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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtquellenmodul für eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch zur Herstellung eines solchen Lichtquellenmoduls. Ein solches Lichtquellenmodul ist aus der
EP 3 531 011 bekannt und weist eine Leiterplatte und eine Kühlvorrichtung auf. Auf der Leiterplatte ist wenigstens eine Halbleiterlichtquelle angeordnet, mit der Licht in einem eine Hauptabstrahlrichtung aufweisenden Lichtbündel abstrahlbar ist. Die Kühlvorrichtung weist eine Mehrzahl von Kühlplatten in Form von Blechen auf. Die Kühlvorrichtung wird dort auf der Rückseite einer Leiterplatte aufgebaut.
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Bestehende Lösungen zur Kühlung von oberflächenmontierten Bauelementen (SMD) weisen in der Elektroindustrie im Allgemeinen eine Verkettung von wärmeleitfähigen Materialien als gestapelter Aufbau auf. Um die Wärmequelle (d.h. das Bauelement) zu entwärmen, soll dabei immer eine möglichst große, einen Wärmefluss treibende Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke erzielt werden.
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Diese Anordnungen brauchen viel Platz. Bei lichtstarken Halbleiterlichtquellen, wie sie in Beleuchtungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge verwendet werden, werden im Vergleich zum Volumen der Halbleiterlichtquelle sehr große Kühlkörper benötigt, die insbesondere größer sind als zur Entwärmung anderer Halbleiterbauelemente wie ICs verwendete Kühlkörper.
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Betrachtet man neue, mögliche Applikationen in Beleuchtungseinrichtungen wie Kraftfahrzeugscheinwerfern und das Ziel, weitere Funktionen wie z.B. LIDAR und andere Sensoren in den Scheinwerfern unterzubringen, gewinnt die Platzfrage zunehmend an Bedeutung. Mit anderen Worten: Der verfügbare Bauraum beschränkt die Integrationsmöglichkeiten.
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Auch eine Mikrolinsenanordnung für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer, wie sie in der
WO 2015/058227 Al und der
DE 10 2018 132 065 A1 der Anmelderin beschrieben wird, macht nur Sinn, wenn das zugehörige Lichtquellenmodul aus Halbleiterlichtquelle und Kühlvorrichtung kompakt aufgebaut wird, da sonst der Begriff „Mikrolinsen-System“ wirklich nur die Linse beschreibt und den Betrachter vergessen lässt, welcher großer Kühlkörper für die zentrale Halbleiterlichtquelle erforderlich ist.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Lichtquellenmoduls, das sich durch einen im Vergleich zu aus der
EP 3 531 011 bekannten Lichtquellenmodulen verringerten Einbauraumbedarf auszeichnet und in der Angabe eines Verfahrens zu seiner Herstellung.
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In Bezug auf die Vorrichtungsaspekte wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit Blick auf die Verfahrensaspekte durch die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs gelöst.
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Vom eingangs genannten Stand der Technik unterscheidet sich das erfindungsgemäße Lichtquellenmodul durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Diese sehen vor, dass die Leiterplatte zwischen zwei Kühlplatten so angeordnet ist, dass die Hauptabstrahlrichtung in ihr aufeinander folgend angeordnete Kühlplatten der Kühlvorrichtung schneidet und dass diese Kühlplatten jeweils eine Durchgangsöffnung aufweisen, durch welche die Hauptabstrahlrichtung hindurch verläuft.
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Die Halbleiterlichtquelle wird bei der Erfindung in die Kühlvorrichtung integriert. Beim Stand der Technik sind Halbleiterlichtquelle mit Leiterplatte und die Kühlvorrichtung dagegen in einer Reihe und thermischer Verbindung miteinander nebeneinander angeordnet, so dass sich der benötigte Einbauraum aus der Summe der Volumina von Halbleiterlichtquelle mit Leiterplatte und der Kühlvorrichtung ergibt. Durch die sich bei der Erfindung ergebende Integration der Halbleiterlichtquelle in die Kühlvorrichtung beschränkt sich der benötigte Einbauraum auf das Volumen der Kühlvorrichtung.
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Mit dem erfindungsgemäßen Konzept sind sehr effiziente und kompakte Kühlvorrichtungen aufweisende Lichtquellenmodule möglich.
