DE102010062158A1 - Lighting device and method for producing a lighting device - Google Patents
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Abstract
Die Leuchtvorrichtung (L) weist ein erstes Substrat (1) auf, auf welchem ein mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle (9) bestücktes zweites Substrat (2) flächig aufgebracht ist, wobei das erste Substrat (1) mit dem zweiten Substrat (2) haftmittelfrei stoffschlüssig verbunden ist. Das Verfahren (S1–S5) dient zum Herstellen einer Leuchtvorrichtung (L), wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: Erwärmen eines Volumenbereichs (3) aus Kunststoff eines ersten Substrats (1) über seine Glasübergangstemperatur (S3); Flächiges Aufsetzen und Anpressen eines zweiten Substrats (2) auf den Volumenbereich (3) aus Kunststoff des ersten Substrats (1) (S4) und Abkühlen des Volumenbereichs (3) aus Kunststoff des ersten Substrats (1) unter seine Glasübergangstemperatur (Tg) bei angepresstem zweiten Substrat (2) (S5).The lighting device (L) has a first substrate (1) on which a second substrate (2) equipped with at least one semiconductor light source (9) is applied in a planar manner, the first substrate (1) being integrally bonded to the second substrate (2) without adhesive connected is. The method (S1-S5) is used to produce a lighting device (L), the method comprising at least the following steps: heating a volume region (3) made of plastic of a first substrate (1) above its glass transition temperature (S3); Two-dimensional placement and pressing of a second substrate (2) onto the volume area (3) made of plastic of the first substrate (1) (S4) and cooling of the volume area (3) made of plastic of the first substrate (1) below its glass transition temperature (Tg) when pressed second substrate (2) (S5).
Description
Die Erfindung betrifft eine Leuchtvorrichtung, die ein erstes Substrat aufweist, auf welchem ein mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle bestücktes zweites Substrat flächig aufgebracht ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtvorrichtung.The invention relates to a lighting device which has a first substrate on which a second substrate equipped with at least one semiconductor light source is applied in a planar manner. The invention further relates to a method for producing a lighting device.
Es sind Leuchtvorrichtungen bekannt, die ein Substrat aus Keramik (auch ”Submount” genannt) aufweisen, das mit mehreren Leuchtdiodenchips bestückt ist, wobei das Submount mittels eines thermisch leitfähigen Klebers auf einer Platine aufgeklebt ist. Dabei ist nachteilig, dass der Kleber nur mit einem nicht vernachlässigbaren Aufwand aufzubringen ist. So sollte eine Schichtdicke des Klebers für einen hohen Wärmefluss von dem zweiten Substrat zu dem ersten Substrat möglichst gering sein, aber andererseits eine hohe Haftfestigkeit erreicht werden, welche insbesondere auch einer thermischen Wechselbelastung standhält und möglichst degradationsunempfindlich ist.There are light devices are known which have a substrate made of ceramic (also called "submount"), which is equipped with a plurality of light-emitting diode chips, wherein the submount is adhered by means of a thermally conductive adhesive on a circuit board. It is disadvantageous that the adhesive is applied only with a non-negligible effort. Thus, a layer thickness of the adhesive for a high heat flux from the second substrate to the first substrate should be as low as possible, but on the other hand a high adhesive strength can be achieved, which in particular withstands thermal cycling and is as insensitive to degradation as possible.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Befestigung mindestens eines mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle bestückten zweiten Substrats an einem ersten Substrat einer Leuchtvorrichtung bereitzustellen.It is the object of the present invention to provide an improved attachment of at least one second substrate equipped with at least one semiconductor light source to a first substrate of a lighting device.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.This object is achieved according to the features of the independent claims. Preferred embodiments are in particular the dependent claims.