DE102014201506A1

DE102014201506A1 - LED-Modul mit einer LED

Info

Publication number: DE102014201506A1
Application number: DE102014201506.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Loster
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2015-07-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul (1) mit einem Substratkörper (3), der einen Wärmeverteilungskörper (4) bedeckt und auf dem eine LED (2) angeordnet ist; um die Wärme von der LED (2) zum Wärmeverteilungskörper (4) zu führen, sind in den Substratkörper (3) Wärmeleitpartikel (5) mit einer jeweiligen Wärmeleit-Vorzugsrichtung eingebettet und derart ausgerichtet, dass die Wärmeleit-Vorzugsrichtungen der Wärmeleitpartikel (5) zwischen der LED (2) und dem Wärmeverteilungskörper (4) von der LED (2) zum Wärmeverteilungskörper (4) weisen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul mit einer auf einem Substratkörper angeordneten LED.
Stand der Technik
Die Vorteile, die optoelektronische Leuchtmittel gegenüber konventionellen Leuchtmitteln wie Glühbirnen, aber auch Leuchtstofflampen, haben können, sind bekannt. Eine Herausforderung kann indes die Entwärmung optoelektronischer Leuchtmittel darstellen; diese kann beispielsweise für einen effizienten Betrieb erforderlich sein beziehungsweise Degradationsprozessen vorbeugen helfen. Etwa ein das originäre LED-Licht konvertierender Leuchtstoff kann zum Beispiel bei erhöhten Temperaturen schneller altern.
Der Begriff „optoelektronisches Leuchtmittel“ bezieht sich auf ein LED-Modul, also eine auf einem Substratkörper angeordnete LED. Eine „LED“ ist ein Strahlung emittierendes optoelektronisches Bauelement aus einem halbleitenden Material, zum Beispiel eine anorganische oder organische Leuchtdiode. Dabei kann das entsprechend erzeugte Licht entweder direkt genutzt oder im Falle einer Leuchtstoff-LED auch teilweise beziehungsweise vollständig mit einem Leuchtstoff konvertiert werden (Teil- beziehungsweise Vollkonversion).
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes LED-Modul anzugeben.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe LED-Modul mit einem Substratkörper aus einem Kunststoffmaterial mit einer Oberfläche,
einer auf der Oberfläche des Substratkörpers mit einer flächigen Anlage angeordneten LED und
einem Wärmeverteilungskörper mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/mK,
wobei der Substratkörper den Wärmeverteilungskörper solchermaßen zumindest teilweise bedeckt, dass eine Wärmeverteilungskörper-Projektionsfläche, die sich durch eine senkrechte Projektion des Wärmeverteilungskörpers auf die der LED zugewandte Oberfläche des Substratkörpers ergibt, größer als eine LED-Projektionsfläche ist, die sich durch eine senkrechte Projektion der LED auf die der LED zugewandte Oberfläche des Substratkörpers ergibt,
wobei ferner in den Substratkörper eine Vielzahl Wärmeleitpartikel zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit eingebettet sind, welche Wärmeleitpartikel jeweils in einer Wärmeleit-Vorzugsrichtung Wärme besser leiten als in einer Richtung senkrecht dazu,
wobei Wärmeleitpartikel in dem Kunststoffmaterial zwischen der LED und dem Wärmeverteilungskörper derart ausgerichtet sind, dass die Vorzugsrichtungen jeweils von der LED zum Wärmeverteilungskörper weisen, um die Wärme von der LED zum Wärmeverteilungskörper zu führen.
Es wird also ein Wärmeverteilungskörper vorgesehen, der mit dem Kunststoffmaterial des Substratkörpers bedeckt ist. Der Wärmeverteilungskörper soll eine Wärmeleitfähigkeit von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 50 W/mK, 100 W/mK, 150 W/mK beziehungsweise 200 W/mK haben. Der Substratkörper kann beispielsweise ein Extrusions- oder Spritzgussteil sein, also in allgemeinen Worten ein „Urformteil“; der Wärmeverteilungskörper kann etwa im Zuge dessen Herstellung als Einlegeteil mit eingeformt werden.
Da die Wärmeverteilungskörper-Projektionsfläche größer als die LED-Projektionsfläche ist, etwa um in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 20 %, 40 %, 60 %, 80 % beziehungsweise 100 %, und der Wärmeverteilungskörper zugleich eine größere Wärmeleitfähigkeit als gängige Kunststoffmaterialien (jedenfalls nicht gefüllte) hat, kann der Wärmeverteilungskörper die von der LED abgegebene Wärme seitlich aufspreizen und damit verteilen helfen, insgesamt also die Wärmeabfuhr von der LED begünstigt. Vorzugsweise haben die beiden Projektionsflächen eine Schnittfläche (Schnittmenge), die in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 50 %, 70 % beziehungsweise 90 % der LED-Projektionsfläche ausmacht.
Zwischen der LED und dem Wärmeverteilungskörper liegt aus nachstehend noch im Detail diskutierten Gründen jedoch das Kunststoffmaterial des Substratkörpers vor, was einen vergleichsweise schlechten Wärmetransport bis zum Wärmeverteilungskörper bedingen kann. Um also diesen Engpass im Wärmetransport zu „überbrücken“, sind in den Substratkörper, also insbesondere in das Kunststoffmaterial zwischen der LED und dem Wärmeverteilungskörper, Wärmeleitpartikel eingebettet.
