DE202005012652U1

DE202005012652U1 - Leistungs-LED-Modell

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Publication number: DE202005012652U1
Application number: DE202005012652U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2015-08-12

Abstract

Leistungs-LED-Modul (10, 38, 48, 60, 70, 80, 90), umfassend mindestens eine Leistungs-LED (20) und eine Platine (16, 86), die die LED (20) trägt, welches Modul (10, 38, 48, 60, 70, 80, 90) einen zur Kühlung der LED (20) angeordneten Kühlkörper aus Metall umfaßt, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (16, 86) in einem unter der LED (20) liegenden Bereich mit einem Durchgangsloch (24) versehen ist, in das der Kühlkörper (26, 40, 50, 58, 72) an einer rückseitigen Kontaktfläche (30) der LED (20) anliegend eingesetzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungs-LED-Modul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Während ihres Betriebs erzeugen Leistungs-LED's (LED = Light Emitting Diode oder Leuchtdiode) eine hohe Betriebswärme, die abgeführt werden muß, um eine Beschädigung der LED zu verhindern. Kühlkörper, wie sie üblicherweise zur Kühlung von Elektronikbauteilen eingesetzt werden, lassen sich jedoch nicht ohne weiteres in die herkömmlichen LED-Module integrieren. Eine verbreitete Lösung dieses Problems besteht darin, die Platine selbst als Kühlkörper zu gestalten, d. h., eine flache Leiterplatte aus Aluminium oder einem anderen geeigneten Metall mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung zu versehen, auf welcher die Leiterbahnen und die LED-Anschlüsse angebracht werden. Die Abwärme der LED wird in diesem Fall direkt von der Platine absorbiert.
Diese Lösung ist jedoch unzufriedenstellend, da der Aufwand bei der Herstellung und Verarbeitung solcher Leiterplatten, die auch als MPCB (Metal Printed Circuit Board) bezeichnet werden, vergleichsweise hoch ist. Die Anfertigung der Grundform einer MPCB-Platine ist nur mit Hilfe relativ teurer und aufwendiger Fräs- oder Stanzverfahren möglich. Darüber hinaus erschwert die gute Wärmeabführung ein Verlöten der LED sowie gegebenenfalls weiterer Bauteile auf der Platine, die für diesen Vorgang vorgewärmt werden muß. Dies ist wiederum problematisch, weil die LED selbst durch hohe Temperaturen geschädigt oder zerstört werden kann. Die Wärmekapazität eines MPCB ist aufgrund des dünnen Platinenmaterials gering, so dass in der Regel die Kopplung an einen weiteren Kühlkörper größerer Kapazität erforderlich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Leistungs-LED-Modul der eingangs genannten Art zu schaffen, das unter Anwendung einfacher und kostengünstiger Herstellungstechniken anzufertigen ist, gleichzeitig jedoch eine zuverlässige Abführung der von der LED im Betrieb erzeugten Wärme durch einen Kühlkörper erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Leistungs-LED-Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Platine des erfindungsgemäßen Leistungs-LED-Moduls ist in einem Bereich, der unter dem Befestigungsbereich der LED liegt, mit einem Durchgangsloch versehen, in das ein Kühlkörper eingesetzt ist, der an einer rückseitigen Kontaktfläche der LED anliegt und somit deren Betriebswärme absorbieren kann. In diesem Fall kann eine herkömmliche Standardplatine verwendet werden, die preiswert herzustellen und in üblicher Weise mit einem Bestückungsautomaten mit der LED und ggf. weiteren Bauteilen zu versehen ist. Die Bestückung der Platine kann erfolgen, bevor der Zusammenbau mit dem Kühlkörper sowie weiterer Bestandteile des LED-Moduls stattfindet. Die Nachteile, die bei der Verwendung von MPCB's auftreten, werden hierdurch vermieden.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt einen seitlichen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leistungs-LED-Moduls;
2 zeigt einen Schnitt entsprechend 1 durch eine zweite Ausführungsform des Leistungs-LED-Moduls;
3 zeigt einen seitlichen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Leistungs-LED-Moduls;
4 stellt einen seitlichen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungs-LED-Moduls dar;
5 zeigt einen Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungs-LED-Moduls; und
6 u. 7 sind seitliche Schnitte durch Leistungs-LED-Module, die mehrere LED's umfassen.
