WO2015132189A1 - Led-modul mit substratkörper - Google Patents

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WO2015132189A1
WO2015132189A1 PCT/EP2015/054278 EP2015054278W WO2015132189A1 WO 2015132189 A1 WO2015132189 A1 WO 2015132189A1 EP 2015054278 W EP2015054278 W EP 2015054278W WO 2015132189 A1 WO2015132189 A1 WO 2015132189A1
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led
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Ralph Wirth
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Osram Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to an LED module with egg ⁇ nem substrate body and an LED on it.
  • LED module refers to an optoelectronic assembly, wherein “LED” generally both an inorganic and an organic light emitting diode ⁇ can mean.
  • the present invention is the technical problem of a particularly advantageous LED module suits ⁇ ben.
  • an LED module with a substrate body, an LED arranged on the substrate body and a conductor track structure made of a metallically conductive material which is electrically conductively connected to the LED, wherein the substrate body is a coated core is made of a metal material, the facing ei ⁇ ner of the LED front and opposite and at one of these front backing, each provided at least partially with a layer of a ceramic material, and wherein the conductor track structure has a conductor track on the front Ceramic layer, a conductor on the back ceramic layer and a through-contact, which electrically conductively interconnects the two conductor tracks, which through-hole passes through a through hole in the metal core, which is lined with the ceramic material in such a way that the through-hole is electrically insulated from the metal core ,
  • a metal core provided with a layer of ceramic material on both sides is provided as substrate body; the ceramic layers electrically insulate a respective conductor trace disposed thereon toward the metal core. Furthermore, the conductor paths provided on both sides are also electrically conductively connected to each other by means of electrical contact with the ceramic material to the metal core.
  • the ceramic material may, so to speak, be a kind of sleeve around the through-contact, the outer wall of which borders on the metal core (to the inner lateral surface of which bounds the through-hole) and adjacent to the through-hole on its inner wall.
  • the conductor track structure that is to say the conductor tracks and the through-contact, is therefore provided on the ceramic material or adjacent thereto.
  • the substrate body In contrast to a simple ceramic body substrate, however, the substrate body additionally has the metal core in the present case.
  • An advantage of this relates to the coefficient of thermal expansion (CTE) of the resulting substrate body.
  • the CTE is a metal that is usually a large ⁇ °owskiowski above the CTE of a ceramic, and the inventor has in this context, in particular during assembly a ceramic substrate body (without metal core) problems observed.
  • the substrate body is preferably placed on a metal heat sink, that is, with its rear side facing the heat sink. Between a ceramic substrate body and a metal heat sink, however, the difference in the CTE is now so great that, for example, the substrate body can warp with the temperature change during a thermal cycling, which may be caused, for example, by switching on and off.
  • an LED module according to the invention in a lateral direction has a side extension of in this order increasingly preferably at least 3 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm, 25 mm or 28 mm; possible Upper limits may be independent thereof, for example, at most 50 mm, 40 mm or 35 mm. Especially be ⁇ vorzugt the LED module has a Soerstre- ckung within corresponding limits in a direction perpendicular to these sides ⁇ direction lateral direction.
  • a rectangular LED module more preferably a quadrati ⁇ cal.
  • a plurality of LEDs are preferably provided on the substrate body, for example at least two, four, six, eight, ten, twelve, fourteen, sixteen, eighteen or twenty LEDs, and to that extent a further advantage of the substrate body according to the invention comes into play. Because of the via not only a wiring ⁇ level is namely the front side available, but it can also be used the back, which can for example allow it ⁇ creased wiring complexity. So he ⁇ -making contemporary design allows one hand a the enlarged substrate body and therefore more LEDs and bears on the other hand a corresponding increase Komplexi ⁇ ty bill.
  • Possible upper limits for the number of LEDs may be, for example, a maximum of 500, 400, 300, 200, 150 or 100 LEDs.
  • a are to be read as indefinite articles, ie, a plurality of LEDs may be provided (and this is preferred), and a plurality of through contacts may also be provided, for example at least two, four, six , eight or ten Through contacts; It can, for example, at least two vias per LED are provided.
  • a plurality of conductor tracks are also provided on the front and rear sides.
  • the "metallic-conductive" material of the conductor track structural ⁇ structure is preferably a metal, which is intended to include Metalllegierun ⁇ gene.
  • a conductor line a layer of copper material to which has in any case the greater part of copper, more preferably within technically available purity grade exclusively is made of copper
  • the thickness of this layer can ⁇ Referring preferably ⁇ game instance at least 15 .mu.m, in this order at least 25 .mu.m, 35 .mu.m and 40 .mu.m be ⁇ carry;. possible upper limits are (independently thereof), for example at 160 ym, 140 ym or 120 ym.
  • a further layer or a layer system may be applied, such as a layer sequence of nickel, palladium and gold with a total thickness of a few microns, about at least 2 ym, preferably at least 3 ym, and (independently) at most 8 ym, preferably at most 6 ym.
  • the conductor tracks so in any case a respective layer thereof with the largest volume to ⁇ part, and the via superiors see the same metal material, provide more preferably a copper material.
  • the traces can evaporate on ⁇ , spraying, melting or flame spraying can be applied for example by sputtering;
  • the conductor tracks are in a bath deposited, de-energized and / or elektrogalva- nisch.
  • the LED arranged "on" the substrate body does not necessarily directly adjoin it , but rather preferably a connecting layer and more preferably the conductor track between them, so that the LED is particularly preferably connected via such a connecting layer such as a Fügeeducations- or diffusion solder layer may be mounted on the der Schotkör ⁇ by itself through a joint connection layer, such as an adhesive layer, the information "front” and ".
  • the LED is thus provided with its rear side facing the front side of the substrate body and is generally designed to emit light at a front light emitting surface opposite its LED back side, namely (in this frame of reference) in front of the group.
  • the back of the sub ⁇ strat stressess a heat sink to be arranged, so before ⁇ parts of the structure of the invention in particular to tra- gen may come.
  • the metal core is a rather FLA body, he has thus in a thickness direction, a thickness direction which is at most 1.5, in this order increasingly preferably at most 1/10, 1/15 or 1/20, be ⁇ ner in carries a side direction taken to the thickness direction vertical side direction taken side extension.
  • the metal core has the shape of a plate (which is usually penetrated by a multiplicity of through-holes).
  • the metal core may be, for example, a view taken in the thickness direction thickness of at least 100 .mu.m, in these rows ⁇ follow increasingly preferably at least 200 .mu.m, 300 .mu.m, 400 .mu.m and 500 .mu.m have;
  • upper limits independent of these lower limits may be more preferably at most 5 mm, 4 mm, 3 mm, 2 mm, and 1 mm, respectively, in this order.
  • the substrate body will be provided as a total of ent ⁇ speaking flat body, and it is intended that disclosed above for the core metal values to be expressly also disclosed with respect to the substrate body.
  • the front-side and rear-side substrate body surfaces that is to say the outer surfaces of the ceramic layers, preferably extend parallel to one another and to the front and rear (coated) metal core surfaces.
  • the substrate body surface in this case is lowered to the front / back surface of the substrate.
  • the right "thickness direction" are preferably parallel to a centroid beam of the LED, which can be formed in terms of foot and direction as the average of the rays of the beam emitted from the LED on the light emitting surface beam; in preferred embodiments, the centroid beam is perpendicular to the light emitting surface and with its base on average ⁇ point thereof, for example in the case of a Lambertian radiation pattern.
  • the ceramic material of the layers and the liner is provided continuously without material boundary Between the seats ⁇ rule, that is, without boundary to another (Kera ⁇ mik) material or a ceramic material other herstel ⁇ lung history. The ceramic material is therefore preferably applied in one step.
  • the metal material of the metal core on aluminum as a component, preferably as a predominant component.
  • Aluminum may be advantageous on the one hand because of good processability, the through-hole (the via-hole) can be introduced as ⁇ example by punching; On the other hand, aluminum may also be of particular interest with respect to the preferred ceramic material and its application described below.
