DE202011051987U1 - Carrier structure for electronic components, such as light-emitting diodes, and base material for producing a base plate for such a structure - Google Patents

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Abstract

Trägerstruktur (1) für elektronische Bauelemente (2), wie lichtemittierende Dioden, umfassend eine Basisplatte (3), auf deren Oberseite (3a) die elektronischen Bauelemente (2) montierbar sind, sowie umfassend eine Wärmesenke (4) mit einer metallischen Grundstruktur (4a), mit der die Basisplatte (3) auf ihrer Unterseite (3b) thermisch leitend verbunden ist, wobei die Basisplatte (3) einen aus Aluminium bestehenden Grundkörper (3c) aufweist und zur Verbindung zwischen der Basisplatte (3) und der Wärmesenke (4) ein stoffschlüssiger Verbund (6) gebildet ist, der mindestens eine erste Komponente (11) und eine zweite Komponente (14) enthält, wobei die erste Komponente (11) mindestens ein Metall oder ein Halbmetall mit einem Schmelzpunkt von unter 150 °C enthält und die zweite Komponente mindestens ein Metall oder ein Halbmetall mit einem Schmelzpunkt von über 250 °C enthält.Carrier structure (1) for electronic components (2), such as light-emitting diodes, comprising a base plate (3), on the upper side (3a) of which the electronic components (2) can be mounted, and comprising a heat sink (4) with a metallic basic structure (4a ), with which the base plate (3) is thermally conductively connected on its underside (3b), wherein the base plate (3) has an aluminum base body (3c) and for connection between the base plate (3) and the heat sink (4) a cohesive composite (6) is formed, which contains at least a first component (11) and a second component (14), wherein the first component (11) contains at least one metal or a semi-metal having a melting point of less than 150 ° C and the second component contains at least one metal or a semi-metal having a melting point of about 250 ° C.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trägerstruktur für elektronische Bauelemente, wie lichtemittierende Dioden, umfassend eine Basisplatte, auf deren Oberseite die elektronischen Bauelemente montierbar sind, sowie umfassend eine Wärmesenke mit einer metallischen Grundstruktur, mit der die Basisplatte auf ihrer Unterseite thermisch leitend verbunden ist.The present invention relates to a support structure for electronic components, such as light-emitting diodes, comprising a base plate, on the top of which the electronic components are mountable, and comprising a heat sink with a metallic base structure, with which the base plate is thermally conductively connected on its underside.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Basismaterial zur Herstellung einer Basisplatte für eine solche Trägerstruktur.Furthermore, the invention relates to a base material for producing a base plate for such a support structure.

Eine derartige Trägerstruktur ist beispielsweise aus der WO 2006/094346 A1 bekannt. Es wird dort eine Basisplatte für lichtemittierende Dioden (LED) beschrieben, die in Form einer Platine mit einem gedruckten Schaltkreis (PCB – Printed Circuit Board) ausgeführt und mit einer Wärmesenke thermisch leitend verbunden ist. Die Wärmesenke besteht aus einer Aluminium-Lagerschiene, die eine durch anodische Oxidation aufgebrachte Oberflächenschutzschicht aufweisen kann. Die Basisplatte liegt in dieser bekannten Trägerstruktur unmittelbar auf der Aluminiumlagerschiene auf.Such a support structure is for example from the WO 2006/094346 A1 known. There is described a base plate for light emitting diodes (LED), which is designed in the form of a printed circuit board (PCB) and thermally conductively connected to a heat sink. The heat sink consists of an aluminum bearing rail, which may have an applied by anodic oxidation surface protection layer. The base plate lies in this known support structure directly on the aluminum bearing rail.

Neben keramischen oder aus verstärkten polymeren Materialien hergestellten Materialien für die Basisplatte werden bekanntermaßen auch Metallplatinen eingesetzt, wobei z. B. silberplattiertes Kupfer und Aluminium zum Einsatz kommen. Während auf der Oberseite des Trägers typischerweise die Dies aufgesetzt werden und die elektrische Kontaktierung erfolgt, wird die Rück- bzw. Unterseite des Trägers in thermischen Kontakt mit einer Wärmesenke, vorzugsweise mit einem metallischen Kühlkörper, gebracht.In addition to ceramic or made of reinforced polymeric materials materials for the base plate known metal plates are also used, wherein z. B. silver-plated copper and aluminum are used. While the dies are typically placed on the top side of the carrier and the electrical contact is made, the back or underside of the carrier is brought into thermal contact with a heat sink, preferably with a metallic heat sink.

So wurde in der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2011 050 976.1 eine Trägerstruktur der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei der auch die Basisplatte einen aus Aluminium bestehenden Grundkörper aufweist. Das Trägermaterial für die Basisplatte weist oberseitig eine elektrisch isolierende Isolationsschicht auf, auf der die Dioden aufbringbar sind. Es kann vorteilhafterweise in einer Ausbildung als Coil mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,1 mm bis 2,0 mm, vorzugsweise bis 1,5 mm, ausgeführt werden. In der genannten Schutzrechtsanmeldung wird ausgeführt, dass – da Metalle eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen – die in einer auf dem Aluminium-Basismaterial der Trägerplatte montierten LED-Die entstehende Wärme leicht abgeführt werden kann. Eine detaillierte Beschreibung, wie die Basisplatte ihrerseits mit der Wärmesenke thermisch leitend verbunden ist, ist der DE 20 2011 050 976.1 aber nicht zu entnehmen.So was in the German utility model application DE 20 2011 050 976.1 proposed a support structure of the type mentioned, in which also the base plate has a basic body made of aluminum. The substrate for the base plate has on the upper side an electrically insulating insulating layer on which the diodes can be applied. It may advantageously be embodied as a coil having a thickness in the range of about 0.1 mm to 2.0 mm, preferably up to 1.5 mm. In the said patent application, it is stated that, since metals have a high thermal conductivity, the resulting heat can easily be dissipated in a LED mounted on the aluminum base material of the carrier plate. A detailed description of how the base plate in turn is thermally conductively connected to the heat sink, but the DE 20 2011 050 976.1 not apparent.

In alternativen Trägerstrukturen wird die Basisplatte – auch LED-Substrat bzw. englisch "base plate" oder "lead frame" genannt - bekanntermaßen auf einen Kühlkörper geschraubt oder geklemmt. Um für einen möglichst guten Wärmeübergang zu sorgen, verwendet man dabei Wärmeleitpasten, deren Wärmeleitfähigkeit bei maximal etwa 1 W/mK liegt und damit zwar wesentlich höher ist als die eines Luftspalts zwischen den Bauteilen (ca. 0,024 W/mK), jedoch immer noch erheblich kleiner als die Wärmeleitfähigkeit von Reinaluminium (ca. 230 bis 240 W/mK) oder auch als die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, aus dem ebenfalls die metallische Grundstruktur von bekannten Wärmesenken oft besteht, bzw. von dessen Legierungen, wobei diese Wärmeleitfähigkeit je nach Zusammensetzung im Bereich von 240 W/mK bis 380 W/mK liegt.In alternative support structures, the base plate - also called LED substrate or "base plate" or "lead frame" - is known to be screwed or clamped on a heat sink. In order to ensure the best possible heat transfer, it uses thermal compounds whose thermal conductivity is at most about 1 W / mK and thus, although much higher than that of an air gap between the components (about 0.024 W / mK), but still significantly less than the thermal conductivity of pure aluminum (about 230 to 240 W / mK) or as the thermal conductivity of copper, from which also the metallic base structure of known heat sinks often consists, or of its alloys, said thermal conductivity depending on the composition in the range from 240 W / mK to 380 W / mK.

