DE19928576A1 - Oberflächenmontierbares LED-Bauelement mit verbesserter Wärmeabfuhr - Google Patents

Oberflächenmontierbares LED-Bauelement mit verbesserter Wärmeabfuhr

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein oberflächenmontierbares LED-Bauelement, welches zur Verbesserung der Wärmeabfuhr Montageflächen (12A, 22A, 13A; 32A, 42A, 33A) aufweist, die mindestens zum Teil außerhalb der äußeren Begrenzung des Bauelements liegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein oberflächenmontierbares LED-Bau­ element nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine LED kann in der Oberflächenmontagetechnik (SMT, surface mount technology) auf einer Leiterplatte montiert werden. Da­ bei wird vorzugsweise eine LED-Bauform verwendet, wie sie in dem Artikel "SIEMENS SMT-TOPLED für die Oberflächenmontage" von F. Möllmer und G. Waitl in der Zeitschrift Siemens Compo­ nents 29 (1991), Heft 4, S. 147 beschrieben und in Fig. 1A, B dargestellt ist. Ein solches Bauelement enthält zwei Leiter­ bahnzuführungen 2, 3 und ein Gehäuse 1, welches in Form einer Umspritzung aus einem hochtemperaturfesten Thermoplast um die Leiterbahnzuführungen hergestellt wird. Innerhalb des Bauele­ ments ist eine LED 4 mit ihrem Rückseitenkontakt auf einem horizontalen Endabschnitt von einer der Leiterbahnzuführungen montiert, während der Vorderseitenkontakt der LED 4 durch ei­ nen Bonddraht mit dem horizontalen Endabschnitt der anderen Leiterbahnzuführung verbunden ist. Der als Gehäusevertiefung gebildete Raum zwischen der LED 4 und einer Lichtaustritts­ ebene ist mit einem transparenten Material 5 wie Epoxidharz ausgefüllt, wobei der Raum mit abgeschrägten, reflektierenden Seitenwänden 6 gebildet ist. Die Leiterbahnzuführungen 2, 3 werden an den Außenflächen gegenüberliegender Seiten des Bau­ elements zu einer der Lichtaustrittsebene gegenüberliegenden Montageebene des Bauelements geführt, wo sie in Form von Mon­ tageflächen auslaufen. An diesen Montageflächen kann das Bau­ element beispielsweise durch einen SMD-Bestückungsautomaten auf Lötpads einer Platine aufmontiert werden. Die Form des LED-Bauelements erweist sich dabei als äußerst kompakt und erlaubt gegebenenfalls die Anordnung einer Vielzahl von der­ artigen LED-Bauelementen in einer Reihen- oder Matrixanord­ nung.
Innerhalb des Gehäuses eines derartigen LED-Bauelements, das beispielsweise eine LED auf der Basis von InGaAlP enthält und gelb- oder bernsteinfarbenes Licht emittiert, wird jedoch nur etwa 5% der elektrischen Leistung in Form von Licht umgewan­ delt, während etwa 95% in Form von Wärme umgesetzt wird. Diese Wärme wird von der Chipunterseite über die elektrischen Anschlüsse 2A, 2B des Bauelements abgeführt. Je nach der Bauform wird bei den von der Anmelderin entwickelten und auf dem Markt unter den Bezeichnungen TOPLED® oder Power TOPLED® bekannten Bauelementen die Wärme entweder durch einen oder drei vorhandene Kathodenanschlüsse zunächst aus dem Gehäuse auf die Lötpunkte auf der Leiterplatte geführt. Von den Löt­ punkten breitet sich die Wärme zunächst hauptsächlich in den Kupferpads und dann in dem Epoxidharzmaterial in der Ebene der Leiterplatte aus. Anschließend wird die Wärme durch Wär­ mestrahlung und Wärmekonvektion großflächig an die Umgebung abgegeben. Im Falle einer einzelnen LED auf FR4-Platinenmate­ rial ist der Wärmewiderstand noch relativ gering (beispiels­ weise ca. 180 K/W bei einer LED vom Typ Power TOPLED®).
