DE10349775B4

DE10349775B4 - Schaltungsträger für Leuchtdioden

Info

Publication number: DE10349775B4
Application number: DE2003149775
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr.-Phys. Raab; Gert Mau
Original assignee: Sitronic & Co KG GmbH
Current assignee: Sitronic & Co KG GmbH
Priority date: 2003-10-24
Filing date: 2003-10-24
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2023-10-25
Also published as: DE10349775A1

Abstract

Schaltungsträger für Leuchtdioden (102, 202, 302) mit einem Bauteileträgersubstrat (101, 201, 301) und mit mindestens einem räumlich strukturierten, bevorzugt einstückigen Kühlkörper (103, 203, 303), wobei das Bauteileträgersubstrat (101, 201, 301) und der Kühlkörper (103, 203, 303) eine mechanische Einheit bilden, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kühlkörper (103, 203, 303) um ein gewelltes Netz handelt, das teilweise in das Bauteileträgersubstrat (101, 201, 301) eingebettet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaltungsträger für Leuchtdioden mit einem Bauteileträgersubstrat und mindestens einem räumlich strukturierten, bevorzugt einstückigen Kühlkörper, wobei das Bauteileträgersubstrat und der Kühlkörper eine mechanische Einheit bilden. Der dreidimensionale Schaltungsträger ist auch mit sonstiger Analog- oder Digitalelektronik kombinierbar oder bestückbar.

Es ist bekannt, dass die Abwärme von Leistungsbauelementen, beispielsweise Leistungstransistoren, über einen Kühlkörper abgeführt werden muss. Stand der Technik ist es, diese Kühlkörper durch Schrauben, Klammern, Löten, Kleben, etc. mit den Leistungsbauteilen und/oder dem Schaltungsträger zu verbinden. Ein Beispiel hierfür ist in der DE 3041656 C2 offenbart.

Die EP 0682812 B1 offenbart einen Kühlkörper, der aus einem Kunststoffmaterial besteht und der eine integrierte Schaltung auf einem Chip einkapselt, wobei der Kühlkörper mit dem Chip mechanisch verbunden ist.

Die DE 10102621 A1 offenbart einen Schaltungsträger mit einem Leistungsmodul. Der Schaltungsträger besteht aus einem Trägerkörper, auf dessen Unterseite ein aus dem Material des Trägerkörpers bestehendes Kühlelement vorgesehen ist.

Eine weitere Vorrichtung zum Kühlen eines elektrischen Moduls ist in der DE 100 13 844 A1 offenbart. Die Vorrichtung besteht aus einem Kühlkörper aus Kunststoff, in den ein Füllstoff, der insbesondere Kohlenstofffasern oder Me tallgranulat umfasst, eingelagert ist, um die Wärmeleitungseigenschaften zu verbessern.

In der DE 10127268 A1 ist ein Schaltungsträger, der aus mehreren Schichten aufgebaut ist, offenbart. Auf dem Schaltungsträger sind ein zu kühlendes Bauelement und ein Kühlkörper befestigt. Einige der Schichten des Schaltungsträgers weisen dabei gute Wärmeleiteigenschaften auf, um einen ausreichenden Wärmefluss vom Bauelement zum Kühlkörper zu gewährleisten. Zusätzlich sind im Schaltungsträger Durchkontaktierungen vorhanden, die einen Wärmefluss zwischen den verschiedenen Schichten erleichtern.

Die DE 100 65 857 A1 beschreibt eine Wärmeableitung aus Kunststoffgehäusen elektronischer Baugruppen, bei denen eine Gehäusewand einer elektronischen Baugruppe mindestens einen Bereich erhöhter thermischer Leitfähigkeit (Kühlkörper) aufweist. Bei dem Bereich erhöhter thermischer Leitfähigkeit handelt es sich um ein profiliertes Massivteil, das eine mechanische Einheit mit der Gehäusewand bildet.

Die DE 39 16 899 A1 beschreibt eine wärmeableitende Befestigung eines elektronischen Bauelements mit einem Träger aus Kunststoff, der ein Wärmeabführelement als Kühlkörper aufweist.