Diese haben eine bessere Wärmeleitfähigkeit als das Kunststoffmaterial selbst. Hinsichtlich ihrer Wärmeleiteigenschaften sind die Wärmeleitpartikel insofern asymmetrisch, als sie in einer jeweiligen Wärmeleit-Vorzugsrichtung Wärme besser als in einer Richtung senkrecht dazu leiten. Diese Asymmetrie ist nicht notwendigerweise eine inhärente Eigenschaft des Wärmeleitpartikelmaterials selbst, sondern kann (auch) geometriebedingt sein. Ein Wärmeleitpartikel hat dann also in der Wärmeleit-Vorzugsrichtung eine größere Ausbreitung als in der Richtung senkrecht dazu, besonders bevorzugt als in sämtlichen Richtungen senkrecht dazu. Das Wärmeleitpartikel hat also besonders bevorzugt eine Stäbchenform (im Allgemeinen wäre indes beispielsweise auch eine oblate Form denkbar).
Um nun die Wärme möglichst effizient von der LED durch das Kunststoffmaterial zum Wärmeverteilungskörper leiten zu können, werden die Wärmeleitpartikel derart vorgesehen, dass die Wärmeleit-Vorzugsrichtungen (der Wärmeleitpartikel zwischen LED und Wärmeverteilungskörper) von der LED zum Wärmeverteilungskörper weisen. Dies meint, dass eine Gerade durch ein jeweiliges Wärmeleitpartikel (durch dessen Volumenschwerpunkt), die parallel zur Wärmeleit-Vorzugsrichtung liegt, sowohl die LED als auch den Wärmeverteilungskörper durchsetzt. Etwa im Falle der stäbchenförmigen Wärmeleitpartikel durchsetzt also die jeweilige Stäbchen-Längsachse die LED und den Wärmeverteilungskörper. Besonders bevorzugt kann eine Orientierung der Wärmeleitpartikel derart sein, dass jeweils der Abschnitt einer besagten Geraden, welcher zwischen LED und Wärmeverteilungskörper liegt, minimiert wird, also jeweils der kürzesten Verbindungsstrecke entspricht.
Dabei soll jedenfalls eine Mehrzahl der Wärmeleitpartikel zwischen LED und Wärmeverteilungskörper eine entsprechende Orientierung haben, etwa in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 60 %, 70 %, 80 % beziehungsweise 90 % der Wärmeleitpartikel. Es sind jene Wärmeleitpartikel „zwischen“ LED und Wärmeverteilungskörper, die sich hinsichtlich einer Dickenrichtung unterhalb der LED und zugleich oberhalb des Wärmeverteilungskörpers befinden. Die übrigen Wärmeleitpartikel können dieselbe Orientierung haben, allerdings ist dies nicht zwingend.
Generell beziehen sich im Rahmen dieser Offenbarung Angaben wie „oberhalb“/“unterhalb“ beziehungsweise „auf“/“unter“ auf die Richtung senkrecht zur flächigen Anlage (von dem Substratkörper weg), in welcher auch die Dicken von LED, Substratkörper und Wärmeverteilungskörper genommen werden und die dementsprechend als „Dickenrichtung“ bezeichnet wird. Die Dickenrichtung wird üblicherweise mit einer Hauptabstrahlrichtung der LED zusammenfallen. Angaben wie „neben“ beziehungsweise „seitlich“ beziehen sich auf die Richtungen senkrecht dazu, also die Flächenrichtungen der flächigen Anlage, in welchen auch Angaben zu Breiten und Tiefen getroffen werden.
Die „senkrechten Projektionen“ sind hinsichtlich der flächigen Anlage senkrecht; in anderen Worten wird der Wärmeverteilungskörper in Dickenrichtung und die LED in entgegengesetzter Richtung projiziert.
Die „flächige Anlage“ der auf dem Substratkörper angeordneten LED soll übrigens nicht implizieren, dass die LED unmittelbar auf dem Substratkörper selbst anliegen muss. Vielmehr ist sie vorzugsweise über eine flächige Schicht damit (oder einer Leiterbahnstruktur, siehe unten) verbunden, etwa eine Fügeverbindungsschicht, zum Beispiel eine Lot- oder Klebstoffschicht. Vorzugsweise wird eine solche Verbindungsschicht vergleichsweise dünn vorgesehen, also beispielsweise mit einer Dicke von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt nicht mehr als 200 µm, 150 µm beziehungsweise 100 µm. Ferner kann zwischen der LED und dem Substratkörper beispielsweise auch eine der elektrischen Kontaktierung der LED dienende Leiterbahnstruktur vorgesehen sein, besonders bevorzugt ist die Reihenfolge in Dickenrichtung also: Substratkörper, gegebenenfalls Isolationsschicht, Leiterbahnstruktur, Verbindungsschicht und LED.
Ein erfindungsgemäßes LED-Modul weist vorzugsweise eine Vielzahl LEDs auf, für die dann entweder ein jeweiliger Wärmeverteilungskörper oder auch ein gemeinsamer, also durchgehender, Wärmeverteilungskörper vorgesehen sein können. Es sind auch eine Mehrzahl Wärmeverteilungskörper möglich, also mindestens zwei, wobei die LEDs dann in Gruppen aufgeteilt jeweils einem Wärmeverteilungskörper zugeordnet sein können. Vorzugsweise ist in einem LED-Modul mit einer Vielzahl LEDs, also mit beispielsweise mindestens 5, 10, 15 beziehungsweise 20 LEDs, eine jeweilige „Projektionsflächen-Bedingung“ für jede der LEDs erfüllt, wobei im Falle von LEDs, die sich einen Wärmeverteilungskörper teilen, dessen Projektionsfläche der Anzahl der ihm zugeordneten LEDs entsprechend anteilig berücksichtigt wird.
