EP1923626B1 - LED-Modul mit integrierter Ansteuerung - Google Patents

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EP1923626B1
EP1923626B1 EP07118261A EP07118261A EP1923626B1 EP 1923626 B1 EP1923626 B1 EP 1923626B1 EP 07118261 A EP07118261 A EP 07118261A EP 07118261 A EP07118261 A EP 07118261A EP 1923626 B1 EP1923626 B1 EP 1923626B1
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EP
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led
lighting unit
components
housing
heat sink
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Josef Richter
Sigmund Braun
Wolfgang Jacob
Thomas Kalich
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F21S45/00—Arrangements within vehicle lighting devices specially adapted for vehicle exteriors, for purposes other than emission or distribution of light
    • F21S45/40—Cooling of lighting devices
    • F21S45/47—Passive cooling, e.g. using fins, thermal conductive elements or openings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to an LED module, which is intended for installation in a lighting unit, wherein the LED module, a plurality of LED components, electrical connection means, via which the LED components can be connected to a power supply of the lighting unit, and at least one heat-conducting with the LED components connected thermal contact element, via which the heat loss of the LED components can be dissipated to the lighting unit or to a heat sink of the lighting unit comprises.
  • Such lighting units can be used both for purposes of interior lighting and outdoor lighting. In particular, a use of such lighting units is also possible in or on motor vehicles.
  • LED light emitting diode
  • optical semiconductor components in the form of light-emitting diodes in particular light-emitting diode chips (LED chips) can be used.
  • LED chips light-emitting diode chips
  • a plurality of LED components are arranged in an array, wherein the LEDs are preferably mounted as surface-mounted SMD (SMD) element by soldering or gluing on a support or a printed circuit board.
  • SMD surface-mounted SMD
  • LEDs are increasingly being used because they have some significant advantages over conventional light bulbs. LEDs have a longer life, a smaller size and a better efficiency in the conversion of electrical energy into light. Furthermore, LEDs are characterized by a Insensitivity to shocks and shocks, which is a significant advantage, especially in motor vehicles.
  • the waste heat that occurs as a loss has to be dissipated against the backdrop of constantly increasing performance, even in LEDs, in order to prevent overheating and thus functional impairment or even destruction of the LEDs.
  • the waste heat is dissipated from the underside of the LED components via their electrical connections and / or via a serving as a heat connection third contact to a metallic heat sink.
  • a lighting unit is known in which a printed circuit board with a plurality of encapsulated LEDs in wired version is equipped.
  • a cooling plate provided with holes is arranged on the side of the printed circuit board equipped with the LEDs such that the heads of the LEDs project separately into the bores of the cooling plate and are individually aligned therein.
  • flexible printed circuit boards are usually equipped with LEDs in a two-dimensional plane, and then the flexible structure thus obtained is glued to a heat sink.
  • the heat sink can, as it is from the DE 199 22 176 A1 is known, for example, made of copper or aluminum, which have desired for the particular application, three-dimensional shape and be provided on the side remote from the circuit board surfaces with cooling fins.
  • the printed circuit board is preferably attached to the heat sink with a thermal paste, a thermal adhesive, a heat-conducting foil or the like, with an exact alignment of the LED components is difficult and just like the sticking of the circuit board to the heatsink means a considerable assembly effort.
  • LED lighting modules also called LED modules
  • LED modules are used in which a certain number of LEDs are combined in a particular arrangement into a module to achieve the required amount of light for certain applications.
  • Such modules can be relatively easy to mount in a lighting unit.
  • the control of the LED modules or the individual LEDs by means of special driver circuits, which is arranged as an external control unit outside the respective modules and to be mounted separately.
  • WO 02/097884 A1 From the WO 02/097884 A1 is a lighting module with light-emitting diodes known in which the light-emitting diodes are arranged as an array on a cooling element. An electrical supply is made via central connection contacts.
  • a light-emitting diode light source in which the light-emitting diodes are arranged on one side of a heat sink.
  • a drive electronics is provided at a distance from the heat sink.
  • Object of the present invention is to provide an improved LED module of the type mentioned, which allows an even easier and faster installation in a lighting unit.
  • control unit for controlling the LED components is combined with the other components of the LED module to form a unitary assembly by integrating the control unit into the LED module.
  • control unit may comprise an electronic circuit designed as an integrated circuit (IC).
  • the lighting unit according to the invention has, in comparison to the previously known embodiments, above all the advantage that a separate assembly and subsequent connection of an external control unit for the LED module is no longer necessary, which reduces the outlay and thus the production costs of a lamp with such LEDs. Modules equipped lighting unit significantly reduced.
  • the LED module may comprise both a plurality of individual LED chips and - alternatively or additionally - one or more structured substrates with embedded, in particular soldered, LED chips.
  • control unit comprises at least one driver circuit, by means of which the LED components can be controlled individually or in groups.
  • control unit comprises at least one multi-channel drive circuit, by means of which RGB LEDs can also be activated.
  • RGB LEDs can also be activated.
  • the use of a multi-channel drive IC thus allows flexible use of the LED modules according to the invention also in lighting units for those areas where it depends on multicolored light signals.
  • the thermal contact element is formed by an open or closed housing made of a thermally conductive material, in which the LED components, the electrical connection means, the control unit and possibly provided further components of the LED module are arranged.
  • a robust and particularly compact design of the LED module is achieved, which is not only easy to handle, but at the same time also allows a particularly effective transition of dissipated heat.
  • the housing can have an arbitrarily shaped outer contour, which can be adapted to the requirements imposed on the lighting unit.
  • the housing consists of a good heat-conducting material, in particular copper or aluminum.