Dies führt dazu, dass sich die in dem elektronischen Bauelement, wie einer LED, entstehende Wärme zunächst lateral innerhalb der Basisplatte verteilt, um danach auf großer Fläche in die Wärmesenke überzugehen. Für die laterale Verteilung der Wärme innerhalb der Basisplatte ist die Dicke des aus Aluminium bestehenden Grundkörpers von Bedeutung, wobei die Dicke des Aluminiumsubstrats, damit die Wärme gut abgeführt werden kann, idealerweise je nach Anwendung größer sein sollte als 1 mm bis 15 mm. Der Einsatz von solchen dickeren Aluminiumsubstraten ist jedoch aus materialökonomischer Sicht und unter dem Aspekt der Verarbeitbarkeit als Coil nachteilhaft.As a result, the heat generated in the electronic component, such as an LED, is first distributed laterally within the base plate, in order then to be transferred over a large area into the heat sink. For the lateral distribution of heat within the base plate, the thickness of the aluminum body is important, and the thickness of the aluminum substrate for heat to dissipate should ideally be greater than 1 mm to 15 mm, depending on the application. However, the use of such thicker aluminum substrates is disadvantageous from a material-economical point of view and in terms of processability as a coil.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Trägerstruktur für elektronische Bauelemente, wie lichtemittierende Dioden, und ein Basismaterial zur Herstellung einer Basisplatte einer solchen Struktur zu schaffen, wobei die Trägerstruktur eine Basisplatte mit einem aus Aluminium bestehenden Grundkörper umfasst, auf deren Oberseite die elektronischen Bauelemente montierbar sind, und wobei die Trägerstruktur des Weiteren eine Wärmesenke mit einer metallischen Grundstruktur umfasst, mit der die Basisplatte auf ihrer Unterseite thermisch leitend verbunden ist. Mit der Trägerstruktur soll bei mit materialökonomisch geringem Aufwand und einer flexiblen technologischen Handhabbarkeit des Materials der Basisplatte, insbesondere einer Verarbeitbarkeit des Materials von Rolle zu Rolle, eine erhöhte Effizienz der Abführung der in den elektronischen Bauelementen entstehenden Wärme gewährleistet werden können.The present invention has for its object to provide a support structure for electronic components, such as light emitting diodes, and a base material for producing a base plate of such a structure, wherein the support structure comprises a base plate with a basic body made of aluminum, on top of which the electronic components can be mounted, and wherein the support structure further comprises a heat sink having a metallic base structure, with which the base plate is thermally conductively connected on its underside. With the support structure, an increased efficiency of the dissipation of the heat generated in the electronic components should be ensured with material-economically low effort and flexible technological handling of the material of the base plate, in particular a processability of the material from roll to roll.

Erfindungsgemäß wird dies für die Trägerstruktur dadurch erreicht, dass in einer Trägerstruktur mit den vorstehend genannten Merkmalen zur Verbindung zwischen der Basisplatte und der Wärmesenke ein stoffschlüssiger Verbund gebildet ist, der mindestens eine erste Komponente und eine zweite Komponente enthält, wobei die erste Komponente mindestens ein Metall oder ein Halbmetall mit einem Schmelzpunkt von unter 150 °C enthält und die zweite Komponente mindestens ein Metall oder ein Halbmetall mit einem Schmelzpunkt von über 250 °C enthält.According to the invention this is achieved for the support structure in that in a support structure with the aforementioned features for connection between the base plate and the heat sink a cohesive composite is formed, which contains at least a first component and a second component, wherein the first Component contains at least one metal or a metalloid having a melting point of less than 150 ° C and the second component contains at least one metal or a semimetal having a melting point of about 250 ° C.

Erfindungsgemäß liegt so vorteilhafterweise zwischen der Basisplatte und der Wärmesenke überwiegend ein Metall-Metall-Kontakt vor, der einen im Vergleich mit einer bekannten Wärmeleitpaste höheren Wärmeübergang von der Basisplatte in die Wärmesenke gewährleistet. So ist es erfindungsgemäß möglich, einen stoffschlüssigen Verbund mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 15 W/mK, vorzugsweise im Bereich von 30 W/mK bis 220 W/mK, besonders bevorzugt im Bereich von 80 W/mK bis 150 W/mK, auszubilden. Bei der Herstellung des stoffschlüssigen Verbundes kann dabei ein Verlöten von Aluminium mit Aluminium, welches insbesondere wegen einer natürlicherweise auf dem Aluminium vorhandenen Oxidschicht und der hohen Sauerstoffaffinität des Aluminiums als problematisch gilt, vermieden werden.According to the invention, there is thus advantageously predominantly a metal-metal contact between the base plate and the heat sink, which ensures a higher heat transfer from the base plate into the heat sink in comparison with a known thermal paste. Thus, it is possible according to the invention to form a cohesive composite with a thermal conductivity of at least 15 W / mK, preferably in the range from 30 W / mK to 220 W / mK, particularly preferably in the range from 80 W / mK to 150 W / mK. In the production of the cohesive composite, soldering of aluminum with aluminum, which is considered to be problematic in particular because of an oxide layer naturally present on the aluminum and the high oxygen affinity of the aluminum, can be avoided.

Durch den erfindungsgemäßen stoffschlüssigen Verbund wird mit Vorteil eine zunächst laterale Wärmeverteilung in der Basisplatte vermieden und stattdessen in die Wärmesenke hinein verlagert. Die Dicke des aus Aluminium bestehenden Grundkörpers der Basisplatte ist damit für den Wärmeübergang aus der Basisplatte in die Wärmesenke keine kritische Größe mehr, so dass die Basisplatte eine Dicke im Bereich von etwa 0,1 mm bis 1,5 mm, auch bis 2,0 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,2 bis 0,8 mm aufweisen kann. Sie ist damit problemlos und ohne technologische Nachteile aus einem von Rolle zu Rolle verarbeitbaren Material mit dieser Dicke und mit einer bevorzugten Breite bis zu 1600 mm herstellbar.Due to the cohesive composite according to the invention, an initially lateral heat distribution in the base plate is advantageously avoided and instead is shifted into the heat sink. The thickness of the basic body made of aluminum of the base plate is thus no longer critical for the heat transfer from the base plate into the heat sink, so that the base plate has a thickness in the range of about 0.1 mm to 1.5 mm, even up to 2.0 mm, preferably in the range of about 0.2 to 0.8 mm. It is thus easily and without technological disadvantages of a processable from roll to roll material with this thickness and with a preferred width up to 1600 mm produced.

Der stoffschlüssige Verbund kann bevorzugt als kontinuierliche Schicht ausgebildet sein, wobei es jedoch auch möglich ist, dass der stoffschlüssige Verbund aus diskreten Kontaktstellen gebildet ist. Es ist nicht an allen Stellen der gesamten Kontaktfläche von Basisplatte und Wärmesenke notwendig, dass eine innige mechanische und gegebenenfalls auch elektrische Verbindung vorliegen muss. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn der stoffschlüssige Verbund gleichmäßig über die Kontaktfläche verteilt ist, so dass an allen Stellen ein hinreichender Wärmeübergang mit einer im oben angegebenen Bereich liegenden mittleren Wärmeleitfähigkeit von mindestens 15 W/mK gewährleistet ist. Die tatsächliche Fläche des stoffschlüssigen Verbunds sollte dabei mit Vorteil mindestens ebenso groß sein, wie die Wärmeübergangsfläche zwischen den elektronischen Bauelementen und der Basisplatte auf der Oberseite der Platte.The cohesive composite may preferably be formed as a continuous layer, but it is also possible that the cohesive composite is formed of discrete contact points. It is not necessary at all points of the entire contact surface of the base plate and heat sink that an intimate mechanical and possibly also electrical connection must be present. It is advantageous, however, if the cohesive composite is evenly distributed over the contact surface, so that at all points a sufficient heat transfer is ensured with a lying in the above range mean thermal conductivity of at least 15 W / mK. The actual area of the cohesive composite should advantageously be at least as large as the heat transfer surface between the electronic components and the base plate on the upper side of the plate.

Je höher der Wärmeübergang bei einer sich im stationären Betrieb des elektronischen Bauelements stationär einstellenden Temperaturdifferenz zwischen Basisplatte und Wärmesenke ist, desto geringer kann in materialökonomisch günstiger Weise die Dicke der Basisplatte und auch die Fläche des Wärmeübergangs ausgeführt sein. Notwendigenfalls kann die mechanische Verbindung zwischen Basisplatte und Wärmesenke durch zusätzliche Schrauben, Klemmen usw. verstärkt sein. Analog sind auch zusätzliche elektrische Kontaktierungen denkbar.The higher the heat transfer at a stationary in the stationary operation of the electronic component temperature difference between the base plate and heat sink, the lower can be carried out in material economically favorable manner, the thickness of the base plate and the surface of the heat transfer. If necessary, the mechanical connection between base plate and heat sink can be reinforced by additional screws, clamps, etc. Analog additional electrical contacts are conceivable.

