WO2010130597A1 - Leuchtdiodenmodul und beleuchtungseinheit mit leuchtdiodenmodul - Google Patents

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Definitions

  • Light-emitting diode module and lighting unit with light-emitting diode module are Light-emitting diode module and lighting unit with light-emitting diode module
  • the invention relates to a light-emitting diode module and a lighting unit with light-emitting diode module according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a light-emitting diode module is disclosed, for example, in WO 2008/065030 A1.
  • This Offenlegungsschrift describes a light-emitting diode module with a light-emitting diode device having an electrically insulating support which is fixed on a metallic heat sink by means of adhesive.
  • the light-emitting diode module according to the invention has a light-emitting diode device which has a, fixed to a heat sink, electrically insulating carrier.
  • the material of the electrically insulating carrier is selected from the group of aluminum oxide, aluminum nitride, beryllium oxide, boron nitride and silicon
  • the heat sink according to the invention consists of heat-conducting Material that has a thermal expansion coefficient in the range of 2 "1 (T 6 K " 1 to KTKT 6 K "1.
  • the invention thus enables a particularly simple connection between the support and the heat sink of the light-emitting diode module by means of the abovementioned adhesives.
  • the electrically insulating support and the heat sink of the light-emitting diode module according to the invention can also be fastened to one another in other ways, for example by means of screws or a press fit.
  • the heat sink of the light-emitting diode module according to the invention preferably consists of material with a thermal conductivity in the range of 40 W / (mK) to 200 W / (mK), around a To ensure the best possible heat dissipation from the light emitting diode device.
  • the heat sink is made of silicon carbide, aluminum silicon carbide, or a molybdenum-copper alloy, because these materials can be made such that their thermal expansion coefficient is sufficiently well matched to the coefficient of thermal expansion of the carrier.
  • silicon carbide can be used in various embodiments, in particular as liquid phase sintered silicon carbide (LPSiC) or as pressure sintered silicon carbide (SSiC) or as silicon infiltrated silicon carbide (SISiC) or as aluminum silicon carbide (AlSiC).
  • LPSiC liquid phase sintered silicon carbide
  • SSiC pressure sintered silicon carbide
  • SISiC silicon infiltrated silicon carbide
  • AlSiC aluminum silicon carbide
  • the aforementioned different forms of silicon carbide have coefficients of thermal expansion with values in the range of 4, 0-IO "6 K " 1 to 4.8-10 "6 K -1 .
  • the thermal conductivity of these materials ranges from 40 W / (mK) to 200 W / (mK).
  • the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity can be varied by varying the relative proportions of copper and molybdenum in the alloy and thus adapted to the thermal expansion coefficient and the thermal conductivity of the material of the electrically insulating support.
  • the proportion of copper in the molybdenum-copper alloy is in the range of 15 to 20 percent by weight and the proportion of molybdenum in the range of 85 to 80 percent by weight.
  • FIG. 1 a cross section through an exemplary embodiment of a light-emitting diode module according to the invention is shown schematically.
  • This light-emitting diode module has a plurality of light-emitting diode chips 1 arranged in a row, which are fixed on an electrically insulating carrier 2. Details of the light-emitting diode chips are disclosed, for example, in WO 2008/065030 A1 and in the publication cited there relating to thin-film light-emitting diode chips.
  • the light-emitting diode chips 1 are so-called high-performance light-emitting diodes, which must be cooled during their operation, so that they are not destroyed by the heat.
  • the material of the carrier 2 is alumina.
  • the carrier 2 is fixed by means of adhesive 3 on a heat sink 4.
  • the adhesive 3 used is a commercially available adhesive having the highest possible thermal conductivity. Examples include epoxy resin and silicone adhesive.
  • the heat sink 4 is frustoconical. It consists of a molybdenum-copper alloy, for example of an alloy containing 85% molybdenum and 15% copper. Alternatively, for example, a molybdenum-copper alloy with a molybdenum content of 80% and a copper content of 20% can be used.
  • the former molybdenum-copper alloy has a thermal conductivity of 140 W / (mK) and a thermal expansion coefficient of 6,5'10 ⁇ 6 K "1
  • the second said molybdenum-copper alloy has a thermal conductivity of 160 W / (mK) and a thermal expansion coefficient of 7,2'10 ⁇ 6 K '1.
  • silicon carbide or aluminum can niumsiliziumkarbid be used as the material for the heat sink.
  • the support 2 is arranged on the small-area end face 41, while the large-area end face 42 is brought into contact with a cooling body (not shown) of the lighting unit during assembly of the light-emitting diode module in a lighting unit (not shown) the heat dissipation from the LED chips 1 to the heat sink (not shown).
  • each of the above-mentioned materials for the carrier 2 can be combined with each of the above-mentioned materials for the heat sink 4.
  • electrical conductor tracks and contact surfaces can be applied to the heat sink.