  • the metallic material may, for example, aquonaus ⁇ expansion coefficient (at 20 ° C) in this order by increasing preference at least 10-10 -6 K -1, 12-10 -6 K -1 10.14 -6 K -1 16 ⁇ 10 -6 ⁇ _1 , 18 ⁇ 10 -6 ⁇ _1 , 20 ⁇ 10 -6 ⁇ _1 and 22 ⁇ 10 "6 K " 1, respectively;
  • cap limits independent of the lower limits may be at most 32.10 -6 K, 30.10 -6 K, 28.10 -6 K, 26.10 -6 K -1 and 24-10 -6 K _1, respectively.
  • the metal material is a Aluminiumlegie ⁇ tion, wherein the proportion of aluminum in this order with increasing preference at least 70 wt .-%, 75 wt .-%, 80 wt .-% and 82 wt .-%, and (independent of) not more than 95 wt%, 90 wt%, and 88 wt%, respectively, in this order.
  • the rest may be, for example, silicon, magnesium, manganese and / or iron, in smaller quantities such as copper, chromium, zinc and / or titanium.
  • An example is AI 6082.
  • the metal material comprises a metal (in the sense of a chemical element) as a constituent and the ceramic material of an oxide compound of this metal is provided, generally not necessarily, but preferably exclusively of this oxide compound.
  • a metal in the sense of a chemical element
  • the ceramic material of an oxide compound of this metal is provided, generally not necessarily, but preferably exclusively of this oxide compound.
  • Ceramic layers and a lining of the through hole made of alumina are provided; Most preferably, the aluminum core is completely mantelt with alumina to ⁇ .
  • the ceramic material is applied by partial electrolytic oxidation of the metal of the metal core, preferably of aluminum;
  • partial means that not all of the corresponding metal is oxidized, but only a part of it arranged on the surface. The oxidation described in detail below therefore only affects the upper part of the metal. surface or a region near the surface of the metal core, ie not its bulk material in the interior.
  • the ceramic material has a thermal conductivity of at least 5 W / mK, in this order increasingly preferably at least 7 W / mK, 9 W / mK, 11 W / mK, 12 W / mK and 13 W / mK, respectively; Possible upper limits may be independent of this, for example at not more than 20 W / mK, 18 W / mK, 16 W / mK or 15 W / mK.
  • the ceramic material has a much higher thermal conductivity so that the heat emitted from the LED as the power loss can be easily transported over the sub ⁇ strat emotions to the preferred back-side heat sink, for example in comparison to a coating on an organic basis.
  • the dielectric strength of the ceramic material is preferably at least 40 kV / mm, in these rows ⁇ follow increasing preference at least 60 kV / mm, 70 kV / mm and 80 kV / mm; possible upper limits are (independently of) about 140 kV / mm, 130 kV / mm, 120 kV / mm, 110 kV / mm and 100 kV / mm, respectively.
  • Corresponding material properties can be achieved, for example, with the brought by electrolytic oxidation ⁇ ceramic material, particularly alumina.
  • one of the ceramic layers at least has a thickness of at least 50 nm, in the order of increasing preference at least ⁇ ser 250 nm, 500 nm, 750 nm, 1000 nm, 1250 nm, 1500 nm, 1750 nm and 2000 nm; possible upper limits are (independently of this) for example in in this order, increasingly before ⁇ Trains t not exceeding 100 ym, 80 ym, 60 ym, 40 ym, 20 ym, 15 ym, 10 ym and 5 ym.
  • the thickness of the ceramic layers in said thickness direction is also taken.
  • a preferred embodiment relates to a front side For ⁇ term conductor line whose front side, opposite the substrate body surface is provided in a region connecting surface as a surface on and connected to the LED.
  • the "areal" compound may, for example, have an area of at least 0.01 mm 2 , 0.05 mm 2 , 0.1 mm 2 , 0.15 mm 2 or 0.2 mm 2 , and possible upper limits may (independently of this) be around 1 mm 2 and 0.5 mm 2.
  • the flat Verbin ⁇ dung can be for example a Diffusionslot- or Fügeverbin ⁇ dung, can thus between the LED (corresponding to a flat contact site thereof) and the Pad, for example, a joint connecting layer may be arranged, such as a solder or adhesive layer.
  • a plurality of LEDs may be mounted on the substrate body and to be connected in a planar corresponding to each egg with ⁇ ner or more respective connection surfaces.
  • the plurality of LEDs in a so-called reflow process with the surface area connected to respective pads, such as soldered in an oven at elevated temperature at the same time.
  • the plurality of LEDs are preferably electrically operably connected from ⁇ finally surface connections with Anschlußflä- surfaces of the front Porterzug poetic, so so verzich ⁇ example, to bond wires or other additional contact means can be tet.
  • a further preferred embodiment relates to the backside Porterzug whose rear side, the substrate ⁇ body remote surface is preferably provided as a free, for surface connection of the LED module on a macroscopic level designed contact surface.
  • This Kon ⁇ clock surface is preferably planar; its area can be increasingly before ⁇ Trains t least 0.1 mm 2 0.5 mm 2, 0.75 mm 2 and 1 mm 2 for example be in this order; possible upper limits are (independently of this) approximately at 100 mm 2 , 50 mm 2 , 25 mm 2 , 10 mm 2 and 5 mm 2, respectively.
  • a preferred use, which relates to the mounting of the LED module on a lighting device, is also aimed at this embodiment;
  • the contact surface (of the rear conductor run) is connected in a planar manner to a connection surface of the lighting device, preferably via a diffusion solder or joint connection layer.
  • the pad may for example be the surface of a conductor, such as a conductor on a support plate.
  • the connection takes place in a reflow process (see the vorste ⁇ rising disclosure); particularly preferred are two reflow Processes, namely one for mounting the LEDs and a white ⁇ more excellent later to mount the LED module.
  • the illumination device is not necessarily to be read for a lamp that is already completely self-contained by a consumer (or a luminous device that can be used in such a way), but rather initially to an integrating stage that is superordinate to the LED module and has at least one forms be ⁇ a component of a light / a luminous means.
  • the illumination device can thus for example be a carrier plate on which then a LED module, preferably ⁇ , a plurality of LED modules, is / are arranged.
  • the Trä ⁇ carrier plate can then turn as part of a Luminaire be installed, so for example, connected with connection elements to be integrated into a housing.
  • a driver and / or control electronics can be arranged together with these on the substrate body, preferably also connected via respective areal compounds with corresponding Lei ⁇ termann.
  • additional components are provided with the LEDs on the ⁇ same side, ie the front side; so the back remains free for the preferred heat sink.
  • a "control electronics” for example, can also have thermal sensors, optical sensors and / or memory elements, which may be provided as individual components or inte ⁇ grated.
  • Driver electronics for example, can mean a single power transistor or even a complete driver circuit.
  • a corresponding additional component may, for example, have been mounted directly as a chip on the substrate body or have been previously housed, preferably as an SMD component (surface mounted device).
  • SMD component surface mounted device
  • this also applies to the "LED”, which may mean both an LED chip already preformed for itself, preferably an SMD component, and an unhoused LED chip, for example, the latter then being mounted on the substrate body with the LED rest of the other LED chips housed together, so for example with a continuous filling material encased, such as a potting material, such as silicone.
  • a heat sink is provided on the rear side, on which the substrate body is arranged.
  • An abovementioned contact surface (of the rear conductor run) may be arranged approximately in an edge region and the heat sink may be provided centrally (in relation to the lateral directions).
  • an electrically insulating, preferably well Jacques ⁇ tendes material may be provided, for example, as organic base, for example a thermal grease.
  • the invention also relates to a method for producing an LED module.
  • the ceramic material is applied in an electrolyte, namely by partial oxidation elekt ⁇ rolytician of a metal of the metal core.
  • the electrolyte is preferably an aqueous alkaline solution, for example sodium hydroxide or potassium hydroxide; preference is given to an electrolyte having a pH of at least
  • the electrical conductivity of the electrolyte should preferably be at least 1 mS / cm, in this sequence increasingly preferably at least 2 mS / cm, 3 mS / cm, 4 mS / cm or 5 mS / cm.
