DE102014204116A1

DE102014204116A1 - LED-Modul mit Substratkörper

Info

Publication number: DE102014204116A1
Application number: DE102014204116.3A
Authority: DE
Inventors: Ralph Wirth
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2015-09-10
Also published as: WO2015132189A1; TW201535803A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul mit einem Substratkörper (4, 5) und einer LED (1) darauf, wobei der Substratkörper (4, 5) aus einem Kern (4) aus einem Metallmaterial aufgebaut ist, der vorderseitig und rückseitig jeweils zumindest bereichsweise mit einer Schicht (5) aus einem Keramikmaterial versehen ist, und wobei ein auf der vorderseitigen Keramikschicht (5a) vorgesehener Leiterzug (2a) mit einem auf der rückseitigen Keramikschicht (5b) vorgesehenen Leiterzug (2b) über einen ein Durchgangsloch in dem Metallkern (4) durchsetzenden Durchkontakt (2c) elektrisch leitend verbunden ist, wobei dieses Durchgangsloch auch mit dem Keramikmaterial ausgekleidet und der Durchkontakt (2c) so von dem Metallkern (4) elektrisch isoliert ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul mit einem Substratkörper und einer LED darauf.
Stand der Technik
Gegenwärtig entwickelte optoelektronische Lichtquellen können sich gegenüber konventionellen Glüh- oder auch Leuchtstofflampen beispielsweise durch eine verbesserte Energieeffizienz auszeichnen. In der vorliegenden Offenbarung bezieht sich „LED-Modul“ auf eine optoelektronische Baugruppe, wobei „LED“ im Allgemeinen sowohl eine anorganische als auch eine organische Leuchtdiode meinen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes LED-Modul anzugeben.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe ein LED-Modul mit einem Substratkörper, einer auf dem Substratkörper angeordneten LED und einer Leiterbahnstruktur aus einem metallisch-leitfähigen Material, die mit der LED elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Substratkörper ein beschichteter Kern aus einem Metallmaterial ist, der an einer der LED zugewandten Vorderseite und auch an einer dieser Vorderseite entgegengesetzten Rückseite jeweils zumindest bereichsweise mit einer Schicht aus einem Keramikmaterial versehen ist, und wobei die Leiterbahnstruktur einen Leiterzug auf der vorderseitigen Keramikschicht, einen Leiterzug auf der rückseitigen Keramikschicht und einen Durchkontakt aufweist, der die beiden Leiterzüge elektrisch leitend miteinander verbindet, welcher Durchkontakt ein Durchgangsloch in dem Metallkern durchsetzt, das solchermaßen mit dem Keramikmaterial ausgekleidet ist, dass der Durchkontakt von dem Metallkern elektrisch isoliert ist.
Es wird also ein beidseits mit einer Schicht Keramikmaterial versehener Metallkern als Substratkörper vorgesehen; die Keramikschichten isolieren einen jeweilig darauf angeordneten Leiterzug elektrisch zu dem Metallkern hin. Ferner ist auch der die beidseits vorgesehenen Leiterzüge elektrisch leitend miteinander verbindende Durchkontakt mit dem Keramikmaterial zu dem Metallkern hin elektrisch isoliert. Das Keramikmaterial kann also gewissermaßen eine Art Hülse um den Durchkontakt sein, deren Außenwand an den Metallkern grenzt (an die das Durchgangsloch begrenzende Innenmantelfläche davon) und an deren Innenwand der Durchkontakt grenzt. Die Leiterbahnstruktur, also die Leiterzüge und der Durchkontakt, ist also auf dem Keramikmaterial bzw. an dieses grenzend vorgesehen.
Im Gegensatz zu einem einfachen Keramikkörper-Substrat weist der Substratkörper vorliegend jedoch zusätzlich den Metallkern auf. Ein Vorteil hiervon betrifft den thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) des resultierenden Substratkörpers. Der CTE eines Metalls liegt nämlich üblicherweise eine Größenordnung über dem CTE einer Keramik, und der Erfinder hat in diesem Zusammenhang insbesondere bei der Montage eines Keramik-Substratkörpers (ohne Metallkern) Probleme beobachtet. Vorzugsweise wird der Substratkörper nämlich auf einen Kühlkörper aus Metall gesetzt, also mit seiner Rückseite dem Kühlkörper zugewandt. Zwischen einem Keramik-Substratkörper und einem Metall-Kühlkörper ist der Unterschied im CTE nun aber so groß, dass sich bei einer Temperaturwechselbelastung, die beispielsweise durch das Ein- und Ausschalten bedingt sein kann, beispielsweise der Substratkörper mit der Temperaturänderung verwölben kann bzw. an den Grenzflächen erhebliche Kräfte auftreten. Nach einer Vielzahl Temperaturzyklen können dann beispielsweise der Montage der LED dienende Lötstellen versagen, kann es also schlimmstenfalls zum Ausfall des LED-Moduls kommen.
