<Desc/Clms Page number 1>
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schal- tung, bei der die Bauteile auf einer zumindest 3-lagigen Lei- terplatte aufgesetzt sind, wobei die erste Lage der Leiter- platte aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist und die Bauteile mit deren Spannungsversorgung verbindet, wo- bei die zweite Lage aus einer Trägerplatte aus organischem Material besteht und wobei die dritte Lage aus gut Wärme lei- tendem Material besteht, wobei weiters die erste und die dritte Lage durch mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier, insbesondere mindestens acht Durchkontaktierungen mit- einander thermisch verbunden sind.
Solch eine Schaltung ist aus der DE 19640435 A1 bekannt.
Gemäss Fig. 1 dieser Schrift besteht die Leiterplatte aus vier Schichten. Auf die oberste Schicht ist der Bauteil aufge- setzt, und die darunter liegenden Schichten haben im Bereich des Bauteils Durchkontaktierungen, die bis zur Unterseite der untersten Schicht reichen. Die oberste Schicht hat keine Durchkontaktierungen. Dies bewirkt zwar einerseits eine elektrische Isolation des Bauteils, bringt aber natürlich auch einen thermischen Übergangswiderstand mit sich. Würde auch die oberste Schicht Durchkontaktierungen aufweisen, so könnte der Bauteil ausserdem nicht gut aufliegen, weil Durch- kontaktierungen immer eine gewisse Unebenheit mit sich brin- gen.
Gemäss den Fig. 2 und 3 dieser Schrift liegt der Bauteil auf einer Fläche 302 auf, und die Durchkontaktierungen befinden sich in einer Fläche 304, welche die Fläche 302 umgibt. Hier gehen die Durchkontaktierungen durch alle Schichten hindurch.
Die Flächen 302 und 304 sind jedoch elektrisch voneinander isoliert, so dass sich auch hier ein thermischer Übergangswi- derstand bildet. Die elektrische Verbindung erfolgt unabhän- gig von der Fläche 302 bzw. den Durchkontaktierungen in der Fläche 304.
Wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung festgestellt wurde, ist dieser thermische Übergangswiderstand jedoch prob-
<Desc/Clms Page number 2>
lematisch, wenn eine LED-Lichtquelle auf diese Art aufgebaut werden soll.
LEDs sind Punktlichtquellen, die mit einer DC-Spannung von 2-4 V betrieben werden können. Bei der Verschaltung der LEDs ist zu berücksichtigen, dass diese aufgrund des negativen thermischen Temperaturkoeffizienten des LED-Halbleitermate- rials strombegrenzt oder besser mit einer Konstantstromquelle betrieben werden. Die Lichtemission der LED steigt weitgehend linear mit dem Betriebsstrom an. Durch Erhöhung des Betriebs- stromes bzw. der Betriebsleistung der LED kann daher deren Helligkeit erhöht werden.
Zur Erzielung von Lichtströmen vergleichbar mit konventio- nellen Leuchtmitteln sind nach dem heutigen Stand der Technik mehrere LEDs notwendig, die entsprechend angeordnet und ver- schaltet werden müssen.
LED-Leuchtmittel werden daher üblicherweise auf PCBs (PCB = printed circuit board, Leiterplatte) aufgebaut, um diese in einer bestimmten Anordnung zueinander zu befestigen und die elektrische Verbindung zwischen LEDs und der Konstantstrom- quelle bzw. der DC-Spannungsversorgung zu gewährleisten. In letzterem Fall wird die Strombegrenzung bzw. Konstantstrom- quelle vorteilhafterweise ebenfalls auf die Leiterplatte as- sembliert.
Im Gegensatz zu Temperaturstrahlern sind die LEDs kalte Lichtquellen, d. h. dass neben der sichtbaren Emission keine Infrarotstrahlung emittiert wird. Eine zu hohe Erwärmung wäh- rend des Betriebes der LEDs führt sogar zu einer Bauteilzer- störung. Aus diesem Grund muss während des Betriebes der LED gewährleistet werden, dass die Temperatur an der Sperrschicht des p-n-Übergangs in der LED nicht über typischerweise 125 C steigt.
Dies kann insofern während des Betriebes der LEDs eintreten, da nur ein Teil der vom Bauelement aufgenommenen elektrischen Leistung in Licht umgesetzt wird, während der andere Teil in Wärme umgewandelt wird (derzeit ist die Leis- tungseffizienz von LEDs < 10%). Die Betriebsparameter von LEDs sind daher in Abhängigkeit von der Art der Assemblie-
<Desc/Clms Page number 3>
rung, der Einbau- und Umgebungsbedingungen derart zu wählen, dass die Sperrschichttemperatur immer unter 125 C bleibt. Im Hinblick auf eine Erzielung langer Lebensdauer sollte diese bei Dauerbetrieb sogar deutlich niedriger liegen. Typischer- weise werden die LEDs auf eine Kontaktstelle mit einer defi- nierten Grösse aufgebracht, und die Betriebsparameter müssen im Wesentlichen auf die von der Kontaktstelle abführbare Verlustleistung ausgerichtet werden.
