EP2347175B1 - Leuchtmodul - Google Patents

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EP2347175B1
EP2347175B1 EP09759643.1A EP09759643A EP2347175B1 EP 2347175 B1 EP2347175 B1 EP 2347175B1 EP 09759643 A EP09759643 A EP 09759643A EP 2347175 B1 EP2347175 B1 EP 2347175B1
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EP
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heat sink
thermal resistance
module
luminous module
thermally conductive
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Steffen Block
Rainer Huber
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Ams Osram International GmbH
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Publication date
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    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
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    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • a light module is specified that is suitable for large area backlighting or lighting applications.
  • billboards are used which are equipped with photo images and backlighting devices for illuminating the photographic images. If the backlighting is effected by LEDs, the junction temperatures for the different LEDs may differ.
  • the billboards are typically in an upright position. This allows the LEDs in the lower part of the billboard to give off their heat upwards. As a result, the LEDs in the middle and top areas of the billboard are exposed to a higher temperature than the LEDs in the lower area, resulting in higher junction temperatures of these LEDs.
  • different junction temperatures of the LEDs result in different brightnesses in the application and cause a color locus shift. In the long-term application, this can additionally lead to different aging behavior of the LEDs, which in turn is reflected in a Farbortverschiebung and a change in brightness.
  • an electric lighting device is described with a lighting circuit having a plurality of light emitting diodes, as well as with a lighting circuit carrier, which carries the lighting circuit and consists of a good heat conducting material.
  • a lighting circuit carrier which carries the lighting circuit and consists of a good heat conducting material.
  • For the electrical connection is within the Illuminated circuit carrier a printed circuit board with openings provided in which the LEDs are arranged so that they are in contact with the lighting circuit carrier and can be cooled.
  • supply connections are arranged in the light-emitting circuit carrier, there are no cooling vanes. However, this does not achieve a targeted change in the local thermal resistance.
  • DE 20.2006.002.797 U discloses a lighting module according to the preamble of claim 1.
  • the WO 2008/119392 A1 refers to a semiconductor light module with five LED chips, which are arranged on a carrier plate in a row.
  • integrally formed on the back of the semiconductor light module is a heat sink, which is intended to effect better heat dissipation and easier assembly of the entire semiconductor light module.
  • the heat sink may have annular structures, but also isolated cooling elements. All cooling elements in this case consist of a thermally conductive material.
  • the light-emitting diode chips are located only in the center of the semiconductor light module, so that the average thermal resistance in the local area of the cooling element in which they are arranged does not vary. Similar devices are also in the documents US 2008/0043480 . WO 2006/043379 . EP 1965128 and DE 202007009272 disclosed.
  • an object to be solved is to specify a lighting module with stable color and brightness properties.
  • the light-emitting module comprises a plurality of radiation-emitting semiconductor components, a connection carrier on which the radiation-emitting semiconductor components are arranged, and a heat sink which is connected on its front-side surface to the connection carrier and has a main body and a means arranged therefor is to change the thermal resistance of the heat sink locally, wherein the average thermal resistance of the heat sink along a main extension direction of the light-emitting module decreases.
  • the mean thermal resistance is a measure of the temperature difference that arises on average when passing through a heat flow (heat per unit time or heat output) through the heat sink along a main extension direction of the light module.
  • the light area of the light module can be divided into a lower, middle and upper area. Each area can be assigned a medium thermal resistance. According to the invention, the average thermal resistance in the lower region is higher than in the middle or upper region.
  • the light module can be described as follows:
  • the light module comprises a heat sink, which comprises a base body and a means.
  • the agent has a heat resistance that is different from the thermal resistance of the body.
  • the heat sink in the region of the means on a different thermal resistance than in the region of the body.
  • the agent can thus ensure that the heat sink no uniform heat resistance - for example, the thermal resistance of the body - has, but that the thermal resistance is varied locally.
  • the thermal resistance of the heat sink can be set with the means such that the heat sink has in places the thermal resistance of the base body and at other points the heat resistance of the heat sink deviates from the thermal resistance of the base body.
  • the heat resistance of the heat sink in the region of the agent is greater or less than the thermal resistance of the body.
  • a heat sink can be realized in which the average thermal resistance along a main extension direction of the light module changes, for example decreases.
  • the light-emitting module preferably has a flat shape, that is to say the depth of the light-emitting module is less than the length and width of the light-emitting surface of the light-emitting module.
  • the light module has two main extension directions: the first main extension direction runs parallel to the longitudinal side of the light module, the second main extension direction runs parallel to the broad side of the light module.
  • the relevant main direction of extension is, in particular, that which, when the light module is mounted upright, is opposite to the force of gravity. The main direction of extension then points from the lower to the upper area.
  • the radiation-emitting components are in the upright position of the Leuchtmöduls conventionally in the middle and upper regions of the lighting module exposed to a higher temperature than in the lower region.
  • the temperature difference between the lower area and the remaining areas can be reduced. Because by the decrease of the average heat resistance along the main extension direction, which in particular opposite to gravity, takes place in the lower area a worse heat conduction than in the middle and upper area. As a result, the temperature in the lower area increases, and the temperature difference between the lower area and the remaining areas decreases. This in turn leads to improved Farbort- and brightness characteristics of the light module and its durability.
  • the radiation-emitting semiconductor components may be unhoused semiconductor chips or compact components with semiconductor chips arranged in housings.
  • the semiconductor chips are manufactured in thin-film technology.
  • a basic principle of a thin-film light-emitting diode chip is, for example, in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18 October 1993, 2174-2176 described, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
  • a thin-film light-emitting diode chip is to a good approximation a Lambert surface radiator.
  • white light is often preferred.
  • the generation of white light can firstly be realized by the use of semiconductor devices which already emit white light.
  • semiconductor components which emit differently colored light which in total yields white light.
  • red, green and blue light emitting semiconductor devices can be used, whose light is mixed.
  • a balanced temperature within the light module is particularly important. Because at higher temperatures, the brightness of red-emitting semiconductor devices decreases more than with green and blue glowing semiconductor devices. Thus, different white points are to be expected at different temperatures. In the lighting module according to the invention, this problem can be successfully prevented.
  • the connection carrier on which the radiation-emitting semiconductor components are arranged is a printed circuit board.
  • Preferred circuit boards are metal core boards (so-called MCPCBs) or substrates comprising a laminate of resin and Fiberglass fabric contained (so-called FR4) and with thermal vias, preferably Metall embromiser, are provided for improved heat conduction.
  • the connection carrier may have a thermal interface material (so-called TIM), which improves the thermal contact between the connection carrier and the heat sink.
  • the radiation-emitting semiconductor components are preferably uniformly distributed on the connection carrier. This means that the number of radiation-emitting semiconductor components per unit area is constant.
  • the semiconductor components are electrically connected to the connection carrier.
  • the main body of the heat sink may have a uniform thermal resistance.
  • the main body of the heat sink contains a metal or consists of a metal.
  • the base body may be formed of an aluminum plate.
  • the agent is distributed unevenly in the heat sink. This means that the number of elements comprising the means changes per unit area.
  • the number of elements per unit area along the main extension direction may decrease or increase.
  • By increasing or decreasing the number of elements per unit area can advantageously a Reduction of the thermal resistance of the heat sink along the main extension direction can be effected.
  • the area unit corresponds to the size of the areas. Whether the number of elements increases or decreases along the main direction of extension results, in particular, from a comparison of the number of elements in the lower region with the number of elements in the middle or upper region.
  • the means comprises thermally insulating elements, which have a greater thermal resistance than the main body of the heat sink.
  • the thermally insulating elements are arranged on or in the base body such that passing through a heat flow in the region of the elements is more difficult than other areas. As a result, the thermal resistance of the heat sink in the region of the elements is increased locally.
  • the number of thermally insulating elements per unit area decreases along the main extension direction.
  • the mean thermal resistance of the heat sink along the main extension direction decreases.
  • the lighting module on a rear surface or on at least one side surface of the heat sink on a plurality of thermally insulating elements whose number per unit area decreases along the main extension direction.
  • a plurality of thermally insulating elements may be disposed on a single side surface while on the other Side surfaces no thermally insulating elements are present.
  • the thermally insulating elements are preferably arranged in the lower region of the lighting module when the lighting module is mounted upright.
  • At least one thermally insulating element can be arranged on more than one side surface.
  • the thermally insulating elements are advantageously arranged on the side surfaces or the rear surface in such a way that they are in the lower region of the lighting module when the light module is mounted upright.
  • the thermally insulating elements are formed of a plastic material.
  • the at least one thermally insulating element may also be a recess in the main body of the heat sink, which is filled with a material having a higher heat resistance than the main body.
  • the recess extends from the front surface of the heat sink to the back surface of the heat sink.
