DE102004044149A1 - Hochleistungs-Leuchtdiodenvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf gehäuste integrierte Schaltungen und insbesondere auf Hochleistungs-LEDs.
- Leuchtdioden (LEDs) werden aus Verbund-Halbleitermaterialien hergestellt, die die Eigenschaft aufweisen, Licht zu emittieren, wenn sie mit einem Vorwärtsstrom vorgespannt werden. LEDs werden weit verbreitet als Indikatoren oder Anzeigen in verschiedenen Typen von Geräten eingesetzt. Historisch gesehen haben LEDs einen relativ geringen Lichtpegel verglichen mit anderen Lichtquellen emittiert und waren nur für Innenanwendungen geeignet.
- Jüngste Fortschritte in der Forschung bei Verbund-Halbleitermaterialien haben neue LEDs ergeben, die sehr hohe Lichtpegel emittieren. Beispiele dieser neuen LED-Materialien sind Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid (AlInGaP) und Indium-Gallium-Nitrid (InGaN). Diese LEDs mit großer Helligkeit haben zu neuen LED-Vorrichtungen geführt, die geeignet für Anwendungen in Gebieten, wie z. B. Außenvideoanzeigen, Automobilsignalen, Verkehrssignalen und Beleuchtung, sind.
- Die hohe Ausgabe, die bei diesen Vorrichtungen erzielt wird, ist das Ergebnis wirksamer Halbleitermaterialien sowie davon, dass die LEDs mit sehr hohen Vorwärtsströmen getrieben werden. Treiberströme im Bereich von Hunderten oder Tausenden von Milliampere (mA) werden oftmals eingesetzt. Leider erzeugen derartige hohe Treiberströme übermäßig viel Wärme. Da die Wirksamkeit einer LED bei diesen hohen Temperaturen abnimmt, beginnt die Lichtausgabe abzufallen. Zusätzlich beginnt die Häusung der Vorrichtungen aufgrund der lang andauernden Aussetzung gegenüber erhöhten Temperaturen durchzubrechen. Derartige Häusungsfehler begrenzen die Nutzlebensdauer der Vorrichtung. Eine Anzahl von Vorrichtungsgehäusen wurde vorgeschlagen; keines derselben bietet jedoch eine ausreichende Wärmedissipierung für die Stromerzeugung von Hochleistungs-LEDs.
- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schaltungselement mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch ein Schaltungselement gemäß Anspruch 1 gelöst.
- Die vorliegende Erfindung umfasst ein Schaltungselement, das einen wärmeleitenden Körper, der eine obere und eine untere Oberfläche aufweist, und einen Chip aufweist, auf dem sich eine elektronische Schaltung befindet. Der Chip umfasst einen ersten und einen zweiten Kontaktpunkt zur Leistungsversorgung der elektronischen Schaltung. Der Chip befindet sich in einem thermischen Kontakt mit dem wärmeleitenden Körper, wobei der Chip eine untere Oberfläche aufweist, die kleiner als die obere Oberfläche des wärmeleitenden Körpers ist. Eine erste Leiterbahn, die aus einem elektrisch leitenden Material aufgebaut ist, das an der oberen Oberfläche des wärmeleitenden Körpers angebracht ist und elektrisch von demselben isoliert ist, ist mit dem ersten Kontaktpunkt durch einen elektrisch leitenden Pfad verbunden, der vorzugsweise eine Drahtbondverbindung ist. Eine Einkapselungsabdeckung deckt den Chip und den ersten elektrisch leitenden Pfad. Die erste Leiterbahn weist einen ersten Abschnitt, der sich außerhalb der Einkapselungsabdeckung erstreckt, und einen zweiten Abschnitt auf, der durch die Einkapselungsabdeckung bedeckt ist. Der wärmeleitende Körper ist vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium aufgebaut und umfasst einen Hohlraum, der eine Öffnung an der ersten Oberfläche aufweist, in der der Chip angebracht ist. Der Chip umfasst vorzugsweise eine lichtemittierende Vorrichtung, die Licht in eine Richtung emittiert, die weg von der oberen Oberfläche zeigt, wobei die Einkapselungsabdeckung optisch durchlässig für das emittierte Licht ist. Die Ein kapselungsabdeckung kann einen Damm umfassen, der den Chip umgibt, wobei der Damm mit einem klaren Einkapselungsmaterial gefüllt ist.