  • the ceramic material is applied simultaneously to the front and rear side as well as into the through hole, the coating thus takes place in a single process step, which may be advantageous in terms of throughput in a mass production. There are therefore at least the then (in the case of the fer ⁇ term LED module) covered with the ceramic material ⁇ upper surface regions immersed in the electrolyte, vorzugswei ⁇ se, the metal core is completely submerged.
  • ne first electrode is provided in the electrolyte egg and the metal core serves as a second electrode, it is thus electrically conductive kon ⁇ taktiert and ver ⁇ connected with a voltage or current source. An alternating current is then passed through the electrolyte through these two electrodes to oxidize the metal. Under an alternating voltage, the metal core is thus alternately maral ⁇ tet as the cathode and anode, wherein the first electrode respectively forms the opposite pole thereto.
  • the voltage applied to the electrodes for impressing the current can be varied between a positive maximum value and a negative minimum value;
  • the maximum value can ⁇ for example at least 500 V, preferably at least 600 V, more preferably, be ⁇ carry at least 650 V, which limits possible about at most 900 V, preferably at most 800 V, more preferably highest at least 750 V, can lie.
  • the minimum value may at ⁇ play, at most -100 V, preferably not more than -200 V, more preferably not more than -300 V, are, with possible lower limits about at least -600 V, preferably at least -500 V, more preferably at least -400 V, can lie.
  • the minimum value can also be increasingly lowered during the coating, for example from initially 0 V to a value within the above-mentioned intervals.
  • the repetition rate of Kombeetzleyung for example, at least 1.5 kHz, preferably Minim ⁇ least 2 kHz, and are (independently thereof) is about a maximum of 15 kHz, preferably at most 10 kHz.
  • the positive / negative ratio is preferably approximately equal, so the metal core is connected in each case for substantially the same period of time as the anode and cathode.
  • the total duration of treatment may, for example, be at least 4 minutes, preferably at least 6 minutes, and (independently thereof), for example at most 15 minutes, preferably at most 10 minutes.
  • Fig. 1 shows an inventive LED module in a schematic section
  • Fig. 2 illustrates another LED module in a schematic section in another mounting situation.
  • Fig. 1 shows an inventive LED module, namely ei ⁇ ne LED 1 on a substrate body having a wiring pattern 2.
  • a discussion of this recessed structure the manufacture of the Substratkör- pers 1 will first be exemplified.
  • the substrate body is a coated metal core 4, which is thus coated with a ceramic material 5.
  • the metal core 4 is a plate of Al 6082 and the ceramic material is alumina.
  • the metal core 4 is placed in an electrolyte, namely an aqueous solution with 1.8 g / 1 KOH and 1.0 g / 1 aluminum particles ⁇ (size L 100 nm).
  • an electrolyte namely an aqueous solution with 1.8 g / 1 KOH and 1.0 g / 1 aluminum particles ⁇ (size L 100 nm).
  • a first connected to an external voltage source electrode is disposed, and the core metal 4 is connected to the ⁇ same voltage source.
  • an alternating voltage is then applied to the two electrodes whose maximum value is 700 V and whose minimum value is lowered in the course of 0 V to -350 V.
  • the repetition rate is 2.5 kHz, with the positive / negative ratio being equally distributed in each cycle.
  • FIG. 1 shows a LED module with a correspondingly produced substrate body 1 in a schematic section.
  • the metal core 4 and the ceramic layer 5a arranged thereon on the front side, the backside ceramic layer 5b and the ceramic lining 5c of the through-hole in the metal core 4 can be seen.
  • conductor lines 2a are arranged on the rear side ceramic layer 5b back conductor lines 2b.
  • the front and rear conductor tracks 2a, b are electrically conductively connected to each other via the through-hole 2c passing through the through-hole.
  • the schematic representation shows two series-connected LEDs 1.
  • more LEDs 1 cansver ⁇ course also clearly connected in series, and the wiring may be generally more complex, the front-side printed conductors 2a can therefore also have a complex ⁇ re structure.
  • the substrate body 1 facing away from surfaces of the back conductor tracks 2b are at least partially designed as soldered contact surfaces 8.
  • the con tact surfaces ⁇ 8 are connected by solder layers 9 having connections 10 of a lighting device, in this case of a downlight-Mod ls.
  • the remaining components of this lighting device such as the housing, a diffuser or a reflector or the driver / control electronics are not shown for clarity.
  • the thermal conductivity of the ceramic layers 5a, b is comparatively high and the layers 5a, b are comparatively thin with a thickness of 2 ⁇ m.
  • the heat can therefore be dissipated well via the front-side ceramic layer 5 a into the metal core 4 and from this via the rear-side ceramic layer 5 b and a thermal paste 11 to a rear-side heat sink 12.
  • the heat sink 12 made of aluminum on the one hand represents a heat capacity and on the other hand has at its rear, the substrate body 1 opposite end of the cooling fins 13, which improves the Wäremabschreib by convection.
  • the above-mentioned thickness of the ceramic layers 5a, b is taken in a thickness direction 14.
  • the metal core has a thickness of 800 ⁇ m and thus an extension that is many times smaller than perpendicular to it, in the lateral directions perpendicular to the thickness direction 14.
  • the substrate body 1 is provided overall as a square plate with an edge length of 30 mm.
  • Figure 2 shows a further inventive LED module, which in its construction apart from an additional rear-side circuit path 20 to the LED module speaks ent ⁇ according to FIG. 1
  • the same reference numerals designate parts with the same function, and reference is made to the above de ⁇ detailed description to Figure 1.
  • the LED module is in fact in turn is mounted as an SMD component on a carrier plate.
  • the carrier plate is in this case shown karfa ⁇ accordingly from a front insulation ⁇ layer 21 having a rear side thereof arranged metal layer 22 is provided.
  • a further layer structure may be provided on the back side of the metal layer 22.
  • the front side of the insulation ⁇ layer 21 of interest namely, on the conductive tracks 23a, b are provided (which is why another layer structure of clarity is not shown for simplicity).
  • the conductor tracks 23a serve for the electrical contacting of the LED module and are connected thereto by solder layers 9, that is to say with the rear conductor tracks 2b. Furthermore, the additionally provided in this LED module back conductor 20 is connected via a solder layer 24 to the support plate, with the other conductor 23 b. This is not the clocking of electrical contact of the LED module, but provides a mecanicflä ⁇ CHIGE thermal connection forth.
  • solder layers 9, 24 are produced simultaneously, namely in a reflow process. This in turn before with SMD components (the LEDs 1 and possibly a Control / driver electronics) populated LED module is then also handled as an SMD component and mounted on the carrier plate.
  • SMD components the LEDs 1 and possibly a Control / driver electronics

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul mit einem Substratkörper und einer LED (1) darauf, wobei der Substratkörper aus einem Kern aus einem Metallmaterial aufgebaut ist, der vorderseitig und rückseitig jeweils zumindest bereichsweise mit einer Schicht aus einem Keramikmaterial (5) versehen ist, und wobei ein auf der vorderseitigen Keramikschicht (5a) vorgesehener vorderseitiger Leiterzug (2a) mit einem auf der rückseitigen Keramikschicht (5b) vorgesehenen rückseitigen Leiterzug (2b) über einen ein Durchgangsloch in dem Metallkern (4) durchsetzenden Durchkontakt (2c) elektrisch leitend verbunden ist, wobei dieses Durchgangsloch auch mit dem Keramikmaterial (5) ausgekleidet und der Durchkontakt (2c) so von dem Metallkern (4) elektrisch isoliert ist.

Description

Beschreibung
LED-Modul mit Substratkörper
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul mit ei¬ nem Substratkörper und einer LED darauf.
Stand der Technik
Gegenwärtig entwickelte optoelektronische Lichtquellen können sich gegenüber konventionellen Glüh- oder auch Leuchtstofflampen beispielsweise durch eine verbesserte Energieeffizienz auszeichnen. In der vorliegenden Offenbarung bezieht sich „LED-Modul" auf eine optoelektronische Baugruppe, wobei „LED" im Allgemeinen sowohl eine anorganische als auch eine organische Leucht¬ diode meinen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes LED-Modul anzuge¬ ben .