  • the recess is filled with air.
  • a simple method for producing such a heat sink is to punch in a metal plate, preferably an aluminum plate, at least one recess.
  • the heat sink contains a plurality of recesses which are arranged in regions which are uncovered by the radiation-emitting semiconductor components.
  • the recesses are located between the semiconductor devices.
  • the semiconductor components are arranged above the base body. The heat of operation can thereby be removed well from the semiconductor devices by means of the main body.
  • the means may comprise at least one thermally conductive element which has a thermal resistance which is less than or equal to the thermal resistance of the main body.
  • the thermally conductive element or the thermally conductive elements are arranged on or in the main body, that a passage of heat flow in the region of the element or the elements with respect to other areas of the heat sink is facilitated. As a result, the thermal resistance of the heat sink in the region of the element or elements can be reduced locally.
  • the number of thermally conductive elements per unit area increases along the main extension direction.
  • the mean thermal resistance of the heat sink decreases along the main extension direction.
  • the at least one thermally conductive element may be arranged on the front-side surface, the rear-side surface or on at least one side surface of the heat sink.
  • the heat sink can protrude laterally beyond the connection carrier, so that a thermally conductive element can be arranged in the protruding region of the heat sink on its front-side surface.
  • a thermally conductive element can be arranged in the protruding region of the heat sink on its front-side surface.
  • Such a configuration is in particular for connecting the thermally conductive element with a thermally conductive Frame suitable, which surrounds the radiation-emitting semiconductor devices.
  • a frame may be provided, for example, in a billboard and enclose the photograph.
  • the heat can be dissipated from the light module via the frame.
  • the thermally conductive element is arranged such that, when the lighting module is mounted upright, it is located in the middle to upper region of the lighting module.
  • At least one thermally conductive element can be arranged on the rear surface of the heat sink. Furthermore, at least one thermally conductive element may be arranged on only one side surface or more than one side surface of the heat sink. Here, too, the at least one thermally conductive element is arranged in particular such that, when the lighting module is mounted upright, it is located in the middle to upper region of the lighting module.
  • the at least one thermally conductive element contains a metal or consists of a metal.
  • the thermally conductive element has a structured surface.
  • the surface may be structured in the form of cooling fins, so that a cooling fluid such as air can flow through the interstices of the cooling fins.
  • the means is at least partially a fastening means.
  • the lighting module can have at least one thermally insulating element which serves as a fastening element.
  • the light module at least have a thermally conductive element which serves as a fastening element.
  • the light module can be used as a light source in a lighting unit for backlighting or lighting applications.
  • the lighting unit has a housing in which the lighting module is arranged.
  • the means of the heat sink at least partially a fastening means, so that the light module can be easily attached to the housing.
  • At least a part of the housing is formed thermally conductive, that is, a part of the housing contains a material having a thermal resistance which is less than or equal to the thermal resistance of the main body of the heat sink.
  • the thermally conductive part of the housing is a metal frame that surrounds the light module.
  • the heat sink is thermally connected to the thermally conductive part of the housing. This advantageously facilitates the cooling of the lighting module.
  • the thermal connection between the heat sink and the thermally conductive part of the housing is at least partially made by the means of the heat sink.
  • the light unit may have two light modules, the heat sink facing each other.
  • connection carrier is not formed in one piece, but is composed of several sub-carriers.
  • the components of a row can each be arranged on a common sub-carrier.
  • FIG. 1 illustrated lighting module 1 has a plurality of radiation-emitting semiconductor devices 2, which are arranged on a connection carrier 3.
  • the light module 1 has a planar shape, that is, the depth of the light module 1 is smaller than the length and width of the luminous surface of the light module 1.
  • the two main directions of extension of the light module 1 are parallel to the x-direction and y-direction (see. FIG. 2 ). When the light module 1 is mounted upright, the main extension direction is the average thermal resistance decisive, which acts contrary to gravity g (cf. FIG. 2 ).
  • connection carrier 3 is a printed circuit board, for example a metal core board or a FR4-based carrier with thermal vias.
  • the outline of the connection carrier 3 is rectangular.
  • the radiation-emitting semiconductor components 2 are uniformly distributed on the connection carrier 3 and arranged at grid points of a two-dimensional grid.
  • connection carrier 3 is arranged on a heat sink 6.
  • a back surface of the terminal support 3 and a front surface of the heat sink 6 are in contact with each other.
  • a thermal interface material for improving the thermal contact between the connection carrier 3 and the heat sink 6 may be applied.
  • the heat sink 6 has a main body 4 and a means 5, which is adapted to change the thermal resistance of the heat sink 6 locally.
  • the main body 4 is in particular a metal plate which contains, for example, aluminum or consists of aluminum.
  • the means 5 comprises two thermally insulating elements 5a, which preferably contain a plastic material.
  • the two thermally insulating elements 5a are arranged on a side surface of the heat sink 6 in the lower region of the lighting module 1. They are attached to the base body 4. Due to the arrangement of the means 5 in the lower region, the means 5 is distributed unevenly in the heat sink 6. The number of thermally insulating elements 5a decreases along the main extension direction.
  • connection carrier 3 surrounds an edge of the main body 4 in the upper and middle region of the light module 1.
  • thermally insulating elements 5a protrude beyond the connection carrier 3 no further than the edge of the main body 4.
  • the main body 4 has a T-like shape ,
  • This lighting module 1 finds preferred use in a lighting unit 7 (see. FIG. 2 ), for example, a billboard, a housing with a housing frame 8 (see. FIG. 2 ), which frames the connection carrier 3 with the radiation-emitting semiconductor components 2. The edge of the base body 4 surrounding the connection carrier 3 and the thermally insulating elements 5a are then hidden behind the housing frame 8.
  • the lighting module 1 can be attached to the housing frame 8.
  • the heat sink 6 is in thermal contact with the housing frame 8.
  • the housing frame 8 contains a material with a thermal resistance which is smaller than or equal to the thermal resistance of the base body 4. This allows a good cooling of the light module 1 in the upper and middle region.
  • the light module 1 can be attached to the housing frame 8 by means of the insulating elements 5a.
  • the insulating elements 5a By the insulating elements 5a, the heat flow between the base body 4 and the housing frame 8 is reduced. This is also the case when the insulating elements 5a are omitted.
  • the light module 1 located in the lower part of a thermally insulating space between the light module 1 and the housing frame 8. The light module 1 is then attached only by the protruding edge of the base body 4 on the housing frame 8 and connected to this thermally.
  • This lighting module 1 is particularly suitable for a lighting unit in which the luminous area is smaller than the outer dimensions of the lighting unit.
  • the diagram of FIG. 2 shows the temperature distribution for the in FIG. 1
  • the prevailing at the bottom of the light module 1 temperature T u and prevailing in the upper region of the light module 1 temperature T o are approximately equal.
  • the radiation-emitting semiconductor devices 2 are exposed to temperatures that differ no more than 2 ° C from each other.
  • the light module 1 has a heat sink 6, which consists solely of the base body 4.
  • the heat sink 6 has a uniform thermal resistance.
  • the heat sink 6 covers the entire surface of the connection carrier 3.
  • the radiation-emitting components 2 in the lower region of Light module 1 give off their heat unhindered upwards.
  • the radiation emitting semiconductor devices 2 are in the in FIG. 3 Illuminator 1 shown exposed to temperatures greater than 2 ° C, namely up to 5 ° C, from each other.
  • the graphs of the FIGS. 5 and 6 show the temperature behavior of a light emitting diode, which is operated with a current of 350 mA and emits white light.
  • a corresponding temperature behavior show blue and green LEDs.
  • the graphs of the FIGS. 7 and 8 show the temperature behavior of LEDs emitting monochromatic light.
  • the LEDs are operated with a current of 400 mA.
  • the relative luminous flux ⁇ V / ⁇ V (25 ° C) which assumes the value 1.0 at 25 ° C, with increasing temperature T I in the case of a yellow-emitting light emitting diode (curve C) decreases more than in the case of red or orange light-emitting diodes (curve A, B).
  • the graphs of the FIGS. 5 to 8 illustrate the underlying problem. If the different radiation-emitting semiconductor components of a light-emitting module are exposed to very different temperatures, then their radiation properties, for example the brightness, the color locus or the dominant wavelength, can differ greatly from one another. In order to ensure a sufficient operational stability, however, lighting modules with resistant Farbund Brightness properties desired. This can be achieved in a lighting module according to the present invention by reducing the temperature fluctuations within the lighting module.
  • connection carrier 3 is arranged on a base body 4, which has a matching with the connection carrier 3 size.
  • the main body 4 is a solid body with constant density.
  • the main body 4 contains or consists of a metal and is preferably formed from a metal plate.