Indem nun der CTE des Substratkörpers durch den Metallkern ein Stück weit dem CTE des Metall-Kühlkörpers angenähert wird, lässt sich beispielsweise eine solche Verwölbung bzw. eine in die Verbindungsstelle zwischen LED und Substratkörper mit jedem Temperaturzyklus eingebrachte Verformungsenergie zumindest verringern. Da beispielsweise besagte Verformungsenergie, aber auch Grenzflächenkräfte, üblicherweise mit der (in Seitenrichtungen genommenen) Größe des Substratkörpers zunehmen, bedeutet dies andererseits, dass mit dem erfindungsgemäßen Aufbau ein entsprechend größerer Substratkörper realisiert werden kann.
In bevorzugter Ausgestaltung hat ein erfindungsgemäßes LED-Modul in einer Seitenrichtung eine Seitenerstreckung von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 3 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm, 25 mm bzw. 28 mm; mögliche Obergrenzen können davon unabhängig beispielsweise bei höchstens 50 mm, 40 mm bzw. 35 mm liegen. Besonders bevorzugt hat das LED-Modul auch in einer zu dieser Seitenrichtung senkrechten Seitenrichtung eine Seitenerstreckung innerhalb entsprechender Grenzen. Bevorzugt ist ein rechteckiges LED-Modul, besonders bevorzugt ein quadratisches.
Es lassen sich dann also auch vergleichsweise großflächige und dennoch integrale Lichtquellen herstellen. Auf dem Substratkörper werden also vorzugsweise eine Mehrzahl LEDs vorgesehen, etwa mindestens zwei, vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn bzw. zwanzig LEDs, und es kommt insoweit ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Substratkörpers zum Tragen. Aufgrund des Durchkontakts steht nämlich nicht nur eine Verdrahtungsebene vorderseitig zur Verfügung, sondern es kann auch die Rückseite genutzt werden, was beispielsweise eine erhöhte Verdrahtungskomplexität ermöglichen kann. Der erfindungsgemäße Aufbau erlaubt also einerseits einen vergrößerten Substratkörper und dementsprechend mehr LEDs und trägt andererseits auch der damit erhöhten Komplexität Rechnung.
Mögliche Obergrenzen für die Anzahl der LEDs können beispielsweise bei maximal 500, 400, 300, 200, 150 bzw. 100 LEDs liegen.
Generell sind „ein“/“eine“ als unbestimmte Artikel zu lesen, können also eben beispielsweise eine Mehrzahl LEDs vorgesehen sein (und ist dies bevorzugt). Ferner können z.B. auch eine Mehrzahl Durchkontakte vorgesehen sein, etwa mindestens zwei, vier, sechs, acht bzw. zehn Durchkontakte; es können beispielsweise auch mindestens zwei Durchkontakte je LED vorgesehen werden. Vorzugsweise sind vorder- und rückseitig jeweils auch eine Mehrzahl Leiterzüge vorgesehen.
Das „metallisch-leitfähige“ Material der Leiterbahnstruktur ist vorzugsweise ein Metall, was auch Metalllegierungen umfassen soll. Vorzugsweise weist ein Leiterzug eine Schicht eines Kupfermaterials auf, welches jedenfalls zum größeren Teil Kupfer aufweist, besonders bevorzugt im Rahmen technisch üblicher Reinheitsgrade ausschließlich aus Kupfer besteht. Die Dicke dieser Schicht kann beispielsweise mindestens 15 µm, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 25 µm, 35 µm bzw. 40 µm betragen; mögliche Obergrenzen liegen (davon unabhängig) beispielsweise bei 160 µm, 140 µm bzw. 120 µm.
Auf die Kupferschicht kann eine weitere Schicht bzw. ein Schichtsystem aufgebracht sein, etwa eine Schichtfolge aus Nickel, Palladium und Gold mit einer Gesamtdicke von einigen Mikrometern, etwa mindestens 2 µm, vorzugsweise mindestens 3 µm, und (davon unabhängig) höchstens 8 µm, vorzugsweise höchstens 6 µm.
Vorzugsweise ist für die Leiterzüge, also jedenfalls eine jeweilige Schicht davon mit dem volumenmäßig größten Anteil, und den Durchkontakt dasselbe Metallmaterial vorgesehen, eben besonders bevorzugt ein Kupfermaterial.
Die Leiterzüge können beispielsweise durch Sputtern, Aufdampfen, Aufsprühen, Aufschmelzen oder Flammspritzen aufgebracht werden; vorzugsweise werden die Leiterzüge in einem Bad abgeschieden, stromlos und/oder elektrogalvanisch.
Wie nachstehend weiter im Detail deutlich wird, grenzt die „auf“ dem Substratkörper angeordnete LED nicht notwendigerweise direkt an diesen, sondern sind vorzugsweise eine Verbindungsschicht und weiter bevorzugt der Leiterzug dazwischen angeordnet. Die LED wird also besonders bevorzugt über eine solche Verbindungsschicht, etwa eine Fügeverbindungs- bzw. Diffusionslotschicht, auf dem vorderseitigen Leiterzug montiert sein; im Allgemeinen könnte die LED indes beispielsweise auch auf dem Substratkörper selbst über eine Fügeverbindungsschicht montiert sein, etwa über eine Klebstoffschicht.