Bei der „LED“ kann es sich einerseits um ein zuvor bereits für sich gehäustes Bauteil handeln, also etwa einen auf eine Grundplatte gesetzten, elektrisch kontaktierten und zumindest teilweise umfüllten LED-Chip. Andererseits kann jedoch auch ein LED-Chip für sich in erfindungsgemäßer Weise auf dem Substratkörper angeordnet werden, ist „LED“ also auch auf einen LED-Chip zu lesen. Im erstgenannten Fall wird in der Projektion das Gehäuse mitberücksichtigt, im letztgenannten Fall fließt nur der LED-Chip ein; anders ausgedrückt wird also immer das über eine vorstehend beschriebene flächige Anlage auf dem Substratkörper montierte Teil berücksichtigt. Ist die LED gehäust, kann sie beispielsweise eine Dicke von mindestens 1 mm, 1,5 mm beziehungsweise 1,8 mm haben; davon unabhängig liegen mögliche Obergrenzen etwa bei 4 mm, 3 mm beziehungsweise 2,5 mm. Der LED-Chip kann etwa eine Dicke von mindestens 50 µm, 100 µm beziehungsweise 150 µm haben, wobei mögliche Obergrenzen (davon unabhängig) beispielsweise bei 400 µm, 300 µm beziehungsweise 250 µm liegen.
Als „Kunststoffmaterial“ (des Substratkörpers und/oder der Beschichtung) kann beispielsweise Polypropylen (PP, insbesondere strahlenvernetzt), Polyamid (zum Beispiel PA6, PA66, PA10, PA11, PA12), insbesondere hochtemperaturbeständiges Polyamid wie PPA oder PA46, Polyester (zum Beispiel PBT, PET, PBT/PET, PCT, ABS, ABS/PC), Polyphenylensulfid, LCP und/oder PEEK vorgesehen sein. Das Kunststoffmaterial kann insbesondere im Falle des Substratkörpers als Matrixmaterial vorgesehen sein, in das ein Füllstoff eingebettet ist (sodass der Substratkörper elektrisch leitfähig wird).
Soweit im Rahmen dieser Offenbarung auf die Ausbreitung von Licht Bezug genommen wird, soll dies selbstverständlich nicht implizieren, dass zur Erfüllung des Gegenstands auch eine entsprechende Lichtausbreitung erfolgen muss; vielmehr wird eine Vorrichtung beschrieben, die für eine entsprechende Lichtausbreitung ausgelegt ist.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, wobei in der Darstellung auch weiterhin nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs-, Verfahrens- und Verwendungsaspekten der Erfindung unterschieden wird. Jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
Die erfindungsgemäße Ausrichtung der Wärmeleitpartikel zwischen der LED und dem Wärmeverteilungskörper kann im Allgemeinen beispielsweise auch strömungsbasiert eingestellt werden, beispielsweise durch die Strömungsrichtung des Kunststoffmaterials beim Spritzgießen oder Extrudieren des Substratkörpers. Dies kann jedoch eine erhebliche Herausforderung an zum Beispiel die Konzeption eines Spritzgussprozesses darstellen, also etwa die Wahl der Einspritzpunkte und Verfahrensparameter (Druck, etc.) betreffend. (Stäbchenförmige Wärmeleitpartikel können sich beispielsweise mit ihrer jeweiligen Längsachse näherungsweise tangential der Strömungslinien während des Spritzgussvorgangs ausrichten.)
In bevorzugter Ausgestaltung werden deshalb magnetische Wärmeleitpartikel vorgesehen, also Wärmeleitpartikel mit einer jeweiligen Magnet-Vorzugsrichtung, wobei diese mit der Wärmeleit-Vorzugsrichtung korreliert. Die Wärmeleitpartikel zwischen LED und Wärmeverteilungskörper können, solange das Kunststoffmaterial noch nicht erstarrt ist, so also mit einem externen Magnetfeld in der gewünschten Weise ausgerichtet werden.
„Korrelieren“ meint in diesem Zusammenhang, dass für die Wärmeleitpartikel die Wärmeleit- und die Magnet-Vorzugsrichtung jeweils im selben festen Verhältnis zueinander stehen (im Rahmen technisch üblicher Schwankungen). Die Wärmeleit-Vorzugsrichtungen lassen sich so also durch das äußere Magnetfeld in gleicher Weise beeinflussen.
Vorzugsweise sind die Wärmeleit- und die Magnetvorzugsrichtung je Wärmeleitpartikel parallel zueinander, was eine besonders genaue Ausrichtung ermöglichen kann. Wären die beiden Vorzugsrichtungen beispielsweise senkrecht zueinander, könnten sich die Wärmeleit-Vorzugsrichtungen indes hinsichtlich einer Rotation um die Richtung eines äußeren Magnetfelds beispielsweise noch statistisch verteilt einstellen (womit aber gegebenenfalls gleichwohl noch die gewünschte Ausrichtung zumindest einer Mehrzahl der Wärmeleitpartikel erreicht werden könnte).
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen LED-Moduls wird also vorzugsweise ein Ausgangsmaterial des Kunststoffmaterials in einem fließfähigen Zustand vorgesehen, wobei die Wärmeleitpartikel darin verteilt sind und vor dem Aushärten durch Aufbringen des externen Magnetfeldes ausgerichtet werden. Vorzugsweise sind Magnet- und Wärmeleit-Vorzugsrichtungen jeweils parallel, richten sich also beide entlang der Feldlinien des externen Magnetfelds aus.
