Leuchtdiodenanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiodenanordnung
Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiodenanordnung mit einem Leiterbahnträger, der eine elektrische Leiterbahnanordnung aufweist, und mindestens einer Leuchtdiode, die mit der Leiterbahnanordnung elektrisch verbun- den ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtdiodenanordnung, bei dem ein Leiterbahnträger mit einem Lötmittel versehen wird, die Leuchtdiode auf den Leiterbahnträger aufgesetzt wird und die Leuchtdiode und der Leiterbahnträger zusammen erhitzt werden.
Leuchtdioden finden zunehmend auch dort Verwendung, wo man bislang herkömmliche Leuchtmittel, beziehungsweise Glühlampen, verwendet hat. Die Lichtstärke von Leucht- dioden ist in den letzten Jahren fortlaufend gesteigert worden, so_ daß man beispielsweise im Kraftfahrzeugbe-
reich dazu übergeht, Bremsleuchten oder Fahrtrichtungsanzeiger mit Leuchtdioden auszurüsten. Leuchtdioden haben gegenüber Glühlampen den Vorteil einer besseren Ausnutzung der zugeführten elektrischen Energie. Dar- über hinaus haben sie in der Regel ein geringeres Gewicht und eine längere Lebensdauer .
Allerdings arbeiten auch Leuchtdioden nicht völlig verlustfrei. Eine Leuchtdiode, deren Lichtleistung einer Glühlampe mit beispielsweise 100 W entspricht, entwik- kelt im Betrieb eine erhebliche Wärmemenge. Diese führt dann relativ schnell zum "thermischen Tod" der Leuchtdiode, wenn man keine Abhilfe schafft.
Damit der Einsatz von Leuchtdioden wirtschaftlich gestaltet werden kann, ist es erforderlich, eine Möglichkeit vorzusehen, die Leuchtdioden auf einfache Weise an dem Leiterbahnträger zu montieren. Eine bekannte Technik hierfür ist es, den Leiterbahnträger an bestimmten Abschnitten der Leiterbahnanordnung mit einer Lötpaste zu versehen, die Leuchtdiode aufzusetzen und dann zusammen mit der Leiterbahnanordnung zu erhitzen. Die Anschlüsse der Leuchtdiode werden kann mit der Leiterbahnanordnung verlötet .
Diese Herstellungsweise erlaubt es zwar, eine Leuchtdiodenanordnung kostengünstig zu produzieren. Sie schränkt aber die Möglichkeiten erheblich ein, die bestehende Wärme von der Leuchtdiode abzuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer von Leuchtdioden mit höherer Leistung zu verlängern ._ _
Diese Aufgabe wird bei einer Leuchtdiodenanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß auf der der Leuchtdiode gegenüberliegenden Seite des Leiterbahnträ- gers ein Kühlkörper angeordnet ist und der Leiterbahnträger zwischen der Leuchtdiode und dem Kühlkörper eine Durchgangsöffnung aufweist.
Mit dieser Ausgestaltung wird einerseits die bisher be- kannte Vorgehensweise beim Montieren der Leuchtdioden nicht gestört, d.h. man kann die Leuchtdiode nach wie vor auf die Oberfläche des Leiterbahnträgers aufsetzen und durch Löten mit der Leiterbahnanordnung verbinden. Allerdings wird nun ein Kühlkörper hinzugefügt. Der Kühlkörper steht der Montage der" Leuchtdiode auf der Leiterbahnanordnung nicht im Wege. Ein Wärmefluß von der Leuchtdiode zum Kühlkörper wird durch die Durchgangsöffnung möglich, die in dem Leiterbahnträger vorgesehen ist. Über den Kühlkörper läßt sich nun eine größere Wärmemenge an die Umgebungsluft abführen, so daß die Verlustwärme nicht zu einer kritischen Temperaturerhöhung führt .