Die DE WO 92/03 034 A1 zeigt eine Keramikplatte mit einem IC, der auf einer wärmeleitenden Metallschicht an der Oberseite der Keramikplatte angebracht ist. Eine zweite wärmeleitende Metallschicht ist an der Unterseite der Keramikplatte angebracht. Beide Metallschichten sind durch in der Keramikplatte vorgesehene Kanäle aus wärmeleitendem Metall verbunden.

Die DE 198 10 919 A1 beschäftigt sich mit einer Modulgrundplatte zur Kühlung elektrischer Bauelemente unter Einsatz eines von einem Kühlmedium umströmten, gewellten Bandes, das an seinen zur Verlötung mit einer Grundplatte bestimmten Wellentälern mit Aussparungen versehen ist.

Die EP 1 037 517 A2 beschreibt eine Wärmesenke für elektronische Bauteile mit von Kunststoff umspritzten, blechförmigen Kühlkörpern.

Nachteilig bei den bekannten Schaltungsträgern mit Kühlkörpern ist einerseits, dass für deren Verbindungen zusätzliche Teile, beispielsweise Schrauben oder Klammern, und/oder weitere Prozessschritte, beispielsweise Löten oder Kleben, erforderlich sind, die Kosten verursachen und/oder die Zuverlässigkeit der Schaltung reduzieren. Andererseits haben für einen Schaltungsträger geeignete Materialien, üblicherweise Kunststoffe, schlechte Wärmeleiteigenschaften. Die Kühlwirkung eines Kühlkörpers aus dem Material derartiger Schaltungsträger ist daher gering. Ist der Kühlkörper vom zu kühlenden Bauteil entfernt angeordnet, so ist ein ausreichender Wärmetransport zum Kühlkörper nicht gewährleistet. Dies wird im Stand der Technik mit kompliziert aufgebauten und daher teuren Schaltungsträgern zu umgehen versucht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaltungsträger für Leuchtdioden bereitzustellen, welcher die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere soll der Schaltungsträger für die Kühlung von bestückten, z.B. geklebten oder gelöteten, LEDs verwendet werden und diese optimieren, wobei eine Kombination mit Standardschaltungsträgern, z.B. FR4- oder Flex- oder StarrFlex-Leiterplatten, ermöglicht werden soll.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung des unabhängigen Anspruchs gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe hinsichtlich des Schaltungsträgers für Leuchtdioden dadurch gelöst, dass es sich bei dem Kühlkörper um ein gewelltes Netz handelt, das teilweise in das Bauteileträgersubstrat eingebettet ist. Das Bauteileträgersubstrat und der Kühlkörper bilden eine mechanische Einheit, d.h. sie sind durch das Einbetten fest miteinander verbunden. Ein Trennen würde zur Zerstörung des Schaltungsträgers führen. Eingebettet heißt dabei, dass der Kühlkörper an mindestens zwei seiner Seiten vom Bauteileträgersubstrat mindestens teilweise umschlossen wird. Unter einem Netz wird im Sinne dieser Anmeldung eine Struktur verstanden, bei der Knotenpunkte durch Stränge miteinander verknüpft sind, wobei durch jeden Knoten mindestens drei Stränge verlaufen.

Dadurch wird ein dreidimensionaler Kühl-Schaltungsträger geschaffen, der sowohl die mechanische Fixierung und elektrische Verbindung für elektronische Bauelemente als auch die Kühlung einiger dieser oder aller Bauteile kombiniert. Das Bauteileträgersubstrat kann dabei als Standardschaltungsträger ausgeführt werden. Zu kühlende Bauteile können derart auf dem Schaltungsträger fixiert, d.h. der Schaltungsträger kann mit den Bauteilen derart bestückt werden, dass ein optimaler Wärmefluss zum Kühlkörper gewährleistet ist.

Bevorzugt weist der Schaltungsträger Bauteileträgerbereiche, bevorzugt auf einer Bauteileträgerseite und eine der Bauteileträgerseite gegenüberliegende Rückseite auf. Das Netz ist bevorzugt außerhalb der Bauteileträgerbereiche, wiederum bevorzugt auf der Rückseite, über eine Oberfläche des Bauteileträgersubstrats hinaus aus dem Bauteileträgersubstrat herausgeführt. Der Schaltungsträger wird, bzw. ist, in dessen Bauteileträgerbereichen mit Bauteilen bestückt. Durch das Herausführen des Netzes auf der Rückseite und/oder außerhalb der Bauteileträgerbereiche wird die Wärme derart von dem Netz abgestrahlt und/oder durch Konvektion abgeführt, dass kein Wärmerückfluss zu den Bauteilen auftreten kann.