Darstellung der Erfindung Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe ein LED-Modul mit ei¬ nem Substratkörper, einer auf dem Substratkörper angeordneten LED und einer Leiterbahnstruktur aus einem metallisch-leitfähigen Material, die mit der LED elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Substratkörper ein be- schichteter Kern aus einem Metallmaterial ist, der an ei¬ ner der LED zugewandten Vorderseite und auch an einer dieser Vorderseite entgegengesetzten Rückseite jeweils zumindest bereichsweise mit einer Schicht aus einem Keramikmaterial versehen ist, und wobei die Leiterbahn- struktur einen Leiterzug auf der vorderseitigen Keramikschicht, einen Leiterzug auf der rückseitigen Keramikschicht und einen Durchkontakt aufweist, der die beiden Leiterzüge elektrisch leitend miteinander verbindet, welcher Durchkontakt ein Durchgangsloch in dem Me- tallkern durchsetzt, das solchermaßen mit dem Keramikmaterial ausgekleidet ist, dass der Durchkontakt von dem Metallkern elektrisch isoliert ist.
Es wird also ein beidseits mit einer Schicht Keramikmaterial versehener Metallkern als Substratkörper vorgesehen; die Keramikschichten isolieren einen jeweilig darauf angeordneten Leiterzug elektrisch zu dem Metallkern hin. Ferner ist auch der die beidseits vorgesehenen Leiterzüge elektrisch leitend miteinander verbindende Durchkontakt mit dem Keramikmaterial zu dem Metallkern hin elektrisch isoliert. Das Keramikmaterial kann also gewissermaßen eine Art Hülse um den Durchkontakt sein, deren Außenwand an den Metallkern grenzt (an die das Durchgangsloch begrenzende Innenmantelfläche davon) und an deren Innenwand der Durchkontakt grenzt. Die Leiter- bahnstruktur, also die Leiterzüge und der Durchkontakt, ist also auf dem Keramikmaterial bzw. an dieses grenzend vorgesehen .
Im Gegensatz zu einem einfachen Keramikkörper-Substrat weist der Substratkörper vorliegend jedoch zusätzlich den Metallkern auf. Ein Vorteil hiervon betrifft den thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) des resultierenden Substratkörpers. Der CTE eines Metalls liegt nämlich üblicherweise eine Grö¬ ßenordnung über dem CTE einer Keramik, und der Erfinder hat in diesem Zusammenhang insbesondere bei der Montage eines Keramik-Substratkörpers (ohne Metallkern) Probleme beobachtet. Vorzugsweise wird der Substratkörper nämlich auf einen Kühlkörper aus Metall gesetzt, also mit seiner Rückseite dem Kühlkörper zugewandt. Zwischen einem Kera- mik-Substratkörper und einem Metall-Kühlkörper ist der Unterschied im CTE nun aber so groß, dass sich bei einer Temperaturwechselbelastung, die beispielsweise durch das Ein- und Ausschalten bedingt sein kann, beispielsweise der Substratkörper mit der Temperaturänderung verwölben kann bzw. an den Grenzflächen erhebliche Kräfte auftre¬ ten. Nach einer Vielzahl Temperaturzyklen können dann beispielsweise der Montage der LED dienende Lötstellen versagen, kann es also schlimmstenfalls zum Ausfall des LED-Moduls kommen. Indem nun der CTE des Substratkörpers durch den Metall¬ kern ein Stück weit dem CTE des Metall-Kühlkörpers ange¬ nähert wird, lässt sich beispielsweise eine solche Verwölbung bzw. eine in die Verbindungsstelle zwischen LED und Substratkörper mit jedem Temperaturzyklus einge- brachte Verformungsenergie zumindest verringern. Da bei¬ spielsweise besagte Verformungsenergie, aber auch Grenz¬ flächenkräfte, üblicherweise mit der (in Seitenrichtungen genommenen) Größe des Substratkörpers zunehmen, bedeutet dies andererseits, dass mit dem erfindungsgemäßen Aufbau ein entsprechend größerer Substratkörper realisiert werden kann.
In bevorzugter Ausgestaltung hat ein erfindungsgemäßes LED-Modul in einer Seitenrichtung eine Seitenerstreckung von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 3 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm, 25 mm bzw. 28 mm; mögliche Obergrenzen können davon unabhängig beispielsweise bei höchstens 50 mm, 40 mm bzw. 35 mm liegen. Besonders be¬ vorzugt hat das LED-Modul auch in einer zu dieser Seiten¬ richtung senkrechten Seitenrichtung eine Seitenerstre- ckung innerhalb entsprechender Grenzen. Bevorzugt ist ein rechteckiges LED-Modul, besonders bevorzugt ein quadrati¬ sches .
Es lassen sich dann also auch vergleichsweise großflächige und dennoch integrale Lichtquellen herstellen. Auf dem Substratkörper werden also vorzugsweise eine Mehrzahl LEDs vorgesehen, etwa mindestens zwei, vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn bzw. zwanzig LEDs, und es kommt insoweit ein weiterer Vorteil des er¬ findungsgemäßen Substratkörpers zum Tragen. Aufgrund des Durchkontakts steht nämlich nicht nur eine Verdrahtungs¬ ebene vorderseitig zur Verfügung, sondern es kann auch die Rückseite genutzt werden, was beispielsweise eine er¬ höhte Verdrahtungskomplexität ermöglichen kann. Der er¬ findungsgemäße Aufbau erlaubt also einerseits einen ver- größerten Substratkörper und dementsprechend mehr LEDs und trägt andererseits auch der damit erhöhten Komplexi¬ tät Rechnung.
Mögliche Obergrenzen für die Anzahl der LEDs können beispielsweise bei maximal 500, 400, 300, 200, 150 bzw. 100 LEDs liegen.
Generell sind „ein"/"eine" als unbestimmte Artikel zu le¬ sen, können also eben beispielsweise eine Mehrzahl LEDs vorgesehen sein (und ist dies bevorzugt) . Ferner können z.B. auch eine Mehrzahl Durchkontakte vorgesehen sein, etwa mindestens zwei, vier, sechs, acht bzw. zehn Durchkontakte; es können beispielsweise auch mindestens zwei Durchkontakte je LED vorgesehen werden. Vorzugsweise sind vorder- und rückseitig jeweils auch eine Mehrzahl Leiterzüge vorgesehen. Das „metallisch-leitfähige" Material der Leiterbahnstruk¬ tur ist vorzugsweise ein Metall, was auch Metalllegierun¬ gen umfassen soll. Vorzugsweise weist ein Leiterzug eine Schicht eines Kupfermaterials auf, welches jedenfalls zum größeren Teil Kupfer aufweist, besonders bevorzugt im Rahmen technisch üblicher Reinheitsgrade ausschließlich aus Kupfer besteht. Die Dicke dieser Schicht kann bei¬ spielsweise mindestens 15 ym, in dieser Reihenfolge zu¬ nehmend bevorzugt mindestens 25 ym, 35 ym bzw. 40 ym be¬ tragen; mögliche Obergrenzen liegen (davon unabhängig) beispielsweise bei 160 ym, 140 ym bzw. 120 ym.
Auf die Kupferschicht kann eine weitere Schicht bzw. ein Schichtsystem aufgebracht sein, etwa eine Schichtfolge aus Nickel, Palladium und Gold mit einer Gesamtdicke von einigen Mikrometern, etwa mindestens 2 ym, vorzugsweise mindestens 3 ym, und (davon unabhängig) höchstens 8 ym, vorzugsweise höchstens 6 ym.
Vorzugsweise ist für die Leiterzüge, also jedenfalls eine jeweilige Schicht davon mit dem volumenmäßig größten An¬ teil, und den Durchkontakt dasselbe Metallmaterial vorge- sehen, eben besonders bevorzugt ein Kupfermaterial.
