DE112017002890T5

DE112017002890T5 - Leuchtenaufbau, umfassend ein Wärme-Energiemanagement

Info

Publication number: DE112017002890T5
Application number: DE112017002890.6T
Authority: DE
Inventors: Thomas J. Veenstra
Original assignee: Innotec Corp
Current assignee: Innotec Corp
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2019-02-21
Also published as: US20170356640A1; US11619376B2; CN109314169A; KR20190017018A; CN109314169B; US20220170622A1; WO2017213829A1

Abstract

Ein Leuchtenaufbau umfasst ein Polymersubstrat, einen elektrischen Schaltkreis, umfassend zwei durch das Polymersubstrat gestützte Leiter, eine LED, die elektrisch mit den beiden Leitern gekoppelt ist, und einen Wärmeverteiler, der thermisch mit der LED gekoppelt ist. Die zwei Leiter können auf das Polymersubstrat gedruckt sein, in das Polymersubstrat eingebettet sein oder oberhalb des polymeren Substrats liegen. Der Leuchtenaufbau kann in dreidimensionaler Form hergestellt werden.

Description

Die Erfindung wurde mit Behördenunterstützung unter der Vertragsnummer DE-SC 0011865 gemäß dem amerikanischen Energieministerium gemacht. Die Regierung hat entsprechende Rechte an der Erfindung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Leuchtenaufbauten und insbesondere auf Leuchtenaufbauten mit einem thermischen Energiemanagement.
Halbleiterleuchten wie etwa solche, die lichtemittierende Dioden (LEDs) verwenden, haben breite Anwendung gefunden. Allerdings erfordert das Design von Halbleiterbeleuchtungen eine Balance zwischen thermischen, mechanischen, optischen und elektrischen Eigenschaften. Insbesondere bestimmen thermische Kriterien praktische Grenzen für die Gestaltung von vielen Leuchten.
Bei Halbleiterleuchten befindet sich die Elektronik auf einem gedruckten Schaltbord, welches eine Gestaltung der Komponenten lediglich in zwei Dimensionen ermöglicht. Diese Begrenzung ist im Allgemeinen akzeptabel, wo ein hoher Bedarf an Dichte von Komponenten und ein geringer Bedarf solcher Komponenten in Bezug auf einen dreidimensionalen Formfaktor vorhanden ist. Im Kontrast hierzu ist bei LED-Anwendungen der Bedarf an einer hohen Komponentendichte geringer, jedoch ist das Erfordernis in Richtung komplexer und dreidimensionaler Formfaktoren höher. Unglücklicherweise erlauben derzeitig existierende Technologien nicht, dreidimensionale Formfaktoren im gewünschten Ausgleich mit anderen Eigenschaften zu bringen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die oben genannten Schwierigkeiten werden gemäß der vorliegenden Erfindung überwunden, bei welcher der Leuchtenaufbau ein Polymersubstrat und einen Wärmeverteiler beinhaltet, der durch das Substrat gestützt ist, um elektrischen Strom und Wärme-Energiemanagement für Halbleiterbeleuchtungs-Anwendungsfälle unter Verwendung von LEDs zu schaffen.
Gemß einem Ausführungsbeispiel eines Leuchtenaufbaus umfasst dieser ein erstes Polymersubstrat, einen elektrischen Schaltkreis mit zwei Leitern, die durch das erste Polymersubstrat gestützt sind, eine LED, die elektrisch mit den beiden Leitern gekoppelt ist, und einen Wärmeverteiler, der durch das Substrat aufgenommen und thermisch mit der LED gekoppelt ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhaltet ein Leuchtenaufbau ein erstes Polymersubstrat, einen elektrischen Schaltkreis mit einem ersten Paar von Leitern, die innerhalb des ersten Polymersubstrats eingebettet sind, und einem zweiten Paar von Leitern, die auf das erste Polymersubstrat aufgedruckt sind, und eine LED, die elektrisch mit dem zweiten Paar von Leitern gekoppelt ist, und einen Wärmeverteiler, der durch das Substrat gestützt ist und thermisch mit der LED gekoppelt ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren die Ausbildung eines Leuchtenaufbaus, umfassend: (1) Bilden eines Polymersubstrats mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten, (2) Bilden eines elektrischen Schaltkreises mit zwei Leitern, die auf der ersten Seite des Polymersubstrats gestützt sind, (3) elektrisches Ankoppeln einer LED mit den zwei Leitern, (4) thermische Kopplung eines Wärmeverteilers mit der LED, wobei der Wärmeverteiler mindestens überwiegend auf der zweiten Seite des Polymersubstrats angeordnet ist, sowie (5) Formung einer ersten Polymerlage über mindestens Abschnitte der LED, die zwei Leiter und das Polymersubstrat (Umformung).
Diese und andere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich detaillierter und deutlicher unter Bezugnahme auf die Beschreibung der folgenden Ausführungsbeispiele im Rahmen der Zeichnungen.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Schnittdarstellung eines Leuchtenaufbaus gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 ist eine schematische Schnittansicht eines Abschnitts des Leuchtenaufbaus nach 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 ist eine schematische Schnittansicht eines Abschnitts des Leuchtenaufbaus der 1 nach Maßgabe eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
4 stellt ein Verfahren zur Bildung eines Leuchtenaufbaus gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Leuchtenaufbaus gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 ist eine Schnittansicht eines Teils eines Leuchtenaufbaus gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
7 ist eine Schnittansicht eines Teils eines Leuchtenaufbaus gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8 ist eine Schnittansicht eines Teils eines Leuchtenaufbaus gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
9 ist eine Schnittansicht eines Teils eines Leuchtenaufbaus gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
10 ist eine Schnittansicht eines Teils eines Leuchtenaufbaus gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
11 ist eine Schnittansicht eines Teils eines Leuchtenaufbaus gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

BESCHREIBUNG VON AKTUELLEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Struktur
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Leuchtenaufbau 10 nach Maßgabe eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt. Der Leuchtenaufbau 10 kann einen elektrischen Schaltkreis 11 mit einer Anzahl von Schaltungsbahnen aufweisen, welche mindestens zwei Konduktoren 12a-b für die Bereitstellung von elektrischem Strom zu verbundenen Komponenten und mindestens einen Wärmeverteiler 14 für die Abführung von Wärmeenergie (d. h. Wärme) aufweist, die durch ein elektrisches Bauteil erzeugt wird. Die Konduktoren 12a-b können durch ein polymeres Substrat 16 aus einem ersten Polymermaterial aufgenommen sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei welchem die Konduktoren 12a-b mindestens teilweise innerhalb des Polymersubstrats 16 eingebettet sind, können die Konduktoren 12a-b auch als eingebettete Konduktoren bezeichnet werden. Der elektrische Schaltkreis 11 kann auch eine Anzahl von Schaltungsbahnen aufweisen, welche gedruckte Leiter 18a-d (siehe auch 2) beinhalten, welche auch durch die das Polymersubstrat 16 durch Aufdrucken der Konduktoren 18a-d auf einer Innenfläche 20 des Polymersubstrats 16 aufgenommen sind. Der Leuchtenaufbau 10 kann auch eine Lichtquelle 22, wie etwa eine lichtemittierende Diode (LED), und zusätzliche elektrische Komponenten 24-26 beinhalten, wobei es sich hierbei in nicht beschränkender Weise beispielsweise um einen Widerstand, Diode, Kapazität, Konduktor d. h. Leiter, ein weiteres LED oder jegliche andere geeignete elektrische Komponente handeln kann.
Mindestens ein Abschnitt der gedruckten Leiter 18a-b, LED 22, und der elektrischen Komponenten 24-26 kann bedeckt werden durch und/oder eingebettet sein innerhalb einer ersten Polymerlage 28 auf einem zweiten Polymermaterial. Auf diese Weise kann das Polymersubstrat 16 ein erstes Gehäuseteil bilden und die erste Polymerlage 28 kann ein zweites Gehäuseteil bilden, wobei das erste und zweite Gehäuseteil die Elemente des elektrischen Schaltkreises umgibt. Die erste Polymerlage kann ein Linsenteil 30 benachbart der LED 22 aufweisen, um von der LED emittiertes Licht auszurichten. Das Polymersubstrat 16 und/oder die erste Polymerlage 28 können ausgebildet sein, um zusätzliche Strukturen aufzuweisen, wobei nicht einschränkende Beispiele hiervon einen Verbindungsteil 32, eine lichtsperrende Einrichtung 34 und Reflexionsöffnungen 36 beinhalten. Das Polymersubstrat 16 und die erste Polymerlage 28 können aus demselben oder unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Sowohl das Polymersubstrat 16 und die erste Polymerlage 28 können aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet sein, welches optional thermisch leitfähig sein kann. Nicht einschränkende Beispiele dieser Materialien, die für das Polymersubstrat 16 und/oder die erste Polymerlage 28 geeignet sind, beinhalten Acryle, Polycarbonate, Silikone, Polyethylenterephthalate, Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), Polybutylenterephthalat (PBT), die auf Materialien und Kombinationen hiervon basieren. Das Polymersubstrat 16 und die erste Polymerlage 28 können aus demselben oder unterschiedlichen Materialien gebildet sein. In einem Beispiel kann die erste Polymerlage 28 aus einem transparenten gießfähigen Material gebildet sein, wobei nicht einschränkende Beispiele hiervon Acryle, Polycarbonate, Silikone und auf ABS basierte Materialien beinhalten.