Das externe Magnetfeld kann im letztgenannten Fall dann also derart aufgebracht werden, dass die Feldlinien jeweils die LED (beziehungsweise den für diese vorgesehen Bereich) und den Wärmeverteilungskörper durchsetzen. Jedenfalls in dem Bereich, der dann letztlich zwischen der LED und dem Wärmeverteilungskörper angeordnet sein wird, können die Feldlinien vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Dickenrichtung sein, also etwa um in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt nicht mehr als 25°, 20°, 15°, 10° beziehungsweise 5° dazu verkippt.
Das Magnetfeld kann etwa mit einem Permanentmagneten und/oder einem Elektromagneten eingestellt werden. Nordund Südpol eines Magneten können (vorzugsweise bezogen auf die Dickenrichtung) beidseits des Substratkörpers oder auch auf derselben Seite vorgesehen sein; mit ersterer Anordnung können sich beispielsweise über den Substratkörper weitgehend parallele Feldlinien erreichen lassen, weswegen sie bevorzugt ist. Die Anordnung auf derselben Seite kann indes zum Beispiel die Werkzeuggestaltung vereinfachen (und gleichwohl abschnittsweise zur Dickenrichtung parallele Feldlinien ermöglichen).
Auch in Abhängigkeit von der Größe, also insbesondere der Flächenausdehnung, des LED-Moduls können selbstverständlich auch eine Mehrzahl Magnete vorgesehen sein, kann das externe Magnetfeld also ein multipolares Feld sein.
Vorzugsweise haben die Magnetpole eine gewisse Mindestgröße, nämlich eine jeweilige Fläche von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 4 mm², 20 mm², 30 mm², 40 mm², 50 mm², 60 mm², 70 mm², 80 mm², 90 mm² beziehungsweise 95 mm². Durch entsprechende Mindestgrößen, die insbesondere auch im Kontext der bevorzugten Abmessungen von LED, Wärmeverteilungskörper und Substratkörper zu sehen sind, kann sich beispielsweise ein hinsichtlich der gewünschten Wärmeleitpartikel-Ausrichtung ideales Magnetfeld einstellen lassen.
In bevorzugter Ausgestaltung kann das externe Magnetfeld auch inhomogen sein, also einen Gradienten zeigen. Dies kann beispielsweise hinsichtlich einer Ausrichtung paramagnetischer Wärmeleitpartikel von Interesse sein.
Das „Ausgangsmaterial“ des Kunststoffmaterials kann im Allgemeinen beispielsweise auch eine Vorstufe davon sein, und es kann dann das eigentliche Kunststoffmaterial beispielsweise erst im Zuge eines Aushärtens infolge chemischer Reaktionen entstehen, etwa im Falle eines duroplastischen Materials. Vorzugsweise ist das Ausgangsmaterial gleich dem Kunststoffmaterial und liegt das Kunststoffmaterial bei einer erhöhten Temperatur von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 200°C, 220°C, 240°C, 260°C, 280°C beziehungsweise 290° in dem fließfähigen Zustand vor. Es erstarrt dann entweder beim Erkalten oder vernetzt bei erhöhter Temperatur, wobei auch die Beweglichkeit, also die Ausrichtbarkeit, der Wärmeleitpartikel abnimmt. Dementsprechend wird das externe Magnetfeld besonders bevorzugt zumindest dann angelegt, wenn das Kunststoffmaterial die erhöhte Temperatur hat, vorzugsweise bereits während des Einspritzens und/oder auch noch während des Erstarrens.
Im Allgemeinen können die Wärmeleitpartikel auch im Gesamten, also über ihr gesamtes jeweiliges Volumen, magnetisch sein; es können also beispielsweise Eisenoxid-Partikel als Wärmeleitpartikel vorgesehen sein.
Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Wärmeleitpartikel aus einem nicht-magnetischen Teilchen und einem daran angelagerten magnetischen Material vorgesehen, vorzugsweise einem daran angelagerten magnetischen Teilchen. Im Allgemeinen könnte das magnetische Material auch als Beschichtung aufgebracht sein, bevorzugt ist jedoch an ein jeweiliges nicht-magnetisches Teilchen jeweils ein magnetisches Teilchen angelagert, also zumindest eines (und meist auch genau eines). Es können also beispielsweise Eisenoxid-Teilchen an nicht-magnetische Teilchen angelagert werden, beispielsweise in einer Suspension.
