WO2023217580A1 - Lichtmodul für eine kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung und verfahren zur herstellung eines lichtmoduls - Google Patents

Lichtmodul für eine kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung und verfahren zur herstellung eines lichtmoduls Download PDF

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Sebastian Bartscher
Frank BRINKMEIER
Werner Kösters
Michael Lakenbrink
Thomas Wiese
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Definitions

  • the present invention relates to a light module for a motor vehicle lighting device, comprising at least one LED lamp, metallic conductor tracks for electrically contacting the LED lamp, a carrier body on which the LED lamp and the conductor tracks are arranged, and a metallic heat sink, wherein the carrier body is positively connected to the heat sink.
  • the invention further relates to methods for producing such a light module.
  • LED light-emitting diode
  • the LED lamps are arranged on a circuit board and this in turn on a metallic heat sink.
  • the connection between the LED lamps and the circuit board is usually formed by means of a solder connection and the joint gap between the circuit board and the heat sink is bridged, for example, by means of a thermal paste.
  • the electrically and thermally insulating carrier body of the printed circuit board makes a significant contribution to the heat flow resistance between the LED lamps and the heat sink.
  • This is, for example, made of a flame-retardant composite material made of epoxy resin and glass fiber fabric, typically a composite material of class FR-4.
  • IMS Insulated Metal Substrates
  • DE 10 2019 129 591 A1 discloses a light module for a motor vehicle lighting device, which has a circuit carrier film made of a thermoplastic instead of a circuit board, the circuit carrier film being positively connected to a metallic heat sink.
  • the disadvantage of this embodiment is the susceptibility of the circuit carrier film to thermal damage. Due to its small thickness, the circuit carrier film only has a low heat capacity, so that heat absorption can quickly lead to a critical increase in temperature.
  • the invention includes the technical teaching that the carrier body, which is positively connected to the heat sink and on which the at least one LED lamp and the associated conductor tracks are arranged, has an electrically insulating and thermally conductive composite material.
  • the invention is based on the idea of significantly reducing the thermal resistance of the carrier body compared to structures from the prior art by the carrier body having a functionally integrated composite material, which, in addition to the electrical insulation necessary for the operation of the LED lamps, also has a pronounced thermal conductivity. Due to such advantageous material properties, the thermal resistance between the LED lamps and the metallic heat sink can be further reduced compared to the embodiments known from the prior art, so that during operation of the light module according to the invention, particularly efficient heat dissipation of the LED lamps and other electrical elements arranged on the carrier body consumer is possible. This is also due to the positive connection of the carrier body to the heat sink, with the associated joining surface preferably having a large area and determining the heat transfer from the carrier body into the heat sink. In contrast to a light module with a circuit board from the prior art, there is no joint gap to the heat sink that interrupts the heat flow.
  • Suitable composite materials in particular have a matrix made of a plastic, preferably made of a polyamide or another semi-crystalline plastic, and metallic, ceramic and/or graphitic fillers, the fillers preferably having a globulitic shape and a homogeneous distribution in the matrix.
  • a plastic preferably made of a polyamide or another semi-crystalline plastic
  • metallic, ceramic and/or graphitic fillers the fillers preferably having a globulitic shape and a homogeneous distribution in the matrix.
  • Such composite materials are known from the publications DE 10 2015 015 276 A1 and DE 10 2017 001 013 A1.
  • the electrical and thermal properties of these composites can be “tailored” by varying the packing density of the fillers.
  • the material properties “electrically insulating” and “thermally conductive” formulated in claim 1 of the present application must be designed in such a way that appropriate values of electrical resistance and thermal conductivity are present in relation to a specific exemplary embodiment of a light module according to the invention.
  • the desired electrical and thermal properties should be isotropic, to which, for example, a globulitic shape of the fillers and a homogeneous distribution within the carrier body formed contribute.
  • the carrier body has an electrical insulation resistance of at least 10 7 Q (10 megaohms) and/or the composite material has a thermal conductivity of at least 4 W/mK, preferably at least 10 W/mK.