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Das Herstellungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Ausstanzschritt Durchgangsöffnungen aufweisende Kühlplatten aus einer metallischen Platte ausgestanzt werden, dass in einem Verbindungsnasenerzeugungsschritt als aus jeweils einer ersten breiten Seite einer Kühlplatte herausragende Vorsprünge erzeugt werden, dass in einem Gegenstückerzeugungsschritt Gegenstücke zu den Verbindungsnasen in jeweils einer zweiten breiten Seite der Kühlplatten erzeugt werden, wobei die zweite breite Seite der ersten breiten Seite der jeweiligen Kühlplatte gegenüberliegt und wobei die Verbindungsnasen und ihre Gegenstücke jeweils so positioniert sind, dass mit wenigstens zwei Verbindungsnasen einer Kühlplatte die Gegenstücke einer dieser Kühlplatte in der Kühlvorrichtung benachbarten Kühlplatte im zusammengefügten Zustand kontaktierbar sind, dass in einem Leiterplattenpositionierungsschritt ein Positionieren der mit der Halbleiterlichtquelle bestückten Leiterplatte zwischen Breitseiten von zwei Kühlplatten erfolgt, und dass in einem Zusammenfügungsschritt die Kühlplatten und die Leiterplatte zur Kühlvorrichtung zusammengefügt werden.
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In einem bevorzugt einzigen Prozessschritt wird die Kühlplatten-Kontur ausgestanzt, eine von der x-y-Ebene abweichende räumliche 3-D-Struktur geformt, und die für die Verbindung untereinander erforderlichen Verbindungsnasen werden aus dem Kühlplattenmaterial sowie Leiterbahn-Isolationsabstände werden in z-Richtung gedrückt. In einem weiteren Prozessschritt wird die Leiterplatte auf wenigstens zwei der Verbindungsnasen eingelegt und mindestens eine Kühlplatte gestapelt darüber platziert, um sie anschließend mechanisch zu verpressen, zu verlöten oder zu verschweißen. Die Hauptabstrahlrichtung verläuft durch die Durchlassöffnungen der Kühlplatten hindurch und definiert die z-Richtung eines rechtwinklig-rechtshändigen Koordinatensystems.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens liegt darin, dass sich dieses auch bei mittleren Stückzahlen zu im Vergleich zu klassischen Herstellungsverfahren zu geringeren Kosten durchführen lässt.
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Weiterhin ist auch bevorzugt, bei geringer Layoutauflösung eine einseitige Leiterplatte zu verwenden, da der thermische Fluss durch die Kupferlage in x-y-Richtung und die Verbindungsnasen der Kühlbleche in z-Richtung zustande kommt.
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Bevorzugt ist auch, dass die Abstände der Kühlplatten voneinander mit zunehmendem Abstand von der eine Wärmequelle bildenden Halbleiterlichtquelle zunehmen.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass eine der Kühlplatten eine teilweise verzinnte breite Seite aufweist, die an einer dazu passend strukturierten Breitseite der Leiterplatte anliegt.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Top- oder Bottom-Lage der Leiterplatte auf eine verzinnten Kühlplatte aufgelötet ist. (
DE 10 2020 125 741.4 Verfahren zum Verbinden einer Schaltungsträgerplatte mit einem metallischen Körper).
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Bevorzugt ist auch, dass die Leiterplatte zwischen zwei Kühlplatten eingeklemmt angeordnet ist. Als vorteilhafte Folge hat ein Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Leiterplatte und Kühlplatten (CTE-Mismatch) keine mechanischen Spannungen zur Folge.
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Weiterhin ist auch bevorzugt, die Top- oder Bottom-Lage der Leiterplatte nur mit einem TIM (Thermal Interface Material) zu verkleben.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Lichtquellenmodul ein das aus der Kühlvorrichtung austretende Lichtbündel formendes optisches Element aufweist.
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Bevorzugt ist auch, dass das optische Element eine Sammellinse oder ein Lichtleiter ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass ein solches optisches Element in einer der Durchgangsöffnungen der Kühlplatten der Kühlvorrichtung angeordnet ist.
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Bei Einsatz einer doppelseitigen Leiterplatte einer bevorzugten Ausführung sind zwei entgegengesetzte Abstrahlrichtungen möglich.
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Mit Bezug auf Ausgestaltungen des Verfahrens ist bevorzugt, dass die Verbindungsnasen durch Umformen des Kühlplattenmaterials erzeugt werden.