Generell kann es sich bei dem nicht-magnetischen Teilchen etwa um Siliziumoxid, Aluminiumnitrid, Alumosilikateoder hexagonales Bornitrid (hBN) handeln. Die magnetischen Teilchen, können beispielsweise superparamagnetische Nanopartikel sein, etwa Eisenoxid.Ein Vorteil der Kombination eines nicht-magnetischen Teilchens mit einem magnetischen Material kann etwa darin bestehen, dass ersteres dann hinsichtlich der Wärmeleiteigenschaften optimiert werden kann, aufgrund des magnetischen Materials aber gleichwohl eine Ausrichtung in erfindungsgemäßer Weise möglich ist. Es kann also beispielsweise ein nichtmagnetisches Teilchen aus hBN vorgesehen sein, andas ein Eisenoxid-Teilchen angelagert ist. Entsprechende Wärmeleitpartikel können beispielsweise aus einer Lösung beziehungsweise Suspension erhalten werden, etwa indem hBN-Teilchen in Wasser suspensiert und dann mit einer Lösung von Eisenoxid-Teilchen versetzt werden. Es können jedoch auch Wärmeleitpartikel bevorzugt sein, die bereits für sich magnetisch sind und auch eine Wärmeleit-Vorzugsrichtung haben, etwa auf Grund einer vorstehend genannten Stäbchenform. Als Wärmeleitpartikel können also beispielsweise auch Eisenoxid-Partikel für sich (nicht nur als Anlagerungsteilchen) bevorzugt sein, etwa stäbchenförmige Eisenoxid-Partikel.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die Wärmeleitpartikel elektrisch isolierend, jedenfalls in einem Außenbereich; im Falle der aus einem Kern und einem Mantel aufgebauten Wärmeleitpartikel ist dann also jedenfalls letzterer elektrisch isolierend. Vorzugsweise sind die Wärmeleitpartikel im Gesamten elektrisch isolierend, also auch in ihrem Volumenmaterial. „Elektrisch isolierend“ kann insoweit (Partikel bezogen) beispielsweise einen spezifischen Widerstand von mindestens 10¹³ Ω·mm²/m, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 10¹⁴ Ω·mm²/m, 10¹⁵ Ω·mm²/m, 10¹⁶ Ω·mm²/m beziehungsweise 10¹⁷ Ω·mm²/m, meinen; davon unabhängig können mögliche Obergrenzen etwa bei höchstens 10²⁵ Ω·mm²/m, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt bei höchstens 10²⁴ Ω·mm²mm /m, 10²³ Ω·mm²/m beziehungsweise 10²² Ω·mm²/m liegen.
Elektrisch isolierende Wärmeleitpartikel können zum Beispiel im Falle einer Mehrzahl auf dem Substratkörper vorgesehener LEDs Vorteile bieten, weil die auf dem Substratkörper angeordneten LEDs dann ohne einer weiteren Isolationsschicht bereits durch den Substratkörper zueinander elektrisch isoliert sind. Es ist also vorzugsweise der Substratkörper im Gesamten elektrisch isolierend, was in diesem Fall bspw. einen spezifischen Widerstand von mindestens 10¹⁰ Ω·mm²/m, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 10¹¹ Ω·mm²/m, 10¹² Ω·mm²/m, 10¹³ Ω·mm²/m beziehungsweise 10¹⁴ Ω·mm²/m, meint; davon unabhängig können mögliche Obergrenzen beispielsweise bei höchstens 10²⁵ Ω·mm²/m, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt bei höchstens 10²⁴ Ω·mm²/m, 10²³ Ω·mm²/m, 10²² Ω·mm²/m, 10²¹ Ω·mm²/m beziehungsweise 10²⁰ Ω·mm²/m, liegen.
Auf der der LED zugewandten Oberfläche eines elektrisch isolierenden Substratkörpers kann beispielsweise auch ohne einer weiteren Isolationsschicht eine Leiterbahnstruktur zur elektrischen Kontaktierung einer beziehungsweise der LEDs vorgesehen sein.
Besonders bevorzugt kann also ein elektrisch isolierender Substratkörper sein, der einen metallischen Wärmeverteilungskörper bedeckt und damit zur LED hin isoliert. Im Allgemeinen könnte indes selbst ein elektrisch leitfähiger Substratkörper (der beispielsweise zur LED hin mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen wird) Vorteile gegenüber einem metallischen Substratkörper bieten, etwa weil das Kunststoffmaterial leichter geformt und so eine gewünschte Substratkörperform einfacher als aus einem Metall erhalten werden kann.
Vorzugsweise ist der Substratkörper flächig vorgesehen, hat er also in den Flächenrichtungen eine um ein Vielfaches größere Ausdehnung als in Dickenrichtung, beispielsweise eine um mindestens das 10-, 20-, 30-, 40- beziehungsweise 50-fache größere Ausdehnung, was besonders bevorzugt hinsichtlich sämtlicher Flächenrichtungen gilt. Vorzugsweise ist auch der Wärmeverteilungskörper „flächig“ vorgesehen, wobei dieselben Mindestverhältnisse zwischen den Erstreckungen in Flächen- und jener in Dickenrichtung offenbart sein sollen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die LED-Projektionsfläche vollständig in der Wärmeverteilungskörper-Projektionsfläche enthalten. Die Wärmeverteilungskörper-Projektionsfläche ist ohnehin größer und zudem sind in diesem Fall die LED und der Wärmeverteilungskörper hinsichtlich der Flächenrichtungen derart relativ zueinander angeordnet, dass die LED-Projektionsfläche vollständig in die Wärmeverteilungskörper-Projektionsfläche fällt.
Im Allgemeinen „bedeckt“ der Substratkörper den Wärmeverteilungskörper zumindest teilweise, ist also jedenfalls auf einer der LED zugewandten Oberfläche des Wärmeverteilungskörpers das Kunststoffmaterial des Substratkörpers angeordnet. Anders ausgedrückt kann der Wärmeverteilungskörper an der der LED entgegengesetzten Seite, also an seiner Unterseite, auch frei liegen und gegebenenfalls sogar aus dem Substratkörper herausragen.
Vorzugsweise umschließt der Substratkörper den Wärmeverteilungskörper vollständig, was etwa auch aus optischen Gründen vorteilhaft sein kann; zudem ist beispielsweise ein metallischer Wärmeverteilungskörper so auch gut gegen Umwelteinflüsse geschützt.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist der Substratkörper in bevorzugter Ausgestaltung ein Spritzguss- oder Extrusionsteil. Im Allgemeinen könnte das Kunststoffmaterial indes beispielsweise auch als Beschichtung, etwa durch Sprühen oder Streichen, auf den Wärmeverteilungskörper aufgebracht sein. Im Falle eines Spritzguss- oder Extrusionsteils kann der erfindungsgemäßen Ausrichtung der Wärmeleitpartikel allerdings eine besondere Bedeutung zukommen, weil die Fließrichtung des Kunststoffmaterials oftmals quer zur thermisch gewünschten Ausrichtungsrichtung liegen wird.