Vorzugsweise sind die Leuchtdiode und der Kühlkörper durch die Durchgangsöffnung des Leiterbahnträgers hindurch wärmeleitend miteinander verbunden. Dies ist insbesondere bei höheren Leistungen der Leuchtdiode von Vorteil, beispielsweise dann, wenn die Leuchtdiode eine Lichtleistung hat, die derjenigen einer 100 Watt Glüh- lampe entspricht. In diesem Fall wird durch die wärmeleitende Verbindung der Leuchtdiode mit dem Kühlkörper durch den Leiterbahnträger hindurch eine verbesserte Wärme_abfuhr gewährleistet -- —
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Aluminiumblech eine Kupferfolie aufwalzt. Ein derartiges Doppelmetall weist bei ansonsten gleichen Abmessungen ein geringeres Gewicht als ein reines Kupferblech auf, so daß Einsatz insbesondere bei mobilen Anwendun- gen erleichtert wird. Aluminium ist in der Regel preisgünstiger als Kupfer, so daß man die Leuchtdiodenanordnung kostengünstig herstellen kann.
Vorzugsweise ist die Leiterbahnanordnung von einer Ab- deckung abgedeckt , die an Anschlußflächen der Leiterbahnanordnung Öffnungen aufweist. Durch die Öffnungen läßt sich Lötmittel auftragen, das dann beim gemeinsamen Erhitzen von Leuchtdiode und Leiterbahnträger schmilzt und die Lötverbindung zwischen der Leuchtdiode und der Leiterbahnanordnung herstellt. Selbstverständlich ist die Abdeckung auch im Bereich der Durchgangsöffnung unterbrochen, so daß man mit dem Auftragen des Lötmittels auf die Leiterbahnanordnung auch das Lötmittel auf den Kühlkörper auftragen kann.
Vorzugsweise sind der Leiterbahnträger und der Kühlkörper miteinander verklebt. Dies erleichtert die Herstellung weiter. Man kann den Leiterbahnträger und den Kühlkörper in einem vorgeschalteten Produktionsschritt miteinander verbinden. Hierzu wird einfach ein Klebemittel auf den Leiterbahnträger und/oder den Kühlkörper aufgebracht. Durch Anlegen des Kühlkörpers am Leiterbahnträger erfolgt dann die Verbindung. Dies hat den Vorteil, daß die Lötverbindung zwischen der Leuchtdiode und dem Kühlkörper keine Haltekräfte mehr übertragen muß. Diese Haltekräfte werden vielmehr durch die Klebeverbindung zwischen dem Leiterbahnträger und dem Kühlkörper aufgebracht. Die Lötverbindung zwischen dem
Kühlkörper und der Leuchtdiode kann dann ausschließlich auf die Wärmeübertragung von der Leuchtdiode an die Umgebungsluft hin dimensioniert werden.
Vorzugsweise ist der Leiterbahnträger flexibel ausgebildet, und der Kühlkörper ist flächenmäßig auf einen vorbestimmten Bereich in der Umgebung der Leuchtdiode begrenzt. Die Verwendung des Kühlkörpers verschlechtert also die Flexibilität des Leiterbahnträgers nur unwe- sentlich. Man hat daher ausreichende Freiheiten bei der Gestaltung einer Leuchte, beispielsweise einer Bremsleuchte oder einer Blinkerleuchte, ohne auf die Form des Leiterbahnträgers festgelegt zu sein.
Bevorzugterweise ist zwischen Kühlkörpern benachbarter Leuchtdioden jeweils ein Abstand vorhanden, dessen Länge mindestens der Länge eines Kühlkörpers entspricht. Vorzugsweise entspricht die Länge etwa der Länge eines Kühlkörpers. Damit werden zwei Vorteile erreicht. Zum einen stören sich die Kühlkörper thermisch nicht. Mit anderen Worten ist eine ausreichende Wärmeabgabe auch dann möglich, wenn man mehrere Leuchtdioden auf dem gleichen Leiterbahnträger verwendet. Zum anderen ist damit sichergestellt, daß der Leiterbahnträger seine Flexibilität behält.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß man einen Leiterbahnträger verwendet, der im Bereich der Leuchtdiode eine Durchgangsöffnung aufweist und von der der Leuchtdiode gegenüberliegenden Seite einen Kühlkörper im Bereich der Durchgangsöffnung montiert.