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Bevorzugt ist auch, dass die Gegenstücke Vertiefungen in den Kühlplatten sind, wobei der Rand einer Vertiefung jeweils den Rand einer Verbindungsnase formschlüssig und flächig so berührt, dass sich im zusammengefügten Zustand der Kühlplatten ein durch die Geometrie der Verbindungsnasen und der Vertiefungen konstruktiv vorgegebener Abstand einstellt. Weiter ist bevorzugt, dass die Vertiefungen in einer Ausgestaltung zusammen mit den Verbindungsnasen durch Umformen der Kühlplatten erzeugt werden.
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Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausführung vorgesehen, an der Außenkontur der Kühlplatten Verrastungsnasen zu gestalten, die sich an gegengleiche Körpern festkrallen und dem gesamten Modul einen festen Halt innerhalb eines Scheinwerfers geben.
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Bevorzugt ist auch, dass die Abstände der Kühlplatten voneinander mit zunehmendem Abstand von der eine Wärmequelle bildenden Halbleiterlichtquelle zunehmen.
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In einer weiteren Ausgestaltung können die Flächen der Kühlplatten unterschiedlich groß sein und unterschiedliche zweidimensionale Formen aufweisen, damit diese sich beispielweise an die Innenkontur des Scheinwerfers anpassen und damit maximale Entwärmung durch Raumausnutzung erhalten.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass in einem Leiterplattenverbindungsschritt die verzinnte Oberfläche einer Leiterplatte mit der verzinnten breiten Seite der wenigstens einen Kühlplatte verbunden wird.
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Bevorzugt ist auch, dass der Leiterplattenverbindungsschritt durch einen Reflow-Lötprozess erfolgt.
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Weiter ist bevorzugt, dass die Verbindung der Kühlplatten durch ein die Kühlplatten thermisch und mechanisch koppelndes Verpressverfahren erzeugt wird.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass zu verbindende Kühlplatten durch eine Schweißzangenvorrichtung zusammengestapelt so gegriffen werden, dass sich einander benachbarte elektrisch leitende Kühlplatten an konstruktiv vorgegebenen Stellen berühren und dass anschließend ein die Kühlplatten durchströmender elektrischer Kurzschlussstrom von der Schweißzangenvorrichtung in den Kühlplattenstapel eingespeist wird, der über die Verbindungsnasen und deren Gegenstücke fließt und der das Material der Verbindungsnasen und das Material von deren Gegenstücken lokal aufschmilzt und dadurch miteinander verschweißt.
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(Widerstandsschweißen)
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Unteransprüchen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Dabei zeigen, jeweils in schematischer Form:
- 1 eine Beleuchtungseinrichtung mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtquellenmoduls;
- 2 einen ersten Schnitt durch einen Kühlplattenstapel aus zwei Kühlplatten, zwischen denen eine Leiterplatte angeordnet ist;
- 3 eine perspektivische Ansicht einer einzelnen Kühlplatte;
- 4 einen zweiten Schnitt durch einen Kühlplattenstapel aus zwei Kühlplatten mit einer zwischen diesen angeordneten Leiterplatte; und
- 5 ein Flussdiagram als Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Lichtquellenmoduls.
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Im Einzelnen zeigt die 1 eine Beleuchtungseinrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse 12, dessen Lichtaustrittsöffnung durch eine transparente Abdeckscheibe 14 abgedeckt wird. In dem Gehäuse 12 ist ein Lichtquellenmodul 16 angeordnet. Das Lichtquellenmodul 16 weist eine Leiterplatte 18 auf, auf der wenigstens eine Halbleiterlichtquelle 20 angeordnet ist, mit der Licht in einem eine Hauptabstrahlrichtung 22 aufweisenden Lichtbündel 24 abstrahlbar ist.
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Das Lichtquellenmodul 16 weist eine Kühlvorrichtung 26 auf, die eine Mehrzahl von Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n aufweist. Die Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n sind bevorzugt als aus einer Metallplatte gestanzte Einzelelemente verwirklicht, wobei das Wort „einer“ hier der unbestimmte Artikel ist. Als Material der Kühlplatten kommt in einer bevorzugten Ausgestaltung ein Metall, bevorzugt Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, in Frage. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist n = 3. Die Zahl der Kühlplatten kann von 3 abweichen und ist bevorzugt größer oder gleich 2.