  • thermally insulating elements 5a are arranged, which in particular contain a plastic material. When the light module 1 is mounted upright, the thermally insulating elements 5a are located in the lower region of the light module 1.
  • the number of thermally insulating elements 5a per unit area decreases along the main extension direction.
  • the average thermal resistance is higher in the lower region than in the middle and upper regions due to the thermally insulating elements 5a.
  • the housing frame in the middle and upper area is directly connected to the base body 4, while the thermally insulating elements 5a in the lower region between the base body 4 and the housing frame are located.
  • This lighting module 1 is particularly suitable for a lighting unit in which the housing frame directly surrounds the lighting module 1, so that the lighting surface substantially corresponds to the external dimensions of the lighting unit.
  • connection carrier 3 is arranged on a base body 4, which has a matching with the connection carrier 3 size.
  • the main body 4 is a solid body with constant density.
  • the main body 4 contains or consists of a metal and is preferably formed from a metal plate.
  • the means of the heat sink 6 for local change of the thermal resistance is provided in this embodiment in the lower and upper regions of the light module 1.
  • the means comprises thermally insulating elements 5a and thermally conductive elements 5b.
  • the thermally insulating elements 5a contain a plastic material, while the thermally conductive elements 5b contain a metal.
  • the agent is distributed unevenly in the heat sink 6.
  • the number of thermally insulating elements 5a per unit area decreases along the main extension direction, while the number of thermally conductive elements 5b per unit area increases along the main extension direction. As a result, the mean thermal resistance in the main extension direction can be lowered.
  • This lighting module 1 is preferably used for a lighting unit with a covering housing frame which covers the thermally insulating elements 5a and the thermally conductive elements 5b. Particularly preferably serve the thermally insulating elements 5a and the thermally conductive elements 5b as fastening means for fixing the lighting module 1 on the housing frame.
  • FIG 11A shows a further embodiment of a lighting module 1 according to the invention.
  • the base body 4 has a matching with the connection carrier 3 size. It is not a massive body with constant density. Rather, the base body 4 recesses 9, which extend from a front surface to a rear surface of the heat sink 4.
  • Each recess 9 represents a thermally insulating element 5a.
  • the recesses 9 are filled with a material which has a higher heat resistance than the main body 4.
  • the recesses 9 are filled with air.
  • the recesses 9 can be punched into a metal plate, preferably an aluminum plate.
  • FIG. 11B shows in separate representation the connection carrier 3 of the light-emitting module 1 with the radiation emitting semiconductor components 2 arranged thereon.
  • the radiation-emitting semiconductor components 2 are uniformly distributed on the connection carrier 3.
  • FIG. 11C shows in a separate representation of the heat sink 6 of the light module 1.
  • the recesses 9 are arranged in the lower region of the heat sink 6 denser than in the middle and upper regions.
  • the number of thermally insulating elements 5a per unit area decreases along the main extension direction. In the region of the thermally insulating elements 5a, the thermal resistance becomes local elevated. However, since the number of thermally insulating elements 5a per unit area decreases along the main extension direction, the average thermal resistance also decreases.
  • the recesses 9 are arranged in areas which are uncovered by the radiation-emitting semiconductor components 2. Thus, the recesses 9 are located between the semiconductor devices 2.
  • the semiconductor devices 2 are arranged above the base body 4. The operating heat can be dissipated well by means of the main body 4 of the semiconductor devices.
  • FIG. 12 shown light module 1 has on the back surface of the heat sink 6, a thermally conductive element 5b for locally reducing the thermal resistance.
  • the number of thermally conductive elements per unit area thus increases along the main extension direction. Thereby, a decrease of the average thermal resistance along the main extension direction can be achieved.
  • the thermally conductive element 5b has a structured surface.
  • the surface of the thermally conductive element 5b may be structured in the form of cooling fins, so that a cooling fluid such as air can flow through the interspaces of the cooling fins.
  • the thermally conductive element 5b is advantageously brought into thermal contact with the thermally conductive part of the housing.
  • the heat sink 6 in contrast to the in FIG. 12 illustrated lighting module 1 not only a thermally conductive element 5b, but a plurality of thermally conductive elements 5b on the back surface.
  • the thermally conductive elements 5b are arranged in the upper region of the lighting module 1. Again, the number of thermally conductive elements per unit area increases along the main extension direction and thus the average thermal resistance.
  • illustrated lighting module 1 has a plurality of thermally conductive elements 5b. These are arranged on a front surface of the heat sink 6.
  • the main body 4 of the heat sink 6 has a greater base area than the connection carrier 3. Therefore, surrounds the connection carrier 3, which is arranged centrally on the base 4, an edge of the base body 4. In this edge region are the thermally conductive elements 5b.
  • the thermally conductive elements 5 b are arranged in the middle and upper regions of the lighting module 1. In the region of the thermally conductive elements 5b, the average thermal resistance of the heat sink 6 is reduced. As a result, since the number of the thermally conductive elements 5b per unit area increases along the main extension direction, the average thermal resistance along the main extension direction decreases.
  • this lighting module 1 is used for a lighting unit 7, for example a billboard, with a housing frame, it frames the connection carrier 3 with the radiation-emitting semiconductor components 2 and simultaneously conceals the thermally conductive elements 5b and the protruding edge of the housing body 4.
  • the lighting module 1 can be attached to the housing frame 8.
  • the heat sink 6 is in thermal contact with the housing frame.
  • the housing frame contains a material with a thermal resistance which is smaller than or equal to the thermal resistance of the base body 4. This allows a good cooling of the light module 1 in the upper and middle region.
  • the temperature compensation within the light module can be achieved most simply by enlarging the heat resistance in the lower region at the expense of a higher temperature and an associated higher junction temperature.
  • a lowering of the thermal resistance in the middle and upper range is advantageous.
  • FIG. 15 shows a perspective view of a billboard 7.
  • the billboard 7 is erected.
  • the external dimensions of the billboard are 1.10mx 2m.
  • the billboard 7 has a light image (not shown), which is bordered by a housing frame 8.
  • the light image is illuminated by a light module as described above, which is not visible in the image.

Landscapes

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Description

  • Es wird ein Leuchtmodul angegeben, das für großflächige Hinterleuchtungs- oder Beleuchtungsanwendungen geeignet ist.
  • Bei großflächigen Hinterleuchtungsanwendungen wie in der Lichtwerbung werden beispielsweise Werbetafeln verwendet, die mit Lichtbildern und Hinterleuchtungseinrichtungen zur Erleuchtung der Lichtbilder ausgestattet sind. Erfolgt die Hinterleuchtung durch LEDs, so können sich unterschiedlich hohe Sperrschichttemperaturen für die verschiedenen LEDs ergeben. Die Werbetafeln befinden sich typischerweise in einer aufrechten Stellung. Dadurch können die LEDs im unteren Bereich der Werbetafel ihre Wärme nach oben abgeben. Dies hat zur Folge, dass die LEDs im mittleren und oberen Bereich der Werbetafel einer höheren Temperatur ausgesetzt sind als die LEDs im unteren Bereich, was zu höheren Sperrschichttemperaturen dieser LEDs führt. Unterschiedliche Sperrschichttemperaturen der LEDs ergeben aber in der Anwendung unterschiedliche Helligkeiten und verursachen eine Farbortverschiebung. In der Langzeitanwendung kann dies zusätzlich zu unterschiedlichem Alterungsverhalten der LEDs führen, was sich wiederum in einer Farbortverschiebung und einer Änderung der Helligkeit niederschlägt.