Wie oben im Zusammenhang mit der Leuchtdiodenanordnung ausgeführt, ist es auf diese Weise möglich, die bekannte und bewährte Herstellungsmethode für die Leuchtdiodenanordnung beizubehalten, d.h. ein Lötmittel auf den Leiterbahnträger aufträgt, die Leuchtdiode aufsetzt und dann die Leuchtdiode mit dem Leiterbahnträger zusammen auf eine Löttemperatur erhitzt. Da der Kühlkörper von der gegenüberliegenden Seite an den Leiterbahnträger angesetzt wird, stört er diese Herstellungsmethode nicht. Die Durchgangsöffnung im Leiterbahnträger stellt sicher, daß der Leiterbahnträger die Wärmeabfuhr von der Leuchtdiode nicht behindert, sondern einen ausreichenden Wärmeübergang von der Leuchtdiode zum Kühlkörper stattfinden kann.
Hierbei ist bevorzugt, daß man den Kühlkörper und den Leiterbahnträger zusammenführt, den Kühlkörper durch die Durchgangsöffnung hindurch mit Lötmittel versieht und durch Erhitzen die Leuchtdiode mit dem Kühlkörper verlötet oder einen ähnlichen Wärmeübergang schafft.
Das Lötmittel stellt dann eine hervorragende wärmeleitende Verbindung zwischen der Leuchtdiode und dem Kühlkörper her. Die Herstellung dieser wärmeleitenden Verbindung ist relativ einfach, weil man die Leuchtdioden- anordnung aus Leuchtdiode und Leiterbahnträger ohnehin auf eine Löttemperatur erhitzen muß. Das Lötmittel kann bei richtiger Dimensionierung seiner Menge die Durchgangsöffnung vollständig oder zumindest nahezu vollständig ausfüllen, so daß die optimale Querschnittsflä- ehe für den Wärmeübergang von der Leuchtdiode zum Kühlkörper gewährleistet wird. Ein zusätzlicher Arbeitsschritt ist also für die Verbindung zwischen der
Leuchtdiode und dem Kühlkörper nicht erforderlich, so daß das Herstellungsverfahren kostengünstig bleibt.
Hierbei ist bevorzugt, daß man das Lötmittel auf den Leiterbahnträger und auf den Kühlkörper in einem Arbeitsgang aufträgt. Zum Auftragen des Lötmittels wird vielfach eine Schablone verwendet, beispielsweise dann, wenn das Lötmittel durch eine gängige Lötpastenschablo- ne aufgetragen wird. Es führt praktisch zu keinem er- höhten Aufwand, wenn man im Zuge des Auftrags des Lötmittels auf die Leiterbahnanordnung ein zusätzliches "Loch" frei läßt, durch das auch Lötmittel in die Durchgangsöffnung gelangen kann. Auch für das Auftragen des Lötmittels sind also keine zusätzlichen Arbeits- schritte erforderlich, so daß man das Verfahren nach wie vor kostengünstig gestalten kann.
Auch ist von Vorteil, wenn man den Leiterbahnträger und den Kühlkörper miteinander verklebt. In diesem Fall kann man den Kühlkörper am Leiterbahnträger fixieren, bevor man die restlichen Herstellungsschritte durchführt. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Lötverbindung zwischen der Leuchtdiode und dem Kühlkörper mechanisch keine Kräfte mehr aufnehmen muß . Die mecha- nischen Haltekräfte werden vielmehr durch die Klebeverbindung aufgenommen. Beim Herstellen wird die gegenseitige Ausrichtung von Leuchtdiode und Kühlkörper ohne zusätzliche Maßnahmen beibehalten, d.h. man kann die bisher bekannten Techniken zur Montage der Leuchtdiode auf dem Leiterplattenträger beibehalten.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung erläutert. Hierin zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Leuchtdiodenanordnung und
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der Leuchtdiodenanordnung.