Die Angaben „Vorderseite“ und „Rückseite“ schaffen ein Bezugssystem innerhalb des LED-Moduls. Die LED ist also mit ihrer Rückseite der Vorderseite des Substratkörpers zugewandt auf diesem vorgesehen und in der Regel dazu ausgelegt, an einer ihrer LED-Rückseite entgegengesetzten, vorderseitigen Lichtabstrahlfläche Licht abzugeben, und zwar (in diesem Bezugssystem) schwerpunktmäßig nach vorne. Wie bereits erwähnt, kann dann rückseitig des Substratkörpers ein Kühlkörper angeordnet sein, womit Vorteile des erfindungsgemäßen Aufbaus im Besonderen zu tragen kommen können.
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- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Metallkern ein flacher Körper, hat er also in einer Dickenrichtung eine Dickenerstreckung, die höchstens 1/5, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 1/10, 1/15 bzw. 1/20, seiner in einer zur Dickenrichtung senkrechten Seitenrichtung genommenen Seitenerstreckung trägt. Besonders bevorzugt gilt dies für sämtliche zur Dickenrichtung senkrechten Seitenrichtungen, hat der Metallkern also die Form einer Platte (die von üblicherweise einer Vielzahl Durchgangslöchern durchsetzt ist).
Der Metallkern kann beispielsweise eine in Dickenrichtung genommene Dicke von mindestens 100 µm, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 200 µm, 300 µm, 400 µm bzw. 500 µm haben; von diesen Untergrenzen unabhängige Obergrenzen können beispielsweise bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 5 mm, 4 mm, 3 mm, 2 mm bzw. 1 mm liegen.
Vorzugsweise wird der Substratkörper insgesamt als entsprechend flacher Körper vorgesehen sein, und es sollen die vorstehend für den Metallkern offenbarten Werte ausdrücklich auch bezüglich des Substratkörpers offenbart sein. Vorzugsweise erstrecken sich die vorderseitige und die rückseitige Substratkörperoberfläche, also die Außenoberflächen der Keramikschichten, parallel zueinander und zu den vorder- und rückseitigen (beschichteten) Metallkernoberflächen. Generell wird die in diesem Fall zu vorderseitiger/rückseitiger Substratkörperoberfläche senkrechte „Dickenrichtung“ vorzugsweise parallel zu einem Schwerpunktstrahl der LED liegen, welcher hinsichtlich Fußpunkt und Richtung als Mittelwert der Strahlen des von der LED an der Lichtabstrahlfläche emittierten Strahlenbündels gebildet werden kann; bei bevorzugten Ausführungsformen liegt der Schwerpunktstrahl senkrecht zur Lichtabstrahlfläche und mit seinem Fußpunkt im Mittelpunkt davon, etwa im Falle einer Lambertschen Abstrahlcharakteristik.
Vorzugsweise ist das Keramikmaterial der Schichten und der Auskleidung durchgehend ohne Materialgrenze dazwischen vorgesehen, also ohne Grenze an ein anderes (Keramik) material oder ein Keramikmaterial anderer Herstellungsgeschichte. Das Keramikmaterial ist also vorzugsweise in einem Schritt aufgebracht.
In bevorzugter Ausgestaltung weist das Metallmaterial des Metallkerns Aluminium als Bestandteil auf, vorzugsweise als überwiegenden Bestandteil. Aluminium kann einerseits aufgrund einer guten Verarbeitbarkeit vorteilhaft sein, das Durchgangsloch (für den Durchkontakt) kann beispielsweise durch Stanzen eingebracht werden; andererseits kann Aluminium insbesondere auch hinsichtlich des nachstehend beschriebenen, bevorzugten Keramikmaterials und dessen Aufbringung von Interesse sein.
Das Metallmaterial kann beispielsweise einen Längenausdehnungskoeffizienten (bei 20 °C) von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 10·10^–6 K^–1, 12·10^–6 K^–1, 14·10^–6 K^–1, 16·10^–6 K^–1, 18·10^–6 K^–1, 20·10^–6 K^–1 beziehungsweise 22·10^–6 K^–1 haben; von den Untergrenzen unabhängige Obergrenzen können beispielsweise bei höchstens 32·10^–6 K^–1, 30·10^–6 K^–1, 28·10^–6 K^–1, 26·10^–6 K^–1 beziehungsweise 24·10^–6 K^–1 liegen.
