DE102010029529A1

DE102010029529A1 - Bauelementeträger für eine Leuchtvorrichtung, Leuchtvorrichtung, Verfahren zum Herstellen eines Bauelementeträgers und Verfahren zum Bestücken eines Bauelementeträgers

Info

Publication number: DE102010029529A1
Application number: DE201010029529
Authority: DE
Inventors: Guenter Hoetzl; Thomas Preuschl
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-12-01

Abstract

Der Bauelementeträger (25) ist für eine Leuchtvorrichtung (23) vorgesehen und weist mindestens eine Wärmesenke (10), eine auf der Wärmesenke (10) angeordnete dielektrische Lage (13) und mindestens eine auf der dielektrischen Lage (13) angeordnete Anschlussstruktur (12) zur Bereitstellung mindestens eines Bestückplatzes für ein elektronisches Bauelement (1), insbesondere mindestens eine Leuchtdiode, auf, wobei an mindestens einem Bestückplatz mindestens ein durch ein Bauelement (1) kontaktierbares Wärmeleitelement (24) angeordnet ist, welches bis zu der Wärmesenke (10) reicht. Die Leuchtvorrichtung (23) ist mit mindestens einem solchen Bauelementeträger (25) ausgerüstete, wobei mindestens ein mit dem Wärmeleitelement (24) ausgerüsteter Bestückplatz mit mindestens einem Bauelement (1), insbesondere Leuchtdiode, bestückt ist, wobei ein thermisches Kontaktfeld (9) des Bauelements (1) über das Wärmeleitelement mit der Wärmesenke (10) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bauelementeträger, insbesondere Leiterplatte, für eine Leuchtvorrichtung. Die Erfindung betrifft ferner eine Leuchtvorrichtung, insbesondere LED-Leuchtvorrichtung. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelementeträgers und ein Verfahren zum Bestücken eines Bauelementeträgers.
1 zeigt in Seitenansicht einen vereinfachten Aufbau einer an sich bekannten Leuchtdiode 1 mit einer Unterlage 2 (z. B. einem Gehäuse oder einem Substrat, z. B. aus TiN, Al₂O₃, AlN usw.), an deren Oberseite 3 ein LED-Chip 4 oder ”Die” angebracht ist, wobei der LED-Chip 4 von einer lichtdurchlässigen Abdeckung 5, z. B. einer Linse, abgedeckt ist. Zur elektrischen Kontaktierung weist der LED-Chip 4 hier beispielhaft an der Rückseite 6 der Unterlage 2 zwei elektrische Anschlüsse auf, nämlich eine Anode 7 und eine Kathode 8. Weiterhin ist an der Rückseite 6 ein elektrisch neutrales und flächiges thermisches Kontaktfeld 9 angebracht. Das thermische Kontaktfeld 9 besteht aus einem thermisch gut leitenden Material, z. B. Metall. Das thermische Kontaktfeld 9 wird häufig auch als ”thermisches Pad bezeichnet. Das thermische Kontaktfeld 9 und die elektrischen Anschlüsse 7 und 8 können aus dem gleichen Material bestehen und gleichartig aufgebaut sein, beispielsweise jeweils durch eine Kupferschicht oder ein Kupferplättchen. Während die elektrischen Anschlüsse 7, 8 zur elektrischen Kontaktierung und somit Stromversorgung der Leuchtdiode 1 dienen und dazu mit dem LED-Chip 4 direkt oder indirekt elektrisch gekoppelt sind, dient das thermische Kontaktfeld 9 insbesondere der Wärmespreizung und Wärmeableitung von der Leuchtdiode 1. Das thermische Kontaktfeld 9 ist dazu von den elektrischen Anschlüssen 7, 8 elektrisch isoliert.
2 zeigt die Rückseite 6 der Leuchtdiode 1, wobei die thermische Kontaktfläche 9 größer ist als die Anode 7 und die Kathode 8 und hier die elektrischen Anschlüsse 7, 8 und das thermische Kontaktfeld 9 zusammen einen Großteil der Rückseite 6 der Unterlage 2 einnehmen. Die thermische Kontaktfläche 9 weist eine rechteckige Grundform mit Kantenlängen von ca. 2,6 mm auf 0,9 mm auf. Die Leuchtdiode 1 kann z. B. eine Leuchtdiode vom Typ OSRAM OSLON SSL sein.
3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine herkömmliche Leuchtvorrichtung 14, bei der eine Leiterplatte 15 an mindestens einem Bestückplatz mit der Leuchtdiode 1 bestückt ist. Dabei werden die Anode 7 und die Kathode 8 der Leuchtdiode 1 über jeweilige Lotvolumina 11a mit einer zugehörigen Anschlussstruktur in Form einer Leiterbahnstruktur 12 der Leiterplatte 15 elektrisch und mechanisch verbunden. Die Lotvolumina 11a können beispielsweise zunächst als Paste auf die Leiterbahnstruktur 12 aufgetragen worden sein und dann geschmolzen worden sein, z. B. mittels eines Reflowprozesses. Um einen Kurzschluss verschiedener Bereiche der Leiterbahnstruktur 12 zu verhindern, ist zwischen einer Wärmesenke 10 der Leiterplatte 15 und der Leiterbahnstruktur 12 eine vollflächige dielektrische Lage 13 vorhanden.