Anders verhält es sich jedoch, wenn viele LEDs dicht neben­ einander auf einer Platine angeordnet sind. Für jede einzelne LED steht jetzt eine geringere anteilige Fläche auf dem PCB für die Wärmeübertragung an die Umgebung zur Verfügung. Dem­ entsprechend höher ist der Wärmewiderstand von dem PCB auf die Umgebung. Bei einem Bauteilabstand von beispielsweise 6,5 mm steigt der Wärmewiderstand auf bis zu 550 K/W an, wenn die LEDs von dem Typ Power TOPLED® und die Leiterplatte von dem Typ FR4 ist.
Eine Wärmeabgabe geht von allen wärmeerzeugenden Bauteilen auf der Platine aus, also auch von Vorwiderständen, Transi­ storen, MOS-FETs oder Ansteuer-ICs, die sich in unmittelbarer Umgebung der LEDs befinden. Damit es infolge der Wärmeerzeu­ gung auf der Platine und der mangelhaften Wärmeabfuhr nicht zu einer Zerstörung des Bauteils kommt, muß der Betriebsstrom reduziert werden. Folglich kann die Lichtleistung der LEDs nicht voll genutzt werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein ober­ flächenmontierbares LED-Bauelement derart weiterzubilden, daß die Lichtleistung der einzelnen LED möglichst optimal genutzt werden kann. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Er­ findung, ein oberflächenmontierbares LED-Bauelement anzuge­ ben, das sich durch eine verbesserte Wärmeabfuhr auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Demgemäß beschreibt die Erfindung ein oberflächen­ montierbares LED-Bauelement mit einem Träger, welcher an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils von Leiterbahnzuführungen durchsetzt wird, die innerhalb des Bauelements entlang einer Ebene aufeinanderzulaufen und in einem Abstand voneinander enden, wobei auf dem Endabschnitt einer Leiterbahnzuführung eine LED mit ihrem Rückseitenkontakt montiert ist, und der Vorderseitenkontakt der LED mit dem Endabschnitt der anderen Leiterbahnzuführung verbunden ist, wobei der Raum zwischen der LED und einer Lichtaustrittsebene des Bauelements mit ei­ nem transparenten Material gefüllt ist, die Leiterbahnzufüh­ rungen an der Außenfläche der gegenüberliegenden Seiten in Richtung auf eine der Lichtaustrittsebene gegenüberliegende Montageebene geführt werden, und die Leiterbahnzuführungen mit in der Montageebene verlaufenden Montageflächen verbunden sind, und die Montageflächen mindestens zum Teil außerhalb der äußeren Begrenzung des Bauelements liegen.
Grundsätzlich sind dabei zwei Ausführungsarten denkbar. Bei der ersten Ausführungsart liegen die Montageflächen gänzlich außerhalb der äußeren Begrenzung des Bauelements. Bei der zweiten Ausführungsart liegen die Montageflächen zum Teil in­ nerhalb der Begrenzung des Bauelements, im montierten Zustand also zwischen Bauelement und Platine, weisen jedoch darüber­ hinaus Abschnitte auf, die außerhalb der äußeren Begrenzung oder Berandung des Bauelements liegen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der zwei Ausführungs­ arten näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A, B ein LED-Bauelement nach dem Stand der Technik in perspektivischer und Querschnittsdarstellung;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen LED- Bauelements in perspektivischer Darstellung;
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen LED- Bauelements in perspektivischer Darstellung.
Die in Fig. 2 dargestellte erste Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Bauelements ist bezüglich des inneren Gefüges und der Kontaktierung der LED wie ein LED-Bauelement nach dem Stand der Technik aufgebaut. Es werden auch in bekannter Weise aus gegenüberliegenden Seiten des vorzugsweise spritz­ gegossenen Gehäuses 11 Leiterbahnzuführungen 12A, 22A heraus­ geführt und entlang der Außenflächen dieser Seiten in Rich­ tung auf eine der Lichtaustrittsebene gegenüberliegende Mon­ tageebene geführt. Um die Wärmeableitung zu verbessern, sind jedoch an den Leiterbahnzuführungen 12 und 22 in der Montage­ ebene liegende Montageflächen 12A und 22A angefügt. In ent­ sprechender Weise sind auf der gegenüberliegenden Seite Mon­ tageflächen 13 vorhanden. In dieser Ausführungsform sind so­ mit auf jeder Seite zwei Leiterbahnzuführungen angeordnet. Stattdessen kann auch - wie beim Stand der Technik - auf je­ der Seite eine einzelne breite Leiterbahnzuführung vorgesehen sein.