  • a disc-shaped base made of a good heat-conducting material is provided in or on the housing, on which the LED components are accommodated.
  • the waste heat can then be dissipated via the base, which is preferably adapted specifically to the number and size of the male LEDs of the module, depending on the type of module recording either directly or indirectly via the housing further to the lighting unit.
  • the control unit can be mounted either on the same side of the base as the LEDs or the base is provided with electrical feedthroughs and formed so that the control unit is arranged on the opposite side of the LEDs back of the base.
  • the base is in particular made in one piece with the housing and therefore also preferably consists of copper or aluminum.
  • optical means in particular a plastic optic or optical conversion means, for example an optical filling medium for the color conversion of the of LEDs of the module emitted light are received in the housing or fitted therein.
  • a housing which is open towards an end side can thus also be terminated by a suitably designed primary optics in order to achieve a specific focusing.
  • a plastic look can be used by clip-mounting in the housing.
  • a particularly easy assembly results when the LED components are first preassembled on a carrier board and then introduced into the LED module. It is advantageous here to arrange a drive circuit on the carrier board, as this can be dispensed with an external drive circuit for the LED components themselves. As a result, the steps for producing a corresponding LED module can be reduced since the light-generating LED components and the control can be applied in one operation.
  • the invention proposes that the outer sides of the housing at least partially have a toothing or knurling.
  • the housing of the LED module can be pressed particularly good thermal conductivity in a heat sink of the lighting unit.
  • the subject matter of the present invention is furthermore a lighting unit with a plurality of LED components and a heat sink, via which the heat loss of the LEDs can be dissipated, wherein the lighting unit comprises one or more LED modules of the type described above.
  • a lighting unit is due to the prefabricated LED modules with integrated control unit particularly fast and easy to assemble, allowing a cost-effective production.
  • the one or more LED modules each have a housing of the aforementioned type, which is received positively in the heat sink of the lighting unit. This is not only a very fast and with a relatively simple and robust construction is no longer necessary.
  • optical applications and lighting units are for example from the DE 197 57 513 A1 Einpressdioden known in cooling plate design, which are received positively in a recess or depression of a cooling plate.
  • Such press-in diodes are used, for example in welding equipment as a rectifier, where it does not depend on an exact alignment during assembly.
  • lead frame it is also advantageous to carry out the heat sink as a metallic carrier strip, a so-called lead frame.
  • Such lead frames are already known for cooling power semiconductors and can therefore be manufactured and installed inexpensively. They provide a sufficiently good heat sink for the LED and its control. The fact that on the lead frame one-sided assembly can take place, the manufacturing processes for the production of a lighting unit with LED modules are simplified.
  • the lead frame made of copper is particularly advantageous in this case since copper can dissipate the heat which is produced when generating light particularly well.
  • the lighting unit according to the invention is a headlamp, in particular a motor vehicle headlamp, comprising a headlamp heat sink in which at least one module housing of the type described above is positively received, preferably pressed in or screwed in.
  • the present invention can thus be used advantageously in particular in the automotive sector, but also in general lighting applications.
  • LED module 1 is intended for installation in a not shown in the figures lighting unit. It comprises a cylindrical housing 2 made of aluminum, which in each case has a recess 3 at its two end faces and is thus designed to be open. Between the two recesses 3 is a disc-shaped base 4, which is integrally connected to the sleeve-shaped wall 5 of the housing 2.
  • a total of four LED components 6 are added, which are each designed here as a surface-mounted LED chips.
  • the individual LED chips 6 are arranged in a 2x2 array on a carrier board 7, which is mounted directly on the base 4. In this way, the LED chips 6 are thermally conductive connected via the carrier board 7 and the base 4 with the wall 5 of the module housing 2.
  • the module housing 2 in this case represents a thermal contact element, via which the heat loss of the LED components 6 can be dissipated to the LED module 1 receiving luminous unit or to a heat sink 8 of a lighting unit.
  • a circuit board 9 is accommodated, which forms a control unit 10 for the LED chips 6 with a drive circuit applied thereto.
  • the control unit 10 is connected to the LED chips 6 via two contact pins 11 that are led through the base 4 in an insulating manner.
  • the front end surfaces of the contact pins 11 are connected by bonding wires 12 to the carrier board 7 and with the LED chips 6 mounted thereon.
  • the rear end regions of the contact pins 11 each contact a connection socket of the control unit 10 embedded in the printed circuit board 9.
  • connection means 13 may be provided, such as connector or pins.
  • a plastic primary optics 14 can be glued over the LED chips 6 and / or inserted into the corresponding recess 3, in particular clipped, as in FIG FIG. 5 is shown.
  • the four LED chips 6 are arranged in a row next to one another on the carrier board 7. Basically, any number of LED chips 6 can be provided in any arrangement in the LED module 1, depending on the purpose.
  • the back of the housing 2 can be completed by a suitable cover.
  • a pre-assembled LED module 1 is obtained, in which a control unit 10 for driving the LED components 6 is already integrated.
  • the control unit can also be arranged at other locations of the LED module 1, for example on the rear side and / or the front side of the carrier board 7 of the LED chips 6.
  • the pre-assembled LED modules1 are later particularly quickly and easily inserted into suitable recesses 15 of a heat sink 8 of a lighting unit.
  • the LED chips 6 can be soldered onto a carrier board 7 in the form of a driving silicon IC.
  • the drive itself serves as a carrier for the LED chips.
  • the integrated control can also be carried out in silicon carbide, which is characterized by good thermal properties. Such an integration would be particularly advantageous because some LED manufacturers silicon carbide is used as a substrate for the LEDs.