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Diese Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n weisen jeweils eine Durchgangsöffnung 28 auf, durch welche die Hauptabstrahlrichtung 22 hindurch verläuft. Die Durchgangsöffnungen der Kühlplatten können alle die gleiche Geometrie aufweisen oder eine unterschiedliche Geometrie. Ferner ist denkbar, dass ein Teil der Kühlplatten der Kühlvorrichtung die gleiche Geometrie aufweisen und ein anderer Teil der Kühlplatten Durchgangsöffnungen mit unterschiedlicher Geometrie aufweist. Dadurch kann die Kühlvorrichtung an die Form eines Körpers angepasst werden, der in die Durchgangsöffnungen eingesetzt werden soll. Die Halbleiterlichtquelle 20 ist damit gewissermaßen im Inneren der Kühlvorrichtung 26 angeordnet und strahlt ihr Licht durch die Durchgangsöffnungen 28 hindurch ab.
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Als vorteilhafte Folge ist für die Anordnung der Halbleiterlichtquelle 20 und ihrer Leiterplatte 18 kein weiterer, über den für die Kühlvorrichtung 26 erforderlichen Bauraum hinausgehender Bauraum erforderlich. Die Abstände der Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n können variabel sein. Zum Beispiel können die Abstände der Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n voneinander mit zunehmendem Abstand von der eine Wärmequelle bildenden Halbleiterlichtquelle 20 zunehmen, um sich so dem konvektiven Wärmeübergang anzupassen.
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Die Wärmeübertragung durch Luft kann optional noch durch ein Gebläse vergrößert werden. Für die Berechnung der Wärmeübertragung spielen eine Reihe von Kennzahlen eine Rolle (Biot, Grashof, Nußelt, Reinoldts u.w.).
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Lichtquellenmodul 16 ein optisches Element 17 auf, welches das aus der Kühlvorrichtung 26 austretende Lichtbündel 24 formt. Das optische Element 17 ist bevorzugt eine Sammellinse oder ein Lichtleiter. Bevorzugt ist auch, dass ein solches optisches Element 17 in eine der Durchgangsöffnungen 28 der Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n der Kühlvorrichtung 26 positioniert ist. Ein solches optisches Element 17 könnte zum Beispiel in eine der Durchgangsöffnungen 28 geklipst sein, sofern die Kühlplattentemperatur das zulässt.
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Für die Leiterplatte 18 kann im Prinzip jede bekannte Leiterplattentechnologie verwendet werden. Es ist insbesondere denkbar, Leiterplatten auf keramischer Basis mit Kupferlagen zu verwenden. Keramik hätte den Vorteil der Isolation einerseits und des Wärmetransports im Dielektrikum in alle Richtungen andererseits, was bei FR4 nur die die Kupferlagen in x-y Richtungen übernehmen können.
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Weiterhin lässt sich auch ein- oder doppelseitige IMS (Isolated Metal Substrate) auf beispielsweise Aluminiumbasis verwenden. Die nötige Kühlkörperkontur wird durch das Stanzen einerseits wie auch dem Reduzieren von Kupferlagen zur Potential-Isolation und gegebenenfalls auch durch Entfernen des Dielektrikums erreicht. Wie auch bei einem FR4 Aufbau wird die Alubasis durch die Verbindungsnasen der anliegenden Kühlkörper durchdrungen. Der Vorteil hier ist die thermische Anbindung. Typische Aufbauten mit IMS haben 50 pm Dielektrikum und mindestens 25 pm Kupferdicke nach dem Prozessieren bei einer Unze Ausgangskupferstärke. Wenn die Alubasis bei 500 bis 1000 µm dünn gehalten wird, wären 575 bis 1075 pm Verbindungsnasenhöhe + Schweißprozesszugabe aus 1000 pm Kühlplattendicke zu realisieren.
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Bevorzugt können auch Verbindungsnasen im gleichen Arbeitsgang wie die Kontur aus der IMS-Alubasis gedrückt werden. Damit hat die IMS-Leiterplatte die gleiche Funktion wie die Kühlbleche. Die Rücksicht auf Fertigungstoleranzen und Dielektrikums,- sowie Kupferdicken kann so minimiert werden.