Auch die thermische Kontaktfläche 9 ist durch ein zugehöriges Lotvolumen 11b mit der Leiterbahnstruktur 12 thermisch verbunden, wobei der mit der thermischen Kontaktfläche 9 verbundene Bereich der Leiterbahnstruktur 12 nicht mit Bereichen der Leiterbahnstruktur 12 elektrisch verbunden ist, welche wiederum mit der Anode 7 oder der Kathode 8 elektrisch verbunden sind. Somit ergibt sich eine Wärmebrücke zwischen der Leuchtdiode 1 über deren thermische Kontaktfläche 9 durch das damit mechanisch und thermisch in Kontakt stehende Lotvolumen 11b, den mit dem Lotvolumen 11b in Kontakt stehenden Bereich der Leiterbahnstruktur 12 und durch die dielektrische Lage 13 zu der Wärmesenke 10. Während die Lotvolumina 11 bzw. 11a und 11b und die Leiterbahnstruktur 12 typischerweise eine gute Wärmeleitung aufweisen, wirkt die dielektrische Lage 13 stark wärmedämmend, so dass die Wärmeabfuhr von der Leuchtdiode 1 zu der Wärmesenke 10 häufig ein praktisches Problem einer solchen Leuchtvorrichtung 14 darstellt.
Bisher wird versucht, die Wärmeleitung über die thermische Kontaktfläche 9 zu der Wärmesenke 10 dadurch zu verbessern, dass die Dicke der dielektrischen Lage 13 so gering wie möglich gehalten wird. Jedoch muss eine Mindestdicke vorgesehen sein, um einen Durchschlag durch die dielektrische Lage und damit einen irreparablen Kurzschluss innerhalb der Leuchtvorrichtung 14 zu vermeiden. Dies begrenzt die Möglichkeit, eine ausreichend hohe Wärmeabfuhr von der Leuchtdiode 1 sicherzustellen. Eine Alternative oder zusätzliche Maßnahme stellt eine Zwangskühlung der Wärmesenke 10 oder der Leiterplatte 15 dar, beispielsweise mittels eines Ventilators (o. Abb.), wodurch ein thermisches Gefälle und dadurch ein Wärmestrom zwischen der Leuchtdiode 1 und der Wärmesenke 10 verstärkt wird. Jedoch ist eine solche Lösung aufwendig und kann ein Bauvolumen der Leuchtvorrichtung 14 erheblich vergrößern.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lebensdauer von elektrischen Bauelementen einer Leuchtvorrichtung zu verlängern.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Bauelementeträger für eine Leuchtvorrichtung, wobei der Bauelementeträger mindestens aufweist: eine Wärmesenke, eine auf der Wärmesenke angeordnete dielektrische Lage und mindestens eine auf der dielektrischen Lage angeordnete Anschlussstruktur zur Bereitstellung mindestens eines Bestückplatzes für ein elektronisches Bauelement, insbesondere mindestens eine Leuchtdiode. An mindestens einem Bestückplatz ist mindestens ein durch ein Bauelement kontaktierbares Wärmeleitelement angeordnet, welches bis zu der Wärmesenke reicht.
Dieser Bauelementeträger weist den Vorteil auf, dass er mittels des Wärmeleitelements eine Möglichkeit für eine effektive Wärmeanbindung eines an dem damit ausgerüsteten Steckplatz befestigten elektronischen Bauelements bereitstellt. Ein an das Wärmeleitelement thermisch angeschlossenes Bauelement kann dadurch stärker gekühlt werden, was dessen Lebensdauer erhöht. Auch können bei gleicher Temperatur des Bauelements die Leistung und/oder der Wirkungsgrad gesteigert werden.
Der Bauelementeträger braucht nur einen Bestückplatz aufzuweisen, z. B. einen SMD-Bestückplatz, welcher dann das Wärmeleitelement bereitstellt. Der Bauelementeträger kann aber auch mehrere Bestückplätze aufweisen, von denen dann zumindest einer jeweils das Wärmeleitelement bereitstellt.
Die Wärmesenke kann als ein Wärmespreizungselement und/oder als ein Kühlkörper ausgebildet sein.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die Wärmesenke eine Dicke von mindestens ca. 0,5 mm bis 2 mm aufweist.