Die Basisplatte für eine erfindungsgemäße Trägerstruktur kann mit Vorteil aus einem erfindungsgemäßen Basismaterial hergestellt sein, welches einen aus Aluminium bestehenden Grundkörper aufweist, der mindestens auf einer Seite mit einer Schicht aus einer ersten Komponente oder aus einer zweiten Komponente bedeckt ist, wobei die erste Komponente mindestens ein Metall oder ein Halbmetall mit einem Schmelzpunkt von unter 150 °C enthält und die zweite Komponente mindestens ein Metall oder ein Halbmetall mit einem Schmelzpunkt von über 250 °C enthält, und wobei die erste Komponente und die zweite Komponente derart reaktiv sind, dass sie bei einer Temperatur im Bereich zwischen 15 °C und 150 °C miteinander einen stoffschlüssigen Verbund bilden.The base plate for a carrier structure according to the invention can be advantageously made of a base material according to the invention, which has a basic body made of aluminum, which is covered at least on one side with a layer of a first component or of a second component, wherein the first component at least one Metal or a semi-metal having a melting point of less than 150 ° C and the second component contains at least one metal or a semi-metal having a melting point of about 250 ° C, and wherein the first component and the second component are so reactive that they in a Temperature in the range between 15 ° C and 150 ° C together form a cohesive bond.

Das erfindungsgemäße Basismaterial kann bevorzugt als Coil mit einer Breite bis zu 1600 mm und mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,1 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,2 bis 0,8 mm ausgebildet sein, wobei die Basisplatte insbesondere durch ein Zerschneiden des Materials oder ein Ausstanzen aus demselben herstellbar ist.The base material according to the invention may preferably be formed as a coil with a width of up to 1600 mm and a thickness in the range of about 0.1 mm to 1.5 mm, preferably in the range of about 0.2 to 0.8 mm, wherein the Base plate in particular by cutting the material or punching out of the same is produced.

Durch ein In-Kontakt-Bringen, gegebenenfalls unter einem Druck im Bereich von 20 kPa bis 4000 kPa und/oder bei einer Temperatur im Bereich zwischen 15 °C und 150 °C, der reaktiven Schicht aus der ersten oder zweiten Komponente mit einer komplementären Schicht aus der zweiten oder ersten Komponente oder mit einem entsprechenden komplementären Vollmaterial, die oder das die Oberfläche einer Wärmesenke, wie eines Kühlkörper, bildet, kann dann eine erfindungsgemäße Trägerstruktur in technologisch wenig aufwändiger Weise bevorzugt hergestellt werden.By contacting, optionally under a pressure in the range of 20 kPa to 4000 kPa and / or at a temperature in the range between 15 ° C and 150 ° C, the reactive layer of the first or second component with a complementary layer from the second or first component or with a corresponding complementary solid material which forms the surface of a heat sink, such as a heat sink, then a support structure according to the invention can then be produced preferably in a technologically complex manner.

Die Basisplatte einer erfindungsgemäßen Trägerstruktur kann somit vorteilhafterweise aus einem Basismaterial hergestellt werden, das insbesondere hinsichtlich seiner Oberseite derart ausgebildet ist, wie es für das Trägermaterial in der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2011 050 976.1 beschrieben ist, auf die hier in vollem Umfang verwiesen wird. Das erfindungsgemäße Basismaterial kann also eine die Oberseite bildende, elektrisch isolierende Isolationsschicht aufweisen, auf der die Dioden aufbringbar sind. Die Isolationsschicht kann dabei charakteristischerweise mehrere Teilschichten umfassen, und zwar eine erste Teilschicht, welche als transparente, elektrisch isolierende Schutzschicht ausgebildet ist, sowie ein unter der Schutzschicht liegendes Schichtsystem, das mindestens eine zweite Teilschicht umfasst, welche aus einem dielektischen Material besteht und zusammen mit einer unter dieser dielektrischen zweiten Teilschicht liegenden metallischen Schicht einen nach DIN 5036-3 gemessenen Grad der Gesamtreflexion von Licht von mindestens 85 Prozent aufweist.The base plate of a carrier structure according to the invention can thus be advantageously prepared from a base material, which is formed in particular with respect to its upper side as it is for the carrier material in the German utility model application DE 20 2011 050 976.1 to which reference is made in its entirety. The base material according to the invention can thus have an electrically insulating insulating layer forming the upper side, on which the Diodes are applied. The insulating layer may characteristically comprise a plurality of sub-layers, namely a first sub-layer, which is formed as a transparent, electrically insulating protective layer, and a subjacent to the protective layer system comprising at least a second sub-layer, which consists of a dielectric material and together with a a metallic layer underlying this dielectric second sub-layer DIN 5036-3 measured degree of total reflection of light of at least 85 percent.

Mit einem derartigen Material, das mit geringem technologischem Aufwand herstellbar ist, ist es möglich, dass bei hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit der Isolationsschicht eine erhöhte Lichtausbeute der lichtemittierenden Vorrichtung erzielt werden kann. Durch das genannte Trägermaterial wird in einer LED erzeugtes Licht reflektiert, so dass es vorteilhafterweise den aus einer lichtemittierenden Vorrichtung mit diesem Material direkt austretenden Lichtstrom um den reflektierten Betrag und damit die Lichtausbeute der Vorrichtung erhöht.With such a material, which can be produced with little technological effort, it is possible that at high dielectric strength of the insulating layer, an increased light output of the light-emitting device can be achieved. By said support material, light generated in an LED is reflected, so that it advantageously increases the luminous flux directly exiting from a light-emitting device with this material by the reflected amount and thus the luminous efficacy of the device.

Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung enthalten.Further advantageous embodiments of the invention are contained in the subclaims and in the following detailed description.

Anhand mehrerer durch die beiliegende Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:On the basis of several embodiments illustrated by the accompanying drawings, the invention will be explained in more detail. Showing:

1 einen Schnitt durch eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Trägerstruktur, 1 a section through a first embodiment of a support structure according to the invention,

2 als Vergleichsbeispiel, in einer Darstellung wie in 1 eine Ausführung einer nicht erfindungsgemäßen Trägerstruktur, 2 as a comparative example, in a representation as in 1 an embodiment of a non-inventive support structure,

3 in Explosionsdarstellung der Einzelteile, einen schematisierten Teilschnitt durch eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Trägerstruktur, 3 in an exploded view of the individual parts, a schematic partial section through a further embodiment of a support structure according to the invention,

4 einen schematisierten Teilschnitt durch eine dritte Ausführung einer erfindungsgemäßen Trägerstruktur, 4 a schematic partial section through a third embodiment of a support structure according to the invention,

5 einen schematisierten Teilschnitt durch eine vierte Ausführung einer erfindungsgemäßen Trägerstruktur, 5 a schematic partial section through a fourth embodiment of a support structure according to the invention,

6 bis 8 in unterschiedlichen Montageschritten, jeweils einen schematisierten Teilschnitt durch eine fünfte Ausführung einer erfindungsgemäßen Trägerstruktur. 6 to 8th in different assembly steps, in each case a schematic partial section through a fifth embodiment of a support structure according to the invention.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind dieselben Teile auch stets mit denselben Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal beschrieben. Dabei wird zu der anschließenden Beschreibung ausdrücklich betont, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei auch nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal der Ausführungsbeispiele auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich eine erfinderische Bedeutung haben.In the various figures of the drawing, the same parts are always provided with the same reference numerals and are therefore usually described only once in each case. It is expressly emphasized to the following description that the invention is not limited to the embodiments and not all or several features of combinations of features described, but each individual feature part of the embodiments can also be detached from all other related to the features described in part have an inventive meaning.

Wie zunächst 1 zeigt, umfasst eine erfindungsgemäße Trägerstruktur 1 für elektronische Bauelemente 2, wie lichtemittierende Dioden, eine Basisplatte 3, auf deren Oberseite 3a die elektronischen Bauelemente 2 montierbar – bzw. im dargestellten Fall schon montiert – sind, sowie eine Wärmesenke 4 mit einer in 1 nicht näher bezeichneten metallischen Grundstruktur, die ein handelsüblicher mit Rippen 5 versehener Kühlkörper sein kann, mit der die Basisplatte 3 auf ihrer Unterseite 3b thermisch leitend verbunden ist.As first 1 shows comprises a support structure according to the invention 1 for electronic components 2 like light emitting diodes, a base plate 3 on top of it 3a the electronic components 2 mountable - or already mounted in the case shown - are, as well as a heat sink 4 with an in 1 unspecified metallic basic structure, which is a commercial with ribs 5 provided heat sink can be, with the base plate 3 on their bottom 3b thermally conductively connected.

Die Basisplatte 3 weist einen in 1 nicht näher bezeichneten, aus Aluminium bestehenden Grundkörper auf.The base plate 3 has an in 1 unspecified, consisting of aluminum body on.