  • the composite material has, for example, an electrical volume resistance of at least 10 9 Qm (at 500 V test voltage, according to DIN EN 61340-2-3).
  • the carrier body has, for example, a thickness of 0.5 - 5 millimeters, preferably 1 - 3 millimeters. Such a thickness enables lateral heat spreading within the carrier body, so that in particular the undesirable formation of thermal hot spots can be suppressed. Furthermore, a sufficient thickness is required to ensure a reliable manufacturing process of the thermal body by means of injection molding.
  • the carrier body preferably forms a full-surface joining zone with the heat sink, wherein the heat sink in the joining zone has a joining surface with microscale and/or nanoscale cavities, which the composite material of the carrier body fills to form a positive connection, preferably with the formation of undercuts.
  • the lateral dimensions of the joining zone preferably correspond essentially to the lateral dimensions of the carrier body, that is, the entire cross section of the carrier body contributes to the heat transport into the heat sink.
  • the microscale and/or nanoscale cavities introduced into the joining surface ensure a further increase in the effective surface area for heat transfer.
  • the cavities can, for example, be pit-shaped or as groove-like depressions in a straight or meandering shape or have a more complex topography, and for example a combination of cavities and surface elevations can also be present.
  • the dimensions of the surface structures are preferably adapted to the formability of the specific composite material of the carrier body, for example microscale Cavities have characteristic structural dimensions of the order of magnitude
  • Nanostructuring can in particular ensure a targeted change in the surface energy and thereby influence the degree of wetting of the metal surface with the matrix material that was softened during production.
  • Cavities and geometric undercuts create a positive connection both perpendicular and parallel to the plane normal of the joining surface.
  • the undercuts can be formed, for example, by steps or bulges in a cavity.
  • the heat sink has at least one metallic heat dissipation element for the at least one LED lamp, the heat dissipation element protruding from the joining surface of the heat sink and being laterally enclosed by the carrier body, such that a direct thermal bridge is created between the LED by means of the heat dissipation element -Lamp and the heat sink is formed.
  • a heat dissipation element is preferably formed in one piece and of the same material with the heat sink and contacts the LED lamp, for example by means of a solder connection or a thermal paste, so that a particularly efficient heat dissipation from the operated LED lamp can take place.
  • the light module according to the invention can comprise at least one metallic heat spreading element, which is at least partially enclosed by the composite material of the carrier body.
  • the heat spreading element can be designed, for example, in the form of a metal sheet and oriented parallel to the joining surface of the heat sink with the carrier body, so that lateral heat spreading is possible.
  • the invention further relates to different methods for producing a light module according to one of the aforementioned embodiments.
  • a first manufacturing process comprising at least the following steps:
  • the introduction of the microscale and/or nanoscale cavities into the joining surface of the heat sink is carried out using an electrochemical process, using a laser material processing process or using a mechanical process.
  • electrochemical removal processes are suitable for introducing complex surface structures into metallic conductive workpieces with accuracies in the micrometer range.
  • Modern laser material processing and photonics processes can be used to achieve higher manufacturing precision down to the nanometer range.
  • Mechanical processes represent cost-effective alternatives, and structures with undercuts can also be created using a combination of milling and hammering, for example.
  • the carrier body is preferably manufactured together with the conductor tracks as a so-called molded interconnect device (MID), for which the MID manufacturing processes known from the prior art can be used, for example two-component injection molding, hot stamping, laser structuring or mask exposure processes.
  • MID molded interconnect device
  • the application and electrical contacting of the LED lamps is carried out, for example, using a suitable soldering process or using thermally conductive adhesives.
  • a second method for producing a light module according to the invention comprises at least the following steps in no particular order:
  • a third method for producing a light module according to the invention comprises at least the following steps in no particular order:
  • the carrier body is each provided as a separate component, wherein the application of the at least one LED lamp and the metallic conductor tracks can be carried out either before or after connecting the carrier body to the heat sink.