Die Leiterzüge können beispielsweise durch Sputtern, Auf¬ dampfen, Aufsprühen, Aufschmelzen oder Flammspritzen aufgebracht werden; vorzugsweise werden die Leiterzüge in einem Bad abgeschieden, stromlos und/oder elektrogalva- nisch .
Wie nachstehend weiter im Detail deutlich wird, grenzt die „auf" dem Substratkörper angeordnete LED nicht not¬ wendigerweise direkt an diesen, sondern sind vorzugsweise eine Verbindungsschicht und weiter bevorzugt der Leiter¬ zug dazwischen angeordnet. Die LED wird also besonders bevorzugt über eine solche Verbindungsschicht, etwa eine Fügeverbindungs- bzw. Diffusionslotschicht, auf dem vor¬ derseitigen Leiterzug montiert sein; im Allgemeinen könnte die LED indes beispielsweise auch auf dem Substratkör¬ per selbst über eine Fügeverbindungsschicht montiert sein, etwa über eine KlebstoffSchicht . Die Angaben „Vorderseite" und „Rückseite" schaffen ein Bezugssystem innerhalb des LED-Moduls. Die LED ist also mit ihrer Rückseite der Vorderseite des Substratkörpers zugewandt auf diesem vorgesehen und in der Regel dazu ausgelegt, an einer ihrer LED-Rückseite entgegengesetz- ten, vorderseitigen Lichtabstrahlfläche Licht abzugeben, und zwar (in diesem Bezugssystem) schwerpunktmäßig nach vorne. Wie bereits erwähnt, kann dann rückseitig des Sub¬ stratkörpers ein Kühlkörper angeordnet sein, womit Vor¬ teile des erfindungsgemäßen Aufbaus im Besonderen zu tra- gen kommen können.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, wobei in der Darstellung auch weiterhin nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Metallkern ein fla- eher Körper, hat er also in einer Dickenrichtung eine Dickenerstreckung, die höchstens 1/5, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 1/10, 1/15 bzw. 1/20, sei¬ ner in einer zur Dickenrichtung senkrechten Seitenrichtung genommenen Seitenerstreckung trägt. Besonders bevor- zugt gilt dies für sämtliche zur Dickenrichtung senkrechten Seitenrichtungen, hat der Metallkern also die Form einer Platte (die von üblicherweise einer Vielzahl Durchgangslöchern durchsetzt ist) .
Der Metallkern kann beispielsweise eine in Dickenrichtung genommene Dicke von mindestens 100 ym, in dieser Reihen¬ folge zunehmend bevorzugt mindestens 200 ym, 300 ym, 400 ym bzw. 500 ym haben; von diesen Untergrenzen unabhängige Obergrenzen können beispielsweise bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 5 mm, 4 mm, 3 mm, 2 mm bzw. 1 mm liegen.
Vorzugsweise wird der Substratkörper insgesamt als ent¬ sprechend flacher Körper vorgesehen sein, und es sollen die vorstehend für den Metallkern offenbarten Werte ausdrücklich auch bezüglich des Substratkörpers offenbart sein. Vorzugsweise erstrecken sich die vorderseitige und die rückseitige Substratkörperoberfläche, also die Außen¬ oberflächen der Keramikschichten, parallel zueinander und zu den vorder- und rückseitigen (beschichteten) Metallkernoberflächen. Generell wird die in diesem Fall zu vor- derseitiger/rückseitiger Substratkörperoberfläche senk- rechte „Dickenrichtung" vorzugsweise parallel zu einem Schwerpunktstrahl der LED liegen, welcher hinsichtlich Fußpunkt und Richtung als Mittelwert der Strahlen des von der LED an der Lichtabstrahlfläche emittierten Strahlen- bündels gebildet werden kann; bei bevorzugten Ausführungsformen liegt der Schwerpunktstrahl senkrecht zur Lichtabstrahlfläche und mit seinem Fußpunkt im Mittel¬ punkt davon, etwa im Falle einer Lambertschen Abstrahlcharakteristik. Vorzugsweise ist das Keramikmaterial der Schichten und der Auskleidung durchgehend ohne Materialgrenze dazwi¬ schen vorgesehen, also ohne Grenze an ein anderes (Kera¬ mik) material oder ein Keramikmaterial anderer Herstel¬ lungsgeschichte. Das Keramikmaterial ist also vorzugswei- se in einem Schritt aufgebracht.
In bevorzugter Ausgestaltung weist das Metallmaterial des Metallkerns Aluminium als Bestandteil auf, vorzugsweise als überwiegenden Bestandteil. Aluminium kann einerseits aufgrund einer guten Verarbeitbarkeit vorteilhaft sein, das Durchgangsloch (für den Durchkontakt) kann beispiels¬ weise durch Stanzen eingebracht werden; andererseits kann Aluminium insbesondere auch hinsichtlich des nachstehend beschriebenen, bevorzugten Keramikmaterials und dessen Aufbringung von Interesse sein. Das Metallmaterial kann beispielsweise einen Längenaus¬ dehnungskoeffizienten (bei 20 °C) von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 10-10-6 K-1, 12-10-6 K-1 14.10-6 K-1 16·10-6 Κ_1, 18·10-6 Κ_1, 20·10-6 Κ_1 beziehungsweise 22 ·10"6 K"1 haben; von den Untergrenzen unab- hängige Obergrenzen können beispielsweise bei höchstens 32.10-6 K , 30.10-6 K , 28.10-6 K , 26.10-6 K-1 beziehungsweise 24-10-6K_1 liegen.
Vorzugsweise ist das Metallmaterial eine Aluminiumlegie¬ rung, wobei der Aluminium-Anteil in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 70 Gew.-%, 75 Gew.-%, 80 Gew.-% bzw. 82 Gew.-% beträgt und (davon unabhängig) nicht mehr als in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt 95 Gew.-%, 90 Gew.-% bzw. 88 Gew.-%. Der Rest kann beispielsweise Silizium, Magnesium, Mangan und/oder Eisen sein, in geringeren Mengen etwa auch Kupfer, Chrom, Zink und/oder Titan. Ein Beispiel ist AI 6082.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Metallmaterial ein Metall (im Sinne eines chemischen Elements) als Bestandteil auf und ist das Keramikmaterial aus einer Oxidverbindung dieses Metalls vorgesehen, im Allgemeinen nicht zwingend, jedoch vorzugsweise ausschließlich aus dieser Oxidverbindung. Besonders bevorzugt ist also ein Aluminium aufweisender Metallkern, an dem
Keramikschichten und eine Auskleidung des Durchgangslochs aus Aluminiumoxid vorgesehen sind; besonders bevorzugt ist der Aluminiumkern vollständig mit Aluminiumoxid um¬ mantelt .
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Keramikmaterial durch teilweise elektrolytische Oxidation des Metalls des Metallkerns aufgebracht, vorzugsweise des Aluminiums; „teilweise" meint insoweit, dass eben nicht das gesamte entsprechende Metall oxidiert ist, sondern nur ein an der Oberfläche angeordneter Teil davon. Die nachstehend im Detail beschriebene Oxidation betrifft also nur die Ober- fläche bzw. einen oberflächennahen Bereich des Metallkerns, also nicht dessen Volumenmaterial im Inneren.
Das Keramikmaterial hat in bevorzugter Ausgestaltung eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 5 W/mK, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 7 W/mK, 9 W/mK, 11 W/mK, 12 W/mK bzw. 13 W/mK; mögliche Obergrenzen können davon unabhängig beispielsweise bei höchstens 20 W/mK, 18 W/mK, 16 W/mK bzw. 15 W/mK liegen. Das Keramikmaterial hat also beispielsweise im Vergleich zu einer Beschichtung auf organischer Basis eine deutlich höhere thermische Leitfähigkeit, sodass die von der LED als Verlustleistung abgegebene Wärme gut über den Sub¬ stratkörper zu dem bevorzugt rückseitig angeordneten Kühlkörper transportiert werden kann. Die Durchschlagsfestigkeit des Keramikmaterials liegt vorzugsweise bei mindestens 40 kV/mm, in dieser Reihen¬ folge zunehmend bevorzugt mindestens 60 kV/mm, 70 kV/mm bzw. 80 KV/mm; mögliche Obergrenzen liegen (davon unabhängig) etwa bei 140 kV/mm, 130 kV/mm, 120 kV/mm, 110 kV/mm bzw. 100 kV/mm.
