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Die Erfindung betrifft eine Leuchtvorrichtung, aufweisend mindestens einen Träger zum Tragen mindestens einer Halbleiterlichtquelle, welcher Träger einen Grundkörper aufweist, dessen Oberfläche mindestens ein Metallisierungsbereich aufweist und an welchem Träger mindestens eine Halbleiterlichtquelle angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Leuchtvorrichtung. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf LED-Leuchtvorrichtungen mit LEDs niedriger und mittlerer Leistung, insbesondere bis 200 mA Betriebsstrom.
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Die grundsätzlich bekannte MID-Technik (Molded Interconnect Devices; Spritzgießen von Schaltungsträgern) ermöglicht durch eine Verwendung von thermoplastischen Kunststoffen als Grundmaterial eines Schaltungsträgers eine einfache Herstellung auch komplex geformter Schaltungsträger in großen Stückzahlen und damit sehr kostengünstig. Bei der Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) enthält der Kunststoff ein Additiv, das es ermöglicht, den Kunststoff durch Laserbehandlung zu aktivieren und dann an den aktivierten Stellen zu metallisieren. Nachteilig ist die geringe Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen, welche eine effiziente Abfuhr der Verlustwärme von elektrisch betriebenen Bauteilen behindert.
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Bei LED-Leuchten und LED-Lampen werden Leuchtdioden (LEDs) auf geeignete herkömmliche Leiterplatten, in vielen Fällen mit Metallkern oder bestehend aus Keramik, gelötet, um eine hohe Wärmeabfuhr zu gewährleisten.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Leuchtvorrichtung der betreffenden Art bereitzustellen, welche auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine großflächige und/oder komplex geformte Lichtabstrahlcharakteristik bereitstellen kann.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leuchtvorrichtung, aufweisend mindestens einen Träger zum Tragen mindestens einer Halbleiterlichtquelle, welcher Träger einen Grundkörper aufweist, an dessen Oberfläche mindestens ein Metallisierungsbereich vorhanden ist, wobei an mindestens einem Metallisierungsbereich mindestens eine Halbleiterlichtquelle angeordnet (insbesondere damit befestigt und elektrisch verbunden) ist und wobei der Träger ein MID-Bauteil ist. Der zugehörige (MID-)Grundkörper besteht aus Kunststoff, welchem mindestens ein Additiv zur Erhöhung seiner thermischen Leitfähigkeit zugesetzt ist.
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Diese Leuchtvorrichtung weist den Vorteil auf, dass eine einfache, praktisch beliebig komplexe Formung des Trägers einstückig möglich ist und sich deshalb ein gewünschtes Lichtabstrahlmuster der Leuchtvorrichtung besonders einfach herstellen lässt. Durch das mindestens eine Additiv zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit kann eine Entstehung von "Hotspots", bei denen lokal eine signifikant erhöhte Temperatur vorliegt, im Bereich der Halbleiterlichtquellen unterdrückt werden. So kann eine Lebensdauer der Halbleiterlichtquellen erhöht und/oder es können Halbleiterlichtquelle höherer Leistung verwendet werden. Erst hierdurch können Halbleiterlichtquellen in praktisch sinnvollen Leistungsbereichen zusammen mit MID-Körpern als deren Unterlage eingesetzt werden.
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Die Art der Leuchtvorrichtung ist nicht beschränkt und mag beispielsweise eine Lampe, ein Leuchtmodul oder eine Leuchte sein.
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Unter einem (MID-)Grundkörper eines Trägers bzw. MID-Bauteils mag insbesondere derjenige Teil des Trägers verstanden werden, welcher dem Träger seine grundsätzliche Form und Festigkeit verleiht. Der Träger mag beispielsweise aus dem (MID-)Grundkörper und dem mindestens einen Metallisierungsbereich bestehen, insbesondere einstückig. Der Grundkörper mag aber auch noch andere Funktionsbereiche einstückig aufweisen.
