DE102013215350A1

DE102013215350A1 - Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsanordnung

Info

Publication number: DE102013215350A1
Application number: DE201310215350
Authority: DE
Inventors: Jörg Sorg; Andreas Dobner; Andreas Biebersdorf
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-02-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsanordnung (1) mit einer durchgehenden flächigen Trägerplatte (2), auf der mehrere LEDs (52) angeordnet werden; dabei wird ein einer Verwölbung der Trägerplatte (2) vorbeugender Stabilisierungsbereich (6) erzeugt, indem ein Bereich der Trägerplatte (2) aus der Ebene des flächigen Materials heraus umgeformt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsanordnung sowie eine entsprechende Beleuchtungsanordnung.
Stand der Technik
Gegenwärtig entwickelte Lichtquellen mit optoelektronischen Bauelementen können sich im Vergleich zu konventionellen Glüh- oder auch Leuchtstofflampen beispielsweise durch eine verbesserte Energieeffizienz oder auch Einstellbarkeit des Farborts auszeichnen. Um eine Mehrzahl optoelektronische Bauelemente (im Folgenden auch nur „Bauelemente“) zu einem Modul zu kombinieren, es ist dabei aus dem Stand der Technik bekannt, die Bauelemente auf einer Leiterplatte anzuordnen. Ein gängiges Material ist dabei FR4, also ein Isolator, auf dessen Oberfläche beschichtete Kupferleiterbahnen strukturiert sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungsanordnung sowie eine entsprechende Beleuchtungsanordnung anzugeben.
Darstellung der Erfindung
Dieses Problem löst erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsanordnung mit einer Trägerplatte und einer Mehrzahl optoelektronischen Bauelementen,
umfassend die Schritte:

– Vorsehen der Trägerplatte aus einem durchgehenden, flächigen, metallischen Material, welches sich in einer Flächenebene erstreckt;
– Anordnen der Mehrzahl optoelektronische Bauelemente auf der Trägerplatte;
– Umformen eines Bereichs der Trägerplatte aus der Flächenebene heraus zu einem Stabilisierungsbereich an einer äußeren Kante der Trägerplatte, der dazu vorgesehen ist, einer Verwölbung der Trägerplatte vorzubeugen.

Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, wobei nicht immer im Einzelnen zwischen der Darstellung des Herstellungsverfahrens und der entsprechend hergestellten Beleuchtungsanordnung unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
Durch das Vorsehen des Stabilisierungsbereichs kann vorteilhafterweise einer Verwölbung der Trägerplatte, etwa während der weiteren Handhabung der Beleuchtungsanordnung und insbesondere im Betrieb, entgegengewirkt werden. Es kann also beispielsweise einer Verwindung bzw. Verbiegung um eine zur Flächenebene parallele Achse vorgebeugt werden.
Der Stabilisierungsbereich erstreckt sich infolge der Umformung außerhalb der Flächenebene und stabilisiert die Trägerplatte. Dies ist im Falle der erfindungsgemäß auf der Trägerplatte angeordneten (optoelektronischen) Bauelemente besonders vorteilhaft, weil während deren Betrieb in nicht unerheblichem Umfang Verlustleistung dissipieren kann. Eine gute thermische Anbindung der einzelnen Bauelemente ist deshalb vorteilhaft, idealerweise eine jeweils möglichst großflächige und gleichmäßige Anbindung, die sich mit einer im Anordnungsbereich ebenen Trägerplatte gut erreichen lässt.
Die Ebene des flächigen Materials, also die „Flächenebene“, geht insoweit von einer Idealisierung aus, als sie eine planare Näherung an das flächige Ausgangsmaterial darstellt, also an die Trägerplatte vor der Umformung. Vorzugsweise wird die Trägerplatte aus einem Flächenmaterial herausgearbeitet und legt dieses im Bereich der Trägerplatte die Flächenebene fest.
Erfindungsgemäß ist der Stabilisierungsbereich „an einer äußeren Kante“ vorgesehen; der Begriff „äußere Kante“ bezieht sich auf eine senkrechte Projektion der Trägerplatte in die Flächenebene, die äußere Kante ist also eine Außenkante dieser Projektion. Wird bei der Herstellung des Stabilisierungsbereichs bspw. eine Außenkante der Trägerplatte (nachstehend als „Materialaußenkante“ bezeichnet) um 90° aus der Flächenebene heraus gebogen, ist die äußere Kante um eine längenmäßig dem Stabilisierungsbereich entsprechendes Stück nach innen versetzt.
Der „an“ der äußeren Kante angeordnete Stabilisierungsbereich kann sich, wiederum bei Betrachtung einer senkrechten Projektion in die Flächenebene, bspw. innerhalb eines maximalen Abstands von in dieser Reihenfolge bevorzugt 15 %, 10 % bzw. 5 % von der äußeren Kante erstrecken, jeweils bezogen auf die größte Erstreckung der senkrechten Projektion der Trägerplatte.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die äußere Kante eine Erstreckung in Bezug auf die Flächenebene, also eine in der senkrechten Projektion in die Flächeneben genommene Erstreckung, und erstreckt sich der Stabilisierungsbereich über mindestens 50 %, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 60 %, 70 % bzw. 80 %, dieser Erstreckung entlang der äußeren Kante, was bspw. eine gute Stabilisierung gewährleisten helfen kann.
