DE102007040871A1

DE102007040871A1 - Verbindungselement

Info

Publication number: DE102007040871A1
Application number: DE102007040871A
Authority: DE
Inventors: Steffen Strauss; Robert Kraus; Michael Weis; Simon Schwalenberg
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2009-03-12
Also published as: US8344267B2; US20090057000A1

Abstract

Verbindungselement zur Montage an einer Leiterplatte, welches mindestens zwei sich kreuzende und elektrisch nicht verbundene Verbindungsleitungen zwischen jeweils zugehörigen Kontakten aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement zur Montage an einer Leiterplatte, eine Leiterplatte mit mindestens einem Verbindungselement und ein LED-Modul mit einer Leiterplatte.
Aufgrund der hohen thermischen Verlustleistungen werden Leuchtdioden bzw. LEDs in Hochleistungs-LED-Modulen so nah wie möglich am Kühlkörper montiert. Dabei ist es wichtig, dass durch möglichst wenige Zwischenschichten der thermische Widerstand der Chips zum Kühlkörper gering gehalten wird. Andererseits werden, um die erforderliche Verdrahtung zwischen den LED sowie zwischen LED und etwaigen elektrischen Bauteilen zu realisieren, oftmals Mehrlagensubstrate benötigt, was in der Regel mit einer Verschlechterung des thermischen Kontakts sowie mit zusätzlichen Herstellungskosten verbunden ist.
Elektrisch getrennte Kreuzungspunkte von zwei Leitungen werden bisher durch 0 Ω-Widerstände realisiert, die als Brücke über eine Leiterbahn fungieren. Alternativ wird z. B. eine Reihenschaltung auf einer externen Mehrlagenplatine realisiert.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine einfachere und einfacher aufzubauende Möglichkeit zur elektrisch kreuzenden Schaltung von Elementen einer Leiterplatte zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mittels eines Verbindungselements nach Anspruch 1, einer Leiterplatte nach Anspruch 6 und eines Leuchtmoduls nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere den Unteransprüchen entnehmbar.
Das Verbindungselement zur Montage an einer Leiterplatte weist mindestens zwei sich kreuzende und elektrisch nicht verbundene Verbindungsleitungen zwischen jeweils zugehörigen Kontakten auf. Dadurch können insbesondere mehr als zwei Leitungskreuzungen mit tels eines einfach montierbaren Bauelements auf einstückigen Platinen bereitgestellt werden.
Die Erfindung ist insbesondere für LED-Module mit hohem Farbwiedergabeindex geeignet, die ein volles Lichtspektrum benötigen. Aufgrund der schmalbandigen Abstrahlung der LED werden typischerweise in einer Leuchte drei oder mehr verschiedenfarbige LEDs kombiniert. Hohe Lichtstromforderungen bedingen den Einsatz von mehreren dieser Einzelfarben. Um eine gute Durchmischung der einzelnen Farben zu erreichen, werden die LEDs vorteilhafterweise radialsymmetrisch um die optische Achse angeordnet. Zur Farbsteuerung/-regelung können die einzelnen Farben mit unterschiedlicher Leistung betrieben werden, z. B. mittels Puls-Weiten-Steuerung. Aufgrund der elektrischen Eigenschaften von Leuchtdioden wird eine Reihenschaltung der LEDs einer Farbe bevorzugt. Dadurch entsteht ein Kreuzungspunkt von drei oder mehr Leiterbahnen im Zentrum des Lichtmoduls, der mit einer Einlagenplatine ohne hohen Fertigungsaufwand nicht realisiert werden kann, jedoch einfach mit dem obigen Verbindungselement.
Das Verbindungselement ist vorzugsweise mehrlagig aufgebaut, insbesondere unter Verwendung von Platinenaufbautechniken. Die Verbindungsleitungen können so beispielsweise einfach auf die verschiedenen Lagen verteilt werden.
In einer bevorzugten Variante ist das Verbindungselement dazu eingerichtet, mit der Leiterplatte mittels Drahtbondens verbunden zu werden. Dazu kann das Verbindungselement beispielsweise Bondpads an seiner Oberseite aufweisen, die als Kontakte zu den Verbindungsleitungen dienen.
In einer alternativen bevorzugten Variante ist das Verbindungselement dazu eingerichtet, mit der Leiterplatte mittels Flip-Chip-Bondens verbunden zu werden. Dazu kann das Verbindungselement beispielsweise Bondpads an seiner Unterseite aufweisen, die als Kontakte zu den Verbindungsleitungen dienen.