Entsprechende Materialeigenschaften lassen sich beispielsweise mit dem durch elektrolytische Oxidation auf¬ gebrachten Keramikmaterial erreichen, insbesondere mit Aluminiumoxid . In bevorzugter Ausgestaltung hat zumindest eine der Keramikschichten eine Dicke von mindestens 50 nm, in die¬ ser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 250 nm, 500 nm, 750 nm, 1000 nm, 1250 nm, 1500 nm, 1750 nm bzw. 2000 nm; mögliche Obergrenzen liegen (davon unabhängig) beispielsweise bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevor¬ zugt höchstens 100 ym, 80 ym, 60 ym, 40 ym, 20 ym, 15 ym, 10 ym bzw. 5 ym. Die „Dicke" wird jeweils entlang einer Normalen auf die jeweilige Oberfläche des Metallkerns ge- nommen, an welcher die jeweilige Keramikschicht vorgese¬ hen ist; im Falle einer Keramikschicht mit unterschiedli¬ chen Dicken bezieht sich „Dicke" auf einen über die Schicht gebildeten Mittelwert der Dicken. Im Falle der vorstehend beschriebenen, plattenförmigen Geometrie wird auch die Dicke der Keramikschichten in besagter Dickenrichtung genommen.
Eine bevorzugte Ausführungsform betrifft einen vordersei¬ tigen Leiterzug, dessen vorderseitige, dem Substratkörper entgegengesetzte Oberfläche in einem Bereich als An- schlussfläche vorgesehen und flächig mit der LED verbunden ist. Die „flächige" Verbindung kann beispielsweise eine Fläche von mindestens 0,01 mm2, 0,05 mm2, 0,1 mm2, 0,15 mm2 bzw. 0,2 mm2 haben; mögliche Obergrenzen können (davon unabhängig) etwa bei 1 mm2 bzw. 0,5 mm2 liegen. Wie bereits eingangs erwähnt, kann die flächige Verbin¬ dung beispielsweise eine Diffusionslot- bzw. Fügeverbin¬ dung sein, kann also zwischen der LED (einer entsprechend flächigen Kontaktstelle davon) und der Anschlussfläche beispielsweise eine Fügeverbindungsschicht angeordnet sein, etwa eine Lot- oder KlebstoffSchicht .
In bevorzugter Ausgestaltung können eine Vielzahl LEDs auf dem Substratkörper montiert und dazu jeweils mit ei¬ ner oder auch mehreren jeweiligen Anschlussflächen entsprechend flächig verbunden sein. Vorzugsweise werden die Vielzahl LEDs in einem sogenannten Reflow-Prozess mit den jeweiligen Anschlussflächen flächig verbunden, etwa in einem Ofen bei erhöhter Temperatur gleichzeitig lötverbunden. Die Vielzahl LEDs sind vorzugsweise aus¬ schließlich über flächige Verbindungen mit Anschlussflä- chen der vorderseitigen Leiterzugstruktur elektrisch betreibar angeschlossen, sodass also beispielsweise auf Bonddrähte oder andere zusätzliche Kontaktmittel verzich¬ tet werden kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform betrifft den rückseitigen Leiterzug, dessen rückseitige, dem Substrat¬ körper abgewandte Oberfläche vorzugsweise als freie, zum flächig Verbinden des LED-Moduls auf makroskopischer Ebene ausgelegte Kontaktfläche vorgesehen ist. Diese Kon¬ taktfläche ist vorzugsweise eben; ihr Flächeninhalt kann beispielsweise bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevor¬ zugt mindestens 0,1 mm2, 0,5 mm2, 0,75 mm2 bzw. 1 mm2 liegen; mögliche Obergrenzen liegen (davon unabhängig) etwa bei 100 mm2, 50 mm2, 25 mm2, 10 mm2 bzw. 5 mm2.
Auf diese Ausführungsform richtet sich auch eine bevor- zugte Verwendung, welche die Montage des LED-Moduls an einer Beleuchtungsvorrichtung betrifft; dabei wird die Kontaktfläche (des rückseitigen Leiterzugs) flächig mit einer Anschlussfläche der Beleuchtungsvorrichtung verbunden, vorzugsweise über eine Diffusionslot- bzw. Fügever- bindungsschicht . Die Anschlussfläche kann beispielsweise die Oberfläche einer Leiterbahn sein, etwa einer Leiterbahn auf einer Trägerplatte. Besonders bevorzugt erfolgt das Verbinden in einem Reflow-Prozess (siehe die vorste¬ hende Offenbarung) ; besonders bevorzugt sind zwei Reflow- Prozesse, nämlich einer zur Montage der LEDs und ein wei¬ terer später zur Montage des LED-Moduls.
„Beleuchtungsvorrichtung" ist in diesem Zusammenhang nicht zwingend auf eine für sich bereits vollständige, durch einen Verbraucher unmittelbar nutzbare Leuchte (beziehungsweise ein in eine solche einsetzbares Leuchtmit¬ tel) zu lesen, sondern zunächst auf eine dem LED-Modul übergeordnete Integrationsstufe, die zumindest einen Be¬ standteil einer Leuchte / eines Leuchtmittels bildet. Die Beleuchtungsvorrichtung kann also beispielsweise eine Trägerplatte sein, auf der dann ein LED-Modul, vorzugs¬ weise mehrere LED-Module, angeordnet ist/sind. Die Trä¬ gerplatte kann dann ihrerseits als Bestandteil einer Leuchte verbaut sein, also beispielsweise mit Anschluss- elementen verbunden in ein Gehäuse integriert sein.
Wenngleich vorliegend vorrangig von der Montage der LEDs die Rede ist, kann selbstverständlich auch eine Treiberund/oder Steuerelektronik mit diesen zusammen auf dem Substratkörper angeordnet sein, vorzugsweise auch über jeweilige flächige Verbindungen mit entsprechenden Lei¬ terzügen verbunden. Vorzugsweise ist ein solches bzw. sind solche zusätzlichen Bauteile mit den LEDs auf der¬ selben Seite vorgesehen, also vorderseitig; so bleibt die Rückseite für den bevorzugten Kühlkörper frei. Eine „Steuerelektronik" kann beispielsweise auch thermische Sensoren, optische Sensoren und/oder Speicherelemente aufweisen, die als einzelne Bauteile oder auch inte¬ griert vorgesehen sein können. „Treiberelektronik" kann beispielsweise einen einzelnen Leistungstransistor oder auch eine vollständige Treiberschaltung meinen. Generell kann ein entsprechendes zusätzliches Bauteil beispielsweise direkt als Chip auf dem Substratkörper montiert oder zuvor für sich gehaust worden sein, vorzugsweise als SMD-Bauteil (Surface Mounted Device) . Dies gilt im Übrigen auch für die „LED", was also sowohl einen zuvor bereits für sich gehäusten LED-Chip, vorzugsweise ein SMD-Bauteil, als auch einen ungehäusten LED-Chip meinen kann. Letzterer wird dann beispielsweise erst auf dem Substratkörper mit den übrigen LED-Chips gemeinsam gehaust, also etwa mit einem durchgehenden Verfüllmaterial ummantelt, etwa einem Vergussmaterial, wie beispielsweise Silikon.