  • In der DE 202006002797 ist eine elektrische Leuchteinrichtung mit einer Leuchtschaltung beschrieben, die eine Mehrzahl von Leuchtdioden aufweist, sowie mit einem Leuchtschaltungsträger, der die Leuchtschaltung trägt und aus einem gut wärmeleitenden Material besteht. Für den elektrischen Anschluss ist innerhalb des Leuchtschaltungsträgers eine Leiterplatte mit Durchbrüchen vorgesehen, in welchen die Leuchtdioden angeordnet sind, so dass sie mit dem Leuchtschaltungsträger in Kontakt stehen und gekühlt werden können. In bestimmten Bereichen, in denen Versorgungsanschlüsse im Leuchtschaltungsträger angeordnet sind, befinden sich keine Kühlfahnen. Hierdurch wird jedoch keine gezielte Änderung des lokalen Wärmewiderstands erreicht. DE 20.2006.002.797 U offenbart ein Leuchtmodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die WO 2008/119392 A1 bezieht sich auf ein Halbleiterlichtmodul mit fünf Leuchtdiodenchips, die auf einer Trägerplatte in einer Reihe angeordnet sind. In bestimmten Ausführungsformen ist an der Rückseite des Halbleiterlichtmoduls einstückig ein Kühlkörper angeformt, welcher eine bessere Wärmeableitung und eine einfachere Montage des gesamten Halbleiterlichtmoduls bewirken soll. Der Kühlkörper kann ringförmige Strukturen, aber auch vereinzelte Kühlelemente aufweisen. Sämtliche Kühlelemente bestehen hierbei aus einem thermisch leitenden Material. Die Leuchtdiodenchips befinden sich lediglich im Zentrum des Halbleiterlichtmoduls, so dass der mittlere Wärmewiderstand in dem lokalen Bereich des Kühlelements, in welchem sie angeordnet sind, nicht variiert. Ähnliche Vorrichtungen sind auch in den Druckschriften US 2008/0043480 , WO 2006/043379 , EP 1965128 und DE 202007009272 offenbart.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht vorliegend darin, ein Leuchtmodül mit beständigen Farb- und Helligkeitseigenschaften anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Leuchtmodul gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Leuchtmoduls sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß der Erfindung umfasst das Leuchtmodul eine Mehrzahl von Strahlung emittierenden Halbleiterbauelementen, einen Anschlussträger, auf welchem die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente angeordnet sind, und einen Kühlkörper, der auf seiner vorderseitigen Oberfläche mit dem Anschlussträger verbunden ist und einen Grundkörper sowie ein Mittel aufweist, das dafür eingerichtet ist, den Wärmewiderstand des Kühlkörpers lokal zu verändern, wobei der mittlere Wärmewiderstand des Kühlkörpers entlang einer Haupterstreckungsrichtung des Leuchtmoduls abnimmt.
  • Der mittlere Wärmewiderstand ist ein Maß für die Temperaturdifferenz, die im Mittel beim Hindurchtreten eines Wärmestroms (Wärme pro Zeiteinheit oder Wärmeleistung) durch den Kühlkörper entlang einer Haupterstreckungsrichtung des Leuchtmoduls entsteht. Die Leuchtfläche des Leuchtmoduls kann in einen unteren, mittleren und oberen Bereich unterteilt werden. Jedem Bereich kann ein mittlerer Wärmewiderstand zugeordnet werden. Gemäß der Erfindung ist der mittlere Wärmewiderstand im unteren Bereich höher als im mittleren oder oberen Bereich.
  • Mit anderen Worten kann das Leuchtmodul wie folgt beschrieben werden: Das Leuchtmodul umfasst einen Kühlkörper, der einen Grundkörper umfasst sowie ein Mittel. Das Mittel weißt zum Beispiel einen Wärmewiderstand auf, der vom Wärmewiderstand des Grundkörper verschieden ist. Auf diese Weise weist der Kühlkörper im Bereich des Mittels einen anderen Wärmewiderstand als im Bereich des Grundkörpers auf. Das Mittel kann also dafür sorgen, dass der Kühlkörper keinen gleichmäßigen Wärmewiderstand - zum Beispiel den Wärmewiderstand des Grundkörpers - aufweist, sondern dass der Wärmewiderstand lokal variiert wird. Insbesondere kann mit dem Mittel der Wärmewiderstand des Kühlkörpers derart eingestellt sein, dass der Kühlkörper stellenweise den Wärmewiderstand des Grundkörpers hat und an anderen Stellen der Wärmewiderstand des Kühlkörpers vom Wärmewiderstand des Grundkörpers abweicht. Zum Beispiel ist der Wärmewiderstand des Kühlkörpers im Bereich des Mittels größer oder kleiner als der Wärmewiderstand des Grundkörpers. Mit Hilfe des Mittels kann dann zum Beispiel ein Kühlkörper realisiert werden, bei dem sich der mittlere Wärmewiderstand entlang einer Haupterstreckungsrichtung des Leuchtmoduls verändert, zum Beispiel abnimmt.
  • Das Leuchtmodul weist bevorzugt eine flächige Gestalt auf, das heißt die Tiefe des Leuchtmoduls ist geringer als die Länge und Breite der Leuchtfläche des Leuchtmoduls. In diesem Fall weist das Leuchtmodul zwei Haupterstreckungsrichtungen auf: die erste Haupterstreckungsrichtung verläuft parallel zur Längsseite des Leuchtmoduls, die zweite Haupterstreckungsrichtung verläuft parallel zur Breitseite des Leuchtmoduls. Die relevante Haupterstreckungsrichtung ist vorliegend insbesondere diejenige, die bei aufrechter Montage des Leuchtmoduls entgegengesetzt zur Schwerkraft zeigt. Die Haupterstreckungsrichtung weist dann vom unteren zum oberen Bereich.
  • Wie bereits eingangs erwähnt wurde, sind die Strahlung emittierenden Bauelemente bei aufrechter Stellung des Leuchtmöduls herkömmlicherweise im mittleren und oberen Bereich des Leuchtmoduls einer höheren Temperatur ausgesetzt als im unteren Bereich. Vorteilhafterweise kann bei einem Leuchtmodul gemäß der Erfindung die Temperaturdifferenz zwischen dem unteren Bereich und den übrigen Bereichen verringert werden. Denn durch die Abnahme des mittleren Wärmewiderstands entlang der Haupterstreckungsrichtung, die insbesondere entgegengesetzt zur Schwerkraft weist, findet im unteren Bereich eine schlechtere Wärmeleitung statt als im mittleren und oberen Bereich. Infolge erhöht sich die Temperatur im unteren Bereich, und der Temperaturunterschied zwischen dem unteren Bereich und den übrigen Bereichen nimmt ab. Dies führt wiederum zu verbesserten Farbort-und Helligkeitseigenschaften des Leuchtmoduls und zu dessen Beständigkeit.
  • Die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente können ungehäuste Halbleiterchips oder kompakte Bauteile mit in Gehäusen angeordneten Halbleiterchips sein. Vorzugsweise sind die Halbleiterchips in Dünnfilm-Technologie hergestellt.
  • Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip zeichnet sich insbesondere durch mindestens eines der folgenden Merkmale aus:
    • an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche einer strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
    • die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20µm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 µm auf; und
    • die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
  • Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al., Appl. Phys. Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
  • Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist in guter Näherung ein Lambert'scher Oberflächenstrahler.
  • Für Hinterleuchtungsanwendungen wird häufig weißes Licht bevorzugt. Die Erzeugung von weißem Licht kann zum einen durch die Verwendung von Halbleiterbauelementen realisiert werden, die bereits weißes Licht abstrahlen. Zum anderen können Halbleiterbauelemente verwendet werden, die verschieden farbiges Licht emittieren, das in Summe weißes Licht ergibt. Beispielsweise können rot, grün und blau leuchtende Halbleiterbauelemente verwendet werden, deren Licht gemischt wird. In diesem Fall ist eine ausgeglichene Temperatur innerhalb des Leuchtmoduls besonders wichtig. Denn bei höheren Temperaturen sinkt die Helligkeit von rot leuchtenden Halbleiterbauelementen stärker ab als bei grün und blau leuchtenden Halbleiterbauelementen. Somit sind bei unterschiedlichen Temperaturen verschiedene Weißpunkte zu erwarten. Bei dem Leuchtmodul gemäß der Erfindung kann dieses Problem erfolgreich verhindert werden.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Leuchtmoduls ist der Anschlussträger, auf welchem die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente angeordnet sind, eine Leiterplatte. Bevorzugte Leiterplatten sind Metallkernplatinen (sog. MCPCBs) oder Träger, die ein Laminat aus Harz und Glasfasergewebe enthalten (sog. FR4) und mit thermischen Vias, vorzugsweise Metalldurchkontaktierungen, zur verbesserten Wärmeleitung versehen sind. Auf einer den Halbleiterbauelementen abgewandten Oberfläche kann der Anschlussträger ein Thermisches Interface Material (sog. TIM) aufweisen, welches den thermischen Kontakt zwischen Anschlussträger und Kühlkörper verbessert.
  • Vorzugsweise sind die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente auf dem Anschlussträger gleichmäßig verteilt. Dies bedeutet, dass die Anzahl der Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente pro Flächeneinheit konstant ist.
  • Besonders bevorzugt sind die Halbleiterbauelemente mit dem Anschlussträger elektrisch verbunden.
  • Der Grundkörper des Kühlkörpers kann einen einheitlichen Wärmewiderstand aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Variante des Leuchtmoduls enthält der Grundkörper des Kühlkörpers ein Metall oder besteht aus einem Metall. Beispielsweise kann der Grundkörper aus einer Aluminiumplatte gebildet sein.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Mittel im Kühlkörper ungleichmäßig verteilt. Dies bedeutet, dass sich die Anzahl der Elemente, die das Mittel umfasst, pro Flächeneinheit ändert.