Fig. 1 zeigt eine Leuchtdiodenanordnung 1 mit einem Leiterbahnträger 2, auf dem mehrere Leuchtdioden 3 angeordnet sind. Die Leuchtdioden 3 weisen dabei einen sogenannten Leuchtstein 4 auf, der als eigentliche Lichtquelle fungiert, und ein Gehäuse 5, das in der Regel aus Keramik gebildet ist.
Leuchtdioden arbeiten zwar mit einem relativ großen Wirkungsgrad. Mit zunehmender Leistung der Leuchtdiode 3 steigt aber auch ihre Verlustleistung. Diese Verlustleistung wird in Wärme umgewandelt und führt zu einer Temperaturerhöhung der Leuchtdiode 3, die zum "thermischen Tod" führen kann. Um die Wärme an die Umgebung abgeben zu können, ist daher für jede Leuchtdi- ode 3 ein Kühlkörper 6 vorgesehen.
Das Zusammenwirken von Leuchtdiode 2 und Kühlkörper 6 soll anhand von Fig. 2 näher erläutert werden.
Der Leiterbahnträger 2 weist mehrere Schichten auf, nämlich eine flexible Folie 7, beispielsweise aus Po- lyimid, auf die Leiterbahnen 8, 9 aus Kupfer aufge- bracht sind. Die Leiterbahnen 8, 9 bilden eine Leiter-
bahnanordnung. Diese Leiterbahnanordnung ist durch eine Abdeckfolie 10 oder einen Lack abgedeckt. Die Abdeckfolie 10 oder der Lack weist Öffnungen 11, 12 auf, durch die hindurch Anschlußflächen 13, 14 der Leiterbahnan- Ordnung 8, 9 zugänglich sind.
Die Leuchtdiode 3 weist Kontaktflächen 15, 16 auf, die über ein Lot 17, 18 mit den Anschlußflächen 13, 14 der Leiterbahnanordnung 8, 9 verbunden ist. Das Aufbringen des Lots wird weiter unten erläutert.
Der Kühlkörper 6 ist über eine Klebemittelschicht 19 mit dem Leiterbahnträger 2 verbunden. Der Kühlkörper 6 ist als Doppelmetall ausgebildet, der im wesentlichen aus Aluminium 20 gebildet ist. Das Aluminium 20 ist an seiner dem Leiterbahnträger 2 zugewandten Oberfläche mit einer relativ dünnen Kupferschicht 21 versehen. Diese Kupferschicht 21 kann beispielsweise durch einen dünne Kupferfolie gebildet sein, die auf das Aluminium 20 aufgewalzt ist. Andere Verbindungen, beispielsweise Aufdampfen oder eine elektrochemische Abscheidung von Kupfer auf Aluminium sind natürlich ebenfalls möglich.
Der Leiterbahnträger 2 weist im Bereich der Leuchtdiode 3 eine Durchgangsöffnung 22 auf. Diese Durchgangsöffnung 22 durchsetzt auch die Klebemittelschicht 19, so daß ein Kontaktbereich 23 der Kupferschicht 21 frei zur Leuchtdiode 3 hin liegt. Die Leuchtdiode 3 weist in der Ebene, in der auch die Kontaktflächen 15, 16 liegen, eine Metallfläche 24 auf. Der Raum, der durch die Metallfläche 24, die Kupferoberfläche 21 und die Durchgangsöffnung 22 begrenzt ist, ist von einem Lot 25 aus-
gefüllt. Das Lot 25 bildet eine wärmeleitende Verbindung von der Leuchtdiode 3 zum Kühlkörper 6.
Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, ist jeder Leuchtdiode 3 ein Kühlkörper 6 zugeordnet. Zwischen den einzelnen
Kühlkörpern 6 ist ein Abstand a vorhanden, der ungefähr der Länge £ eines Kühlkörpers 6 entspricht. Dadurch wird gewährleistet, daß die Leuchtdiodenanordnung 1 eine gewisse Flexibilität behält, die durch den flexiblen Leiterbahnträger 2 vorgegeben ist. Zudem wird gewährleistet, daß jeder Kühlkörper 6 genügend Umgebung hat, um die Wärme der Leuchtdiode 3 abgeben zu können.