Der Stabilisierungsbereich schließt an die äußere Kante an; vorzugsweise ist eine Materialaußenkante der Trägerplatte in nachstehend im Detail erläuterter Weise aus der Flächenebene heraus gebogen. Die Anordnung des Stabilisierungsbereichs an einer äußeren Kante erlaubt eine gute Stabilisierung, es verbleibt vereinfacht gesprochen kein nicht stabilisierter Bereich außerhalb davon. Das Vorsehen des Stabilisierungsbereichs an einer äußeren Kante kann etwa auch insoweit vorteilhaft sein, als so ein mittiger Bereich der Trägerplatte vergleichsweise eben und beispielsweise gut reflektiv bleibt.
Generell soll die Reihenfolge der Nennung der Verfahrensschritte nicht notwendigerweise die Reihenfolge deren Durchführung vorgeben, kann also beispielsweise auch zunächst der Stabilisierungsbereich geformt und können die Bauelemente anschließend auf der Trägerplatte angeordnet werden. Vorzugsweise entsprechen sich Reihenfolge der Nennung und der Durchführung, weil der Stabilisierungsbereich so nicht bei der Platzierung der Bauelemente stört.
Idealerweise werden die Bauelemente im Zuge des „Anordnens“ auf der Trägerplatte auch darauf befestigt, beispielsweise über eine flächige Verbindung, etwa eine Fügeverbindung, z. B. durch Kleben oder Löten. Besonders bevorzugt wird dabei für jedes der Bauelemente eine jeweils eigene flächige Verbindungsschicht vorgesehen.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung kann generell in einem vergleichsweise einfachen und damit insbesondere in einer Massenfertigung auch kostengünstig herzustellenden Aufbau bestehen. Auch insoweit sind die Bauelemente in bevorzugter Ausgestaltung unmittelbar auf der Trägerplatte angeordnet, sind also keine Zwischenschichten vorgesehen, eben von einer ggfs. der Befestigung der Bauelemente dienenden flächigen Verbindungsschicht abgesehen.
Dem Gedanken eines möglichst einfachen Aufbaus Rechnung tragend, sind als Bauteile auf der Trägerplatte vorzugsweise allein LEDs vorgesehen, wird die Trägerplatte und die Beleuchtungsanordnung insgesamt also ohne Steuer- bzw. Treiberelektronik vorgesehen. Die Beleuchtungsanordnung kann als Austauschteil ausgelegt sein.
Das Material der Trägerplatte ist „flächig“, hat also in durch die Flächenebene festgelegten Ebenenrichtungen eine um ein Vielfaches größere Erstreckung als senkrecht dazu (in „Dickenrichtung“). Die Erstreckung in den Ebenenrichtungen kann beispielsweise um mindestens das 10-, 20-, 30-, 40- bzw. 50-fache größer sein als in Dickenrichtung.
Generell soll vorzugsweise der größere Teil der Trägerplatte planar sein, soll also nur ein Flächenanteil von beispielsweise nicht mehr 40 %, 30 %, 20 % bzw. 10 % zu Stabilisierungsbereich(en) umgeformt sein bzw. zur Flächenebene versetzt liegen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist nicht nur ein, sondern werden mehrere Stabilisierungsbereiche vorgesehen, beispielsweise mindestens zwei, drei bzw. vier Stabilisierungsbereiche, vorzugsweise jeweils bezogen auf eine rechteckige Trägerplatte; besonders bevorzugt ist an jeder der vier äußeren Kanten einer rechteckigen Trägerplatte jeweils ein Stabilisierungsbereich vorgesehen, der sich weiter bevorzugt jeweils über mindestens 50 % der Erstreckung der jeweiligen äußeren Kante erstreckt (die vorstehend offenbarten Intervallgrenzen die Erstreckung betreffend sollen ausdrücklich auch in diesem Zusammenhang offenbart sein). Generell sind „ein“ und „eine“ unbestimmte Artikel, die dementsprechend als „zumindest ein“ und „zumindest eine“ zu lesen sind.
Für die Trägerplatte wird ein flächiges, „durchgehendes“ Material vorgesehen, und es soll bezogen auf eine die Trägerplatte Umhüllende (die entlang deren Materialaußenkante(n) verläuft) ein Anteil von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 60 %, 70 %, 80 % bzw. 90 % der von der Umhüllenden eingeschlossenen Fläche von dem Material der Trägerplatte ausgefüllt sein. Generell können in der Trägerplatte also (zu einem entsprechend kleinen Flächenanteil) vollständig von dem Material der Trägerplatte umschlossene Durchtritte (Löcher) vorgesehen sein; besonders bevorzugt ist die Trägerplatte frei davon, liegt innerhalb der Umhüllenden also vollständig durchgehend und einstückig (monolithisch) das Material der Trägerplatte vor.
In bevorzugter Ausgestaltung wird bzw. ist der Stabilisierungsbereich derart umgeformt, dass sich ein Abschnitt davon um mindestens das 1-fache, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens das 2-, 3-, 4- bzw. 5-fache, der Dicke der Trägerplatte von dieser weg erhebt (gemessen von der dem Stabilisierungsbereich zugewandten Oberfläche der Trägerplatte weg in Dickenrichtung). Bevorzugt ist also ein Stabilisierungsbereich mit einer gewissen räumlichen Ausprägung, was die Stabilität der Trägerplatte verbessern hilft.
Generell kann das flächige Material der Trägerplatte aufgrund des erfindungsgemäßen Stabilisierungsbereichs mit vergleichsweise geringer Dicke vorgesehen werden, was Materialkosten reduzieren helfen kann. Das flächige Material hat vorzugsweise eine Dicke von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt nicht mehr als 4 mm, 3 mm, 2 mm, 1 mm bzw. 0,9 mm; mögliche (von diesen Obergrenzen unabhängige) Untergrenzen können beispielsweise bei 0,4 mm, 0,5 mm bzw. 0,6 mm liegen.