Vorzugsweise ist das Metallmaterial eine Aluminiumlegierung, wobei der Aluminium-Anteil in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 70 Gew.-%, 75 Gew.-%, 80 Gew.-% bzw. 82 Gew.-% beträgt und (davon unabhängig) nicht mehr als in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt 95 Gew.-%, 90 Gew.-% bzw. 88 Gew.-%. Der Rest kann beispielsweise Silizium, Magnesium, Mangan und/oder Eisen sein, in geringeren Mengen etwa auch Kupfer, Chrom, Zink und/oder Titan. Ein Beispiel ist Al 6082.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Metallmaterial ein Metall (im Sinne eines chemischen Elements) als Bestandteil auf und ist das Keramikmaterial aus einer Oxidverbindung dieses Metalls vorgesehen, im Allgemeinen nicht zwingend, jedoch vorzugsweise ausschließlich aus dieser Oxidverbindung. Besonders bevorzugt ist also ein Aluminium aufweisender Metallkern, an dem Keramikschichten und eine Auskleidung des Durchgangslochs aus Aluminiumoxid vorgesehen sind; besonders bevorzugt ist der Aluminiumkern vollständig mit Aluminiumoxid ummantelt.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Keramikmaterial durch teilweise elektrolytische Oxidation des Metalls des Metallkerns aufgebracht, vorzugsweise des Aluminiums; „teilweise“ meint insoweit, dass eben nicht das gesamte entsprechende Metall oxidiert ist, sondern nur ein an der Oberfläche angeordneter Teil davon. Die nachstehend im Detail beschriebene Oxidation betrifft also nur die Oberfläche bzw. einen oberflächennahen Bereich des Metallkerns, also nicht dessen Volumenmaterial im Inneren.
Das Keramikmaterial hat in bevorzugter Ausgestaltung eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 5 W/mK, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 7 W/mK, 9 W/mK, 11 W/mK, 12 W/mK bzw. 13 W/mK; mögliche Obergrenzen können davon unabhängig beispielsweise bei höchstens 20 W/mK, 18 W/mK, 16 W/mK bzw. 15 W/mK liegen. Das Keramikmaterial hat also beispielsweise im Vergleich zu einer Beschichtung auf organischer Basis eine deutlich höhere thermische Leitfähigkeit, sodass die von der LED als Verlustleistung abgegebene Wärme gut über den Substratkörper zu dem bevorzugt rückseitig angeordneten Kühlkörper transportiert werden kann.
Die Durchschlagsfestigkeit des Keramikmaterials liegt vorzugsweise bei mindestens 40 kV/mm, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 60 kV/mm, 70 kV/mm bzw. 80 KV/mm; mögliche Obergrenzen liegen (davon unabhängig) etwa bei 140 kV/mm, 130 kV/mm, 120 kV/mm, 110 kV/mm bzw. 100 kV/mm.
Entsprechende Materialeigenschaften lassen sich beispielsweise mit dem durch elektrolytische Oxidation aufgebrachten Keramikmaterial erreichen, insbesondere mit Aluminiumoxid.
In bevorzugter Ausgestaltung hat zumindest eine der Keramikschichten eine Dicke von mindestens 50 nm, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 250 nm, 500 nm, 750 nm, 1000 nm, 1250 nm, 1500 nm, 1750 nm bzw. 2000 nm; mögliche Obergrenzen liegen (davon unabhängig) beispielsweise bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 100 µm, 80 µm, 60 µm, 40 µm, 20 µm, 15 µm, 10 µm bzw. 5 µm. Die „Dicke“ wird jeweils entlang einer Normalen auf die jeweilige Oberfläche des Metallkerns genommen, an welcher die jeweilige Keramikschicht vorgesehen ist; im Falle einer Keramikschicht mit unterschiedlichen Dicken bezieht sich „Dicke“ auf einen über die Schicht gebildeten Mittelwert der Dicken. Im Falle der vorstehend beschriebenen, plattenförmigen Geometrie wird auch die Dicke der Keramikschichten in besagter Dickenrichtung genommen.
Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft einen vorderseitigen Leiterzug, dessen vorderseitige, dem Substratkörper entgegengesetzte Oberfläche in einem Bereich als Anschlussfläche vorgesehen und flächig mit der LED verbunden ist. Die „flächige“ Verbindung kann beispielsweise eine Fläche von mindestens 0,01 mm², 0,05 mm², 0,1 mm², 0,15 mm² bzw. 0,2 mm² haben; mögliche Obergrenzen können (davon unabhängig) etwa bei 1 mm² bzw. 0,5 mm² liegen. Wie bereits eingangs erwähnt, kann die flächige Verbindung beispielsweise eine Diffusionslot- bzw. Fügeverbindung sein, kann also zwischen der LED (einer entsprechend flächigen Kontaktstelle davon) und der Anschlussfläche beispielsweise eine Fügeverbindungsschicht angeordnet sein, etwa eine Lot- oder Klebstoffschicht.