- Die erste Leiterbahn umfasst vorzugsweise eine Lötmittelkugel an dem ersten Abschnitt derselben. Das Schaltungselement kann eine zweite Leiterbahn zur Herstellung der Verbindung zu dem zweiten Kontaktpunkt auf dem Chip umfassen. Alternativ kann die zweite Verbindung durch den wärmeleitenden Chip selbst hergestellt werden. Eine zweite Lötmittelkugel ist vorzugsweise auf der zweiten Leiterbahn oder dem wärmeleitenden Körper platziert, um eine elektrische Verbindung zu dem zweiten Kontaktpunkt des Chips zu liefern. Eine dritte Lötmittelkugel ist vorzugsweise auf der oberen Oberfläche des wärmeleitenden Körpers an einem Ort vorgesehen, der nicht kollinear zu der ersten und der zweiten Lötmittelkugel ist. Die Lötmittelkugeln liefern einen Mechanismus zum Koppeln des Schaltungselements mit einer gedruckten Schaltungsplatine sowie zum Bereitstellen von Leistung an den Chip. Um eine Wärmeübertragung von dem wärmeleitenden Körper weiter zu erleichtern, kann die untere Oberfläche des wärmeleitenden Körpers Rippen oder andere Merkmale zum Erhöhen der Oberflächenfläche der unteren Oberfläche relativ zu der oberen Oberfläche des wärmeleitenden Körpers umfassen.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Querschnittsansicht einer gehäusten LED gemäß einem Entwurf des Stands der Technik; -
2 eine Querschnittsansicht der gehäusten LED aus1 , die an einer typischen gedruckten Schaltungsplatine (PCB) angebracht ist; -
3A eine Draufsicht einer LED-Vorrichtung; -
3B eine Querschnittsansicht durch eine Linie341 –342 der LED-Vorrichtung aus3A ; -
3C eine Draufsicht eines Substrats361 , die die Art und Weise darstellt, wie eine LED-Vorrichtung auf einem Substrat, wie z. B. einer PCB, angebracht ist; -
3D eine Querschnittsansicht durch eine Linie351 –352 der LED-Vorrichtung aus3C ; -
4 eine Querschnittsansicht einer LED-Vorrichtung mit einer größeren Oberflächenfläche gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
5 eine Querschnittsansicht einer LED-Vorrichtung, die einen Reflektor liefert, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
6A eine Draufsicht einer LED-Vorrichtung; -
6B eine Querschnittsansicht der LED-Vorrichtung aus6A durch eine Linie751 –752 ; und -
7 eine Querschnittsansicht eines Arrays von LED-Vorrichtungen, die eine einzelne Wärmesenke gemeinschaftlich verwenden, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. - Die Art und Weise, wie die vorliegende Erfindung ihre Vorteile erzielt, ist Bezug nehmend auf die
1 und2 besser verständlich, die die Art und Weise darstellen, wie eine Klasse einer LED des Stands der Technik eine Wärmedissipierung schafft. Es wird Bezug auf1 genommen, die eine Querschnittsansicht einer gehäusten LED gemäß einem Entwurf des Stands der Technik ist. Eine LED100 ist in einem Hohlraum eines Substrats102 unter Verwendung eines leitfähigen Mediums104 angebracht. Ein erster Bonddraht106 verbindet einen Anschluss der LED100 elektrisch mit einem elektrischen Kontakt110 , während einer zweiter Bonddraht108 elektrisch einen zweiten Anschluss der LED100 mit einem weiteren elektrischen Kontakt112 verbindet. Ein Einkapselungskörper114 schließt die LED, die Bonddrähte, das Substrat und die Kontakte im wesentlichen ein, um einen Schutz für die LED bereitzustellen. - Nun wird Bezug auf
2 genommen, die eine Querschnittsansicht der gehäusten LED aus1 ist, die an einer typischen gedruckten Schaltungsplatine (PCB)116 angebracht ist. Die Basis des Substrats102 ist an einer PCB116 angebracht, so dass dieselbe in direktem Kontakt mit der PCB116 steht. Ein elektrischer Kontakt110 ist elektrisch mit der Leiterbahn118 der PCB über ein elektrisch leitfähiges Medium120 verbunden, während der andere elektrische Kontakt112 elektrisch mit einer Leiterbahn122 der PCB über ein elektrisch leitfähiges Medium124 verbunden ist. Üblicherweise wird Lötmittel für diese Verbindungen verwendet. Die in der LED100 erzeugte Wärme wird durch das Substrat102 zu der PCB geleitet. - Die LED-Vorrichtung in