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Abstract

Leuchtdiodenmodul mit einer Leuchtdiodeneinrichtung (1), die einen elektrisch isolierenden Träger (2) aufweist, der an einer Wärmesenke (4) fixiert ist, wobei das Material des Trägers (2) aus der Gruppe von Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Bornitrid und Silizium ist, und die Wärmesenke (4) aus Wärme leitendem Material besteht, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 2.10-6 K-1 bis 10.10-6 K-1 besitzt.

Description

Leuchtdiodenmodul und Beleuchtungseinheit mit Leuchtdiodenmodul
Die Erfindung betrifft ein Leuchtdiodenmodul und eine Beleuchtungseinheit mit Leuchtdiodenmodul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
I . Stand der Technik
Ein derartiges Leuchtdiodenmodul ist beispielsweise in der WO 2008/065030 Al offenbart. Diese Offenlegungs- schrift beschreibt ein Leuchtdiodenmodul mit einer Leuchtdiodeneinrichtung, die einen elektrisch isolierenden Träger aufweist, welcher auf einer metallischen Wärmesenke mittels Klebstoff fixiert ist.
II . Darstellung der Erfindung Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Leuchtdiodenmodul mit einer verbesserten Verbindung von keramischem Träger und Wärmesenke bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausfüh- rungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Leuchtdiodenmodul besitzt eine Leuchtdiodeneinrichtung, die einen, an einer Wärmesenke fixierten, elektrisch isolierenden Träger aufweist. Er- findungsgemäß ist das Material des elektrisch isolierenden Trägers aus der Gruppe von Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Bornitrid und Silizium, und die Wärmesenke besteht erfindungsgemäß aus Wärme leitendem Material, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 2"1(T6 K"1 bis KTKT6 K"1 besitzt. Dadurch ist gewährleistet, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Wärmesenkenmaterials an den thermischen Ausdeh- nungskoeffizienten des Materials des elektrisch isolierenden Trägers angepasst ist und somit keine nennenswerten mechanischen Spannungen zwischen dem Träger und der Wärmesenke während des Betriebs des Leuchtenmoduls entstehen können, welche auf die Verbindung zwischen dem Träger und der Wärmesenke einwirken könnten. Außerdem ist dadurch gewährleistet, dass für die Verbindung von Träger und Wärmesenke solche Klebstoffe verwendet werden können, welche die höchste Wärmeleitfähigkeit besitzen. Diese Klebstoffe zeichnen sich auch dadurch aus, dass sie nach dem Aushärten extrem hart sind. Aufgrund der angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien von Wärmesenke und elektrisch isolierendem Träger besteht bei dem erfindungsgemäßen Leuchtdiodenmodul nicht die Gefahr einer Zerstörung der Klebverbindung durch mechanische Spannungen zwischen Wärmesenke und Träger. Die Erfindung ermöglicht somit eine besonders einfache Verbindung zwischen Träger und Wärmesenke des Leuchtdiodenmoduls mittels der vorgenannten Klebstoffe. Alternativ können der elektrisch isolierende Träger und die Wärmesenke des er- findungsgemäßen Leuchtdiodenmoduls aber auch auf andere Weise, beispielsweise mittels Schrauben oder Klemmsitz, aneinander befestigt werden.
Die Wärmesenke des erfindungsgemäßen Leuchtdiodenmoduls besteht vorzugsweise aus Material mit einer Wärmeleitfä- higkeit im Bereich von 40 W/ (mK) bis 200 W/ (mK) , um eine möglichst gute Wärmeableitung von der Leuchtdiodeneinrichtung zu gewährleisten. Vorzugsweise besteht die Wärmesenke aus Siliziumkarbid, Aluminiumsiliziumkarbid oder einer Molybdän-Kupferlegierung, weil diese Materialien derart hergestellt werden können, dass ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient ausreichend gut an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers angepasst ist. Beispielsweise kann Siliziumkarbid in unterschiedlichen Ausführungsformen, insbesondere als flüssigphasen- gesintertes Siliziumkarbid (LPSiC) oder als drucklos gesintertes Siliziumkarbid (SSiC) oder als Silizium infiltriertes Siliziumkarbid (SISiC) oder auch als Aluminium- Siliziumkarbid (AlSiC) verwendet werden. Die vorgenannten unterschiedlichen Formen von Siliziumkarbid besitzen thermische Ausdehnungskoeffizienten mit Werten im Bereich von 4,O-IO"6 K"1 bis 4,8-10"6 K"1. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien liegt im Bereich von 40 W/ (mK) bis 200 W/ (mK) . Bei Verwendung einer Molybdän-Kupferlegierung für die Wärmesenke können der thermische Ausdehnungskoef- fizient und die Wärmeleitfähigkeit durch Variation der relativen Anteile von Kupfer und Molybdän in der Legierung verändert und somit an den thermischen Ausdehnungskoeffizient und die Wärmeleitfähigkeit des Materials des elektrisch isolierenden Trägers angepasst werden. Vor- zugsweise ist der Anteil von Kupfer in der Molybdän- Kupferlegierung im Bereich von 15 bis 20 Gewichtsprozent und der Anteil von Molybdän entsprechend im Bereich von 85 bis 80 Gewichtsprozent. - A -
III. Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der Figur ist schematisch ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtdiodenmoduls abgebildet. Dieses Leuchtdiodenmodul besitzt mehrere in einer Reihe angeordnete Leuchtdiodenchips 1, die auf einem elektrisch isolierenden Träger 2 fixiert sind. Details der Leuchtdiodenchips sind beispielsweise in der WO 2008/065030 Al und in der dort zitierten Publikation zu Dünnfilm-Leuchtdiodenchips offenbart. Die Leuchtdiodenchips 1 sind sogenannte Hochleistungsleuchtdioden, die während ihres Betriebs gekühlt werden müssen, damit sie nicht durch die Wärmeentwicklung zerstört werden. Das Ma- terial des Trägers 2 ist Aluminiumoxid. Alternativ kann aber auch Aluminiumnitrid, Bornitrid, Berylliumoxid oder Silizium als Material für den Träger 2 verwendet werden. Der Träger 2 ist mittels Klebstoff 3 auf einer Wärmesenke 4 fixiert. Als Klebstoff 3 wird ein handelsüblicher Kleb- stoff mit möglichst hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet. Beispiele hierfür sind Epoxydharz und Silikonklebstoff. Die Wärmesenke 4 ist kegelstumpfförmig ausgebildet. Sie besteht aus einer Molybdän-Kupferlegierung, beispielsweise aus einer Legierung, die 85% Molybdän und 15% Kupfer enthält. Alternativ kann beispielsweise auch eine Molybdän-Kupferlegierung mit einem Molybdänanteil von 80% und einem Kupferanteil von 20% verwendet werden. Die erstgenannte Molybdän-Kupferlegierung besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 140 W/ (mK) und einen thermischen Ausdehnungs- koeffizienten von 6,5'10~6 K"1, während die als Zweites genannte Molybdän-Kupferlegierung eine Wärmeleitfähigkeit von 160 W/ (mK) und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 7,2'10~6 K"1 besitzt. Anstelle einer Molybdänkupferlegierung kann aber auch Siliziumkarbid oder Alumi- niumsiliziumkarbid als Material für die Wärmesenke 4 verwendet werden. Der Träger 2 ist auf der kleinflächigen Stirnseite 41 angeordnet, während die großflächige Stirnseite 42 bei der Montage des Leuchtdiodenmoduls in einer Beleuchtungseinheit (nicht abgebildet) mit einem Kühlkör- per (nicht abgebildet) der Beleuchtungseinheit in Kontakt gebracht wird. Die Kegelstumpfform der Wärmesenke 4 verbessert die Wärmeableitung von den Leuchtdiodenchips 1 zu dem Kühlkörper (nicht abgebildet) .
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben näher beschriebene Ausführungsbeispiel. Insbesondere kann bei dem erfindungsgemäßen Leuchtdiodenmodul jedes der oben genannten Materialien für den Träger 2 mit jedem der oben genannten Materialien für die Wärmesenke 4 kombiniert werden. Auf der Wärmesenke können ferner elektrische Lei- terbahnen und Kontaktflächen aufgebracht sein.