Im Ausführungsbeispiel der 1 beinhaltet der elektrische Schaltkreis 11 mindestens ein Paar von eingebetteten Leitern 12a-b, die mindestens teilweise innerhalb des Polymersubstrats 16 eingebettet sind, sowie gedruckte Leiter 18, die auf die Innenfläche 20 des Polymersubstrats 16 gedruckt sind. In einem Ausführungsbeispiel können die eingebetteten Leiter 12a-b aus einem einzelnen Metallblech hergestellt sein, welches zugeschnitten ist, um verschiedene Komponenten des Schaltkreises 11 in gewünschter Weise zu isolieren oder jede Bahn des elektrischen Schaltkreises 11 kann unabhängig gebildet und elektrisch gekoppelt oder isoliert sein, je nach Wunsch abhängig vom Design des Schaltkreises. Die eingebetteten Leiter 12a-b können ausMetallen, Stahlblech, Messing, Kupfer oder anderen bekannten Materialien hergestellt sein.
Einer oder mehrere der gedruckten Leiter 18a-d kann elektrisch mit dem elektrischen Schaltkreis 11 durch mindestens ein Paar von eingebetteten Leitern (wie in 5 dargestellt) gekoppelt sein, um elektrischen Strom von einer (nicht dargestellten) geeigneten Stromquelle aufzunehmen, die mit dem elektrischen Schaltkreis 11 durch den Verbindungsteil 32 gekoppelt ist. Die gedruckten Leiter 18a-b können gedruckt werden unter Verwendung von leitfähigen Tinten, wobei nicht einschränkende Beispiele hiervon Tinten beinhalten, die Graphit oder metallische Nanopartikel enthalten, wie etwa auf Kupfer-Nanopartikel basierende Tinten. Beispiele hiervon sind gewerblich unter den Bezeichnungen DuPont 5025, PE 825, und 5043 erhältlich, wobei alle diese eine Silber-Komposit-Leitertinte sind, die erhältlich sind von DuPont® und die Elektrodag-Familie von leitfähigen Tinten, die von Henkel verfügbar sind. Die gedruckten Leiter 18a-d können unmittelbar auf exponierte Enden der eingebetteten Leiter des elektrischen Schaltkreises 11 aufgedruckt sein, um die gedruckten Leiter 18a-d mit den Leitern elektrisch zu verbinden. Alternativ können die gedruckten Leiter 18a-b mit den eingebetteten Leitern des elektrischen Schaltkreises 11 durch eine Lötverbindung oder eine leitfähige Epoxy-Verbindung gekoppelt sein. Die gedruckten Leiter 18a-d können aufgedruckt und ausgehärtet werden unter Verwendung jeglicher bekannter Technik, wobei nicht einschränkende Beispiele hiervon Siebdruck, Schablonendruck, Lasersinterung, Laserätzung, chemische Ätzung und additives Drucken beinhalten.
Bezugnehmend auf 2 kann die LED 22 elektrisch mit den gedruckten Leitern 18c-d gekoppelt sein, um elektrischen Strom zu empfangen, und thermisch mit dem Wärmeverteiler 14 gekoppelt sein, um durch die LED 22 erzeugte Wärme abzuführen. Wie schematisch aus 2 hervorgeht, können die gedruckten Leiter 18c-d jeweils Anschlussenden 50 und 52 beinhalten, mit welchem das LED 22 elektrisch gekoppelt sein kann, sodass Strom durch die LED 22 fließen kann. Die LED 22 beinhaltet Konnektoren 54 und 56, welche elektrisch mit den benachbarten Anschlussklemmen 50 und 52 gekoppelt sein können, und zwar jeweils. Die LED-Konnektoren 54 und 56 können in Form von Drähten vorliegen, die mit den benachbarten Anschlussklemmen 50 und 52 durch Löten gekoppelt werden können. Alternativ kann die LED 22 mit den Anschlussklemmen 50 und 52 unter Verwendung von leitfähigem Epoxid verbunden sein, welches Silberfragmente oder -teilchen oder andere leitfähige Metalle beinhaltet. Ein Beispiel eines geeigneten Materials beinhaltet einen wärmehärtbaren, elektrisch leitenden Klebefilm, wie etwa Anisotropic Conductive Film 7376-10, erhältlich über 3M™.
Die LED 22 kann einen Spalt 58 zwischen den gedruckten Leitern 18c und 18d überbrücken. Der Wärmeverteiler 14 kann thermisch mit der LED 22 in dem Spalt 58 gekoppelt sein, um durch die LED 22 erzeugte Wärme abzuführen. Die LED 22 kann eine Wärmeleitungskomponente 59 beinhalten, wie etwa eine Metallplatte, die mit dem Gehäuse der LED 22 verbunden oder zumindest teilweise darin eingebettet ist. Wie aus 2 hervorgeht, kann der Wärmeverteiler 14 einen exponierten Abschnitt 60 aufweisen, der sich über die Innenfläche 20 des Polymersubstrats 16 zum Zweck eines direkten Kontakts mit der Metallplatte 59 der LED 22 hinaus erstreckt und einen nicht freiliegenden Abschnitt 62, der sich nicht über die Innenfläche 20 hinaus erstreckt. Der Wärmeverteiler 14 kann derart konfiguriert sein, dass ein Großteil des Wärmeverteilers 14 sich nicht über die Innenfläche 20 hinaus erstreckt und somit kann der Wärmeverteiler 14 so gesehen werden, dass er überwiegend außerhalb der Innenfläche 20 angeordnet ist. Der nicht freiliegende Abschnitt 62 kann vollständig innerhalb des Polymersubstrats (wie dargestellt) eingebettet sein oder der nicht freiliegende Abschnitt 62 kann alternativ sich über eine äußere Fläche 64 des Polymersubstrats 16 hinaus erstrecken. Ein Additiv, wie etwa ein Lötmittel, ein wärmeleitendes Epoxid, Schmiermittel oder dergleichen Beschichtung, kann wahlweise zwischen dem exponierten Abschnitt 60 des Wärmeverteilers 14 und der Metallplatte 59 vorgesehen sein, um die Befestigung der LED 22 an Ort und Stelle zu erleichtern und/oder den Wärmekontakt zwischen der LED 22 und dem Wärmeverteiler 14 zu verbessern.
Obgleich der Wärmeverteiler 14 so dargestellt ist, dass er einen im allgemeinen bogenförmigen Querschnitt aufweist, ist es allerdings so zu verstehen, dass der Wärmeverteiler 14 eine Vielzahl unterschiedlicher Querschnittsformen aufweisen kann, abhängig vom Design des Leuchtenaufbaus. Beispielsweise kann der Wärmeverteiler 14 ein Material sein, welches eine nicht gleichmäßige Dicke aufweist anstelle der bogenförmigen Querschnittsform gemäß 2.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der 3 beinhaltet der Wärmeverteiler 14 einen Abschnitt, der sich jenseits den der Fläche 20 erstreckt, und somit kann der Wärmeverteiler 14 so gesehen werden, dass er zur Gänze außerhalb der Innenfläche 20 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich der Wärmeverteiler 14 nicht in unmittelbarem Kontakt mit der LED 22, kann jedoch thermisch mit der LED 22 durch das Polymersubstrat 16 gekoppelt sein, welches aus einem wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Material hergestellt sein kann. Die durch die LED 22 erzeugte und auf die Leiter 18c-d übertragene Wärme kann auch durch den Wärmeverteiler 14 durch das Polymersubstrat 16 abgeführt werden. Die Metallplatte 59 der LED 22 kann für derart gestaltet sein, dass sie in Wärmekontakt mit dem Polymersubstrat 16 steht, um den Wärmetransfer von der LED 22 zum Wärmeverteiler 14 zu erleichtern. Obgleich der Wärmeverteiler 14 so dargestellt ist, dass er innerhalb des Polymersubstrats 16 eingebettet ist, kann der Wärmeverteiler 14 auch einen Abschnitt aufweisen, der sich über die Außenfläche 64 des Polymersubstrats 16 hinaus erstreckt, um den Oberflächenbereich des Wärmeverteilers 14 und die Menge an abgeführter Wärme zu erhöhen.