1 weist viele Nachteile auf. Die Fähigkeit des Substrats102 , als eine Wärmesenke und ein Wärmeübertragungskanal zu wirken, hängt z. B. von der Größe des Substrats ab. Da die elektrischen Kontakte an den Seiten des Substrats die Standfläche der Vorrichtung erhöhen, ohne zusätzliche Oberflächenfläche zur Wärmeleitung bereitzustellen, können diese Vorrichtungen keine Wärmesenken beinhalten, die so groß sind wie die Standfläche der Vorrichtung. Dies bedeutet, dass die laterale Größe der Wärmesenke immer kleiner als die Gesamtstandfläche der Vorrichtung ist. Ferner gibt es eine Grenze dafür, wie hoch oder dick das Substrat sein kann, ohne dass die Vorrichtungsentwurfskomplexität erhöht werden muss. So ist die Fähigkeit des Substrats, als eine Wärmesenke zum zeitweili gen Absorbieren von Wärme von der LED zu wirken, eingeschränkt. - Vorrichtungen des Stands der Technik versuchen, die Einschränkungen der Substratgröße zu überwinden, indem sie auf einer sekundären Wärmesenke in der Form der PCB
116 beruhen, um ein Wegleiten der Wärme von der LED zu unterstützen, und so den Temperaturanstieg, dem die LED unterzogen wird, einzuschränken. Diese Lösung bewegt das Wärmedissipierungsproblem zu der PCB. Um eine angemessene Wärmeleitung und -ableitung bereitzustellen, wird oftmals eine Metallkern-PCB mit einer bestimmten Vorkehrung zum Übertragen der Wärme an die umgebende Luft benötigt. Da die Kosten derartiger Metallkern-PCBs wesentlich größer als die Kosten üblicherer Glasepoxid-PCBs sind, erhöht diese Lösung die Kosten der letztendlichen Schaltung, die die LED verwendet, wesentlich. Zusätzlich erhöht diese Lösung die Entwurfskomplexität der letztendlichen PCB, da die PCB angeordnet sein muss, um die Wärme zu dissipieren, ohne andere Komponenten auf der PCB übermäßigen Temperaturen auszusetzen. - Zusätzlich erfordern diese Lösungen des Stands der Technik einen guten Kontakt zwischen der PCB und dem Substrat
102 . Die Koplanarität unter den Anschlussleitungen110 und112 und dem Substrat102 kann ein Erzielen eines angemessenen thermischen Kontakts schwierig machen. Selbst wenn eine Schicht Wärmekleber verwendet wird, um einen guten Kontakt zu gewährleisten, liegen dennoch Luftzwischenräume oder Leerräume zwischen der Vorrichtung und der anbringenden PCB vor. Ferner können derartige Wärmekleberschichten auch den Wärmefluss einschränken. Schließlich erhöht der Wärmekleber ferner die Kosten und Komplexität der Anordnung der letztendlichen PCB. - Die vorliegende Erfindung liefert eine Hochleistungs-LED-Vorrichtung, die eine ausreichende Wärmeableitfähigkeit aufweist, um Fluktuationen bei der aus der LED abgegebenen Wärme zu absorbieren. Zusätzlich dissipiert die vorliegende Erfindung Wärme, ohne auf sekundären Wärmesenken zu beruhen. Im folgenden wird Bezug auf die
3A –3D genommen, die eine LED-Vorrichtung300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen.3A ist eine Draufsicht der LED-Vorrichtung300 und3B ist eine Querschnittsansicht durch eine Linie341 –342 aus3A . Die LED-Vorrichtung300 weist einen Körper301 mit einer ersten Oberfläche302 und einer zweiten Oberfläche304 auf der gegenüberliegenden Seite auf. Eine Schaltungsleiterbahn, die elektrische Kontakt306 und308 auf einer Dünnfilmschicht310 aufweist, ist an der Oberfläche302 angebracht. Die Schaltungsschicht weist eine Öffnung312 in der Mitte auf, die Zugang zu der Oberfläche302 liefert. Eine LED314 ist an der Oberfläche302 unter Verwendung eines Haftmittels316 angebracht. Elektrische Verbindungen mittels Bonddrähten318 und320 verbinden die LED mit den elektrischen Kontakten306 und308 . Lötmittelhöcker322 und324 werden dann auf einem Abschnitt der elektrischen Kontakte306 und308 aufgebracht. Die LED und die Bonddrähte und ein Abschnitt der elektrischen Kontakte sind in einem optisch klaren Material326 eingekapselt. - Um die Drahtbondverbindungsoperation zu erleichtern, umfassen die Leiterbahnen
