de calor. Se usan placas de circuito impreso de aluminio más caras para incrementar la conductividad térmica hacia la parte posterior de la placa de circuito.

Ejemplos de estas instalaciones LED incluyen:

los documentos WO 29/67558, US 28/191231, US 22/175621 y US 25/83698 divulgan el uso de elementos de disipador de calor sólidos que se extienden desde las partes posteriores de los LED a través de la placa de circuito sobre la que están montados, de modo que el calor se transfiere de los LED por conducción a través de los elementos del disipador de calor y se disipa en la parte posterior de la placa de circuito;

el documento US 27/145383 divulga una instalación LED con los LED montados por medio de películas de base, sobre una capa de disipador de calor en la parte frontal de la placa de circuito;

el documento WO 2/97884 divulga LED soportados sobre una placa de circuito metálica, con protuberancias en la

parte posterior de la placa de circuito;

el documento US 5.278.432 divulga una matriz de LED soportados sobre un sustrato de disipador de calor, con la opción de un disipador de calor en la parte posterior del sustrato, con flujo de aire forzado.

Todos estos esfuerzos por refrigerar los LED de agrupamiento cercado dan lugar a un incremento en el coste y el factor de forma (es decir, tamaño excesivo) del conjunto de LED.

El documento WO 29/148447 divulga un dispositivo semiconductor de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación

1.

Las presente invención busca proporcionar un conjunto de semiconductores tales como los LED en proximidad cercana sobre una placa de circuito impreso común con una mejora en la refrigeración de los semiconductores/LED, preferentemente obviando la necesidad de un disipador de calor convencional montado en la parte posterior de la placa de circuito y una placa de circuito impreso costosa; y en algunos casos sin la necesidad de inducir flujo de aire forzado.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

De acuerdo con la presente invención se proporciona un dispositivo semiconductor que tiene las características de la reivindicación 1.

Al menos algunos de los semiconductores pueden ser LED y la lámina de sustrato puede ser una placa de circuito Impreso común.

Los elementos térmicamente conductores pueden incluir material de lámina conductora que se extiende entre los LED y las aberturas, extendiéndose dicho material de lámina conductora preferentemente a lo largo de la superficie frontal de la lámina de sustrato.

Al menos algunos de dichos pasos internos pueden tener una orientación que se extiende transversalmente a la lámina de sustrato y al menos algunos de los conductos pueden sobresalir más allá de la superficie posterior de la lámina de sustrato.

El dispositivo puede incluir un ventiladortal como un aventador, configurado para inducir un flujo de aire a través de las aberturas (y a través de los pasos internos de los conductos) en una dirección desde la parte frontal de la lámina de sustrato a la parte posterior de la lámina de sustrato.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para una mejor comprensión de la presente invención y para mostrar cómo se puede llevar a cabo la misma, la invención se describirá ahora a modo de ejemplo no limitante, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

la figura 1 muestra una vista frontal de un conjunto de semiconductor de acuerdo con la presente invención; la figura 2 muestra una vista lateral del conjunto de la figura 1; y

la figura 3 muestra una vista superior detallada de una parte de una placa de circuito impreso del conjunto de semiconductor de la figura 1.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS DIBUJOS

En referencia a los dibujos, se muestra un dispositivo de iluminación o conjunto de semiconductor, que incluye una lámina de sustrato en forma de una placa de circuito impreso (PCB) común 2, que está poblada por una matriz de semiconductores en forma de LED 4, agrupados en proximidad cercana entre si sobre la parte superior de la PCB. La PCB2 es una PCB "común" en el sentido de que está fabricada de un material convencional tal como un laminado dieléctrico/epoxi y puede ser una PCB de dos caras. Se monta una lente 3 sobre la parte superior de cada LED 4 para difundir o dirigir la luz emitida por el LED.

El conjunto se ilustra y se describe por tener una parte superior, parte lateral y parte inferior, pero los expertos en la técnica serán conscientes de que se puede ajustar prácticamente con cualquier orientación y en el presente documento se usan referencias a la "parte superior" y "parte inferior" sólo por motivos de claridad. La parte superior del conjunto se puede denominar en cambio como su "parte frontal" y la parte inferior como su "parte posterior".