  • the monolithic semiconductor lighting unit can be equipped by this chip-on-chip solution directly with an example. Phosphorus-active lighting part and an integrated control part, in which a drive by integrated circuits, sensors and / or other switching logic is already integrated.
  • the number of steps required to produce an LED module can be reduced.
  • an integrated drive for example in the form of an ASIC, a plurality of possibly different LED chips can also be arranged on a carrier and driven at the same time.
  • the LED modules 1 preferably have on their housing 2 an outside knurling 16, via which they are positively and non-positively pressed into the recesses 15 of the heat sink 8. At the same time a particularly simple, yet highly accurate optical alignment of the individual LED modules 1 to each other is achieved, so that a subsequent adjustment of individual LEDs for the desired focusing of the lighting unit during assembly is not required.
  • the LED modules 1 can be pressed directly into their predetermined by the recesses 15 positionally accurate alignment in the heat sink 8.
  • the in FIG. 6 shown heatsink 8 has three recesses 15 in order to record a total of three inventively prefabricated LED modules 1, each with an integrated control unit non-positively.
  • the heat sink 8 which also consists of aluminum, provided with cooling fins 17, via which the waste heat can be dissipated to the environment. Since the heat sink 8 is made of aluminum here as well as the housing 2 of the LED modules 1, not only results in a particularly good heat transfer due to the identical thermal expansion coefficient, but it is also a permanently secure interference fit between the module housings 2 and the heat sink 8 guaranteed ,
  • the number and arrangement of the holes or recesses 15 as well as the shape of the heat sink 8 can be varied depending on the requirements of the associated lighting unit requirements.
  • any orientation of the bores or recesses 15 in three-dimensional space is possible with a three-dimensional heat sink 8.
  • the heat sink 8 may also be designed for a motor vehicle headlight.
  • the recesses 15 are preferably introduced in a corresponding processing center in only a single clamping.
  • FIG. 7 is a metallic carrier strip, a so-called lead frame 20 shown, to which a plurality of LED modules 1 can be attached.
  • the carrier strip 20 is preferably made of copper or a copper alloy.
  • the carrier strip 20 has a first mounting web 21 and a second mounting web 22, wherein the two mounting webs 21, 22 form parallel webs, in each of the mounting holes 23 are introduced.
  • the carrier strip 20 can be mounted in a housing and optionally connected to further cooling elements.
  • Support members 31, 32 and 33 which in the embodiment shown here form an approximate rectangular, planar surface, are held by thin support arms between the two webs 21, 22.
  • mounting surfaces 41, 42, 43 are sketched, where the respective LED modules 1, for example by gluing or can be applied by soldering.
  • the module housing 2 preferably contacts the surface of the respective associated carrier element.
  • the mounting webs 21, 22 are each connected only via thin connecting webs with the carriers 31, 32, 33. In the FIG. 7 are for the sake of clarity of the drawing, only two connecting webs 51, 52 provided with a reference numeral. By means of the openings formed by the thin design of the connecting webs 51, the carriers 31, 32 can be cooled with air guided past them.
  • connection webs in particular in an embodiment of a material with good heat conduction, that over the connecting webs 51, 52 heat to the mounting webs 21, 22 is led away for further dissipation.
  • the attachment of the LED modules on the surface of the carrier 31, 32, 33 can be done by means known from the processing of power semiconductors manufacturing processes.

Description

    Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul, das zum Einbau in ein Leuchtaggregat bestimmt ist, wobei das LED-Modul mehrere LED-Bauelemente, elektrische Anschlussmittel, über die die LED-Bauelemente mit einer Stromversorgung des Leuchtaggregats verbunden werden können, und mindestens ein wärmeleitend mit den LED-Bauelementen verbundenes thermisches Kontaktelement, über das die Verlustwärme der LED-Bauelemente an das Leuchtaggregat bzw. an einen Kühlkörper des Leuchtaggregats abgeführt werden kann, umfasst.
  • Derartige Leuchtaggregate können sowohl zu Zwecken der Innenraumbeleuchtung als auch bei der Außenbeleuchtung eingesetzt werden. Insbesondere ist ein Einsatz von solchen Leuchtaggregate auch in oder an Kraftfahrzeugen möglich. Als lichtabgebende LED-Bauelemente (LED = light emitting diode) können optische Halbleiterbauelemente in der Form von Leuchtdioden, insbesondere Leuchtdiodenchips (LED-Chips) eingesetzt werden. Üblicherweise wird dabei eine Vielzahl von LED-Bauelementen (im folgenden auch LEDs genannt) zu einem Array angeordnet, wobei die LEDs vorzugsweise als oberflächenmontiertes SMD-Element (SMD = surface mounted device) durch Löten oder Kleben auf einem Träger oder einer Leiterplatte montiert werden.
  • Nicht nur bei Kraftfahrzeugen werden zunehmend LEDs eingesetzt, da sie gegenüber konventionellen Glühlampen einige wesentliche Vorteile aufweisen. So haben LEDs eine längere Lebensdauer, eine geringere Baugröße sowie einen besseren Wirkungsgrad bei der Umwandlung elektrischer Energie in Licht. Ferner zeichnen sich LEDs durch eine Unempfindlichkeit gegenüber Stößen und Erschütterungen aus, was insbesondere bei Kraftfahrzeugen einen erheblichen Vorteil darstellt.
  • Trotz der im Vergleich zu Glühlampen geringeren Wärmeabgabe muss vor dem Hintergrund einer ständig fortschreitenden Leistungssteigerung auch bei LEDs die als Verlust auftretende Abwärme abgeführt werden, um eine Überhitzung und damit eine Funktionsbeeinträchtigung oder sogar eine Zerstörung der LEDs zu verhindern. Üblicherweise wird die Abwärme von der Unterseite der LED-Bauelemente über ihre elektrischen Anschlüsse und/oder über einen als Wärmeanschluss dienenden dritten Kontakt an einen metallischen Kühlkörper abgeführt.