Zur Verbindung zwischen der Basisplatte 3 und der Wärmesenke 4 ist ein stoffschlüssiger Verbund 6 gebildet, der erfindungsgemäß mindestens eine erste Komponente und eine zweite Komponente enthält, die nur in den speziellen Ausbildungen in 3 und 4 einzeln bezeichnet sind. Die erste Komponente enthält mindestens ein Metall oder ein Halbmetall mit einem Schmelzpunkt von unter 150 °C, und die zweite Komponente enthält mindestens ein Metall oder ein Halbmetall mit einem Schmelzpunkt von über 250 °C. In allen dargestellten Ausführungen ist der stoffschlüssige Verbund 6 als kontinuierliche Schicht ausgebildet, wobei es aber – wie bereits erwähnt – auch möglich ist, dass der stoffschlüssige Verbund 6 aus diskreten Kontaktstellen gebildet ist.For connection between the base plate 3 and the heat sink 4 is a material bond 6 formed according to the invention contains at least a first component and a second component, which only in the specific embodiments in 3 and 4 are individually designated. The first component contains at least one metal or semimetal having a melting point below 150 ° C, and the second component contains at least one metal or semi-metal having a melting point above 250 ° C. In all the illustrated embodiments, the cohesive composite 6 formed as a continuous layer, but it is - as already mentioned - also possible that the cohesive composite 6 is formed of discrete contact points.

Bei der in 2 zum Vergleich dargestellten Trägerstruktur 1' handelt es sich um eine solche der bekannten Art, welche ebenfalls eine Basisplatte 3 und eine Wärmesenke 4 umfasst. Die Basisplatte 3 und die Wärmesenke 4 sind jedoch über eine bekannte Wärmeleitpaste 6' verbunden, deren Wärmeleitfähigkeit bekanntermaßen maximal etwa 10 W/mK, typischerweise 0,7 W/mK, beträgt. Dadurch liegt zwischen der Basisplatte 3 und der Wärmesenke 4 ein Wärmewiderstand, der etwa mindestens zwanzig Mal so groß ist wie der Wärmewiderstand der Werkstoffe, aus denen der Grundkörper von Basisplatte 3 und die Grundstruktur der Wärmesenke 4 bestehen.At the in 2 for comparison shown carrier structure 1' it is one of the known type, which also has a base plate 3 and a heat sink 4 includes. The base plate 3 and the heat sink 4 but are about a known thermal compound 6 ' connected, the thermal conductivity is known to a maximum of about 10 W / mK, typically 0.7 W / mK. This is between the base plate 3 and the heat sink 4 a thermal resistance that is at least twenty times greater than the thermal resistance of the materials that make up the basic body of the base plate 3 and the basic structure of the heat sink 4 consist.

Während sich aufgrund dessen in der herkömmlichen Trägerstruktur 1' die jeweils in einem elektronischen Bauelement 2 produzierte Wärme – in der Zeichnung symbolisiert durch die mit W bezeichneten Pfeile – zunächst überwiegend lateral innerhalb der Basisplatte 3 verteilt, um dann auf großer Fläche in die Wärmesenke 4 überzugehen, kommt es stattdessen bei der erfindungsgemäßen Trägerstruktur 1 nicht zu einem Wärmestau in der Basisplatte 3, so dass auch bei einer geringen Dicke D3, insbesondere einer Dicke von maximal 1,5 mm, ein optimaler Wärmeübergang an die Wärmesenke 4 vorliegt. Der Wärmeübergang ist dabei erfindungsgemäß durch einen senkrecht zur lateralen Richtung verlaufenden direkten Wärmefluss W vom Bauelement 2 durch die Basisplatte 3 zur Wärmesenke 4 gekennzeichnet. Die laterale Wärmeverteilung ist in die Wärmesenke 4 hinein verlagert. As a result, in the conventional support structure 1' each in an electronic component 2 produced heat - symbolized in the drawing by the arrows marked with W - initially predominantly laterally within the base plate 3 spread over a large area in the heat sink 4 Instead, it comes with the support structure according to the invention instead 1 not to a build-up of heat in the base plate 3 , so that even with a small thickness D3, in particular a maximum thickness of 1.5 mm, an optimal heat transfer to the heat sink 4 is present. The heat transfer is according to the invention by a perpendicular to the lateral direction extending direct heat flow W from the device 2 through the base plate 3 to the heat sink 4 characterized. The lateral heat distribution is in the heat sink 4 shifted into it.

Wie die Ausführung in 3 im Detail zeigt, kann in bevorzugter Weise vorgesehen sein, dass die metallische Grundstruktur 4a der Wärmesenke 4 aus Aluminium besteht, wobei sie zumindest auf ihrer Oberseite 4b mit einer Passivierungsschicht 7 bedeckt sein kann. Bei dieser vor korrosivem Angriff schützenden Passivierungsschicht 7 kann es sich insbesondere um eine Aluminiumoxidschicht handeln, die bevorzugt aus anodisch oxidiertem oder elektrolytisch geglänztem und anodisch oxidiertem Aluminium der Grundstruktur 4a besteht.Like the execution in 3 shows in detail, may be provided in a preferred manner that the metallic basic structure 4a the heat sink 4 made of aluminum, being at least on its top 4b with a passivation layer 7 can be covered. This passivation layer protects against corrosive attack 7 it may in particular be an aluminum oxide layer, preferably of anodically oxidized or electrolytically shined and anodized aluminum of the basic structure 4a consists.

Auch der metallische Grundkörper der Basisplatte 3, der in 3 mit dem Bezugszeichen 3c bezeichnet ist, kann zumindest auf seiner Unterseite 3b bevorzugt eine Passivierungsschicht 8 aufweisen, nach der Art, wie sie bei der Wärmesenke 4 vorhanden ist. Dabei zeigt 3, dass der Grundkörper 3c der Basisplatte 3 zumindest unterseitig, vorzugsweise unmittelbar auf der Passivierungsschicht 8, mit einer Haftvermittlerschicht 9 bedeckt sein kann.Also, the metallic base body of the base plate 3 who in 3 with the reference number 3c can be called, at least on its underside 3b preferably a passivation layer 8th exhibit, according to the way they are at the heat sink 4 is available. It shows 3 that the basic body 3c the base plate 3 at least on the underside, preferably directly on the passivation layer 8th , with a primer layer 9 can be covered.

Des Weiteren ist in der dargestellten Ausführung auf die metallische Grundstruktur der Wärmesenke 4, die in 3 mit dem Bezugszeichen 4a bezeichnet ist, oberseitig, insbesondere als oberste Schicht über der Passivierungsschicht 7 eine erste Verbindungsschicht 10 gebildet, die die erste Komponente 11 enthält und die gegenüber der zweiten Komponente reaktiv ist.Furthermore, in the illustrated embodiment, the metallic base structure of the heat sink 4 , in the 3 with the reference number 4a is designated, the upper side, in particular as the uppermost layer over the passivation layer 7 a first connection layer 10 formed, which is the first component 11 contains and which is reactive with the second component.

Diese erste reaktive Verbindungsschicht 10 kann beispielsweise durch Reibschweißen aufgetragen sein, was zeichnerisch durch eine zusätzlich vorhandene Schweißschicht 12 veranschaulicht ist. Die Schweißschicht 12, die darunter liegende Passivierungsschicht 7 und die darüber liegende Verbindungsschicht 10 könnten allerdings aber auch, z. B. infolge eines Reibschweißprozesses, der destruktiv auf die Passivierungsschicht 7 wirken kann, eine einzige mehr oder weniger homogene Schicht mit Gradientencharakter bilden, wobei die Konzentration der ersten Komponente 11 von der metallischen Grundstruktur 4a zur äußeren Oberfläche hin zunimmt. Die erste Komponente 11 kann dabei bevorzugt Gallium und/oder Indium enthalten oder vollständig aus diesen Stoffen gebildet sein. Die erste Komponente 11 kann zusätzlich auch Nickel, insbesondere in Masseanteilen an der Gesamtzusammensetzung im Bereich von 0,5 % bis 2,0 % enthalten. Das Nickel inhibiert einen oxidativen Angriff auf die anderen Konstituenten der ersten Komponente 11.This first reactive bonding layer 10 For example, it can be applied by friction welding, which is illustrated by an additionally existing welding layer 12 is illustrated. The welding layer 12 , the underlying passivation layer 7 and the overlying tie layer 10 but could also, for. B. as a result of a friction welding process destructive to the passivation layer 7 act, form a single more or less homogeneous layer of gradient character, wherein the concentration of the first component 11 from the metallic basic structure 4a increases toward the outer surface. The first component 11 may preferably contain gallium and / or indium or be formed entirely from these substances. The first component 11 may additionally contain nickel, in particular in mass fractions of the total composition in the range of 0.5% to 2.0%. The nickel inhibits an oxidative attack on the other constituents of the first component 11 ,

Die unmittelbar auf der Passivierungsschicht 8 der Basisplatte 3 vorhandene Haftvermittlerschicht 9 dient dazu, eine höhere Adhäsion einer darüber, insbesondere unmittelbar darüber liegenden, zweiten, für die erste Komponente 11 reaktiven Verbindungsschicht 13, welche die zweite Komponente 14 enthält, an der Basisplatte 3 zu bewirken. Sie kann beispielsweise aus Titandioxid gebildet sein.The directly on the passivation layer 8th the base plate 3 existing adhesion promoter layer 9 serves to provide a higher adhesion of one, in particular immediately above, second, for the first component 11 reactive compound layer 13 which is the second component 14 contains, at the base plate 3 to effect. It can for example be formed from titanium dioxide.