Es können auch hybride Verbindungselemente aus Drahtbond- und Flip-Chip-Varianten eingesetzt werden.
Zur elektrischen Verbindung von mehr als zwei Elementen, insbesondere LEDs, ist in dem Verbindungselement bevorzugt mindestens eine Verbindungsleitung als elektrische Weiche ausgebildet.
Die Leiterplatte ist mit einem darauf angebrachtem Verbindungselement ausgestattet.
Die Leiterplatte ist zur verbesserten Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise einlagig ausgebildet.
Es wird eine Leiterplatte mit ferner mindestens einer Leuchtdiode bzw. LED darauf montiert bevorzugt, bei der das Verbindungselement elektrisch mit zumindest einer der LEDs verbunden ist.
Bevorzugt wird eine Leiterplatte, bei der das Verbindungselement mit mehreren LEDs verbunden ist und im Bereich der optischen Achse der kombinierten LEDs angeordnet ist.
Die LEDs sind vorzugsweise verschiedenfarbig, und können insbesondere als LED-Cluster gruppiert eine additiv weiße Farbmischung ergeben. Dazu sind für eine hohe Lichtstärke vorzugsweise LED-Cluster aus den Einzelfarben RGB, RGGB, RRGB, RRGGB usw. zusammengesetzt, vorzugsweise mit mehreren LEDs pro Farbe. Speziell, um eine gute Durchmischung der einzelnen Farben zu erreichen, ist das Verbindungselement bevorzugt im Zentrum der LEDs angeordnet, welche vorzugsweise radialsymmetrisch um das Zentrum angeordnet sind. Zur Farbsteuerung des LEDs ist das Verbindungselement bevorzugt zusätzlich mit einem optischen Sensor auf der optischen Achse zur Farbsteuerung der LEDs ausgerüstet, welcher mit einer entsprechenden Steuerelektronik ausgerüstet oder verbunden ist.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand von nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen schematisch genauer dargestellt. Gleiche oder gleichwirkende Elemente können über mehrere Figuren hinweg mit gleichen Bezugszeichen dargestellt werden.
1 zeigt in Aufsicht eine mit einem Verbindungselement bestückte Leiterplatte gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 zeigt als Querschnittdarstellung in Seitenansicht eine mit dem Verbindungselement bestückte Leiterplatte nach 1;
3 zeigt als Querschnittdarstellung in Seitenansicht eine mit einem Verbindungselement gemäß einer weiteren Ausführungsform bestückte Leiterplatte;
4 zeigt als Querschnittdarstellung in Seitenansicht eine mit einem Verbindungselement gemäß noch einer weiteren Ausführungsform bestückte Leiterplatte;
5 zeigt als Querschnittdarstellung in Seitenansicht eine mit einem Verbindungselement gemäß noch einer weiteren Ausführungsform bestückte Leiterplatte;
6 zeigt in Aufsicht eine mit einem Verbindungselement bestückte Leiterplatte gemäß einer weiteren Ausführungsform;
7 zeigt in Aufsicht eine mit einem Verbindungselement bestückte Leiterplatte gemäß noch einer weiteren Ausführungsform.
1 zeigt ein LED-Modul 1 mit einer einlagigen Platine 2 und darauf montiert ein Array bzw. Feld aus im Wesentlichen radialsymmetrisch angeordneten LEDs a-d ('LED-Cluster'). Sich gegenüberliegende LEDs, die mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden, sind miteinander elektrisch verbunden, z. B. in Reihe. Beim Betrieb der LEDs a-d ergibt sich eine optische Achse O des LED-Leuchtmoduls 1.
Im Bereich der optischen Achse O, d. h., dem Zentrum der LEDs a-d, ist ferner ein Verbindungselement 3 auf der Platine 2 montiert. Durch das Verbindungselement 3 werden die entsprechend zugehörigen LEDs a-d miteinander elektrisch verbunden. Im Einzelnen sind dazu die LEDs a-d über Anschlussleitungen 4a–4d mit geeigneten Kontakten (ohne Abb.) des Verbindungselements 3 verbunden. Das Verbindungselement 3 ist so aufgebaut, dass es sich kreuzende, elektrisch nicht verbundene Verbindungsleitungen aufweist, welche jeweils die zugehörigen LEDs, a-a, b-b, c-c, d-d miteinander verbinden. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, erstens keine teuren Mehrlagenplatinen benötigt werden und zweitens keine Leitungsbrücken mehr aufwändig aufgebracht werden müssen. Das Verbindungselement 3 lässt sich vorfertigen und dann einfach auf die Platine 2 bestücken.