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leuchtvorrichtung, aufweisend ein erstes Substrat, auf welchem mindestens ein mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle bestücktes zweites Substrat flächig aufgebracht ist, wobei das erste Substrat mit dem mindestens einen zweiten Substrat haftmittelfrei stoffschlüssig verbunden ist. Durch den Verzicht auf ein dediziertes Haftmittel (wie beispielsweise ein Klebstoff oder eine Lotschicht) kann eine bessere Wärmeübertragung zwischen den beiden Substraten erreicht werden. Durch die stoffschlüssige Verbindung wird ferner eine zuverlässige feste Verbindung ermöglicht. Beispielsweise im Gegensatz zu einer form- oder kraftschlüssigen Verbindung, z. B. durch Klammern, Rastverbindungen, Schrauben usw., wird zudem eine einfache Montage und kompakte Bauform ermöglicht. Auch wird eine sehr gute Flächennutzung erreicht.The object is achieved by a lighting device, comprising a first substrate, on which at least one equipped with at least one semiconductor light source second substrate is applied flat, wherein the first substrate is adhesively bonded cohesively with the at least one second substrate. By dispensing with a dedicated adhesive (such as an adhesive or a solder layer) better heat transfer between the two substrates can be achieved. The cohesive connection also enables a reliable, fixed connection. For example, in contrast to a positive or non-positive connection, for. As by brackets, locking connections, screws, etc., also a simple installation and compact design is possible. Also, a very good land use is achieved.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das zweite Substrat mit einem Volumenbereich aus Kunststoff des ersten Substrats haftmittelfrei stoffschlüssig verbunden ist. Dabei wird ausgenutzt, dass Kunststoff sich besonders einfach und vielfältig stoffschlüssig verbinden lässt, insbesondere bereits bei vergleichsweise geringen Temperaturen.It is an embodiment that the second substrate with a volume range of plastic of the first substrate is adhesively bonded cohesively. It is exploited that plastic can be particularly easily and versatile cohesively connect, especially at relatively low temperatures.
Es ist eine Weiterbildung, dass die stoffschlüssige Verbindung durch ein ”haftmittelfreies Laminieren” erreicht worden ist. Ein haftmittelfreies Laminieren kann ein Überführen zumindest einer der Kontaktflächen der beiden stoffschlüssig zu verbindenden Substrate in einen weichen (entropieelastischen) Zustand, ein folgendes Zusammendrücken der Substrate an ihrer gemeinsamen Kontaktfläche und ein abschließendes Abkühlen in einen spröden (entropieelastischen) Zustand umfassen. Dadurch kommt es zu einer festen Verbindung, bei der die Substrate durch atomare und/oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden.It is a development that the cohesive connection has been achieved by an "adhesive-free lamination". Adhesive-free lamination may comprise transferring at least one of the contact surfaces of the two substrates to be bonded to a soft (entropy-elastic) state, subsequently compressing the substrates at their common contact surface, and finally cooling to a brittle (entropy-elastic) state. This results in a strong bond in which the substrates are held together by atomic and / or molecular forces.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Kunststoff eine Glasübergangstemperatur Tg zwischen ca. 100°C und ca. 180°C aufweist, insbesondere zwischen ca. 105°C und ca. 170°C. Dadurch wird ein haftmittelfreies Laminieren ohne eine Beschädigung der Substrate oder typischerweise daran bereits angeordneter Komponenten (Halbleiterlichtquellen, elektronische Bauelemente usw.) ermöglicht.It is still an embodiment that the plastic has a glass transition temperature Tg between about 100 ° C and about 180 ° C, in particular between about 105 ° C and about 170 ° C. This allows for adhesive-free lamination without damaging the substrates or typically components already disposed thereon (semiconductor light sources, electronic components, etc.).
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass der Kunststoff, insbesondere der Volumenbereich aus Kunststoff des ersten Substrats, ein thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff ist. Dieser stellt eine gute und preiswerte Fähigkeit zum haftmittelfreien Laminieren bereit.It is yet another embodiment that the plastic, in particular the plastic volume range of the first substrate, is a thermoplastic or thermosetting plastic. This provides a good and inexpensive ability for adhesive-free lamination.
Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass das zweite Substrat ein keramisches Substrat ist. Durch das keramische Substrat wird eine hervorragende thermische Wärmeableitung von der mindestens einen Halbleiterlichtquelle ermöglicht. Die Keramik weist vorteilhafterweise eine Wärmeleitfähigkeit λ von mindestens ca. 20 W/(m·K), noch bevorzugter von mindestens ca. 150 W/(m·K), noch bevorzugter von mindestens ca. 200 W/(m·K) auf. Die Keramik ist bevorzugt elektrisch isolierend. Das Material der Keramik kann beispielsweise Aluminiumoxid und/oder Aluminiumnitrid aufweisen. Die, insbesondere elektrisch isolierende, Keramik kann zumindest an der mit der mindestens einen Halbleiterlichtquelle bestückten Oberfläche eine elektrisch leitfähige Leiterstruktur mit mindestens einer Kontaktfläche und/oder mindestens einer Leiterbahn aufweisen. Die Leiterstruktur kann beispielsweise mittels Kupfer und/oder Silber gebildet werden, z. B. mittels eines Druckverfahrens. Eine elektrische Durchschlagsfestigkeit des zweiten Substrats, insbesondere der Keramik, beträgt bevorzugt mindestens 0,5 kV. Eine Schichtdicke der Keramik kann insbesondere zwischen 0,5 mm und 0,75 mm liegen, insbesondere zwischen 0,6 mm und 0,7 mm.It is also an embodiment that the second substrate is a ceramic substrate. The ceramic substrate enables excellent thermal heat dissipation from the at least one semiconductor light source. The ceramic advantageously has a thermal conductivity λ of at least about 20 W / (m · K), more preferably at least about 150 W / (m · K), even more preferably at least about 200 W / (m · K) , The ceramic is preferably electrically insulating. The material of the ceramic may comprise, for example, aluminum oxide and / or aluminum nitride. The ceramic, in particular electrically insulating, can have an electrically conductive conductor structure with at least one contact surface and / or at least one conductor track at least on the surface equipped with the at least one semiconductor light source. The conductor structure can be formed for example by means of copper and / or silver, for. B. by means of a printing process. An electrical breakdown strength of the second substrate, in particular the ceramic, is preferably at least 0.5 kV. A layer thickness of the ceramic may in particular be between 0.5 mm and 0.75 mm, in particular between 0.6 mm and 0.7 mm.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass der Volumenbereich aus Kunststoff, insbesondere der thermoplastische oder duroplastische Volumenbereich, gefülltes Epoxidharz aufweist. Das gefüllte Epoxidharz kann vergleichsweise einfach und preiswert an verschiedene Betriebsanforderungen angepasst werden, z. B. an eine gewünschte Durchschlagsfestigkeit und/oder thermische Leitfähigkeit, beispielsweise durch die Art und/oder Konzentration von dem Epoxidharz zugefüllter oder zugegebener Beimischungen. Das gefüllte Epoxidharz kann insbesondere ein Leiterplatten-Basismaterial sein, beispielsweise FR4 oder FR5. It is also an embodiment that the volume range of plastic, in particular the thermoplastic or thermoset volume range, filled epoxy resin has. The filled epoxy can be comparatively simple and inexpensive adapted to different operating requirements, eg. B. to a desired dielectric strength and / or thermal conductivity, for example by the nature and / or concentration of the epoxy resin filled or added admixtures. The filled epoxy resin may in particular be a printed circuit board base material, for example FR4 or FR5.
Es ist eine zum Erreichen einer ausreichend hohen elektrischen Durchschlagsfestigkeit und eines ausreichend niedrigen thermischen Widerstands bevorzugte Ausgestaltung, dass der Volumenbereich aus Kunststoff eine Schicht mit einer Schichtdicke zwischen 0,025 mm und 0,3 mm, insbesondere zwischen 0,05 mm und 0,2 mm, bildet. Die Durchschlagsfestigkeit beträgt bevorzugt mindestens 0,5 kV.It is a preferred embodiment for achieving a sufficiently high electrical breakdown strength and a sufficiently low thermal resistance that the plastic volume range comprises a layer having a layer thickness between 0.025 mm and 0.3 mm, in particular between 0.05 mm and 0.2 mm, forms. The dielectric strength is preferably at least 0.5 kV.