  • Aus der DE 195 28 459 C2 ist ein Leuchtaggregat bekannt, bei dem eine Leiterplatte mit mehreren eingekapselten LEDs in gedrahteter Ausführung bestückt ist. Zur Abfuhr der Abwärme ist auf der mit den LEDs bestückten Seite der Leiterplatte eine mit Bohrungen versehene Kühlplatte derart angeordnet, dass die Köpfe der LEDs jeweils separat in die Bohrungen der Kühlplatte hineinragen und darin jeweils einzeln ausgerichtet sind.
  • Um beispielsweise in einem Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs mehrere LEDs oder mehrere LED-Gruppen anzuordnen, werden üblicherweise flexible Leiterplatten in einer zweidimensionalen Ebene mit LEDs bestückt, und danach wird das so erhaltene flexible Gebilde auf einen Kühlkörper aufgeklebt. Der Kühlkörper kann dabei, wie es aus der DE 199 22 176 A1 bekannt ist, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehen, die für den jeweiligen Anwendungsfall gewünschte dreidimensionale Form aufweisen und auf den von der Leiterplatte abgewandten Oberflächen mit Kühlrippen versehen sein. Die Leiterplatte wird dabei vorzugsweise mit einer Wärmeleitpaste, einen Wärmeleitkleber, einer Wärmeleitfolie oder dergleichen auf den Kühlkörper befestigt, wobei eine exakte Ausrichtung der LED-Bauelemente schwierig ist und ebenso wie das Aufkleben der Leiterplatte auf den Kühlkörper einen erheblichen montagetechnischen Aufwand bedeutet.
  • Deshalb werden zunehmend auch vorgefertigte LED-Leuchtmodule (kurz auch LED-Module genannt) eingesetzt, bei denen eine bestimmte Anzahl von LEDs in einer bestimmten Anordnung zu einem Modul zusammengefasst sind, um die geforderte Menge Licht für bestimmte Applikationen zu erreichen. Derartige Module lassen sich relativ einfach in einem Leuchtaggregat montieren. Die Ansteuerung der LED-Module bzw. der einzelnen LEDs erfolgt mittels spezieller Treiberschaltungen, die als externe Steuereinheit außerhalb der jeweiligen Module angeordnet und separat zu montieren ist.
  • Aus der US 2006/0007013 A1 ist eine Anti-Kollisions-Warnleuchte für Flugzeuge bekannt, das ebenfalls mit LEDs als Lichtquelle arbeitet. Auch hier kann zusätzlich ein elektrisches Überwachungssystem vorgesehen sein, durch das die LEDs auf eine ordnungsgemäße Funktion überwacht werden können. Insbesondere können dabei auch Überwachungsschaltungen für mehrere LED-Arrays in einer gemeinsamen Überwachungseinheit kombiniert sein.
  • Aus der WO 02/097884 A1 ist ein Beleuchtungsmodul mit Leuchtdioden bekannt, bei dem die Leuchtdioden als Array an einem Kühlelement angeordnet sind. Eine elektrische Versorgung erfolgt über zentrale Anschlusskontakte.
  • Aus der WO 2004/079256 A1 ist eine Leuchtdiodenlichtquelle bekannt, bei der die Leuchtdioden auf einer Seite eines Kühlkörpers angeordnet sind. In dem Lampegehäuse ist beabstandet zu dem Kühlkörper eine Ansteuerelektronik vorgesehen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes LED-Modul der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine noch einfachere und schnellere Montage in ein Leuchtaggregat ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein LED-Modul nach Anspruch 1 gelöst.
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, dass eine Steuereinheit zur Ansteuerung der LED-Bauelemente mit den anderen Komponenten des LED-Moduls zu einer einheitlichen Baugruppe vereinigt ist, indem die Steuereinheit in das LED-Modul integriert wird. Insbesondere kann die Steuereinheit eine elektronische Schaltung umfassen, die als IC (IC = integrated circuit bzw. integrierte Schaltung) ausgeführt ist.
  • Auf dieses Weise wird eine vorgefertigte, kompakte und einfach zu verbauende LED-Baugruppe geschaffen, die neben den LEDs, den elektrischen Anschlussmitteln und dem thermischen Kontaktelement auch bereits die zur Ansteuerung des LED-Moduls bzw. die zur Ansteuerung der LEDs erforderlichen Elemente enthält. Die bisherige Trennung von Leuchtteil und Steuerteil entfällt damit.
  • Auf dieses Weise wird eine vorgefertigte, kompakte und einfach zu verbauende LED-Baugruppe geschaffen, die neben den LEDs, den elektrischen Anschlussmitteln und dem thermischen Kontaktelement auch bereits die zur Ansteuerung des LED-Moduls bzw. die zur Ansteuerung der LEDs erforderlichen Elemente enthält. Die bisherige Trennung von Leuchtteil und Steuerteil entfällt damit.
  • Das erfindungsgemäße Leuchtaggregat nach Anspruch 1 weist gegenüber den vorbekannten Ausführungsformen vor allem den Vorteil auf, dass eine separate Montage und anschließende Verbindung einer externen Steuereinheit für das LED-Modul nicht mehr erforderlich ist, was den Aufwand und damit auch die Herstellungskosten eines mit derartigen LED-Modulen ausgestatteten Leuchtaggregats deutlich reduziert.