In bevorzugter Ausgestaltung wird bzw. ist der Stabilisierungsbereich durch Biegen aus der Flächenebene heraus umgeformt. Der Flächenbereich wird also vorzugsweise um eine parallel zur Flächenebene liegende, üblicherweise gerade Achse gebogen. In einfachen Worten wird der Stabilisierungsbereich also gewissermaßen aus der Flächenebene „herausgeklappt“. Der Stabilisierungsbereich selbst kann dabei beispielsweise weitgehend verformungsfrei bleiben, es kann sich die Verformung also im Wesentlichen auf einen den Stabilisierungsbereich mit der übrigen Trägerplatte verbindenden Verbindungsbereich beschränken, etwa im Gegensatz zu einem Prägen. Soweit generell von einem „Umformen eines Bereichs der Trägerplatte aus der Flächenebene“ heraus die Rede ist, meint dies also nicht, dass der im Zuge der Umformung aus der Flächenebene bewegte Bereich selbst verformt sein muss.
Für den Biegewinkel, um den der im Wesentlichen dehnungsfreie Abschnitt des Stabilisierungsbereichs aus der Flächenebene herausgebogen wird, sind mindestens 40° bevorzugt und sind mindestens 50°, 60°, 70°, 80° bzw. 85° weiter bevorzugt. Auch wenn im Allgemeinen ein Biegewinkel von 180° (Umschlag) denkbar ist, sind Obergrenzen von 140° bzw. 95° bevorzugt, erhebt sich der Stabilisierungsbereich also besonders bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zur Flächenebene.
Besonders bevorzugt wird eine Materialaußenkante der Trägerplatte aus der Flächenebene heraus gebogen, also beim Biegen aus der Flächenebene heraus bewegt, und ist sie infolge des Biegens außerhalb der Flächenebene angeordnet, erstreckt sich der Stabilisierungsbereich also von der Materialaußenkante bis zum Verbindungsbereich (der verformt wird, siehe oben) und hat einen im vorstehenden Absatz offenbarten Winkel zur Flächenebene. Der Begriff „Materialaußenkante“ bezieht sich auf eine tatsächliche durch das Trägerplatten-Material festgelegte Außenkante (wohingegen die „äußere Kante“ eine Außenkante der Projektion ist); vor dem Einbringen des Stabilisierungsbereichs fallen die Materialaußenkante und die äußere Kante zusammen.
Generell ist für die Trägerplatte eine von ggfs. seitlichen Eingriffen abgesehen polygonale Außenform bevorzugt, insbesondere eine rechteckige Außenform, wobei dann besonders bevorzugt alle für sich jeweils gerade verlaufenden Materialaußenkanten aus der Flächenebene heraus umgeformt sind, insbesondere umgebogen sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Bauelemente auf einer Seite des flächigen Materials angeordnet und ist der Stabilisierungsbereich zu derselben Seite aus der Flächenebene heraus umgeformt. In der Herstellung werden dabei vorzugsweise zunächst die Bauelemente angeordnet und wird erst anschließend, üblicherweise erst nach einem elektrisch leitend Anschließen der Bauelemente, der Stabilisierungsbereich umgeformt. Dies kann insoweit vorteilhaft sein, als der „nach oben“ überstehende Stabilisierungsbereich so nicht bei der Platzierung der Bauelemente stört.
Soweit mehrere Stabilisierungsbereiche vorgesehen sind, sind auch diese vorzugsweise zu derselben Seite, auf welcher auch die Bauelemente angeordnet sind, umgeformt und ist eine den Bauelementen entgegengesetzte Rückseite der Trägerplatte annähernd eben, was etwa hinsichtlich der Montage bzw. thermischen Anbindung der Beleuchtungsanordnung Vorteile bieten kann.
Das erfindungsgemäße Vorsehen einer Trägerplatte mit Stabilisierungsbereich(en) und die dadurch mögliche, vergleichsweise dünne Ausgestaltung erlauben vorteilhafterweise eine Herstellung der Trägerplatte durch Stanzen; diese ist vorzugsweise aus einem Flächenmaterial ausgestanzt, dessen Abmessungen in den Ebenenrichtungen jene der Trägerplatte um ein Vielfaches übersteigen.
Vorzugsweise wird nach dem Anordnen der Bauelemente gestanzt, besonders bevorzugt auch nach einem elektrisch leitend Verbinden, weil so mehrere noch zusammenhängende Trägerplatten gemeinsam gehandhabt und bestückt werden können, was insbesondere in einer Massenfertigung den Durchsatz erhöhen helfen kann.
Die Erfinder haben festgestellt, dass das Stanzen einen gewissen Kräfte- bzw. Verformungseintrag in die Trägerplatte zur Folge haben kann; dies kann beispielsweise die zur Befestigung eines Bauelements vorgesehene Fügeverbindungsschicht beeinträchtigen. In bevorzugter Ausgestaltung wird die Trägerplatte deshalb in mindestens zwei Stanzschritten vereinzelt, wobei in einem ersten Stanzschritt beispielsweise Materialaußenkanten der Trägerplatte definierende Trennlinien in das Flächenmaterial gestanzt werden, jedoch noch ein bzw. mehrere die Trägerplatte mit dem Flächenmaterial verbindende Stege stehen bleiben.
Etwa im Falle einer polygonalen, insbesondere rechteckigen, Trägerplatte können also beispielsweise die Seitenkanten schon jeweils zu mindestens 60 %, 70 % bzw. 80 % freigestanzt werden und die Trägerplatte noch über Stege an Ecken / den Ecken mit dem übrigen Flächenmaterial verbunden sein.