Das erste Substrat kann insbesondere eine Leiterplatte sein. Ein Basismaterial der Leiterplatte kann insbesondere Kunststoff sein, die Basislage oder Kern der Leiterplatte also der Volumenbereich aus Kunststoff sein. Die Leiterplatte kann für eine verbesserte Wärmeabfuhr eine Metallkernplatine sein.The first substrate may in particular be a printed circuit board. A base material of the printed circuit board may in particular be plastic, ie the base layer or core of the printed circuit board may be the volume region made of plastic. The circuit board may be a metal core board for improved heat dissipation.
Der Volumenbereich aus Kunststoff kann allgemein als eine Kunststoffschicht oder Kunststofflage ausgebildet sein. Falls das erste Substrat eine Leiterplatte oder Platine ist, kann die Kunststoffschicht eine Basisschicht oder Basislage sein.The volume region of plastic may generally be formed as a plastic layer or plastic layer. If the first substrate is a printed circuit board or board, the plastic layer may be a base layer or base layer.
Es ist eine zum Erreichen einer hohen Leuchtdichte oder Lichtstärke auf kompaktem Raum vorteilhafte Ausgestaltung, dass die mindestens eine Halbleiterlichtquelle jeweils als ein nackter Leuchtdiodenchip (LED-(Nackt-)Chip) ausgestaltet ist. Der Leuchtdiodenchip ist dabei nicht einzeln gehäust, sondern als Nacktchip (”bare die”) auf dem zweiten Substrat aufgebracht. Alternativ können auch gehäuste Halbleiterlichtquellen auf dem zweiten Substrat angebracht sein.It is an embodiment which is advantageous for achieving a high luminance or light intensity in a compact space, that the at least one semiconductor light source is configured in each case as a naked light-emitting diode chip (LED (nude) chip). The LED chip is not housed individually, but applied as a bare chip ("bare die") on the second substrate. Alternatively, packaged semiconductor light sources may also be mounted on the second substrate.
Allgemein kann die mindestens eine Halbleiterlichtquelle z. B. mindestens einen Diodenlaser und/oder eine (gehäuste oder ungehäuste) Leuchtdiode aufweisen.In general, the at least one semiconductor light source z. B. have at least one diode laser and / or a (packaged or unhoused) light emitting diode.
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 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.If several LEDs are present, they can be lit in the same color or in different colors. A color can be monochrome (eg red, green, blue, etc.) or multichrome (eg, white). The light emitted by the at least one light-emitting diode can also be an infrared light (IR LED) or an ultraviolet light (UV LED). Several light emitting diodes can produce a mixed light; z. B. a white mixed light. The at least one light-emitting diode may contain at least one wavelength-converting phosphor (conversion LED). The at least one light emitting diode may be equipped with at least one own and / or common optics for beam guidance, z. At least one Fresnel lens, collimator, and so on. Instead of or in addition to inorganic light emitting diodes, z. Based on InGaN or AlInGaP, organic LEDs (OLEDs, eg polymer OLEDs) can generally also be used.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtvorrichtung, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: (a) Erwärmen eines Volumenbereichs aus Kunststoff eines ersten Substrats über seine Glasübergangstemperatur Tg; (b) Flächiges Aufsetzen und Anpressen mindestens eines zweiten Substrats auf den Volumenbereich aus Kunststoff des ersten Substrats und (c) Abkühlen des Volumenbereichs aus Kunststoff des ersten Substrats unter seine Glasübergangstemperatur Tg bei angepresstem zweiten Substrat. Durch dieses ”haftmittelfreie Laminieren” können die gleichen Vorteile erreicht werden, wie für die oben beschriebene Leuchtvorrichtung. Das Verfahren kann allgemein analog zu der Leuchtvorrichtung ausgestaltet werden.The object is also achieved by a method for producing a lighting device, the method having at least the following steps: (a) heating a volume region of plastic of a first substrate above its glass transition temperature Tg; (b) laminating and pressing at least one second substrate onto the plastic volume region of the first substrate, and (c) cooling the plastic volume region of the first substrate below its glass transition temperature Tg when the second substrate is pressed on. By this "adhesive-free lamination" the same advantages can be achieved as for the above-described lighting device. The method can generally be configured analogously to the lighting device.