Das Leistungs-LED-Modul 10 in 1 umfaßt einen zylindrisches flaches Gehäuse 12 aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, das an seiner Unterseite ein Schraubgewinde 13 zur Befestigung an einem Trägerteil aufweist und an seiner Oberseite offen und durch eine transparente Scheibe verschließbar ist. Auf dem flachen Boden 14 des Gehäuses 12 liegt eine flache Platine 16 auf, die in 1 im Querschnitt zu sehen ist. Auf der Oberseite 18 der Platine 16 ist eine Leistungs-LED 20 angebracht. Die Anbringung und die elektrische Verbindung mit dem Leiterbahnen-Layout der Platine 16 erfolgt über hier nicht dargestellte verlötete Kontakte, die seitlich an der LED 20 angebracht sind. Die Stromversorgung der Platine 16 kann über Kabel erfolgen, die innerhalb des Schraubgewindes 13 verlaufen.
Unmittelbar unterhalb der LED 20 weist die Platine 16 ein kreisrundes Durchgangsloch 24 auf, das in die Platine 16 eingestanzt oder gebohrt sein kann. In dieses Durchgangsloch 24 ist ein flacher zylindrischer Kühlkörper 26 aus Kupfer eingesetzt, dessen Dicke genau der Dicke der Platine 16 entspricht. Der Kühlkörper 26 liegt somit mit seiner Oberseite, die eine obere Kontaktfläche 28 bildet, an der rückseitigen Kontaktfläche 30 der LED 20 an, die der vom Durchgangsloch 24 freigegebenen Unter- bzw. Rückseite der LED 20 entspricht. Die thermische Kopplung der LED 20 mit dem Kühlkörper 26 erfolgt durch eine wärmeleitende Kontaktschicht 32, bei der es sich um einen Klebstoff zur festen Verbindung von LED 20 und Kühlkörper 26, einen Lack, eine Wärmeleitpaste oder dergleichen handeln kann. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen ist die Kontaktschicht elektrisch isolierend ausgebildet. Es ist auch denkbar, zwischen der LED 20 und dem Kühlkörper 26 mehrere Schichten 32 vorzusehen, also beispielsweise einen Klebstoff und zusätzlich einen elektrisch isolierenden Lack.
An seiner der LED 20 abgewandten Rückseite bzw. Unterseite 34, die bündig mit der Unterseite der Platine 16 abschließt, liegt der Kühlkörper 26 auf dem Boden 14 des Gehäuses 12 auf und ist somit mit dem Gehäuse 12 ebenfalls thermisch gekoppelt, welches auf diese Weise als zweiter Kühlkörper dient. Zwischen den einander zugewandten Kontaktflächen der beiden Kühlkörper, also zwischen Unterseite 34 des Kühlkörpers 26 und dem Boden 14 des Gehäuses 12 ist eine Wärmeleitpaste oder dergleichen als Kontaktschicht 36 vorgesehen.
Die beim Betrieb der Leistungs-LED 20 erzeugte Wärme kann somit über die obere Kontaktschicht 32, den ersten Kühlkörper 26 und die untere Kontaktschicht 36 an das Gehäuse 12 als zweiten Kühlkörper weitergegeben werden. Es ist von Vorteil, im Fertigungsprozess des Leistungs-LED-Moduls 10 zunächst die Platine 16 mit der LED 20 sowie gegebenenfalls weiteren, nicht dargestellten Bauelementen zu bestücken und nach Abschluß dieses Fertigungsschritts die Einheit aus Platine 16 und LED 20 gemeinsam mit dem in das Loch 24 eingesetzten ersten Kühlkörper 26 in das Gehäuse 12 einzusetzen und auf geeignete Weise zu befestigen, etwa durch Kleben, Schrauben, Klemmen oder dergleichen. Insbesondere ist es hier möglich, herkömmliche Standardplatinen 16 zu verwenden, die leicht bearbeitbar sind und keine Schwierigkeiten beim Verlöten und Verdrahten der Bauelemente verursachen, wie es beispielsweise bei MPCB-Platinen (Metal Printed Circuit Board) aus Metall der Fall ist.