Mit dem zweiten, nach dem Anordnen der Bauelemente durchgeführten Stanzschritt wird die Trägerplatte dann vereinzelt. Da dabei ein im Vergleich geringer Anteil des Flächenmaterials gestanzt werden muss, ist der Kräfteeintrag entsprechend reduziert.
Ein (mindestens) zweischrittiges Stanzen der Trägerplatte kann etwa auch insofern vorteilhaft sein, als eine im ersten Stanzschritt im Flächenmaterial erzeugte Struktur bzw. Bereiche davon als Orientierungsmarken genutzt werden können, beispielsweise beim Anordnen der Bauelemente und/oder beim Vorsehen eines Kontaktierungselements und/oder beim elektrisch leitend Verbinden der Bauelemente/Kontaktierungselemente und/oder beim Vorsehen eines Hüllkörpers.
Dazu können beispielsweise die ohnehin gestanzten, insoweit durch die Außenform der Trägerplatte vorgegebenen Bereiche genutzt werden oder können Orientierungsmarken auch eigens gestanzt werden, beispielsweise in dem übrigen, die noch nicht vereinzelten Trägerplatten noch verbindenden Flächenmaterial. Alternativ könnten auch Orientierungsmarken auf das Flächenmaterial aufgebracht werden bzw. kann die Orientierung auch über eine Erkennung der gesamten Trägerplatte erfolgen.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Trägerplatte Aluminium auf, kann im Allgemeinen also beispielsweise auch eine Aluminiumlegierung vorgesehen sein. Bevorzugt ist eine Trägerplatte mit einer Schicht hochreinen Aluminiums, also mit einem Reinheitsgrad von mehr als 99,5 %, 99,7 % bzw. 99,9 % (besonders bevorzugt sind 99,99 %), die vorzugsweise reflexionsverstärkend beschichtet ist, besonders bevorzugt mit einem Schichtsystem auf Oxidbasis. Die über den sichtbaren Spektralbereich gemittelte Reflektivität kann dann beispielsweise bei mindestens 90 %, 92 % bzw. 94 % liegen.
Es kann beispielsweise auch Aluminium als „Volumenmaterial“ der Trägerplatte vorgesehen und etwa zur Reflexionsverstärkung eine im Verhältnis dünne Silberschicht aufgebracht sein, vorzugsweise Reinstsilber. Das Silber kann seinerseits dann (analog dem vorstehend beschriebenen hochreinen Aluminium) wiederum mit einem reflexionsverstärkenden Schichtsystem aus Oxiden versehen sein. Die über den sichtbaren Spektralbereich gemittelte Reflektivität kann in diesem Fall beispielsweise bei mindestens 95 %, 96 % bzw. 97 % liegen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist ein Kontaktierungselement vorgesehen, mit dem (zumindest) ein Bauelement elektrisch leitend verbunden ist; üblicherweise sind mindestens zwei Kontaktierungselemente vorgesehen und stellt eines einen Anoden- und das andere einen Kathodenkontakt zur Verfügung. Zwischen den beiden Kontakten ist mindestens ein Bauelement angeschlossen, üblicherweise eine Mehrzahl in Serie geschalteter Bauelemente. Soweit in bevorzugter Ausgestaltung Bauelemente vorgesehen sind, die zur Emission von Licht unterschiedlicher Farbe ausgelegt sind, können beispielsweise gemeinsam für die Bauelemente einer Farbe jeweils ein Anoden- und ein Kathodenkontakt vorgesehen sein.
Das Kontaktierungselement dient gewissermaßen einer Überbrückung zwischen den „mikroskopischen“ Bauelementen und dem Makroskopischen. Es kann also beispielsweise über einen Druck-, Klemm-, Löt-, Steck-, Niet- bzw. Schraubkontakt mit einer Spannungsquelle bzw. einem Stromnetz verbunden werden; die Verbindung zur Bauelementebene hin kann beispielsweise mittels eines Bonddrahts hergestellt sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die auf der Trägerplatte angeordneten Bauelemente gemeinsam mit einem Hüllkörper umhüllt, vorzugsweise mit einem einstückigen (monolithischen) Hüllkörper; die Bauelemente sind also gemeinsam gekapselt, vorzugsweise durch Verguss.
Als „Bauelemente“ werden vorzugsweise für sich nicht gehäuste LED-Chips vorgesehen, auf der Trägerplatte angeordnet und anschließend, idealerweise noch vor dem Umformen des Stabilisierungsbereichs, gemeinsam gehäust, also mit dem Hüllkörper gekapselt. Im Allgemeinen wird im Rahmen dieser Offenbarung ein auf einen halbleitenden Material basierendes optoelektronisches Bauelement auch als „LED“ bezeichnet, was generell auch organische Leuchtdioden und vorzugsweise anorganische Leuchtdioden meint. „LED-Chip“ bezieht sich auf ein ungehäustes Bauelement.
Der Hüllkörper umschließt dann jedenfalls zusammen mit der Trägerplatte die für sich ungehäusten Bauelemente (LED-Chips) vollständig und schützt sie vor Umwelteinflüssen. Der Hüllkörper kann beispielsweise aus einem Silikonmaterial vorgesehen sein, in das etwa auch ein Leuchtstoff eingebettet sein kann, der einer (Teil)Konversion des von den Bauelementen bzw. einigen der Bauelemente emittierten Lichts dienen kann.
