DE102009010179A1

DE102009010179A1 - Leuchtmodul mit Reflektorwand

Info

Publication number: DE102009010179A1
Application number: DE102009010179A
Authority: DE
Inventors: Pol Ghesquiere; Roman Dr. Karmazin; Richard Dr. Matz; Matthias Dr. Rebhan; Karl Weidner
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2010-09-02

Abstract

Das Leuchtmodul (1) weist eine Wärmesenkte (2) auf sowie einen auf der Wärmesenke (2) angebrachten Schaltungsträger (5), wobei der Schaltungsträger (5) mindestens eine durchgehende Schaltungsträgeraussparung (10) aufweist und mindestens eine in der Schaltungsträgeraussparung (10) angeordnete Lichtquelle (4), wobei eine Reflektorwand (13) der Schaltungsträgeraussparung (10) zumindest teilweise reflektierend ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leuchtmodul, insbesondere LED-Modul, mit einer Reflektorwand.
EUROPHOTONICS, Okt/Nov. 2007, S. 34 (A. Falconer, "LED Lighting Powers Ahead") beschreibt eine in einer Mulde eines metallischen Kühlkörpers montierte Leuchtdiode. Die Mulde wirkt für seitlich oder unter flachem Winkel austretendes Licht der Leuchtdiode als Spiegel, wodurch eine folgende Linsenoptik effizienter genutzt werden kann. F. Nguyen: "Cost-Effective Light Sources Created for Rear-Projection TV in Photonics Spectra", Juli 2006, S. 54–56. beschreibt LED-Anwendungen in Fahrzeugscheinwerfern und Fernsehgeräten, wobei LED-Arrays auf Schaltungsträgern mit anwendungsspezifisch gestalteten Linsen verwendet werden können. Eine elektronische Treiberschaltung wird dabei bei planaren Aufbauten auf einer mit den LED-Arrays gemeinsamen Wärmesenke in der Nähe der LEDs angebracht. Die Treiberschaltung kann in Form eines organischen oder keramischen Multilayer-Boards realisiert sein. Photonics Spectra, Dez. 2004, S. 101 beschreibt, dass keramische Schaltungsträger im Verbund mit thermisch angepassten Kühlkörpern aus Kupfer und Molybdän eingesetzt werden können.
W. Buss et al., "LTCC-Based optical elements for optoelectronic applications", Proc. 15th European Microel. and Pack. Conf., Brugge (Belgium), 2005, S. 325 bis 328, beschreibt ein LED-Beleuchtungsmodul, bei dem ein LTCC-Schaltungsträger mit Leuchtdioden bestückt ist und bei dem sich auf dem Schaltungsträger eine ”Opto”-LTCC-Reflektorschicht befindet. Die ”Opto”-LTCC-Reflektorschicht weist Aussparungen auf, welche eine jeweilige Leuchtdiode umgeben. Die Wände der Aussparungen sind als jeweilige Reflektorwände ausgestaltet. Auf der Reflektorschicht befindet sich eine Glas abdeckung mit linsenförmigen Bereichen, wobei ein linsenförmiger Bereich einer jeweiligen LED nachgeschaltet ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein besonders kompaktes und einfach herstellbares Leuchtmodul, insbesondere LED-Modul, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels eines Leuchtmoduls nach dem unabhängigen Anspruch gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Das Leuchtmodul weist eine Wärmesenke auf, einen auf der Wärmesenke angebrachten Schaltungsträger, wobei der Schaltungsträger mindestens eine durchgehende Schaltungsträgeraussparung aufweist und mindestens eine in der Schaltungsträgeraussparung angeordnete Lichtquelle, wobei eine Wand der Schaltungsträgeraussparung (”Reflektorwand”) zumindest teilweise reflektierend ist. Die Wärmesenke kann beispielsweise ein Kühlkörper und/oder ein Wärmespreizungselement sein. Mittels der Reflektorwand wird ein unter einem flachen Winkel zur Seite abgestrahltes Licht der mindestens einen Lichtquelle wirksam in Richtung einer Hauptabstrahlrichtung umgelenkt und der Strahlkegel der mindestens einen Lichtquelle wird entsprechend schmaler. Dadurch kann sowohl ein optisches Nebensprechen zwischen Lichtquellen benachbarter Schaltungsträgeraussparungen unterdrückt als auch eine Lichtausbeute erhöht werden.
Durch die Integration der Reflektorwand in die Schaltungsträgeraussparungen kann auf eine dedizierte Reflektorschicht verzichtet werden, was Kosten spart und eine Höhe des Leuchtmoduls gering hält. Zudem ist so die der Wärmesenke abgewandte Seite des Leuchtmoduls noch frei belegbar. Die Integration des Reflektors ist zudem im Vergleich zu einer Herstellung eines Schaltungsträgers ohne einen Reflektor mit geringem technischem Mehraufwand möglich. Eine grundsätzliche Form des Reflektors, z. B. in Aufsicht gekrümmt und/oder eckig, ist einfach einstellbar. Auch eine Kontur der Reflektorwand, z. B. bezüglich einer Flankenhöhe und eines Winkels, ist einfach einstellbar.
Der Schaltungsträger kann vorzugsweise ein mehrlagiger Schaltungsträger sein. Dadurch kann die geringe Höhe oder Dicke des Schaltungsträgers mit einer Möglichkeit einer komplexen Verdrahtung und/oder einer Multifunktionalität kombiniert werden. Beispielsweise kann eine bei typischen System-in-Package-Ausführungen charakteristische Dicke des Schaltungsträgers von ca. 1 mm bis 2 mm weitgehend oder vollständig als Höhe der Reflektorwand genutzt werden.
Eine besonders einfache Herstellung des Reflektors kann dadurch erreicht werden, dass die mindestens eine Schaltungsträgeraussparung durch Übereinanderstapeln von Aussparungen der einzelnen Lagen (”Lagenaussparungen”) hergestellt worden ist. Dazu kann beispielsweise jeweils eine entsprechende Lagenaussparung in jeder der Lagen vor ihrem Übereinanderstapeln eingebracht werden. Die Flankenhöhe und der Winkel des zu den Lagenaussparungen gehörigen Reflektors können einfach durch eine Festlegung der Abmessungen der Lagenaussparung eingestellt werden.
Es kann dann zur Einstellung einer nicht-senkrechten Reflektorwand vorteilhaft sein, wenn zumindest zwei Lagenaussparungen eine unterschiedliche ebene Abmessung aufweisen. Dadurch kann insbesondere auf einfache Weise erreicht werden, dass sich die Reflektorwand aufweitet; dies hat den Vorteil, dass ein von der mindestens einen Lichtquelle ausgehender Lichtstrahls fokussiert werden kann. Dies kann bei einem mehrlagigen Schaltungsträger beispielsweise bevorzugt dadurch erreicht werden, dass sich die ebenen Abmessungen aufeinanderfolgender Lagenaussparungen zumindest in einer Ebenenrichtung vergrößern. Dadurch lässt sich die grundsätzliche Form der Kontur der Reflektorwand sehr einfach einstellen, z. B. im Wesentlichen geradlinig oder gekrümmt, insbesondere parabolisch gekrümmt. Vorteilhafterweise kann die Reflektorwand eine im Wesentlichen gekrümmte Oberfläche aufweisen, um eine optisch vorteilhafte Strahlformung zu ermöglichen.
Die Reflektorwand kann vorteilhafterweise geglättet sein. Dadurch können Unebenheiten in der Reflektorwand zur präziseren Strahlformung verringert oder begradigt werden. Solche Unebenheiten können sich beispielsweise aus einer Abstufung übereinander liegender Lagen im Bereich der Schaltungsträgeraussparung ergeben, insbesondere durch eine Abstufung aufgrund unterschiedlich dimensionierter Lagenaussparungen. Eine Glättung kann beispielsweise mittels einer Abformtechnik erreicht werden werden.
Es kann jedoch insbesondere vorteilhaft sein, wenn die Reflektorwand der mindestens einen Schaltungsträgeraussparung beschichtet ist, da sich so eine Glättung der Reflektorwand ohne apparativ aufwändige Materialabtragung oder Materialumformung erreichen lässt. Eine besonders effektive Glättung kann mittels einer Beschichtung mit mindestens einer Deckschicht erreicht werden. Mittels der Deckschicht kann insbesondere eine Planarisierung von Unebenheiten der Reflektorwand erreicht werden, welche sich aus einer Abstufung übereinander liegender Lagen im Bereich der Schaltungsträgeraussparung ergeben. Außerdem kann durch die Deckschicht eine tragende Funktion für eine darauf aufgebrachte Lage und/oder anderes Strukturelement verbessert werden.
Als Deckschicht können beispielsweise eine oder mehrere organische Folien verwendet werden. Dabei können Folien bevorzugt sein, die bei dem SiPLIT(”Siemens Planar Interconnect Technology”)-Verfahren verwendet werden, insbesondere solche Folien, die bei dem SiPLIT-Verfahren als Unterlage für eine sogenannte Top-Level-Metallisierung geeignet sind. Das SiPLIT-Verfahren ist beispielsweise aus DE 10 2005 006 638 A1 oder aus WO 03/030247 A2 bekannt. Insbesondere kann die Deckschicht vorteilhafterweise eine Polymerschicht, speziell Kunstharzschicht, sein, z. B. eine Epoxidschicht. Solche Schichten sind preiswert und haltbar und können durch ein einfaches Laminieren aufgebracht werden.
Die Deckschicht kann zur Vermeidung einer Nachbearbeitung vorteilhafterweise vorbearbeitet und danach auf den Schaltungsträger aufgebracht werden. Bei der Vorbearbeitung kann die Deckschicht beispielsweise mit einer oder mehreren Öffnungen versehen sein, z. B. zur Durchführung der mindestens einen Lichtquelle und/oder mindestens einer elektronischen Komponente. Dies kann beispielsweise mittels eines mechanischen Ausstanzens der Öffnungen durchgeführt werden. Alternativ kann die Deckschicht ohne Vorbearbeitung auf den Schaltungsträger aufgebracht werden, und die Öffnungen können dann nachträglich eingebracht werden. Dadurch kann eine präzisere Positionierung der Öffnungen erreicht werden. Zur genauen Einbringung der Öffnung in die Deckschicht kann die Deckschicht auf den Schaltungsträger aufgebracht werden, bevor der Schaltungsträger aufgebracht wird, z. B. auf die Wärmesenke.
Es kann bevorzugt sein, wenn die Reflektorwand nach Aufbringung einer Deckschicht metallisiert bzw. mit einer Metallisierungsschicht bedeckt wird, z. B. mit Chrom und/oder Kupfer. Die Metallisierungsschicht dient dann als Spiegeloberfläche und verbessert eine optische Reflektivität der Reflektorwand. Die Metallisierungsschicht kann beispielsweise mit Hilfe gängiger Dünnschichtverfahren (Aufdampfen, Lithographie, Trockenätzen usw.) mit einer Metallisierung, insbesondere strukturierten Metallisierung, versehen werden.
Es ist allgemein vorteilhaft, wenn die Deckschicht und/oder die Metallisierungsschicht mittels eines SiPLIT-Verfahrens aufgebracht worden sind, die Deckschicht und/oder die Metallisierungsschicht also eine SiPLIT-Struktur aufweisen.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der Schaltungsträger und/oder die mindestens eine Lichtquelle von der Wärmesenke mittels mindestens einer Isolierschicht getrennt sind. Dadurch kann insbesondere eine elektrische Isolierung und/oder elektrische Kontaktierung erleichtert werden.
Vorteilhafterweise kann der Schaltungsträger ein keramischer Schaltungsträger, insbesondere LTCC-Schaltungsträger, sein. Dann ist ein geringer Abstand der Reflektorwand zu der mindestens einen Lichtquelle aufgrund der hohen Temperaturbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit des keramischen Materials möglich.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die mindestens eine Lichtquelle mindestens eine Halbleiterlichtquelle aufweist. Die Halbleiterlichtquelle kann beispielsweise eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode umfassen. Die Lichtquelle kann eine oder mehrere in der Schaltungsträgeraussparung angeordnete Halbleiterlichtquellen aufweisen. Für den Fall, dass in der Schaltungsträgeraussparung mehrere Leuchtdioden angeordnet sind, können diese gleichfarbig oder verschiedenfarbig sein. Bei verschiedenfarbigen Leuchtdioden können diese vorzugsweise ein weißes Mischlicht erzeugen. Vorzugsweise können die verschiedenfarbigen Leuchtdioden allgemein ein farblich durchstimmbares Mischlicht abstrahlen. Die Leuchtdioden können einzeln gehäust sein. Alternativ können insbesondere mehrere Leuchtdioden als LED-Chips auf einem gemeinsamen Submount angebracht sein.
Es kann für eine platzsparende Bauweise vorteilhaft sein, wenn die der Wärmesenke abgewandte Oberfläche des Schaltungsträgers mit mindestens einem elektronische Bauelement, z. B. einem Treiberbaustein und/oder einem Sensor, bestückt ist.
Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn die Schaltungsträgeraussparung von einer lichtdurchlässigen, insbesondere im Wesentlichen transparenten, Abdeckung überdeckt ist. Dadurch können beispielsweise eine optische Funktion und/oder eine Schutzfunktion für die darunter liegende mindestens eine Lichtquelle bereitgestellt werden.
Die lichtdurchlässige Abdeckung kann vorteilhafterweise als optisches Element ausgestaltet sein, da sich so eine Strahleigenschaft des von der mindestens einen Lichtquelle abgestrahlten Strahlung auf kleinem Raum einstellen lässt, was eine kompakte Bauform erlaubt. Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Abdeckung zumindest teilweise linsenförmig ausgestaltet ist.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch genauer beschrieben.
1 zeigt in Schrägansicht einen Ausschnitt aus einem LED-Modul;
2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen detaillierteren Ausschnitt aus dem LED-Modul aus 1.
1 und 2 zeigen ein LED-Modul 1, das eine Wärmesenke in Form eines planaren Kühlkörpers 2 aufweist, wobei der Kühlkörper 2 eine dielektrische Isolierschicht 3 trägt. Auf der dielektrischen Isolierschicht 3, und damit indirekt auf dem Kühlkörper 2, sind eine hier beispielhaft gezeigte Leuchtdiode 4 und ein Schaltungsträger 5 befestigt. Die dielektrische Isolierschicht 3 ermöglicht insbesondere eine potentialfreie Montage der Leuchtdiode 4. Der Schaltungsträger 2 ist mehrlagig aufgebaut und weist dabei sich abwechselnde niedriggradig dielektrische Lagen 6 und hochgradig dielektrische Lagen 7 aus Keramik auf. Der Schaltungsträger 2 weist hier beispielhaft eine Aussparung 8 zum Anordnen eines Ferritkerns 9 für induktive Bauelemente auf. Der Schaltungsträger 5 weist eine Schaltungsträgeraussparung 10 auf, die von seiner an der dielektrischen Isolierschicht 3 aufliegenden Unterseite 11 bis zu seiner davon abgewandten Oberseite 12 reicht. Eine Wand 13 der Schaltungsträgeraussparung 10, die im Folgenden als eine Reflektorwand 13 bezeichnet wird, umgibt die Leuchtdiode 4, so dass die Leuchtdiode 4 in der Schaltungsträgeraussparung 10 angeordnet ist. Die Reflektorwand 13 weist eine reflektierende Oberfläche auf, so dass von der Leuchtdiode 4 seitlich oder unter einem hohen Winkel zu der hier nach oben gerichteten Hauptabstrahlrichtung ausgesandte Strahlung auf die Reflektorwand 13 trifft und aus der Schaltungsträgeraussparung 10 heraus reflektiert wird. Dadurch kann sowohl ein optisches Nebensprechen zwischen Lichtquellen benachbarter Schaltungsträgeraussparungen unterdrückt als auch eine Lichtausbeute erhöht werden. In der gezeigten Ausführungsform weitet sich die Reflektorwand 13 von der Unterseite 11 zur Oberseite 12 auf, und zwar im Wesentlichen geradlinig. Eine Form der Schaltungsträgeraussparung 10 ist bei Ansicht von oben quadratisch.
Zur Herstellung der reflektierenden Eigenschaft der Reflektorwand 13 ist diese mit einer Deckschicht 14 beschichtet, wie in 2 gezeigt. Dazu ist die Deckschicht 14 wiederum an ihrer Oberfläche mit einer Metallisierungsschicht 19 bedeckt. Die Metallisierungsschicht 19 ergibt eine verbesserte optische Reflektivität der Reflektorwand 13. Die Deckschicht 14 ist hier eine Polymer-Schicht, welche auf den keramischen Schaltungsträger 5 auflaminiert ist. In die Deckschicht 14 sind Öffnungen eingebracht worden, welche die Leuchtdiode 4 freilassen. Die Öffnungen der Deckschicht 14 können vor dem Aufbringen der Deckschicht 14 durch mechanisches Stanzen oder auch durch eine nachträgliche Laserbearbeitung in die Deckschicht 14 eingebracht worden sein. Mittels der Deckschicht 14 wird eine Planarisierung von Unebenheiten der Reflektorwand 13 erreicht, wobei die Unebenheiten sich im Wesentlichen aus den gezeigten Stufen bzw. der Abstufung 20 der übereinander liegenden Lagen 6, 7 im Bereich der Schaltungsträgeraussparung 10 ergeben. Außerdem wird durch die Deckschicht 14 eine tragende Funktion für die Metallisierungsschicht 19 verbessert. Die dem Kühlkörper 2 abgewandte Oberfläche, die Oberseite 12, des Schaltungsträgers 5 ist mit elektronischen Bauelementen 15 bestückt, z. B. Treiberbausteinen oder Steuerbausteinen. Die Deckschicht 14 kann auch Öffnungen zum Freilassen der elektronischen Bauelemente 15 aufweisen. Die Schaltungsträgeraussparung 10 kann mittels einer in 2 dargestellten lichtdurchlässigen Abdeckung 16 überdeckt sein. Die Abdeckung 16 kann als mindestens ein optisches Element ausgestaltet sein, z. B. hier mit einem linsenförmigen Bereich 17, welcher die von der Leuchtdiode 4 ausgesandte Strahlung fokussiert. Die Abdeckung 16 ist hier mittels einer Abstandshalterschicht 18 von der Schaltungsträgeraussparung 10 beabstandet.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.

1: LED-Modul
2: Kühlkörper
3: Isolierschicht
4: Leuchtdiode
5: Schaltungsträger
6: niedriggradig dielektrische Lage
7: hochgradig dielektrische Lage
8: Aussparung
9: Ferritkern
10: Schaltungsträgeraussparung
11: Unterseite
12: Oberseite
13: Reflektorwand
14: Deckschicht
15: elektronisches Bauelement
16: Abdeckung
17: linsenförmiger Bereich
18: Abstandshalterschicht
19: Metallisierungsschicht
20: Abstufung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005006638 A1 [0013]
- WO 03/030247 A2 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- EUROPHOTONICS, Okt/Nov. 2007, S. 34 (A. Falconer, ”LED Lighting Powers Ahead”) [0002]
- F. Nguyen: ”Cost-Effective Light Sources Created for Rear-Projection TV in Photonics Spectra”, Juli 2006, S. 54–56 [0002]
- Photonics Spectra, Dez. 2004, S. 101 [0002]
- W. Buss et al., ”LTCC-Based optical elements for optoelectronic applications”, Proc. 15th European Microel. and Pack. Conf., Brugge (Belgium), 2005, S. 325 bis 328 [0003]

Claims

Leuchtmodul (1), aufweisend – eine Wärmesenke (2), – einen auf der Wärmesenke (2) angebrachten Schaltungsträger (5), wobei der Schaltungsträger (5) mindestens eine durchgehende Schaltungsträgeraussparung (10) aufweist und – mindestens eine in der Schaltungsträgeraussparung (10) angeordnete Lichtquelle (4), – wobei eine Reflektorwand (13) der Schaltungsträgeraussparung (10) zumindest teilweise reflektierend ist.
Leuchtmodul (1) nach Anspruch 1, bei dem der Schaltungsträger (5) ein mehrlagiger Schaltungsträger ist.
Leuchtmodul (1) nach Anspruch 2, bei dem die mindestens eine Schaltungsträgeraussparung (10) durch Übereinanderstapeln von übereinander liegenden Lagenaussparungen der einzelnen Lagen (6, 7) hergestellt worden ist.
Leuchtmodul (1) nach Anspruch 3, bei dem zumindest zwei Lagenaussparungen eine unterschiedliche ebene Abmessung aufweisen.
Leuchtmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Reflektorwand (13) eine im Wesentlichen gekrümmte Oberfläche aufweist.
Leuchtmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Reflektorwand (13) mit mindestens einer Deckschicht (14) beschichtet ist.
Leuchtmodul (1) nach Anspruch 6, bei dem die mindestens eine Deckschicht (14) eine organische Schicht, insbesondere Polymerschicht, ist.
Leuchtmodul (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die mindestens eine Deckschicht (14) mit mindestens einer Metallisierungsschicht (19) beschichtet ist.
Leuchtmodul (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die mindestens eine Deckschicht (14) und/oder die mindestens eine Metallisierungsschicht (19) mittels eines SiPLIT-Verfahrens aufgebracht worden sind.
Leuchtmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schaltungsträger (5) und die mindestens eine Lichtquelle (4) von der Wärmesenke (2) mittels mindestens einer Isolierschicht (3) getrennt sind.
Leuchtmodul (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem der Schaltungsträger (5) ein keramischer Schaltungsträger, insbesondere LTCC-Schaltungsträger, ist.
Leuchtmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine Lichtquelle (4) mindestens eine Halbleiterlichtquelle, insbesondere Leuchtdiode, aufweist.
Leuchtmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die der Wärmesenke (2) abgewandte Oberfläche (12) des Schaltungsträgers (5) mit mindestens einem elektronischen Bauelement (15) bestückt ist.
Leuchtmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schaltungsträgeraussparung (10) von einer lichtdurchlässigen Abdeckung (16) überdeckt ist.
Leuchtmodul nach Anspruch 14, bei dem die lichtdurchlässige Abdeckung (16) als optisches Element ausgestaltet ist.