Im Allgemeinen könnte die Fließrichtung zwar für eine Ausrichtung der Wärmeleitpartikel in der erfindungsgemäßen Weise genutzt werden; allerdings kann dies einen nicht unerheblichen Aufwand bedeuten. Bevorzugt ist deshalb das Ausrichten in einem externen Magnetfeld, dem also im Falle eines Spritzguss- oder Extrusionsteils eine besondere Bedeutung beikommen kann.
Der Begriff „spritzgegossener Schaltungsträger“ bezieht sich dabei auf einen Körper, der von einer Kavität freigegeben wird, welcher zuvor zumindest innerhalb gewisser Grenzen fließfähiges Material zugeführt wurde, das in der Kavität zumindest teilweise erhärtet ist. Vorzugsweise wird unter erhöhtem Druck zugeführt, beispielsweise bei mindestens 100 bar, 500 bar, bzw. 1000 bar; mögliche Obergrenzen können etwa bei 3000 bar, 2500 bar oder 2250 bar liegen. Das Härten kann beispielsweise bei einer gegenüber der Zuführtemperatur anderen Härtetemperatur erfolgen, im Falle eines thermoplastischen Materials beispielsweise bei geringerer und im Falle eines duroplastischen Materials etwa bei höherer Temperatur.
In bevorzugter Ausgestaltung hat der Bereich des Substratkörpers zwischen dem Wärmeverteilungskörper und der LED eine (in Dickenrichtung genommene) Mindestdicke von 0,2 mm, wobei 0,3 mm, 0,4 mm, 0,5 mm, 0,6 mm beziehungsweise 0,7 mm weitere, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugte Mindestdicken sind. Das Vorgeben einer gewissen Mindestdicke kann etwa aus prozesstechnischen Gründen Vorteile bieten; zudem kann dies im Falle eines elektrisch isolierenden Substratkörpers auch hinsichtlich der Durchschlagsfestigkeit von Interesse sein.
Andererseits kann auch das Vorgeben einer Maximaldicke für diesen Bereich Vorteile bieten, etwa wegen der erfindungsgemäß zwar verbesserten, im Vergleich zum Wärmeverteilungskörper jedoch gleichwohl oftmals schlechteren Wärmeleitfähigkeit. Vorteilhafte Maximaldicken, die ausdrücklich auch unabhängig von den vorstehend genannten Minimaldicken offenbart sein sollen, liegen bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 4 mm, 3,5 mm, 3 mm, 2,5 mm, 2 mm, 1,8 mm, 1,6 mm, 1,4 mm, 1,2 mm beziehungsweise 1 mm. Auch unabhängig vom spezifischen Wert soll das Vorgeben einer Maximaldicke unabhängig vom Vorgeben einer Minimaldicke offenbart sein.
Im Falle eines vorstehend genannten, den Wärmeverteilungskörper umschließenden Substratkörpers können auch für die Dicke des Substratkörperbereichs unterhalb des Wärmeverteilungskörpers Mindest- und/oder Maximalwerte bevorzugt sein; bevorzugte Mindestdicken liegen bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 0,2 mm, 0,3 mm, 0,4 mm, 0,5 mm, 0,6 mm beziehungsweise 0,7 mm; (davon unabhängige) Maximaldicken können beispielsweise bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 50 mm, 40 mm, 30 mm, 25 mm, 20 mm beziehungsweise 15 mm liegen.
Unabhängig davon, ob die Dicke des Substratkörperbereichs ober- oder jene unterhalb des Wärmeverteilungskörpers in Rede steht, wird im Falle einer variierenden Dicke ein Mittelwert betrachtet (nicht aus den Dicken ober- und unterhalb, sondern aus den Dicken ober- oder unterhalb). Oberhalb des Wärmeverteilungskörpers wird dabei über den Bereich in Dickenrichtung zwischen LED und Wärmeverteilungskörper gemittelt und unterhalb des Wärmeverteilungskörpers über den gesamten Bereich unterhalb davon.
In bevorzugter Ausgestaltung hat der Wärmeverteilungskörper eine Mindestdicke und/oder Maximaldicke. Mindestdicken können etwa bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 0,2 mm, 0,3 mm, 0,4 mm, 0,5 mm beziehungsweise 0,6 mm liegen und beispielsweise hinsichtlich einer guten Wärmeleitung von Interesse sein; (davon unabhängige) Maximaldicken können bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 20 mm, 15 mm, 10 mm, 8 mm, 6 mm, 4 mm, 3 mm, beziehungsweise 2 mm liegen. Im Falle eines Wärmeverteilungskörpers mit unterschiedlichen Dicken wird ein über den Wärmeverteilungskörper gebildeter Mittelwert betrachtet; vorzugsweise hat der Wärmeverteilungskörper eine konstante Dicke.
In bevorzugter Ausgestaltung ist ein metallischer Wärmeverteilungskörper vorgesehen, weist der Wärmeverteilungskörper also ein Metall auf, vorzugsweise besteht er (ausschließlich) aus einem Metall. Bevorzugt kann ein Aluminium aufweisender / aus Aluminium bestehender Wärmeverteilungskörper sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der unabhängigen Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und in dieser Form offenbart sein sollen; es wird weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den verschiedenen Anspruchskategorien unterschieden.