  • Je nach Mittel kann die Anzahl der Elemente pro Flächeneinheit entlang der Haupterstreckungsrichtung ab- oder zunehmen. Durch die Zunahme oder Abnahme der Anzahl der Elemente pro Flächeneinheit kann vorteilhafterweise eine Abnahme des Wärmewiderstands des Kühlkörpers entlang der Haupterstreckungsrichtung bewirkt werden.
  • Vorzugsweise entspricht die Flächeneinheit der Größe der Bereiche. Ob die Anzahl der Elemente entlang der Haupterstreckungsrichtung zunimmt oder abnimmt, ergibt sich insbesondere durch einen Vergleich der Anzahl der Elemente im unteren Bereich mit der Anzahl der Elemente im mittleren oder oberen Bereich.
  • Gemäß der Erfindung umfasst das Mittel thermisch isolierende Elemente, die einen größeren Wärmewiderstand aufweisen als der Grundkörper des Kühlkörpers. Mit Vorteil sind die thermisch isolierenden Elemente derart am oder im Grundkörper angeordnet, dass ein Hindurchtreten eines Wärmestroms im Bereich der Elemente gegenüber anderen Bereichen erschwert ist. Dadurch wird der Wärmewiderstand des Kühlkörpers im Bereich der Elemente lokal erhöht.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung nimmt die Anzahl der thermisch isolierenden Elemente pro Flächeneinheit entlang der Haupterstreckungsrichtung ab. Dadurch nimmt auch der mittlere Wärmewiderstand des Kühlkörpers entlang der Haupterstreckungsrichtung ab.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Leuchtmodul auf einer rückseitigen Oberfläche oder auf mindestens einer Seitenfläche des Kühlkörpers mehrere thermisch isolierende Elemente auf, deren Anzahl pro Flächeneinheit entlang der Haupterstreckungsrichtung abnimmt. Beispielsweise können mehrere thermisch isolierende Elemente auf einer einzigen Seitenfläche angeordnet sein, während auf den weiteren Seitenflächen keine thermisch isolierenden Elemente vorhanden sind. Vorzugsweise sind die thermisch isolierenden Elemente bei aufrechter Montage des Leuchtmoduls im unteren Bereich des Leuchtmoduls angeordnet.
  • Weiterhin kann auf mehr als einer Seitenfläche jeweils mindestens ein thermisch isolierendes Element angeordnet sein. Die thermisch isolierenden Elemente sind mit Vorteil derart auf den Seitenflächen oder der rückseitigen Oberfläche angeordnet, dass sie sich bei aufrechter Montage des Leuchtmoduls im unteren Bereich des Leuchtmoduls befinden.
  • Die thermisch isolierende Elemente sind aus einem Kunststoffmaterial gebildet.
  • Das mindestens eine thermisch isolierende Element kann jedoch auch eine Aussparung im Grundkörper des Kühlkörpers sein, die mit einem Material gefüllt ist, das einen höheren Wärmewiderstand aufweist als der Grundkörper. Insbesondere erstreckt sich die Aussparung von der vorderseitigen Oberfläche des Kühlkörpers bis zur rückseitigen Oberfläche des Kühlkörpers. Vorzugsweise ist die Aussparung mit Luft gefüllt. Eine einfache Methode zur Herstellung eines derartigen Kühlkörpers besteht darin, in eine Metallplatte, vorzugsweise eine Aluminiumplatte, mindestens eine Aussparung zu stanzen.
  • Vorteilhafterweise enthält der Kühlkörper mehrere Aussparungen, die in Bereichen angeordnet sind, die von den Strahlung emittierenden Halbleiterbauelementen unbedeckt sind. Somit befinden sich die Aussparungen zwischen den Halbleiterbauelementen. Die Halbleiterbauelemente sind über dem Grundkörper angeordnet. Die Betriebswärme kann dadurch mittels des Grundkörpers gut von den Halbleiterbauelementen abgeführt werden.
  • Zusätzlich zu dem mindestens einen thermisch isolierenden Element kann das Mittel mindestens ein thermisch leitendes Element enthalten, das einen Wärmewiderstand aufweist, der kleiner oder gleich groß ist wie der Wärmewiderstand des Grundkörpers. Mit Vorteil ist das thermisch leitende Element oder sind die thermisch leitenden Elemente derart am oder im Grundkörper angeordnet, dass ein Hindurchtreten eines Wärmestroms im Bereich des Elements oder der Elemente gegenüber anderen Bereichen des Kühlkörpers erleichtert ist. Dadurch kann der Wärmewiderstand des Kühlkörpers im Bereich des Elements oder der Elemente lokal verringert werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nimmt die Anzahl der thermisch leitenden Elemente pro Flächeneinheit entlang der Haupterstreckungsrichtung zu. Dadurch nimmt der mittlere Wärmewiderstand des Kühlkörpers entlang der Haupterstreckungsrichtung ab.
  • Das mindestens eine thermisch leitende Element kann auf der vorderseitigen Oberfläche, der rückseitigen Oberfläche oder auf mindestens einer Seitenfläche des Kühlkörpers angeordnet sein.
  • Beispielsweise kann der Kühlkörper seitlich über den Anschlussträger hervorstehen, so dass ein thermisch leitendes Element im überstehenden Bereich des Kühlkörpers auf dessen vorderseitiger Oberfläche angeordnet werden kann. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere zur Verbindung des thermisch leitenden Elements mit einem thermisch leitenden Rahmen geeignet, der die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente umrandet. Ein derartiger Rahmen kann zum Beispiel bei einer Werbetafel vorgesehen sein und das Lichtbild einfassen. Vorteilhafterweise kann bei dieser Ausgestaltung über den Rahmen die Wärme aus dem Leuchtmodul abgeführt werden. Insbesondere ist das thermisch leitende Element derart angeordnet, dass es sich bei aufrechter Montage des Leuchtmoduls im mittleren bis oberen Bereich des Leuchtmoduls befindet.
  • Weiterhin kann mindestens ein thermisch leitendes Element auf der rückseitigen Oberfläche des Kühlkörpers angeordnet sein. Ferner kann mindestens ein thermisch leitendes Element auf nur einer Seitenfläche oder mehr als einer Seitenfläche des Kühlkörpers angeordnet sein. Auch hier ist das mindestens eine thermisch leitende Element insbesondere derart angeordnet, dass es sich bei aufrechter Montage des Leuchtmoduls im mittleren bis oberen Bereich des Leuchtmoduls befindet.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Leuchtmoduls enthält das mindestens eine thermisch leitende Element ein Metall oder besteht aus einem Metall. Mit Vorteil weist das thermisch leitende Element eine strukturierte Oberfläche auf. Beispielsweise kann die Oberfläche in Form von Kühlrippen strukturiert sein, so dass ein kühlendes Fluid wie Luft durch die Zwischenräume der Kühlrippen strömen kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Mittel zumindest teilweise ein Befestigungsmittel. Beispielsweise kann das Leuchtmodul mindestens ein thermisch isolierendes Element aufweisen, das als Befestigungselement dient. Zusätzlich oder alternativ kann das Leuchtmodul mindestens ein thermisch leitendes Element aufweisen, das als Befestigungselement dient.
  • Das Leuchtmodul kann für Hinterleuchtungs- oder Beleuchtungsanwendungen als Lichtquelle in einer Leuchteinheit verwendet werden. Insbesondere weist die Leuchteinheit ein Gehäuse auf, in welchem das Leuchtmodul angeordnet ist. Mit Vorteil ist hierbei das Mittel des Kühlkörpers zumindest teilweise ein Befestigungsmittel, so dass das Leuchtmodul auf einfache Weise am Gehäuse befestigt werden kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Leuchteinheit ist zumindest ein Teil des Gehäuses thermisch leitend ausgebildet, das heißt ein Teil des Gehäuses enthält ein Material mit einem Wärmewiderstand, der kleiner oder gleich groß ist wie der Wärmewiderstand des Grundkörpers des Kühlkörpers. Beispielsweise ist der thermisch leitende Teil des Gehäuses ein Metallrahmen, der das Leuchtmodul umrandet.
  • Vorzugsweise ist der Kühlkörper mit dem thermisch leitenden Teil des Gehäuses thermisch verbunden. Dies erleichtert mit Vorteil die Kühlung des Leuchtmoduls.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Leuchteinheit wird die thermische Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem thermisch leitenden Teil des Gehäuses zumindest teilweise durch das Mittel des Kühlkörpers hergestellt.
