DE19528459C2 - Kühlung für ein mit LED's bestücktes Leuchtaggregat - Google Patents

Description

Es sind Leucht- und optische Anzeigeeinrichtungen bekannt, bei denen in eine Leiterplatte LEDs eingesetzt sind, wobei die LEDs in einem vorgegebenen Muster in die Leiterplatte eingesetzt sind. Die Leiterplatte ist eine Trägerplatte aus elektrisch isolierendem Material, auf der ein elektrischer Stromkreis bzw. eine elektrische Schaltung derart angeordnet ist, dass der für den Betrieb der LEDs notwendige Strom zentral aufgenommen und auf die LEDs verteilt wird. Die Schaltung ist auf der Trägerplatte mittels verschiedener bekannter Verfahren angeordnet, insbesondere durch Drucken oder Ätzen. Gegenüber den z. B. im Haushalt allgemein üblichen Lichtquellen, den "Glühbirnen", haben die LEDs den Hauptvorteil geringerer Wärmeentwicklung. Trotzdem kann die Wärmeentwicklung den Einsatz von LEDs begrenzen, wenn beispielsweise eine mit vielen LEDs bestückte Leiterplatte in einem geschlossenen, allenfalls mit Entlüftungsöffnungen versehenen Gehäuse angeordnet ist, wie es beispielsweise bei Verkehrsampeln der Fall ist.

Aus der DE 90 03 623 U1 ist eine Vorrichtung zum Abführen der Verlustwärme von einer Leiterplatte bekannt geworden, bei der auf der den Bauteilen abgewandten Leiterbahnseite einer Leuchtdioden tragenden Leiterplatte ein metallischer Kühlkörper angebracht ist, welcher mit der Leiterplatte vermittels einer weichelastischen, wärmeleitenden Vergussmasse in Verbindung steht.

Aus der DE 88 15 418 U1 ist ein Infrarot-Scheinweinwerfer bekannt geworden, welcher aus einer Vielzahl von auf einer gemeinsamen Trägerplatte befindlichen LEDs zusammengesetzt ist, wobei vermittels Silikonkleber auf der den Bauteilen abgewandten Leiterbahnseite der Trägerplatte ein metallischer Kühlkörper mit Kühlrippen angebracht ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Leuchtaggregates mit einer mit LEDs bestückten Leiterplatte, dessen Einsatz durch erhöhte Temperaturentwicklung nicht oder doch zumindest wesentlich weniger als bisher eingeschränkt ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Ansprüchen, und diese Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Aggregat mit einer mit LEDs bestückten Leiterplatte schematisch im Querschnitt dargestellt.

In die eigentliche Leiter- bzw. Trägerplatte 1 sind von der einen Seite her eine Vielzahl von LEDs 2, ein bestimmtes Muster bildend, eingesetzt.

Die Vorderseite der Leiter- bzw. Trägerplatte 1 ist durch die LEDs gekennzeichnet, auf der Rückseite, gegebenenfalls auf den beiden Oberseiten der Platte 1 befindet sich die Schaltung 3, mit der den LEDs die zu ihrem Betrieb notwendige Energie zugeführt wird und mit der die LEDs mit Stiften 2a verbunden sind. Beim Betrieb dieser Baugruppe aus Platte 1 und LEDs 2 bildet sich insbesondere im Bereich der LEDs 2 eine erhöhte Temperatur aus, indem die LEDs 2 selbst, ihre Stifte 2a, die Schaltung 3 und schließlich die Platte 1 selbst insbesondere in der Umgebung der LEDs warm werden.