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Die Kupferlagen dienen dann insbesondere als Wärmeleiter, welche die Halbleiterlichtquelle 18 thermisch mit wenigstens einer Kühlplatte 26.1, 26.2, ..., 26.n verbinden.
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Die zur Energieversorgung und/oder Steuerung der Lichtemission der Halbleiterlichtquelle 20 erforderliche elektrische Kontaktierung der Leiterplatte 18 kann über bekannte Stecksysteme 30 wie JST und Kantensteckverbinder erfolgen. JST Stecker sind elektrische Verbinder, die nach dem Design von Japan Solderless Terminal hergestellt werden.
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Damit es zu keinen Kurzschlüssen der stromführenden Zuleitungen kommt, sind entweder Vertiefungen in die Kühlbleche mit eingeprägt oder die stromführenden Leitungen sind mittels Leiterplatten-Fertigungsprozess bereits vom Aufkupfern für Durchkontaktierungen oder Filled und Capped Technologie (siehe Norm IPC-4761) gezielt ausgenommen. Die dadurch entstehende Höhen-Differenz von beispielweise 25 bis 30 pm wäre hinreichend.
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2 zeigt einen Schnitt parallel zu einer z-x- Ebene oder z-y-Ebene durch einen Kühlplattenstapel aus zwei Kühlplatten 26.1, 26.2, zwischen denen eine Leiterplatte 18 angeordnet ist. Auf der Leiterplatte 18 verlaufen elektrische Verbindungsleitungen 21 voneinander isoliert in Vertiefungen 23, die in die Kühlplatten eingeformt sind, bspw. durch Prägen. Die Leiterplatte ist zum Beispiel eine mit einer Kupferschicht 19 belegte FR4-Leiterplatte mit Fasern 25.
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Man kann auch Lötstopplack zur Isolation der meist Niedervoltapplikation einsetzen, wobei sich die Planarität durch diesen Prozess nicht so gut kontrollieren lässt, wie ein chemischer oder mechanischer Vorgang.
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Für die Vermeidung von weiteren unerwünschten elektrischen Kontakten von Leiterbahnen zu blankem Aluminium gibt es eine einfache, realisierbare Lösung. Die in der Regel metallischen Leiterbahnen 36 können zum Beispiel zwischen zwei dielektrischen Schichten einer mehrlagigen Leiterplatte 18 liegen und durch metallische Vias z.B. mit dem Stecksystem 30 und/oder der Halbleiterlichtquelle 20 verbunden sein.
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Die Leiterplatte 18 ist zwischen zwei Kühlplatten 26.1, 26.2 so angeordnet, dass die Hauptabstrahlrichtung 22 die Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n der Kühlvorrichtung 26, die in dieser Hauptabstrahlrichtung 22 aufeinander folgend angeordnet sind, schneidet. Dabei verläuft die Hauptabstrahlrichtung 22 durch die Durchgangsöffnungen 28 dieser Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n hindurch.
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Die lichte Weite der Durchgangsöffnung 28 in einer einzelnen Kühlplatte 26.i der Kühlvorrichtung wirkt wie eine Blende. Die Position der Kühlplatte 26.i relativ zu der Halbleiterlichtquelle 20 definiert den Öffnungswinkel des aus der Kühlvorrichtung 26 austretenden Lichtbündels 24.