Varias aberturas u orificios pasantes 9 se definen en la PCB 2 en los espacios libres entre las lentes 3 y se extienden entre la parte superior de la PCB y la parte inferior y los conductos en forma de tubos de cobre 1 se ajustan dentro de los orificios pasantes 9, cada uno con una orientación de parte superior-parte inferior y están ajustados a presión o soldados sobre la PCB. En lugar de tubos de cobre 1, se pueden usar otros materiales térmicamente conductores, como grafeno. En lugar de tubos de conformación cilindrica 1, se pueden usar conductos con un perfil de sección transversal diferente, o al menos que defina un paso interno con perfil diferente, en especial un perfil con un incremento en el área de superficie interna para mejorar la transferencia de calor y por tanto reducir la longitud del tubo/conducto requerido y por lo tanto mejorar el factor de forma de la instalación. Los tubos de cobre 1 no son necesariamente la elección ideal de conductos y su eficacia de disipación térmica se podría mejorar si tuvieran un área interna mayor, por ejemplo si tuvieran aletas internas, o similares. Sin embargo, los tubos de cobre 1 están fácilmente disponibles, son rentables (en comparación con conductos con protuberancias internas) se pueden soldar fácilmente y tiene un grosor de pared... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo de iluminación semiconductor que comprende:

una lámina de sustrato (2) con una parte frontal (2) y una parte posterior (7) y que define una pluralidad de aberturas (9), extendiéndose cada abertura (9) entre la parte frontal (2) y la parte posterior (7);

una pluralidad de semiconductores (4) soportados en la parte frontal (2) de la lámina de sustrato (2); y elementos térmicamente conductores (1,1) que están en buena comunicación térmica con los semiconductores (4) y con la periferia de las aberturas (9);

caracterizado por que al menos algunos de dichos elementos térmicamente conductores son conductos térmicamente conductores (1) que están dispuestos dentro de las aberturas (9) y sobresalen más allá de la parte frontal (2) de la lámina de sustrato (2) y definen pasos abiertos que se extienden a través de las aberturas entre la parte frontal (2) y la parte posterior (7) de la lámina de sustrato (2) sin obstrucción.

2. Un dispositivo de iluminación como se reivindica en la reivindicación 1, en el que al menos algunos de los semiconductores son LED (4).

3. Un dispositivo de iluminación como se reivindica en la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado por que la lámina de sustrato es una placa de circuito impreso común (2).

4. Un dispositivo de iluminación como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los elementos térmicamente conductores incluyen material de lámina conductora (1) que se extiende entre los semiconductores (4) y las aberturas (9).

5. Un dispositivo de iluminación como se reivindica en la reivindicación 4, caracterizado por que el material de lámina conductora (1) se extiende a lo largo de la parte frontal (2) de la lámina de sustrato (2).

6. Un dispositivo de iluminación como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado por que al menos algunos de dichos pasos tienen una orientación que se extiende transversalmente a la lámina de sustrato (2).

7. Un dispositivo de iluminación como se reivindica en la reivindicación 1 o la reivindicación 6, caracterizado por que al menos algunos de dichos conductos (1) sobresalen más allá de la parte posterior (7) de la lámina de sustrato (2).

8. Un dispositivo de iluminación como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho dispositivo incluye un ventilador (5), configurado para inducir un flujo de aire (6) a través de los pasos abiertos en un sentido desde la parte frontal (2) de la lámina de sustrato (2) a la parte posterior (7) de la lámina de sustrato (2).

9. Un dispositivo de iluminación como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado por que dichos conductos térmicamente conductores (1) son tubos fabricados de cobre o grafeno.

1. Un dispositivo de iluminación como se reivindica en la reivindicación 9, caracterizado por que dichos conductos térmicamente conductores (1) son tubos cilindricos.

11. Un dispositivo de iluminación como se reivindica en la reivindicación 3, caracterizado por que la placa de circuito impreso (2) es un laminado epoxi dieléctrico.