Die dielektrische Lage kann z. B. eine Wärmeleitfähigkeit in einem Bereich von 0,2 W/(m·K) und 1 W/(m·K) aufweisen. Die dielektrische Lage kann z. B. aus einem Epoxidmaterial bestehen. Die dielektrische Lage kann z. B. aus einem Leiterplattenmaterial wie FR4, aus einem Prepreg-Material, Polyimid oder Keramik bestehen.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die dielektrische Lage eine Dicke von weniger als 25 μm aufweist. Dann können beispielsweise die Anschlussstruktur und ein Wärmeleitelement in einem gleichen Prozessschritt hergestellt werden; der verbleibende Höhenunterschied von maximal ca. 25 μm kann z. B. ohne weitere Schritte durch eine Aufbringen einer Lötpaste, insbesondere einer Dicke von 50 μm oder mehr ausgeglichen werden. Auch ist der Bauelementeträger bei einer solchen Dicke der dielektrischen Lage prozesstechnisch besonders gut handhabbar oder verarbeitbar.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Wärmeleitelement mindestens ein Befestigungsmaterialvolumen aufweist. Das Wärmeleitelement kann dabei vollständig oder teilweise aus dem Befestigungsmaterialvolumen bzw. einem Befestigungsmaterial bestehen, z. B. einer Lotpaste oder einem Leitkleber. Die Verwendung von Befestigungsmaterial als dem (insbesondere einzigen) Material des Wärmeleitelements weist den Vorteil auf, dass das Wärmeleitelement in einem gemeinsamen Schritt mit dem Aufbringen von Befestigungsmaterial zum Befestigen des Bauelements hergestellt werden kann. Zudem ist eine Herstellung eines solchen Wärmeleitelements sehr einfach, z. B. mittels einer Bedruckung. Auch können durch das Befestigungsmaterial, das bei seiner Aufbringung insbesondere als eine Paste vorliegen kann, Höhenunterschiede teilweise ausgeglichen werden.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das Wärmeleitelement mindestens ein Metallvolumen aufweist. Ein solches Wärmeleitelement weist eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit auf. Das Metall kann insbesondere Kupfer und/oder Aluminium aufweisen, und zwar in Reinform oder als eine Legierung. Für den im Fall, dass das Wärmeleitelement Aluminium aufweist oder im Wesentlichen daraus besteht, kann das Aluminium mit einer, z. B. oberflächlichen, Legierung ausgerüstet sein oder als eine Legierung ausgebildet sein, um eine Lötfähigkeit herzustellen.
Das Metallvolumen kann, beispielsweise durch ein Galvanisierungsverfahren, aufgebracht werden. Das Metallvolumen kann grundsätzlich als ein separat von der Wärmesenke hergestelltes metallisches Volumen ausgestaltet sein.
Alternativ kann das Metallvolumen ein einstückig mit der Wärmesenke verbundenes metallisches Volumen ausgestaltet sein, z. B. als ein Vorsprung der Wärmesenke.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das Wärmeleitelement ein Wärmeleitmaterial (”Thermal Interface Material”, TIM) aufweist, insbesondere daraus bestehen kann. Ein TIM kann z. B. eine Wärmeleitpaste sein.
Allgemein kann das Wärmeleitelement aus mehreren Bereichen mit unterschiedlichen Materialien bestehen, z. B. einem Metallvolumen, an das ein Befestigungsmaterialvolumen grenzt. Das Metallvolumen kann z. B. die Wärmesenke kontaktieren, während das Befestigungsmaterialvolumen das Bauelement kontaktieren kann oder kontaktiert. Das Wärmeleitelement kann alternativ nur aus einem Material oder Materialgemisch bestehen.
Es ist eine Weiterbildung, dass das Wärmeleitelement von der Anschlussstruktur, z. B. Leiterbahnstruktur, elektrisch isoliert ist.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass das Wärmeleitelement durch mindestens eine Freisparung in der dielektrischen Lage reicht. So wird ein reduzierter Wärmefluss aufgrund des thermisch schlecht leitenden Dielektrikums vermieden.
Die Freisparung kann beispielsweise bereits in eine dielektrische Lage vor deren Aufbringen auf die Wärmesenke eingebracht worden sein. Für eine einfache Herstellung mit geringen Toleranzen kann es alternativ möglich sein, ein vollflächiges Dielektrikum auf die Wärmesenke aufzubringen und die Freisparung(en) nachträglich einzubringen, z. B. mittels einer mechanischen Abtragung, z. B. mittels Mikrofräsens oder einer Laserablation.
Der Bauelementeträger ist grundsätzlich nicht in seiner Art beschränkt und kann z. B. ein Substrat (”Submount”) für ein LED-Cluster sein; die Wärmesenke kann dann z. B. durch den wärmeleitenden Grundkörper des Submounts gebildet werden, z. B. aus Keramik. Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass der Bauelementeträger eine Metallkernplatine ist, wobei die Wärmesenke dann durch den Metallkern (typischerweise aus Kupfer oder Aluminium) gebildet wird.