Das Netz verfügt über eine große Oberfläche relativ zu dessen Volumen. Dadurch wird ein großes Wärmeabstrahlvermögen bei geringerem Gewicht gewährleistet.

Das Netz besteht bevorzugt aus Metall, bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium oder einer Kupfer- und/oder Aluminiumlegierung. Diese Materialien haben eine hohe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit, was wiederum ihr Kühlvermögen erhöht.

Bevorzugt sind zumindest Oberflächenteile des Netzes, die aus dem Bauteileträgersubstrat herausgeführt sind, geschwärzt, bevorzugt eloxiert. Dadurch wird das Wärmeabstrahlvermögen weiter verbessert.

Bevorzugt besteht das Bauteileträgersubstrat aus einem Kunststoff. Nicht leitende Kunststoffe eignen sich besonders gut für die Fertigung eines Schaltungsträgers, da die Bauteile auf dem Schaltungsträger voneinander elektrisch isoliert sind. Weiter kann ein Kunststoff beliebig geformt werden, wodurch eine individuelle Formgebung des Bauteileträgersubstrats und damit des Schaltungsträgers ermöglicht wird.

Das Netz kann mit dem Schaltungsträger abschließen, d.h. an dieser Stelle ist das Netz unmittelbar an der Oberfläche und Bauteile können mit ihrer Kühlfläche direkt auf dem Netzbestückt werden. Alternativ kann das Netz mit einer dünnen Kunststoffschicht überdeckt sein.

Besonders bevorzugt grenzt das Netz zumindest in einem der Bauteileträgerbereiche an eine Oberfläche des Bauteileträgerbereichs innerhalb des Bauteileträgersubstrats an. Dadurch können Bauteile räumlich besonders nahe an dem Netz positioniert werden. Damit wird eine direkte Kühlung der betreffenden Bauteile erreicht.

Der Schaltungsträger weist bevorzugt Leiterbahnen, bevorzugt auf der Bauteileträgerseite, auf. Dadurch wird der Aufbau von Schaltungen, bestehend aus mehreren Bauteilen, auf dem Schaltungsträger vereinfacht. Zusätzliche Kontaktierungen zwischen den Bauteilen können entfallen.

Die Leiterbahnen befinden sich bevorzugt auf einer Folie, wobei die Folie auf dem Schaltungsträger aufgebracht ist. D.h. die Folie ist flächig auf dem Schaltungsträger befestigt. Das Aufbringen von Leiterbahnen auf Folien stellt eine Technik dar, mit der die einer Schaltung zugrunde liegenden Verbindungen besonders günstig hergestellt werden können. Der erfindungsgemäße Schaltungsträger dient dann als Stabilisierung und Kühlung. Leiterbahnen in MID-Technik sind auch denkbar.

Besonders bevorzugt ist der Schaltungsträger dreidimensional geformt. Auf dem Schaltungsträger aufgebrachte Bauteile, z.B. Leuchtdioden, können dadurch am optimalen Ort für ihren Einsatz positioniert werden.

Bevorzugt werden elektrische und/oder elektronische Verbindungen auf dem Schaltungsträger als Leiterbahnen, bevorzugt in MID-Technologie (Molded Interconnect Device Technologie), auf den Schaltungsträger aufgebracht. Hierbei handelt es sich um eine bekannte Technologie zur Herstellung von Schaltungsträgern mit Leiterbahnen. Dadurch kann der erfindungsgemäße Schaltungsträger mit bekannten Technologien weiter bearbeitet werden.