Wiederum bezogen auf 1, können die zusätzlichen elektrischen Komponenten 24-26 elektrisch mit den aufgedruckten Leitern 18a-b verbunden sein (beispielsweise die elektrische Komponente 24) oder mit den eingebetteten Leitern 12a-b (beispielsweise die elektrische Komponente 26). Die eingebetteten Leiter 12a-b und der Wärmeverteiler 14 können exponierte Abschnitte auf der Innenfläche 20 des Polymersubstrats 16 für die Kopplung mit einer elektrischen Komponente aufweisen, wie anhand der 1 bis 2 dargestellt ist. Alternativ können die eingebetteten Leiter 12a-b und/oder der Wärmeverteiler 14 vollständig innerhalb des Polymersubstrats 16 eingebettet sein, und eine zusätzliche Komponente, die mit den eingebetteten Konduktoren 12a-b und/oder den Wärmeverteiler 14 gekoppelt ist, kann von der inneren Fläche 20 des Polymersubstrats 16 für die Kopplung der elektrischen Komponente mit den eingebetteten Leitern 12a-b und/oder Wärmeverteiler 14 vorstehen.
Das Polymersubstrat 16 und die erste Polymerlage 28 können dieselbe oder unterschiedlich sein und sind vorzugsweise aus einem nicht-leitenden polymeren Material gebildet, welches um die Komponenten des Leuchtenaufbaus 10 gegossen bzw. gespritzt sein können. Das Polymersubstrat 16 und die erste Polymerlage 28 können um die Komponenten des Leuchtenaufbaus 10 gemäß jedem bekannten Verfahren geformt sein, wobei sich Beispiele hierzu aus der U.S.-Patentschrift Nr. 7,900,482 von Veenstra et al., mit dem Titel „Electrical Device Having Boardless Electrical Component Molding Arrangement“, ausgegeben am 22. März 2011, offenbart sind, wobei diese in der Gänze hierin mit einbezogen ist.
4 illustriert ein beispielhaftes Verfahren 100 zur Bildung des Leuchtenaufbaus 10 gemäß einem sog. Zwei-Schuss-Formverfahren ähnlich dem, welches in der U.S.-Patentschrift 7,900,482 von Veenstra et al. offenbart ist. Das Verfahren 100 kann bei 102 mit der Bildung eines Metallblechs beginnen, welches mindestens zwei leitfähige Schaltelemente aufweist, welche die Basis für die eingebetteten Konduktoren 12a-b bildet. Die mindestens zwei leitfähigen Schaltelemente können durch Schneiden, Biegen und/oder Stanzen einer Metallplatine zur Bildung des Metallblechs mit den gewünschten Leitern 12a-b gebildet werden.
Bei 104 werden alle LEDs oder andere elektrische Komponenten, die elektrisch unmittelbar mit den eingebetteten Leitern 12a-b gekoppelt werden sollen, wie etwa die elektrische Komponente 26, mit den entsprechenden Leitern durch Löten oder dergleichen geeignetes Verfahren verbunden. Bei 106 kann der Wärmeverteiler 14 benachbart des Metallblechs in einer Lage positioniert werden, die der entspricht, wo die LED 22 angeordnet wird. Der Wärmeverteiler 14 kann eine wärmeleitende Komponente sein, die aus demselben Material wie das Metallblech bei 102 oder einem anderen Material gebildet ist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Metallverteiler ein Abschnitt des Metallblechs, welches elektrisch gegenüber dem Stromfluss durch das Blech isoliert ist.
Das auf diese Weise bereitete Blech/Bahn, die elektrischen Komponenten und der Wärmeverteiler 14 bilden eine Schaltungs-Vorform, die in eine Ausnehmung einer Werkzeugform mit einer Form platziert werden kann, die dem ersten Gehäuseabschnitt entspricht, der durch das Polymersubstrat 16 bei 108 gebildet ist. Obgleich der Wärmeverteiler 14 beschrieben ist, dass er in der Formausnehmung gleichzeitig wie das aufbereitete Blech platziert wird, liegt es ebenfalls im Rahmen der Erfindung, in Bezug auf den Wärmeverteiler 14, dass dies ein separates Element ist, welche in den Formhohlraum vor oder nach der Aufbereitung des Blechs platziert wird.
Das erste Polymermaterial ist in geschmolzener Form für den Formhohlraum bei 110 in einem ersten Formschuss zur Bildung des Polymersubstrats 16 vorgesehen, in welchem das Blech, die elektrischen Komponenten und der Wärmeverteiler 14, zumindest teilweise, eingebettet werden. Die Form kann derart konfiguriert sein, dass sie mindestens einen Abschnitt des Wärmeverteilers 14 exponiert an der Innenfläche 20 des Polymersubstrats 16 belässt, wie aus 2 hervorgeht, oder die Form kann derart ausgebildet sein, dass kein Abschnitt des Wärmeverteilers 14 sich über die Innenfläche 20 erstreckt, wie in 3 dargestellt ist. Zusätzliche Abschnitte des Blechs können auch exponiert belassen werden, wenn es für die Kopplung zusätzlicher elektrischer Komponenten mit dem Blech nach dem ersten Formgebungsvorgang erforderlich ist.
Bei 112 können die gedruckten Leiter 18a-d auf die innere Fläche 20 des Polymersubstrats 16 benachbart des Wärmeverteilers 14 aufgedruckt werden. In einem Beispiel können die Leiter 18a-d unter Verwendung eines Druckers mit einem Druckkopf mit X-Y-Bewegungskontrolle relativ zum Polymersubstrat 16 im Rahmen eines additiven Siebdruckverfahrens aufgedruckt werden. Die LED 22 kann elektrisch mit den gedruckten Leitern 18cd und thermisch mit dem Wärmeverteiler 14 in der oben im Zusammenhang mit den 2 und 3 beschriebenen Weise verbunden sein. Zusätzliche elektrische Komponenten 24 können elektrisch mit den gedruckten Leitern 18a-b in gewünschter Weise verbunden sein, um den vervollständigten elektrischen Schaltkreis zu bilden.
Bei 114 kann der vervollständigte elektrische Schaltkreis in eine zweite Formausnehmung mit einer Form platziert werden, die dem zweiten Gehäuseteil entspricht, der durch die erste Polymerlage 28 gebildet ist. Das zweite Polymermaterial kann in geschmolzener Form vorgesehen sein, um wenigstens teilweise die LED 22, die elektrischen Komponenten 24, 26 und die gedruckten Leiter 18a-d in einem zweiten Formgebungsschritt innerhalb der ersten Polymerlage 28 einzubetten, d. h. zu bedecken. Das zweite Polymermaterial kann dasselbe oder unterschiedlich gegenüber dem ersten Polymermaterial im ersten Formgebungsvorgang bei 110 sein. In einem Ausführungsbeispiel kann das zweite Polymermaterial ein Material sein, welches es ermöglicht, dass mindestens ein Teil des von der LED 22 emittierten Lichts durch das zweite Polymermaterial nach außen des Leuchtenaufbaus 10 zum Zwecke der Beleuchtung gelangt. Das zweite Polymermaterial kann transparent, transluzent und/oder gefärbt sein, um emittiertes Licht mit den gewünschten Charakteristika zu erzeugen.