Der Bauelementeträger kann allgemein zusätzliche Lagen aufweisen, z. B. mehrere Anschlussstrukturlagen, eine Kompensationslage bezüglich einer Wärmeausdehnung, eine Klebeschicht usw.
Das mindestens eine elektronische Bauelement kann beispielsweise einen Schaltungsbaustein, z. B. für eine Treiberschaltung, umfassen. Der Schaltungsbaustein kann ein integrierter Schaltkreis sein. Das mindestens eine elektronische Bauelement kann alternativ oder zusätzlich einen Leistungstransistor umfassen. Das mindestens eine elektronische Bauelement kann alternativ oder zusätzlich mindestens eine bestückbare Lichtquelle umfassen.
Bevorzugterweise umfasst die mindestens eine Lichtquelle mindestens eine Leuchtdiode. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtdioden können diese in der gleichen Farbe oder in verschiedenen Farben leuchten. Eine Farbe kann monochrom (z. B. rot, grün, blau usw.) oder multichrom (z. B. weiß) sein. Auch kann das von der mindestens einen Leuchtdiode abgestrahlte Licht ein infrarotes Licht (IR-LED) oder ein ultraviolettes Licht (UV-LED) sein. Mehrere Leuchtdioden können ein Mischlicht erzeugen; z. B. ein weißes Mischlicht. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mindestens einen wellenlängenumwandelnden Leuchtstoff enthalten (Konversions-LED). Die mindestens eine Leuchtdiode kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten Leuchtdiode oder in Form mindestens eines LED-Chips vorliegen. Mehrere LED-Chips können auf einem gemeinsamen Substrat (”Submount”) montiert sein. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik zur Strahlführung ausgerüstet sein, z. B. mindestens einer Fresnel-Linse, Kollimator, und so weiter. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen Leuchtdioden, z. B. auf Basis von InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z. B. Polymer-OLEDs) einsetzbar. Auch können z. B. Diodenlaser verwendet werden. Alternativ kann die mindestens eine Lichtquelle z. B. mindestens einen Diodenlaser oder eine andere Halbleiterlichtquelle aufweisen.
Der Bauelementeträger ist vorzugsweise für eine SMD-Bestückung vorgesehen und eingerichtet.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Leuchtvorrichtung mit mindestens einem solchen Bauelementeträger, wobei mindestens ein mit dem Wärmeleitelement ausgerüsteter Bestückplatz mit mindestens einem elektronischen Bauelement, insbesondere Leuchtdiode, bestückt ist und wobei ein thermisches Kontaktfeld des Bauelements über das Wärmeleitelement mit der Wärmesenke verbunden ist. Das elektronische Bauelement weist folglich ein thermisches Kontaktfeld auf, das dazu vorgesehen ist eine Schnittstelle zur Wärmeableitung bereitzustellen. Bei dieser Leuchtvorrichtung kann die Temperatur des Bauelements über das Wärmeleitelement effektiv an die Wärmesenke abgeleitet werden, so dass die Lebensdauer des Bauelements erheblich erhöht werden kann.
Beispielsweise haben Untersuchungen für eine Leuchtdiode vom Typ OSRAM OSLON SSL bei einem Betrieb mit einer Leistung von 4 Watt geben, dass für eine Metallkernplatine mit einer Leiterbahnstruktur aus Kupfer mit einer Dicke von 35 μm, einer dielektrischen Lage mit einer Dicke von ca. 15 μm und einem Wärmeleitkoeffizienten von ca. 0,8 W/(m·K) eine Temperaturverringerung an dem LED-Chip der Leuchtdiode von ca. 10% bis 20% erreicht wurde.
Das thermische Kontaktfeld kann über das Wärmeleitelement direkt mit der Wärmesenke in thermischem Kontakt stehen. Das Wärmeleitelement kann insbesondere das thermische Kontaktfeld direkt kontaktieren (eine gemeinsame Kontaktfläche damit aufweisen) und gleichzeitig die Wärmesenke direkt kontaktieren.
Alternativ oder zusätzlich kann das thermische Kontaktfeld das Wärmeleitelement über ein Befestigungsmaterialvolumen kontaktieren.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelementeträgers, bei dem das Wärmeleitelement mindestens ein Metallvolumen aufweist. Das Verfahren weist mindestens die folgenden Schritte auf:

a) Bereitstellen eines Bauelementeträgers, mindestens aufweisend eine Wärmesenke und eine auf der Wärmesenke angeordnete dielektrische Lage. Die dielektrische Lage kann insbesondere eine vollflächige Lage sein.
b) Einbringen mindestens einer Freisparung in die dielektrische Lage an einem vorgesehenen Bestückplatz.

Die Freisparung kann folgend mit einem wärmeleitfähigen Material aufgefüllt werden, welches dann zumindest einen Teil des Wärmeleitelements bildet. Durch die Freisparung wird eine Barriere entfernt, welche einen Wärmefluss von einem Bauelement zu der Wärmesenke erheblich behindern kann.
Es ist eine Weiterbildung dass sich an Schritt b) anschließt:

c) Galvanisches Auffüllen zumindest der Freisparung mit einem metallischen Wärmeleitelement bis auf eine Höhe, welche im Wesentlichen einer Höhe einer vorgesehenen oder vorhandenen Anschlussstruktur entspricht.

So kann eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitelements erreicht werden. Ferner kann die Bestückung der Leiterplatte, z. B. im Rahmen eines Reflow-Prozesses, besonders einfach gestaltet werden, da das Wärmeleitelement auf gleiche Weise und in einem gleichen Verfahrensschritt mit Befestigungsmaterial, insbesondere Lotmaterial wie Lotpaste oder Leitkleber wie Silberleitkleber, belegt werden kann wie die Anschlussstruktur. Das Befestigungsmaterial, insbesondere die Lotpaste, weist den Vorteil auf, dass sie Toleranzen in der Höhe zwischen der Anschlussstruktur und dem Wärmeleitelement ausgleichen kann, z. B. bis zu 50 μm, insbesondere bis zu 25 μm.
Die Herstellung der Anschlussstruktur und des Wärmeleitelements unter Verwendung eines Galvanisierungsablaufs kann getrennt ausgeführt werden (mit grundsätzlich beliebiger Reihenfolge), da eine selektive Steuerung der Aufwuchsgeschwindigkeit nur schwierig umsetzbar ist. Jedoch kann insbesondere bei einer Freisparung mit einer Dicke von 25 μm oder weniger die Herstellung der Anschlussstruktur und des Wärmeleitelements auch in einem gleichen Schritt sinnvoll sein, da dann der der Dicke in etwa entsprechende Höhenunterschied z. B. durch einen Lotpastendruck ausgleichbar ist.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Bestücken eines Bauelementeträgers, wobei der Bauelementeträger mindestens aufweist:

– eine Wärmesenke,
– eine auf der Wärmesenke angeordnete dielektrische Lage,
– mindestens eine auf der dielektrischen Lage angeordnete Anschlussstruktur zur Bereitstellung mindestens eines Bestückplatzes für ein elektronisches Bauelement, insbesondere mindestens eine Leuchtdiode; und
– mindestens eine Freisparung in der dielektrischen Lage an mindestens einem vorgesehenen Bestückplatz.

Das Verfahren weist mindestens die folgenden Schritte auf:

– Aufbringen von Befestigungsmaterial, insbesondere Lotpaste oder Leitkleber, auf die Anschlussstruktur im Bereich des mindestens einen Bestückplatzes zur elektrischen Kontaktierung mindestens eines vorgesehenen Bauelements; und
– Aufbringen von Befestigungsmaterial, insbesondere Lotpaste oder Leitkleber, in die Freisparung bis zu einer Höhe, welcher im Wesentlichen einer Höhe des auf die Anschlussstruktur aufgebrachten oder aufzubringenden Befestigungsmaterials entspricht.

Das Lotmaterial, insbesondere Lotpaste, kann insbesondere mit einer Dicke von 50 μm bis 200 μm aufgebracht werden, bei einem Pastendruck beispielsweise mittels einer Schablone einer entsprechenden Dicke. Allgemein kann ein Pasten- oder Kleberdruck z. B. mit einer Schablone, einem Dispenser oder einem Sieb durchgeführt werden.
Die Erfindung umfasst somit mindestens zwei alternative Vorgehensweisen zur Herstellung einer Leuchtvorrichtung: Erstens umfassend die Herstellung des Wärmeleitelements aus Befestigungsmaterial, z. B. Lotmaterial oder Leitkleber, (bevorzugt demselben Befestigungsmaterial wie bei der Kontaktierung der elektronischen Bauelemente) mit mindestens folgenden Schritten:

– Bereitstellen eines Trägers mit einer Wärmesenke, auf oder oberhalb der mindestens eine dielektrische Lage angeordnet ist und auf oder oberhalb der dielektrischen Lage eine Anschlussstruktur mit mindestens einem Bestückplatz für eine Bauelement, insbesondere Leuchtdiode, angeordnet ist;
– Einbringen mindestens einer Freisparung in der dielektrische Lage an zumindest einem Bestückplatz;
– Auffüllen der Freisparung mit einem Befestigungsmaterial in dem gleichen Schritt, in dem das (dann insbesondere noch pastenartige) Befestigungsmaterial auch zur Kontaktierung des Bauelements auf die Anschlussstruktur aufgebracht wird, vorzugsweise so, dass das Befestigungsmaterial durchgehend eine im Wesentlichen gleiche Höhe aufweist;
– Bestücken des Bestückungsplatzes mit dem Bauelement so, dass eine thermische Kontaktfläche des Bauelements über das durch die Freisparung verlaufende Volumen des Befestigungsmaterials mit der Wärmesenke verbunden ist.

Zweitens umfassend die Herstellung des Wärmeleitelements zumindest teilweise aus Metall (bevorzugt demselben Material wie die Anschlussstruktur) mit mindestens folgenden Schritten:

– Bereitstellen eines Trägers mit einer Wärmesenke, auf oder oberhalb der mindestens eine dielektrische Lage angeordnet ist und auf oder oberhalb der dielektrischen Lage optional eine Anschlussstruktur mit mindestens einem Bestückplatz für eine Bauelement, insbesondere Leuchtdiode, angeordnet ist;
– Einbringen mindestens einer Freisparung in der dielektrische Lage an zumindest einem Bestückplatz;
– Auffüllen der Freisparung mit einem Metallvolumen, vorzugsweise durch eine Galvanisierung, vorzugsweise so, dass das Metallvolumen eine im Wesentlichen gleiche Höhe aufweist wie die (bereits vorhandene oder noch aufzubringende) Anschlussstruktur;
– Aufbringen von Befestigungsmaterial zumindest an einem Bestückplatz auf die Anschlussstruktur und das durch die Freisparung verlaufenden Metallvolumen;
– Bestücken des Bestückungsplatzes mit dem Bauelement so, dass eine thermische Kontaktfläche des Bauelements über das durch die Freisparung verlaufende Metallvolumen (ggf. zumindest teilweise auch durch das darauf angebrachte Befestigungsmaterial) mit der Wärmesenke verbunden ist.