Während der Kühlkörper 26 in 1 nicht dicker bemessen ist als die Platine 16 und vollständig von dem Loch 24 aufgenommen werden kann, umfasst das Leistungs-LED-Modul 38 in 2 einen Kühlkörper 40, der ebenfalls zylindrisch ausgebildet ist, dessen Dicke jedoch größer bemessen ist als diejenige der Platine 16. Der Kühlkörper 40 ragt also in der in 2 dargestellten Montageposition nach unten über die Unterseite der Platine 16 hinaus. Der herausragende Vorsprungsbereich 42 wird von einer entsprechenden zylindrischen Ausnehmung 44 aufgenommen, die in der Mitte des Bodens 14 des Gehäuses 12 eingefräst ist. Die Kopplung der Rückseite 30 der LED 20 mit dem Kühlkörper 40 über eine Kontaktschicht 32 und die Weiterleitung der Wärme vom Kühlkörper 40 zum Gehäuse 12 über eine weitere Kontaktschicht 36 erfolgt auf die gleiche Weise wie in 1. Die Anordnung aus 2 ist insofern vorteilhaft, als dass der Kühlkörper 40 durch die in der Ausnehmung 44 ein liegende Position die Einheit aus Platine 16 und LED 20 innerhalb des Gehäuse-Innenraums zentriert.
Beim Leistungs-LED-Modul 48 in 3 ist der an der rückseitigen Kontaktfläche 30 der LED 20 anliegende Kühlkörper 50 ebenfalls dicker bemessen als die Platine 16 und ragt aus dem Loch 24 nach unten heraus. Im Gegensatz zum Kühlkörper 40 weist der Kühlkörper 50 jedoch einen radial nach außen abgestuften Erweiterungsbereich 52 auf, der den Kühlkörper 50 ringförmig umläuft, so dass dieser einen T-förmigen Querschnitt aufweist, wie es auch in 3 zu sehen ist. Der abgestufte Erweiterungsbereich 52 liegt rückseitig, also an der der LED 20 gegenüberliegenden Unterseite der Platine 16 an. Die der LED 20 abgewandte Kontaktfläche 54 an der Unterseite des Kühlkörpers 50 liegt flach auf dem Boden 14 des Gehäuses 12 auf und sorgt auf diese Weise für eine bessere Wärmekopplung zwischen dem (ersten) Kühlkörper 50 und dem Gehäuse 12 als zweitem Kühlkörper, als es beispielsweise durch den Kühlkörper 26 aus 1 der Fall ist. Zwischen der unteren Kontaktfläche 54 des Kühlkörpers 50 und dem Boden 14 des Gehäuses 12 kann wiederum eine Kontaktschicht 36 aus einer Wärmeleitpaste vorgesehen sein, sowie auch zwischen der rückseitigen Kontaktfläche 30 der LED 20 und der oberen Kontaktfläche 28 des Kühlkörpers 50 eine Wärmeleitschicht 32 vorhanden sein kann. Außer der bereits erwähnten verbesserten thermischen Kopplung mit dem Gehäuse 12 und der vergrößerten Wärmekapazität des Kühlkörpers 50 selbst bietet die Anordnung aus 3 den Vorteil, dass durch den Erweiterungsbereich 52 die Unterseite der Platine 16 vom Boden 14 des Gehäuses 12 in einem Randbereich um die LED 20 herum beabstandet ist, so dass die Anbringung von verdrahteten Bauteilen auf der Platine 16 erleichtert wird, da deren Kontakte aus der Unterseite der Platine 16 herausragen können.