Dadurch ist einerseits die Betriebsleistung und andererseits die resultierende Hel- ligkeit der LEDs und der gesamten LED-Anordnung limitiert. In der Folge ist auch die erzielbare Leuchtdichte einer Anord- nung limitiert.
Vorteilhafterweise kann die Assemblierung in einer Art durchgeführt werden, dass die PCB, auf welche die LED assemb- liert wird, die Abwärme verteilt, sodass diese schliesslich abgeführt werden kann. Wärme kann durch Strahlung, Konvektion oder Wärmeleitung von der Leiterplatte abgeführt werden bzw. an eine weitere Kühlfläche, die thermisch gut an die PCB an- gekoppelt ist, übertragen werden und das Gesamtsystem durch Konvektion gekühlt werden.
Bei PCB ist Wärmeleitung gegenüber Konvektion und Strahlung der dominierende Effekt und daher besonders sorgfältig zu be- achten.
Um eine gute Wärmeverteilung zu erhalten, müssen hierzu folgende Parameter optimiert werden:
1) Thermische Koppelung der LED an die PCB
2) Gute thermische Leitfähigkeit der PCB
Die Qualität der thermischen Kopplung der LED an die PCB wird im Wesentlichen durch die Art der LED (Materialeigenschaften), deren Dimensionierung (Baugrösse) und deren Bauform (Radial-LED, SMT-LED oder der LED-Die) sowie der Assemblierungsart bestimmt (thermische Leitfähigkeit, Ho- mogenität und Schichtdicke des Lotes bzw. des Klebers).
Um eine Wärmeabführung über die Leiterplatte zu gewährleis- ten, werden typischerweise Leiterplatten mit guter thermi- scher Leitfähigkeit eingesetzt (z. B. Metallkernleiterplatten
<Desc/Clms Page number 4>
bzw. Keramikleiterplatten). Aufgrund deren guten thermischen Leitfähigkeit wird die Wärme von der Kontaktstelle der LED gut über die Leiterplatte verteilt und kann nachfolgend von der gesamten Leiterplatte und nicht nur von den Kontaktstel- len durch Konvektion und Wärmestrahlung abgeführt werden.
Durch die grössere Oberfläche kann eine höhere Kühlleistung erzielt werden, so dass die Betriebsleistung der LED dement- sprechend erhöht werden kann, ohne dass höhere Sperrschicht- temperaturen erreicht werden. Dieser Effekt kann weiter ge- steigert werden, indem die Leiterplatte auf einen geeigneten Kühlkörper thermisch angekoppelt wird, so dass die Verlust- wärme der LEDs auf diesen übertragen werden und die gesamte Oberfläche zur Kühlung verwendet werden kann.
Die Metallkern- und Keramikplatinen besitzen im Vergleich zu den weit verbreiteten organischen PCB einige Nachteile: - Verarbeitbarkeit (Metall) - Sprödigkeit der Keramik - Baugrösse (Keramik) - Thermische Ausdehnung (Metall) - Kosten
Aus diesen Gründen wird für viele Anwendungen bevorzugt eine organische PCB eingesetzt. Diese weist allerdings im Vergleich zu den Metallkern- oder Keramikplatinen (thermischer Wiederstand Keramik, wie Al2O3, ca. 40 K/W, ei- ner Metallkernplatine typisch 45 K/W, einer organischen PCB basierend z. B. auf FR4 ca. 500 K/W) deutlich schlechtere thermische Leitfähigkeit auf, da der Substratträger üblicher- weise auf einem thermisch schlecht leitfähigen Glasfaserträ- ger basiert.
Aus diesem Grund sind in der oben erwähnten DE 19640435 A1 Durchkontaktierungen vorgesehen, die die Wärme auf die Rück- seite der Leiterplatte leiten. Wie oben ausgeführt, ist aber durch die elektrische Isolierung des Bauteils und der schlechten thermischen Leitfähigkeit des Materials der Lei- terplatte der gesamte thermische Widerstand vom Bauteil bis zur Rückseite der Leiterplatte relativ hoch.
<Desc/Clms Page number 5>
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass sie auch den Anforderungen gerecht wird, die bei einer LED-Lichtquelle zu erfüllen sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung der eingangs ge- nannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die elektri- sche Schaltung eine LED-Lichtquelle ist und die Bauteile LEDs sind, die auf Kontaktflächen aufgesetzt sind, dass diese Kon- taktflächen eine grössere Fläche aufweisen als die Grundfläche der LEDs und dass die Durchkontaktierungen innerhalb der Kon- taktflächen, aber ausschliesslich neben den LEDs angeordnet sind.
