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Die Erfindung betrifft eine Leuchtvorrichtung, aufweisend einen gut wärmeleitenden, beispielsweise metallischen Träger, an welchem angebracht sind: mindestens eine Lichterzeugungseinheit, die mindestens eine an einem Substrat angeordnete Halbleiterlichtquelle aufweist, und mindestens eine mit mindestens einem elektrischen oder elektronischen Bauelement bestückte Elektronikplatine. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf LED-Module.
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Es sind Leuchtvorrichtungen der betreffenden Art bekannt, bei denen eine mit Leuchtdioden (LEDs) bestückte Lichterzeugungseinheit umlaufend von einer ringförmigen, bestückten Elektronikplatine umgeben ist. Die Elektronikplatine trägt elektrische oder elektronische Bauelemente eines Treibers zum Betreiben der LEDs. Eine solche Leuchtvorrichtung ist beispielsweise als Leuchtvorrichtung vom Typ „PrevaLED Core“ von der Fa. Osram erhältlich.
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Dabei wird die Lichterzeugungseinheit bzw. deren Substrat (das auch als „LED-Submount“ bezeichnet wird) über einen Flüssigkleber thermisch und mechanisch an einen metallischen Träger angebunden. Dieser metallische Träger kann eine Metallkernplatine mit einer Freifräsung für die Lichterzeugungseinheit sein, wobei umlaufend die elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente auf der Metallkernplatine aufgebracht sind.
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Alternativ mag ein Träger in Form einer metallischen Platte vorliegen, auf welchem Träger die elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente über eine separate Platine, z.B. mit einem Grundkörper aus FR4, auflaminiert ist. Für das Auflaminieren der Platine werden vorgestanzte doppelseitige Klebebänder verwendet. Das LED-Submount wird weiterhin mittels eines Flüssigklebers an dem Träger befestigt.
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Nachteilig sind für beide Bauformen hohe Kosten für die freigefräste Metallkernplatine bzw. für das vorgestanzte doppelseitige Klebeband.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Möglichkeit zur preiswerteren Anbindung einer Lichterzeugungseinheit und einer Elektronikplatine an einen gut wärmeleitfähigen Träger bereitzustellen.
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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 einen gut wärmeleitfähigen Träger, an welchem angebracht sind: mindestens eine Lichterzeugungseinheit, die mindestens eine an einem Substrat angeordnete Halbleiterlichtquelle aufweist und die mittels eines Flüssigklebers an dem Träger angebracht ist, und mindestens eine mit mindestens einem elektrischen und/oder elektronischen Bauelement bestückte Platine oder Leiterplatte („Elektronikplatine“), wobei auch die mindestens eine Elektronikplatine mittels eines Flüssigklebers an dem Träger angebracht ist.
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Diese Leuchtvorrichtung weist den Vorteil auf, dass weder teure freigefräste Metallkernplatinen noch teure vorgestanzte doppelseitige Kleber notwendig sind. Vielmehr kommt kostengünstiger Flüssigkleber zum Einsatz. Herstellungskosten können weiter reduziert werden, indem die Lichterzeugungseinheit und die Elektronikplatine in einem gemeinsamen Prozessschritt aufgebracht werden können. Herstellungskosten können zudem noch weiter dadurch reduziert werden, dass der oder die Flüssigkleber sowohl für die Lichterzeugungseinheit als auch für die Elektronikplatine in einem gemeinsamen Arbeitsschritt aufgebracht werden kann bzw. können. Darüber hinaus kann eine Änderung des Aufbringungsmusters des Flüssigklebers ohne weitere Vorbereitungen vorgenommen werden, z.B. im Gegensatz zu vorgestanzten Klebebändern, deren Schnittmuster geändert werden müssen, usw.