Erfindungsgemäß soll nun dieser erhöhten Temperaturentwicklung entgegengewirkt werden dadurch, daß Wärme in zweckmäßiger Weise abgeführt wird. Hierzu ist auf jeder Seite der Trägerplatte 1 ein Wärme gut aufnehmendes und abgebendes Mittel 4, 5 angeordnet, das Wärme von der Trägerplatte 1 abführt und an die Umgebung abgibt. Es handelt sich um jeweils eine Kühlbeschichtung oder eine Kühlplatte, vorzugsweise aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Wichtig ist ein Kontakt mit gutem Wärmeübergang; der Einfachheit halber wird von Platten 4, 5 gesprochen, obwohl es sich auch um aufgetragene Schichten handeln kann. Finden Platten Verwendung, so kann insbesondere die rückseitige Platte 4 aus mehreren Teilplatten, die in einer Ebene liegen, zusammengesetzt sein.

Zwischen jeder der Wärme abgebenden Platten 4, 5 und der Ober- bzw. Unterseite der Trägerplatte 1 ist nun erfindungsgemäß eine Schicht 6 bzw. 7 angeordnet. Die Schichten 6, 7 sollen einen guten Wärmeübergang zwischen der Trägerplatte 1 bzw. den LEDs 2, 2a und den Wärme abgebenden Platten 4, 5 nicht behindern, gegebenenfalls sogar begünstigten und gleichzeitig das gesamte Aggregat in sich stabilisieren und den Durchgang von Feuchtigkeit zwischen beiden Seiten der Trägerplatte unterbinden und schließlich eine zuverlässige Haftung zwischen den Wärme abgebenden Platten 4, 5 und der Trägerplatte 1 gewährleisten. Andererseits sollen die Schichten 6, 7 elektrisch isolieren. Es handelt sich beispielsweise um Schichten 6, 7 aus elektrisch isolierendem Material, in das Wärme­ brücken eingebaut sind, die zwar dem Wärmetransport dienen, die elektrisch isolierende Wirkung aber nicht beeinträchtigen. Der Schichtwerkstoff kann beispielsweise ein Epoxidharz sein, in dem die Wärmebrücken von Partikeln gebildet sind, die wärme- nicht aber elektrisch leitend sind. Infrage kommen beispielsweise Korund oder entsprechend ausgelegte Kunststoffe. Die Schichten können aus entsprechendem Material gefertigt und angelegt sein. Sie können aber auch an Ort und Stelle hergestellt werden, indem beispielsweise die für die Schichten bestimmten Freiräume als geschlossene Hohlräume ausgebildet werden, in die die einzelnen Materialkomponenten eingeführt werden und durch entsprechende Behandlung zu den Schichten zusammengefügt werden. Es kann sich beispielsweise um Material in Granulatform handeln, dessen einzelne Partikel durch die Zuführung von Wärme zusammenbacken oder die duch die Zufuhr von Wärme so weit erweicht werden, daß sie zu homogenen Schichten ineinander fließen. Auch können die Komponenten in fluidisierter Form eingebracht werden, aufschäumen und anschließend zu einem starren homogenen Körper erstarren. Die Dicke der Schichten 6, 7 soll so bestimmt werden, daß die genannten Kriterien optimal erfüllt sind. Die Dicke der Schicht 7 soll außerdem noch so bemessen sein, daß die Unterbringung von Aggregaten zur Ansteuerung der LEDs möglich ist. Die Gewährleistung eines guten Wärmetransports läßt es nicht zu, daß die Dicken der Schichten 6, 7 einen Höchstwert überschreiten. Der Wunsch, in der Schicht 7 Aggregate unterzubringen, läßt es nicht zu, daß die Dicke der Schicht 7 einen Mindestwert unterschreitet. Die sich aus den genannten Kriterien ergebende optimale Dicke der Schicht 7 läßt es zu, den Wärmeübergang zwischen den LEDs und der Schicht 7 zu verbessern. Deshalb sind die Stifte 2a der LEDs nicht nur an die Schaltung 3 herangeführt, um mit dieser verbunden zu sein, sondern sind diese Stifte 2a mit Verlängerungen 2a' über die Schaltung 3 hinaus verlängert und in der Schicht 7 so verankert, daß der Wärmeübergang zwischen den Stiftverlängerungen 2a' und der Schicht 7 optimiert ist.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn unter Einhaltung vorgegebener Abstände die Wärme abgebenden Platten 4, 5 gegenüber der Trägerplatte 1 provisorisch fixiert, beispielsweise verschraubt werden und dann die Spalte zwischen der Trägerplatte 1 und den Wärme abgebenden Platten 4, 5 mit je einer Schicht, z. B. Epoxydharzschicht 6, 7 ausgegossen werden, wobei dieses Epoxydharz mit wärmeleitenden Partikeln so durchsetzt ist, daß eine große Anzahl von Wärmebrücken zwischen beiden Seiten der Epoxydharzschichten besteht, ohne daß die notwendige Fixier-, Isolier- und verbindende Wirkung des Epoxydharzes unzulässig beeinträchtig ist. Unter Isolierung wird in diesem Zusammenhang sowohl Isolierung gegen Feuchtigkeits- als auch Stromdurchtritt verstanden. Auf der Vorderseite soll der Abstand zwischen Trägerplatte 1 und Wärme abgebender Fläche 5a unter Berücksichtigung der vorgenannten Kriterien so bemessen sein, daß die LEDs 2 gerade noch ausreichend aus der Fläche herausragen, ohne die optischen Eigenschaften der LEDs zu behindern. Sämtliche Durchgänge zwischen den beiden Innenflächen der Wärme abgebenden Platten 4, 5 sollen mit Epoxydharz verschlossen sein. Zur Verbesserung der Wärmeabführung soll die Wärme abgebende Platte 4 auf der Rückseite des gesamten Aggregates vorzugsweise mit Kühlrippen 8 versehen sein, die im Fall der Verwendung von Teilplatten, die in ihrer Gesamtheit die Kühlplatte 4 bilden, den Teilplatten in entsprechender Anzahl zugeordnet sind.

Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn eine Gruppe von LEDs in die aus Aluminium bestehende, das ganze Aggregat nach vorn abdeckende Platte 5, die demnach die Frontplatte des Aggregates ist, integriert und auf der Leiter- bzw. Trägerplatte 1 aufgesetzt und mit ihr verlötet wird, wobei die Leiter- bzw. Trägerplatte 1 zwischen der Frontplatte 5 und dem hinteren Kühlkörper aus Platte 4 und Kühlrippen 8, die auch Stifte sein können, mit einem wärmeleitfähigen homogenen Verguß 6, 7, von diesem allseits umgeben, gehalten ist. Die Frontplatte 5 dient als Grundträger des Aggregates bzw. Leuchtenkörpers und zu dessen Befestigung in einem Gehäuse. Durch parallele Bohrungen 5b in der Frontplatte werden die mechanischen und optischen Achsen A der LEDs parallel ausgerichtet. Dadurch entfällt die bisher übliche Ein­ zelausrichtung von Hand und die Ausrichtung ist für die gesamte Lebensdauer des Aggregates gewährleistet. Die Verlustwärme beim Betrieb der LED-Leuchte wird über den Verguß 6, 7 von den LEDs, den Stiftender LEDs und der Leiterplatte sowohl an die Frontplatte als auch den hinteren Kühlkörper geleitet und dort an die Umgebungsluft abgegeben. Die Wärme ist hierdurch gleichmäßig über den gesamten Leuchtenkörper verteilt. Der Verguß nimmt die Verlustwärme rasch auf und leitet sie an die Wärme abgebenden Platten 4, 5 weiter. Bei senkrecht stehenden Kühlrippen an den Kühlkörpern ist eine gute Wärmeabgabe an die Umgebung gewährleistet. Eine vollständige Isolierung gegen Elektrizität und Feuchtigkeit wird ebenfalls durch den Verguß gewährleistet, da sämtliche elektrischen Bauteile und Leitungen, außer der Versorgungsleitung, vom Verguß eingeschlossen sind. Durch die bindende Wirkung des Vergusses, ist eine mechanisch feste Verbindung zwischen allen Bauteilen gegeben.