Die zweite reaktive Verbindungsschicht 13 kann, wie auch die Haftvermittlerschicht 9, durch einen, insbesondere reaktiven Sputterprozess aufgetragen sein. Die zweite Komponente 14 kann bevorzugt Kupfer, Silber, Zinn, Zink und/oder Aluminium enthalten oder vollständig aus diesen Stoffen gebildet sein. Die zweite Komponente kann zusätzlich auch Arsen und/oder Tellur enthalten.The second reactive compound layer 13 can, as well as the adhesive layer 9 be applied by a, in particular reactive sputtering process. The second component 14 may preferably contain copper, silver, tin, zinc and / or aluminum or be formed entirely from these substances. The second component may additionally contain arsenic and / or tellurium.

In kinematischer Umkehr kann sich das unter Bezugnahme auf 3 vorstehend für die Wärmesenke 4 beschriebene Schichtsystem auch auf dem Grundkörper 3c der Basisplatte 3 befinden und umgekehrt.In kinematic reversal, this may be with reference to 3 prominent for the heat sink 4 Layer system described also on the body 3c the base plate 3 and vice versa.

Ein erfindungsgemäßes Basismaterial B zur Herstellung einer Basisplatte 3 für eine erfindungsgemäße Trägerstruktur 1 weist folglich einen aus Aluminium bestehenden Grundkörper 3c auf, der mindestens auf einer Seite 3b mit einer Schicht 10, 13 aus einer ersten Komponente 11 oder aus einer zweiten Komponente 14 bedeckt ist, wobei die erste Komponente 10 mindestens ein Metall oder ein Halbmetall mit einem Schmelzpunkt von unter 150 °C enthält und die zweite Komponente 14 mindestens ein Metall oder ein Halbmetall mit einem Schmelzpunkt von über 250 °C enthält, und wobei die erste Komponente 11 und die zweite Komponente 14 derart reaktiv sind, dass sie bei einer Temperatur im Bereich zwischen 20 °C und 150 °C miteinander einen stoffschlüssigen Verbund 6 bilden.An inventive base material B for the preparation of a base plate 3 for a support structure according to the invention 1 thus has a basic body made of aluminum 3c on at least one page 3b with a layer 10 . 13 from a first component 11 or from a second component 14 is covered, the first component 10 contains at least one metal or a semi-metal having a melting point of below 150 ° C and the second component 14 contains at least one metal or a semi-metal having a melting point of about 250 ° C, and wherein the first component 11 and the second component 14 are so reactive that they at a temperature in the range between 20 ° C and 150 ° C together a cohesive bond 6 form.

Dadurch, dass die reaktive Schicht 10, 13 mit der ersten Komponente 11 oder mit der zweiten Komponente 14 einer Basisplatte 3, die aus dem erfindungsgemäßen Basismaterial hergestellt ist, gegebenenfalls unter einem Druck im Bereich von 20 Pa bis 400 Pa und bei einer Temperatur im Bereich zwischen 15 °C und 150 °C, mit einer komplementären Schicht 13, 10 oder einem entsprechenden Vollmaterial aus der zweiten Komponente 14 oder der ersten Komponente 11 einer Wärmesenke 4 in Kontakt gebracht wird, kann die erfindungsgemäße Trägerstruktur 1 hergestellt werden. Dies wird durch die mit dem Bezugszeichen P bezeichneten Pfeile in 3 veranschaulicht.By doing that, the reactive layer 10 . 13 with the first component 11 or with the second component 14 a base plate 3 , which is made from the base material according to the invention, optionally under a pressure in the range of 20 Pa to 400 Pa and at a temperature in the range between 15 ° C and 150 ° C, with a complementary layer 13 . 10 or a corresponding solid material from the second component 14 or the first component 11 a heat sink 4 is brought into contact, the support structure according to the invention 1 getting produced. This is indicated by the arrows designated by the reference P in FIG 3 illustrated.

Wenn die erste Komponente 11 Gallium und/oder Indium enthält, so wirken, wenn die Schichten 10, 13 ohne Unterbrechungen ausgebildet sind, die Wärmeleitfähigkeiten dieser Stoffe – 29 W/mK für Gallium und 82 W/mK für Indium – bestimmend auf den Minimalwert des Wärmewiderstand des stoffschlüssigen Verbundes 6 zwischen Basisplatte 3 und Wärmesenke 4. Dieser liegt folglich im Falle von reinem Gallium nur bei etwa einem Drittel bzw. im Falle von reinem Indium nur bei etwa einem Achtel des o.g. Minimalwertes, der durch eine herkömmliche Wärmeleitpaste 6' (2) bewirkt wird. Bei einer gegebenen Temperaturdifferenz zwischen dem elektronischen Bauelement 2 und der Wärmesenke 4 ist der Wärmestrom W in einer erfindungsgemäßen Trägerstruktur 1 (1) also um ein Mehrfaches höher. Der stoffschlüssige Verbund 6 der erfindungsgemäßen Trägerstruktur 1 kann dabei eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 15 W/mK, vorzugsweise im Bereich von 30 W/mK bis 220, besonders bevorzugt im Bereich von 80 W/mK bis 150 W/mK, aufweisen. If the first component 11 Contains gallium and / or indium, so act when the layers 10 . 13 are formed without interruptions, the thermal conductivities of these substances - 29 W / mK for gallium and 82 W / mK for indium - determining the minimum value of the thermal resistance of the cohesive composite 6 between base plate 3 and heat sink 4 , This is therefore in the case of pure gallium only about a third or in the case of pure indium only about one-eighth of the above-mentioned minimum value, by a conventional thermal paste 6 ' ( 2 ) is effected. For a given temperature difference between the electronic device 2 and the heat sink 4 is the heat flow W in a support structure according to the invention 1 ( 1 ) So many times higher. The cohesive bond 6 the support structure according to the invention 1 may have a thermal conductivity of at least 15 W / mK, preferably in the range of 30 W / mK to 220, more preferably in the range of 80 W / mK to 150 W / mK.

Der stoffschlüssige Verbund 6 kann sich dabei in Form einer Legierung, vorzugsweise einer homogenen Legierung, gegebenenfalls unter Einschluss intermetallischer Phasen ausbilden. Für den Fall der Ausbildung einer eutektischen binären, ternären oder quaternären Legierung oder einer eutektischen Legierung mit noch mehr Konstituenten bzw. auch bei der Ausbildung einer intermetallischen Phase ist es auch möglich, dass die resultierende Wärmeleitfähigkeit unter den Wert desjenigen Konstituenten sinkt, der als reiner Stoff die geringste Wärmeleitfähigkeit aufweist.The cohesive bond 6 may be in the form of an alloy, preferably a homogeneous alloy, optionally including intermetallic phases. In the case of the formation of a eutectic binary, ternary or quaternary alloy or a eutectic alloy with even more constituents or even in the formation of an intermetallic phase, it is also possible that the resulting thermal conductivity drops below the value of that constituent, which is pure substance having the lowest thermal conductivity.

Aus der Darstellung der in 4 gezeigten dritten Ausführung einer erfindungsgemäßen Trägerstruktur 1 wird deutlich, dass es auch möglich ist, dass die zweite Komponente 14 in Form von Partikeln in den stoffschlüssigen Verbund 6 eingebracht ist und/oder in dem Verbund 6 vorliegt. Solche Partikel, die beispielsweise aus Kupfer bestehen können, können insbesondere eine Korngröße im Bereich von 1 μm bis 100 μm, vorzugsweise im Bereich von 5 μm bis 50 μm, und besonders bevorzugt von nicht mehr als 20 μm, aufweisen. Sie können dadurch gut stoffschlüssig in die Matrix aus der ersten Komponente 11 eingebunden werden, weil sie eine hinreichend große Oberfläche aufweisen, an der sie mit der ersten Komponente 11 im Sinne einer Interdiffusion, Legierungsbildung, chemischen Reaktion o. ä. reagieren können.From the representation of in 4 shown third embodiment of a support structure according to the invention 1 it becomes clear that it is also possible that the second component 14 in the form of particles in the cohesive composite 6 is incorporated and / or in the composite 6 is present. Such particles, which may consist for example of copper, may in particular have a particle size in the range from 1 μm to 100 μm, preferably in the range from 5 μm to 50 μm, and particularly preferably not more than 20 μm. You can thus good cohesive in the matrix of the first component 11 be integrated because they have a sufficiently large surface at which they are with the first component 11 in the sense of interdiffusion, alloy formation, chemical reaction or the like.