Erfindungsgemäss sind also die Kontaktflächen grösser als die Grundflächen der LEDs, und die Durchkontaktierungen liegen alle in dem Bereich ausserhalb der Grundflächen der LEDs. Da- mit liegen die LEDs plan auf (unter ihnen gibt es keine Durchkontaktierungen), was für einen geringen thermischen Wi- derstand günstig ist. Die Durchkontaktierungen gehen direkt (ohne elektrische Isolation) von den Kontaktflächen aus, so dass auch hier der thermische Widerstand minimal ist. Es ist bei LED-Lichtquellen leicht möglich, dass ein Pol von einigen (oder auch allen) LEDs auf demselben elektrischen Potenzial liegt. Es ist daher bei dem erfindungsgemässen Aufbau möglich, auch ohne elektrische Isolation grosse metallische Flächen auf der Rückseite vorzusehen.
Für einen möglichst geringen thermischen Widerstand ist es günstig, dass die Durchkontaktierungen direkt neben der Un- terseite der LEDs lokalisiert sind.
Weiters ist es im Hinblick auf eine gute thermische Leitfä- higkeit zweckmässig, dass die Fläche der Durchkontaktierungen mit einer Schichtdicke von zumindest 5 um, vorzugsweise zu- mindest 25 um, metallisiert ist.
Die Metallisierungen können in Kupfer ausgeführt sein, sie können aber auch Gold als oberste Lage aufweisen. Beide Me- talle sind sehr gute Wärmeleiter.
<Desc/Clms Page number 6>
Die Durchkontaktierungen weisen typischerweise einen Durch- messer zwischen 0,05 mm und 1 mm auf.
Zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit können die Durchkontaktierungen weitgehend mit einem gut Wärme leitenden Material, zum Beispiel mit Metall, gefüllt sein.
Derartige Leiterplatten können auch im Hochleistungsbereich verwendet werden, bei welchem ansonsten nur thermisch hoch- leitende Leiterplatten (siehe oben) eingesetzt werden können.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist daher vorgese- hen, dass die Betriebsleistungsdichte der LEDs grösser als 200 mW/cm2ist.
Zur Abfuhr der Wärme von der Rückseite der Leiterplatte kann die Rückseite der Leiterplatte an einen Kühlkörper ther- misch gekoppelt sein.
Es können zusätzlich zu LEDs auch andere Bauteile auf der Leiterplatte angeordnet sein, wobei nur die Kontaktflächen der LEDs Durchkontaktierungen aufweisen. Diese anderen Bau- teile werden normalerweise die zum Betrieb notwendigen Strom- quellen sein. Da bei diesen die thermischen Probleme nicht so gravierend sind, benötigen diese in der Regel auch keine Durchkontaktierungen.
Die Bauteile können auf der Leiterplatte angeklebt oder verlötet sein. Für einen geringen thermischen Widerstand sollte das Befestigungsmaterial (der Kleber) eine hohe ther- mische Leitfähigkeit aufweisen, was durch Beigabe von beson- ders gut Wärme leitendem Material erreicht werden kann.
Bevorzugt werden GaN- oder AlInGaP-LEDs als Bauteile einge- setzt. Mit diesen kann eine hohe Lichtausbeute auf kleinstem Raum erzielt werden.
Dadurch, dass die Wärme durch die Leiterplatte hindurch ab- geführt wird, ist es möglich, über den LEDs eine Vergussmasse und/oder eine Linse anzuordnen, ohne dass es dadurch zu einem Hitzestau kommen kann, selbst bei sehr hohen Leuchtdichten.
Schliesslich ist es zweckmässig, wenn zur Erhöhung der Licht- reflexion ein weisser Lötstopplack abseits der Kontaktflächen auf die Vorderseite der Leiterplatte aufgebracht ist.
<Desc/Clms Page number 7>
Anhand der beiliegenden Zeichnung wird die vorliegende Er- findung näher erläutert. Die einzige Zeichnung zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemässen Schaltung.
Es ist eine Trägerplatte 1 aus organischem Material vorge- sehen. Diese Trägerplatte 1 ist beidseitig Kupfer-kaschiert, das heisst sie weist unten eine Kupferschicht 2 und oben Lei- terbahnen 3,4 auf. Die Leiterbahn 3 weist eine Verbreiterung auf, die als Kontaktfläche 5 für eine LED 6 (Led-Die) dient.
Der zweite Pol der LED 6 ist über einen Bond-Draht 8 mit der Leiterbahn 4 verbunden.