Alternativ kann das Verfahren 10 einen optionalen zusätzlichen Schritt 116 zur Bildung des Linsenteils 30 oberhalb der LED 22 aufweisen. In einem Beispiel kann der Linsenteil 30 in einem dritten Formgebungsverfahren unter Verwendung eines dritten Polymermaterials gebildet werden, welches unterschiedlich zum zweiten Polymermaterial ist, um die gewünschten lichtemittierenden Eigenschaften zu erzeugen. Zusätzlich oder alternativ kann die Ausbildung des Linsenteils 30 die Behandlung des über die LED 22 geformten Polymermaterials beinhalten, um gewünschte lichtemittierende Eigenschaften zu erzeugen. Beispielsweise kann das über die LED 22 gegossene Polymermaterial eine dreidimensionale Form und/oder Textur beinhalten, die konfiguriert ist, um die Verteilung des durch den Linsenteil 30 emittierten Lichts zu steuern. In einem Ausführungsbeispiel kann der Linsenteil 30 aus jedem geeigneten transparenten Material hergestellt sein, wobei nicht-einschränkende Beispiele hiervon Acryle, Polycarbonate, Silikone und ABS-basierte Materialien beinhalten.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der zweite Formgebungsvorgang bei 114 beinhalten, dass eine Öffnung in der ersten Polymerlage 28 in der Fläche oberhalb des LEDs 22 belassen wird, um es zu ermöglichen, dass mindestens ein Teil des durch die LED 22 emittierten Lichts aus dem Leuchtenaufbau 10 ungehindert durch die erste Polymerlage 28 gelangt. In diesem Beispiel kann der Leuchtenaufbau 10 mit einer Vorrichtung gekoppelt sein, wie etwa einem Fahrzeugrücklicht, welches eine Komponente beinhaltet, die als eine Linse für das durch die LED 22 emittierte Licht operieren kann.
Obgleich jedes Polymersubstrat 16 und die erste Polymerlage 28 so beschrieben wurden, dass sie durch einen einzelnen Schuss hergestellt werden, liegt es im Rahmen der Erfindung, dass ein oder mehrere Spritzvorgänge zur Bildung des Polymersubstrats 16 und/oder der ersten Polymerlage 28 eingesetzt werden können.
Jeder der Vorgänge des Verfahrens 100 kann modifiziert werden und zwar abhängig von der Weise, in welcher der elektrische Schaltkreis 11 die elektrischen Komponenten 22-26 und der Wärmeverteiler 14 konfiguriert sind. Beispielsweise in einer Konfiguration, in welcher der Wärmeverteiler 14 innerhalb der ersten Polymerlage 28 anstelle des Polymersubstrats 16 eingebettet ist, wie etwa beim Ausführungsbeispiel gemäß 6, kann der Wärmeverteiler 14 mit dem elektrischen Schaltkreis 11 während des zweiten Formgebungsvorgangs bei 114 zusammengefügt werden anstelle des ersten Formgebungsvorgangs bei 110. In einem weiteren Ausführungsbeispiel, in welchem der elektrische Schaltkreis 11 nicht eingebettete Leiter aufweist, wie etwa in den Ausführungsbeispielen der 6 und 7, kann der erste Formgebungsschuss bei 110 vorgenommen werden, um das Polymersubstrat 16 zu bilden, um die Leiter aufzunehmen, die entweder nach unten gesetzt oder auf das Polymersubstrat 16 gedruckt sind.
II. Betriebsweise
Im Einsatz kann der Leuchtenaufbau 10 mit einer geeigneten Stromquelle durch das Verbindungsteil 32 gekoppelt sein, um elektrischen Strom dem Schaltkreis 11 zuzuführen. Der elektrische Strom kann durch die eingebetteten Leiter 12a-b und die gedruckten Leiter 18a-d fließen, um Strom zu den verschiedenen elektrischen Komponenten 24 bis 26 zu führen, einschließlich der LED 22. Die während des Betriebs der LED 22 durch das LED 22 erzeugte Wärme kann durch den Wärmeverteiler 14 entweder unmittelbar oder durch das Polymersubstrat 16 abgeführt werden.
Der Leuchtenaufbau 10 kann ein Viel-Lagenaufbau sein, wobei die Lagen ein Wärmeverteiler, ein nicht-leitendes Polymermaterial, elektrische Konduktoren und eine LED sind, um das Wärmeenergie-Management zu erleichtern. Ein verbessertes Wärmemanagement kann die Ausbildung von Leuchtenaufbauten mit Blickpunkt auf mehr vorteilhafte elektronische Funktionalität und höhere Energielevels begünstigen, die im Betrieb nicht überhitzen. Im Allgemeinen gilt eine LED als hochenergetisch, falls sie bei 350 mA oder mehr arbeitet und mehr verbraucht als 1 Watt. Beispielsweise kann ein verbessertes Wärmemanagement die Verwendung von dünneren Polymerlagen zur Bildung des Polymersubstrats und der ersten Polymerlage 28 ermöglichen, obgleich vorteilhafte Schaltfunktionen und hohe Leistungs-LEDs ohne Überhitzung ermöglicht werden können. Die Abnahme der Dicke des Polymersubstrats 16 und/oder der ersten Polymerlage 28 kann Materialkosten einsparen und die Flexibilität zur Bereitstellung des gewünschten Formfaktors des Leuchtenaufbaus 10 vergrößern, basierend auf dem endgültigen Verwendungszweck.
Zusätzlich kann die erste Polymerlage 28 eine mechanische Dichtung für Halteelemente des Leuchtenaufbaus 10 an ihrer Stelle geben, und optional eine Feuchteabdichtung ergeben, um die Elektronik gegenüber Feuchteschäden zu schützen. Die Materialien für das Polymersubstrat 16 und die erste Polymerlage 28 können derart gewählt sein, dass die erste Polymerlage 28 mit den exponierten Flächen des Polymersubstrats 16 während des Formgebungsverfahrens verbunden wird. Die verbundene erste Polymerlage 28 kann die Befestigung der LED 22 und weiterer elektrischer Komponenten 24, 26 an ihrem Ort erleichtern, womit die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass diese Komponenten verrückt werden können, und ihre Verbindung mit dem elektrischen Schaltkreis 11 und/oder den Wärmeverteiler 14 verlieren können. Die angebundene erste Polymerlage 28 kann auch die Befestigung der Verbindung zwischen den gedruckten Leitern 18 und den eingebetteten Leitern 12 erleichtern. Die angebundene erste Polymerlage 28 kann auch Feuchtigkeit daran hindern, zum Schaltkreis zu gelangen und dadurch möglicherweise einen elektrischen Kurzschluss der Verbindung zwischen den elektrischen Komponenten 22-26 und den Leitern 12, 18 und zwischen den gedruckten und eingebetteten Leitern 12 und 18 herbeizuführen.
III. Zusätzliche Ausbildungsbeispiele
5 illustriert ein Ausführungsbeispiel eines Leuchtenaufbaus 210, der ähnlich dem Leuchtenaufbau 10 mit Ausnahme der Konfiguration des elektrischen Schaltkreises ist. Deshalb werden Elemente des Leuchtenaufbaus 10, die denen des Leuchtenaufbaus 10 ähnlich sind, mit dem Präfix 200 bezeichnet.
Der Leuchtenaufbau 210 ist ohne der ersten Polymerlage 228 zum Zwecke der Klarheit dargestellt. Das Polymersubstrat 216 erstreckt sich in viele Richtungen und beinhaltet einen Verbindungsteil 232 für den Anschluss des Leuchtenaufbaus 210 an eine geeignete Stromquelle. Der elektrische Kreis 211 beinhaltet eine Kombination mehrerer Leiter 212a-f, die innerhalb des Polymersubstrats 216 eingebettet sind, und mehrere gedruckte Leiter 218a-d, die auf der inneren Fläche 220 des Polymersubstrats 216 aufgedruckt sind. Die gedruckten Leiter 218a-d können an einem oder mehreren eingebetteten Leitern angeschlossen sein, wie etwa eingebettete Leiter 212a-b, um den Stromfluss zu den gedruckten Leitern 218a-d zu schaffen.
Der elektrische Schaltkreis 211 beinhaltet auch mehrere elektrische Komponenten 222-226, die an den eingebetteten Leitern 212a-f oder den gedruckten Leitern 218a-d angeschlossen sind. Beispielsweise können die LEDs 222a-b an die eingebetteten Leiter 212c-d und 212e-f angeschlossen sein, und eine zusätzliche LED 222c kann mit gedruckten Leitern 218c-d verbunden sein. Ein nicht dargestellter Wärmeverteiler kann thermisch mit einer oder mehreren dieser LEDs 222a-c verbunden sein in einer Weise ähnlich der obigen Beschreibung bezüglich der 2 und 3. Zusätzliche elektrische Komponenten, wie etwa elektrische Komponenten 224 und 226, können an andere gedruckte Leiter oder eingebettete Leiter angeschlossen sein, basierend auf dem Design des Schaltkreises.