306 und308 vorzugsweise eine T-förmige Region, wie bei331 in3A gezeigt ist. Diese vergrößerte Fläche reduziert die bei dem Drahtbondverbindungsvorgang erforderliche Genauigkeit. - Im folgenden wird Bezug auf die
3C und3D genommen, die die Art und Weise darstellen, wie die LED-Vorrichtung300 auf einem Substrat361 , wie z. B. einer PCB, angebracht ist.3C ist eine Draufsicht des Substrats361 und3D ist eine Querschnittsansicht durch eine Linie351 –352 . Das Substrat361 umfasst eine Öffnung370 , durch die die LED314 zu sehen ist. Das Substrat361 umfasst außerdem zwei Leiterbahnen, bei371 und372 gezeigt, die positioniert sind, um eine Verbindung zu den Lötmittelhöckern322 und324 herzustellen. - Die LED-Vorrichtung
300 ist über Leiterbahnen371 und372 durch eines einer Vielzahl von Verfahren mit dem Substrat361 verbunden. Wärme kann z. B. an das Substrat361 angelegt werden, die ausreicht, um zu bewirken, dass das Lötmittel aufschmilzt und die Verbindungen zwischen der LED-Vorrichtung300 und dem Substrat361 herstellt. Bei einem weiteren Beispiel kann das Lötmittel vor der Platzierung der Vorrichtung300 auf die PCB aufgebracht werden und die Anordnung nachfolgend aufgeschmolzen werden. Zusätzlich kann ein elektrisch leitfähiges Haftmittel, wie z. B. Epoxid, Silikon oder ein geeigneter Kunststoff, zur Durchführung der Anbringung verwendet werden. Ein derartiges Haftmittel kann entweder durch Wärme oder durch andere Mittel, wie z. B. Belichtung mit Ultraviolett- (UV-) Licht, ausgehärtet werden. - Ein Körper
301 dient zwei Funktionen. Erstens wirkt der Körper301 als eine Wärmesenke, die Wärmefluktuationen puffert. Die Oberfläche304 dissipiert Wärme zu der umgebenden Luft. Der Körper301 ist vorzugsweise aus einem Metall, wie z. B. Kupfer oder Aluminium, hergestellt, um eine hohe Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen. Da die Oberfläche304 so groß wie die Standfläche der Vorrichtung ist, liefert dieses Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im wesentlichen eine größere Wärmeübertragungsfläche als oben erläuterte Vorrichtungen des Stands der Technik. - Es wird angemerkt, dass die Wärmeübertragungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung durch ein Einschließen einer Oberfläche, die eine größere Oberflächenfläche aufweist, anstelle der Oberfläche
304 verbessert werden kann. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in4 gezeigt, die eine Querschnittsansicht einer LED-Vorrichtung400 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Im Aufbau ähnelt die LED-Vorrichtung400 der oben erläuterten LED-Vorrichtung300 , mit Ausnahme der zweiten Oberfläche des Vorrichtungskörpers. Die LED-Vorrichtung400 weist einen Körper401 mit einer ersten Oberfläche402 und einer zweiten Oberfläche404 auf der gegenüberliegenden Seite auf. Eine Schaltungsleiterbahn, die aus elektrischen Kontakten406 und408 auf einer Dünnfilmschicht410 besteht, ist an der ersten Oberfläche des Körpers angebracht. Die Schaltungsschicht weist eine Öffnung in der Mitte auf, um Zugang zu der Oberfläche402 zu liefern. Eine LED414 ist an der Oberfläche402 unter Verwendung einer Haftschicht angebracht. Elektrische Verbindungen mittels Bonddrähten418 und420 verbinden die LED mit den elektrischen Kontakten406 und408 . Lötmittelhöcker422 und424 werden dann an einem Abschnitt der elektrischen Kontakte406 und408 aufgebracht. Die LED und die Bonddrähte und ein Abschnitt