In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen Bauelementeträger einer erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung in einem Zwischenzustand seiner Herstellung;
5 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Leuchtvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
6 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen Bauelementeträger einer erfindungsgemäßen Leuchtvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform in einem Zwischenzustand seiner Herstellung, welcher sich dem in 4 gezeigten Zwischenzustand anschließt; und
7 als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Leuchtvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform;
8 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Leuchtvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
4 zeigt einen Bauelementeträger 20 einer Leuchtvorrichtung in einem Zwischenzustand seiner Herstellung, bei dem die dielektrische Lage 13 hier mit einer Dicke von weniger als 25 μm auf einer Wärmesenke 10 aufgebracht worden ist. Der Bauelementeträger 20 kann als ein eigenständiges Produkt in Verkehr gebracht werden.
Die Wärmesenke 10 kann ein Metallkern mit Kupfer (Reinkupfer oder Kupferlegierung) einer als Bauelementeträger 20 dienenden Metallkernplatine, MCPCB (”Metal Core Printed Circuit Board”), sein. Die Wärmesenke 10 kann beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehen, wobei im Fall des Aluminiums diese z. B. mit einer Legierung ausgerüstet sein kann oder als eine Legierung ausgebildet sein kann, um eine Lötfähigkeit herzustellen. Die Wärmesenke 10 kann für eine wirksame Wärmeaufnahme insbesondere eine Dicke von mindestens ca. 0,5 mm bis 2 mm aufweisen.
Auf die dielektrische Lage 13 ist bereits die Leiterbahnstruktur 12, die hier aus Kupfer besteht, aufgebracht. Die Leiterbahnstruktur 12 kann z. B. Leiterbahnen, Kontaktfelder und andere Strukturen aufweisen, welche zur elektrischen Verbindung von damit verbundenen Elementen benötigt werden.
Im Gegensatz zu der bekannten Leiterplatte 15 weist der Bauelementeträger 20 nun eine Freisparung 21 in der dielektrischen Lage 13 auf. Die Freisparung 21 weist allgemein vorteilhafterweise im Wesentlichen die gleichen Maße auf wie eine wie das zugehörige thermische Kontaktfeld 9, welches darüber anzuordnen ist. Die Freisparung 21 kann insbesondere zumindest in etwa das gleiche Maß und die gleiche Form aufweisen wie das darüberliegende thermische Kontaktfeld 9, z. B. von ca. 2,6 mm auf 0,9 mm; jedoch sind die Abmessungen nicht beschränkt.
Die Freisparung 21 kann bereits vor einer Auftragung der dielektrischen Lage 13 auf die Wärmesenke 10 in diese eingebracht worden sein, oder erst im bereits aufgebrachten Zustand. Die Freisparung 21 kann beispielsweise mittels eines materialabtragenden Verfahrens in die vollflächige dielektrische Lage 13 eingebracht worden sein, z. B. mittels einer Laserablation oder eines Abfräsens. Im Bereich der Freisparung 21 liegt die Oberfläche der Wärmesenke 10 frei. Die Leiterbahnstruktur 12 erstreckt sich nicht über die Freisparung 21, so dass sich im Bereich der Freisparung 21 eine Aussparung 22 von einer Oberseite des Bauelementeträgers 20 bis zu der Wärmesenke 10 ergibt.
5 zeigt eine Leuchtvorrichtung 23, welche ausgehend von dem Bauelementeträger 20 aus 4 weitergebildet worden ist. Dazu ist zunächst ein Bauelementeträger 25 der Leuchtvorrichtung 23 aus dem Bauelementeträger 20 weitergebildet worden, indem in einem Schritt eines Reflow-Löt-Prozesses eine Paste aus (Weich)lot als Lotvolumina 11 und 24 vor einer Bestückung des Bauelementeträgers 25 aufgetragen wird. Üblicherweise wird das Lotvolumen 11 dort auf die Leiterbahnstruktur 12 aufgebracht, wo sie mit einem Bauelement, hier: der Leuchtdiode 1, elektrisch und mechanisch verbunden werden soll, also z. B. dort, wo die Anode 7 und die Kathode 8 mit der Leiterbahnstruktur 12 verbunden werden sollen.
Bei dem Bauelementeträger 20 aus 4 wird in dem gleichen Schritt auch die Aussparung 22 einschließlich der Freisparung 21 mit dem Lotvolumen 24 gefüllt und zwar bis auf ein Niveau, dass im Wesentlichen dem Niveau der Lotvolumina 11, welche auf die Leiterbahnstruktur 12 aufgebracht werden, entspricht.
