DE19928576C2 - 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 Lichtaustrittse­ bene 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.
In der EP 0 400 176 A1 ist ein LED-Bauelement beschrieben, bei dem die Montageflächen der Anschlußbeinchen vollständig vom Bauelementgehäuse flügelartig abstehen und das im Übrigen im Wesentlichen analog zu dem oben beschriebenen Bauelement gestaltet ist.
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 2, 3 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, Transistoren, MOS-FETs oder Ansteuer-ICs, die sich in unmittelbarer Umgebung der LEDs befinden. Damit es infolge der Wärmeerzeugung 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. Diese Vorgehensweise wird in dem Artikel "Thermisches Modell bei TOPLED" von W. Schmid und T. Schreiber, Components 34 (1996), Heft 4, S. 129-131 dargestellt.
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 in der Montageebene verlaufende Montageflächen aufweisen, und die Montageflächen zum Teil außerhalb der äußeren Begrenzung des Trägers liegen.
Die Montageflächen liegen zum Teil innerhalb der Begrenzung des Trägers, im montierten Zustand also zwischen Träger und Platine, weisen jedoch darüberhinaus Abschnitte auf, die außerhalb der äußeren Begrenzung oder Berandung des Trägers liegen.
Im folgenden wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A, B ein LED-Bauelement nach dem Stand der Technik in perspektivischer und Querschnittsdarstellung;
Fig. 2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen LED- Bauelements in perspektivischer Darstellung.
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Bauelements ist in Fig. 2 dargestellt. Bei diesem Bauelement werden 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 Trägers, weisen aber darüberhinaus Abschnitte auf, die außerhalb der äußeren Begrenzung oder Berandung des Trägers 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 Trägers 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
21
Träger
25
transparentes Material
32
Leiterbahnzuführung
32
A Montagefläche
33
A Montagefläche
42
Leiterbahnzuführung
42
A Montagefläche
52
A Montagefläche

Claims (3)

1. Oberflächenmontierbares LED-Bauelement, bei dem
an zwei gegenüberliegenden Seiten eines Trägers (21) Leiterbahnzuführungen (32, 42) herausgeführt sind, die
innerhalb des Bauelements aufeinanderzulaufen und in einem Abstand voneinander enden, wobei
auf dem Endabschnitt einer Leiterbahnzuführung eine LED montiert ist, und
ein Vorderseitenkontakt der LED mit dem Endabschnitt der anderen Leiterbahnzuführung verbunden ist,
der Raum zwischen der LED und einer Lichtaustrittsebene des Bauelements mit einem transparenten Material (25) gefüllt ist,
die Leiterbahnzuführungen (32, 42) an den Außenflächen der gegenüberliegenden Seiten des Trägers (21) in Richtung auf eine der Lichtaustrittsebene gegenüberliegende Montageebene geführt sind, und
die Leiterbahnzuführungen (32, 42) in der Montageebene verlaufende Montageflächen (32A, 42A, 33A) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Montageflächen (32A, 42A, 33A) zum Teil unterhalb des Trägers (21) liegen und darüberhinaus Abschnitte aufweisen, die außerhalb der äußeren Begrenzung oder Berandung des Trägers (21) liegen.
2. LED-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb der äußeren Begrenzung oder Berandung des Trägers (21) liegenden Abschnitte der Montageflächen (32A, 42A, 33A) fingerartig von den unterhalb des Trägers (21) liegenden Teilen der Montageflächen abstehen.
3. LED-Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein unterhalb des Trägers (21) liegender Teil der Montageflächen mindestens zwei fingerartig abstehende, außerhalb der äußeren Begrenzung oder Berandung des Bauelements liegende Abschnitte einer Montagefläche (32A, 42A, 33A) aufweist.
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