Beim Vergießen der LED-Chips kann beispielsweise zunächst ein Damm um die LED-Chips umlaufend auf die Trägerplatte aufgebracht werden, der eine nach oben offene Kavität seitlich begrenzt. Diese wird dann beispielsweise mit Silikonmaterial aufgefüllt. Ein gemeinsamer Hüllkörper kann jedoch auch in einem alternativen Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch Sprühen oder in einem Druckverfahren bzw. durch elektrophoretische Abscheidung.
Besonders bevorzugt ist eine Kombination aus Hüllkörper und Kontaktierungselement, bei der ein Teil des Kontaktierungselements gemeinsam mit den Bauelementen von dem Hüllkörper umhüllt ist und ein anderer Teil des Kontaktierungselements aus dem Hüllkörper herausragt, beispielsweise seitlich (in einer Ebenenrichtung) oder auch nach oben (in Dickenrichtung); der aus dem Hüllkörper herausragende Teil kann dann zur Kontaktierung auf makroskopischer Ebene ausgebildet sein.
Im Folgenden werden zwei verschiedene Möglichkeiten zum Vorsehen des Kontaktierungselements beschrieben, wobei beide Möglichkeiten einen über einen Isolator zur Trägerplatte beabstandeten Leiter ergeben, die jeweiligen Erzeugnisse in ihrer Funktionalität also zumindest überlappen. Gleichwohl wird, um bei der näheren Konkretisierung einer Verwechslung vorzubeugen, im ersten Fall von einem „Isolationskörper“ gesprochen, auf dem eine Leiterschicht vorgesehen ist und gemeinsam mit dem Isolationskörper auf die Trägerplatte gesetzt wird; der zweite Fall betrifft eine „Isolationsschicht“, die zuerst auf die Trägerplatte aufgebracht wird und auf welche dann die Leiterschicht aufgebracht wird.
Der Isolationskörper (erster Fall) kann hingegen mit bereits darauf vorgesehener Leiterschicht gehandhabt und auf der Trägerplatte platziert werden, etwa den Bauelementen vergleichbar (pick & place).
Mögliche (jeweils in Dickenrichtung genommene) Mindestdicken können im Falle des Isolationskörpers bei 30 µm, 40 µm bzw. 50 µm liegen und (davon unabhängig) im Falle der Leiterschicht bei 2,5 µm, 5 µm, 7,5 µm, 10 µm bzw. 12,5 µm; mögliche (von den Untergrenzen unabhängige) Obergrenzen der Isolationskörperdicke können etwa bei 2 mm, 1,5 mm, 1 mm, 0,75 mm, 0,5 mm, 0,25 mm, 0,1 mm, 0,09 mm bzw. 0,08 mm liegen, mögliche Obergrenzen der Leiterschichtdicke bei beispielsweise 100 µm, 80 µm, 60 µm, 40 µm, 30 µm bzw. 20 µm.
Der elektrisch isolierende Isolationskörper kann beispielsweise aus einem keramischen Material bzw. aus Glas oder auch aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise einem nicht thermoplastischen Kunststoff, vorgesehen sein, etwa aus einem Harz.
Die an der Oberseite des Isolationskörpers vorgesehene Leiterschicht kann beispielsweise eine Fläche von mindestens 0,1 mm², 0,2 mm², 0,5 mm², 1 mm², 2,5 mm² bzw 5 mm² haben; mögliche Obergrenzen liegen etwa bei 25 mmm², 20 mm², 15 mm² bzw. 10 mm². Vorzugsweise erstrecken sich die Leiterschicht und der Isolationskörper dabei weitgehend deckungsgleich, haben sich durch senkrechte Projektion von Leiterschicht und Isolationskörper auf geteilter Platte ergebende Projektionsflächen also eine Schnittmenge von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 70 %, 80 %, 90 % bzw. 95 % der sich durch die senkrechte Projektion des Kontaktierungselements im Gesamten ergebenden Projektionsfläche.
Die in den vorstehenden Absätzen für die Leiterschicht auf dem Isolationskörper getroffenen Angaben sollen gleichermaßen auch für eine Leiterschicht auf einer Isolationsschicht offenbart sein.
Eine „Isolationsschicht“ wird von der Leiterschicht getrennt aufgebracht, also vor dieser. Die Isolationsschicht kann beispielsweise aufgedruckt oder auch dispensed oder auch gesprüht bzw. gejettet werden, wobei etwa organische Materialien aufgebracht werden können, etwa ein thermoplastisches Material wie Polycarbonat, ein Epoxidharz-Material, Imid, Silikon und/oder Polyurethan; diese Materialien können ungefüllt oder gefüllt sein, etwa mit einem anorganischen Material. Als Füller kann insbesondere Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Titandioxid, Zirconiumdioxid und/oder Bariumsulfat vorgesehen sein. Die Isolationsschicht kann auch generell eine anorganische Schicht sein, etwa auch eine Schicht aus anorganischer Bindermatrix und anorganischem Füller.
Die Isolationsschicht kann auch im Rahmen eines aus der Halbleiterfertigung bekannten Strukturierungsverfahrens aufgebracht werden, also beispielsweise auf einen entsprechend freigelegten Bereich einer Lackmaske abgeschieden werden. Gleiches gilt für die Leiterschicht, die beispielsweise auf die Isolationsschicht aufgedampft oder -gesputtert bzw. im Allgemeinen auch aus einem Bad abgeschieden werden kann. Dabei sind selbstverständlich auch Kombinationen möglich und kann beispielsweise durch eine galvanische Nachbehandlung eine Oberfläche der Leiterschicht bond- bzw. lötbar eingestellt werden.