Was diese möglichen Reaktionen betrifft, so weist beispielsweise das Zustandsdiagramm Aluminium-Gallium ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur von 26,4 °C auf, was dazu führt, dass Gallium als erste Komponente 11, welches selbst einen Schmelzpunkt von 29,8 °C aufweist, im Kontakt mit Aluminium als zweite Komponente 14 in der Nähe der Raumtemperatur flüssig werden kann. Eine ternäre Mischung, in der Aluminium als zweite Komponente 11 gelöst werden kann und die ähnlich wie Quecksilber einen Schmelzpunkt von unter 0 °C sowie eine Wärmeleitfähigkeit von über 350 W/mK aufweist, besteht aus 65 % bis 95 % Masseprozent Gallium, 5 % bis 22 % In und 0 % bis 11 % Sn. Das Zinn könnte hier also als Bestandteil der ersten Komponente 11 oder auch der zweiten Komponente 14 vorgesehen werden.As for these possible reactions, for example, the aluminum-gallium state diagram exhibits a eutectic with a melting temperature of 26.4 ° C, resulting in gallium as the first component 11 , which itself has a melting point of 29.8 ° C, in contact with aluminum as the second component 14 near the room temperature can become liquid. A ternary blend, in aluminum as the second component 11 can be solved and similar to mercury has a melting point of below 0 ° C and a thermal conductivity of about 350 W / mK, consists of 65% to 95% by mass gallium, 5% to 22% In and 0% to 11% Sn. The tin could therefore here as part of the first component 11 or the second component 14 be provided.

Dies eröffnet die Möglichkeit, den stoffschlüssigen Verbund 6 aus einer hochviskosen, z. B. bei Raumtemperatur unter Eigengewicht nicht fließenden, Fest-Flüssig-Dispersion 15 aus den Komponenten 11, 14 zu bilden, welche z. B. zunächst auf die Wärmesenke 4 aufgetragen wird, wie dies die vierte Ausführung einer erfindungsgemäßen Trägerstruktur 1 in 5 zeigt. Die Dispersion 15 kann dabei vorteilhafterweise insbesondere frei von Polymeren, Schmier- und Füllstoffen u. a., insbesondere organischen, Bestandteilen sein, durch die beispielsweise bei bekannten Wärmeleitpasten eine gewünschte Fluidität erzeugt wird, die jedoch in der Regel erhöhend auf den thermischen Widerstand wirken. Der stoffschlüssige Verbund 6 kann dann durch ein reaktives Aushärten der Dispersion, insbesondere bei Temperaturen unter 150 °C, gebildet werden, nachdem die Basisplatte 3, die – wie die figürliche Darstellung zeigt – flexibel sein kann, aufgelegt und formangepasst angepresst wird.This opens up the possibility of the cohesive bond 6 from a high-viscosity, z. B. at room temperature under its own weight not flowing, solid-liquid dispersion 15 from the components 11 . 14 to form, which z. B. first on the heat sink 4 is applied, as is the fourth embodiment of a support structure according to the invention 1 in 5 shows. The dispersion 15 In this case, it may advantageously be free of polymers, lubricants and fillers, inter alia, in particular organic constituents, by means of which, for example, a desired fluidity is produced in known heat-conducting pastes, which, however, generally have an increasing effect on the thermal resistance. The cohesive bond 6 can then be formed by a reactive curing of the dispersion, in particular at temperatures below 150 ° C, after the base plate 3 , which - as the figurative representation shows - can be flexible, applied and shaped-pressed.

Eine ähnliche mögliche Herstellungsweise wird auch durch die Darstellungen der sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trägerstruktur 1 in 6 bis 8 veranschaulicht. Die dynamische Viskosität der hochviskosen Dispersion 15, welche leicht herstellbar und gut verarbeitbar ist, kann dabei – ähnlich wie bei Bitumen – im Bereich von 104 Pas bis 108 Pas liegen. Damit die Dispersion 15 nicht verläuft bzw. in ihrer Ausdehnung funktionsgemäß an die Geometrie der erfindungsgemäßen Trägerstruktur 1 angepasst wird, kann auf der Wärmesenke 4 durch ein oder mehrere von der Oberseite 4b abstehende Randelemente 16 eine Kavität 17 gebildet sein, in die die Dispersion 15 zunächst eingebracht wird (6), wonach dann die Basisplatte 3 aufgelegt und zu dem stoffschlüssigen Verbund 6 ausgehärtet wird (7). Die Randelemente 16 wirken dabei gleichzeitig als Abstandshalter zwischen Basisplatte 3 und Wärmesenke 4, wobei die Dispersion zwischen den beiden Bauteilen 3, 4 in der Kavität 17 gekapselt wird. Wie 8 zeigt, kann die mechanische Verbindung, die neben der thermischen Koppelung von Basisplatte 3 und Wärmesenke 4 durch den stoffschlüssigen Verbund 6 entsteht, durch mechanische Befestigungselemente 18, wie Schrauben, Klemmen usw., verstärkt sein.A similar possible manufacturing method is also by the representations of the sixth embodiment of a support structure according to the invention 1 in 6 to 8th illustrated. The dynamic viscosity of the high-viscosity dispersion 15 , which is easy to produce and easy to process, it can - similar to bitumen - in the range of 10 4 Pas to 10 8 Pas are. Thus the dispersion 15 does not run or in its extent functionally according to the geometry of the support structure according to the invention 1 can be adjusted on the heat sink 4 through one or more of the top 4b protruding edge elements 16 a cavity 17 be formed, in which the dispersion 15 is first introduced ( 6 ), then the base plate 3 applied and to the cohesive composite 6 is cured ( 7 ). The border elements 16 At the same time, they act as spacers between the base plate 3 and heat sink 4 , where the dispersion between the two components 3 . 4 in the cavity 17 is encapsulated. As 8th shows, the mechanical connection, in addition to the thermal coupling of base plate 3 and heat sink 4 through the cohesive bond 6 is created by mechanical fasteners 18 , such as screws, clamps, etc., be reinforced.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel und Maßnahmen. So könnte beispielsweise die Wärmesenke 4 auch aus Kupfer hergestellt sein. Auch könnte, wie es sich insbesondere aus den Ausführungen zu 3 ergibt, die erfindungsgemäße zweite Komponente 14 durch eine Aluminiumbzw. Kupferoberfläche der Basisplatte 3 und/oder Wärmesenke 4 gebildet sein, so dass beispielsweise ein Verbund zweite Komponente 14 (Basisplatte 3) / Verbund 6 / erste Komponente 11 / Verbund 6 / zweite Komponente 14 (Wärmesenke 14) vorliegt. Die beschriebenen Schichtstrukturen schließen das Vorhandensein weiterer über und/oder unter den jeweiligen Schichten 8, 9, 10, 12, 13 liegender Schichten nicht aus. Wie bereits erwähnt kann der Fachmann die Erfindung, insbesondere bei der Gestaltung der Basisplatte 3 und des erfindungsgemäßen Materials zu ihrer Herstellung, durch weitere technische Merkmale ergänzen, vorzugsweise solche, wie sie in der DE 20 2011 050 976.1 für das dort beschriebene Trägermaterial angegeben sind.The present invention is not limited to the illustrated embodiments, but includes all means and measures in the sense of the invention having the same effect. For example, the heat sink could 4 also be made of copper. Also could, as it turns out in particular from the remarks to 3 gives the second component according to the invention 14 by an aluminum or. Copper surface of the base plate 3 and / or heat sink 4 be formed, so that, for example, a composite second component 14 (Base plate 3 ) / Composite 6 / first component 11 / Composite 6 / second component 14 (Heat sink 14 ) is present. The described layer structures exclude the presence of further over and / or under the respective layers 8th . 9 . 10 . 12 . 13 not lying down. As already mentioned, the person skilled in the art can use the invention, in particular in the design of the base plate 3 and the material according to the invention for their preparation, supplement by further technical features, preferably those as described in the DE 20 2011 050 976.1 are given for the carrier material described therein.