  • a carrier film is first applied to the joining surface of the heat sink.
  • the carrier film preferably has the same composite material as the carrier body, so that when the carrier body is joined to the carrier film, a body of uniform material is formed.
  • the advantage of using a carrier film is, for example, that when establishing the positive connection with the heat sink, a high contact pressure can be exerted on the carrier film without fear of damage to any LED lamps or conductor tracks already arranged on the carrier body.
  • the carrier film connected to the heat sink then forms a smooth joining surface for the carrier body.
  • the thermal direct joining is carried out by heating the carrier body or the carrier film in the joining zone, for example by means of laser irradiation, infrared irradiation, convective heat supply and/or by means of inductive or contact heating of the heat sink.
  • the heating transforms the matrix material of the composite material into a softened, flowable state, so that in particular the cavities in the joining surface of the heat sink can be filled to form the positive fit.
  • the carrier body can be provided pre-assembled, that is, with metallic conductor tracks already applied to it and at least one LED light source.
  • Fig. 1 shows a first exemplary embodiment of the light module according to the invention
  • Fig. 2 shows a second exemplary embodiment.
  • the figures show schematic cross-sectional views of exemplary embodiments of the light module 100 according to the invention for a motor vehicle lighting device, in each case the LED lamps 1, the metallic conductor tracks 2 for electrically contacting the LED lamps 1, the carrier body 3, on which the LED lamps 1 and the conductor tracks 2 are arranged, as well as the metallic heat sink 4, the carrier body 3 being positively connected to the heat sink 4.
  • the carrier body 3 has the electrically insulating and thermally conductive composite material 30.
  • the thickness D of the carrier body 3 is preferably 1 - 3 millimeters, so that the carrier body 3 has a sufficiently high heat capacity to distribute and dissipate the resulting heat flow without suffering thermal damage.
  • 1 shows an enlarged cross-sectional view of the full-surface joining zone 34 between the heat sink 4 and the carrier body 3.
  • the heat sink 4 has a joining surface in the joining zone 34 with the microscale and/or nanoscale cavities 41, which are the composite material 30 of the carrier body 3 fills out to form a positive connection. Due to the bulging shape of the cavities 41, the penetrated composite material 30 forms undercuts in the carrier body 3.
  • the heat sink 4 has the metallic heat dissipation elements 5, onto which the LED lamps 1 are soldered, for example.
  • the heat dissipation elements 5 are formed in one piece and of the same material with the heat sink 4 and are laterally enclosed by the carrier body 3, so that a direct metallic thermal bridge is formed between the LED lamps 1 and the heat sink 4 by means of the heat dissipation elements 5, which enables particularly rapid heat dissipation.
  • the light module 100 includes the metallic heat spreading element 6, which is enclosed by the composite material 30 of the carrier body 3 and contributes to improving the lateral heat spreading within the carrier body 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lichtmodul (100) für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung, wenigstens umfassend ein LED-Leuchtmittel (1), metallische Leiterbahnen (2) zur elektrischen Kontaktierung des LED-Leuchtmittels (1), einen Trägerkörper (3), auf welchem das LED-Leuchtmittel (1) und die Leiterbahnen (2) angeordnet sind, und einen metallischen Kühlkörper (4), wobei der Trägerkörper (3) formschlüssig mit dem Kühlkörper (4) verbunden ist. Erfindungsgemäß weist der Trägerkörper (3) einen elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Verbundwerkstoff (30) auf.

Description

Lichtmodul für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Lichtmoduls
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtmodul für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung, wenigstens umfassend ein LED-Leuchtmittel, metallische Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung des LED-Leuchtmittels, einen Trägerkörper, auf welchem das LED-Leuchtmittel und die Leiterbahnen angeordnet sind, und einen metallischen Kühlkörper, wobei der Trägerkörper formschlüssig mit dem Kühlkörper verbunden ist. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Herstellung eines derartigen Lichtmoduls.