Im Falle einer mit einer Leiterschicht versehenen Isolationsschicht kann es bevorzugt sein, dass die Leiterschicht die Isolationsschicht nicht vollständig bedeckt, sondern ein kantennaher Bereich der Isolationsschicht von Leiterschicht-Material freibleibt, etwa um die elektrische Isolation zur elektrisch leitenden Trägerplatte zu verbessern, also um Kriechpfade zu verlängern.
Generell kann es bevorzugt sein, das Kontaktierungselement bis zu einem Randbereich der Trägerplatte zu führen.
In eine polygonale, üblicherweise rechteckige, Trägerplatte kann beispielsweise von einer Ecke her eine Ausnehmung eingebracht sein, die eine Montage durch beispielsweise eine Schraube oder Niete ermöglicht. Das Kontaktierungselement, insbesondere ein Isolations-/Leiterschichtsystem, kann dabei idealerweise bis zu der Ausnehmung herangeführt und beispielsweise auch teilweise um diese umlaufend gestaltet sein, sodass ein der Montage dienendes Verbindungselement zugleich auch flächig auf dem Kontaktierungselement aufliegt und eine elektrisch leitende Verbindung herstellt.
Generell sollen das/die Kontaktierungselement(e) bezogen auf die Ebenenrichtungen im Vergleich zur Trägerplatte vorzugsweise eher klein sein, soll die Trägerplatte also beispielsweise zu nicht mehr als 40 %, 30 %, 20 % bzw. 15 % mit Kontaktierungselement(en) bedeckt sein.
Die Erfindung betrifft, wie bereits eingangs erwähnt, auch eine entsprechend hergestellte Beleuchtungsanordnung mit einer Trägerplatte aus einem durchgehenden, flächigen, metallischen Material, welches sich in einer Flächenebene erstreckt, einer Mehrzahl optoelektronischen Bauelementen, die auf der Trägerplatte angeordnet sind, und einem aus der Flächenebene heraus umgeformten Stabilisierungsbereich an einer äußeren Kante der Trägerplatte.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, wobei die einzelnen Merkmale auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können. Im Einzelnen zeigt
1 eine mit LEDs bestückte Trägerplatte mit erfindungsgemäßen Stabilisierungsbereichen;
2 ein Flächenmaterial als Ausgangspunkt der Herstellung einer Beleuchtungsanordnung gemäß 1.
3 das Flächenmaterial gemäß 2 nach einem ersten Stanzschritt;
4 das Flächenmaterial gemäß 3 nach einem Bestücken mit LEDs und Vergießen derselben;
5 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Trägerplatte mit Kontaktierungselement und LED-Chips;
6 das Flächenmaterial gemäß 4 nach einem Vereinzeln der Trägerplatten in einem zweiten Stanzschritt;
7 ein Flächenmaterial nach einem ersten Stanzschritt und dem Aufbringen von Isolationsschichten für Kontaktierungselemente;
8 einen Ausschnitt einer aus dem Flächenmaterial gemäß 7 hergestellten Beleuchtungsanordnung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung 1 mit einer Trägerplatte 2, auf der eine Mehrzahl LED-Chips angeordnet sind. Die LED-Chips sind in dieser Darstellung nicht zu erkennen, sondern werden von dem sie gemeinsam mit der Trägerplatte 2 umhüllenden Hüllkörper 3 verdeckt, vorliegend einem Silikon-Verguss.
Neben den LED-Chips sind auf der Trägerplatte 2 ferner zwei (in der 1 nach links bzw. links unten) aus dem Silikon-Verguss 3 herausragende Kontaktierungselemente 4 vorgesehen, die jeweils als Isolator mit einer Leiterschicht darauf ausgeführt sind (siehe 5). Die LED-Chips sind über Bonddrähte in Serie geschaltet, wobei der Anodenkontakt eines ersten hinsichtlich der Serienschaltung endseitigen LED-Chips mit dem einen Kontaktierungselement 4 elektrisch leitend verbunden ist (über einen Bonddraht) und der Kathodenkontakt des anderen endseitigen LED-Chips mit dem anderen der Kontaktierungselemente 4 elektrisch leitend verbunden ist (ebenfalls über einen Bonddraht). Über die in 1 sichtbaren, außerhalb des Silikon-Vergusses 3 liegenden Leiterschichtbereiche der Kontaktierungselemente 4 können somit die in Serie geschalteten LED-Chips elektrisch kontaktiert werden.
2 zeigt als Ausgangspunkt der Herstellung einer Beleuchtungsanordnung 1 gemäß 1 ein Flächenmaterial 21, und zwar einen Aluminiumträger mit einer hochreinen Aluminiumschicht (Reinheit 99,99 %), deren Reflektivität durch eine Oxidbeschichtung weiter verbessert ist und gemittelt über den sichtbaren Spektralbereich bei etwa 94 % liegt.
3 zeigt das Flächenmaterial 21 nach einem ersten Stanzschritt, in dem die späteren, in diesem Fall neun Trägerplatten 2 vorgestanzt werden. Für jede der Trägerplatten 2 werden also jeweils die Materialaußenkanten 5 gestanzt, wobei jede Trägerplatte 2 noch über jeweils an den Ecken der jeweiligen quadratischen Grundform angeordnete Stege 32 mit dem übrigen Flächenmaterial 21 verbunden bleibt.
4 zeigt die Situation nach dem Bestücken und Vergießen der noch über die Stege 32 miteinander, also jeweils mit dem übrigen Flächenmaterial 21 verbundenen Trägerplatten 2. Mittig jeder Trägerplatte 2 werden in diesem Beispiel jeweils zwölf LED-Chips platziert und über Bonddrähte, die jeweils den Anoden- und den Kathodenkontakt zweier LED-Chips verbinden, in Serie geschaltet. In 4 sind die Bauelemente bereits mit dem Hüllkörper 3 aus Silikon-Material überdeckt (in 4 sind die Kontaktierungselemente 4 nicht dargestellt).