Im Einzelnen zeigt
1 ein erfindungsgemäßes LED-Modul in einer schematischen Schnittdarstellung;
2 eine Illustration zum Spritzgießen des Substratkörpers des LED-Moduls gemäß 1;
3 eine Illustration zum Ausrichten der in den gemäß 2 spritzgegossenen Substratkörper eingebetteten Wärmeleitpartikel.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes LED-Modul 1 in einer schematischen Schnittdarstellung, es ist also eine LED 2 auf einem Substratkörper 3 angeordnet, der einen Wärmeverteilungskörper 4 aus Aluminium umschließt. Ferner sind in den Substratkörper 3 eine Vielzahl Wärmeleitpartikel 5 eingebettet und derart orientiert, dass bei den zwischen der LED 2 und dem Wärmeverteilungskörper 4 angeordneten Wärmeleitpartikeln 5 eine jeweilige Wärmeleit-Vorzugsrichtung eines jeweiligen Wärmeleitpartikels von der LED 2 in Richtung des Wärmeverteilungskörpers 4 weist.
Die Wärmeleitpartikel 5 sind jeweils aus einem Kern hexagonalen Bornitrids (hBN) vorgesehen, der jeweils mit einem Mantel aus einer Vielzahl Eisenoxid-Teilchen umhüllt ist. Der Mantel verleiht den Wärmeleitpartikeln magnetische Eigenschaften und insbesondere eine jeweilige Magnet-Vorzugsrichtung.
Die stäbchenförmigen Wärmeleitpartikel 5 leiten also die Wärme entlang ihrer jeweiligen Längsachse (die zur Wärmeleit-Vorzugsrichtung parallel ist) besser als senkrecht dazu und sind deshalb derart angeordnet, dass die Längsachsen von der LED 2 zum Wärmeverteilungskörper 4 weisen. Dies soll erfindungsgemäß zunächst für die Wärmeleitpartikel 5 zwischen der LED 2 und dem Wärmeverteilungskörper 4 gelten; prozessbedingt sind vorliegend jedoch sämtliche Wärmeleitpartikel 5 mit im Wesentlichen zueinander parallelen jeweiligen Wärmeleit-Vorzugsrichtungen angeordnet (vgl. die Erläuterungen zu 3).
Die LED 2 und der Wärmeverteilungskörper 4 sind derart angeordnet, dass eine Wärmeverteilungskörper-Projektionsfläche, die sich durch eine senkrechte Projektion (entlang der Dickenrichtung 6) des Wärmeverteilungskörpers 4 auf die der LED 2 zugewandte Oberfläche 7 des Substratkörpers 3 ergibt, größer als eine LED-Projektionsfläche ist; letztere ergibt sich durch eine senkrechte Projektion der LED 2 auf dieselbe Oberfläche 7 (ebenfalls entlang der Dickenrichtung 6). Die Wärmeverteilungskörper-Projektionsfläche beinhaltet die LED-Projektionsfläche vollständig, auch unter Berücksichtigung des Aufbaus des LED-Moduls 1 senkrecht zur Zeichenebene.
Die LED 2 hat in diesem Beispiel eine senkrecht zur Dickenrichtung 6 genommene Breite von 1 mm (und hat eine Fläche von 1 mm²), der Wärmeverteilungskörper 4 hat eine Breite von 2 mm und der Substratkörper 3 eine Breite von 3,5 mm, jeweils in der Zeichenebene genommen. Senkrecht zur Zeichenebene ist das LED-Modul 1 gemäß 1 hinsichtlich des Wärmeverteilungskörpers 4 und des Substratkörpers 3 translationssymmetrisch aufgebaut, also als Streifen, auf dem eine Vielzahl LEDs 2 senkrecht zur Zeichenebene aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Die 2 und 3 illustrieren schematisch das Spritzgießen des Substratkörpers 3 und das Ausrichten der darin eingebetteten Wärmeleitpartikel 5. Der Übersichtlichkeit halber ist dabei der Wärmeverteilungskörper 4 nicht dargestellt; er wird in diesem Fall in der Kavität gehalten und dann umspritzt (alternativ könnte der Wärmeverteilungskörper 4 auch in einem zweistufigen Verfahren umspritzt werden, könnte also beispielsweise erst der Teil des Substratkörpers 3 ober- und dann jener unterhalb davon gespritzt werden).
2 zeigt in schematischer Darstellung ein Formwerkzeug 21, dessen beide Formhälften 21a und 21b gemeinsam eine Kavität begrenzen, der durch einen Anspritzkanal 22 das fließfähige Kunststoffmaterial zugeführt werden kann. Das Kunststoffmaterial hat dabei eine Temperatur von ca. 290°C, und das Formwerkzeug 21 hat eine Temperatur von 80°C.
Beim Einspritzen des Kunststoffmaterials bildet sich in der Kavität eine Fließströmung in den Richtungen senkrecht zur Dickenrichtung 6 aus, also vom Anspritzkanal 22 weg. Die Wärmeleitpartikel 5 werden dabei tendenziell mit ihrer jeweiligen Längsachse parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet, sodass die Wärmeleit-Vorzugsrichtungen eher senkrecht zur Dickenrichtung 6 ausgerichtet wären.
Um dieser hinsichtlich der thermischen Eigenschaften des LED-Moduls 1 nachteiligen Ausrichtung entgegenzuwirken, werden die Wärmeleitpartikel 5, wie anhand von 3 schematisch illustriert, ausgerichtet.