Ferner ist die Erfindung nicht auf die in den Ansprüchen 1 und 23 definierten Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal der unabhängigen Ansprüche weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.Furthermore, the invention is not limited to the feature combinations defined in claims 1 and 23, but may also be defined by any other combination of particular features of all individually disclosed features. This means that in principle virtually every individual feature of the independent claims can be omitted or replaced by at least one individual feature disclosed elsewhere in the application. In this respect, the claims are to be understood merely as a first formulation attempt for an invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Trägerstruktur, erfindungsgemäß Carrier structure, according to the invention
1'1'
Trägerstruktur, Vergleichsbeispiel Carrier structure, comparative example
22
elektronisches Bauelement electronic component
33
Basisplatte baseplate
3a3a
Oberseite von 3 Top of 3
3b3b
Unterseite von 3 Bottom of 3
3c3c
Aluminium-Grundkörper 3c Aluminum body 3c
44
Wärmesenke heat sink
4a4a
metallische Grundstruktur von 4 metallic basic structure of 4
4b4b
Oberseite von 4 Top of 4
55
Rippe von 4 Rib of 4
66
Verbund, erfindungsgemäß Composite according to the invention
6'6 '
Verbund, Vergleichsbeispiel Composite, comparative example
77
Passivierungsschicht von 4 Passivation layer of 4
88th
Passivierungsschicht von 3 Passivation layer of 3
99
Haftvermittlerschicht von 3 Adhesive layer of 3
1010
erste Verbindungsschicht (von 4)first connection layer (from 4 )
1111
erste Komponente für 6 first component for 6
1212
Schweißschicht (auf 4)Welding layer (on 4 )
1313
zweite Verbindungsschicht (von 3)second connection layer (from 3 )
1414
zweite Komponente für 6 second component for 6
1515
Dispersion aus 11 und 14 Dispersion off 11 and 14
1616
Randelement auf 4 Edge element on 4
1717
Kavität auf 4 Cavity on 4
BB
Basismaterial für 3 Base material for 3
D3D3
Dicke von 3 Thickness of 3
PP
Montagerichtung, Druck Mounting direction, pressure
WW
Wärmefluss heat flow

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2006/094346 A1 [0003] WO 2006/094346 A1 [0003]
  • DE 202011050976 [0005, 0017, 0048] DE 202011050976 [0005, 0017, 0048]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • DIN 5036-3 [0017] DIN 5036-3 [0017]

Claims (27)