4 zeigt eine Anordnung, bei welcher ein Gehäuse 58 den einzigen Kühlkörper eines Leistungs-LED-Moduls 60 bildet. Zu diesem Zweck ragt in der Mitte des Bodens 14 des Gehäuses 58 ein zylindrischer Zapfen 62 auf, dessen Höhe der Dicke der Platine 16 entspricht und welcher von dem Loch 24 in der Platine 16 aufgenommen wird. Die Oberseite 64 des Zapfens 62 kann über die Kontaktschicht 32 an der Unterseite 30 der LED 20 anliegen und für die thermische Kopplung sorgen, so dass die Betriebswärme der LED 20 abgeführt wird. Im wesentlichen entspricht die Funktion dieser Anordnung damit dem LED-Modul 38 aus 2, abgesehen davon, dass der dort vorgesehene erste Kühlkörper 40 und das Gehäuse 12 zu einem einstückigen Gehäuse-Kühlkörper 58 verbunden bzw. einteilig als ein solcher ausgeformt sind. Dies vereinfacht die Herstellung der gesamten Anordnung, und eventuell auftretende Probleme bei der Wärmeübertragung zwischen den beiden in 2 vorhandenen Kühlkörpern 40 und 12 werden auf diese Weise vermieden.
Das LED-Modul 70 in 5 umfaßt ebenfalls ein Gehäuse 72, auf dessen Boden 14 ein Zapfen 62 aufragt, der in einem Durchgangsloch 24 der Platine 16 aufgenommen ist und mit seiner Oberseite 64 über eine Kontaktschicht 32 an der Unterseite 30 der LED 20 anliegt. Die thermische Kopplung der LED 20 mit dem Gehäuse 72 als Kühlkörper entspricht also dem Leistungs-LED-Modul 60 aus 4. Zur Vergrößerung der Wärmekapazität umfaßt das Gehäuse 72 als Kühlkörper jedoch eine erheblich dickere massive Bodenplatte 74 und ist mit Kühlrippen 76 versehen, die das Gehäuse 72 auf seinem zylindrischen Umfang umlaufen und dafür sorgen, dass die von der Bodenplatte 74 aufgenommene Betriebswärme der LED 20 effizient an die Umgebung abgegeben wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Leistungs-LED-Module mit einer einzigen LED beschränkt, wie es in den vorhergehenden Ausführungsformen der Fall ist. 6 zeigt ein Leistungs-LED-Modul 80 mit einem platten- oder stabförmigen Träger 82 aus Metall, auf dessen Oberseite 84 eine Platine 86 aufliegt, die eine Anzahl von LED's 20 trägt. Die Platine 86 ist jeweils in Bereichen, die von den LED's 20 verdeckt sind, mit Durchgangslöchern 24 versehen, in denen flache zylindrische Kühlkörper 26 aus Kupfer einliegen und für eine thermische Kopplung der LED 20 an deren rückseitiger Kontaktfläche 30 mit dem Träger 82 sorgen. Insofern entspricht diese Anordnung aus LED 20, erstem Kühlkörper 26 und Träger 82 als zweitem Kühlkörper dem Leistungs-LED-Modul aus 1. Zur Verbesserung der Kopplung können auch hier zwischen den Kontaktflächen 30 der LED 20 und dem Kühlkörper 26 bzw. dem Kühlkörper 26 und dem Träger 82 Kontaktschichten aus Wärmeleitpaste oder dergleichen vorgesehen sein.
7 zeigt eine ähnliche Anordnung wie in 6, d. h. ein Leistungs-LED-Modul 90 mit einem Träger 92, auf dessen Oberseite 94 eine Platine 86 mit LED's 20 aufliegt. Die unter den LED's 20 angeordneten Kühlkörper 40 sind jedoch dicker bemessen als die Platine 86 und müssen ähnlich wie bei dem Leistungs-LED-Modul 38 aus 2 in Ausnehmungen 44 aufgenommen werden, die in der Oberfläche 94 des Trägers 92 vorgesehen sind. Die Kühlung der LED's 20 erfolgt hier also ebenfalls über eine Anzahl erster, unter den LED's 20 angeordneter Kühlkörper 40, die in den Ausnehmungen 44 in dem Träger 92 einliegen. Auf nähere Einzelheiten der thermischen Kopplung mittels Kontaktschichten und dergleichen wird daher auf die Beschreibung im Zusammenhang mit 2 verwiesen.