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Der Metallisierungsbereich mag insbesondere ein Bereich sein, an welchem der Grundkörper an seiner Oberfläche mindestens eine metallische Schicht aufweist. Der Metallisierungsbereich mag mindestens eine Leiterbahn und/oder mindestens ein Kontaktfeld aufweisen. Der Metallisierungsbereich mag insbesondere mehrere metallische Schichten aufweisen bzw. aus solchen bestehen, beispielsweise aus unterschiedlichem Metall.
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Bevorzugterweise umfasst die mindestens eine Halbleiterlichtquelle 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). Der Leuchtstoff kann alternativ oder zusätzlich entfernt von der Leuchtdiode angeordnet sein ("Remote Phosphor"). 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. Alternativ kann die mindestens eine Halbleiterlichtquelle z.B. mindestens einen Diodenlaser aufweisen.
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Ein MID-Körper ("Molded Interconnect Device"; spritzgegossener Schaltungsträger) mag insbesondere ein Körper sein, bei welchem mindestens ein Metallisierungsbereich, insbesondere mindestens eine metallische Leiterbahn und/oder Kontaktfläche, auf einen spritzgegossenen Grundkörper aus Kunststoff aufgetragen worden ist. Der Spritzguss ermöglicht eine besonders einfache und vielgestaltige Formgebung.
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Die Art der Herstellung des MID-Bauteils ist grundsätzlich nicht beschränkt und mag beispielsweise mittels eines Zweikomponentenspritzgusses, eines PCK ("Printed Circuit Board Kollmorgen")-Verfahrens, eines SKW-Verfahren ("Sankyo Kasei Wiring Board")-Verfahrens, eines MID-Heißprägens, einer subtraktiven Laserstrukturierung oder eines Maskenbelichtungsverfahrens durchgeführt werden.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass, dass der Träger ein direkt laserstrukturierter MID-Körper (LDS-Körper) ist, also mittels einer Laser-Direkt-Strukturierung (LDS-Verfahren) hergestellt worden ist. Das LDS-Verfahren mag insbesondere einen thermoplastischen Kunststoff zur Formung des Grundkörpers nutzen, welcher mit einem laseraktivierbaren Metall-Kunststoff-Additiv dotiert oder versetzt ist. Der Grundkörper kann dann insbesondere mittels eines Einkomponenten-Spritzgusses hergestellt werden. Folgend schreibt ein Laserstrahl den Verlauf bzw. die Form des späteren (mindestens einen) Metallisierungsbereichs auf den Kunststoff. Wo der Laserstrahl auf diesen Kunststoff trifft, bildet das Metall-Additiv eine mikroraue Spur oder Fläche. Die Metallpartikel dieser Spur oder Fläche bilden Keime für einen nachfolgenden Metallisierungsprozess. Beispielsweise in einem stromlosen Kupferbad entstehen auf diesen Spuren oder Flächen die Leiterbahnschichten, Kontaktfelder usw. Insbesondere lassen sich so auch nacheinander mehrere Schichten aufbringen, z.B. aus Kupfer, Nickel, Gold und/oder Silber usw. Das LDS-Verfahren weist die Vorteile der möglichen Nutzung des Einkomponentenspritzgusses mit seiner vollen Dreidimensionalität und eine hohe Herstellungsflexibilität auf. Beispielsweise brauchen für eine geänderte Form des mindestens einen Metallisierungsbereichs nur neue Steuerdaten an die Lasereinheit übermittelt zu werden. Damit können aus einem Grundkörper mit sehr geringem Aufwand verschiedene Varianten bereitgestellt werden. Zudem ist hier eine hohe Präzision mit einer sehr feinen Strukturierung des Metallisierungsbereichs möglich.
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Kontaktstellen und Leiterbahnen können aber auch über ein Druckverfahren oder ein Jettingverfahren, insbesondere ein sog. Aerosoljetten, auf den Kunststoffkörper aufgebracht werden. Zum Einsatz kommen dann insbesondere Metallpasten und Metalltinten.