der elektrischen Kontakte sind in einem optisch klaren Material426 eingekapselt. Anstelle eines planaren Profils weist die Oberfläche404 eine rippenartige, stegartige oder stumpfartige Form auf, um eine Wärmedissipierung zu verbessern. Tatsächlich ist der Körper401 eine Wärmesenke. Die Rippe kann vorzugsweise in jeder Form, wie z. B. einer Verjüngung, einem Rechteck, Stumpfen, usw., entworfen sein. Die Rippen können als Teil eines einzelnen Körpers geformt sein, wie in der Zeichnung gezeigt ist, oder an der oben erläuterten Oberfläche404 durch jeden Mechanismus angebracht werden, der eine gute Wärmeleitung liefert. - Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden einen Körper, der eine flache Oberfläche aufweist, wie z. B. die Oberfläche
302 , auf der die LED angebracht ist. Die vorliegende Erfindung kann jedoch durch ein Verwenden eines Körpers implementiert sein, der einen Hohlraum umfasst, der reflektierende Seiten aufweist, die eine Lichtextraktion aus der LED durch ein Reflektieren von Licht verbessern, das die Seiten der LED verlässt, derart, dass das reflektierte Licht Teil des Ausgabelichts aus der Vorrichtung wird. Nun wird Bezug auf5 genommen, die eine Querschnittsansicht einer LED-Vorrichtung600 ist, die einen derartigen Reflektor bereitstellt. Im Aufbau ähnelt die LED-Vorrichtung600 der oben erläuterten LED-Vorrichtung300 , mit der Ausnahme, dass ein Ausnehmungshohlraum in der ersten Oberfläche602 vorgesehen ist. Die LED-Vorrichtung600 umfasst einen Körper601 , der eine erste Oberfläche602 und eine zweite Oberfläche604 auf der gegenüberliegenden Seite aufweist. Eine Schaltungsleiterbahn, die aus elektrischen Kontakten606 und608 auf einer Dünnfilmschicht610 besteht, ist an der Oberfläche602 angebracht. Die Schaltungsschicht weist eine Öffnung in der Mitte auf, um Zugang zu der Oberfläche602 zu schaffen. Eine LED614 ist an der ersten Oberfläche602 im Inneren eines Hohlraums603 unter Verwendung eines Haftmittels616 angebracht. Elektrische Verbindungen mittels Bonddrähten618 und620 verbinden die LED mit den elektrischen Kontakten606 und608 . Lötmittelhöcker622 und624 werden dann auf einen Abschnitt der elektrischen Kontakte606 und608 aufgebracht. Die LED und die Bonddrähte und ein Abschnitt der elektrischen Kontakte sind in einem optisch klaren Material626 eingekapselt. - Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verwenden eine Einkapselungsschicht zum Schutz der LED und der Bonddrähte. Ausführungsbeispiele, die einen Formring verwenden, um diesen Einkapselungsvorgang zu unterstützen, können ebenso beinhaltet sein. Nun wird Bezug auf die
6A und6B genommen, die eine LED-Vorrichtung700 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen.6A ist eine Draufsicht der LED-Vorrichtung700 und6B ist eine Querschnittsansicht der LED-Vorrichtung700 durch eine Linie751 –752 . Im Aufbau ähnelt die LED-Vorrichtung700 der oben erläuterten LED-Vorrichtung300 , mit der Ausnahme, dass ein ringförmiger Ring764 auf der ersten Oberfläche702 vorgesehen ist. Die LED-Vorrichtung700 weist einen Körper701 auf, der eine erste Oberfläche702 und eine zweite Oberfläche704 auf der gegenüberliegenden Seite aufweist. Ein ringförmig geformter Ring764 ist auf der ersten Oberfläche702 durch ein bekanntes Verfahren angebracht, wie z. B. unter Verwendung eines wärmeleitfähigen Haftmittels, Lötmittels oder einfach nur mechanisch mit Halterungen angebracht. Eine Schaltungsleiterbahn, die aus elektrischen Kontakten706 und708 auf einer Dünnfilmschicht710 besteht, ist an der Oberfläche702 angebracht. Die Schaltungsschicht weist eine Öffnung712 in der Mitte derselben auf, um Zugang zu der Oberfläche702 bereitzustellen. Eine LED714 ist an der Oberfläche702 unter Verwendung eines Haftmittels716 angebracht. Elektrische Verbindungen mittels Bonddrähten718 und720 verbinden die LED mit den elektrischen Kontakten706 und708 . Lötmittelhöcker722 und724 werden dann auf einen Abschnitt der elektrischen Kontakte706 und708 aufgebracht. Die LED und die Bonddrähte und ein Abschnitt der elektrischen Kontakte sind mit einem optisch klaren Material726 eingekapselt, indem der durch ringförmigen Ring764 erzeugte Hohlraum gefüllt wird. - Der ringförmig geformte Ring
