WO2010048924A1 - Leuchtmodul - Google Patents

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Steffen Block
Rainer Huber
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Abstract

Es wird ein Leuchtmodul (1) angegeben, das eine Mehrzahl von Strahlung emittierenden Halbleiterbauelementen (2), einen Anschlussträger (3), auf welchem die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente (2) angeordnet sind, und einen Kühlkörper (6) umfasst, 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.

Description

Beschreibung
Leuchtmodul
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.
Eine zu lösende Aufgabe besteht vorliegend darin, ein Leuchtmodul mit beständigen Färb- 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 einer bevorzugten Ausführungsform 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. Vorzugsweise 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 Leuchtmoduls 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.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Mittel mindestens ein thermisch isolierendes Element, das einen größeren Wärmewiderstand aufweist als der Grundkörper des Kühlkörpers . Mit Vorteil ist das thermisch isolierende Element oder sind die thermisch isolierenden Elemente derart am oder im Grundkörper angeordnet, dass ein Hindurchtreten eines Wärmestroms im Bereich des Elements oder der Elemente gegenüber anderen Bereichen erschwert ist . Dadurch wird der Wärmewiderstand des Kühlkörpers im Bereich des Elements oder 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.
Das mindestens eine thermisch isolierende Element ist vorzugsweise 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 oder alternativ 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 IIA bis HC 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 T0 in etwa gleich. Die genauen Werte sind
Tu = 39.30C und T0 = 39.80C. Die im mittleren Bereich des Leuchtmoduls 1 vorherrschende Temperatur Tm ist nur geringfügig höher. Ihr Wert beträgt Tm = 41.30C. Damit sind die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente 2 Temperaturen ausgesetzt, die sich nicht mehr als 20C 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 = 34.80C beträgt, liegt sie im mittleren Bereich bei Tm = 39.80C und im oberen Bereich bei T0 = 38.60C. Damit sind die Strahlung emittierenden Halbleiterbauelemente 2 bei dem in Figur 3 dargestellten Leuchtmodul 1 Temperaturen ausgesetzt, die sich mehr als 20C, nämlich bis zu 50C, voneinander unterscheiden. Die Temperatur T0 = 38.60C ist im oberen Bereich geringer als im mittleren Bereich mit Tra = 39.80C, 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°α / der bei 250C den Wert 1.0 annimmt, bei ansteigender Temperatur T1 ab. Weiterhin geht aus dem Schaubild der Figur 6 hervor, dass eine Temperaturerhöhung zu einer Farbortverschiebung ΔCx, ΔCy führt. Der bei T1 = 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°o / der bei 250C 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 T1 dargestellt. Es ist zu sehen, dass sich die dominante Wellenlänge λaOm 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 Färb- und 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 IIA 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 IIB 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 HC 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 IIA 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 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. 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

Patentansprüche
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.
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 Ansprüche 1 bis 4, wobei das Mittel (5) mindestens ein thermisch isolierendes Element (5a) umfasst, das einen größeren Wärmewiderstand aufweist als der Grundkörper (4) des Kühlkörpers (6) .
6. Leuchtmodul (1) nach Anspruch 5, wobei die Anzahl der thermisch isolierenden Elemente (5a) pro Flächeneinheit entlang der Haupterstreckungsrichtung abnimmt.
7. Leuchtmodul (1) nach Anspruch 5 oder 6, 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.
8. Leuchtmodul (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das thermisch isolierende Element (5a) aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist.
9. Leuchtmodul (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei das thermisch isolierende Element (5a) eine Aussparung (9) im Grundkörper (4) des Kühlkörpers (6) ist, die mit einem Material gefüllt ist, das einen höheren Wärmewiderstand aufweist als der Grundkörper (4) .
10. Leuchtmodul (1) nach Anspruch 9, wobei der Kühlkörper (6) mehrere Aussparungen (9) aufweist, die in Bereichen angeordnet sind, die von den Strahlung emittierenden Halbleiterbauelementen (2) unbedeckt sind.
11. 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) .
12. Leuchtmodul (1) nach Anspruch 11, wobei die Anzahl der thermisch leitenden Elemente (5b) pro Flächeneinheit entlang der Haupterstreckungsrichtung zunimmt .
13. Leuchtmodul (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei das mindestens eine thermisch leitende Element (5a) auf der vorderseitigen Oberfläche, der rückseitigen Oberfläche oder mindestens einer Seitenfläche des Kühlkörpers (6) angeordnet ist.
14. Leuchtmodul (1) nach Anspruch 13, wobei das mindestens eine thermisch leitende Element (5b) ein Metall enthält oder aus einem Metall besteht.
15. Leuchtmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel (5) zumindest teilweise ein Befestigungsmittel ist.
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