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Als Material des Grundkörpers der Leuchtvorrichtung können insbesondere PP (insbesondere strahlenvernetzt), Polyamid (z.B. PA6, PA66, PA10, PA11, PA12), insbesondere hochtemperaturbeständiges Polyamid wie PPA oder PA46, Polyester wie PBT, PET, PBT/PET, PCT, ABS, ABS/PC, Polyphenylensulfid, LCP und/oder PEEK verwendet werden.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass an dem Grundkörper bzw. mittels des Grundkörpers mindestens ein Befestigungselement ausgeformt ist. Dies lässt sich insbesondere durch die Verwendung des Kunststoffkörpers, insbesondere eines Spritzgusskörpers, ohne apparativen Mehraufwand bewerkstelligen. So lassen sich auf einfache Weise weitere Teile der Leuchtvorrichtung an den Grundkörper bzw. Träger anschließen. Das mindestens eine Befestigungselement mag beispielsweise ein Halter für mindestens ein optisches Element wie einen Reflektor, eine Linse, eine Streuscheibe, eine Blende usw.
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Zudem können nun elektronische Komponenten oder Bauteile, insbesondere eines Treibers, direkt auf den MID-Körper gelötet oder geklebt werden. Das bisher notwendige separate Einsetzen von Platinen mit Treiber(elektronik) kann zumindest teilweise, insbesondere vollständig, entfallen. Der Herstellprozess insbesondere für Leuchten wird dadurch hoch automatisierbar. Es ist also noch eine Weiterbildung, dass (außer der mindestens einen Halbleiterlichtquelle) an dem Träger mindestens ein weiteres elektrisches oder elektronisches Bauteil (z.B. ein IC, ein SMD-Bauteil usw.) vorhanden ist.
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Es ist auch eine Ausgestaltung, dass der mindestens eine Metallisierungsbereich mindestens ein Kontaktfeld zur Anordnung mindestens einer der Halbleiterlichtquellen aufweist. Dies erleichtert eine Anbringung der mindestens einen Halbleiterlichtquelle, insbesondere mittels eines Bestückautomaten.
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Es ist eine Weiterbildung, dass ein Verlöten der mindestens einen Halbleiterlichtquelle z.B. mittels Dampfphasenlötens oder Reflowlötens geschieht. Dadurch kann eine Temperatur des Lötvorgangs bei Temperaturen gehalten werden, welche unterhalb der Temperaturen zur Schädigung des Grundkörpers liegen, z.B. bei ca. 240°C für das Dampfphasenlöten bzw. zwischen 245°C und 260°C für das Reflowlöten.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der Grundkörper eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 1 und 10 W/(m·K) aufweist. Dies ist zehn- bis fünfzigmal höher als bei herkömmlichem Kunststoff und bewirkt eine gute thermische Wärmeableitung auch ohne dass der Grundkörper elektrisch leitfähig wird.
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Die Additive sind bevorzugt elektrisch nichtleitend, um Kurzschlüsse oder Nebenschlüsse zwischen verschiedenen Metallisierungsbereichen oder Abschnitten davon zu vermeiden.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die Leuchtvorrichtung keinen gesonderten oder dedizierten Kühlkörper mehr aufweist, da die Wärmeableitfähigkeit des Grundkörpers bereits zur Kühlung zumindest der Halbleiterlichtquelle(n) ausreichen mag.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das mindestens eine Additiv Partikel aus elektrisch nichtleitender Keramik, insbesondere Keramikpulver, aufweist. Solche Partikel weisen den Vorteil einer hohen Wärmeleitfähigkeit, einer chemischen Trägheit und einer hohen elektrischen Isolierfähigkeit auf. Die Keramikpartikel können beispielsweise BN, AlN, Al2O3 und/oder SiC aufweisen oder sein. Alternativ oder zusätzlich mag beispielsweise ZnO verwendet werden.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass der Grundkörper aus Kunststoff besteht, welchem mindestens ein Additiv zur Erhöhung seiner Reflektivität zugesetzt ist, so dass der Grundkörper eine Reflektivität von mindestens 80% aufweist. Dies steigert eine Effizient der Leuchtvorrichtung, da nun nicht oder nicht mehr so viel Licht am Grundkörper absorbiert wird wie bisher. Bisher ist als Material eines MID-Körpers nur schwarzer und damit hochgradig absorbierender Kunststoff bekannt.