  • Für zweiseitige Anwendungen kann die Leuchteinheit zwei Leuchtmodule aufweisen, deren Kühlkörper einander zugewandt sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anschlussträger nicht einstückig ausgebildet, sondern setzt sich aus mehreren Teilträgern zusammen. Beispielsweise können bei einer Anordnung der Bauelemente in mehreren Reihen die Bauelemente einer Reihe jeweils auf einem gemeinsamen Teilträger angeordnet sein.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den folgenden Erläuterungen in Verbindung mit den Figuren 1 bis 15.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Leuchtmoduls gemäß der Erfindung und Figur 2 ein Temperaturdiagramm für das in Figur 1 dargestellte Leuchtmodul,
    Figur 3
    eine perspektivische Darstellung eines Leuchtmoduls gemäß dem Stand der Technik und Figur 4 ein Temperaturdiagramm für das in Figur 3 dargestellte Leuchtmodul,
    Figuren 5 bis 8
    Liniendiagramme zur Illustration des Temperaturverhaltens verschiedener Leuchtdioden,
    Figur 9
    eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Leuchtmoduls gemäß der Erfindung,
    Figur 10
    eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Leuchtmoduls gemäß der Erfindung,
    Figuren 11A bis 11C
    eine perspektivische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines Leuchtmoduls gemäß der Erfindung,
    Figur 12
    eine perspektivische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines Leuchtmoduls gemäß der Erfindung,
    Figur 13
    eine perspektivische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Leuchtmoduls gemäß der Erfindung,
    Figur 14
    eine perspektivische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels eines Leuchtmoduls gemäß der Erfindung,
    Figur 15
    eine perspektivische Darstellung einer Werbetafel.
  • In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Das in Figur 1 dargestellte Leuchtmodul 1 weist eine Mehrzahl von Strahlung emittierenden Halbleiterbauelementen 2 auf, die auf einem Anschlussträger 3 angeordnet sind. Das Leuchtmodul 1 weist eine flächige Gestalt auf, das heißt die Tiefe des Leuchtmoduls 1 ist kleiner als Länge und Breite der Leuchtfläche des Leuchtmoduls 1. Die beiden Haupterstreckungsrichtungen des Leuchtmoduls 1 verlaufen parallel zu x-Richtung und y-Richtung (vgl. Figur 2). Bei aufrechter Montage des Leuchtmoduls 1 ist für die Bestimmung des mittleren Wärmewiderstands die Haupterstreckungsrichtung entscheidend, die entgegengesetzt zur Schwerkraft g wirkt (vgl. Figur 2).
  • Der Anschlussträger 3 ist eine Leiterplatte, beispielsweise eine Metallkernplatine oder ein auf FR4 basierender Träger mit thermischen Vias. Der Umriss des Anschlussträgers 3 ist rechteckförmig.
  • Die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente 2 sind gleichmäßig auf dem Anschlussträger 3 verteilt und an Gitterpunkten eines zweidimensionalen Gitters angeordnet.
  • Der Anschlussträger 3 ist auf einem Kühlkörper 6 angeordnet. Insbesondere stehen eine rückseitige Oberfläche des Anschlussträgers 3 und eine vorderseitige Oberfläche des Kühlkörpers 6 miteinander in Kontakt. Auf der rückseitigen Oberfläche des Anschlussträgers 3 kann ein Thermisches Interface Material zur Verbesserung des thermischen Kontakts zwischen Anschlussträger 3 und Kühlkörper 6 aufgebracht sein.
  • Der Kühlkörper 6 weist einen Grundkörper 4 und ein Mittel 5 auf, das dafür eingerichtet ist, den Wärmewiderstand des Kühlkörpers 6 lokal zu verändern. Der Grundkörper 4 ist insbesondere eine Metallplatte, die beispielsweise Aluminium enthält oder aus Aluminium besteht. Das Mittel 5 umfasst zwei thermisch isolierende Elemente 5a, die vorzugsweise ein Kunststoffmaterial enthalten. Die beiden thermisch isolierenden Elemente 5a sind an einer Seitenfläche des Kühlkörpers 6 im unteren Bereich des Leuchtmoduls 1 angeordnet. Sie sind am Grundkörper 4 befestigt. Durch die Anordnung des Mittels 5 im unteren Bereich ist das Mittel 5 im Kühlkörper 6 ungleichmäßig verteilt. Die Anzahl der thermisch isolierenden Elemente 5a nimmt entlang der Haupterstreckungsrichtung ab.
  • Während der Grundkörper 4 im unteren Bereich des Leuchtmoduls 1 an die Größe des Anschlussträgers 3 angepasst ist, ragt er im mittleren und oberen Bereich des Leuchtmoduls 1 über diesen hinaus. Somit umgibt den Anschlussträger 3 im oberen und mittleren Bereich des Leuchtmoduls 1 ein Rand des Grundkörpers 4. Vorzugsweise ragen die thermisch isolierenden Elemente 5a über den Anschlussträger 3 nicht weiter hinaus als der Rand des Grundkörpers 4. Der Grundkörper 4 weist eine T-artige Form auf.
  • Dieses Leuchtmodul 1 findet bevorzugte Verwendung in einer Leuchteinheit 7 (vgl. Figur 2), beispielsweise einer Werbetafel, die ein Gehäuse mit einem Gehäuserahmen 8 (vgl. Figur 2) aufweist, der den Anschlussträger 3 mit den Strahlung emittierenden Halbleiterbauelementen 2 einrahmt. Der den Anschlussträger 3 umgebende Rand des Grundkörpers 4 sowie die thermisch isoliernden Elemente 5a sind dann hinter dem Gehäuserahmen 8 verborgen.
  • Mittels des überstehenden Rands des Grundkörpers 4 kann das Leuchtmodul 1 an dem Gehäuserahmen 8 befestigt werden. Damit steht zugleich der Kühlkörper 6 mit dem Gehäuserahmen 8 in thermischem Kontakt. Mit Vorteil enthält der Gehäuserahmen 8 ein Material mit einem Wärmewiderstand, der kleiner oder gleich groß ist wie der Wärmewiderstand des Grundkörpers 4. Dies ermöglicht eine gute Kühlung des Leuchtmoduls 1 im oberen und mittleren Bereich.
  • Im unteren Bereich kann das Leuchtmodul 1 mittels der isolierenden Elemente 5a am Gehäuserahmen 8 befestigt werden. Durch die isolierenden Elemente 5a ist der Wärmestrom zwischen dem Grundkörper 4 und dem Gehäuserahmen 8 verringert. Dies ist auch der Fall, wenn die isolierenden Elemente 5a weggelassen werden. Dann befindet sich im unteren Bereich ein thermisch isolierender Zwischenraum zwischen dem Leuchtmodul 1 und dem Gehäuserahmen 8. Das Leuchtmodul 1 ist dann nur durch den überstehenden Rand des Grundkörpers 4 am Gehäuserahmen 8 befestigt und mit diesem thermisch verbunden.
  • Dieses Leuchtmodul 1 ist insbesondere für eine Leuchteinheit geeignet, bei welcher die Leuchtfläche kleiner ist als die Außenmaße der Leuchteinheit.
  • Das Diagramm der Figur 2 zeigt die Temperaturverteilung für das in Figur 1 dargestellte Leuchtmodul 1. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, sind die im unteren Bereich des Leuchtmoduls 1 vorherrschende Temperatur Tu und die im oberen Bereich des Leuchtmoduls 1 vorherrschende Temperatur To in etwa gleich. Die genauen Werte sind Tu = 39.3°C und To = 39.8°C. Die im mittleren Bereich des Leuchtmoduls 1 vorherrschende Temperatur Tm ist nur geringfügig höher. Ihr Wert beträgt Tm = 41.3°C. Damit sind die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente 2 Temperaturen ausgesetzt, die sich nicht mehr als 2°C voneinander unterscheiden.
  • Im Gegensatz hierzu treten in einem Leuchtmodul 1 ohne Mittel zur lokalen Änderung des Wärmewiderstands, wie es in Figur 3 dargestellt ist, größere Temperaturschwankungen auf. Das Leuchtmodul 1 weist einen Kühlkörper 6 auf, der allein aus dem Grundkörper 4 besteht. Somit weist der Kühlkörper 6 einen einheitlichen Wärmewiderstand auf. Der Kühlkörper 6 deckt die gesamte Fläche des Anschlussträgers 3 ab. Dadurch können die Strahlung emittierenden Bauelemente 2 im unteren Bereich des Leuchtmoduls 1 ihre Wärme ungehindert nach oben abgeben. Dies hat zur Folge, dass sich das Leuchtmodul 1 im mittleren und oberen Bereich stärker erwärmt als im unteren Bereich. Während die Temperatur im unteren Bereich Tu = 34.8°C beträgt, liegt sie im mittleren Bereich bei Tm = 39.8°C und im oberen Bereich bei To = 38.6°C. Damit sind die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente 2 bei dem in Figur 3 dargestellten Leuchtmodul 1 Temperaturen ausgesetzt, die sich mehr als 2°C, nämlich bis zu 5°C, voneinander unterscheiden. Die Temperatur To = 38.6°C ist im oberen Bereich geringer als im mittleren Bereich mit Tm = 39.8°C, weil der Kühlkörper 6 vollflächig an einen Gehäuserahmen 8 angeschlossen ist (vgl. Figur 4).