5 zeigt einen schematischen Schnitt, in dem die zusätzlich zu den LED-Chips 52 auf der Trägerplatte 2 angeordneten Kontaktierungselemente 4 zu erkennen sind (je Trägerplatte 2 werden zwei Kontaktierungselemente 4 vorgesehen). Die Kontaktierungselemente 4 werden wie die LED-Chips 52 auf die jeweilige Trägerplatte 2 aufgeklebt und über jeweils einen Bonddraht 51 mit den in Serie geschalteten LED-Chips 52 verbunden.
Das Kontaktierungselement 4 ist aus einem Isolationskörper 53 (aus einem Harz) und einer darauf angeordneten Leiterschicht 54 aus Kupfer vorgesehen. Das Kontaktierungselement 4 wird insoweit als Fertigteil auf die Trägerplatte 2 gesetzt und elektrisch leitend mit den LED-Chips 52 verbunden.
Die Aufsicht in 4 zeigt die Situation nach dem Vergießen der LED-Chips 52 mit Silikonmaterial. Dazu wird auf jeder der Trägerplatten 2 zunächst ein umlaufender Damm 41 aufgetragen (siehe 1 und 8), der dann eine (vergleichsweise flache) nach oben offene Kavität seitlich begrenzt. Diese wird anschließend mit den jeweiligen Hüllkörper 3 bildendem Silikonmaterial aufgefüllt. Gemeinsam mit der Trägerplatte 2 kapselt der Silikon-Verguss die LED-Chips 52.
Aus 5 ist ersichtlich, dass das Kontaktierungselement 4 nicht vollständig in den Hüllkörper 3 eingebettet wird, sondern seitlich herausragt. Über den außerhalb des Hüllkörpers 3 liegenden Bereich der jeweiligen Leiterschicht 54 des jeweiligen Kontaktierungselements 4 kann die Beleuchtungsanordnung dann zu einem Anwendungsumfeld hin angeschlossen werden, es kann also beispielsweise ein Draht aufgelötet werden.
Die Darstellung in 5 ist lediglich schematisch, das Kontaktierungselement kann also insbesondere auch weiter herausragen. Wird die Beleuchtungsanordnung 1 beispielsweise mit einem die Trägerplatte 2 nach unten drückenden Federelement montiert, kann dieses relativ zum Kontaktierungselement 4 auch so platziert werden, dass es auf der Leiterschicht 54 aufliegt, also zugleich der elektrischen Kontaktierung dient.
Aus 5 ist ferner der Unterschied zwischen der Materialaußenkante 5 und der äußeren Kante 56 ersichtlich; erstere ist die tatsächliche Außenkante des Trägerplatte 2 und weist infolge der Umformung aus der Flächenebene 55 heraus nach oben. Die äußere Kante 56 ergibt sich durch eine senkrechte Projektion der Trägerplatte 2 in die Flächenebene 55.
6 zeigt die Situation nach einem zweiten Stanzschritt, in welchem die Stege 32 aufgetrennt und die jeweiligen Beleuchtungsanordnungen 1 somit von dem übrigen Flächenmaterial 21 getrennt, also vereinzelt werden.
Um einer unbeabsichtigten Verwölbung der jeweiligen Trägerplatten 2 vorzubeugen, werden schließlich noch die jeweils vier Materialaußenkanten 5 einer jeder Trägerplatte 2 aus der Flächenebene 55 heraus umgeformt und zwar durch Umbiegen um eine jeweilige zur Trägerplatte 2 parallele Achse. Der jeweilige Biegewinkel beträgt 90°.
Obwohl die Trägerplatte 2 nur eine Dicke von 0,9 mm hat, beugen die so durch Umbiegen der Materialaußenkanten 5 nach oben geformten Stabilisierungsbereiche 6 einer Verwölbung der Trägerplatte 2 weitgehend vor. Damit ist eine gute thermische Anbindung der LED-Chips 52 gewährleistet.
Die Beleuchtungsanordnung 1 kann über seitlich von den Ecken her eingebrachte Ausnehmungen 7 (1) montiert werden, beispielsweise durch Schrauben oder Nieten.
Bei einer alternativen Prozessfolge, die nicht in den Figuren gezeigt ist, kann der erste Stanzschritt, also das Vorstanzen der Trägerplatten 2 (3), auch entfallen. Es werden dabei also die LED-Chips 52 und die Kontaktierungselemente 4 wie anhand der 4 und 5 erläutert platziert, und zwar auf dem Flächenmaterial 21 (2). Anschließend (nach dem elektrisch leitend Verbinden und Kapseln) werden die Beleuchtungsanordnungen 1 dann in einem einzigen Stanzschritt vereinzelt (bevor wie eben dargestellt Stabilisierungsbereiche 6 gebogen werden).
Die 7 und 8 zeigen eine sich von der anhand der 1 bis 6 erläuterten Ausführungsform durch das Kontaktierungselement 4 unterscheidende Ausgestaltung. Das Kontaktierungselement 4 wird in diesem Fall nämlich nicht als Fertigteil (aus Isolationskörper und Leiterschicht darauf) auf die Trägerplatte 2 gesetzt, sondern es wird in einem ersten Schritt für jedes Kontaktierungselement 4 eine Isolationsschicht 71 auf die Trägerplatte aufgebracht, vorliegend durch Drucken eines Epoxidharzes.