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Unter einer Reflektivität mag insbesondere eine Reflektivität in einem spektralen Bereich zwischen 440 nm und 700 nm verstanden werden.
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Es ist eine Weiterbildung dass mindestens ein Additiv zur Erhöhung der Reflektivität ein Farbpigment ist. das Farbpigment mag zur Ermöglichung einer diffusen Lichtstreuung insbesondere ein weißes Farbpigment sein. Das Farbpigment mag z.B. Titanoxid sein oder aufweisen.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Halbleiterlichtquelle einen Betriebsstrom von nicht mehr als 200 mA aufweist. Dadurch kann eine Überhitzung oder thermische Degradation der Halbleiterlichtquelle sicher vermieden werden und eine hohe Lebensdauer erreicht werden. Auch mag eine Halbleiterlichtquelle so besonders effizient betrieben werden.
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Die mindestens eine Halbleiterlichtquelle mag insbesondere einen Betriebsstrom zwischen 5 mA und 200 mA aufweisen, entsprechend z.B. einer Leistung zwischen 15 mW und 600 mW.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass der Grundkörper aus Kunststoff besteht, welchem mindestens ein Additiv zur Erhöhung seiner Festigkeit zugesetzt ist. So lassen sich auch stabile, dünne Grundkörper herstellen. Auch wird so einer thermischen Erweichung gegengesteuert.
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Das mindestens eine Additiv zur Erhöhung der Festigkeit mag z.B. Glasfasern und/oder Mineralfüllstoff aufweisen oder sein.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtvorrichtung, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: Formen eines MID-Körpers; Aufbringen mindestens eines Metallisierungsbereichs auf den MID-Körper mittels einer MID-Technik; und Aufbringen mindestens einer Halbleiterlichtquelle auf mindestens einen Metallisierungsbereich.
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Das Verfahren ergibt die gleichen Vorteile wie die Leuchtvorrichtung und kann analog ausgestaltet werden.
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So ist es eine Ausgestaltung, dass das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: Formen eines Grundkörpers mittels Spritzgießens von Kunststoff, welcher mit einem laseraktivierbaren Metall-Kunststoff-Additiv versetzt ist; Schreiben einer Form eines zu bildenden Metallisierungsbereichs mittels eines Lasers auf den Grundkörper; Aufbringen mindestens eines Metallisierungsbereichs auf den Grundkörper an den Stellen, welche durch den Laser überschrieben worden sind; und Aufbringen mindestens einer Halbleiterlichtquelle, insbesondere LED, auf mindestens einen Metallisierungsbereich.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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Die Fig. zeigt dazu einen Träger 2 einer Leuchtvorrichtung 1, z.B. einer Leuchte. Der Träger 2 weist einen Grundkörper 3 oder Basis auf, der hier in Form einer rechteckigen Platte vorliegt, die entlang einer Knickebene K spiegelsymmetrisch abgenickt ist. Er weist also zwei dachartig gegeneinander angewinkelte Teilbereiche 3a und 3b auf, die bezüglich der Knickebene K spiegelsymmetrisch angeordnet sind. Durch den Grundkörper 3 werden die dachartige Grundform sowie die mechanische Stabilität des Trägers 2 realisiert.