Die Herstellung einer derartigen Leuchtdiodenanordnung 1 läßt sich wie folgt beschreiben:
Zunächst wird der Kühlkörper 6 mit dem Leiterbahnträger 2 verbunden. Der Leiterbahnträger 2 kann zu diesem Zweck bereits mit der Klebemittelschicht 19 versehen sein, die von einer nicht näher dargestellten Schutzfolie abgedeckt ist. Vor dem Verbinden des Kühlkörpers 6 mit dem Leiterbahnträger 2 wird diese Schutzfolie entfernt.
Sobald der Leiterbahnträger 2 mit dem Kühlkörper 6 oder den Kühlkörpern 6 versehen ist, wird er mit Lötmittel beschichtet. Diese Beschichtung erfolgt beispielsweise mit Hilfe einer Lötpastenschablone, wobei dieses Verfahren so gestaltet ist, daß Lötmittel nur durch die Öffnungen 11, 12 auf die Anschlußflächen 13, 14 und durch die Durchgangsöffnung 22 auf die Kupferschicht 21 des Kühlkörpers 6 gelangt. Gegebenenfalls wird in den Bereich, den die Durchgangsöffnung 22 umgrenzt, eine größere Menge an Lötmittel eingegeben. Das Lötmittel
kann beispielsweise durch eine Lötpaste gebildet sein, die eine ausreichende Menge an Lötzinn enthält.
Auf den mit Lötmittel versehenen Leiterbahnträger 2 wird dann die Leuchtdiode 3 aufgesetzt. Die Leuchtdiode 3 wird mit dem Leiterbahnträger 2 und den daran befestigten Kühlkörpern 6 erhitzt, beispielsweise in einem Tunnelofen. Die Anordnung aus Leuchtdiode 3, Leiterbahnträger 2 und Kühlkörper 6 wird dabei auf eine Löt- temperatur erhitzt, bei der das Lötmittel fließfähig wird. Bei dieser Temperatur verbindet daher einerseits das Lötmittel 17, 18 die Anschlußflächen 13, 14 mit den Kontaktflächen 15, 16 der Leuchtdiode 3 und andererseits das Lötmittel 25 die Metallfläche 24 mit dem Kon- taktbereich 23 der Kupferschicht 21 des Kühlkörpers 6.
Nachdem sowohl der Lötmittelauftrag auf die Kontaktflächen 13, 14 und in die Durchgangsbohrung 22 gleichzeitig erfolgt, als auch das Verlöten der Kontakte 15, 16 der Leuchtdiode mit der Leiterbahnanordnung 8, 9 sowie die Herstellung der wärmeleitenden Verbindung zwischen der Leuchtdiode 3 und dem Kühlkörper 6, sind keine zusätzlichen Bearbeitungsschritte erforderlich, um eine Leuchtdiodenanordnung 1 herzustellen, die eine ausrei- chende Wärmeabfuhrmöglichkeit für die von der Leuchtdiode 3 produzierte Verlustwärme beinhaltet. Man kann also mit relativ geringen Modifikationen eine SMD-Technik (SMD = surface mounted device) verwenden, um die Leuchtdiode 1 sowohl elektrisch zu montieren als auch die Wärmeabfuhr über den Kühlkörper 6 sicherzustellen.
Der Kühlkörper 6 kann durch ein Blech gebildet sein, das im Handel unter der Bezeichnung "Cupalblech" er-
hältlich ist. Ein derartiges Blech wird vielfach im Blitzschutz und im Hochspannungsbereich verwendet. Es ist daher zu vertretbaren Preisen am Markt verfügbar. Da es zu einem großen Teil aus Aluminium besteht, ist sein Gewicht kleiner als das Gewicht eines reinen Kupferblechs gleicher Größe. Insbesondere dann, wenn die Leuchtdiodenanordnung 1 bei einer mobilen Anwendung, beispielsweise im Kraftfahrzeug, verwendet werden soll, hat diese Gewichtsreduzierung erhebliche Vorteile.