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1 zeigt eine Ausgestaltung, bei der die Leiterplatte auf einer ihrer beiden breiten Seiten mit einer Halbleiterlichtquelle bestückt ist. Bei dieser Ausgestaltung wird das Licht nur in einem die Hauptabstrahlrichtung 22 aufweisenden Lichtbündel abgestrahlt.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann auch eine doppelseitig bestückte Leiterplatte verwendet werden, die auf ihren beiden Breitseiten jeweils wenigstens eine Halbleiterlichtquelle aufweist. In diesem Fall kann das Lichtquellenmodul Licht in zwei Richtungen, bzw. in zwei zueinander komplementäre Halbräume abstrahlen. Diese Ausgestaltung ermöglicht, nach entsprechender, außerhalb des Lichtquellenmoduls erfolgender Strahlumlenkung, die Verwirklichung verschiedener Lichtfunktionen wie Tagfahrlicht, Positionslicht, Bremslicht usw. mit nur einem Lichtquellenmodul und entsprechend nur einer Kühlvorrichtung 26.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind in den einzelnen Kühlplatten mehrere nebeneinander lokalisierte Durchgangsöffnungen möglich, so dass vereinzelte Halbleiterlichtquellen und optische Elemente in einem Lichtquellenmodul gemeinsam angeordnet sein können. Die beiden letztgenannten Ausgestaltungen können auch in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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Die Leiterplatte 18 ist in einer bevorzugten Ausgestaltung nicht verstemmt, sondern zwischen zwei Kühlplatten 26.1, 26.2 eingeklemmt angeordnet, so dass ein Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Leiterplatte 18 und Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n (CTE-Mismatch) keine mechanischen Spannungen zur Folge hat. Die Anordnung und Halterung der Leiterplatte 18 ist bei dieser Ausgestaltung demnach zwischen zwei Kühlplatten 26.1, 26.2 schwimmend angeordnet. Die Leiterplatte kann aber auch mit einer oder zwei Kühlplatten verklebt, verlötet oder verstemmt sein, so dass sie in diesen Fällen nicht schwimmend zwischen diesen Kühlplatten 26.1, 26.2 angeordnet ist. Die Dicke der Leiterplatte 18 beträgt zum Beispiel 500 µm.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer einzelnen Kühlplatte 26.i Die Kühlplatte weist m = 4 Verbindungsnasen 32 auf. Die Zahl m kann auch von 4 verschieden sein und liegt bevorzugt zwischen 2 und 8 (jeweils einschließlich). Einrastzacken 34 dienen zum Herstellen einer Rastverbindung, mit der die Kühlvorrichtung 26 im Innenraum des Gehäuses 12 festgehalten wird. Die Verbindungsnasen 32 können in einer Ausgestaltung auch die Leiterplatte 18 mittels Verstemmen halten.
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4 zeigt einen Schnitt in z-x oder z-y Richtung durch einen Kühlplattenstapel aus zwei Kühlplatten 26.1, 26.2 mit einer zwischen diesen angeordneten FR4-Leiterplatte 18, die zum Teil mit einer Kupferschicht 19 belegt ist. Die Vertiefungen 33 entstehen beim Erzeugen der Verbindungsnasen 32 durch ein Umformen des Materials der Kühlplatten.
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Die äußere Form des erfindungsgemäßen Lichtquellenmoduls 16 kann bei seinem Entwurf sehr vielfältig gestaltet werden. Das erfindungsgemäße Lichtquellenmodul 16 ermöglicht einige Freiheiten, die bei den bekannten Lichtquellenmodulen 16 nicht bestehen.
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Die äußere Form kann insbesondere recht einfach, nämlich durch eine entsprechende Formgebung der gestanzten Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n an die Form des maximal für das Lichtquellenmodul 16 zur Verfügung stehenden Bauvolumens im Inneren des Gehäuses 12 recht einfach angepasst werden.
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Die Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n können sich in einer Ausgestaltung in Bezug auf ihre Oberflächen und/oder das Material, aus dem sie bestehen, voneinander unterscheiden.
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In einer Ausgestaltung weist das Lichtquellenmodul 16 eine durch einen Reflow-Prozess mit einer Kühlplatte 26.1 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verbundene Leiterplatte 18 aus FR4-Material und/oder aus ganz oder teilweise aus Keramik bestehendem Material auf. Es hat sich zum Beispiel bei Versuchen gezeigt, dass solche Leiterplatten 18 trotz CTE-Differenz (CTE: coefficient of thermal expansion) wenigstens 1.000 Temperaturzyklen von - 40 bis 125 Grad Celsius standhalten. In einer solchen Ausgestaltung wird die Oberfläche des Aluminiums/der Aluminiumlegierung der Kühlplatte 26.1 bevorzugt verzinnt. Dafür stehen bereits mehrere Materialkombinationen zur Verfügung. Die mit der Leiterplatte 18 verlötete Kühlplatte ist dabei eine beliebige Kühlplatte des Kühlplattenstapels, welche mit der Bedingung kompatibel ist, dass die Leiterplatte zwischen zwei Kühlplatten der Kühlvorrichtung 26 angeordnet ist.
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Alle anderen Platten 26.2 bis 26.n der als Kühlplattenpaket verwirklichten Kühlvorrichtung 26 können in einer solchen Ausgestaltung jeweils eine einheitliche, zinnfreie und plane Oberfläche haben. In eine solche Oberfläche kann jede Art von funktionaler Struktur mit eingeprägt werden.