Die eingebetteten oder gedruckten Leiter 212 und 218 erstrecken sich jeweils über mehrere Ebenen des multi-planaren Polymersubstrats 216 und auf diese Weise kann der Leuchtenaufbau 210 Licht in mehrere Richtungen emittieren aufgrund der LEDs 222 in verschiedenen Ebenen. Die gedruckten Leiter 218 können mit geringeren Breiten und höheren Dichten als die eingebetteten Leiter 212 aufgedruckt werden und begünstigen somit die Erhöhung der Komplexität des Schaltkreises durch Zunahme der Dichten der Konnektoren und/oder Abnahme der Größe des Schaltkreises, wie es für die Aufnahme der gewünschten elektrischen Komponenten erforderlich ist. Die größeren eingebetteten Leiter 212 können, wie gefordert, verwendet werden, basierend auf Leistungserfordernisse der elektrischen Komponenten, die an die eingebetteten Leiter 212 angeschlossen sind. Die gedruckten Leiter 218 sind typischerweise teurer als die eingebetteten Leiter 212 und auf diese Weise können die eingebetteten Leiter 212 verwendet werden, wenn Kosten verringert werden sollen, verglichen mit einem Schaltkreis mit hauptsächlich gedruckten Leitern.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leuchtenaufbaus 310 ähnlich dem Leuchtenaufbau 10 mit Ausnahme der Konfiguration des elektrischen Schaltkreises und des Polymersubstrats. Aus diesem Grund sind Elemente des Leuchtenaufbaus 310 ähnlich denen des Leuchtenaufbaus 10 mit dem Präfix 300 bezeichnet. 6 zeigt einen Abschnitt des Leuchtenaufbaus 310, der eine einzelne LED aufweist; allerdings kann der Leuchtenaufbau 310 Teil eines komplexeren Leuchtenaufbaus sein, der einen größeren elektrischen Schaltkreis und mehrere Komponenten beinhaltet, wie etwa in 1 oder 5 beispielsweise dargestellt ist.
Bei einem Leuchtenaufbau 310 kann das Polymersubstrat 316 in Form einer Folie oder einer Lage aus gegossenem Polymermaterial sein, welches thermisch leitend und elektrisch isolierend ist. Im Allgemeinen gilt, dass der Wärmetransfer zu einem benachbarten Wärmeverteiler 314 umso effizienter ist, je dünner das Polymersubstrat 316 ist. Zusätzliche Faktoren, wie etwa der Formfaktor der Vorrichtung, in welcher der Leuchtenaufbau 310 verwendet werden soll und/oder Herstellungs-Einschränkungen, können ebenfalls die Dicke des Polymersubstrats 316 beeinflussen.
Die Leiter 312a-b können auf das Polymersubstrat 316 in einer Weise ähnlich der obigen Beschreibung bezüglich der gedruckten Leiter des Leuchtenaufbaus 10 gedruckt sein. Alternativ können die Leiter 312a-b nicht-gedruckte Leiter sein, die durch das Polymersubstrat 316 durch Auflage auf der Innenfläche 320 abgestützt sind oder zumindest teilweise innerhalb des Polymersubstrats 316 eingebettet sind. Beispielsweise können die Leiter 312ab unter Verwendung eines Metallblechs gemäß obiger Beschreibung für das Verfahren 100 der 4 geformt sein. In diesem Szenarium können die aufgenommenen Leiter 312a-b teilweise innerhalb des Polymersubstrats 316 eingebettet oder durch die Innenfläche bei 320 derart aufgenommen sein, dass die Leiter 312a-b überwiegend auf der Innenseite des Polymersubstrats angeordnet sind.
Die LED 322 kann elektrisch mit den Leitern 312a-b in einer Weise ähnlich der obigen Beschreibung des Leuchtenaufbaus 10 gemäß 1 gekoppelt sein und zwar durch Löten oder einem leitenden Epoxid. Der Wärmeverteiler 314 kann benachbart der LED 322 für die Abführung von Wärme angeordnet sein, die durch die LED generiert wird. In dem Ausführungsbeispiel der 6 ist der Wärmeverteiler 314 nicht in direktem Kontakt mit der LED 322 und ist zur Gänze außerhalb der inneren Fläche 320 des Polymersubstrats 316 angeordnet. Wärme, die durch die LED 322 erzeugt wird, wird durch die Leiter 312a-b, durch das Polymersubstrat 316 und zu dem Wärmeverteiler 314 abgeführt.
Die erste Polymerlage 328 kann um das LED 322, die Leiter 312a-b, das Polymersubstrat 316 und den Wärmeverteiler 314 geformt sein, um diese Elemente des Leuchtenaufbaus 310 miteinander festzulegen ohne die Verwendung von mechanischen Befestigungselementen. Die erste gegossene Polymerlage 328 kann auch eine Feuchteabdichtung aufweisen, um den Zutritt von Feuchtigkeit gegenüber den elektrischen Verbindungen zwischen der LED 322 und den Leitern 312a-b zu verhindern. Die erste Polymerlage 328 kann um lediglich einen Abschnitt des Wärmeverteilers 314 gespritzt sein, wie dargestellt, derart, dass Abschnitte des Wärmeverteilers 314 gegenüber der Atmosphäre freiliegen oder einer benachbarten Komponente in der endgültigen Vorrichtung, um die Wärmeabführung zu erleichtern. Allerdings kann die erste Polymerlage 328 wahlweise um den gesamten Wärmeverteiler 314 gespritzt sein. Die erste Polymerlage 328 kann zumindest teilweise um den Wärmeverteiler 314 derart gespritzt sein, dass die erste Polymerlage 328 der Wärmeverteiler 314 an Ort und Stelle befestigt ist und/oder ein Kleber kann für die Befestigung des Wärmeverteilers 314 an seinem Ort relativ zur LED 322 verwendet werden.
Der Leuchtenaufbau 310 kann Teil eines komplexeren und mehrdimensionalen Schaltkreises sein, der mehrere elektrische Komponenten beinhaltet. Einzelne Wärmeverteiler 314 können benachbart jeder LED oder anderen elektrischen Komponenten vorgesehen sein, wie es erforderlich ist, um Wärme abzuführen, einschließlich Komponenten, die in unterschiedlichen Ebenen positioniert sind. Dies erlaubt es, die Lage und/oder die Größe des Wärmeverteilers an jede LED anzupassen oder anderer elektrischer Komponenten, und erleichtert die Ausbildung von Leuchtenaufbauten, die komplexeren Formfaktoren Genüge leisten.
Der Leuchtenaufbau 310 kann Teil eines Viel-Komponenten- und viel-dimensionalen Aufbaus sein, ähnlich denen, wie sie in den FIG: 1 und 4 dargestellt sind. Der Leuchtenaufbau 310 kann mit einem elektrischen Schaltkreis verwendet werden, der Leiter beinhaltet, die durch das Polymersubstrat 316 in derselben Weise wie die Leiter 312a-b oder einer Kombination von verschiedenen Arten von Leitern, einschließlich eingebetteten und/oder gedruckten Leitern, aufgenommen sind.
Beispielsweise illustriert 7 einen Leuchtenaufbau 410 ähnlich dem des Leuchtenaufbaus 310 mit der Ausnahme von Unterschieden im elektrischen Stromkreis und der ersten Polymerlage. Elemente des Leuchtenaufbaus 410 ähnlich denen des Leuchtenaufbaus 310 sind mit dem Präfix 400 bezeichnet.
Gemäß der Darstellung in 7 kann der elektrische Schaltkreis 411 Leiter 412a-b beinhalten, die auf der Innenfläche 420 des Polymersubstrats 416 aufgenommen sind, sowie gedruckte Leiter 418a-b, die auf der Innenfläche 420 aufgedruckt sind. Die LED 422 kann elektrisch an die Leiter 412a-b angeschlossen und thermisch mit dem Wärmeverteiler 422 gekoppelt sein. Eine zusätzliche elektrische Komponente 424 kann an die gedruckten Leiter 418a-b angeschlossen sein.
Das Polymersubstrat 416 kann in Form eines Films oder einer Lage von gespritztem Polymermaterial mit einer gewünschten Dicke vorliegen. Die erste Polymerlage 416 kann um das LED 422, die Leiter 412a-b, die Leiter 418a-b, das Polymersubstrat 416 und den Wärmeverteiler 414 geformt sein, um diese Elemente des Leuchtenaufbaus 410 miteinander ohne die Verwendung von mechanischen Befestigungselementen festzulegen und optional eine Feuchteabdichtung zu schaffen, um einen Zutritt von Feuchte zu den elektrischen Anschlüssen im Schaltkreis 411 zu verhindern.
Die Größe und die Anordnung des Wärmeverteilers 414 kann konfiguriert werden, um lediglich die LED 422 anstelle die LED 422 und die elektrische Komponente 424 aufzunehmen. Durch Gestaltung der Größe und der Anordnung des Wärmeverteilers 414, basierend auf Erfordernisse der Wärmeabführung des Schaltkreises, kann die Anzahl der Teile und Materialien verringert werden, welche für den Leuchtenaufbau 411 erforderlich sind und das Design von Leuchtenaufbauten, die multi-dimensional sind, erleichtern.