STAND DER TECHNIK
Beim Einsatz leistungsstarker LED-Leuchtmittel (LED: light-emitting diode) in Lichtmodulen von Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen, insbesondere Frontscheinwerfern, stellt das Wärmemanagement eine besondere Herausforderung dar.
Im Stand der Technik werden die LED-Leuchtmittel auf einer Leiterplatte angeordnet und diese wiederum auf einem metallischen Kühlkörper. Die Verbindung zwischen den LED-Leuchtmitteln und der Leiterplatte wird üblicherweise mittels einer Lötverbindung gebildet und der Fügespalt zwischen der Leiterplatine und dem Kühlkörper wird beispielsweise mittels einer Wärmeleitpaste überbrückt. Einen wesentlichen Beitrag zum Wärmestromwiderstand zwischen den LED-Leuchtmitteln und dem Kühlkörper leistet der elektrisch und thermisch isolierende Trägerkörper der Leiterplatine. Dieser ist beispielsweise aus einem aus einem schwer entflammbaren Verbundwerkstoff aus Epoxidharz und Glasfasergewebe ausgebildet, typischerweise aus einem Verbundwerkstoff der Klasse FR-4. Alternativ sind sogenannte Insulated Metal Substrates (IMS) für Leiterplatten bekannt, deren Aufbau in der Regel eine Schichtfolge aus einem Aluminium- oder Kupferträger, einer elektrisch und thermisch isolierender Isolationsschicht und einer Leiterbahnen umfassenden Kupferschicht besteht. Dabei dient die Kupferschicht unter anderem der lateralen Wärmespreizung. Der Wärmewiderstand wird hauptsächlich durch die Isolationsschicht dominiert.
Weiterhin offenbart die DE 10 2019 129 591 A1 ein Lichtmodul für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung, welches anstelle einer Leiterplatte eine Schaltungsträgerfolie aus einem thermoplastischen Kunststoff aufweist, wobei die Schaltungsträgerfolie formschlüssig mit einem metallischen Kühlkörper verbunden ist. Nachteilig an dieser Ausführungsform ist die Anfälligkeit der Schaltungsträgerfolie für thermische Beschädigung. Aufgrund ihrer geringen Dicke weist die Schaltungsträgerfolie nur eine geringe Wärmekapazität auf, sodass eine Wärmeaufnahme rasch zu einer kritischen Temperaturerhöhung führen kann.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Lichtmodul für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung vorzuschlagen, welches insbesondere durch ein verbessertes Wärmemanagement im Betrieb der LED-Leuchtmittel ausgezeichnet ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Lichtmodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der formschlüssig mit dem Kühlkörper verbundene Trägerkörper, auf welchem das wenigstens eine LED-Leuchtmittel und die zugehörigen Leiterbahnen angeordnet sind, einen elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Verbundwerkstoff aufweist.
Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, den Wärmewiderstand des Trägerkörpers im Vergleich zu Aufbauten aus dem Stand der Technik signifikant zu verringern, indem der Trägerkörper einen funktionsintegrierten Verbundwerkstoff aufweist, welcher neben der für den Betrieb der LED-Leuchtmittel notwendigen elektrischen Isolation zugleich eine ausgeprägte Wärmeleitfähigkeit aufweist. Aufgrund derart vorteilhafter Werkstoffeigenschaften kann der Wärmewiderstand zwischen den LED- Leuchtmitteln und dem metallischen Kühlkörper gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen weiter abgesenkt werden, sodass im Betrieb des erfindungsgemäßen Lichtmoduls eine besonders effiziente Entwärmung der LED- Leuchtmittel und sonstiger auf dem Trägerkörper angeordneter elektrischer Verbraucher ermöglicht ist. Dies zudem auch aufgrund der formschlüssigen Verbindung des Trägerkörpers mit dem Kühlkörper, wobei die zugehörige Fügefläche vorzugsweise großflächig ausgebildet ist und den Wärmeübergang vom Trägerkörper in den Kühlkörper bestimmt. Im Unterschied zu einem Lichtmodul mit Leiterplatte aus dem Stand der Technik liegt somit kein den Wärmefluss unterbrechender Fügespalt zum Kühlkörper vor.