  • Durch eine Abnahme des mittleren Wärmewiderstands des Kühlkörpers 6 entlang der Haupterstreckungsrichtung, wie im Falle des in Figur 1 dargestellten Leuchtmoduls 1, kann also bewirkt werden, dass die Temperaturschwankungen im Leuchtmodul 1 verringert werden. Denn ein höherer mittlerer Wärmewiderstand im unteren Bereich führt zu einer Erhöhung der Temperatur im unteren Bereich. Dadurch kann die Temperaturdifferenz zwischen dem mittleren oder oberen Bereich und dem unteren Bereich verringert werden.
  • Die Schaubilder der Figuren 5 und 6 zeigen das Temperaturverhalten einer Leuchtdiode, die mit einem Strom von 350 mA betrieben wird und weißes Licht abstrahlt. Ein entsprechendes Temperaturverhalten zeigen blaue und grüne Leuchtdioden.
  • Wie aus dem Schaubild der Figur 5 hervorgeht, sinkt der relative Lichtstrom ΦV/ΦV(25°C), der bei 25°C den Wert 1.0 annimmt, bei ansteigender Temperatur TI ab.
  • Weiterhin geht aus dem Schaubild der Figur 6 hervor, dass eine Temperaturerhöhung zu einer Farbortverschiebung ΔCx, ΔCy führt. Der bei TI = 25°C vermessene Farbort Cx, Cy wird hierbei als Bezugsgröße verwendet, so dass die Farbortverschiebung ΔCx, ΔCy bei dieser Temperatur gleich null ist.
  • Die Schaubilder der Figuren 7 und 8 zeigen das Temperaturverhalten von Leuchtdioden, die einfarbiges Licht abstrahlen. Die Leuchtdioden werden mit einem Strom von 400 mA betrieben.
  • Wie aus dem Schaubild der Figur 7 hervorgeht, sinkt der relative Lichtstrom ΦV/ΦV(25°C), der bei 25 °C den Wert 1.0 annimmt, bei ansteigender Temperatur TI im Falle einer gelb leuchtenden Leuchtdiode (Kurve C) stärker ab als im Falle von rot oder orange leuchtenden Leuchtdioden (Kurve A, B).
  • In dem Schaubild der Figur 8 ist für die gelb leuchtende Leuchtdiode der Verlauf der dominanten Wellenlänge λdom bei zunehmender Temperatur TI dargestellt. Es ist zu sehen, dass sich die dominante Wellenlänge λdom bei zunehmender Temperatur TI zu größeren Wellenlängen verschiebt.
  • Die Schaubilder der Figuren 5 bis 8 verdeutlichen das hier zugrunde liegende Problem. Sind die verschiedenen Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente eines Leuchtmoduls stark unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt, so können sich deren Strahlungseigenschaften, beispielsweise die Helligkeit, der Farbort oder die dominante Wellenlänge, stark voneinander unterscheiden. Um eine ausreichende Betriebsstabilität zu gewährleisten, sind jedoch Leuchtmodule mit beständigen Farbund Helligkeitseigenschaften gewünscht. Dies kann bei einem Leuchtmodul gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Verringerung der Temperaturschwankungen innerhalb des Leuchtmoduls erreicht werden.
  • Bei dem in Figur 9 dargestellten Leuchtmodul 1 ist der Anschlussträger 3 auf einem Grundkörper 4 angeordnet, der eine mit dem Anschlussträger 3 übereinstimmende Größe aufweist. Insbesondere ist der Grundkörper 4 ein massiver Körper mit konstanter Dichte. Der Grundkörper 4 enthält oder besteht aus einem Metall und ist vorzugsweise aus einer Metallplatte gebildet.
  • An Seitenflächen des Grundkörpers 4 sind thermisch isolierende Elemente 5a angeordnet, die insbesondere ein Kunststoffmaterial enthalten. Bei aufrechter Montage des Leuchtmoduls 1 befinden sich die thermisch isolierenden Elemente 5a im unteren Bereich des Leuchtmoduls 1.
  • Bei dieser Ausführungsform nimmt die Anzahl der thermisch isolierenden Elemente 5a pro Flächeneinheit entlang der Haupterstreckungsrichtung ab. Der mittlere Wärmewiderstand ist aufgrund der thermisch isolierenden Elemente 5a im unteren Bereich höher als im mittleren und oberen Bereich.
  • Wird das Leuchtmodul 1 in einer Leuchteinheit mit einem umlaufenden Gehäuserahmen verbunden (nicht dargestellt), so ist der Gehäuserahmen im mittleren und oberen Bereich direkt mit dem Grundkörper 4 verbunden, während sich die thermisch isolierenden Elemente 5a im unteren Bereich zwischen dem Grundkörper 4 und dem Gehäuserahmen befinden.
  • Dieses Leuchtmodul 1 ist insbesondere für eine Leuchteinheit geeignet, bei welcher der Gehäuserahmen das Leuchtmodul 1 direkt umgibt, so dass die Leuchtfläche im Wesentlichen den Außenmaßen der Leuchteinheit entspricht.
  • Bei dem in Figur 10 dargestellten Leuchtmodul 1 ist der Anschlussträger 3 auf einem Grundkörper 4 angeordnet, der eine mit dem Anschlussträger 3 übereinstimmende Größe aufweist. Insbesondere ist der Grundkörper 4 ein massiver Körper mit konstanter Dichte. Der Grundkörper 4 enthält oder besteht aus einem Metall und ist vorzugsweise aus einer Metallplatte gebildet.
  • Das Mittel des Kühlkörpers 6 zur lokalen Änderung des Wärmewiderstands ist bei diesem Ausführungsbeispiel im unteren und oberen Bereich des Leuchtmoduls 1 vorgesehen. Das Mittel umfasst thermisch isolierende Elemente 5a und thermisch leitende Elemente 5b. Vorzugsweise enthalten die thermisch isolierenden Elemente 5a ein Kunststoffmaterial, während die thermisch leitenden Elemente 5b ein Metall enthalten. Das Mittel ist im Kühlkörper 6 ungleichmäßig verteilt. Die Anzahl der thermisch isolierenden Elemente 5a pro Flächeneinheit nimmt entlang der Haupterstreckungsrichtung ab, während die Anzahl der thermisch leitenden Elemente 5b pro Flächeneinheit entlang der Haupterstreckungsrichtung zunimmt. Dadurch kann der mittlere Wärmewiderstand in der Haupterstreckungsrichtung abgesenkt werden.
  • Dieses Leuchtmodul 1 wird vorzugsweise für eine Leuchteinheit mit einem abdeckenden Gehäuserahmen verwendet, der die thermisch isolierenden Elemente 5a und die thermisch leitenden Elemente 5b abdeckt. Besonders bevorzugt dienen die thermisch isolierenden Elemente 5a und die thermisch leitenden Elemente 5b als Befestigungsmittel zur Befestigung des Leuchtmoduls 1 am Gehäuserahmen.
  • Figur 11A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leuchtmoduls 1 gemäß der Erfindung. Der Grundkörper 4 weist eine mit dem Anschlussträger 3 übereinstimmende Größe auf. Es ist kein massiver Körper mit konstanter Dichte. Vielmehr weist der Grundkörper 4 Aussparungen 9 auf, die sich von einer vorderseitigen Oberfläche bis zu einer rückseitigen Oberfläche des Kühlkörpers 4 erstrecken.
  • Jede Aussparung 9 stellt ein thermisch isolierendes Element 5a dar. Die Aussparungen 9 sind mit einem Material gefüllt, das einen höheren Wärmewiderstand aufweist als der Grundkörper 4. Vorzugsweise sind die Aussparungen 9 mit Luft gefüllt. Zur Herstellung des Kühlkörpers 6 können die Aussparungen 9 in eine Metallplatte, vorzugsweise eine Aluminiumplatte, gestanzt werden.
  • Figur 11B zeigt in separater Darstellung den Anschlussträger 3 des Leuchtmoduls 1 mit den darauf angeordneten Strahlung emittierenden Halbleiterbauelementen 2. Die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente 2 sind gleichmäßig auf dem Anschlussträger 3 verteilt.
  • Figur 11C zeigt in separater Darstellung den Kühlkörper 6 des Leuchtmoduls 1. Die Aussparungen 9 sind im unteren Bereich des Kühlkörpers 6 dichter angeordnet als im mittleren und oberen Bereich. Die Anzahl der thermisch isolierenden Elemente 5a pro Flächeneinheit nimmt entlang der Haupterstreckungsrichtung ab. Im Bereich der thermisch isolierenden Elemente 5a wird der Wärmewiderstand lokal erhöht. Da jedoch die Anzahl der thermisch isolierenden Elemente 5a pro Flächeneinheit entlang der Haupterstreckungsrichtung abnimmt, verringert sich auch der mittlere Wärmewiderstand.