Von der Kontaktfläche 5, in dem Bereich ausserhalb der LED 6, führen metallisierte Durchkontaktierungen 7 zur Kupfer- schicht 2 auf der anderen Seite der Trägerplatte 1.
Die Abbildung zeigt nur einen Ausschnitt aus einer erfin- dungsgemässen Schaltung. Tatsächlich wiederholt sich die dar- gestellte Anordnung mehrmals in Längsrichtung und/oder in Querrichtung.
Im bevorzugten Fall der Erfindung handelt es sich also um eine 3-lagige Platine (Kupfer/Kunststoffträger/Kupfer). Auf der Vorderseite der Trägerplatte 1 sind die LEDs auf den Kon- taktflächen 5 aufgesetzt. Auf der Rückseite der Trägerplatte 1 befinden sich ausgedehnte Kupferflächen (Kupferschicht 2).
Von den Kontaktflächen 5 wird die während des Betriebes ent- stehende Verlustwärme der LEDs 6 auf die Rückseite abgeführt.
Dort wird die Wärme gleichmässig verteilt und kann schliesslich abgeführt werden.
Falls diese Oberfläche zur Kühlung nicht ausreicht, kann die Wärme durch thermische Ankoppelung an einen anderen Kör- per weitergeleitet und durch die grössere Oberfläche effekti- ver gekühlt werden (Einsatz im Hochleistungsbereich). Optio- nal ist zum Schutz der Leiterplatte ein- oder beidseitig ein elektrisch isolierender Lötstopplack appliziert. Aufgrund seiner geringen Schichtdicke behindert dieser die Wärmeabfuhr nur in geringem Masse.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, bei denen die Küh- lung der LEDs durch ausreichend dimensionierte Kontaktstellen
<Desc/Clms Page number 8>
erzielt wird, können die Kontaktstellen der LEDs deutlich kleiner dimensioniert werden, da die Kühlung über die Rück- seite der Leiterplatte realisiert wird. Derart können die Ab- stände zwischen den LEDs - speziell bei Anordnungen von Ra- dial- und SMD-LEDs - verringert werden und somit deutlich hö- here Packungsdichten realisiert werden.
Da die gleichmässige Kühlung der LEDs über die Rückseite durchgeführt wird, können die zum stabilen Betrieb der LEDs notwendigen Strombegrenzungsbausteine vorteilhafterweise ebenfalls auf derselben Leiterplatte in unmittelbarer Nähe zu den LEDs angeordnet werden.
Speziell für den Einsatz von LEDs ist weiters zu berück- sichtigen, dass eine gleichmässige Temperierung der LEDs, wie diese mit der PCB gegenständlicher Erfindung erreicht wird, sowohl für die Lebensdauer als auch für die Helligkeit und Effizienz der LEDs wichtig sind. Die Leistungsparameter der LEDs nehmen typischerweise signifikant mit der Temperatur ab.
Parameter einer konkreten LED-Lichtquelle:
Platinengrösse : 10 x 10 mm; Dicke : 1 mm
Aufbau : Cu/FR4/Cu
Rückseite vollflächig Kupfer
Vorderseite Kupferpad = 3 x 3 mm2
Wärmeleitfähigkeit : 0,2 W/mK
Leiterbahnen : Dicke 50 um
Material : Kupfer
Wärmeleitfähigkeit : 390 W/mK
Durchkontaktierungen : Innendurchmesser 0,508 mm; Kupferdi- cke 20 um
Wärmeleitfähigkeit : 390 W/mK
Die : GaN 340 um x 340 um
Umgebungstemperatur 45 C Zugeführte Leistung : mW
Wärmeübergangskoeffizient : 18 W/m2K
1) ohne Durchkontaktierungen
Max. Temperatur am Ort des Dies... 134 C
<Desc/Clms Page number 9>
Max. Temperatur auf der Platine ... 120 C
2) mit 1 Durchkontaktierung
Max. Temperatur am Ort des Dies ... 99 C
Max. Temperatur auf der Platine ... 85 C
3) mit 2 Durchkontaktierungen
Max. Temperatur am Ort des Dies ... 89 C
Max.
Temperatur auf der Platine ... 75 C
4) mit 4 Durchkontaktierungen auf den Ecken des Pads
Max. Temperatur am Ort des Dies ... 84 C
Max. Temperatur auf der Platine ... 70 C
5) zum Vergleich
Max. Temperatur auf der Platine: A1203 Platine ... 69 C
A1N Platine... 62 C rein Kupfer... 61 C
Obiges Ausführungsbeispiel verdeutlicht, dass mit den PCBs gegenständlicher Erfindung aufgrund der guten Temperaturverteilung die maximalen Temperaturwerte an der Position der LEDs nur unwesentlich höher liegt als bei den thermisch gut leitenden Al2O3 Platinen.