Dazu wird vor dem Erstarren des Kunststoffmaterials ein externes Magnetfeld derart angelegt, dass sich die Wärmeleitpartikel 5 mit ihrer jeweiligen Wärmeleit-Vorzugsrichtung in etwa parallel zur Dickenrichtung 6 ausrichten. Die Wärmeleit- und die Magnet-Vorzugsrichtung der Wärmeleitpartikel 5 sind in diesem Beispiel identisch. Um das Magnetfeld aufzubringen, ist ober- und unterhalb des Substratkörpers 3 jeweils ein Magnet 31 vorgesehen. Die schematisch gezeigten Feldlinien bilden sich zwischen dem Nordpol des einen 31 und dem Südpol des anderen Magneten 31 aus.
Das externe Magnetfeld wird idealerweise nicht erst nach dem Spritzgießen angelegt, sondern besteht bereits während des Einspritzens. Dies kann auch hinsichtlich des Durchsatzes bevorzugt sein. In der in 3 gezeigten schematischen Darstellung sind die Magnete 31 außerhalb des Formwerkzeugs 21 angeordnet; sie können jedoch in das Formwerkzeug 31 integriert werden.

Claims

LED-Modul (1) mit einem Substratkörper (3) aus einem Kunststoffmaterial mit einer Oberfläche, einer auf der Oberfläche des Substratkörpers (3) mit einer flächigen Anlage angeordneten LED (2) und einem Wärmeverteilungskörper (4) mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/mK, wobei der Substratkörper (3) den Wärmeverteilungskörper (4) solchermaßen zumindest teilweise bedeckt, dass eine Wärmeverteilungskörper-Projektionsfläche, die sich durch eine senkrechte Projektion des Wärmeverteilungskörpers (4) auf die der LED (2) zugewandte Oberfläche (7) des Substratkörpers (3) ergibt, größer als eine LED-Projektionsfläche ist, die sich durch eine senkrechte Projektion der LED (2) auf die der LED (2) zugewandte Oberfläche (7) des Substratkörpers (3) ergibt, wobei ferner in den Substratkörper (3) eine Vielzahl Wärmeleitpartikel (5) zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit eingebettet sind, welche Wärmeleitpartikel (5) jeweils in einer Wärmeleit-Vorzugsrichtung Wärme besser leiten als in einer Richtung senkrecht dazu, wobei Wärmeleitpartikel (5) in dem Kunststoffmaterial zwischen der LED (2) und dem Wärmeverteilungskörper (4) derart ausgerichtet sind, dass die Vorzugsrichtungen jeweils von der LED (2) zum Wärmeverteilungskörper (4) weisen, um die Wärme von der LED zum Wärmeverteilungskörper (4) zu führen.
LED-Modul (1) nach Anspruch 1, bei welchem die Wärmeleitpartikel (5) jeweils magnetisch sind, und zwar jeweils mit einer Magnet-Vorzugsrichtung, die mit der jeweiligen Wärmeleit-Vorzugsrichtung des jeweiligen Wärmeleitpartikels (5) korreliert.
LED-Modul (1) nach Anspruch 2, bei welchem die Wärmeleitpartikel (5) jeweils aus einem nicht-magnetischen Teilchen vorgesehen sind, an welches jeweils ein magnetisches Material angelagert ist.
LED-Modul (1) nach Anspruch 3, bei welchem jeweils als magnetisches Material ein magnetisches Teilchen vorgesehen und an das jeweilige nicht-magnetische Teilchen angelagert ist.
LED-Modul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Wärmeleitpartikel (5) elektrisch isolierend sind.
LED-Modul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die LED-Projektionsfläche vollständig in der Wärmeverteilungskörper-Projektionsfläche enthalten ist.
LED-Modul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Substratkörper (3) den Wärmeverteilungskörper (4) vollständig umschließt.
LED-Modul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Substratkörper (3) eines von einem Spritzguss- und einem Extrusionsteil ist.
LED-Modul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Substratkörper (3) eine zwischen dem Wärmeverteilungskörper (4) und der LED (2) in Richtung der senkrechten Projektion genommene Dicke hat, die mindestens 0,2 mm und höchstens 4 mm beträgt.
LED-Modul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Wärmeverteilungskörper eine in Richtung der senkrechten Projektion genommene Dicke hat, die mindestens 0,2 mm und höchstens 20 mm beträgt.
LED-Modul (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Wärmeverteilungskörper aus einem Metall vorgesehen ist.
Verfahren zum Herstellen eines Substratkörpers (3) für ein LED-Modul (1) nach Anspruch 2, auch nach Anspruch 2 und einem weiteren der vorstehenden Ansprüche, bei welchem ein Ausgangsmaterial des Kunststoffmaterials in einem fließfähigen Zustand vorgesehen wird, welches Ausgangsmaterial dann zu dem Kunststoffmaterial des Substratkörpers (3) aushärtet, wobei die Wärmeleitpartikel (5) in dem Ausgangsmaterial verteilt sind und vor dem Aushärten des Ausgangsmaterials durch Aufbringen eines externen Magnetfeldes ausgerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem das Magnetfeld mit Magneten mit einem Nord- und einem Südpol aufgebracht wird, wobei der Nord- und der Südpol auf entgegengesetzten Seiten des Ausgangsmaterials des Kunststoffmaterials angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem das Magnetfeld mit einem Magneten mit einem Nord- und einem Südpol aufgebracht wird, wobei der Nord- und der Südpol eine jeweilige Fläche von mindestens 4 mm² haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei welchem das Kunststoffmaterial bei einer erhöhten Temperatur in dem fließfähigen Zustand ist und dann erstarrt, wobei die erhöhte Temperatur mindestens 200 °C beträgt.