Bevorzugt werden die elektrischen und/oder elektronischen Verbindungen auf einer Folie erstellt, die mit dem Schaltungsträger verbunden wird. Die Folie mit den aufgebrachten Leiterbahnen wird mit dem Schaltungsträger bevorzugt durch Hinterspritzen oder durch Verkleben verbunden. Diese Verbindungstechnologien gewährleisten eine gute Haftung der Folie auf dem Schaltungsträger.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen. Die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale der Erfindung können jeweils einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers mit einem Kühlkörper;
2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers mit einem eine Netzstruktur aufweisenden Kühlkörper;
3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltungsträgers, wobei der Schaltungsträger dreidimensional ausgeformt ist.
4 einen Schaltungsträger mit einem Kühlkörper gemäß dem Stand der Technik.
Die Fign. der Zeichnungen zeigen den erfindungsgemäßen Gegenstand stark schematisiert und sind nicht maßstäblich zu verstehen. Die einzelnen Bestandteile des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind so dargestellt, dass ihr Aufbau gut gezeigt werden kann.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schaltungsträgers wird ein Kühlkörper 103 direkt in den Schaltungsträger zu einem Kühl-Schaltungsträger integriert. Dieser Kühl-Schaltungsträger bildet eine mechanische Einheit, die mit Bauteilen bestückt werden kann. Erfindungsgemäß ist ein dreidimensionaler Schaltungsträger, beispielsweise in MID-Technologie (Molded Interconnect Device), mit einem Kühlkörper aus thermisch gut leitendem Material, beispielsweise Aluminium, verknüpft. Der erfindungsgemäße Schaltungsträger besteht im einfachsten Fall aus einem Bauteileträgersubstrat 101, das die Basis des Schaltungsträgers bildet, und einem darin eingebetteten Kühlkörper 103. Die Basis des Schaltungsträgers, d.h. das Bauteileträgersubstrat 101, ist z.B. aus einem spritzgegossenen Kunststoffkörper hergestellt. Der Kühlkörper 103 ist durch Umspritzen in den Schaltungsträger integriert. Elektrische und elektronische Verbindungen können mittels MID-Technologie erstellt werden. Das dargestellte Ausführungsbeispiel beschreibt den Einsatz der Erfindung mit einem an sich bekannten Leistungstransistor 102 (siehe auch 4: 403). Der Leistungstransistor 102 ist auf den Schaltungsträger bestückt und gelötet. Die Verlustleistung wird auf den Kühlkörper 103, der in den dreidimensionalen Schltungsträger integriert ist, abgeführt. Der Kühlkörper 103 ist durch ein Drehtnetz aus Aluminium, Kupfer oder anderem gut wärmeleitfähigem Material ausgebildet. Zur Verbesserung der Wärmeabstrahlcharakteristik kann die Oberfläche des Kühlkörpers geschwärzt werden, beispielsweise durch Eloxieren. Der Kühlkörper 103 wird in den Schaltungsträ ger integriert, in dem er beispielsweise in das Spritzwerkzeug eingefügt und anschließend mit Kunststoff umspritzt wird. Die Konstruktion ist so gewählt, dass der Kühlkörper sich direkt unter den elektrischen/elektronischen Leistungsbauteilen befindet. Der Kühlkörper 103 grenzt in Bereichen, auf denen Bauteile fixiert werden (Bauteileträgerbereiche), an diese Bereiche an. Der Bauteileträgerbereich ist auf einer Vorderseite oder Bauteileträgerseite des Bauteileträgersubstrats 101 angeordnet. Ein großer Teil des Kühlkörpers ragt aus dem Schaltungsträger, d.h. aus dem Bauteileträgersubstrat 101, auf der Rückseite des Bauteileträgersubstrats aus diesem heraus. So kann die Wärme ungehindert an die Umgebung abgeführt werden. Dabei kann, je nach Anwendung, eine dünne Schicht Kunststoff zwischen den elektrischen/elektronischen Leistungsbauelementen und dem Kühlkörper sein oder diese direkt auf dem Kühlkörper aufliegen. Die Leiterbahnen für die elektrischen/elektronischen Signale und Versorgungen können beispielsweise in MID-Technologie erstellt werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in 2 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt eine Leuchte mit Hochleistungs-Leuchtdioden 202. In ein Bauteileträgersubstrat 201 des Schaltungsträgers ist ein Netz als Kühlkörper 203 aus gut wärmeleitendem Material, z.B. Kupfer, eingebunden. Dieses Netz ist am Ort der Hochleistungs-LEDs 202, also in den Bauteileträgerbereichen, wo die LEDs fixiert sind, bis direkt unter die Oberfläche des Bauteileträgersubstrats 201 geführt. Auf der anderen Seite der Rückseite des Bauteileträgersubstrats 201 ragt das Netz 203, aufgrund seiner gewellten Form, über den Schaltungsträger hinaus und gewährleistet so die Wärmeabfuhr an die Umgebung. Die Leiterbahnen für die elektrischen/elektronischen Signale und Versorgungen können beispielsweise in MID-Technologie, z.B. Heißprägen, erstellt werden.
Eine besonders vorteilhafte dritte Ausführung der Erfindung zeigt 3. Diese zeigt wiederum eine Leuchte mit Hochleistungs-Leuchtdioden 302 und einem Bauteileträgersubstrat 301. Der erfindungsgemäße Schaltungsträger, in den, wie in Ausführungsbeispiel 2, ein Netz als Kühlkörper 303 aus gut wärmeleitendem Material eingebunden ist, ist in diesem Fall dreidimensional geformt. Die Form ist so gestaltet, dass die Leuchtdioden 302 am optimalen Ort für ihren Einsatz in der Leuchte positioniert sind. Auch hier werden die Leiterbahnen für die elektrischen/elektronischen Signale und Versorgungen beispielsweise in MID-Technologie ausgeführt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.
In 4 ist der Stand der Technik dargestellt. Ein Leistungstransistor 403 ist auf einen Schaltungsträger 401 bestückt und gelötet. Zur Wärmeabfuhr wird ein Kühlkörper 404 benötigt. Dieser ist durch eine Schraube 402 mit dem Transistor, durch eine Schraube 405 mit dem Schaltungsträger mechanisch verbunden. Alternativ kann der Kühlkörper auch durch andere Verbindungstechnologien, wie beispielsweise Kleben, Löten, etc. befestigt sein.