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Der Abtransport der von der Halbleiterlichtquelle 20 abzuführenden Joule'schen Wärme und die Verteilung dieser Wärme auf die verschiedenen Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n der Kühlvorrichtung 26 erfolgt bevorzugt zumindest teilweise durch die bevorzugt metallischen Verbindungsnasen 32, deren Zahl m wenigstens zwei betragen sollte. Bevorzugt sind jeweils zwei einander benachbarte Kühlplatten 26.1, 26.2 usw. durch zwei Verbindungsnasen 32 verbunden, von denen eine größer als die andere ist, oder durch drei gleichgroße Verbindungsnasen 32 oder durch vier gleich große Verbindungsnasen 32.
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Beim Verpressen von außermittig an den Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n lokalisierten Verbindungsnasen 32 von einander benachbarten Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n ist eine dabei auftretende Verkippung zu beachten, die sich darin äußert, dass vor dem Verpressen parallel zueinander angeordnete Kühlplatten nach dem Verpressen nicht mehr parallel zueinander liegen, weil ihr Abstand voneinander an den Verbindungsnasen kleiner geworden ist, während sich der Abstand an den Durchgangsöffnungen durch das Verpressen eher vergrößert. Nicht für die Verbindung der Kühlplatten benötigte Verbindungsnasen können in einer Ausgestaltung direkt auf einer metallischen und damit wärmeleitfähigen Lage, die ein Bestandteil der Leiterplatte ist 18, aufliegen, um von der Halbleiterlichtquelle 20 in die Leiterplatte 18 eingespeiste Wärme von der Leiterplatte 18 aufzunehmen und in die Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n einzuspeisen.
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Die thermische Anbindung einer doppelseitigen FR4-Leiterplatte kann auch über Durchkontaktierungen (Vias) erfolgen. Wenn von vier Verbindungsnasen 32 einer Kühlplatte 26.i, deren Anordnung ein Rechteck bildet, nur zwei an der schmalen Seite des Rechtecks verlötet werden, dienen die anderen beiden Verbindungsnasen 32 nur zur Verbindung der genannten Kühlplatte 26.i mit einer zu dieser Kühlplatte 26.i nächstbenachbarten Kühlplatte. Ein Vorteil einer solchen Ausgestaltung besteht darin, dass die Leiterplatte 18 dann keinen großen Stress bei Temperaturänderungen erfährt.
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Wird beispielsweise zunächst ein Verbundmaterial aus Aluminium und einer doppelseitigen Leiterplatte oder aus Aluminium und Keramik vorab hergestellt, so kann diese in die einen Kühlplattenstapel/ein Kühlplattenpaket aufweisende Kühlvorrichtung 26 mit eingebunden werden.
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Isolierte thermische Pads einer Halbleiterlichtquelle geben auf FR4-Leiterplatten die Wärme mittels Durchkontaktierungen auf die andere Leiterplattenseite in z-Richtung ab, da die Unterseite nicht isoliert auf dem Kühlblech angebunden werden kann. Bei doppelseitiger Bestückung von FR4-Leiterplatten verbleibt nur der Weg der Wärme in x-Y-Richtung durch Kupferbahnen bis zu nächsten Durchkontaktierung, durch die eine Kühlplatten-Verbindungsnase läuft.
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Nicht isolierte Pads nutzen IMS (insulated metal substrate) mit möglichst dickem Dielektrikum auf Aluminium-Basis oder eine keramische Basis, z.B. als DBC/DCB-Substrat (Direct bonded copper oder Direct copper bonded) oder als AMB (Active Metal Brazing) Der Wärmefluss verläuft dort im Dielektrikum in alle Richtungen.
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Im Folgenden wird unter Bezug auf die 5 ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Lichtquellenmodules, wie es oben beschrieben wurde, vorgestellt. Dabei können die einzelnen Verfahrensschritte in der unten beschriebenen Reihenfolge, zum Teil aber auch in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden.
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In einem Ausstanzschritt 40 erfolgt ein Ausstanzen der Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n einschließlich der Durchgangsöffnungen 28 aus einer metallischen Platte.
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In einem Verbindungsnasenerzeugungsschritt 42 werden die Verbindungsnasen als aus jeweils einer ersten breiten Seite einer Kühlplatte herausragende Vorsprünge erzeugt, was bspw. durch Umformen des Kühlplattenmaterials erfolgen kann.