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An einer Oberseite 4 des Grundkörpers 3 sind mehrere Metallisierungsbereiche 5 bis 8 vorhanden, die jeweils eine elektrische Leiterbahn 9 und endständig davon mehrere Kontaktfelder 10 und 11 aufweisen. Die Metallisierungsbereiche 5 bis 8 weisen hier mehrere metallische Schichten auf. Zwei der Kontaktfelder, nämlich die (Speisungs-)Kontaktfelder 10, dienen einer möglichen Kontaktierung mit einer externen elektrischen Energieversorgung, z.B. mit einer Strom- oder Spannungsquelle. Die anderen (LED-)Kontaktfelder 11 dienen einer Kontaktierung durch eine jeweilige Halbleiterlichtquelle in Form einer LED 12 mit nicht mehr als 200 mA Betriebsstrom. Jede LEDs 12 ist über die Kontaktfelder 11 an die zwei Metallisierungsbereiche 5, 6 bzw. 8, 9 eines Teilbereichs 3a bzw. 3b angeschlossen, an deren Kontaktfelder 10 eine Spannungsdifferenz anlegbar ist. Die LEDs 12 der Teilbereiche 3a bzw. 3b sind somit unabhängig voneinander betreibbar, wobei die LEDs 12 eines jeweiligen Teilbereichs 3a bzw. 3b elektrisch parallel geschaltet sind. Die LEDs 12 eines Teilbereichs 3a und 3b sind jedoch nicht geometrisch linear in Reihe positioniert, sondern weisen eine unregelmäßige senkrechte Abweichung von einer geraden Linie auf.
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An dem Grundkörper 3 kann ferner mindestens ein Befestigungselement ausgeformt sein (o.Abb.), beispielsweise ein Halter für mindestens ein optisches Element wie einen Reflektor, eine Linse, eine Streuscheibe, eine Blende usw. (o.Abb.). Das Befestigungselement kann insbesondere ein Element für eine kraft-, form- und/oder stoffschlüssige Verbindung sein, z.B. ein Rasthaken oder Rastnase.
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Der Träger 2 zum Tragen der LEDs 12 (umfassend z.B. den Grundkörper 3 und die Metallisierungsbereiche 5 bis 8) ist ein MID-Bauteil, insbesondere LDS-Bauteil, was bedeutet, dass er mittels einer Laser-Direkt-Strukturierung (LDS-Verfahren) hergestellt worden ist. Der zugehörige (MID-)Grundkörper 3 aus thermoplastischem Kunststoff als Basismaterial ist dazu mit laseraktivierbarem Metall-Kunststoff-Additiv als Füllmaterial versetzt bzw. versetzt worden.
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Das Basismaterial des Grundkörpers 3 ist zur Erhöhung seiner Wärmeleitfähigkeit mit weiterem Additiv oder Füllmaterial in Form von elektrisch nichtleitenden Keramikpartikeln versetzt. Seine Wärmeleitfähigkeit ist dadurch von typischen 0,1 W/(m·K) von Thermoplasten auf 1 W/(m·K) bis 10 W/(m·K) erhöht worden, ohne die elektrisch isolierende Eigenschaft zu verlieren. Durch diese hohe Wärmeleitfähigkeit kann eine Entstehung von "Hotspots" im Bereich der LEDs 12 unterdrückt werden. Ein dedizierter Kühlkörper wird nicht mehr zur Wärmeableitung benötigt. Der Träger 2 kann zur verbesserten Wärmeableitung durch Konvektion z.B. mit einer Kühlstruktur oder mehreren Kühlstrukturen (o.Abb., z.B. aufweisend Kühlrippen, Kühlstifte usw.) integral ausgebildet sein.
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Der Grundkörper 3 weist ferner mindestens ein Additiv zur Erhöhung seiner Reflektivität auf, z.B. Titanoxid, so dass er eine Reflektivität zumindest in einem spektralen Bereich zwischen 440 nm und 700 nm von mindestens 80% aufweist und z.B. eine weiße oder weißliche (unbunte) Farbe besitzt. Dies steigert eine Effizient der Lichtabstrahlung.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leuchtvorrichtung
- 2
- Träger
- 3
- Grundkörper
- 3a
- Teilbereich des Grundkörpers
- 3b
- Teilbereich des Grundkörpers
- 4
- Oberseite des Grundkörpers
- 5
- Metallisierungsbereich
- 6
- Metallisierungsbereich
- 7
- Metallisierungsbereich
- 8
- Metallisierungsbereich
- 9
- elektrische Leiterbahn
- 10
- Kontaktfeld
- 11
- Kontaktfeld
- 12
- LED
- K
- Knickebene