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Unter einem gut wärmeleitfähigen Träger kann insbesondere ein Träger verstanden werden, dessen Wärmeleitfähigkeit mindestens 10 W/(m K) beträgt, insbesondere mindestens 100 W/(m K). Der gut wärmeleitfähige Träger mag insbesondere ein Vollmaterialträger sein. Der Träger mag insbesondere ein metallischer Träger sein, z.B. aus Aluminium, Kupfer oder Stahl, welcher preiswert herstellbar ist. Der Träger mag aber z.B. auch ein Keramikträger sein, z.B. aus einer Hochtemperaturkeramik wie Si3N4, AlN, SiC, BN usw. Der Träger mag ferner ein plattenförmiger Träger sein, an dessen Oberseite die Lichterzeugungseinheit und die Elektronikplatine angebracht sind und welcher mit seiner Rückseite z.B. an einer Auflage, z.B. an einem Kühlkörper, angebracht werden kann.
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Die mindestens eine Lichterzeugungseinheit mag auch als eine „Light Engine“ bezeichnet werden. Das Substrat der Lichterzeugungseinheit, auch als „Submount“ bezeichnet, mag insbesondere aus elektrisch isolierender, aber thermisch sehr gut leitfähiger Keramik bestehen, z.B. aus AlN.
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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. Insbesondere mindestens ein LED-Chip kann auf einem (bei mehreren LED-Chips) gemeinsamen Substrat (dem 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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Das mindestens eine elektrische oder elektronische Bauelement mag insbesondere zumindest einen Teil eines Treibers zum Betreiben der mindestens einen Halbleiterlichtquelle bilden. Die Elektronikplatine mag also insbesondere einen Treiber oder eine Steuerelektronik für die mindestens eine Halbleiterlichtquelle aufweisen.
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Die Anbringung der mindestens einen Lichterzeugungseinheit und der mindestens einen Elektronikplatine an dem Träger erfolgt also mittels eines Stoffschlusses.
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Die Leuchtvorrichtung mag insbesondere eine (in Draufsicht) kreisrunde, ovale oder eckige Grundform aufweisen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es wird insbesondere bevorzugt, wenn die mindestens eine Lichterzeugungseinheit von der mindestens einen Elektronikplatine umgeben ist. Insbesondere mag genau eine Lichterzeugungseinheit vorliegen, welche teilweise oder vollständig umlaufend von einer Elektronikplatine umgeben ist. Insbesondere für den Fall einer kreisrunden Leuchtvorrichtung mag die Elektronikplatine ringförmig sein.
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Die mindestens eine Lichterzeugungseinheit und/oder die mindestens eine Elektronikplatine mögen von einem, ggf. jeweiligen Deckel abgedeckt sein. Falls auch die Lichterzeugungseinheit von einem Deckel abgedeckt ist, ist dieser insbesondere zumindest teilweise für das von der mindestens einen Halbleiterlichtquelle abgegebene Licht durchlässig, z.B. transparent oder transluzent (opak).
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Die Elektronikplatine mag beispielsweise einen Grundkörper aus FR-Material, z.B. FR4, oder CEM-Material aufweisen.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Lichterzeugungseinheit (z.B. deren Substrat) und die mindestens eine Elektronikplatine mittels eines gleichen Flüssigklebers an dem Träger angebracht sind. Dies vereinfacht eine Herstellung. Jedoch können grundsätzlich auch andere Flüssigkleber für Lichterzeugungseinheit und Elektronikplatine verwendet werden.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Flüssigkleber eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 2 W/(m K) aufweist. Dies ermöglicht einen besonders geringen Wärmewiderstand.
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Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass die Elektronikplatine nur teilflächig mittels des Flüssigklebers an dem Träger angebracht ist. Dies ergibt den Vorteil, dass Flüssigkleber eingespart werden kann.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Elektronikplatine in einem Bereich mindestens eines bestimmten elektrischen oder elektronischen Bauelements mittels des Flüssigklebers an dem Träger angebracht ist und in einem Bereich mindestens eines anderen bestimmten elektrischen oder elektronischen Bauelements nicht mittels des Flüssigklebers an dem Träger angebracht ist bzw. frei davon ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine gezielte gute thermische Anbindung bestimmter Bauelemente an den Träger möglich ist, während andere Bauelemente eine geringere thermische Anbindung, ggf. sogar eine gezielte thermische Abkopplung von dem Träger, erfahren.