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In einem Gegenstückerzeugungsschritt 44 werden Gegenstücke zu den Verbindungsnasen 32 in jeweils einer zweiten breiten Seite der Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n erzeugt, wobei die zweite breite Seite der ersten breiten Seite der jeweiligen Kühlplatte 26.1, 26.2, ..., 26.n gegenüberliegt. Dabei sind die Verbindungsnasen 32 und ihre Gegenstücke jeweils so positioniert, dass wenigstens zwei Verbindungsnasen 32 einer Kühlplatte (z.B. der Kühlplatte 26.1) die Gegenstücke einer dieser Kühlplatte in der Kühlvorrichtung 26 benachbarten Kühlplatte (z.B. der Kühlplatte 26.2) im zusammengefügten Zustand kontaktieren.
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Bevorzugt sind die Gegenstücke Vertiefungen in den Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n, wobei der Rand einer Vertiefung jeweils den Rand einer Verbindungsnase 32 formschlüssig und flächig so berührt, dass sich im zusammengefügten Zustand der Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n ein durch die Geometrie der Verbindungsnasen 32 und der Vertiefungen konstruktiv vorgegebener Abstand zwischen den in der Kühlvorrichtung 26 einander nächstbenachbart zusammengefügten Kühlplatten (z.B. der Kühlplatten 26.1, 26.2) ergibt. Die Vertiefungen werden in einer Ausgestaltung zusammen mit den Verbindungsnasen 32 durch Umformen (z.B. durch Tiefziehen) der Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n erzeugt.
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In einem Leiterplattenpositionierungsschritt 46 erfolgt ein Positionieren der mit der Halbleiterlichtquelle 20 bestückten Leiterplatte 18 zwischen Breitseiten von zwei Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n, von denen wenigstens eine Kühlplatte eine teilweise verzinnte breite Seite aufweist, die an einer dazu passend strukturierten Breitseite der Leiterplatte 18 anliegt.
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Danach erfolgt ein Leiterplattenverbindungsschritt 48, in dem die Leiterplatte 18 mit der verzinnten breiten Seite der wenigstens einen Kühlplatte verbunden wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung geschieht dies durch einen Reflow-Lötprozess.
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Danach erfolgt ein Zusammenfügungsschritt 50, in dem die Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n und die Leiterplatte 18 zur Kühlvorrichtung 26 zusammengefügt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt dies durch ein die Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n thermisch und mechanisch koppelndes Verpressverfahren wie das Buckelschweißen.
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Bei diesem Verfahren werden die zu verbindenden Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n durch eine Schweißzangenvorrichtung zusammen so gegriffen, dass sich einander benachbarte elektrisch leitende Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n an konstruktiv vorgegebenen Stellen berühren. Als konstruktiv vorgegebene Stellen kommen insbesondere die Teilbereiche der Verbindungsnasen 32 einer Kühlplatte 26.1, 26.2, ..., 26.n und deren Anlageflächen an den Gegenstücken einer zu der Kühlplatte unmittelbar benachbarten weiteren Kühlplatte in Frage. Anschließend wird ein die Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n durchströmender elektrischer Kurzschlussstrom von der Schweißzangenvorrichtung in den Kühlplattenstapel eingespeist, der über die Verbindungsnasen 32 und deren Gegenstücke fließt und der das Material der Verbindungsnasen 32 und das Material von deren Gegenstücken lokal aufschmilzt und dadurch miteinander verschweißt. Die ausgeprägten Verbindungsnasen 32 bilden nicht nur einen Teil der für den Fluss des Kurzschlussstroms erforderlichen elektrischen Verbindung, sondern sie dienen im späteren Betrieb auch dazu, die einzelnen Kühlplatten 26.1, 26.2, ..., 26.n thermisch miteinander zu verbinden, um die abzuführende Wärmeenergie in der Kühlvorrichtung 26 zu verteilen.
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Es ist auch denkbar, dass durch die Verpresstechnik die Kühlplatten zum Teil innerhalb und zu einem weiteren Teil außerhalb des Gehäuses 12 der Beleuchtungseinrichtung 10 liegen können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3531011 [0001, 0006]
- WO 2015/058227 [0005]
- DE 102018132065 A1 [0005]
- DE 102020125741 [0017]