8 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leuchtenaufbaus 510 ähnlich dem der Leuchtenaufbauten 310 und 410 mit Ausnahme von Unterschieden im elektrischen Schaltkreis, dem Wärmeverteiler und der ersten Polymerlage. Elemente des Leuchtenaufbaus 510 ähnlich denen des Leuchtenaufbaus 310 und 410 sind mit dem Präfix 500 bezeichnet.
Im Ausführungsbeispiel der 8 beinhaltet der Leuchtenaufbau 510 eingebettete Leiter 512a-b, gedruckte Leiter 518a-b, eine LED 522, die elektrisch mit den eingebetteten Leitern 512a-b gekoppelt ist, sowie eine zusätzliche elektrische Komponente 524, die elektrisch an die gedruckten Leiter 518a-b angeschlossen ist. Die erste Polymerlage 528 kann um die LED 522, die Leiter 512a-b, das Polymersubstrat 516, die elektrische Komponente 524 und die gedruckten Leiter 518a-b geformt sein, um diese Elemente zueinander festzulegen und Zutritt von Feuchtigkeit zu den Kontaktstellen des Schaltkreises optional zu verhindern.
Der Wärmeverteiler 514 in diesem Ausführungsbeispiel ist ein separates Bauteil, der nicht mit den anderen Komponenten des Aufbaus 510 durch die überspritzte erste Polymerlage 528 gekoppelt ist. Der Wärmeverteiler 514 kann benachbart der äußeren Fläche 564 des Polymersubstrats 516 befestigt sein unter Verwendung eines Klebers oder mechanische Befestigungsmittel. In einem Ausführungsbeispiel kann der Wärmeverteiler 514 Teil einer Endvorrichtung sein, in welcher der Leuchtenaufbau 510 zum Zwecke der Verwendung vorgesehen ist, und die Kopplung des Leuchtenaufbaus 510 mit der Endvorrichtung koppelt auch den Wärmeverteiler 514 zum Leuchtenaufbau 510. Beispielsweise kann der Wärmeverteiler 510 ein wärmeleitendes Teil einer Lampe sein, wenn die Verwendung mit dem Leuchtenaufbau 510 beabsichtigt ist. Diese Konfiguration kann einen Wärmeverteiler mit einer großen Fläche vorsehen, um die Wärmeabführung zu erleichtern, und kann auch die Herstellung des Leuchtenaufbaus 510 vereinfachen. Es liegt auch innerhalb des Rahmens der Erfindung für die erste Polymerlage 528, dass sie um den Wärmeverteiler 514 für die Befestigung des Wärmeverteilers an Ort und Stelle in einer Weise herumgegossen ist, ähnlich der obigen Beschreibung für die Leuchtenaufbauten 310 und 410.
9 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leuchtenaufbaus 610 ähnlich dem Leuchtenaufbau 10 mit Ausnahme von Unterschieden im elektrischen Schaltkreis, dem Wärmeverteiler und der ersten Polymerlage. Die Elemente des Leuchtenaufbaus 610, die denen des Leuchtenaufbaus 10 ähnlich sind, sind mit dem Präfix 600 bezeichnet. 9 illustriert einen Abschnitt des Leuchtenaufbaus 610, der eine einzelne LED beinhaltet; allerdings kann der Leuchtenaufbau 610 Teil eines komplexeren Leuchtenaufbaus sein, der einen größeren elektrischen Schaltkreis und mehrere Komponenten beinhaltet, wie etwa gemäß beispielsweise den 1 oder 5.
Der Leuchtenaufbau 610 beinhaltet ein Polymersubstrat 616 in Form einer dünnen Folie oder Bahn aus Polymermaterial. Mehrere Leiter 618a-c können auf die Innenfläche 620 des Polymersubstrats 616 für die Stromzuführung zur LED 622 vorgesehen sein. Das Polymersubstrat 616 kann eine Öffnung 668 benachbart der LED 622 beinhalten, durch welche sich eine Wärme-Managementvorrichtung 670 erstreckt, um die LED 622 thermisch mit dem Wärmeverteiler 614 zu koppeln, der auf der äußeren Seite 664 des Polymersubstrats 616 angeordnet ist. Die Wärme-Managementvorrichtung 670 kann eine separate Komponente sein oder kann integral mit dem Wärmeverteiler 614 ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Wärmeverteiler 614 eine geformte Wärmesenke aus Aluminium oder Kupfer sein, die einen angehobenen Abschnitt zur Bildung der Wärme-Managementvorrichtung 670 beinhaltet, die konfiguriert ist, sich durch die Öffnung 668 zu erstrecken, um die LED 622 mit dem Wärmeverteiler 614 zu verbinden.
Das Polymersubstrat 616 kann aus einem nicht-leitenden Material gemäß jedem bekannten Folienformvorgangs hergestellt sein. Das Polymersubstrat 616 kann mit oder ohne der Öffnung 668 vorgeformt sein oder in-line mit einer oder mehreren Komponenten des Leuchtenaufbaus 610 geformt sein. Beispielsweise können die Leiter 618a-c auf das vorgeformte Polymersubstrat 616 aufgedruckt, die thermische Wärme-Managementvorrichtung 670 und der Wärmeverteiler 614 können mit dem Polymersubstrat montiert sein, und die LED 622 kann elektrisch an die Leiter 618a-c angekoppelt sein. In einem weiteren Beispiel kann das Polymersubstrat 616 um die zusammengebaute thermische Managementvorrichtung 670 und den Wärmeverteiler 614 herumgeformt sein.
10 illustriert ein weiteres Beispiel eines Leuchtenaufbaus 710 ähnlich dem Leuchtenaufbau 310 der 6, mit der Ausnahme von Unterschieden im Wärmeverteiler, dem Polymersubstrat und der ersten Polymerlage. Elemente des Leuchtenaufbaus 710 ähnlich denen des Leuchtenaufbaus 310 sind mit dem Präfix 700 bezeichnet. 10 illustriert einen Abschnitt des Leuchtenaufbaus 710, der ein einzelnes LED beinhaltet; allerdings kann der Leuchtenaufbau 710 auch Teil eines komplexeren Leuchtenaufbaus sein, der einen größeren Schaltkreis und mehrere Komponenten beinhaltet, ähnlich beispielsweise den 1 oder 5.
Der Leuchtenaufbau 710 der 10 beinhaltet eine thermische Grenzlage 780, die den Wärmeverteiler 714 und die LED 722 thermisch koppelt, die nicht ein gegossenes Polymersubstratmaterial darstellt. Die thermische Grenzlage kann ein thermisches Grenzmaterial (TIM) sein, das thermisch leitfähig, jedoch elektrisch isolierend ist. Nicht-einschränkende Beispiele dieses geeigneten Wärmegrenzmaterials beinhalten Kupfer, Aluminium oder mit Epoxiden imprägnierte Keramiken sein oder Silikone, Graphit, Kohlenstoff-Nanoröhren, Nano-Kleber, mit Kupfer beschichtete Keramik, mit Aluminium beschichtete Keramik und oxidiertes Aluminium. Die thermische Grenzlage 780 kann zumindest auf eine Innenfläche des Wärmeverteilers 714 benachbart der LED 722 in dem montierten Leuchtenaufbau 710 sein und kann eine separate Lage oder eine Lage sein, die einstückig mit dem Wärmeverteiler 714 ausgebildet ist. In einem Beispiel kann die Wärmegrenzlage 780 durch Oxidation der Innenfläche eines Wärmeverteilers 714 aus Aluminium gebildet sein.