Geeignete Verbundwerkstoffe weisen insbesondere eine Matrix aus einem Kunststoff, vorzugsweise aus einem Polyamid oder einem anderen teilkristallinen Kunststoff, und metallische, keramische und/oder graphitische Füllstoffe auf, wobei die Füllstoffe vorzugsweise eine globulitische Gestalt und eine homogene Verteilung in der Matrix aufweisen. Derartige Verbundwerkstoffe sind aus den Druckschriften DE 10 2015 015 276 A1 und DE 10 2017 001 013 A1 bekannt. Insbesondere können die elektrischen und thermischen Eigenschaften dieser Verbundwerkstoff durch Variation der Packungsdichte der Füllstoffe „maßgeschneidert“ werden. Die im Anspruch 1 der vorliegenden Anmeldung formulierten Werkstoffeigenschaften „elektrisch isolierend“ und „thermisch leitfähig“ sind derart auszubilden, dass in Bezug auf ein konkretes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls zweckmäßige Werte des elektrischen Widerstands und der Wärmeleitfähigkeit vorliegen. Die Auslegung dieser Werte bemisst sich insbesondere an den im Betrieb des Lichtmoduls durch die Leiterbahnen fließenden elektrischen Ströme sowie an der abzuführenden Wärme. Insbesondere sollen die gewünschten elektrischen und thermischen Eigenschaften isotrop vorliegen, wozu beispielsweise eine globulitische Gestalt der Füllstoffe und eine homogene Verteilung innerhalb des gebildeten Trägerkörpers beitragen. Beispielsweise weist der Trägerkörper einen elektrischen Isolationswiderstand von mindestens 107 Q (10 Megaohm)auf und/oder der Verbundwerkstoff weist eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 4 W/mK, bevorzugt mindestens 10 W/mK, auf. Um den gewünschten Isolationswiderstand bei zweckmäßigen Abmessungen des Trägerkörpers zu erreichen, weist der Verbundwerkstoff beispielsweise einen elektrischen Durchgangswiderstand von mindestens 109 Qm auf (bei 500 V Prüfspannung, gemäß DIN EN 61340-2-3).
Der Trägerkörper weist beispielsweise eine Dicke von 0,5 - 5 Millimeter, vorzugsweise 1 - 3 Millimeter auf. Eine derartige Dicke ermöglicht eine laterale Wärmespreizung innerhalb des Trägerkörpers, sodass insbesondere die unerwünschte Bildung thermischer hot spots unterdrückt werden kann. Weiterhin ist eine ausreichende Dicke vonnöten, um einen zuverlässigen Herstellungsprozess des Thermokörpers mittels Spritzgießens zu gewährleisten.