  • Das LED-Modul kann dabei sowohl mehrere einzelne LED-Chips als auch - alternativ oder zusätzlich - ein oder mehrere strukturierte Substrate mit eingebetteten, insbesondere eingelöteten LED-Chips umfassen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen LED-Moduls ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • So ist es beispielsweise besonders günstig, wenn die Steuereinheit mindestens eine Treiberschaltung umfasst, durch welche die LED-Bauelemente einzeln oder gruppenweise angesteuert werden können.
  • Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn die Steuereinheit mindestens eine Mehrkanal-Ansteuer-Schaltung umfasst, durch die auch RGB-LEDs angesteuert werden können. Die Verwendung eines Mehrkanal-Ansteuer-ICs gestattet somit einen flexiblen Einsatz der erfindungsgemäßen LED-Module auch in Leuchtaggregaten für solche Bereiche, in denen es auf mehrfarbige Lichtsignale ankommt.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das thermische Kontaktelement durch ein offenes oder geschlossenes Gehäuse aus einem wärmeleitenden Material gebildet wird, in welchem die LED-Bauelemente, die elektrischen Anschlussmittel, die Steuereinheit sowie gegebenenfalls vorgesehene weitere Komponenten des LED-Moduls angeordnet sind. Hierdurch wird eine robuste und besonders kompakte Ausbildung des LED-Moduls erzielt, die nicht nur leicht handzuhaben ist, sondern gleichzeitig auch einen besonders effektiven Übergang der abzuführenden Wärme ermöglicht. So kann bei einer geeigneten Anbringung des Moduls in einer wärmeleitenden Aufnahme des Leuchtaggregats, insbesondere unmittelbar in dem Kühlkörper des Leuchtaggregats, die Wärme über die Oberfläche des gesamten Modulgehäuses abgeführt werden. Das Gehäuse kann dabei eine beliebig geformte Außenkontur aufweisen, die an die an das Leuchtaggregat gestellten Anforderungen angepasst werden kann. Vorzugsweise besteht das Gehäuse aus einem gut wärmeleitendem Material, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium.
  • Erfindungsgemäß ist in oder an dem Gehäuse ein scheibenförmiger Sockel aus einem gut wärmeleitenden Material vorgesehen, auf dem die LED-Bauelemente aufgenommen sind. Die Abwärme kann dann über den Sockel, der vorzugsweise speziell an die Anzahl und Größe der aufzunehmenden LEDs des Moduls angepasst ist, je nach Art der Modulaufnahme entweder direkt oder mittelbar über das Gehäuse weiter an das Leuchtaggregat abgeführt werden. Dabei kann die Steuereinheit entweder auf der gleichen Seite des Sockels wie die LEDs angebracht sein oder der Sockel wird mit elektrischen Durchführungen versehen und so ausgebildet, dass die Steuereinheit auf der den LEDs gegenüberliegenden Rückseite des Sockels angeordnet ist. Der Sockel ist insbesondere einstückig mit dem Gehäuse ausgeführt und besteht somit ebenfalls vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium.
  • Günstig für eine gewünschte Lichtabgabe kann es weiterhin sein, wenn optische Mittel, insbesondere eine Kunststoffoptik oder optische Konvertierungsmittel, beispielsweise ein optisches Füllmedium zur Farbumwandlung des von den LEDs des Moduls emittierten Lichts in dem Gehäuse aufgenommen oder darin eingepasst sind. Vorzugsweise kann so auch ein zu einer Stirnseite hin offenes Gehäuse durch eine entsprechend ausgebildete Primäroptik abgeschlossen werden, um eine bestimmte Fokussierung zu erzielen. Auf besonders einfache Weise kann eine Kunststoffoptik per Clip-Montage in das Gehäuse eingesetzt werden.
  • Eine besonders leichte Montage ergibt sich dann, wenn die LED-Bauelemente zunächst auf einer Trägerplatine vormontiert und danach in das LED-Modul eingebracht werden. Vorteilhaft ist es hierbei, eine Ansteuerungsschaltung auf der Trägerplatine anzuordnen, da hierdurch auf eine externe Ansteuerschaltung für die LED-Bauelemente selbst verzichtet werden kann. Hierdurch können die Arbeitsschritte zur Herstellung eines entsprechenden LED-Moduls verringert werden, da die lichterzeugenden LED-Bauelemente und die Ansteuerung in einem Arbeitsgang aufgebracht werden können.
  • Um einen dauerhaft effektiven Wärmeübergang zu gewährleisten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Außenseiten des Gehäuses zumindest teilweise eine Zahnung oder eine Rändelung aufweisen. Über eine derartige gezahnte oder gerändelte Gehäusekontur kann das Gehäuse des LED-Moduls besonders gut wärmeleitend in einen Kühlkörper des Leuchtaggregats eingepresst werden.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Leuchtaggregat mit mehreren LED-Bauelementen und einem Kühlkörper, über den die Verlustwärme der LEDs abgeführt werden kann, wobei das Leuchtaggregat ein oder mehrere LED-Module der vorangehend beschriebenen Art umfasst. Ein derartiges Leuchtaggregat ist aufgrund der vorgefertigten LED-Module mit integrierter Steuereinheit besonders schnell und einfach zu montieren, was eine kostengünstige Fertigung ermöglicht.
  • Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das oder die LED-Module jeweils ein Gehäuse der vorgenannten Art aufweisen, welches kraftschlüssig in dem Kühlkörper des Leuchtaggregats aufgenommen ist. Hierdurch wird bei einer relativ einfachen und robusten Konstruktion nicht nur eine sehr schnelle und nicht mehr erforderlich ist. Bei der Herstellung eines derartigen Leuchtaggregats ist es zur Erzielung einer hochexakten optischen Ausrichtung besonders vorteilhaft, wenn für die Aufnahme mehrerer LED-Module mehrere Öffnungen und/oder Vertiefungen gleichzeitig und/oder in einer einzigen Aufspannung des Kühlkörpers in den Kühlkörper eingebracht werden, was vorteilhafterweise mit entsprechenden Bearbeitungszentren ausgeführt werden kann.
  • Unabhängig von optischen Anwendungen und Leuchtaggregaten sind beispielsweise aus der DE 197 57 513 A1 Einpressdioden in Kühlplattenbauweise bekannt, die in einer Ausnehmung oder Vertiefung einer Kühlplatte kraftschlüssig aufgenommen sind. Derartige Einpressdioden werden beispielsweise in Schweißgeräten als Gleichrichter eingesetzt, wo es jedoch nicht auf eine exakte Ausrichtung bei der Montage ankommt.
  • Es ist ferner vorteilhaft, den Kühlkörper als einen metallischen Trägerstreifen, einen sogenannten Lead-Frame, auszuführen. Derartige Lead-Frames sind bereits zur Kühlung von Leistungshalbleitern bekannt und können daher kostengünstig hergestellt und verbaut werden. Sie stellen eine hinreichend gute Wärmesenke für die LED und deren Ansteuerung dar. Dadurch dass auf dem Lead-Frame eine einseitige Bestückung erfolgen kann, werden die Fertigungsprozesse zur Herstellung eines Leuchtaggregats mit LED-Modulen vereinfacht. Besonders vorteilhaft wird dabei der Lead-Frame aus Kupfer ausgeführt, da Kupfer besonders gut die Wärme abführen kann, die bei der Lichterzeugung entsteht.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erfindungsgemäße Leuchtaggregat ein Scheinwerfer, insbesondere ein Kraftfahrzeug-Scheinwerfer ist, der einen Scheinwerferkühlkörper umfasst, in dem mindestens ein Modulgehäuse der vorangehend beschriebenen Art kraftschlüssig aufgenommen, vorzugsweise eingepresst oder eingeschraubt ist. Die vorliegende Erfindung kann somit insbesondere im Automotive-Bereich, aber auch bei generellen Beleuchtungsanwendungen in vorteilhafter Weise zum Einsatz kommen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden.
    Es zeigen:
    • Figur 1: dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen LED-Moduls von der Vorderseite;
    • Figur 2: Darstellung des LED-Moduls aus Figur 1 von der Rückseite;
    • Figur 3: Darstellung des LED-Moduls aus Figur 2 mit abgenommener Steuereinheit;
    • Figur 4: Schnittdarstellung des LED-Moduls aus Figur 1;
    • Figur 5: dreidimensionale Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen LED-Moduls; und
    • Figur 6: dreidimensionale Darstellung eines Kühlkörpers eines Leuchtaggregats mit drei LED-Modulen nach Figur 5.
    • Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen metallischen Trägerstreifen als einen Kühlkörper für ein erfindungsgemäßes Leuchtaggregat mit mehreren LED-Modulen.
    Ausführungsformen der Erfindung
  • Das in den Figuren 1 bis 4 gezeigte LED-Modul 1 ist zum Einbau in ein in den Figuren nicht dargestelltes Leuchtaggregat bestimmt. Es umfasst ein aus Aluminium bestehendes zylindrisches Gehäuse 2, das an seinen beiden Stirnseiten jeweils eine Vertiefung 3 aufweist und insofern offen ausgebildet ist. Zwischen den beiden Vertiefungen 3 befindet sich ein scheibenförmiger Sockel 4, der einstückig mit der hülsenförmigen Wandung 5 des Gehäuses 2 verbunden ist.
  • In der vorderseitigen Vertiefung 3 sind insgesamt vier LED-Bauelemente 6 aufgenommen, die hier jeweils als oberflächenmontierte LED-Chips ausgeführt sind. Die einzelnen LED-Chips 6 sind dabei in einem 2x2-Array auf einer Trägerplatine 7 angeordnet, die direkt auf dem Sockel 4 befestigt ist. Auf diese Weise sind die LED-Chips 6 wärmeleitenden über die Trägerplatine 7 und den Sockel 4 mit der Wandung 5 des Modulgehäuses 2 verbunden. Das Modulgehäuse 2 stellt dabei ein thermisches Kontaktelement dar, über das die Verlustwärme der LED-Bauelemente 6 an das das LED-Modul 1 aufnehmende Leuchtaggregat bzw. an einen Kühlkörper 8 eines Leuchtaggregats abgeführt werden kann.
  • In der zweiten Vertiefung 3 des Modulgehäuses 2 ist eine Platine 9 aufgenommen, die mit einer darauf aufgebrachten Ansteuerschaltung eine Steuereinheit 10 für die LED-Chips 6 bildet. Über zwei isolierend durch den Sockel 4 hindurchgeführte Kontaktstifte 11 ist die Steuereinheit 10 mit den LED-Chips 6 verbunden. Dazu sind die vorderseitigen Endflächen der Kontaktstifte 11 durch Bonddrähte 12 mit der Trägerplatine 7 bzw. mit den darauf angebrachten LED-Chips 6 verbunden. Die rückseitigen Endbereiche der Kontaktstifte 11 kontaktieren jeweils eine in der Platine 9 eingelassene Anschlussbuchse der Steuereinheit 10.