Es versteht sich, dass sich die in den 6 und 7 gezeigten Anordnungen auf einfache Weise gemäß den Konstruktionsprinzipien abwandeln lassen, die oben im Zusammenhang mit den 3 und 4 beschrieben worden sind. Beispielsweise lassen sich Kühlkörper 50, wie sie in dem LED-Modul 48 aus 3 eingesetzt werden, an der Rückseite der Platine 86 in die Löcher 24 einsetzen, so dass in der Anordnung aus 6 die Platine 86 von der Oberseite 84 des Trägers 82 beabstandet wird. Ferner ist es möglich, den Träger 92 nicht mit Ausnehmungen 44 zu versehen, sondern mit Zapfen 62 entsprechend dem Leistungs-LED-Modul 60 in 4, so dass der Träger 92 über die Zapfen 62 unmittelbar an den Rückseiten 30 der LED's 20 anliegt und den einzigen Kühlkörper bildet.

Claims

Leistungs-LED-Modul (10, 38, 48, 60, 70, 80, 90), umfassend mindestens eine Leistungs-LED (20) und eine Platine (16, 86), die die LED (20) trägt, welches Modul (10, 38, 48, 60, 70, 80, 90) einen zur Kühlung der LED (20) angeordneten Kühlkörper aus Metall umfaßt, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (16, 86) in einem unter der LED (20) liegenden Bereich mit einem Durchgangsloch (24) versehen ist, in das der Kühlkörper (26, 40, 50, 58, 72) an einer rückseitigen Kontaktfläche (30) der LED (20) anliegend eingesetzt ist.
Leistungs-LED-Modul gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kontaktfläche (30) der LED (20) und einer entsprechenden Kontaktfläche (28,64) des Kühlkörpers (26, 40, 50, 58, 72) eine wärmeleitende Kontaktschicht (32) aus einem Klebstoff, einem Lack, einer Wärmeleitpaste oder dergleichen vorgesehen ist.
Leistungs-LED-Modul gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (32) elektrisch isolierend ist.
Leistungs-LED-Modul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Kühlkörpers (26) der Dicke der Platine (16, 86) entspricht.
Leistungs-LED-Modul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (50) dicker bemessen ist als die Platine (16) und an seinem der LED (20) abgewandten Ende einen aus dem Loch (24) heraus ragenden Erweiterungsbereich (52) aufweist, der gegenüber dem in das Loch (24) eingesetzten Abschnitt radial nach außen abgestuft ist und rückseitig an der Platine (16) anliegt.
Leistungs-LED-Modul gemäß Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen zweiten Kühlkörper (12, 82, 92), welcher an der der LED (20) abgewandten Rückseite (34, 54) des ersten Kühlkörpers (26, 40, 50) anliegt.
Leistungs-LED-Modul gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einander zugewandten Kontaktflächen (14, 34, 54, 84, 94) der beiden Kühlkörper (12, 26, 40, 50, 82, 92) eine wärmeleitende Kontaktschicht (36) aus einer Wärmeleitpaste oder dergleichen vorgesehen ist.
Leistungs-LED-Modul gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (58, 72) oder gegebenenfalls der zweite Kühlkörper (12, 82, 92) als Gehäuse oder als Trägerteil zur Aufnahme der Platine (16, 86) mit einer oder mehreren LED's (20) ausgebildet ist.
Leistungs-LED-Modul gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (16, 86) in dem Gehäuse (12, 58, 72) oder an dem Trägerteil (82, 92) durch Kleben oder durch eine Klemm- oder Schraubverbindung befestigt ist.