AT513780B1 - Kühlvorrichtung für eine LED - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine auf einer Leiterplatte (2) montierten LED (1). Zur Verbesserung der Kühlung ist vorgesehen, dass die Leiterplatte (2) im Bereich der LED (1) an ihrer Rückseite verdünnt ausgebildet ist, und dass mittels eines wärmeleitenden Materials (3) Kontakt zu einem auf der Rückseite der Leiterplatte (2) angeordneten Kühlkörper ( 4) besteht. Die Verdünnung kann beispielsweise durch mechanisches oder chemisches Abtragen, oder durch sukzessives Aufbringen von Prepregs unterschiedlicher Dicke und unterschiedlicher Geometrie entstehen. Das Wärme leitende Material kann beispielsweise eine Wärmeleitpaste oder ein weiches, plastisch verformbares Material, ein s.g. Gap-Filler, sein.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine LED entsprechend dem Oberbegriffdes Anspruches 1. Anders betrachtet, betrifft die Erfindung eine auf einer Leiterplatte aufge¬brachte LED mitsamt ihrer Kühlvorrichtung.

[0002] Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der WO 2006/105638 bekannt: Ein LEDist auf einer Leiterplatte montiert, die auf einer gelochten Tragplatte sitzt, wobei das Loch imBereich des bzw. der LED(s) vorgesehen ist. Durch das Loch ragt ein spezieller Kopf einerKühlvorrichtung, der mit der Unterseite der Leiterplatte in innigem, wärmeleitendem, Kontaktsteht.

[0003] Die US 2002/0175621 offenbart eine thermisch gleichartige Lösung, bei der aber dieLEDs nicht auf einer Leiterplatte sitzen, sondern diskret verkabelt sind.

[0004] Aus der EP 1 806 789 ist eine extrem komplex aufgebaute Tragplatte mit innerer Ver¬drahtung bekannt, an deren Rückseite eine Wärmeableitplatte mit wesentlich größerer Flächeals die Tragplatte aufweist, vorgesehen ist.

[0005] Die US 2011/163348 offenbart eine äußerst komplex aufgebaute Tragplatte, derenGrundlage eine dreidimensional geformte Wärmeleitplatte ist, auf der die LEDs sitzen, die disk¬ret verkabelt werden müssen, da die Tragplatte keine Leiterplatte ist.

[0006] Direkt auf Leiterplatten, auch Leiterkarten genannt, aufgesetzte LEDs bilden heiße Stel¬len, s.g. Hotspots, da auf extrem kleiner Fläche eine doch merkliche Wärmemenge übertragenwerden muss. Dies macht es notwendig, in einem Bereich möglichst knapp am LED eineSchichte gut wärmeleitenden Mediums anzubringen, das an passender, möglichst nahe liegen¬der Stelle mit einer Kühlvorrichtung, meist in Form von Kühlrippen oder anderer Vergrößerungder abstrahlenden Oberfläche, versehen ist. Dies ist räumlich aufwändig und behindert insbe¬sondere die Anordnung der verschiedenen elektronischen Bauteile, insbesondere weitererLEDs auf der Leiterplatte.

[0007] Die Erfindung hat das Ziel, dieses Problem zu lösen und eine Kühlvorrichtung anzuge¬ben, die die auftretenden Wärmemengen zuverlässig und ohne hohe Temperaturgradienten zuverursachen abführt, und dabei doch Platz sparend auf der Leiterplatte ist.

[0008] Dies wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmaleerreicht; mit anderen Worten, es wird die Leiterplatte im Bereich der LED von ihrer Rückseiteher verdünnt, beispielsweise mechanisch oder chemisch abgetragen, bis nur mehr eine extremdünne, elektrisch isolierende Schicht bestehen bleibt, und es wird sodann mittels eines wärme¬leitenden Materials, beispielsweise einer sogenannten Wärmeleitpaste, großflächiger Kontaktzu einem auf der Rückseite der Leiterplatte angeordneten Kühlkörper hergestellt.

[0009] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese stellt,rein schematisch, einen Querschnitt durch eine Leiterplatte samt LED dar.

[0010] Dabei ist die LED 1 samt ihrer Trag- und Kontaktplatte auf eine Leiterplatte 2 gelötetbzw. geklebt. Im Bereich um die LED 1 herum weist die Leiterplatte 2 eine extrem reduzierteDicke auf, dies ist in der Figur durch einen dicken Strich, statt eines richtiggehenden Schnittes,angedeutet.

[0011] Im Bereich dieser Vertiefung und bevorzugt auch im benachbarten Gebiet, soweit es fürdie Wärmeübertragung bedeutsam ist, wird eine Schicht aus gut wärmeleitenden Material 3,beispielsweise aus Wärmeleitpasta herkömmlicher Art, aufgebracht und ein Kühlkörper 4 flächigmit diesem Wärmeleitmedium 3 in Kontakt gebracht und an der Leiterplatte 2 fixiert. Dies kannim Falle klebender Leitpasten durch diese selbst geschehen. Auch ist es möglich, als wärmelei¬tendes Medium weiche, plastisch verformbare Materialien, s.g. Gap-Filler, zu verwenden. DieseMaterialien eignen sich besonders für kleine Serien, wo eine Investition in Dosiereinrichtung fürwärmeleitende Paste nicht wirtschaftlich wäre. Das Material ist als Knetmasse aber auch vorge¬formt auf Trägerfolie verfügbar. Insbesondere die Gap-Filler auf Trägerfolien erlauben einen manuellen Produktionsanlauf und eine spätere Automatisierung der Bestückung mit ansteigen¬dem Produktionsvolumen.