Durch die gezeigte Anordnung lassen sich auf engstem Raum mehrere Bausteine anordnen, die über eine zentrale Kreuzung jeweils in Reihe geschaltet werden können. Dadurch ergeben sich gute optische Eigenschaften durch die räumliche Durchmischung der Farben; gute thermische Eigenschaften durch die gleichmäßige Anordnung der LEDs; gute elektrische Bedingungen durch die gemeinsame Ansteuerung der jeweiligen LED-Farbencluster; und geringe Bauräume, wodurch das meist teuere Trägermaterial minimiert wird.
2 zeigt einen genaueren Ausschnitt des LED-Moduls 1 als Querschnitt durch das Verbindungselement 3. Das Verbindungselement 3 ist so auf der Platine 2 aufgebracht, dass die bondfähigen Kontakte (ohne Abb.) auf der Oberseite angeordnet sind. Die Anschlussleitungen 4a–4d sind in Form von Bonddrähten ausgeführt, die an den Kontakten anschließen. Das gezeigte Verbindungselement 3 ist mehrlagig aufgebaut, wobei in jeder Lage ein Verbindungsdraht 5a–5d horizontal geführt wird. Die elektrische Verbindung zwischen den jeweiligen Kontakten und den zugehörigen horizontalen Teilen der Verbindungsdrähte 5a–5d ist hier über Durchkontaktierungen realisiert. Die Verbindungsdrähte 5a–5d sind in Aufsicht zueinander angewinkelt angeordnet und liegen in etwa entlang der Verbindungslinien zwischen den zu verbindenden LEDs a, b, c bzw. d.
3 zeigt ein weiteres LED-Modul 6 in einer zu 2 analogen Darstellung, bei dem das Verbindungselement 7, das einen zum Verbindungselement 3 aus 2 grundsätzlich gleichen Aufbau besitzt, nun mit den Kontakten zur Platine 2 gerichtet in Flip-Chip-Technik auf der Platine 2 angebracht ist, speziell mit Löt- oder Klebkontakten auf der Unterseite.
4 zeigt ein weiteres LED-Modul 8 in einer zu 2 analogen Darstellung, bei dem nun das Verbindungselement 9 eine Hybridausgestaltung aufweist, die zum Verbindung mittels einer Kombination aus Flip-Chip-Technik und Drahtbond-Technik geeignet ist. Dazu werden die Verbindungsleitungen im Verbindungselement 9 von einer kontaktierenden Seite zur anderen kontaktierenden Seite geführt.
5 zeigt ein LED-Modul 10 mit einem Flip-Chip-montierten Verbindungselement 7 ähnlich demjenigen aus 3, wobei nun auf der den Kontakten entgegengesetzten Oberseite ein optischer Sensor 11 vorgesehen ist. Da sich das Verbindungselement 7, 11 auf der optischen Achse O befindet, entspricht die Eigenschaft des in den optischen Sensor 11 einfallenden Lichts derjenigen der vom LED-Modul 10 abgestrahlten Lichts. Dadurch kann durch den optischen Sensor 11 eine Farbsteuerung des Moduls 10 besonders genau durchgeführt werden. Dazu ist der Sensor 11 mit einer entsprechenden Steuerschaltung (ohne Abb.) verbunden.
6 zeigt ein Verbindungselement 12 und LEDs a-d in einer zu 1 vereinfachten Darstellung. Es ist gezeigt, dass die Verbindungsleitungen bzw. Kreuzungen nicht nur gegenüberliegende Kontakte bzw. LEDs a-d zu verbinden brauchen, sondern beliebige Positionen (Kontakte bzw. LEDs a-d) elektrisch verbinden können. Dabei braucht im Vergleich zu 1 das Verdrahtungslayout der Platine 2 nicht verändert zu werden, was eine einfachere Umgestaltung des LED-Moduls erlaubt.
7 zeigt ein Anordnung eines Verbindungselements 13 und LEDs a-c analog zu 6, wobei das Verbindungselement 13 nun Verbindungsleitungen aufweist, die sowohl als einfache Verbindungsleitungen bzw. Kreuzungen ausgestaltet sind, als auch als Weichen. Dadurch lassen sich in dieser Ausführung vier LEDs a miteinander elektrisch verbinden, sowie jeweils zwei LED-Paare a-a bzw. b-b. Auch hier braucht im Vergleich zu 1 oder 6 das Verdrahtungslayout der Platine 2 nicht verändert zu werden, was eine einfachere Umgestaltung des LED-Moduls erlaubt.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann die Zahl der an das Verbindungselement angeschlossenen Komponenten unterschiedlich dazu sein. Auch kann die Art der angeschlossenen Elemente eine andere sein und beispielsweise zusätzlich oder alternativ zu LEDs Schaltungselemente wie Treiber oder Steuerschaltungen aufweisen. Mögliche Substrate für den Verbindungsbaustein sind z. B. Mehrlagenleiterplattenmaterialien wie FR4 oder Siliziumbausteine.