In bevorzugter Ausgestaltung können eine Vielzahl LEDs auf dem Substratkörper montiert und dazu jeweils mit einer oder auch mehreren jeweiligen Anschlussflächen entsprechend flächig verbunden sein. Vorzugsweise werden die Vielzahl LEDs in einem sogenannten Reflow-Prozess mit den jeweiligen Anschlussflächen flächig verbunden, etwa in einem Ofen bei erhöhter Temperatur gleichzeitig lötverbunden. Die Vielzahl LEDs sind vorzugsweise ausschließlich über flächige Verbindungen mit Anschlussflächen der vorderseitigen Leiterzugstruktur elektrisch betreibar angeschlossen, sodass also beispielsweise auf Bonddrähte oder andere zusätzliche Kontaktmittel verzichtet werden kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform betrifft den rückseitigen Leiterzug, dessen rückseitige, dem Substratkörper abgewandte Oberfläche vorzugsweise als freie, zum flächig Verbinden des LED-Moduls auf makroskopischer Ebene ausgelegte Kontaktfläche vorgesehen ist. Diese Kontaktfläche ist vorzugsweise eben; ihr Flächeninhalt kann beispielsweise bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 0,1 mm², 0,5 mm², 0,75 mm² bzw. 1 mm² liegen; mögliche Obergrenzen liegen (davon unabhängig) etwa bei 100 mm², 50 mm², 25 mm², 10 mm² bzw. 5 mm².
Auf diese Ausführungsform richtet sich auch eine bevorzugte Verwendung, welche die Montage des LED-Moduls an einer Beleuchtungsvorrichtung betrifft; dabei wird die Kontaktfläche (des rückseitigen Leiterzugs) flächig mit einer Anschlussfläche der Beleuchtungsvorrichtung verbunden, vorzugsweise über eine Diffusionslot- bzw. Fügeverbindungsschicht. Die Anschlussfläche kann beispielsweise die Oberfläche einer Leiterbahn sein, etwa einer Leiterbahn auf einer Trägerplatte. Besonders bevorzugt erfolgt das Verbinden in einem Reflow-Prozess (siehe die vorstehende Offenbarung); besonders bevorzugt sind zwei Reflow-Prozesse, nämlich einer zur Montage der LEDs und ein weiterer später zur Montage des LED-Moduls.
„Beleuchtungsvorrichtung“ ist in diesem Zusammenhang nicht zwingend auf eine für sich bereits vollständige, durch einen Verbraucher unmittelbar nutzbare Leuchte (beziehungsweise ein in eine solche einsetzbares Leuchtmittel) zu lesen, sondern zunächst auf eine dem LED-Modul übergeordnete Integrationsstufe, die zumindest einen Bestandteil einer Leuchte / eines Leuchtmittels bildet. Die Beleuchtungsvorrichtung kann also beispielsweise eine Trägerplatte sein, auf der dann ein LED-Modul, vorzugsweise mehrere LED-Module, angeordnet ist/sind. Die Trägerplatte kann dann ihrerseits als Bestandteil einer Leuchte verbaut sein, also beispielsweise mit Anschlusselementen verbunden in ein Gehäuse integriert sein.
Wenngleich vorliegend vorrangig von der Montage der LEDs die Rede ist, kann selbstverständlich auch eine Treiberund/oder Steuerelektronik mit diesen zusammen auf dem Substratkörper angeordnet sein, vorzugsweise auch über jeweilige flächige Verbindungen mit entsprechenden Leiterzügen verbunden. Vorzugsweise ist ein solches bzw. sind solche zusätzlichen Bauteile mit den LEDs auf derselben Seite vorgesehen, also vorderseitig; so bleibt die Rückseite für den bevorzugten Kühlkörper frei.
Eine „Steuerelektronik“ kann beispielsweise auch thermische Sensoren, optische Sensoren und/oder Speicherelemente aufweisen, die als einzelne Bauteile oder auch integriert vorgesehen sein können. „Treiberelektronik“ kann beispielsweise einen einzelnen Leistungstransistor oder auch eine vollständige Treiberschaltung meinen.
Generell kann ein entsprechendes zusätzliches Bauteil beispielsweise direkt als Chip auf dem Substratkörper montiert oder zuvor für sich gehäust worden sein, vorzugsweise als SMD-Bauteil (Surface Mounted Device). Dies gilt im Übrigen auch für die „LED“, was also sowohl einen zuvor bereits für sich gehäusten LED-Chip, vorzugsweise ein SMD-Bauteil, als auch einen ungehäusten LED-Chip meinen kann. Letzterer wird dann beispielsweise erst auf dem Substratkörper mit den übrigen LED-Chips gemeinsam gehäust, also etwa mit einem durchgehenden Verfüllmaterial ummantelt, etwa einem Vergussmaterial, wie beispielsweise Silikon.
Wie bereits mehrfach erwähnt, ist bei einem bevorzugten LED-Modul rückseitig ein Kühlkörper vorgesehen, auf welchem der Substratkörper angeordnet ist. Eine vorstehend genannte Kontaktfläche (des rückseitigen Leiterzugs) kann etwa in einem Randbereich angeordnet und der Kühlkörper mittig vorgesehen sein (bezogen auf die Seitenrichtungen). Zwischen dem Substratkörper bzw. dem rückseitigen Leiterzug darauf und dem Kühlkörper kann beispielsweise ein elektrisch isolierendes, vorzugsweise gut wärmeleitendes Material vorgesehen sein, etwa auf organischer Basis, zum Beispiel eine Wärmeleitpaste.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines LED-Moduls. Dabei wird das Keramikmaterial in einem Elektrolyten aufgebracht, nämlich durch teilweise elektrolytische Oxidation eines Metalls des Metallkerns.