Trägerstruktur (1) für elektronische Bauelemente (2), wie lichtemittierende Dioden, umfassend eine Basisplatte (3), auf deren Oberseite (3a) die elektronischen Bauelemente (2) montierbar sind, sowie umfassend eine Wärmesenke (4) mit einer metallischen Grundstruktur (4a), mit der die Basisplatte (3) auf ihrer Unterseite (3b) thermisch leitend verbunden ist, wobei die Basisplatte (3) einen aus Aluminium bestehenden Grundkörper (3c) aufweist und zur Verbindung zwischen der Basisplatte (3) und der Wärmesenke (4) ein stoffschlüssiger Verbund (6) gebildet ist, der mindestens eine erste Komponente (11) und eine zweite Komponente (14) enthält, wobei die erste Komponente (11) mindestens ein Metall oder ein Halbmetall mit einem Schmelzpunkt von unter 150 °C enthält und die zweite Komponente mindestens ein Metall oder ein Halbmetall mit einem Schmelzpunkt von über 250 °C enthält.Support structure ( 1 ) for electronic components ( 2 ), such as light-emitting diodes, comprising a base plate ( 3 ), on the upper side ( 3a ) the electronic components ( 2 ) are mountable, and comprising a heat sink ( 4 ) with a metallic basic structure ( 4a ), with which the base plate ( 3 ) on its underside ( 3b ) is thermally conductively connected, wherein the base plate ( 3 ) a basic body made of aluminum ( 3c ) and for connection between the base plate ( 3 ) and the heat sink ( 4 ) a cohesive bond ( 6 ) is formed, the at least one first component ( 11 ) and a second component ( 14 ), the first component ( 11 ) contains at least one metal or a semi-metal having a melting point of less than 150 ° C and the second component contains at least one metal or a semimetal having a melting point of about 250 ° C. Trägerstruktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stoffschlüssige Verbund (6) als kontinuierliche Schicht ausgebildet ist.Support structure ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the cohesive composite ( 6 ) is formed as a continuous layer. Trägerstruktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stoffschlüssige Verbund (6) aus diskreten Kontaktstellen gebildet ist. Support structure ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the cohesive composite ( 6 ) is formed of discrete contact points. Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Grundstruktur (4a) der Wärmesenke (4) aus Aluminium besteht und vorzugsweise zumindest auf ihrer Oberseite (4b) mit einer Passivierungsschicht (7) bedeckt ist, insbesondere mit einer Aluminiumoxidschicht, die bevorzugt aus anodisch oxidiertem oder elektrolytisch geglänztem und anodisch oxidiertem Aluminium der Grundstruktur (4c) besteht.Support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the basic metallic structure ( 4a ) of the heat sink ( 4 ) consists of aluminum and preferably at least on its upper side ( 4b ) with a passivation layer ( 7 ), in particular with an aluminum oxide layer, preferably of anodized or electrolytically shined and anodized aluminum of the basic structure ( 4c ) consists. Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminium des Grundkörpers (3c) der Basisplatte (3) zumindest auf deren Unterseite (3b) mit einer Passivierungsschicht (8), insbesondere mit einer Aluminiumoxidschicht, vorzugsweise aus anodisch oxidiertem oder elektrolytisch geglänztem und anodisch oxidiertem Aluminium des Grundkörpers (3c), bedeckt ist.Support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the aluminum of the base body ( 3c ) of the base plate ( 3 ) at least on its underside ( 3b ) with a passivation layer ( 8th ), in particular with an aluminum oxide layer, preferably of anodically oxidized or electrolytically shined and anodized aluminum of the main body ( 3c ), is covered. Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (3c) der Basisplatte (3) zumindest an deren Unterseite (3b), vorzugsweise unmittelbar auf der Passivierungsschicht (8), mit einer Haftvermittlerschicht (9) für die erste Komponente (11) oder die zweite Komponente (14), wie mit einer Schicht aus Titandioxid, bedeckt ist.Support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the basic body ( 3c ) of the base plate ( 3 ) at least on its underside ( 3b ), preferably directly on the passivation layer ( 8th ), with a primer layer ( 9 ) for the first component ( 11 ) or the second component ( 14 ), as covered with a layer of titanium dioxide. Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Grundstruktur (4a) der Wärmesenke (4) auf ihrer Oberseite (4b), vorzugsweise unmittelbar auf der Passivierungsschicht (7), oder der Grundkörper (3c) der Basisplatte (3) an der Unterseite (3b), vorzugsweise unmittelbar auf der Haftvermittlerschicht (9), mit einer ersten, für die zweite Komponente (14) reaktiven Verbindungsschicht (10) bedeckt ist, die aus der ersten Komponente (11) gebildet ist. Support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the metallic basic structure ( 4a ) of the heat sink ( 4 ) on its upper side ( 4b ), preferably directly on the passivation layer ( 7 ), or the basic body ( 3c ) of the base plate ( 3 ) on the bottom ( 3b ), preferably directly on the adhesion promoter layer ( 9 ), with a first, for the second component ( 14 ) reactive compound layer ( 10 ) covered by the first component ( 11 ) is formed. Trägerstruktur (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste reaktive Verbindungsschicht (10) durch Reibschweißen aufgetragen ist.Support structure ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the first reactive compound layer ( 10 ) is applied by friction welding. Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (3c) der Basisplatte (3) an der Unterseite (3b), vorzugsweise unmittelbar auf der Haftvermittlerschicht (9), oder die metallische Grundstruktur (4a) der Wärmesenke (4) auf ihrer Oberseite (4b), vorzugsweise unmittelbar auf der Passivierungsschicht (7), mit einer zweiten, für die erste Komponente (11) reaktiven Verbindungsschicht (13) bedeckt ist, die aus der zweiten Komponente (14) gebildet ist.Support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the basic body ( 3c ) of the base plate ( 3 ) on the bottom ( 3b ), preferably directly on the adhesion promoter layer ( 9 ), or the metallic basic structure ( 4a ) of the heat sink ( 4 ) on its upper side ( 4b ), preferably directly on the passivation layer ( 7 ), with a second, for the first component ( 11 ) reactive compound layer ( 13 ) covered by the second component ( 14 ) is formed. Trägerstruktur (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite reaktive Verbindungsschicht (13) durch einen, insbesondere reaktiven Sputterprozess aufgetragen ist.Support structure ( 1 ) according to claim 9, characterized in that the second reactive compound layer ( 13 ) is applied by a, in particular reactive sputtering process. Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (11) Gallium und/oder Indium enthält oder vollständig aus diesen Stoffen gebildet ist.Support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the first component ( 11 ) Contains gallium and / or indium or is formed entirely from these substances. Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (14) Kupfer, Silber, Zinn, Zink und/oder Aluminium enthält oder vollständig aus diesen Stoffen gebildet ist.Support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 11, characterized in that the second component ( 14 ) Contains copper, silver, tin, zinc and / or aluminum or is formed entirely from these substances. Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Komponente (14) Nickel, Arsen und/oder Tellur enthält. Support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 12, characterized in that the first and / or the second component ( 14 ) Contains nickel, arsenic and / or tellurium. Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (14) in Form von Partikeln in dem stoffschlüssigen Verbund (6) vorliegt.Support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 13, characterized in that the second component ( 14 ) in the form of particles in the cohesive composite ( 6 ) is present. Trägerstruktur (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel eine Korngröße im Bereich von 1 μm bis 100 μm, vorzugsweise von 5 μm bis 50 μm, und besonders bevorzugt von nicht mehr als 20 μm, aufweisen.Support structure ( 1 ) according to claim 14, characterized in that the particles have a particle size in the range of 1 micron to 100 microns, preferably from 5 microns to 50 microns, and more preferably of not more than 20 microns. Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der stoffschlüssige Verbund (6) in Form einer Legierung, wie einer eutektischen Legierung, vorzugsweise einer homogenen Legierung, gegebenenfalls unter Einschluss intermetallischer Phasen, vorliegt.Support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 15, characterized in that the cohesive composite ( 6 ) in the form of an alloy, such as a eutectic alloy, preferably a homogeneous alloy, optionally including intermetallic phases. Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der stoffschlüssige Verbund (6) durch Aushärten einer aus der ersten Komponente (11) und der zweiten Komponente (14) gebildeten Dispersion (15), insbesondere bei Temperaturen unter 150 °C, gebildet ist.Support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 16, characterized in that the cohesive composite ( 6 ) by curing one of the first component ( 11 ) and the second component ( 14 ) formed dispersion ( 15 ), in particular at temperatures below 150 ° C, is formed. Trägerstruktur (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion (14) bei Raumtemperatur unter Eigengewicht nicht fließt oder eine dynamische Viskosität im Bereich von 104 Pas bis 108 Pas aufweist.Support structure ( 1 ) according to claim 17, characterized in that the dispersion ( 14 ) does not flow at room temperature under its own weight or has a dynamic viscosity in the range from 10 4 Pas to 10 8 Pas. Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der stoffschlüssige Verbund (6) eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 15 W/mK, vorzugsweise im Bereich von 30 W/mK bis 220, besonders bevorzugt im Bereich von 80 W/mK bis 150 W/mK, aufweist. Support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 18, characterized in that the cohesive composite ( 6 ) has a thermal conductivity of at least 15 W / mK, preferably in the range of 30 W / mK to 220, more preferably in the range of 80 W / mK to 150 W / mK. Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisplatte (3) eine Dicke (D3) im Bereich von etwa 0,1 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,2 bis 0,8 mm, aufweist.Support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 19, characterized in that the base plate ( 3 ) has a thickness (D3) in the range of about 0.1 mm to 1.5 mm, preferably in the range of about 0.2 to 0.8 mm. Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Wärmesenke (4) durch ein oder mehrere von der Oberseite (4b) abstehende Randelemente (16) eine Kavität (17) gebildet ist.Support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 20, characterized in that on the heat sink ( 4 ) through one or more of the top ( 4b ) protruding boundary elements ( 16 ) a cavity ( 17 ) is formed. Basismaterial (B) zur Herstellung einer Basisplatte (3) für eine Trägerstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, mit einem aus Aluminium bestehenden Grundkörper (3C), der mindestens auf einer Seite (3b) mit einer Schicht (10, 13) aus einer ersten Komponente (11) oder aus einer zweiten Komponente (14) bedeckt ist, wobei die erste Komponente (11) mindestens ein Metall oder ein Halbmetall mit einem Schmelzpunkt von unter 150 °C enthält und die zweite Komponente (14) mindestens ein Metall oder ein Halbmetall mit einem Schmelzpunkt von über 250 °C enthält, und wobei die erste Komponente (11) und die zweite Komponente (14) derart reaktiv sind, dass sie bei einer Temperatur im Bereich zwischen 20 °C und 150 °C miteinander einen stoffschlüssigen Verbund (6) bilden.Base material (B) for producing a base plate ( 3 ) for a support structure ( 1 ) according to one of claims 1 to 21, with a basic body consisting of aluminum ( 3C ), which at least on one side ( 3b ) with a layer ( 10 . 13 ) from a first component ( 11 ) or from a second component ( 14 ), the first component ( 11 ) contains at least one metal or a semimetal having a melting point below 150 ° C and the second component ( 14 ) contains at least one metal or a semi-metal having a melting point above 250 ° C, and wherein the first component ( 11 ) and the second component ( 14 ) are so reactive that, at a temperature in the range between 20 ° C and 150 ° C, they form a cohesive bond with each other ( 6 ) form. Basismaterial (B) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf dem Aluminium des Grundkörpers (3c) zumindest auf einer Seite (3a) eine Passivierungsschicht (8) angeordnet ist, insbesondere eine Aluminiumoxidschicht, die vorzugsweise aus anodisch oxidiertem oder elektrolytisch geglänztem und anodisch oxidiertem Aluminium des Grundkörpers (3c) besteht. Base material (B) according to claim 22, characterized in that directly on the aluminum of the basic body ( 3c ) at least on one side ( 3a ) a passivation layer ( 8th ), in particular an aluminum oxide layer, which is preferably made of anodically oxidized or electrolytically shined and anodically oxidized aluminum of the main body ( 3c ) consists. Basismaterial (B) nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (3c) mindestens auf einer Seite (3a), vorzugsweise unmittelbar auf der Passivierungsschicht (8), mit einer Haftvermittlerschicht (9) für die erste Komponente (11) oder die zweite Komponente (14), wie mit einer Schicht aus Titandioxid, bedeckt ist.Base material (B) according to claim 22 or 23, characterized in that the basic body ( 3c ) at least on one side ( 3a ), preferably directly on the passivation layer ( 8th ), with a primer layer ( 9 ) for the first component ( 11 ) or the second component ( 14 ), as covered with a layer of titanium dioxide. Basismaterial (B) nach einem der Ansprüche 22 bis 24, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Coil mit einer Breite bis zu 1600 mm und mit einer Dicke (D3) im Bereich von etwa 0,1 mm bis 1,5 mm, vorzugsweise im Bereich von etwa 0,2 bis 0,8 mm.Base material (B) according to one of claims 22 to 24, characterized by a coil design having a width up to 1600 mm and a thickness (D3) in the range of about 0.1 mm to 1.5 mm, preferably in the range of about 0.2 to 0.8 mm. Basismaterial (B) nach einem der Ansprüche 22 bis 25, gekennzeichnet durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils eines der Ansprüche 8 oder 11 bis 13. Base material (B) according to one of claims 22 to 25, characterized by the features of the characterizing part of one of claims 8 or 11 to 13. Basismaterial (B) nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dem Grundkörper (3c) mindestens eine die Oberseite bildende, elektrisch isolierenden Isolationsschicht befindet, auf der die elektronischen Bauelemente (2) aufbringbar sind, wobei die Isolationsschicht mehrere Teilschichten umfasst, und zwar eine erste Teilschicht, welche als transparente, elektrisch isolierende Schutzschicht ausgebildet ist, sowie ein unter der Schutzschicht liegendes Schichtsystem, das mindestens eine zweite Teilschicht umfasst, welche aus einem dielektrischen Material besteht und zusammen mit einer unter dieser dielektrischen zweiten Teilschicht liegenden metallischen Schicht einen nach DIN 5036-3 gemessenen Grad der Gesamtreflexion von Licht von mindestens 85 Prozent aufweist.Base material (B) according to one of claims 22 to 26, characterized in that on the base body ( 3c ) is at least one top-forming, electrically insulating insulating layer on which the electronic components ( 2 ), wherein the insulating layer comprises a plurality of sub-layers, namely a first sub-layer, which is formed as a transparent, electrically insulating protective layer, and a subjacent to the protective layer system comprising at least a second sub-layer, which consists of a dielectric material and together having a lying under this dielectric second sub-layer metallic layer has a measured according to DIN 5036-3 degree of total reflection of light of at least 85 percent.
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