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Insbesondere können so spezielle Wärmepfade geschaffen werden, um bestimmte Bauelemente besser an den Träger anzubinden. Beispielsweise mag ein durch den Flüssigkleber thermisch an den Träger angelenktes elektrisches oder elektronisches Bauelement ein Temperaturfühler sein, z.B. ein NTC. Auch können vorzugsweise heiße bzw. viel Abwärme erzeugende Bauelemente durch den Flüssigkeitskleber an den Träger verbessert thermisch angelenkt bzw. verbunden sein. Ein nicht durch den Flüssigkleber thermisch an den Träger angelenktes elektrisches oder elektronisches Bauelement mag beispielsweise ein sich selbst wenig erwärmendes, aber temperaturempfindliches Bauelement sein, z.B. ein Elektrolytkondensator.
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Dass die Elektronikplatine in einem Bereich mindestens eines bestimmten elektrischen oder elektronischen Bauelements mittels des Flüssigklebers an dem Träger angebracht ist mag insbesondere den Fall umfassen, dass die Elektronikplatine unterhalb des mindestens einen bestimmten Bauelements mit dem Träger verbunden ist, sich also unterhalb dieses Bauelements eine z.B. Schicht des Flüssigklebers befindet.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die Elektronikplatine in einem nicht mittels des Flüssigklebers an dem Träger angebrachten Bereich von dem Träger beabstandet ist. Dies ermöglicht eine noch bessere thermische Abkopplung von dem Träger. Der entsprechende Spalt kann sich beispielsweise aus der Höhe des an anderer Stelle zwischen der Elektronikplatine und dem Träger befindlichen Flüssigkleber ergeben.
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Es ist auch eine Ausgestaltung, dass die Elektronikplatine im Bereich mindestens eines elektrischen oder elektronischen Bauelements mindestens eine mit dem Flüssigkleber gefüllte Durchführung aufweist. Dies mag beispielsweise durch ein Aufdrücken oder Aufsetzen der Elektronikplatine im Bereich der mindestens einen Durchführung erreicht werden, wodurch der Flüssigkleber durch die mindestens eine Durchführung hochgedrückt wird.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Flüssigkleber auch das der mindestens einen Durchführung zugeordnete mindestens eine Bauelement kontaktiert. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass mindestens eine Durchführung unterhalb des jeweiligen Bauteils auskommt und/oder mindestens eine Durchführung neben dem jeweiligen Bauteil auskommt und der Flüssigkleber dann durch die mindestens eine Durchführung hindurchgedrückt wird und sich folgend oberseitig der Elektronikplatine bis zu dem Bauelement ausdehnt, z.B. fließt. Diese Ausgestaltung weist aufgrund der direkten Kontaktierung des Flüssigklebers mit dem mindestens einen Bauelement eine besonders gute Wärmeleitung zwischen dem mindestens einen Bauelement und dem Träger auf.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Leuchtvorrichtung ein Leuchtmodul ist, für den Fall von Leuchtdioden als Halbleiterlichtquellen auch als LED-Modul bezeichnet. Alternativ mag die Leuchtvorrichtung eine Lampe oder Leuchte 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: (i) Bereitstellen eines gut wärmeleitfähigen Trägers, (ii) Dispensieren von Flüssigkleber auf den Träger, (iii) Aufbringen mindestens eines mit mindestens einer Halbleiterlichtquelle bestückten Substrats auf einen Teil des Flüssigklebers und (iv) Aufbringen mindestens einer mit mindestens einem elektrischen oder elektronischen Bauelement bestückten Elektronikplatine auf einen anderen Teil des Flüssigklebers. Das Verfahren mag analog zu der Leuchtvorrichtung ausgebildet sein und die gleichen Vorteile aufweisen.
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So ist es eine Ausgestaltung, dass der Schritt des Aufbringens der Elektronikplatine ein Aufbringen derart umfasst, dass sich der Flüssigkleber unterhalb zumindest eines elektrischen oder elektronischen Bauelements befindet und ein Bereich der Elektronikplatine unterhalb zumindest eines anderen elektrischen oder elektronischen Bauelements frei von dem Flüssigkleber ist.