  • Die Rückseite der Platine 9 ist mit einem hier als Flachkabel ausgeführten Anschlusskabel 13 verbunden, über dessen Leitungen einerseits die LED-Chips 6 mit Strom versorgt werden können und andererseits auch der Steuereinheit 10 externe Steuersignale zuführbar sind. Statt eines Kabels können auch andere Anschlussmittel 13 vorgesehen sein, beispielsweise Anschlussstecker oder Anschlussstifte.
  • Um das LED-Modul 1 vorderseitig abzuschließen, kann eine aus Kunststoff bestehende Primäroptik 14 über die LED-Chips 6 aufgeklebt und/oder in die entsprechende Vertiefung 3 eingesetzt, insbesondere eingeclipst werden, wie in Figur 5 dargestellt ist. Bei dem hier gezeigten LED-Modul 1 sind die vier LED-Chips 6 in einer Reihe nebeneinander auf der Trägerplatine 7 angeordnet. Grundsätzlich können je nach Einsatzzweck beliebig viele LED-Chips 6 in beliebiger Anordnung in dem LED-Modul 1 vorgesehen werden. Auch die Rückseite des Gehäuses 2 kann durch eine geeignete Abdeckung abgeschlossen werden.
  • In jedem Fall wird ein fertig vormontiertes LED-Modul 1 erhalten, in das bereits eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung der LED-Bauelemente 6 integriert ist. Selbstverständlich kann die Steuereinheit dabei auch an anderen Stellen des LED-Moduls 1, beispielsweise auf der Rückseite und/oder der Vorderseite der Trägerplatine 7 der LED-Chips 6 angeordnet sein. Die vormontierten LED-Module1 sind später besonders schnell und einfach in geeignete Ausnehmungen 15 eines Kühlkörpers 8 eines Leuchtaggregats einsetzbar.
  • In einer ersten Ausführungsform können hierbei die LED-Chips 6 auf eine Trägerplatine 7 in Form eines Ansteuerungs-Silizium-ICs aufgelötet werden. Somit dient in dieser Ausführungsform die Ansteuerung selbst als Träger für die LED-Chips. In einer weiteren Ausführungsform kann die integrierte Steuerung auch in Silizium- Carbid vorgenommen werden, das sich durch gute thermische Eigenschaften auszeichnet. Eine solche Integration wäre insbesondere daher vorteilhaft, da bei einigen LED-Herstellern SiliziumCarbid als Substrat für die LEDs verwendet wird. Die monolitische Halbleiter-Leuchteinheit kann durch diese Chip-on-Chip-Lösung unmittelbar mit einem bspw. Phosphor-aktivem Leuchtteil und einem integrierten Steuerteil ausgestattet sein, bei dem eine Ansteuerung durch integrierte Schaltkreise, Sensoren und/odere weitere Schaltlogik bereits integriert ist. Durch die einseitige Chip-Montage auf dem Diodensockel oder einem Lead-Frame kann dabei die Anzahl der zur Herstellung eines LED-Moduls erforderlichen Arbeitsschritte verringert werden. Zudem können druch eine integrierte Ansteuerung, beispielsweise in Form eines ASICs, auch mehrere gegebenenfalls unterschiedliche LED-Chips auf einem Träger angeordnet und zugleich angesteuert werden.
  • Um eine besonders effektive Abgabe der Verlustwärme an den Kühlkörper 2 zu gewährleisten können die LED-Module 1 vorzugsweise an ihrem Gehäuse 2 eine außenseitige Rändelung 16 aufweisen, über die sie form- und kraftschlüssig in die Ausnehmungen 15 des Kühlkörpers 8 eingepresst werden. Gleichzeitig ist dabei eine besonders einfache, aber dennoch hoch genaue optische Ausrichtung der einzelnen LED-Module 1 zueinander erzielbar, so dass eine nachträgliche Justierung einzelner LEDs zur gewünschten Fokussierung des Leuchtaggregats bei der Montage nicht erforderlich ist. Die LED-Module 1 können direkt in ihrer durch die Ausnehmungen 15 vorgegebenen positionsgenauen Ausrichtung in den Kühlkörper 8 eingepresst werden.
  • Der in Figur 6 dargestellte Kühlkörper 8 weist drei Ausnehmungen 15 auf, um insgesamt drei erfindungsgemäß vorgefertigte LED-Module 1 mit jeweils einer integrierten Steuereinheit kraftschlüssig aufnehmen zu können. Um eine besonders effektive Kühlung zu erreichen ist der Kühlkörper 8, der ebenfalls aus Aluminium besteht, mit Kühlrippen 17 versehen, über die die Abwärme an die Umgebung abgeführt werden kann. Da der Kühlkörper 8 hier ebenso wie die Gehäuse 2 der LED-Module 1 aus Aluminium gefertigt ist, ergibt sich aufgrund der identischen Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht nur eine besonders gute Wärmeübertragung, sondern es ist auch eine dauerhaft sichere Presspassung zwischen den Modulgehäusen 2 und dem Kühlkörper 8 gewährleistet.
  • Auch hier kann die Anzahl und Anordnung der Bohrungen bzw. Ausnehmungen 15 ebenso wie die Formgebung des Kühlkörpers 8 je nach den an das zugehörige Leuchtaggregat gestellten Anforderungen variiert werden. Insbesondere sind bei einem dreidimensionalen Kühlkörper 8 beliebige Ausrichtungen der Bohrungen oder Ausnehmungen 15 im dreidimensionalen Raum möglich. Insbesondere kann der Kühlkörper 8 auch für einen KFZ-Scheinwerfer ausgebildet sein.
  • Um eine hochpräzise Ausrichtung der LED-Module 1 im Kühlkörper 8 zu erreichen, werden die Ausnehmungen 15 vorzugsweise in einem entsprechenden Bearbeitungszentrum in nur einer einzigen Aufspannung eingebracht.