764 kann jede Form aufweisen, wie z. B. kreisförmig oder vieleckig. Er wirkt als ein Reservoir, um die optisch klare Einkapselung726 zu enthalten. Zusätzlich kann eine optisch klare Linse765 , die aus Kunststoff, Polymer oder Glas hergestellt ist, auf dem ringförmig geformten Körper beinhaltet sein, um so das Licht in einer erwünschten Richtung zu leiten. Die Linse kann an die Oberfläche der Einkapselung geklebt sein oder durch eine Formungsoperation in der Einkapselung gebildet sein. - Es wird angemerkt, dass die Oberfläche
702 zusätzliche Lötmittelhöcker umfassen kann, um zusätzliche Adhäsionspunkte zum Verbinden der LED-Vorrichtung mit einer PCB oder dergleichen bereitzustellen. Derartige Lötmittelhöcker sind in6A bei771 und772 gezeigt. Diese Lötmittelhöcker können auf einer leitenden Leiterbahn gebildet sein, die an der Oberfläche702 durch ein geeignetes Haftmittel angebracht ist, oder direkt auf der Oberfläche702 , wenn das für den Körper701 gewählte Metall durch Lötmittel benetzt ist. Diesbezüglich ist Kupfer das bevorzugte Material für den Körper701 . - Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden Bonddrähte zur Herstellung aller Verbindungen zwischen der LED und den Lötmittelhöckern, die eine Verbindung zu der PCB herstellen. Der Körper kann jedoch für eine dieser Verbindungen verwendet werden. Wenn der Chip leitfähig ist oder die Unterseite des Chips, der die LED aufweist, einen Kontakt an demselben aufweist, und wenn der Chip an dem Körper durch ein elektrisch leitendes Haftmittel angebracht ist, kann der Körper verwendet werden, um eine Verbindung zu diesem Kontakt herzustellen. In diesem Fall ist ein geeignet platzierter Lötmittelhöcker direkt auf der Oberfläche
702 gebildet. - Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden eine passive Konvektion/Konduktion zur Bewegung der Wärme von der unteren Oberfläche des Körpers, z. B. der Oberfläche
704 oder der Oberfläche404 , zu der umgebenden Luft. Ausführungsbeispiele jedoch, in denen eine Lüftung verwendet wird, um den Luftfluss zu verbessern, können ebenso aufgebaut werden. Die Lüftung kann an der unteren Oberfläche des Körpers angebracht sein oder in der Umhüllung, in der sich die LED-Vorrichtung befindet, vorgesehen sein. - Aus der vorangegangenen Beschreibung ist klar, dass bei einer LED-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung der Körper sich über die Vorrichtungsstandfläche erstreckt. Deshalb weist die LED-Vorrichtung eine Wärmesenke auf, die die volle Standfläche der Vorrichtung nutzt. Zusätzlich ist der Körper nicht in einer Art thermisch isolierender Einkapselung eingeschlossen und deshalb in der Lage, Wärme wirksamer zu dissipieren. Ferner wurden Probleme in Bezug auf die Koplanarität der Anschlussleitungen und der Wärmesenke bei Vorrichtungen des Stands der Technik überwunden.
- Die untere Oberfläche des Körpers liegt gegenüber der Umgebung frei und so kann eine effiziente Wärmedissipierung erzielt werden. Zusätzlich kann der Körper, da die untere Oberfläche nicht in Kontakt mit einer anderen Oberfläche gelangt, derart hergestellt werden, dass sich diese Oberfläche so weit oder so tief wie möglich erstreckt. So ist es nun möglich, Vorrichtungen mit langen oder tiefen Wärmesenken herzustellen, ohne die lateralen Abmessungen der Vorrichtungen erhöhen zu müssen.