Wie bereits mehrfach erwähnt, ist bei einem bevorzugten LED-Modul rückseitig ein Kühlkörper vorgesehen, auf wel- ehern der Substratkörper angeordnet ist. Eine vorstehend genannte Kontaktfläche (des rückseitigen Leiterzugs) kann etwa in einem Randbereich angeordnet und der Kühlkörper mittig vorgesehen sein (bezogen auf die Seitenrichtungen) . Zwischen dem Substratkörper bzw. dem rückseitigen Leiterzug darauf und dem Kühlkörper kann beispielsweise ein elektrisch isolierendes, vorzugsweise gut wärmelei¬ tendes Material vorgesehen sein, etwa auf organischer Basis, zum Beispiel eine Wärmeleitpaste.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines LED-Moduls. Dabei wird das Keramikmaterial in einem Elektrolyten aufgebracht, nämlich durch teilweise elekt¬ rolytische Oxidation eines Metalls des Metallkerns.
Der Elektrolyt ist vorzugsweise eine wässrige alkalische Lösung, beispielsweise Natronlauge oder Kaliumhydroxid; bevorzugt ist ein Elektrolyt mit einem pH-Wert von min- destens 9. Die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten soll vorzugsweise mindestens 1 mS/cm, in dieser Reihen¬ folge zunehmend bevorzugt mindestens 2 mS/cm, 3 mS/cm, 4 mS/cm bzw. 5 mS/cm betragen. In bevorzugter Ausgestaltung wird das Keramikmaterial vorder- und rückseitig sowie in dem Durchgangsloch gleichzeitig aufgebracht, erfolgt die Beschichtung also in einem einzigen Prozessschritt, was etwa hinsichtlich des Durchsatzes in einer Massenfertigung vorteilhaft sein kann. Es sind also jedenfalls die dann (im Falle des fer¬ tigen LED-Moduls) mit dem Keramikmaterial bedeckten Ober¬ flächenbereiche in den Elektrolyten getaucht, vorzugswei¬ se wird der Metallkern vollständig eingetaucht.
In bevorzugter Ausgestaltung wird in dem Elektrolyten ei- ne erste Elektrode vorgesehen und dient der Metallkern als zweite Elektrode, ist er also elektrisch leitend kon¬ taktiert und mit einer Spannungs- bzw. Stromquelle ver¬ bunden. Über diese beiden Elektroden wird dann ein Wechselstrom durch den Elektrolyten geleitet, um das Metall zu oxidieren. Unter einer Wechselspannung wird der Metallkern also alternierend als Kathode und Anode geschal¬ tet, wobei die erste Elektrode jeweilig den Gegenpol dazu bildet .
Die an die Elektroden zum Einprägen des Stroms angelegte Spannung kann zwischen einem positiven Maximalwert und einem negativen Minimalwert variiert werden; der Maximal¬ wert kann zum Beispiel mindestens 500 V, vorzugsweise mindestens 600 V, weiter bevorzugt mindestens 650 V, be¬ tragen, wobei mögliche Obergrenzen etwa bei höchstens 900 V, vorzugsweise höchstens 800 V, weiter bevorzugt höchs- tens 750 V, liegen können. Der Minimalwert kann bei¬ spielsweise bei höchstens -100 V, vorzugsweise höchstens -200 V, weiter bevorzugt höchstens -300 V, liegen, wobei mögliche Untergrenzen etwa bei mindestens -600 V, vor- zugsweise mindestens -500 V, weiter bevorzugt mindestens -400 V, liegen können. Der Minimalwert kann während der Beschichtung auch zunehmend abgesenkt werden, etwa von anfangs 0 V zu einem Wert innerhalb der eben genannten Intervalle . Die Wiederholrate der Wechselbeaufschlagung kann beispielsweise bei mindestens 1,5 kHz, vorzugsweise mindes¬ tens 2 kHz, liegen und (davon unabhängig) etwa bei höchstens 15 kHz, vorzugsweise höchstens 10 kHz. Das Positiv- /Negativ-Verhältnis ist dabei vorzugsweise annähernd gleich, der Metallkern ist also für im Wesentlichen dieselbe Zeitdauer jeweils als Anode und Kathode geschaltet. Die Gesamtbehandlungsdauer kann beispielsweise bei mindestens 4 Minuten, vorzugsweise mindestens 6 Minuten, und (davon unabhängig) beispielsweise bei höchstens 15 Minu- ten, vorzugsweise höchstens 10 Minuten, liegen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs¬ beispielen näher erläutert, wobei auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den verschiedenen Anspruchskategorien unterschieden wird und die dargestellten Merkmale im Geltungsbereich der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes LED-Modul in einem schematischen Schnitt; Fig. 2 illustriert ein weiteres LED-Modul in einem schematischen Schnitt in einer anderen Montagesituation .
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes LED-Modul, nämlich ei¬ ne LED 1 auf einem Substratkörper mit einer Leiterbahnstruktur 2. Vor einer vertieften Diskussion dieses Aufbaus wird nun zunächst die Herstellung des Substratkör- pers 1 exemplarisch dargestellt.
Der Substratkörper ist ein beschichteter Metallkern 4, der also mit einem Keramikmaterial 5 beschichtet ist. Bei dem Metallkern 4 handelt es sich um eine Platte aus AI 6082 und bei dem Keramikmaterial um Aluminiumoxid. Um diese Keramikbeschichtung aufzubringen, wird der Metallkern 4 in einen Elektrolyten gegeben, nämlich eine wässrige Lösung mit 1,8 g/1 KOH und 1,0 g/1 Aluminiumpar¬ tikeln (Größe L 100 nm) . In dem Elektrolyten ist eine erste, mit einer externen Spannungsquelle verbundene Elektrode angeordnet, und der Metallkern 4 ist mit der¬ selben Spannungsquelle verbunden.
Um das Keramikmaterial 5 aufzuwachsen, wird dann an die beiden Elektroden eine Wechselspannung angelegt, deren Maximalwert bei 700 V liegt und deren Minimalwert im Ver- lauf von 0 V auf -350 V abgesenkt wird. Die Wiederholrate beträgt 2,5 kHz, wobei das Positiv-/Negativ-Verhältnis in jedem Zyklus gleich verteilt ist. Nach einer Behandlungsdauer von etwa 8 Minuten kann so eine Keramikschicht mit einer Dicke von etwa 20 ym aufge¬ bracht werden.
Fig. 1 zeigt ein LED-Modul mit einem entsprechend herge- stellten Substratkörper 1 in einem schematischen Schnitt. Es sind also der Metallkern 4 und die darauf vorderseitig angeordnete Keramikschicht 5a, die rückseitige Keramikschicht 5b sowie die Keramikauskleidung 5c des Durchgangslochs im Metallkern 4 zu erkennen.
Auf der vorderseitigen Keramikschicht 5a sind vordersei¬ tige Leiterzüge 2a angeordnet und auf der rückseitigen Keramikschicht 5b rückseitige Leiterzüge 2b. Die vorder- und rückseitigen Leiterzüge 2a, b sind über den das Durchgangsloch durchsetzenden Durchkontakt 2c elektrisch leitend miteinander verbunden.
Vorderseitige, dem Substratkörper 1 abgewandte Oberflä¬ chenbereiche der vorderseitigen Leiterzüge 2a sind als Anschlussflächen 6 ausgebildet. In diesen Anschlussflä¬ chen 6 sind die vorderseitigen Leiterzüge 2a über jewei- lige Lotschichten 7 mit den LEDs 1 verbunden. Bei den LEDs 1 handelt es sich um sogenannte SMD-Bauteile, und die Lötverbindungen sind in einem Reflow-Prozess herge¬ stellt.