Das Erwärmen kann insbesondere auf eine Temperatur zwischen 105°C und 170°C geschehen.The heating can be done in particular to a temperature between 105 ° C and 170 ° C.
Es ist eine Ausgestaltung, dass dem Schritt des Erwärmens ein Schritt eines Freilegens des Volumenbereichs aus Kunststoff des ersten Substrats aus einer Leiterlage vorangeht. So kann die Leuchtvorrichtung auf eine einfache Weise auch mit herkömmlichen Leiterplatten als dem ersten Substrat eingesetzt werden. Das Freilegen kann beispielsweise durch Ätzen durchgeführt werden.It is an embodiment that the step of heating is preceded by a step of exposing the plastic volume region of the first substrate to a conductor layer. Thus, the lighting device can be used in a simple manner with conventional printed circuit boards as the first substrate. The exposure can be performed by etching, for example.
Die Leiterlage kann beispielsweise eine strukturierte oder nichtstrukturierte Kupferlage sein. Die strukturierte Leiterlage dient zur Stromführung und kann dazu unter anderem Leiterbahnen, Kontaktfelder, elektrische Anschlusselemente usw. aufweisen.The conductor layer can be, for example, a structured or non-structured copper layer. The structured conductor layer serves to conduct current and may, inter alia, have conductor tracks, contact fields, electrical connection elements, etc.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass vor dem Schritt des Erwärmens ein Schritt eines Bestückens einer den Volumenbereich aus Kunststoff des ersten Substrats bedeckenden Leiterlage durchgeführt wird. Dies schützt die Halbleiterlichtquellen bei der Herstellung der Leuchtvorrichtung. Alternativ kann das erste Substrat auch nach einer Aufbringung des zweiten Substrats bestückt werden, z. B. mit mindestens einem Treiberbaustein.It is yet another embodiment that, prior to the step of heating, a step of loading a conductor layer covering the plastic volume region of the first substrate is performed. This protects the semiconductor light sources in the manufacture of the lighting device. Alternatively, the first substrate can be equipped even after an application of the second substrate, for. B. with at least one driver block.
Die Schritte des Freilegens des Volumenbereichs und des Erwärmens können in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden, bevorzugt jedoch so, dass der Schritt des Freilegens vor dem Schritt des Bestückens durchgeführt wird. The steps of exposing the volume area and heating may be performed in any order, but preferably such that the step of exposing is performed before the loading step.
In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch genauer beschrieben.In the following figures, the invention will be described schematically with reference to an embodiment schematically.
Das Substrat
Auf einer Vorderseite
Folgend wird das Basismaterial
Danach kann die das erste Substrat
Es kann sich unter anderem noch ein Schritt eines elektrischen Verbindens der Leiterlage
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.Of course, the present invention is not limited to the embodiment shown.
So können auch zwei oder mehr zweite Substrate an dem ersten Substrat auf die beschriebene Art befestigt werden.Thus, two or more second substrates may also be attached to the first substrate in the manner described.
Auch kann eine Form der Substrate abweichen, beispielsweise durch eine in Draufsicht kreisrunde Form.Also, a shape of the substrates may differ, for example by a circular in plan view form.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- erstes Substratfirst substrate
- 22
- zweites Substratsecond substrate
- 33
- Basismaterialbase material
- 44
- Vorderseite des ersten SubstratsFront side of the first substrate
- 55
- Leiterlageconductor layer
- 66
- elektronische Komponenteelectronic component
- 77
- freigesparter Bereichfree-space area
- 88th
- Heizplatteheating plate
- 99
- LED-NacktchipLED bare chip
- LL
- Leuchtvorrichtunglighting device
- S1–S5S1-S5
- Verfahrensschrittesteps
Claims (10)
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