Der Elektrolyt ist vorzugsweise eine wässrige alkalische Lösung, beispielsweise Natronlauge oder Kaliumhydroxid; bevorzugt ist ein Elektrolyt mit einem pH-Wert von mindestens 9. Die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten soll vorzugsweise mindestens 1 mS/cm, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 2 mS/cm, 3 mS/cm, 4 mS/cm bzw. 5 mS/cm betragen.
In bevorzugter Ausgestaltung wird das Keramikmaterial vorder- und rückseitig sowie in dem Durchgangsloch gleichzeitig aufgebracht, erfolgt die Beschichtung also in einem einzigen Prozessschritt, was etwa hinsichtlich des Durchsatzes in einer Massenfertigung vorteilhaft sein kann. Es sind also jedenfalls die dann (im Falle des fertigen LED-Moduls) mit dem Keramikmaterial bedeckten Oberflächenbereiche in den Elektrolyten getaucht, vorzugsweise wird der Metallkern vollständig eingetaucht.
In bevorzugter Ausgestaltung wird in dem Elektrolyten eine erste Elektrode vorgesehen und dient der Metallkern als zweite Elektrode, ist er also elektrisch leitend kontaktiert und mit einer Spannungs- bzw. Stromquelle verbunden. Über diese beiden Elektroden wird dann ein Wechselstrom durch den Elektrolyten geleitet, um das Metall zu oxidieren. Unter einer Wechselspannung wird der Metallkern also alternierend als Kathode und Anode geschaltet, wobei die erste Elektrode jeweilig den Gegenpol dazu bildet.
Die an die Elektroden zum Einprägen des Stroms angelegte Spannung kann zwischen einem positiven Maximalwert und einem negativen Minimalwert variiert werden; der Maximalwert kann zum Beispiel mindestens 500 V, vorzugsweise mindestens 600 V, weiter bevorzugt mindestens 650 V, betragen, wobei mögliche Obergrenzen etwa bei höchstens 900 V, vorzugsweise höchstens 800 V, weiter bevorzugt höchstens 750 V, liegen können. Der Minimalwert kann beispielsweise bei höchstens –100 V, vorzugsweise höchstens –200 V, weiter bevorzugt höchstens –300 V, liegen, wobei mögliche Untergrenzen etwa bei mindestens –600 V, vorzugsweise mindestens –500 V, weiter bevorzugt mindestens –400 V, liegen können. Der Minimalwert kann während der Beschichtung auch zunehmend abgesenkt werden, etwa von anfangs 0 V zu einem Wert innerhalb der eben genannten Intervalle.
Die Wiederholrate der Wechselbeaufschlagung kann beispielsweise bei mindestens 1,5 kHz, vorzugsweise mindestens 2 kHz, liegen und (davon unabhängig) etwa bei höchstens 15 kHz, vorzugsweise höchstens 10 kHz. Das Positiv-/Negativ-Verhältnis ist dabei vorzugsweise annähernd gleich, der Metallkern ist also für im Wesentlichen dieselbe Zeitdauer jeweils als Anode und Kathode geschaltet. Die Gesamtbehandlungsdauer kann beispielsweise bei mindestens 4 Minuten, vorzugsweise mindestens 6 Minuten, und (davon unabhängig) beispielsweise bei höchstens 15 Minuten, vorzugsweise höchstens 10 Minuten, liegen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den verschiedenen Anspruchskategorien unterschieden wird und die dargestellten Merkmale im Geltungsbereich der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes LED-Modul in einem schematischen Schnitt;
2 illustriert ein weiteres LED-Modul in einem schematischen Schnitt in einer anderen Montagesituation.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt ein erfindungsgemäßes LED-Modul, nämlich eine LED 1 auf einem Substratkörper mit einer Leiterbahnstruktur 2. Vor einer vertieften Diskussion dieses Aufbaus wird nun zunächst die Herstellung des Substratkörpers 1 exemplarisch dargestellt.
Der Substratkörper ist ein beschichteter Metallkern 4, der also mit einem Keramikmaterial 5 beschichtet ist. Bei dem Metallkern 4 handelt es sich um eine Platte aus Al 6082 und bei dem Keramikmaterial um Aluminiumoxid.
Um diese Keramikbeschichtung aufzubringen, wird der Metallkern 4 in einen Elektrolyten gegeben, nämlich eine wässrige Lösung mit 1,8 g/l KOH und 1,0 g/l Aluminiumpartikeln (Größe L 100 nm). In dem Elektrolyten ist eine erste, mit einer externen Spannungsquelle verbundene Elektrode angeordnet, und der Metallkern 4 ist mit derselben Spannungsquelle verbunden.