101: Bauteileträgersubstrat
102: Leistungstransistor
103: Kühlkörper
201: Bauteileträgersubstrat
202: Leuchtdioden
203: Kühlkörper
301: Bauteileträgersubstrat
302: Leuchtdioden
303: Kühlkörper
401: Schaltungsträger
402: Schraube
403: Leistungstransistor
404: Kühlkörper
405: Schraube

Claims

Schaltungsträger für Leuchtdioden (102, 202, 302) mit einem Bauteileträgersubstrat (101, 201, 301) und mit mindestens einem räumlich strukturierten, bevorzugt einstückigen Kühlkörper (103, 203, 303), wobei das Bauteileträgersubstrat (101, 201, 301) und der Kühlkörper (103, 203, 303) eine mechanische Einheit bilden, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kühlkörper (103, 203, 303) um ein gewelltes Netz handelt, das teilweise in das Bauteileträgersubstrat (101, 201, 301) eingebettet ist.
Schaltungsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteileträgersubstrat (101, 201, 301) Bauteileträgerbereiche, bevorzugt auf einer Bauteileträgerseite und eine der Bauteileträgerseite gegenüberliegende Rückseite, aufweist, wobei das Netz außerhalb der Bauteileträgerbereiche, bevorzugt auf der Rückseite, über eine Oberfläche des Bauteileträgersubstrats (101, 201, 301) hinaus aus dem Bauteileträgersubstrat (101, 201, 301) herausgeführt ist.
Schaltungsträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Netz aus Metall, bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium oder einer Kupfer und/oder Aluminiumlegierung, besteht.
Schaltungsträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Oberflächenteile des-Netzes, die aus dem Bauteileträgersubstrat (101, 201, 301) herausgeführt sind, geschwärzt, bevorzugt eloxiert, sind.
Schaltungsträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteileträgersubstrat (101, 201, 301) aus einem Kunststoff besteht.
Schaltungsträger nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Netz zumindest in einem der Bauteileträgerbereiche an eine Oberfläche des Bauteileträgerbereichs innerhalb des Bauteileträgersubstrats (101, 201, 301) angrenzt oder mit der Oberfläche abschließt oder durch eine dünne Kunststoffschicht von der Obertläche getrennt ist.
Schaltungsträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger Leiterbahnen, bevorzugt auf der Bauteileträgerseite, aufweist.
Schaltungsträger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Leiterbahnen auf einer Folie mit Schaltungen befinden, wobei die Folie auf dem Schaltungsträger aufgebracht ist.
Schaltungsträger nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger dreidimensional geformt ist.