- Ferner kann, da eine LED-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung keine Wärme zu dem Anbringungssubstrat leiten muss, das Anbringungssubstrat aus üblichen Materialien aufgebaut sein, wie z. B. denjenigen, die in billigen PCBs eingesetzt werden. Zusätzlich muss der Endbenutzer keine zusätzliche Wärmesenke bereitstellen, wobei so der Entwurf von Produkten, die die LED-Vorrichtung verwenden, vereinfacht wird.
- Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurden in Bezug auf ein Übertragen der durch die LED erzeugten Wärme über einen Kontakt zwischen der Luft und der zweiten Oberfläche des Körpers, auf der die LED angebracht ist, an die Luft beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann jedoch verwendet werden, um Produkte aufzubauen, die eine Anzahl von LEDs auf einer einzelnen PCB aufweisen, die die in jeder der LEDs erzeugte Wärme an eine gemeinsame Wärmesenke übertragen, die die Wärme dissipiert. Nun wird Bezug auf
7 genommen, die eine Querschnittsansicht eines Arrays800 von LED-Vorrichtungen, die eine einzelne Wärmesenke gemeinschaftlich verwenden, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Das Array800 ist auf einer PCB810 aufgebaut. Eine Mehrzahl von LED-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf der PCB810 auf eine Art und Weise angebracht, die analog zu der oben beschriebenen ist. Exemplarische LED-Vorrichtungen sind bei 801 bis 803 gezeigt. Der Körper jeder der LED-Vorrichtungen steht in einem thermischen Kontakt mit einer gemeinsamen Wärmesenke821 . Die einzelnen LED-Vorrichtungen können z. B. durch eine Schicht eines wärmeleitenden Haftmittels mit der Wärmesenke821 verbunden sein. Die Wärmesenke821 kann auch Strukturen umfassen, wie z. B. die bei822 gezeigten Rippen, um die Übertragung von Wärme an die umgebende Luft zu erleichtern. Die Wärmesenke821 kann auch eine Lüftung823 umfassen, um die Übertragung von Wärme von der Wärmesenke821 an die umgebende Luft weiter zu verbessern. - Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Chip auf einem wärmeleitenden Körper angebracht, der vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer hergestellt ist. Andere Materialien, wie z. B. Keramiken und Verbundstoffe, können jedoch für den wärmeleitenden Körper eingesetzt werden.
- Verschiedene Modifizierungen der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute auf diesem Gebiet aus der vorangegangenen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich werden. Folglich soll die vorliegende Erfindung lediglich durch den Schutzbereich der folgenden Ansprüche eingeschränkt sein.
Claims (20)
- Schaltungselement (
300 ;400 ;600 ;700 ) mit folgenden Merkmalen: einem wärmeleitenden Körper (301 ;401 ;601 ;701 ), der eine obere (302 ;402 ;602 ;702 ) und eine untere (304;404 ;604 ;704 ) Oberfläche aufweist; einem Chip, auf dem sich eine elektronische Schaltung befindet, wobei der Chip einen ersten und einen zweiten Kontaktpunkt zur Leistungsversorgung der elektronischen Schaltung umfasst, wobei der Chip in thermischem Kontakt mit dem wärmeleitenden Körper steht, und wobei der Chip eine untere Oberfläche aufweist, die kleiner ist als die obere Oberfläche des wärmeleitenden Körpers; einer ersten Leiterbahn, die ein elektrisch leitendes Material aufweist, das an der oberen Oberfläche (302 ;402 ;602 ;702 ) des wärmeleitenden Körpers angebracht ist und elektrisch von demselben isoliert ist; einem ersten elektrisch leitenden Pfad von dem ersten Kontaktpunkt zu der ersten Leiterbahn; und einer Einkapselungsabdeckung (326 ;426 ;626 ;726 ), die den Chip und den ersten elektrisch leitenden Pfad bedeckt, wobei die erste Leiterbahn einen ersten Abschnitt, der sich außerhalb der Einkapselungsabdeckung erstreckt, und einen zweiten Abschnitt aufweist, der durch die Einkapselungsabdeckung bedeckt ist. - Schaltungselement gemäß Anspruch 1, bei dem die elektronische Schaltung eine LED (
314 ;414 ;614 ;714 ) aufweist. - Schaltungselement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Leiterbahn ein elektrisch leitendes Material auf einem isolierenden Substrat (
361 ) aufweist, wobei das isolierende Substrat an dem wärmeleitenden Körper angebracht ist. - Schaltungselement gemäß Anspruch 3, bei dem das isolierende Substrat eine Öffnung aufweist, wobei der Chip durch die Öffnung mit dem wärmeleitenden Körper verbunden ist.
- Schaltungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der wärmeleitende Körper (
301 ;401 ;601 ;701 ) Kupfer aufweist. - Schaltungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der wärmeleitende Körper Aluminium (
301 ;401 ;601 ;701 ) aufweist. - Schaltungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der wärmeleitende Körper einen Hohlraum aufweist, der eine Öffnung an der ersten Oberfläche aufweist, und bei dem der Chip in dem Hohlraum angebracht ist.
- Schaltungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Chip eine lichtemittierende Vorrichtung aufweist, die Licht in einer Richtung emittiert, die weg von der oberen Oberfläche zeigt, und bei dem die Einkapselungsabdeckung optisch durchlässig für das emittierte Licht ist.
- Schaltungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der erste elektrisch leitende Pfad einen Draht aufweist, der ein erstes Ende, das an den ersten Kontaktpunkt gebondet ist, und ein zweites Ende aufweist, das an die erste Leiterbahn gebondet ist.
- Schaltungselement gemäß Anspruch 9, bei dem die erste Leiterbahn einen T-förmigen Streifen aus Kupfer aufweist.
- Schaltungselement gemäß Anspruch 9 oder 10, das ferner eine Lötmittelkugel (
322 ,324 ) auf dem ersten Abschnitt der ersten Leiterbahn aufweist. - Schaltungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, das ferner eine zweite Leiterbahn aufweist, die ein elektrisch leitendes Medium aufweist, das an der oberen Oberfläche des wärmeleitenden Körpers angebracht und von demselben isoliert ist, wobei die zweite Leiterbahn elektrisch mit dem zweiten Kontaktpunkt durch einen zweiten elektrisch leitenden Pfad verbunden ist.
- Schaltungselement gemäß Anspruch 12, bei dem die zweite Leiterbahn ferner eine Lötmittelkugel aufweist.
- Schaltungselement gemäß Anspruch 12 oder 13, das ferner eine dritte Lötmittelkugel aufweist, die auf der oberen Oberfläche des wärmeleitenden Chips positioniert ist und nicht kollinear in Bezug auf die erste und die zweite Lötmittelkugel positioniert ist.
- Schaltungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Einkapselungsabdeckung einen Damm aufweist, der den Chip umgibt, wobei der Damm mit einem klaren Einkapselungsmaterial gefüllt ist.
- Schaltungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die untere Oberfläche des wärmeleitenden Körpers eine Oberfläche aufweist, die eine größere Oberflächenfläche aufweist als die obere Oberfläche des wärmeleitenden Körpers.
- Schaltungselement gemäß Anspruch 16, bei dem die untere Oberfläche des wärmeleitenden Körpers Rippen (
822 ) zur Erleichterung einer Wärmeübertragung von der unteren Oberfläche des wärmeleitenden Körpers aufweist. - Schaltungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, das ferner eine Schaltungsplatine aufweist, die eine obere und eine untere Oberfläche und ein Loch durch dieselbe aufweist, wobei die erste Leiterbahn mit einem Leiter auf der unteren Oberfläche der Schaltungsplatine derart verbunden ist, dass der Chip von einem Ort oberhalb der oberen Oberfläche der Schaltungsplatine sichtbar ist.
- Schaltungselement gemäß Anspruch 18, bei dem der wärmeleitende Körper mit der Schaltungsplatine über den zweiten und den dritten Ort an der unteren Oberfläche der Schaltungsplatine verbunden ist.
- Schaltungselement gemäß Anspruch 19, bei dem die Verbindungen zwischen der Schaltungsplatine, der ersten Leiterbahn und dem zweiten und dem dritten Ort Lötmittelverbindungen aufweisen.
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