Um das Keramikmaterial 5 aufzuwachsen, wird dann an die beiden Elektroden eine Wechselspannung angelegt, deren Maximalwert bei 700 V liegt und deren Minimalwert im Verlauf von 0 V auf –350 V abgesenkt wird. Die Wiederholrate beträgt 2,5 kHz, wobei das Positiv-/Negativ-Verhältnis in jedem Zyklus gleich verteilt ist.
Nach einer Behandlungsdauer von etwa 8 Minuten kann so eine Keramikschicht mit einer Dicke von etwa 20 µm aufgebracht werden.
1 zeigt ein LED-Modul mit einem entsprechend hergestellten Substratkörper 1 in einem schematischen Schnitt. Es sind also der Metallkern 4 und die darauf vorderseitig angeordnete Keramikschicht 5a, die rückseitige Keramikschicht 5b sowie die Keramikauskleidung 5c des Durchgangslochs im Metallkern 4 zu erkennen.
Auf der vorderseitigen Keramikschicht 5a sind vorderseitige Leiterzüge 2a angeordnet und auf der rückseitigen Keramikschicht 5b rückseitige Leiterzüge 2b. Die vorderund rückseitigen Leiterzüge 2a, b sind über den das Durchgangsloch durchsetzenden Durchkontakt 2c elektrisch leitend miteinander verbunden.
Vorderseitige, dem Substratkörper 1 abgewandte Oberflächenbereiche der vorderseitigen Leiterzüge 2a sind als Anschlussflächen 6 ausgebildet. In diesen Anschlussflächen 6 sind die vorderseitigen Leiterzüge 2a über jeweilige Lotschichten 7 mit den LEDs 1 verbunden. Bei den LEDs 1 handelt es sich um sogenannte SMD-Bauteile, und die Lötverbindungen sind in einem Reflow-Prozess hergestellt.
Die schematische Darstellung zeigt vereinfacht zwei in Serie geschaltete LEDs 1. In der Praxis können selbstverständlich auch deutlich mehr LEDs 1 in Serie geschaltet und kann die Verdrahtung generell komplexer sein, können die vorderseitigen Leiterzüge 2a also auch eine komplexere Struktur haben.
Auch dem Substratkörper 1 abgewandte Oberflächen der rückseitigen Leiterzüge 2b sind zumindest bereichsweise als lötverbundene Kontaktflächen 8 ausgelegt. Die Kontaktflächen 8 sind über Lotschichten 9 mit Anschlüssen 10 einer Beleuchtungsvorrichtung verbunden, in diesem Fall eines Downlight-Moduls. Die übrigen Bestandteile dieser Beleuchtungsvorrichtung, also etwa das Gehäuse, eine Streuscheibe bzw. ein Reflektor oder auch die Treiber-/Steuerelektronik sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Im Betrieb der LEDs 1 fällt Verlustleistung in Form von Wärme ab. Die Wärmeleitfähigkeit der Keramikschichten 5a, b ist vergleichsweise hoch und die Schichten 5a, b sind mit einer Dicke von 2 µm vergleichsweise dünn. Die Wärme kann also gut über die vorderseitige Keramikschicht 5a in den Metallkern 4 und von diesem über die rückseitige Keramikschicht 5b und eine Wärmeleitpaste 11 zu einem rückseitigen Kühlkörper 12 abgeführt werden. Der Kühlkörper 12 aus Aluminium stellt zum einen eine Wärmekapazität dar und weist zum anderen an seinem rückseitigen, dem Substratkörper 1 entgegengesetzten Ende Kühlrippen 13 auf, was die Wäremabfuhr durch Konvektion verbessert.
Die vorstehend genannte Dicke der Keramikschichten 5a, b wird in einer Dickenrichtung 14 genommen. In dieser Dickenrichtung 14 hat der Metallkern eine Dicke von 800 µm und damit eine um ein Vielfaches kleinere Erstreckung als senkrecht dazu, in den zur Dickenrichtung 14 senkrechten Seitenrichtungen. Der Substratkörper 1 ist insgesamt als quadratische Platte mit einer Kantenlänge von 30 mm vorgesehen.
2 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes LED-Modul, das in seinem Aufbau von einem zusätzlichen rückseitigen Leiterzug 20 abgesehen dem LED-Modul gemäß 1 entspricht. Dieselben Bezugszeichen bezeichnen Teile mit derselben Funktion, und es wird auf die vorstehende detaillierte Beschreibung zu 1 verwiesen.
In 2 unterscheidet sich insbesondere die Montagesituation von jener gemäß 1, das LED-Modul ist nämlich seinerseits als SMD-Bauteil auf einer Trägerplatte montiert. Die Trägerplatte ist in diesem Fall vereinfachend dargestellt aus einer vorderseitigen Isolationsschicht 21 mit einer rückseitig davon angeordneten Metallschicht 22 vorgesehen. In der Praxis kann rückseitig der Metallschicht 22 ein weiterer Schichtaufbau vorgesehen sein. Vorliegend ist die Vorderseite der Isolationsschicht 21 von Interesse, auf der nämlich Leiterbahnen 23a, b vorgesehen sind (weswegen ein weiterer Schichtaufbau der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist).