Die schematische Darstellung zeigt vereinfacht zwei in Serie geschaltete LEDs 1. In der Praxis können selbstver¬ ständlich auch deutlich mehr LEDs 1 in Serie geschaltet und kann die Verdrahtung generell komplexer sein, können die vorderseitigen Leiterzüge 2a also auch eine komplexe¬ re Struktur haben. Auch dem Substratkörper 1 abgewandte Oberflächen der rückseitigen Leiterzüge 2b sind zumindest bereichsweise als lötverbundene Kontaktflächen 8 ausgelegt. Die Kon¬ taktflächen 8 sind über Lotschichten 9 mit Anschlüssen 10 einer Beleuchtungsvorrichtung verbunden, in diesem Fall eines Downlight-Mod ls . Die übrigen Bestandteile dieser Beleuchtungsvorrichtung, also etwa das Gehäuse, eine Streuscheibe bzw. ein Reflektor oder auch die Treiber- /Steuerelektronik sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Im Betrieb der LEDs 1 fällt Verlustleistung in Form von Wärme ab. Die Wärmeleitfähigkeit der Keramikschichten 5a, b ist vergleichsweise hoch und die Schichten 5a, b sind mit einer Dicke von 2 μm vergleichsweise dünn. Die Wärme kann also gut über die vorderseitige Keramikschicht 5a in den Metallkern 4 und von diesem über die rückseitige Keramikschicht 5b und eine Wärmeleitpaste 11 zu einem rückseitigen Kühlkörper 12 abgeführt werden. Der Kühlkörper 12 aus Aluminium stellt zum einen eine Wärmekapazität dar und weist zum anderen an seinem rückseitigen, dem Substratkörper 1 entgegengesetzten Ende Kühlrippen 13 auf, was die Wäremabfuhr durch Konvektion verbessert.
Die vorstehend genannte Dicke der Keramikschichten 5a, b wird in einer Dickenrichtung 14 genommen. In dieser Di- ckenrichtung 14 hat der Metallkern eine Dicke von 800 μm und damit eine um ein Vielfaches kleinere Erstreckung als senkrecht dazu, in den zur Dickenrichtung 14 senkrechten Seitenrichtungen. Der Substratkörper 1 ist insgesamt als quadratische Platte mit einer Kantenlänge von 30 mm vor- gesehen. Figur 2 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes LED-Modul, das in seinem Aufbau von einem zusätzlichen rückseitigen Leiterzug 20 abgesehen dem LED-Modul gemäß Figur 1 ent¬ spricht. Dieselben Bezugszeichen bezeichnen Teile mit derselben Funktion, und es wird auf die vorstehende de¬ taillierte Beschreibung zu Figur 1 verwiesen.
In Figur 2 unterscheidet sich insbesondere die Montagesi¬ tuation von jener gemäß Figur 1, das LED-Modul ist nämlich seinerseits als SMD-Bauteil auf einer Trägerplatte montiert. Die Trägerplatte ist in diesem Fall vereinfa¬ chend dargestellt aus einer vorderseitigen Isolations¬ schicht 21 mit einer rückseitig davon angeordneten Metallschicht 22 vorgesehen. In der Praxis kann rückseitig der Metallschicht 22 ein weiterer Schichtaufbau vorgese- hen sein. Vorliegend ist die Vorderseite der Isolations¬ schicht 21 von Interesse, auf der nämlich Leiterbahnen 23a, b vorgesehen sind (weswegen ein weiterer Schichtaufbau der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist) .
Die Leiterbahnen 23a dienen der elektrischen Kontaktie- rung des LED-Moduls und sind über Lotschichten 9 damit, also mit den rückseitigen Leiterzügen 2b verbunden. Ferner ist auch der bei diesem LED-Modul zusätzlich vorgesehene rückseitige Leiterzug 20 über eine Lotschicht 24 mit der Trägerplatte verbunden, und zwar mit der weiteren Leiterbahn 23b. Diese dient nicht der elektrischen Kon- taktierung des LED-Moduls, sondern stellt eine großflä¬ chige thermische Anbindung her.
Die Lotschichten 9, 24 werden gleichzeitig hergestellt, nämlich in einem Reflow-Prozess . Das seinerseits zuvor mit SMD-Bauteilen (den LEDs 1 und gegebenenfalls einer Steuer-/Treiberelektronik) bestückte LED-Modul wird also dann auch selbst als SMD-Bauteil gehandhabt und auf der Trägerplatte montiert.

Claims

Ansprüche 1. LED-Modul mit
einem Substratkörper (4,5),
einer auf dem Substratkörper (4,5) angeordneten LED (1) und
einer Leiterbahnstruktur (2) aus einem metallisch- leitfähigen Material, die mit der LED (1) elektrisch leitend verbunden ist,
wobei der Substratkörper (4,5) ein beschichteter Kern (4) aus einem Metallmaterial ist, der an einer der LED zugewandten Vorderseite und auch an einer dieser Vorderseite entgegengesetzten Rückseite je¬ weils zumindest bereichsweise mit einer Schicht (5) aus einem Keramikmaterial versehen ist,
und wobei die Leiterbahnstruktur (2) einen Leiterzug (2a) auf der vorderseitigen Keramikschicht (5a) , ei¬ nen Leiterzug (2b) auf der rückseitigen Keramikschicht (5b) und einen Durchkontakt (2c) auf¬ weist, der die beiden Leiterzüge (2a, b) elektrisch leitend miteinander verbindet,
welcher Durchkontakt (2c) ein Durchgangsloch in dem Metallkern (4) durchsetzt, das solchermaßen mit dem Keramikmaterial ausgekleidet (5c) ist, dass der Durchkontakt (2c) von dem Metallkern (4) elektrisch isoliert ist.
2. LED-Modul nach Anspruch 1, bei welchem der Metallkern (4) ein flacher Körper ist, also in einer Dickenrichtung (14) eine Dickenerstreckung hat, die höchstens 1/5 seiner Seitenerstreckung beträgt, die in einer zu der Dickenrichtung (14) senkrechten Seitenrichtung genommenen wird.
3. LED-Modul nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Vorderseite Keramikschicht (5a) , die rückseitige Keramikschicht (5c) und die Auskleidung (5c) des Durchgangslochs durchgehend ohne Materialgrenze da¬ zwischen vorgesehen sind.
4. LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Metallmaterial Aluminium als Bestandteil aufweist, vorzugsweise als überwiegenden Bestand¬ teil.
5. LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Metallmaterial ein Metall als Bestand¬ teil aufweist und das Keramikmaterial eine Oxidver¬ bindung dieses Metalls als Bestandteil aufweist.
6. LED-Modul nach Anspruch 5, bei welchem das Keramikmaterial durch teilweise elektrolytische Oxi- dation des Metalls des Metallkerns (4) aufgebracht ist .
7. LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Keramikmaterial eine thermische Leitfä¬ higkeit von mindestens 5 W/mK hat.
8. LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem zumindest eine der Keramikschichten (5a, b) eine Dicke von mindestens 1 nm und von höchstens 100 μm hat .
9. LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem ein vorderseitiger Oberflächenbereich des vorderseitigen Leiterzugs (2a) eine Anschlussfläche (6) darstellt, die mit der LED (1) flächig verbunden ist .
10. LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem ein rückseitiger Oberflächenbereich des rückseitigen Leiterzugs (2b) als freie, zum flächig Verbinden des LED-Moduls auf makroskopischer Ebene ausgelegte Kontaktfläche (8) vorgesehen ist.
1 1. LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, welches einen zu dem Substratkörper (4,5) gesonderten Kühlkörper (12) aufweist, auf dem der Substratkörper (4,5) angeordnet ist.
12. Verfahren zum Herstellen eines LED-Moduls nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem LED-Modul das Metallmaterial ein Metall als Bestandteil auf¬ weist und das Keramikmaterial eine Oxidverbindung dieses Metalls als Bestandteil aufweist, wobei das Keramikmaterial durch teilweise elektrolytische Oxi- dation des Metalls des Metallkerns (4) in einem Elektrolyten aufgebracht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die vorderseitige Keramikschicht (5a) , die rückseitige Keramikschicht (5b) und die Auskleidung (5c) des Durchgangslochs mit Keramikmaterial in demselben Elektrolyten gleichzeitig aufgebracht werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem in dem Elektrolyten eine erste Elektrode vorgesehen ist und der Metallkern (4) als eine zweite Elektrode vorgesehen ist, wobei durch die erste und die zweite Elektrode ein Wechselstrom in den Elektrolyten ge- leitet wird, um das Metall zu oxidieren.
15. Verwendung eines LED-Moduls nach Anspruch 10 zur Montage auf einer Beleuchtungsvorrichtung, wobei die Kontaktfläche (8) flächig mit einer Anschlussfläche der Beleuchtungsvorrichtung verbunden wird.
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