In dem Ausführungsbeispiel der 10 kann die erste Polymerlage 728 und/ oder der Wärmeverteiler 714 die Stützstruktur für den elektrischen Schaltkreis 711 in Abwesenheit einer separaten Polymersubstratlage (wie etwa des Polymersubstrats 316 der 6) sein. Die erste Polymerlage 728 kann funktionieren sowohl als Überformungs-Polymerlage, die eine mechanische Dichtung zum Halten der Elemente des Leuchtenaufbaus 10 zusammen, wie auch ein Substrat zur Aufnahme der Elemente des elektrischen Schaltkreises 711. Der Wärmeverteiler 714 kann optional eine zusätzliche strukturelle Stütze für eine oder mehrere Komponenten des elektrischen Schaltkreises sein. Auf diese Weise kann der Leuchtenaufbau 710 in einem Einzel-Schuss-Formverfahren anstelle eines Mehrfach-Schuss-Formverfahrens hergestellt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Leuchtenaufbau beides, also eine thermische Grenzlage und eine Polymersubstratlage, aufweisen. 11 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leuchtenaufbaus 810 ähnlich dem Leuchtenaufbau 410 der 7 und 710 der 10 mit Ausnahme von Unterschieden im elektrischen Schaltkreis, dem Wärmeverteiler, der thermischen Grenzlage und der ersten Polymerlage. Elemente des Leuchtenaufbaus 810 ähnlich denen der Leuchtenaufbauten 410 und 710 sind mit dem Präfix 800 bezeichnet. 11 illustriert einen Abschnitt des Leuchtenaufbaus 810, der eine einzelne LED beinhaltet; allerdings kann der Leuchtenaufbau 810 auch Teil eines komplexeren Leuchtenaufbaus sein, der einen elektrischen Schaltkreis und mehrere Komponenten beinhaltet, wie es etwa anhand der 1 oder 5 beispielsweise dargestellt ist.
In dem Ausführungsbeispiel der 11 kann das Polymersubstrat 816 eine Öffnung 882 benachbart dem Wärmeverteiler 814 und der LED 822 im zusammengesetzten Leuchtenaufbau 810 aufweisen. Die thermische Grenzlage 880 kann innerhalb der Öffnung 882 vorgesehen sein, um die LED 822 und den Wärmeverteiler 814 thermisch zu koppeln. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Polymersubstrat 816 eine strukturelle Stütze für den elektrischen Schaltkreis 811 in einer Weise ähnlich der obigen Beschreibung der vorhergehenden Ausführungsbeispiele geben, wobei die thermische Grenzlage 880 den Wärmetransfer zwischen der LED 822 und dem Wärmeverteiler 814 erleichtert.
Hierbei ist es so zu verstehen, dass es im Rahmen der Erfindung liegt, dass jede der Leuchtenaufbauten 10, 210, 310, 410 und 510, die hierin beschrieben sind, in einem Ein-Schuss-Formprozess ohne ein separates Polymersubstrat hergestellt werden kann und eine thermische Grenzlage beinhaltet, um den Wärmeverteiler und die elektrische Komponente in einer Weise thermisch zu koppeln, die ähnlich der obigen Beschreibung für den Leuchtenaufbau 710 der 10 ist. Zusätzlich ist es auch so zu verstehen, dass es im Rahmen der Erfindung liegt, dass jede der Leuchtenaufbauten 10, 210, 310, 410 und 510, die hierin beschrieben sind, ein Polymersubstrat gemäß einem Vielfach-Schuss-Formverfahren beinhaltet, zusätzlich zu einer thermischen Grenzlage für die thermische Kopplung des Wärmeverteilers und der elektrischen Komponente in einer Weise ähnlich der obigen Beschreibung für den Leuchtenaufbau 810 der 11.
Obgleich die Ausführungsbeispiele der Leuchtenaufbauten 10, 210, 310, 410, 510, 610, 710 und 810 hauptsächlich im Kontext einer thermischen Kopplung eines Wärmeverteilers mit einer LED beschrieben sind, ist es zusätzlich so zu verstehen, dass ein Wärmeverteiler auch mit beispielhaft jeglicher anderer elektrischer Komponente anders als eine LED in einer ähnlichen Weise gekoppelt werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
IV. Schlussfolgerung
Die hierin beschriebenen Leuchtenaufbauten können mehrere Kriterien bezüglich Halbleiter-Leuchten-Anwendungen unter Verwendung von LEDs adressieren. Beispielsweise integrieren die Leuchtenaufbauten, die hier beschrieben sind, den elektrischen Schaltkreis mit einem polymeren Substrat, das in eine gewünschte dreidimensionale Form geformt oder gegossen werden kann. Der Wärmeverteiler kann auch in den Leuchtenaufbau integriert sein, indem der Wärmeverteiler innerhalb des Polymersubstrats eingebettet und/oder dass die erste Polymerlage um den Wärmeverteiler gegossen wird. Die Integration des elektrischen Schaltkreises und/oder des Wärmeverteilers kann auch Arbeits- und Herstellungskosten verringern im Vergleich zu Aufbauten, welche mehrere separate Komponenten und Unterkomponenten verwenden. Die Integration des elektrischen Schaltkreises und/oder des Wärmeverteilers in das Polymersubstrat oder die erste Polymerlage, die in komplexe und dreidimensionale Formen geformt oder gegossen werden kann, erhöht zusätzlich die Fähigkeit, Endanwendungsfällen ohne das Erfordernis komplexer Formfaktoren zu genügen.
Die Möglichkeit, die LEDs in verschiedene Ebenen zu platzieren, kann verwendet werden, um Licht in eine bestimmte Richtung zu bringen, was die Effizienz der Endverwendung der Vorrichtung erhöhen kann. Beispielsweise kann eine Deckenleuchte, welche ein isotropes Strahlungsmuster von Licht erzeugt, tendieren, um einen Hot-Spot von Licht direkt darunter zu erzeugen. Die Leuchtbirne in der Deckenleuchte kann durch den Leuchtenaufbau gemäß der obigen Beschreibung ersetzt werden, welche mehrere LEDs beinhaltet, um so ein nicht-isotropes Strahlungsmuster zu erzeugen, das eine mehr gleichmäßige Verteilung von Licht über dem Boden schafft. Das gleichmäßiger verteilte Licht kann dem Betrachter heller erscheinen, sogar dann, wenn der gesamte Lichtauslass von der Deckenleuchte derselbe ist. Die Fähigkeit, Lichtmuster zu steuern ist vorteilhaft für die Erzeugung von Leuchtprodukten, die bestimmten Performance-Spezifikationen gerecht werden müssen, während weniger Licht und damit weniger Energie erforderlich ist.
Ein traditioneller Leuchtenaufbau beinhaltet typischerweise eine gedruckte Schaltplatte und würde mehrere Platten und Schaltungsverbindungen erfordern, um ein multidirektionales Licht zu gewährleisten, wo die Elektronik den Formfaktor der Endverwendungsvorrichtung entspricht. Solch eine Vorrichtung würde in punkto Größe und Komplexität der multi-dimensionalen Form des Leuchtenaufbaus begrenzt sein. Gedruckte Leiter können verwendet werden, um einen Schaltkreis zu erreichen, der besser der Kontur der Endverwendungsvorrichtung entspricht. Allerdings können gedruckte Leiter lediglich einen geringen Betrag an elektrischer Energie liefern und führen einen geringen Betrag an Wärmeenergie ab, und somit ist eine Konstruktion, die lediglich gedruckte Leiter beinhaltet, im Allgemeinen nicht in der Lage, die Leistungslevel zu erreichen, die für eine allgemeine Beleuchtungsfunktionalität notwendig sind. Die Vorgabe des Schaltkreises mit lediglich einer Metallblechkonstruktion kann den Formfaktor und die Leistungskapazität erhöhen, verglichen mit einer Vorrichtung, die lediglich gedruckte Leiter verwendet, allerdings sind die Bahnen im Allgemeinen zu groß, um die Elektronik aufzunehmen, die erforderlich ist, um die vorteilhafte elektronische Funktionalität zu gewährleisten, die in komplexeren Leucht-Designs erforderlich ist.
Die Leuchtenaufbauten, die hierin beschrieben sind, verwenden Leiter, die durch das Polymersubstrat in einer Kombination unterschiedlicher Arten verwendet sind, wie etwa Bedruckung und Einbettung, um einen Schaltkreis zu gewährleisten, der dem Erfordernis des elektrischen Stroms der Komponenten genügt sowie der Komponentendichte. Die Kombination mehrerer traditioneller Arten von Leitern mit gedruckten Leitern kann Materialkosten einsparen, indem lediglich gedruckte Leiter, wo erforderlich, verwendet werden.
Die Anzahl, Größe und Anordnung der Wärmeverteiler kann auch ausgelegt werden, basierend auf dem Design des Leuchtenaufbaus. Die Verwendung von Wärmeverteilern lediglich dort, wo es erforderlich ist, kann Kosten für Material und Herstellung sparen, sowie zur Erfüllung komplexer dreidimensionaler Erfordernisse des Formfaktors beitragen. Die Verwendung von Wärmeverteilern mit dem Polymersubstrat und den aufgenommenen Leitern kann das Wärmemanagement des Aufbaus verbessern, wodurch komplexere und hochstromige Leuchtengestaltungen möglich sind.