Die gezeigte erste Ausführungsform ist somit derart, daß die Montageflächen gänzlich außerhalb der äußeren Begrenzung oder Berandung des Bauelements liegen. Die folgende Ausführungs­ form zeigt jedoch, daß die Erfindung nicht auf diese Variante beschränkt ist.
Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Bau­ elements ist in Fig. 3 dargestellt. Bei diesem Bauelement wer­ den die Leiterbahnzuführungen 32 und 42 zunächst wie beim Stand der Technik an die Unterseite des Bauelements geführt.
Die Montageflächen 32A, 42A und 52A liegen dann zum Teil un­ terhalb des Bauelements, weisen aber darüberhinaus Abschnitte auf, die außerhalb der äußeren Begrenzung oder Berandung des Bauelements liegen. Auch bei dieser Ausführungsform sind Lei­ terbahnzuführungen paarweise auf jeder der gegenüberliegenden Seiten des LED-Bauelements vorhanden. Eine zusätzliche Monta­ gefläche 52A ist unterhalb des Bauelements an den dort be­ findlichen Montageflächen 32A und/oder 42A befestigt. Auch diese weist - wie dargestellt - einen Abschnitt auf, der au­ ßerhalb der äußeren Begrenzung oder Berandung des Bauelements liegt.
Speziell beim Einsatz der erfindungsgemäßen LED-Bauelemente auf Metall-Kern-Platinen, wo die Wärme gezielt zur Rückseite des PCB abfließen muß, ist der Wärmepfad durch die Epoxid­ harzschicht der Platine deutlich erhöht, wodurch der Wärmewi­ derstand deutlich absinkt. Auch bei Anwendungen mit verein­ zelten LED-Bauelementen auf Standard-PCBs (z. B. FR4) ist der Vorteil meßbar, weil der Umfang der Auflagefläche eine bes­ sere Wärmeeinspeisung ermöglicht.
Bezugszeichenliste
1
Träger
2
Leiterbahnzuführung
3
Leiterbahnzuführung
4
LED
5
transparentes Material
6
Seitenwände
11
Träger
12
Leiterbahnzuführung
12
a Montagefläche
13
Leiterbahnzuführung
13
a Montagefläche
15
transparentes Material
21
Träger
22
A Montagefläche
25
transparentes Material
32
Leiterbahnzuführung
32
A Montagefläche
33
A Montagefläche
42
Leiterbahnzuführung
42
A Montagefläche
52
A Montagefläche

Claims (4)

1. Oberflächenmontierbares LED-Bauelement, mit
  • - einem Träger (21; 31), welcher
  • - an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils von Leiterbahn­ zuführungen (12, 22; 32, 42) durchsetzt wird, die
  • - innerhalb des Bauelements entlang einer Ebene aufeinander­ zulaufen und in einem Abstand voneinander enden, wobei
  • - auf dem Endabschnitt einer Leiterbahnzuführung eine LED (4) mit ihrem Rückseitenkontakt montiert ist, und
  • - der Vorderseitenkontakt der LED mit dem Endabschnitt der anderen Leiterbahnzuführung verbunden ist, wobei
  • - der Raum zwischen der LED und einer Lichtaustrittsebene des Bauelements mit einem transparenten Material (15; 25) gefüllt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Leiterbahnzuführungen (12, 22; 32, 42) an der Außen­ fläche der gegenüberliegenden Seiten in Richtung auf eine der Lichtaustrittsebene gegenüberliegende Montageebene ge­ führt werden, und
  • - die Leiterbahnzuführungen (12, 22; 32, 42) mit in der Mon­ tageebene verlaufenden Montageflächen (12A, 22A, 13A; 32A, 42A, 33A) verbunden sind, und
  • - die Montageflächen (12A, 22A, 13A; 32A, 42A, 33A) minde­ stens zum Teil außerhalb der äußeren Begrenzung des Bau­ elements liegen.
2. LED-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Montageflächen (12A, 22A, 13A) gänzlich außerhalb der äußeren Begrenzung des Bauelements liegen.
3. LED-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- die Montageflächen (32A, 42A, 33A) teilweise innerhalb und teilweise außerhalb der äußeren Begrenzung des Bauelements liegen.
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