In einem folgenden Schritt wird die Leuchtdiode 1 auf den Bauelementeträger 25 dergestalt aufgesetzt, dass die Anode 7 und die Kathode 8 in Kontakt mit einem jeweiligen Lotvolumen 11 kommen. Die thermische Kontaktfläche 9 wird auf das Lotvolumen 24 aufgesetzt. Das Lotvolumen 24 bildet eine direkte Wärmebrücke zu der Wärmesenke 10.
In noch einem weiteren Schritt werden die Lotvolumina 11 und 24 geschmolzen. Die Lotvolumina 11 verbinden dann fest die Anode 7 und die Kathode 8 mit der Leiterbahnstruktur 12, wobei die Anode 7 und die Kathode 8 über die Lotvolumina 11 mit der Leiterbahnstruktur 12 verbunden sein können und/oder die Leiterbahnstruktur 12 auch direkt kontaktieren können. Das Lotvolumen 24 verbleibt im Wesentlichen an seinem Ort und verbindet nun fest die thermische Kontaktfläche 9 mit der Wärmesenke 10. Dies ergibt eine gute Wärmeableitung von der Leuchtdiode 1 zu der Wärmesenke 10, da das Lotvolumen 24 eine hohe Wärmeleitfähigkeit (z. B. von ca. 90 W/(m·K)) aufweist und der Wärmefluss keinen Bereich mit geringer Wärmeleitfähigkeit (z. B. die dielektrischen Lage 13) zu durchqueren braucht.
Diese Art der Wärmebrücke in Form des Lotvolumens 24 ist sehr einfach aufgebaut und herzustellen und benötigt insbesondere im Rahmen eines üblichen Reflow-Löt-Prozesses keinen separaten Prozessschritt.
6 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen Bauelementeträger 30 einer Leuchtvorrichtung 32 gemäß einer zweiten Ausführungsform in einem Zwischenzustand seiner Herstellung, welcher sich dem in 4 gezeigten Zwischenzustand anschließt. Auch dieser Bauelementeträger 30 kann als eigenständiges Produkt vorliegen.
Hier ist im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform die Freisparung 21 mittels einer, insbesondere lokalen, galvanischen Abscheidung mit einem Metallvolumen 31 aufgefüllt worden. Das Metallvolumen 31 reicht bis zu der Höhe der Leiterbahnstruktur 12. Das Metallvolumen 31 ist durch ein gleiches galvanisches Verfahren hergestellt worden wie die Leiterbahnstruktur 12, jedoch in einem davon separaten Schritt, da das Metallvolumen 31 und die Leiterbahnstruktur 12 eine unterschiedliche Höhe aufweisen. In diesem separaten Schritt wird der Teil der Oberfläche des Bauelementeträgers 20, der nicht galvanisiert werden soll, abgedeckt und nur der zu galvanisierende Teil der Oberfläche des Bauelementeträgers 20 freigelassen. Das Metallvolumen 31 kann vor oder nach der Leiterbahnstruktur 12 aufgebracht werden.
In einem folgenden Reflowschritt werden Lotvolumina 11 als Paste sowohl auf die Leiterbahnstruktur 12 als auch auf das Metallvolumen 31 aufgebracht. Dann wird der Bauelementeträger 30 so mit der Leuchtdiode 1 bestückt, dass die thermische Kontaktfläche 9 über eines der Lotvolumina 11 mit dem Metallvolumen 31 in Kontakt steht. Während des Reflowlötens werden die Lotvolumina 11 geschmolzen, wobei die thermische Kontaktfläche 9 danach über das zugehörige Lotvolumen 11 mit dem Metallvolumen 31 verbunden sein kann und/oder das Metallvolumen 31 direkt kontaktieren kann. Daraus ergibt sich, wie in 7 gezeigt, die Leuchtvorrichtung 32.
Auch hier ist die Wärmebrücke in Form des Metallvolumens 31 sehr einfach aufgebaut und kann ferner eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, z. B. bei der Verwendung von Kupfer oder Aluminium als dem Material des Metallvolumens 31.
8 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine weitere Leuchtvorrichtung 33, bei der das Wärmeleitelement des Bauelementeträgers 35 nun als ein integral mit der Wärmesenke 10 ausgebildeter Vorsprung 34 vorliegt. Der Vorsprung 34 ragt also in Richtung der Leuchtdiode 1 hervor und besteht aus dem gleichen Material wie die die restliche Wärmesenke 10, z. B. aus Kupfer und/oder Aluminium oder einer Legierung davon. Die Oberseite des Vorsprungs 34 ist wie bei dem separat aufgetragenen Metallvolumen 31 aus 7 mit einem Lotmaterial 11 belegt und ebenfalls so hoch, dass es an seiner Oberseite das gleiche Niveau aufweist wie die Anschlussstruktur 12. Der Vorsprung 34 oder die Wärmesenke 10 kann aus dem gleichen Material bestehen wie die Anschlussstruktur 12.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.
So kann statt eines Lotmaterials auch ein Leitkleber, z. B. Silberleitkleber, verwendet werden. Das Bauelement kann so aufgeklebt werden.
Bezugszeichenliste