  • Wie aus Figur 11A hervorgeht, sind die Aussparungen 9 in Bereichen angeordnet, die von den Strahlung emittierenden Halbleiterbauelementen 2 unbedeckt sind. Somit befinden sich die Aussparungen 9 zwischen den Halbleiterbauelementen 2. Die Halbleiterbauelemente 2 sind über dem Grundkörper 4 angeordnet. Die Betriebswärme kann mittels des Grundkörpers 4 gut von den Halbleiterbauelementen abgeführt werden.
  • Das in Figur 12 dargestellte Leuchtmodul 1 weist auf der rückseitigen Oberfläche des Kühlkörpers 6 ein thermisch leitendes Element 5b zur lokalen Verringerung des Wärmewiderstands auf. Die Anzahl der thermisch leitenden Elemente pro Flächeneinheit nimmt also entlang der Haupterstreckungsrichtung zu. Dadurch kann eine Abnahme des mittleren Wärmewiderstands entlang der Haupterstreckungsrichtung erreicht werden.
  • Das thermisch leitende Element 5b weist eine strukturierte Oberfläche auf. Beispielsweise kann die Oberfläche des thermisch leitenden Elements 5b in Form von Kühlrippen strukturiert sein, so dass ein kühlendes Fluid wie Luft durch die Zwischenräume der Kühlrippen strömen kann.
  • Bei der Verwendung dieses Leuchtmoduls 1 in einer Leuchteinheit wird das thermisch leitende Element 5b mit Vorteil in thermischen Kontakt gebracht mit dem thermisch leitenden Teil des Gehäuses.
  • Bei dem in Figur 13 dargestellten Leuchtmodul 1 weist der Kühlkörper 6 im Gegensatz zu dem in Figur 12 dargestellten Leuchtmodul 1 nicht nur ein thermisch leitendes Element 5b, sondern mehrere thermisch leitende Elemente 5b auf der rückseitigen Oberfläche auf. Die thermisch leitenden Elemente 5b sind im oberen Bereich des Leuchtmoduls 1 angeordnet. Auch hier nimmt die Anzahl der thermisch leitenden Elemente pro Flächeneinheit entlang der Haupterstreckungsrichtung zu und damit der mittlere Wärmewiderstand ab.
  • Auch das in Figur 14 dargestellte Leuchtmodul 1 weist mehrere thermisch leitende Elemente 5b auf. Diese sind auf einer vorderseitigen Oberfläche des Kühlkörpers 6 angeordnet. Der Grundkörper 4 des Kühlkörpers 6 weist eine größere Grundfläche auf als der Anschlussträger 3. Daher umgibt den Anschlussträger 3, der auf dem Grundkörper 4 zentral angeordnet ist, ein Rand des Grundkörpers 4. In diesem Randbereich befinden sich die thermisch leitenden Elemente 5b. Ferner sind die thermisch leitenden Elemente 5b im mittleren und oberen Bereich des Leuchtmoduls 1 angeordnet. Im Bereich der thermisch leitenden Elemente 5b ist der mittlere Wärmewiderstand des Kühlkörpers 6 reduziert. Da die Anzahl der thermisch leitenden Elemente 5b pro Flächeneinheit entlang der Haupterstreckungsrichtung zunimmt, verringert sich folglich der mittlere Wärmewiderstand entlang der Haupterstreckungsrichtung.
  • Wird dieses Leuchtmodul 1 für eine Leuchteinheit 7, beispielsweise eine Werbetafel, mit einem Gehäuserahmen verwendet, so rahmt dieser den Anschlussträger 3 mit den Strahlung emittierenden Halbleiterbauelementen 2 ein und verdeckt zugleich die thermisch leitenden Elemente 5b sowie den überstehenden Rand des Gehäusekörpers 4.
  • Mittels des überstehenden Rands des Grundkörpers 4 kann das Leuchtmodul 1 an dem Gehäuserahmen 8 befestigt werden. Damit steht zugleich der Kühlkörper 6 mit dem Gehäuserahmen in thermischem Kontakt. Mit Vorteil enthält der Gehäuserahmen ein Material mit einem Wärmewiderstand, der kleiner oder gleich groß ist wie der Wärmewiderstand des Grundkörpers 4. Dies ermöglicht eine gute Kühlung des Leuchtmoduls 1 im oberen und mittleren Bereich.
  • Es sei angemerkt, dass sich bei thermisch unkritischen Systemen der Temperaturausgleich innerhalb des Leuchtmoduls am einfachsten durch Vergößern des Wärmewiderstandes im unteren Bereich zu Lasten einer höheren Temperatur und einer damit verbundenen höheren Sperrschichttemperatur erzielen lässt. Bei thermisch kritischen Systemen mit grenzwertigen Temperaturen, ist eine Absenkung des Wärmewiderstands im mittleren und oberen Bereich vorteilhaft.
  • Figur 15 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Werbetafel 7. Die Werbetafel 7 ist aufrecht aufgestellt. Die Außenmaße der Werbetafel betragen 1.10m x 2m.
  • Die Werbetafel 7 weist ein Lichtbild (nicht dargestellt) auf, das von einem Gehäuserahmen 8 eingefasst ist. Das Lichtbild wird von einem wie oben beschriebenen Leuchtmodul erleuchtet, das im Bild nicht zu sehen ist.
  • Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE102008054233.4 .
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims (11)

  1. Leuchtmodul (1) aufweisend
    - eine Mehrzahl von Strahlung emittierenden Halbleiterbauelementen (2),
    - einen Anschlussträger (3), auf welchem die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente (2) angeordnet sind, und
    - einen Kühlkörper (6), der auf seiner vorderseitigen Oberfläche mit dem Anschlussträger (3) verbunden ist und einen Grundkörper (4) sowie ein Mittel (5) aufweist, das dafür eingerichtet ist, den Wärmewiderstand des Kühlkörpers (6) lokal zu verändern, wobei der mittlere Wärmewiderstand des Kühlkörpers (6) entlang einer Haupterstreckungsrichtung des Leuchtmoduls (1) abnimmt,
    die Haupterstreckungsrichtung bei aufrechter Montage des Leuchtmoduls entgegengesetzt zur Schwerkraft zeigt,
    eine Leuchtfläche des Leuchtmoduls in einen unteren, mittleren und oberen Bereich unterteilt ist, die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente (2) in dem unteren, mittleren und oberen Bereich der Leuchtfläche angeordnet sind, der mittlere Wärmewiderstand im unteren Bereich höher als im mittleren oder oberen Bereich ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (5) eine Vielzahl von aus einem Kunststoffmaterial gebildeten und thermisch isolierenden Elementen (5a) umfasst, die einen größeren Wärmewiderstand aufweisen als der Grundkörper (4) des Kühlkörpers (6).
  2. Leuchtmodul (1) nach Anspruch 1, wobei die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente (2) auf dem Anschlussträger (3) gleichmäßig verteilt sind.
  3. Leuchtmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Grundkörper (4) des Kühlkörpers (6) ein Metall enthält oder aus einem Metall besteht.
  4. Leuchtmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel (5) im Kühlkörper (6) ungleichmäßig verteilt ist.
  5. Leuchtmodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der thermisch isolierenden Elemente (5a) pro Flächeneinheit entlang der Haupterstreckungsrichtung abnimmt.
  6. Leuchtmodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, das auf einer rückseitigen Oberfläche oder auf mindestens einer Seitenfläche des Kühlkörpers (6) mehrere thermisch isolierende Elemente (5a) aufweist, deren Anzahl pro Flächeneinheit entlang der Haupterstreckungsrichtung abnimmt.
  7. Leuchtmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel (5) mindestens ein thermisch leitendes Element (5b) umfasst, das einen Wärmewiderstand aufweist, der kleiner oder gleich groß ist wie der Wärmewiderstand des Grundkörpers (4).
  8. Leuchtmodul (1) nach Anspruch 7, wobei die Anzahl der thermisch leitenden Elemente (5b) pro Flächeneinheit entlang der Haupterstreckungsrichtung zunimmt.
  9. Leuchtmodul (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei das mindestens eine thermisch leitende Element (5a) auf der vorderseitigen Oberfläche, der rückseitigen Oberfläche oder mindestens einer Seitenfläche des Kühlkörpers (6) angeordnet ist.
  10. Leuchtmodul (1) nach Anspruch 9, wobei das mindestens eine thermisch leitende Element (5b) ein Metall enthält oder aus einem Metall besteht.
  11. Leuchtmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel (5) zumindest teilweise ein Befestigungsmittel ist.
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