1: LED-Modul
2: Platine
3: Verbindungselement
4: Anschlussleitungen
5: Verbindungsleitungen
6: LED-Modul
7: Verbindungselement
8: LED-Modul
9: Verbindungselement
10: LED-Modul
11: optischer Sensor
12: Verbindungselement
13: Verbindungselement
a: LED
b: LED
c: LED
d: LED
O: optische Achse

Claims

Verbindungselement (3; 6; 8; 12; 14) zur Montage an einer Leiterplatte (2), welches mindestens zwei sich kreuzende und elektrisch nicht verbundene Verbindungsleitungen (5a–5d) zwischen jeweils zugehörigen Kontakten aufweist.
Verbindungselement (3; 6; 8; 12; 14) nach Anspruch 1, das mehrlagig aufgebaut ist.
Verbindungselement (3; 6; 8; 12; 14) nach Anspruch 1 oder 2, das dazu eingerichtet ist, mit der Leiterplatte (2) mittels Drahtbondens verbunden zu werden.
Verbindungselement (3; 6; 8; 12; 14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das dazu eingerichtet ist, mit der Leiterplatte (2) mittels Flip-Chip-Bondens verbunden zu werden.
Verbindungselement (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Verbindungsleitung als elektrische Weiche ausgebildet ist.
Leiterplatte (2) mit mindestens einem darauf angebrachtem Verbindungselement (3; 6; 8; 12; 14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Leiterplatte (2) nach Anspruch 6, die einlagig ausgebildet ist.
Leiterplatte (2) nach Anspruch 6 oder 7, bei der das Verbindungselement (3; 6; 8; 12; 14) elektrisch mit zumindest einer LED (a-d) verbunden ist.
Leiterplatte (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der das Verbindungselement (3; 6; 8; 12; 14) mit mehreren LEDs (a-d) verbunden ist und im Bereich der optischen Achse der LEDs angeordnet ist.
Leiterplatte (2) nach Anspruch 8 oder 9, bei der das Verbindungselement (3; 6; 8; 12; 14) im Zentrum der LEDs (a-d) angeordnet ist.
Leiterplatte (2) nach Anspruch 8 oder 10, bei der das Verbindungselement (3; 6; 8; 12; 14) zusätzlich einen optischen Sensor auf der optischen Achse zur Farbsteuerung der LEDs aufweist.
LED-Leuchtmodul mit mindestens einer Leiterplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 11.