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Die Schritte (iii) und (iv) können für eine schnelle und preisgünstige Fertigung in einem Arbeitsschritt erfolgen.
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Das Aufbringen in den Schritten (iii) und (iv) kann beispielsweise durch ein Aufpressen oder Aufdrücken erfolgen.
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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 von Ausführungsbeispielen, die 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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1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein Leuchtmodul in Explosionsansicht vor einer Zusammenführung von Träger, Lichterzeugungseinheit und Elektronikplatine;
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2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht das zusammengeführte Leuchtmodul aus 1;
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3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen Ausschnitt des Leuchtmoduls im Bereich der Elektronikplatine in Explosionsdarstellung analog zu 1;
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4 zeigt den Ausschnitt aus 3 in einem zusammengeführten Zustand von Elektronikplatine und Träger;
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5 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht einen Ausschnitt des Leuchtmoduls in einem anderen Bereich der Elektronikplatine in Explosionsdarstellung analog zu 1;
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6 zeigt den Ausschnitt aus 5 in einem zusammengeführten Zustand von Elektronikplatine und Träger; und
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7 zeigt einen im Vergleich zu 6 vergrößerten Ausschnitt des Leuchtmoduls.
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1 zeigt eine Leuchtvorrichtung in Form eines LED-Moduls 1 als Explosionsdarstellung vor einem Zusammenbau. 2 zeigt das LED-Modul 1 in einem zusammengebauten Zustand. Das LED-Modul 1 weist hier in Draufsicht eine kreisrunde Grundform auf.
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Das LED-Modul 1 weist einen gut wärmeleitfähigen Träger 2 in Form einer kreisrunden Scheibe oder Platte auf. Der Träger 2 ist insbesondere ein Vollmaterialkörper, z.B. aus Aluminium. An einer Oberseite 3 des zuvor bereitgestellten Trägers 2 ist ein thermisch leitfähiger Flüssigkleber 4 mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 2 W/(m·K) aufdispensiert worden. Der Träger 2 mag beispielsweise mit seiner Rückseite an einer Unterlage befestigt werden, z.B. an einem Kühlkörper, an einer Wand usw.
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Folgend werden, wie durch die Pfeile angedeutet, eine Lichterzeugungseinheit 5 und eine Elektronikplatine 6 auf den Flüssigkleber 4 aufgebracht, insbesondere aufgedrückt, und so mit dem Träger 2 stoffschlüssig verbunden. Die Lichterzeugungseinheit 5 weist ein elektrisch isolierendes, aber thermisch gut leitfähiges Substrat 7 aus Al2O3, AlN oder anderen Keramiken auf, oder auch aus einer Metallkernplatine mit dazugehörigem Dielektrikum. Das Substrat 7 wird mit seiner Rückseite auf den Träger 2 bzw. den Flüssigkleber 4 aufgesetzt, und an dessen Vorderseite sind eine oder mehrere Halbleiterlichtquellen in Form von Leuchtdioden 8, insbesondere LED-Chips, angeordnet. Die Lichterzeugungseinheit 5 ist zentral auf dem Träger 2 aufgesetzt.
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Die Elektronikplatine 6 weist einen ringförmigen Grundkörper 9, z.B. aus FR4 oder CEM, auf, welcher unterseitig auf den Träger 2 bzw. den Flüssigkleber 4 aufgesetzt wird und vorderseitig mehrere elektrische und/oder elektronische Bauelemente 10, 11 aufweist. Die Bauelemente 10, 11 sind Teil eines Treibers oder einer Steuerelektronik zum Betreiben der Leuchtdioden 8. Das Bauelement 10 stellt hier ein Bauelement dar, für welches eine gute thermische Anbindung an den Träger 2 vorteilhaft ist. Das Bauelement 10 mag beispielsweise ein Temperaturfühler, insbesondere NTC, sein, welcher z.B. die Temperatur des Trägers 2 abfühlt, und damit indirekt auch eine Temperatur der Leuchtdioden 8, beispielsweise zur Helligkeitssteuerung. Das Bauelement 11 mag beispielsweise ein Bauelement sein, welches selbst wenig Abwärme erzeugt, aber temperaturempfindlich ist und deshalb vorzugsweise vom Träger 2 thermisch entkoppelt sein sollte. Das Bauelement 11 mag beispielsweise ein Elektrolytkondensator sein. Die Elektronikplatine 6 umgibt die Lichterzeugungseinheit 5 umlaufend, so dass die Lichterzeugungseinheit 5 durch die Ringöffnung 12 der Elektronikplatine 6 ragen kann.