1: Leuchtdiode
2: Unterlage
3: Oberseite der Unterlage
4: LED-Chip
5: lichtdurchlässige Abdeckung
6: Rückseite der Unterlage
7: Anode
8: Kathode
9: thermisches Kontaktfeld
10: Wärmesenke
11: Lotvolumen
11a: Lotvolumen
11b: Lotvolumen
12: Leiterbahnstruktur
13: dielektrische Lage
14: herkömmliche Leuchtvorrichtung
15: Leiterplatte
20: Bauelementeträger
21: Freisparung
22: Aussparung
23: Leuchtvorrichtung
24: Lotvolumen
25: Bauelementeträger
30: Bauelementeträger
31: Metallvolumen
32: Leuchtvorrichtung

Claims

Bauelementeträger (25; 30; 33) für eine Leuchtvorrichtung (23; 32), mindestens aufweisend – eine Wärmesenke (10), – eine auf der Wärmesenke (10) angeordnete dielektrische Lage (13), – mindestens eine auf der dielektrischen Lage (13) angeordnete Anschlussstruktur (12) zur Bereitstellung mindestens eines Bestückplatzes für ein elektronisches Bauelement (1), insbesondere mindestens eine Leuchtdiode, wobei an mindestens einem Bestückplatz mindestens ein durch ein Bauelement (1) kontaktierbares Wärmeleitelement (24; 31, 11) angeordnet ist, welches bis zu der Wärmesenke (10) reicht.
Bauelementeträger (25; 30; 33) nach Anspruch 1, wobei das Wärmeleitelement (24; 31, 11) mindestens ein Befestigungsmaterialvolumen (24; 11), insbesondere Lotvolumen oder Leitklebervolumen, aufweist.
Bauelementeträger (30; 33) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeleitelement (31, 11) mindestens ein Metallvolumen (31) aufweist.
Bauelementeträger (33) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeleitelement (34) ein mit der Wärmesenke (10) integral ausgeführter Vorsprung ist.
Bauelementeträger (25; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeleitelement (24; 31, 11) durch mindestens eine Freisparung (21) in der dielektrischen Lage (13) reicht.
Bauelementeträger (25; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Lage (13) eine Dicke von weniger als 25 μm aufweist.
Bauelementeträger (25; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmesenke (10) eine Dicke von ca. 0,5 mm bis 2 mm aufweist.
Bauelementeträger (25; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bauelementeträger (25; 30) eine Metallkernplatine ist.
Leuchtvorrichtung (23; 32) mit mindestens einem Bauelementeträger (25; 30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein mit dem Wärmeleitelement (24; 31, 11) ausgerüsteter Bestückplatz mit mindestens einem Bauelement (1), insbesondere Leuchtdiode, bestückt ist, wobei ein thermisches Kontaktfeld (9) des Bauelements (1) über das Wärmeleitelement mit der Wärmesenke (10) verbunden ist.
Leuchtvorrichtung (32) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Kontaktfeld (9) das Wärmeleitelement (31) über ein Lotvolumen (11) oder ein Leitklebervolumen kontaktiert.
Leuchtvorrichtung (23; 32) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Kontaktfeld (9) das Wärmeleitelement (24; 31) direkt kontaktiert.
Verfahren zum Herstellen eines Bauelementeträgers (23; 32) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: d) Bereitstellen eines unfertigen Bauelementeträgers, mindestens aufweisend – eine Wärmesenke (10) und – eine auf der Wärmesenke (10) angeordnete dielektrische Lage (13), e) Einbringen mindestens einer Freisparung (21) in die dielektrische Lage (13) an einem vorgesehenen Bestückplatz.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich an Schritt b) folgender Schritt anschließt: f) Galvanisches Auffüllen zumindest der Freisparung (21) mit einem metallischen Wärmeleitelement (31) bis auf eine Höhe, welche im Wesentlichen einer Höhe einer vorgesehenen oder vorhandenen Anschlussstruktur (12) entspricht.
Verfahren zum Bestücken eines Bauelementeträgers (25) nach Anspruch 2, wobei der Bauelementeträger (25) mindestens aufweist: – eine Wärmesenke (10), – eine auf der Wärmesenke (10) angeordnete dielektrische Lage (13), – mindestens eine auf der dielektrischen Lage (13) angeordnete Anschlussstruktur zur Bereitstellung mindestens eines Bestückplatzes für ein elektronisches Bauelement (1), insbesondere mindestens eine Leuchtdiode; und – mindestens eine Freisparung (21) in der dielektrischen Lage (13) an mindestens einem vorgesehenen Bestückplatz; wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: – Aufbringen von Befestigungsmaterial (11), insbesondere Lotmaterial oder Leitkleber, auf die Anschlussstruktur (12) im Bereich des mindestens einen Bestückplatzes zur elektrischen Kontaktierung mindestens eines vorgesehenen Bauelements (1); und – Aufbringen von Befestigungsmaterial (24) in die Freisparung (21) bis zu einer Höhe, welcher im Wesentlichen einer Höhe des auf die Anschlussstruktur (12) aufgebrachten oder aufzubringenden Befestigungsmaterials (11) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Befestigungsmaterial (11) mit einer Dicke von 50 μm bis 200 μm aufgebracht wird.