  • In der Figur 7 ist ein metallischer Trägerstreifen, ein sogenannter Lead-Frame 20, gezeigt, an dem mehrere LED-Module 1 angebracht werden können. Der Trägerstreifen 20 ist dabei bevorzugt aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung ausgeführt. Der Trägerstreifen 20 weist einen ersten Montagesteg 21 und einen zweiten Montagesteg 22 auf, wobei die beiden Montagestege 21, 22 parallel verlaufende Stege ausbilden, in die jeweils Montageöffnungen 23 eingebracht sind. Mittels den Montageöffnungen 23 kann der Trägerstreifen 20 in einem Gehäuse montiert und gegebenenfalls mit weiteren Kühlelementen verbunden werden. Zwischen den beiden Stegen 21, 22 sind über dünne Haltearme jeweils Trägerelemente 31, 32 und 33 gehalten, die in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine ungefähre rechteckige, plane Oberfläche ausbilden. Auf den planen Oberflächen der Trägerelemente 31, 32, 33 sind jeweils Montageflächen 41, 42, 43 skizziert, an denen die jeweiligen LED-Module 1 beispielsweise durch Kleben oder durch Löten aufgebracht werden können. Das Modulgehäuse 2 kontaktiert hierbei bevorzugt die Oberfläche des jeweils zugehörigen Trägerelements. Die Montagestege 21, 22 sind jeweils nur über dünne Verbindungsstege mit den Trägern 31, 32, 33 verbunden. In der Figur 7 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit der Zeichnung nur zwei Verbindungsstege 51, 52 mit einem Bezugszeichen versehen. Mittels der durch die dünne Ausführung der Verbindungsstege 51 entstehenden Öffnungen können die Träger 31, 32 mit an ihnen vorbeigeleiteter Luft gekühlt werden. Ferner erlauben jedoch die Verbindungsstege, insbesondere bei einer Ausführung aus einem Material mit guter Wärmeleitung, dass über die Verbindungsstege 51, 52 Wärme an die Montagestege 21, 22 zur weiteren Ableitung weggeführt wird. Die Anbringung der LED-Module auf der Oberfläche der Träger 31, 32, 33 kann mittels aus der Verarbeitung von Leistungshalbleitern bekannten Fertigungsprozessen erfolgen.

Claims (10)

  1. Leuchtaggregat mit mehreren LED-Bauelementen (6) und einem Kühlkörper (8, 20), über den die Verlustwärme der LED-Bauelemente (6) abführbar ist, mit mindestens einem LED-Modul (1) zum Einbau in das Leuchtaggregat, wobei das LED-Modul (1) mehrere LED-Bauelemente (6), elektrische Anschlussmittel (13), über die die LED-Bauelemente (6) mit einer Stromversorgung des Leuchtaggregats verbindbar sind, und mindestens ein thermisches Kontaktelement (2, 5) umfasst, über das die Verlustwärme der wärmeleitend damit verbundenen LED-Bauelemente (6) an das Leuchtaggregat abführbar ist, wobei eine Steuereinheit (10) zur Ansteuerung der LED-Bauelemente (6) in das LED-Modul (1) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Kontaktelement durch ein offenes oder geschlossenes Gehäuse (2) aus einem wärmeleitenden Material gebildet ist, in dem die LED-Bauelemente (6), die elektrischen Anschlussmittel (13), die Steuereinheit (10) sowie gegebenenfalls vorgesehene weitere Komponenten des LED-Moduls (1) aufgenommen sind, dass das Gehäuse (2) einen scheibenförmigen Sockel (4) aus einem wärmeleitenden Material umfasst, auf dem die LED-Bauelemente (6) und die Steuereinheit (10) auf einander gegenüberliegenden Seiten oder auf einer gemeinsamen Seite des Sockels (10) aufgenommen sind, dass die Außenseiten des Gehäuses (2, 5) zumindest teilweise eine Rändelung (16) aufweisen und dass das Gehäuse (2, 5) in eine Öffnung oder in eine Ausnehmung (15) des Kühlkörpers (8) über die Rändelung (16) eingepresst ist.
  2. Leuchtaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) mindestens eine Treiberschaltung umfasst, durch die die LED-Bauelemente (6) einzeln oder gruppenweise ansteuerbar sind.
  3. Leuchtaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) mindestens eine Mehrkanal-Ansteuer-Schaltung umfasst, durch die RGB-LED-Bauelemente (6) ansteuerbar sind.
  4. Leuchtaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuse (2) optische Mittel (14), insbesondere eine Kunststoffoptik, aufgenommen oder eingepasst sind.
  5. Leuchtaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Bauelemente (6) auf eine Trägerplatine (7) in dem LED-Modul (1) angeordnet sind.
  6. Leuchtaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatine (7) als eine integrierte Schaltung, insbesondere als ein ASIC, ausgeführt ist.
  7. Leuchtaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Trägerplatine (7) eine Ansteuerungsschaltung für die LED-Bauelemente (6) angeordnet ist.
  8. Leuchtaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Scheinwerfer, insbesondere als Kraftfahrzeug-Scheinwerfer ausgebildet ist, der einen Scheinwerferkühlkörper (8) aufweist, in dem mindestens ein LED-Modul (1) aufgenommen, vorzugsweise vermittels eines Modulgehäuses (2, 5) eingepresst ist.
  9. Leuchtaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (20) als ein metallischer Trägerstreifen (20) ausgeführt ist.
  10. Leuchtaggregat nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2, 5) des mindestens eine LED-Moduls (1) kraftschlüssig in dem Kühlkörper (8) aufgenommen ist.
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