Diese Situation ist in 7 dargestellt, die Isolationsschichten 71 werden also nach dem ersten Stanzschritt (3) aufgebracht. Dabei und beim anschließenden Aufbringen der Leiterschichten 81 dienen die Stanzbereiche um die Stege 32 als Orientierungsmarken.
Nach dem Aufbringen der Leiterschichten 81 auf die Isolationsschichten 71 werden die LED-Chips 52, wie anhand der 4 und 5 erläutert, platziert und über Bonddrähte elektrisch leitend miteinander verbunden. Ferner werden die LED-Chips 52 auch mit den jeweiligen Leiterschichten 81 als Anoden- und Kathodenkontakt elektrisch leitend verbunden; nach einem Vergießen (in 8 sind der Damm 41 und der den Hüllkörper 3 bildende Silikonverguss zu erkennen) sind die LED-Chips 52 von außerhalb über Bereiche der Leiterschichten 81 kontaktierbar.
Die Kontaktierungselemente 4 sind dazu jeweils zu einer von der Ecke in die Trägerplatte 2 eingebrachten Ausnehmung 7 geführt und umgeben diese teilweise. Die Beleuchtungsanordnung 1 kann so beispielsweise mit einer Schraube oder Niete montiert und zugleich zum Makroskopischen hin elektrisch leitend kontaktiert werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsanordnung (1) mit einer Trägerplatte (2) und einer Mehrzahl optoelektronischen Bauelementen (52), umfassend die Schritte: – Vorsehen der Trägerplatte (2) aus einem durchgehenden, flächigen, metallischen Material, welches sich in einer Flächenebene (55) erstreckt; – Anordnen der Mehrzahl optoelektronische Bauelemente (52) auf der Trägerplatte (2); – Umformen eines Bereichs der Trägerplatte (2) aus der Flächenebene (55) heraus zu einem Stabilisierungsbereich (6) an einer äußeren Kante (56) der Trägerplatte (2), der dazu vorgesehen ist, einer unbeabsichtigten Verwölbung der Trägerplatte (2) vorzubeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die äußere Kante (56) in Bezug auf die Flächenebene eine Erstreckung hat und sich der Stabilisierungsbereich (6) über mindestens 50 % der Erstreckung der äußeren Kante (56) entlang der äußeren Kante (56) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem sich eine Dickenrichtung senkrecht zur Flächenebene (55) erstreckt, das flächige Material der Trägerplatte (2) eine in der Dickenrichtung genommene Dicke hat und der Stabilisierungsbereich (6) so umgeformt wird, dass sich ein Abschnitt des Stabilisierungsbereichs (6) in der Dickenrichtung um mindestens die Dicke der Trägerplatte (2) von dieser weg erhebt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem sich eine Dickenrichtung senkrecht zur Flächenebene (55) erstreckt, das flächige Material der Trägerplatte (2) eine in der Dickenrichtung genommene Dicke hat und diese Dicke nicht mehr als 3 mm beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Stabilisierungsbereich (6) durch Biegen aus der Flächenebene (55) heraus umgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Bauelemente (52) auf einer Seite der Trägerplatte (2) angeordnet werden und der Stabilisierungsbereich (6) zu derselben Seite hin aus der Flächenebene (55) heraus umgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Stanzschritt, wobei die Trägerplatte (2) aus einem Flächenmaterial (21) ausgestanzt ist, vorzugsweise nach dem Anordnen der Bauelemente (52) ausgestanzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, in welchem die Trägerplatte (2) in mindestens zwei Stanzschritten aus dem Flächenmaterial (21) herausgearbeitet wird, und zwar durch einen ersten Stanzschritt vor dem Anordnen der Bauelemente (52) und einen zweiten Stanzschritt nach dem Anordnen der Bauelemente (52).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Trägerplatte (2) Aluminium aufweist, vorzugsweise reflexionsverstärkend beschichtetes Aluminium, besonders bevorzugt aus mit Silber reflexionsverstärkend beschichtetem Aluminium.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Kontaktierungselement (4), welches auf der Trägerplatte (2) vorgesehen wird und mit dem ein Bauelement (52) elektrisch leitend verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem vorzugsweise einstückigen Hüllkörper (3), mit welchem die auf der Trägerplatte (2) angeordneten Bauelemente (52) umhüllt werden, vorzugsweise gemeinsam mit der Trägerplatte (2) vollständig.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Kontaktierungselement (4) einen Isolationskörper (53) und eine darauf vorgesehene elektrisch leitende Leiterschicht (54) umfasst, wobei der Isolationskörper (53) mit darauf vorgesehener Leiterschicht (54) auf die Trägerplatte (2) gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei welchem das Kontaktierungselement (4) eine Isolationsschicht (71) und eine darauf vorgesehene elektrisch leitende Leiterschicht (81) umfasst, wobei zuerst die Isolationsschicht (71) auf die Trägerplatte (2) aufgebracht wird und dann die Leiterschicht (81) auf die Isolationsschicht (71) aufgebracht wird.
Beleuchtungsanordnung (1) mit einer Trägerplatte (2) aus einem durchgehenden, flächigen, metallischen Material, welches sich in einer Flächenebene (55) erstreckt, und einer Mehrzahl optoelektronischen Bauelementen (52), die auf der Trägerplatte (2) angeordnet sind, wobei ein Bereich der Trägerplatte (2) aus der Flächenebene (55) heraus zu einem Stabilisierungsbereich (6) an einer äußeren Kante (56) der Trägerplatte (2) umgeformt ist, der dazu vorgesehen ist, einer unbeabsichtigten Verwölbung der Trägerplatte (2) vorzubeugen.
Beleuchtungsanordnung (1) nach Anspruch 14, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13.