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3 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Explosionsdarstellung eines Ausschnitts des LED-Moduls 1 in einem Bereich der Elektronikplatine 6. 4 zeigt den Ausschnitt aus 3 in einem zusammengeführten Zustand von Elektronikplatine 6 und Träger 2. Die Elektronikplatine 6 ist hier analog zu 1 und 2 auf den Flüssigkleber 4 aufgesetzt worden. Dabei wird der Flüssigkleber 4 zu einer dünnen Schicht zusammengedrückt und härtet dann aus. Die Elektronikplatine 6 ist also in einem Bereich des Bauelements 10 mittels des Flüssigklebers 4 an dem Träger 2 angebracht.
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5 und 6 zeigen als Schnittdarstellung in Seitenansicht Ausschnitt des LED-Moduls 1 in einem anderen Bereich der Elektronikplatine 6 analog zu 3 bzw. zu 4. Die Elektronikplatine 6 weist in diesem Ausschnitt im Bereich des Bauelements 10 (d.h. hier: unterhalb und kurz neben einer Auflagefläche des Bauelements 10) mehrere Durchführungen 13 (auch als 'Vias' bezeichnet) durch den Grundkörper 9 aufweist. Mit Aufdrücken der Elektronikplatine 6 auf den Flüssigkleber 4 wird der Flüssigkleber 4 durch die Durchführung 13 hochgedrückt. Bei den unterhalb des Bauelements 10 vorhandenen Durchführungen 13 kann der Flüssigkleber 4 dadurch eine Unterseite des Bauelements 10 kontaktieren. Bei den seitlichen Durchführungen 13 wird der Flüssigkleber 4 durch diese hindurchgedrückt wird und breitet sich folgend oberseitig des Grundkörpers 9 bis zu dem Bauelement 10 aus. So wird eine besonders gute Wärmeanbindung des Bauelements 10 an den Träger 2 erreicht.
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7 zeigt einen im Vergleich zu 6 vergrößerten Ausschnitt des LED-Moduls 1. Die Elektronikplatine 6 ist nicht vollflächig, sondern nur teilweise mittels des Flüssigklebers 4 mit dem Träger 2 verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung umfasst insbesondere Bereiche unterhalb von Bauelementen 10, die an den Träger 2 thermisch angekoppelt werden sollen. An Bereichen unterhalb der Elektronikplatine 6, welche nicht mit dem Flüssigkleber 4 verbunden sind bzw. keinen Flüssigkleber 4 aufweisen, ist die Elektronikplatine 6 von dem Träger 2 durch einen Spalt 14 beabstandet. Dieser Spalt 14 bewirkt eine thermische Entkopplung der darüber liegenden Bereiche der Elektronikplatine 6 von dem Träger 2. Insbesondere befindet sich das Bauelement 11 in einem von dem Flüssigkleber 4 freien Bereich bzw. oberhalb des Spalts 14.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere
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Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- LED-Modul
- 2
- Träger
- 3
- Oberseite
- 4
- Flüssigkleber
- 5
- Lichterzeugungseinheit
- 6
- Elektronikplatine
- 7
- Substrat
- 8
- Halbleiterlichtquelle
- 9
- Grundkörper
- 10
- Bauelement
- 11
- Bauelement
- 12
- Ringöffnung
- 13
- Durchführung
- 14
- Spalt