[0012] Da somit sowohl eine sehr großflächige Ableitung zur Verfügung steht als auch dieDicke der verbleibenden Leiterplatte, insbesondere bei Großserienfertigung, sehr gering gehal¬ten werden kann, was einen kurzen „Transportweg“ für die Wärme bedeutet, wird eine hervor¬rage Wärmeableitung erzielt. Da diese auf die Rückseite der Leiterplatte 2 erfolgt, werden dieauf der Vorderseite der Leiterplatte aufgebrachten elektronischen Bauteile nicht beeinträchtigtund können vom entwickelnden Fachmann ohne durch Kühlkörper beeinträchtigt zu werden,angeordnet werden.

[0013] Die Vertiefungen bzw. Ausnehmungen in der Leiterplatte 2 im Bereich der LED 1 könnenbei einem Sandwichaufbau aus unterschiedlich dicken Prepregs (preimpregnated fibers) herge¬stellt werden. Dabei wird unter der Kupferfolie, aus der die Leiterbahnen entstehen, die erstePrepreg Schicht mit einer Stärke von bevorzugt ca. 0,2 mm gelegt und darunter eine dickerePrepreg Schicht, die zwischen 0,8 und 1,3 mm Dicke aufweist. Die dickere Schicht weist an denStellen, an denen LEDs vorgesehen sind, durchgehende Ausnehmungen auf, die beispielswei¬se durch Stanzen hergestellt werden können. Es ist daher bei der fertiggestellten Leiterplattejede gewünschte Verdünnung bereits vorgesehen, dort besteht die Leiterplatte nur aus derersten, dünnen, Schicht. Die Ausnehmung ist der Form und Größe nach an die jeweilige Konturder LED angepasst und in weiten Grenzen wählbar. Dieses Lochbild wiederholt sich natürlich inder abschließenden Kupferschicht. Wenn mehrere Schichten für den Aufbau herangezogenwerden, so müssen alle weiteren Schichten, die auf der Rückseite der bisher beschriebenenLeiterplatte aufgebracht werden, das gleiche Lochbild aufweisen.

[0014] Wenn die Erfindung bei kleineren Stückzahlen, so genannten Kleinserien, angewandtwerden soll, so ist es in vielen Fällen kaufmännisch vorteilhaft, von herkömmlichen, durchge¬hend gleich dick ausgebildeten Leiterplatten auszugehen und diese von der Rückseite hermechanisch an den passenden Stellen zu verdünnen, dies kann durch spanende Bearbeitung,beispielsweise HSC (high speed cutting) erfolgen, dabei sind Restdicken von etwa 0,2 mm, wieoben erwähnt, erzielbar.

[0015] Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel be¬schränkt, sondern kann verschiedentlich abgewandelt werden. So können, wenn mehrere LEDsin einem Array vorgesehen sind, die Ausnehmungen entsprechend angepasst werden und eskann ein gemeinsamer Kühlkörper vorgesehen sein, dessen Handling leichter ist, als das Hand¬ling einer Vielzahl von unter Umständen sogar unterschiedlichen Kühlkörpern. Wenn die Kühl¬körper nicht Kreissymmetrie besitzen, was für das Einsetzen optimal ist, ist es vorteilhaft, ihnenFormen zu geben, die ein falsches Einsetzen verhindern.

[0016] Als Materialen bieten sich alle schon derzeit im Stand der Technik verwendeten Materia¬lien an. Das ist ein weiterer Vorteil der Erfindung. Kupfereinsätze können nur in Materialien mithoher Festigkeit eingesetzt werden, wie z.B. FR4 (glasfaserverstärktes Epoxidharz). Eine direk¬te Kühlung eines Bauteils nach dem Prinzip der Erfindung kann in jedem weiteren Leiterplat¬tenmaterial - FR1, FR2, FR3, FR5, Teflon, CEM-1, Keramik, um nur einige Beispiele zu nennen- realisiert werden. Eine breite Palette an Leiterplattenmaterialien, die im Sinne der Erfindungverwendet werden können, ist in einschlägigen Standards, wie EN60839 (EU) oder NEMA(USA), angegeben.

Claims (3)

1. Patentansprüche 1. Kühlvorrichtung für eine auf einer Leiterplatte (2) montierte LED (1), dadurch gekenn¬zeichnet, dass die Leiterplatte (2) im Bereich der LED (1) an ihrer Rückseite verdünnt, bei¬spielsweise mechanisch oder chemisch abgetragen ist, und dass mittels eines wärmelei¬tenden Materials (3), beispielsweise einer Wärmeleitpaste, Kontakt zu einem auf der Rück¬seite der Leiterplatte (2) angeordneten Kühlkörper (4) besteht.
2. 2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) imverdünnten Bereich der LED (1) eine Stärke von 0,2 mm bis 1,0 mm aufweist.
3. 3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Stelleder Leiterplatte (2) durch sukzessives Aufbringen von Prepregs unterschiedlicher Dickeund unterschiedlicher Geometrie entsteht. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen