DE102009021236A1 - Leuchtdiodenmodul und Beleuchtungseinheit mit Leuchtdiodenmodul - Google Patents

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Abstract

Leuchtdiodenmodul mit einer Leuchtdiodeneinrichtung (1), die einen elektrisch isolierenden Träger (2) aufweist, der an einer Wärmesenke (4) fixiert ist, wobei das Material des Trägers (2) aus der Gruppe von Alumniumoxid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Bornitrid und Silizium ist, und die Wärmesenke (4) aus Wärme leitendem Material besteht, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 2 · 10Kbis 10 · 106 Kbesitzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Leuchtdiodenmodul und eine Beleuchtungseinheit mit Leuchtdiodenmodul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • I. Stand der Technik
  • Ein derartiges Leuchtdiodenmodul ist beispielsweise in der WO 2008/065030 A1 offenbart. Diese Offenlegungsschrift beschreibt ein Leuchtdiodenmodul mit einer Leuchtdiodeneinrichtung, die einen elektrisch isolierenden Träger aufweist, welcher auf einer metallischen Wärmesenke mittels Klebstoff fixiert ist.
  • II. Darstellung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Leuchtdiodenmodul mit einer verbesserten Verbindung von keramischem Träger und Wärmesenke bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Leuchtdiodenmodul besitzt eine Leuchtdiodeneinrichtung, die einen, an einer Wärmesenke fixierten, elektrisch isolierenden Träger aufweist. Erfindungsgemäß ist das Material des elektrisch isolierenden Trägers aus der Gruppe von Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Bornitrid und Silizium, und die Wärmesenke besteht erfindungsgemäß aus Wärme leitendem Material, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 2·10–6 K–1 bis 10·10–6 K–1 besitzt. Dadurch ist gewährleistet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Wärmesenkenmaterials an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des elektrisch isolierenden Trägers angepasst ist und somit keine nennenswerten mechanischen Spannungen zwischen dem Träger und der Wärmesenke während des Betriebs des Leuchtenmoduls entstehen können, welche auf die Verbindung zwischen dem Träger und der Wärmesenke einwirken könnten. Außerdem ist dadurch gewährleistet, dass für die Verbindung von Träger und Wärmesenke solche Klebstoffe verwendet werden können, welche die höchste Wärmeleitfähigkeit besitzen. Diese Klebstoffe zeichnen sich auch dadurch aus, dass sie nach dem Aushärten extrem hart sind. Aufgrund der angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien von Wärmesenke und elektrisch isolierendem Träger besteht bei dem erfindungsgemäßen Leuchtdiodenmodul nicht die Gefahr einer Zerstörung der Klebverbindung durch mechanische Spannungen zwischen Wärmesenke und Träger. Die Erfindung ermöglicht somit eine besonders einfache Verbindung zwischen Träger und Wärmesenke des Leuchtdiodenmoduls mittels der vorgenannten Klebstoffe. Alternativ können der elektrisch isolierende Träger und die Wärmesenke des erfindungsgemäßen Leuchtdiodenmoduls aber auch auf andere Weise, beispielsweise mittels Schrauben oder Klemmsitz, aneinander befestigt werden.
  • Die Wärmesenke des erfindungsgemäßen Leuchtdiodenmoduls besteht vorzugsweise aus Material mit einer Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 40 W/(mK) bis 200 W/(mK), um eine möglichst gute Wärmeableitung von der Leuchtdiodeneinrichtung zu gewährleisten. Vorzugsweise besteht die Wärmesenke aus Siliziumkarbid, Aluminiumsiliziumkarbid oder einer Molybdän-Kupferlegierung, weil diese Materialien derart hergestellt werden können, dass ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient ausreichend gut an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers angepasst ist. Beispielsweise kann Siliziumkarbid in unterschiedlichen Ausführungsformen, insbesondere als flüssigphasengesintertes Siliziumkarbid (LPSiC) oder als drucklos gesintertes Siliziumkarbid (SSiC) oder als Silizium infiltriertes Siliziumkarbid (SISiC) oder auch als Aluminium-Siliziumkarbid (AlSiC) verwendet werden. Die vorgenannten unterschiedlichen Formen von Siliziumkarbid besitzen thermische Ausdehnungskoeffizienten mit Werten im Bereich von 4,0·10–6 K–1 bis 4,8·10–6 K–1. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien liegt im Bereich von 40 W/(mK) bis 200 W/(mK). Bei Verwendung einer Molybdän-Kupferlegierung für die Wärmesenke können der thermische Ausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit durch Variation der relativen Anteile von Kupfer und Molybdän in der Legierung verändert und somit an den thermischen Ausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit des Materials des elektrisch isolierenden Trägers angepasst werden. Vorzugsweise ist der Anteil von Kupfer in der Molybdän-Kupferlegierung im Bereich von 15 bis 20 Gewichtsprozent und der Anteil von Molybdän entsprechend im Bereich von 85 bis 80 Gewichtsprozent.
  • III. Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • In der Figur ist schematisch ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtdiodenmoduls abgebildet. Dieses Leuchtdiodenmodul besitzt mehrere in einer Reihe angeordnete Leuchtdiodenchips 1, die auf einem elektrisch isolierenden Träger 2 fixiert sind. Details der Leuchtdiodenchips sind beispielsweise in der WO 2008/065030 A1 und in der dort zitierten Publikation zu Dünnfilm-Leuchtdiodenchips offenbart. Die Leuchtdiodenchips 1 sind sogenannte Hochleistungsleuchtdioden, die während ihres Betriebs gekühlt werden müssen, damit sie nicht durch die Wärmeentwicklung zerstört werden. Das Material des Trägers 2 ist Aluminiumoxid. Alternativ kann aber auch Aluminiumnitrid, Bornitrid, Berylliumoxid oder Silizium als Material für den Träger 2 verwendet werden. Der Träger 2 ist mittels Klebstoff 3 auf einer Wärmesenke 4 fixiert. Als Klebstoff 3 wird ein handelsüblicher Klebstoff mit möglichst hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet. Beispiele hierfür sind Epoxydharz und Silikonklebstoff. Die Wärmesenke 4 ist kegelstumpfförmig ausgebildet. Sie besteht aus einer Molybdän-Kupferlegierung, beispielsweise aus einer Legierung, die 85% Molybdän und 15% Kupfer enthält. Alternativ kann beispielsweise auch eine Molybdän-Kupferlegierung mit einem Molybdänanteil von 80% und einem Kupferanteil von 20% verwendet werden. Die erstgenannte Molybdän-Kupferlegierung besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 140 W/(mK) und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 6,5·10–6 K–1, während die als Zweites genannte Molybdän-Kupferlegierung eine Wärmeleitfähigkeit von 160 W/(mK) und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 7,2·10–6 K–1 besitzt. Anstelle einer Molybdänkupferlegierung kann aber auch Siliziumkarbid oder Aluminiumsiliziumkarbid als Material für die Wärmesenke 4 verwendet werden. Der Träger 2 ist auf der kleinflächigen Stirnseite 41 angeordnet, während die großflächige Stirnseite 42 bei der Montage des Leuchtdiodenmoduls in einer Beleuchtungseinheit (nicht abgebildet) mit einem Kühlkörper (nicht abgebildet) der Beleuchtungseinheit in Kontakt gebracht wird. Die Kegelstumpfform der Wärmesenke 4 verbessert die Wärmeableitung von den Leuchtdiodenchips 1 zu dem Kühlkörper (nicht abgebildet).
  • Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben näher beschriebene Ausführungsbeispiel. Insbesondere kann bei dem erfindungsgemäßen Leuchtdiodenmodul jedes der oben genannten Materialien für den Träger 2 mit jedem der oben genannten Materialien für die Wärmesenke 4 kombiniert werden. Auf der Wärmesenke können ferner elektrische Leiterbahnen und Kontaktflächen aufgebracht sein.
  • 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
    • - WO 2008/065030 A1 [0002, 0008]

Claims (5)

  1. Leuchtdiodenmodul mit einer Leuchtdiodeneinrichtung (1), die einen elektrisch isolierenden Träger (2) aufweist, der an einer Wärmesenke (4) fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Material des elektrisch isolierenden Trägers (2) aus der Gruppe von Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Bornitrid und Silizium ist, und – die Wärmesenke (4) aus Wärme leitendem Material besteht, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 2·10–6 K–1 bis 10·10–6 K–1 besitzt.
  2. Leuchtdiodenmodul nach Anspruch 1, wobei die Wärmesenke (4) aus Siliziumkarbid, Aluminiumsiliziumkarbid oder einer Molybdän-Kupferlegierung besteht.
  3. Leuchtdiodenmodul nach Anspruch 2, wobei die Wärmesenke (4) aus Molybdän-Kupferlegierung mit einem Kupferanteil im Bereich von 15 Gewichtsprozent bis 20 Gewichtsprozent und einen Molybdänanteil im Bereich von 85 Gewichtsprozent bis 80 Gewichtsprozent besteht.
  4. Leuchtdiodenmodul nach Anspruch 1, wobei der elektrisch isolierende Träger (2) mittels Klebstoff (3) an der Wärmesenke (4) fixiert ist.
  5. Beleuchtungseinheit mit mindestens einem Leuchtdiodenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
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