Claims

Ansprüche
1. Leuchtdiodenmodul mit einer Leuchtdiodeneinrichtung
(1), die einen elektrisch isolierenden Träger (2) aufweist, der an einer Wärmesenke (4) fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass - das Material des elektrisch isolierenden Trägers (2) aus der Gruppe von Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid, Bornitrid und Silizium ist, und die Wärmesenke (4) aus Wärme leitendem Material besteht, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 2'10~6 K"1 bis 10'ICT6 K"1 besitzt .
2. Leuchtdiodenmodul nach Anspruch 1, wobei die Wärmesenke (4) aus Siliziumkarbid, Aluminiumsiliziumkar- bid oder einer Molybdän-Kupferlegierung besteht.
3. Leuchtdiodenmodul nach Anspruch 2, wobei die Wärmesenke (4) aus Molybdän-Kupferlegierung mit einem Kupferanteil im Bereich von 15 Gewichtsprozent bis 20 Gewichtsprozent und einen Molybdänanteil im Be- reich von 85 Gewichtsprozent bis 80 Gewichtsprozent besteht .
4. Leuchtdiodenmodul nach Anspruch 1, wobei der elektrisch isolierende Träger (2) mittels Klebstoff (3) an der Wärmesenke (4) fixiert ist.
5. Beleuchtungseinheit mit mindestens einem Leuchtdiodenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
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