Die obige Beschreibung ist die von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung. Verschiedene Abänderungen und Wechsel können gemacht werden, ohne den Geist und breitere Aspekte der Erfindung zu verlassen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, welche zu interpretieren sind nach Maßgabe der Prinzipien einer patentrechtlichen Doktrin von Äquivalenten. Entsprechend können verschiedene Merkmale und Strukturen der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Beleuchtungsaufbauten 10, 210, 310, 410, 510, 610, 710 und 810 in Kombination mit anderen, je nach Wunsch, verwendet werden. Der Umstand, dass ein Merkmal nicht in allen Ausführungsbeispielen illustriert ist, bedeutet nicht, dass dieses nicht realisiert werden kann, vielmehr sollte dies lediglich zum Zwecke der Kürzung der Beschreibung dienen. Somit können verschiedene Merkmale von den verschiedenen Ausführungsbeispielen der Leuchtenaufbauten 10, 210, 310, 410, 510, 610, 710 und 810 gemischt und gewünscht für die Formung der Ausführungsbeispiele aufbereitet werden, unabhängig davon, ob diese neuen Ausführungsbeispiele hierin ausdrücklich offenbart sind oder nicht.
Die hierin dargelegte Offenbarung soll auch nicht so interpretiert werden, als dass sie eine erschöpfende Beschreibung aller Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen würde, oder den Umfang der Ansprüche auf spezifische Elemente beschränken würde, die illustriert oder in Verbindung mit diesen Ausführungsbeispielen beschrieben sind. Beispielsweise und ohne jedwede Beschränkung kann jedes einzelne Element der beschriebenen Erfindung durch ein oder mehrere alternative Elemente ersetzt werden, die im Wesentlichen ähnliche Funktionalität oder einen adäquaten Betrieb ermöglichen. Dies beinhaltet beispielsweise gegenwärtig bekannte alternative Elemente, wie solche, die dem Fachmann gemeinhin bekannt sind, sowie alternative Elemente, die in Zukunft entwickelt werden können und dem Fachmann als Alternative in anerkannter Weise dann zu Gebote stehen.
Die Erfindung ist nicht auf Details der Betriebsweise oder auf Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten gemäß obiger Beschreibung und Darstellung in den Zeichnungen beschränkt. Die Erfindung kann in verschiedene andere Ausführungsbeispiele implementiert und in alternativer Weise gegenüber der Offenbarung hierin durchgeführt und ausgeführt werden.
Die Terminologie, die hierin verwendet wurde, dient allein dem Zwecke der Beschreibung und sollte ebenfalls nicht als einschränkend betrachtet werden. Die Verwendung von „aufweisen“ und „umfassen“ und Abänderungen hiervon sind so gemeint, dass sie nachfolgend aufgelistete Ausdrücke umfassen und ebenfalls Äquivalente hiervon sowie zusätzliche Gegenstände und Äquivalente. Ferner kann eine Aufzählung in der Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele verwendet werden, jedoch anders gegenüber einer ausdrücklichen Darlegung kann die Verwendung einer Aufzählung nicht als einschränkend für die Erfindung mit Blickpunkt auf irgendeine spezifische Reihe oder Anzahl von Komponenten betrachtet werden. Noch soll die Verwendung einer Aufzählung so ausgelegt werden, als wenn sie irgendwelche zusätzlichen Schritte oder Komponenten, die mit oder in den aufgezählten Schritten oder Komponenten kombiniert werden können, vom Schutzumfang der Erfindung ausgeschlossen wären.
Das offenbarte Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Anzahl von Merkmalen, die im Zusammenhang beschrieben sind und die zusammen eine Summierung von Vorteilen bringen kann. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf lediglich diese Ausführungsbeispiele eingeschränkt, die alle diese Merkmale beinhalten oder alle der genannten Vorteile aufweisen.
Jeder Bezug auf Elemente im Singular, beispielsweise unter Verwendung der Artikel „ein“, „eine“, „der“, „die“, „das“ oder „besagte“ darf nicht als einschränkend auf das Element in Singularform verstanden werden.
Gerichtete Ausdrücke, wie etwa „vordere“, „rückwärtige“, „vertikal“, „horizontal“, „Spitze“, „Boden“, „oberer“, „unterer“, inneren“, „innen“, „außen“ und „auswärts“ werden nur zur Beschreibung der Erfindung, basierend auf die Ausrichtung der Ausführungsbeispiele gemäß den Illustrationen“ verwendet. Die Verwendung von diesen gerichteten Termina sollte nicht als die Erfindung auf eine spezifische Orientierung beschränkend verstanden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7900482 [0019, 0020]

Claims

Leuchtenaufbau, umfassend ein Polymersubstrat; einen elektrischen Schaltkreis mit zwei durch das Polymersubstrat gestützten Leitern; einer LED, die elektrisch mit den zwei Leitern gekoppelt ist; und einen Wärmeverteiler, der mit der LED thermisch gekoppelt ist.
Leuchtenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymersubstrat eine Öffnung begrenzt, und dass der Wärmeverteiler thermisch mit der LED über die Öffnung gekoppelt ist.
Leuchtenaufbau nach Anspruch 1, umfassend eine erste Polymerlage, die ein thermoplastisches Material aufweist, welches um wenigstens einen Umfang der zwei Leiter, den Wärmeverteiler und Kombinationen hiervon umgeformt ist.
Leuchtenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die LED sich nicht in direktem Kontakt mit dem Wärmeverteiler befindet.
Leuchtenaufbau nach Anspruch 1, umfassend ein thermisch leitendes und elektrisch isolierendes Material zwischen der LED und dem Wärmeverteiler.
Leuchtenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Leiter durch Aufdrucken auf das erste Polymersubstrat und/oder durch mindestens teilweise Einbettung innerhalb des ersten Polymersubstrats gebildet ist bzw. sind.
Leuchtenaufbau, umfassend: ein Polymersubstrat; einen elektrischen Schaltkreis, umfassend: ein erstes Paar von Leitern, die zumindest teilweise innerhalb des Polymersubstrats eingebettet sind; sowie ein zweites Paar von Leitern, die auf dem Polymersubstrat gedruckt sind; eine LED, die elektrisch mit dem elektrischen Schaltkreis gekoppelt ist; und einen Wärmeverteiler, der thermisch mit der LED gekoppelt ist.
Leuchtenaufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Paar von Leitern elektrisch mit dem ersten Paar von Leitern gekoppelt ist.
Leuchtenaufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die LED sich nicht in direktem Kontakt mit dem Wärmeverteiler befindet.
Leuchtenaufbau nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein thermisch leitendes und elektrisch isolierendes Material zwischen der LED und dem Wärmeverteiler aufweist.
Leuchtenaufbau nach Anspruch 7, umfassend eine erste Polymerlage, die um wenigstens einen Umfang der LED geformt ist.
Leuchtenaufbau nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Polymerlage mindestens eine mechanische Abdichtung und/oder eine Feuchtigkeitsabdichtung um die LED, das erste Paar von Leitern, und das zweite Paar von Leitern bildet.
Leuchtenaufbau nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeverteiler mindestens teilweise innerhalb der ersten Polymerlage eingebettet ist.
Leuchtenaufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Abschnitt des elektrischen Schaltkreises in einer ersten Ebene und ein zweiter Abschnitt des elektrischen Schaltkreises in einer zweiten Ebene, unterschiedlich zur ersten Ebene, angeordnet ist.
Leuchtenaufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die LED elektrisch mit dem ersten Paar von Leitern gekoppelt ist.
Verfahren zur Bildung eines Leuchtenaufbau, umfassend: Bildung eines Polymersubstrats mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten; Bildung eines elektrischen Schaltkreises mit zwei Leitern, die auf der ersten Seite des Polymersubstrats aufgenommen sind; elektrisches Ankoppeln einer LED mit den zwei Leitern; thermisches Koppeln eines Wärmeverteilers mit der LED, wobei der Wärmeverteiler mindestens hauptsächlich auf der zweiten Seite des Polymersubstrats angeordnet ist; und Über-Formung einer ersten Polymerlage über mindestens Abschnitte der LED, die zwei Leiter und das Polymersubstrat.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Polymerlage um mindestens einen Abschnitt des Wärmeverteilers über-geformt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Überformung der ersten Polymerlage mindestens eine mechanische Abdichtung und/oder eine Feuchtigkeitsabdichtung zwischen der LED, den zwei Leitern und dem Polymersubstrat bildet.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeverteiler zur Gänze auf der zweiten Seite des Polymersubstrats angeordnet ist und sich die LED nicht in direktem Kontakt mit dem Wärmeverteiler befindet.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Schaltkreis gebildet wird, der das Aufdrucken von zwei Leitern auf die erste Seite des Polymersubstrats umfasst.