Die Leiterbahnen 23a dienen der elektrischen Kontaktierung des LED-Moduls und sind über Lotschichten 9 damit, also mit den rückseitigen Leiterzügen 2b verbunden. Ferner ist auch der bei diesem LED-Modul zusätzlich vorgesehene rückseitige Leiterzug 20 über eine Lotschicht 24 mit der Trägerplatte verbunden, und zwar mit der weiteren Leiterbahn 23b. Diese dient nicht der elektrischen Kontaktierung des LED-Moduls, sondern stellt eine großflächige thermische Anbindung her.
Die Lotschichten 9, 24 werden gleichzeitig hergestellt, nämlich in einem Reflow-Prozess. Das seinerseits zuvor mit SMD-Bauteilen (den LEDs 1 und gegebenenfalls einer Steuer-/Treiberelektronik) bestückte LED-Modul wird also dann auch selbst als SMD-Bauteil gehandhabt und auf der Trägerplatte montiert.

Claims

LED-Modul mit einem Substratkörper (4, 5), einer auf dem Substratkörper (4, 5) angeordneten LED (1) und einer Leiterbahnstruktur (2) aus einem metallischleitfähigen Material, die mit der LED (1) elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Substratkörper (4, 5) ein beschichteter Kern (4) aus einem Metallmaterial ist, der an einer der LED zugewandten Vorderseite und auch an einer dieser Vorderseite entgegengesetzten Rückseite jeweils zumindest bereichsweise mit einer Schicht (5) aus einem Keramikmaterial versehen ist, und wobei die Leiterbahnstruktur (2) einen Leiterzug (2a) auf der vorderseitigen Keramikschicht (5a), einen Leiterzug (2b) auf der rückseitigen Keramikschicht (5b) und einen Durchkontakt (2c) aufweist, der die beiden Leiterzüge (2a, b) elektrisch leitend miteinander verbindet, welcher Durchkontakt (2c) ein Durchgangsloch in dem Metallkern (4) durchsetzt, das solchermaßen mit dem Keramikmaterial ausgekleidet (5c) ist, dass der Durchkontakt (2c) von dem Metallkern (4) elektrisch isoliert ist.
LED-Modul nach Anspruch 1, bei welchem der Metallkern (4) ein flacher Körper ist, also in einer Dickenrichtung (14) eine Dickenerstreckung hat, die höchstens 1/5 seiner Seitenerstreckung beträgt, die in einer zu der Dickenrichtung (14) senkrechten Seitenrichtung genommenen wird.
LED-Modul nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die vorderseite Keramikschicht (5a), die rückseitige Keramikschicht (5c) und die Auskleidung (5c) des Durchgangslochs durchgehend ohne Materialgrenze dazwischen vorgesehen sind.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Metallmaterial Aluminium als Bestandteil aufweist, vorzugsweise als überwiegenden Bestandteil.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Metallmaterial ein Metall als Bestandteil aufweist und das Keramikmaterial eine Oxidverbindung dieses Metalls als Bestandteil aufweist.
LED-Modul nach Anspruch 5, bei welchem das Keramikmaterial durch teilweise elektrolytische Oxidation des Metalls des Metallkerns (4) aufgebracht ist.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Keramikmaterial eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 5 W/mK hat.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem zumindest eine der Keramikschichten (5a, b) eine Dicke von mindestens 1 nm und von höchstens 100 µm hat.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem ein vorderseitiger Oberflächenbereich des vorderseitigen Leiterzugs (2a) eine Anschlussfläche (6) darstellt, die mit der LED (1) flächig verbunden ist.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem ein rückseitiger Oberflächenbereich des rückseitigen Leiterzugs (2b) als freie, zum flächig Verbinden des LED-Moduls auf makroskopischer Ebene ausgelegte Kontaktfläche (8) vorgesehen ist.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches einen zu dem Substratkörper (4, 5) gesonderten Kühlkörper (12) aufweist, auf dem der Substratkörper (4, 5) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines LED-Moduls nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem LED-Modul das Metallmaterial ein Metall als Bestandteil aufweist und das Keramikmaterial eine Oxidverbindung dieses Metalls als Bestandteil aufweist, wobei das Keramikmaterial durch teilweise elektrolytische Oxidation des Metalls des Metallkerns (4) in einem Elektrolyten aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die vorderseitige Keramikschicht (5a), die rückseitige Keramikschicht (5b) und die Auskleidung (5c) des Durchgangslochs mit Keramikmaterial in demselben Elektrolyten gleichzeitig aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem in dem Elektrolyten eine erste Elektrode vorgesehen ist und der Metallkern (4) als eine zweite Elektrode vorgesehen ist, wobei durch die erste und die zweite Elektrode ein Wechselstrom in den Elektrolyten geleitet wird, um das Metall zu oxidieren.
Verwendung eines LED-Moduls nach Anspruch 10 zur Montage auf einer Beleuchtungsvorrichtung, wobei die Kontaktfläche (8) flächig mit einer Anschlussfläche der Beleuchtungsvorrichtung verbunden wird.