Claims (11)

1. Leuchtaggregat aus einer Trägerplatte (1), die auf der einen Seite mit eingekapselten LEDs (2) bestückt ist, denen der notwendige Betriebstrom über eine auf der Trägerplatte angeordnete Schaltung (3) zugeführt wird, mit einer Wärme abgebenden Fläche (5a), die zumindest der einen Seite der Trägerplatte zugeordnet und mit dieser so verbunden ist, daß ein guter Wärmeübergang von der Trägerplatte zur Wärme abgebenden Fläche gewährleistet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wärme abgebende Fläche (5a) eine Außenseite einer zusätzlichen Kühlschicht oder Kühlplatte (5) ist, welche auf der Seite der Trägerplatte (1) angeordnet ist, die mit den LEDs (2) bestückt ist.

2. Leuchtaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Seite der Trägerplatte (1) eine Wärme abgebende Fläche (4a, 5a) zugeordnet ist, wobei die die Wärme abgebenden Flächen (4a, 5a) durch die Außenseiten von Kühlschichten oder Kühlplatten (4, 5) gebildet werden, und jeweils eine Kühlschicht oder Kühlplatte jeweils auf einer der beiden Seiten der Trägerplatte angeordnet ist, derart, daß jeweils ein guter Wärmeübergang zwischen der Trägerplatte (1) und der Wärme abgebenden Fläche gewährleistet ist.

3. Leuchtaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeder Kühlschicht bzw. Kühlplatte (4, 5) und der Trägerplatte (1) eine Zwischenschicht (6, 7) angeordnet ist, die eine gute Haftung der Kühlschichten bzw. Kühlplatten an der Trägerplatte gewährleistet, elektrisch isolierend ist, den Feuchtigkeitsdurchgang zwischen den Wärme abgebenden Flächen unterbindet und den Wärmeübergang zwischen Trägerplatte und Wärme abgebenden Flächen allenfalls geringfügig behindert.

4. Leuchtaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichten Vergußkörper sind, z. B. aus einem Epoxydharz bestehen, das mit Wärme leitenden Partikeln so versetzt ist, daß Wärmebrücken zwischen beiden Seiten jeder der Zwischenschichten bestehen.

5. Leuchtaggregat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel wärmeleitend, nicht aber elektrisch leitend, beispielsweise Quarzmehl, Korund oder entsprechende Kunststoffe sind.

6. Leuchtaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der oder die Wärme abgebende(n) Kühlplatte(n) (4, 5) Wärme abstrahlende Rippen (8) aufweist.

7. Leuchtaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der mit den LEDs (2) bestückten Seite der Trägerplatte (1) angeordnete Kühlplatte (5) mit Öffnungen (5b) für die durch die Öffnungen geführten und ausgerichteten LEDs (2) versehen ist.

8. Leuchtaggregat nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch die Bestimmung der Dicke beider Zwischenschichten (6, 7) derart, daß gute Haftung zwischen Kühlschicht bzw. Kühlplatte (4, 5) und Trägerplatte (1) sowie optimaler Wärmeübergang gewährleistet sind.

9. Leuchtaggregat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der den LEDs abgekehrten Zwischenschicht (7) so bemessen ist, daß Steueraggregate für die LEDs in sie eingebaut sein können.

10. Leuchtaggregat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die LEDs mit Verlängerungen (2a') der Füße bzw. Stifte (2a) über die Schaltung (3) hinaus in die Zwischenschicht (7) hineinragen und zwischen den Verlängerungen und der Zwischenschicht ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtaggregats nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme abgebenden Kühlschichten bzw. Kühlplatten zunächst durch Hilfsmittel in einem vorgegebenen Abstand von der Trägerplatte fixiert werden und daß die Spalte zwischen Trägerplatte und Kühlplatten bzw. Kühlschichten mit einem klebenden Vergußkörper, z. B. Epoxydharz, ausgegossen werden.