Vorzugsweise bildet der Trägerkörper mit dem Kühlkörper eine vollflächige Fügezone aus, wobei der Kühlkörper in der Fügezone eine Fügefläche mit mikroskaligen und/oder nanoskaligen Kavitäten aufweist, welche der Verbundwerkstoff des Trägerkörpers unter Bildung einer formschlüssigen Verbindung ausfüllt, vorzugsweise unter Bildung von Hinterschneidungen. Die lateralen Abmessungen der Fügezone entsprechen vorzugsweise im Wesentlichen den lateralen Abmessungen des Trägerkörpers, d.h., dass der gesamte Querschnitt des Trägerkörpers zum Wärmetransport in den Kühlkörper beiträgt. Die in die Fügefläche eingebrachten mikroskaligen und/oder nanoskaligen Kavitäten sorgen für eine weitere Vergrößerung der effektiven Oberfläche für den Wärmeübergang. Die Kavitäten können beispielsweise grübchenförmig oder als rillenartige Vertiefungen in geradliniger oder mäanderförmiger Form vorliegen oder eine komplexere Topographie aufweisen, und beispielsweise kann auch eine Kombination aus Kavitäten und Oberflächenerhebungen vorliegen. Die Abmessungen der Oberflächenstrukturen sind dabei vorzugsweise an die Formbarkeit des konkreten Verbundwerkstoffs des Trägerkörpers angepasst, beispielsweise weisen mikroskalige Kavitäten charakteristische Strukturabmessungen in der Größenordnung von
1 - 100 Mikrometern auf. Eine Nanostrukturierung kann insbesondere für eine gezielte Veränderung der Oberflächenenergie sorgen, und dadurch Einfluss auf den Benetzungsgrad der Metalloberfläche mit dem bei der Herstellung erweichten Matrixwerk- stoff nehmen. Kavitäten und geometrische Hinterschneidungen erzeugen dabei eine formschlüssige Verbindung sowohl senkrecht als auch parallel zur Ebenennormale der Fügefläche. Die Hinterschneidungen können beispielsweise durch Stufen oder Ausbeulungen einer Kavität gebildet werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Kühlkörper wenigstens ein metallisches Entwärmungselement für das wenigstens eine LED-Leuchtmittel auf, wobei das Ent- wärmungselement von der Fügefläche des Kühlkörpers hervorsteht und lateral vom Trägerkörper umschlossen ist, derart, dass mittels des Entwärmungselements eine direkte Wärmebrücke zwischen dem LED-Leuchtmittel und dem Kühlkörper gebildet ist. Ein derartiges Entwärmungselement ist vorzugsweise einteilig und materialeinheitlich mit dem Kühlkörper ausgebildet und kontaktiert das LED-Leuchtmittel beispielsweise mittels einer Lotverbindung oder einer Wärmeleitpaste, sodass darüber eine besonders effiziente Wärmeabfuhr aus dem betriebenen LED-Leuchtmittel erfolgen kann.
Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Lichtmodul wenigstens ein metallisches Wärmespreizelement umfassen, welches von dem Verbundwerkstoff des Trägerkörpers wenigstens teilweise umschlossen ist. Das Wärmespreizelement kann beispielsweise in Form eines Metallblechs ausgebildet und parallel zur Fügefläche des Kühlkörpers mit dem Trägerkörper orientiert sein, sodass damit eine laterale Wärmespreizung ermöglicht ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin unterschiedliche Verfahren zur Herstellung eines Lichtmoduls gemäß einer vorgenannten Ausführungsformen.
Ein erstes Herstellungsverfahren umfassend wenigstens die folgenden Schritte:
- Bereitstellen des metallischen Kühlkörpers, - Einbringen von mikroskaligen und/oder nanoskaligen Kavitäten in die Fügefläche des Kühlkörpers,
- Spritzgießen des Trägerkörpers aus dem elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Verbundwerkstoff, wobei der Verbundwerkstoff des Trägerkörpers die Kavitäten in der Fügefläche des Kühlkörpers unter Bildung einer formschlüssigen Verbindung ausfüllt,
- Aufbringen der metallischen Leiterbahnen auf den Trägerkörper, und
- Aufbringen des wenigstens einen LED-Leuchtmittels.
Beispielsweise wird das Einbringen der mikroskaligen und/oder nanoskaligen Kavitäten in die Fügefläche des Kühlkörpers mittels eines elektrochemischen Verfahrens, mittels eines Verfahrens der Lasermaterialbearbeitung oder mittels eines mechanischen Verfahrens durchgeführt. Beispielsweise sind Verfahren des elektrochemischen Abtragens geeignet für das Einbringen komplexer Oberflächenstrukturen in metallisch leitfähige Werkstücke mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich. Für höhere Fertigungspräzision bis in den Nanometerbereich können moderne Verfahren der Lasermaterialbearbeitung und Photonik eingesetzt werden. Mechanische Verfahren stellen kostengünstige Alternativen dar, wobei beispielsweise mittels einer Kombination von Fräsen und Hämmern auch Strukturen mit Hinterschneidungen realisierbar sind.
Der Trägerkörper wird vorzugsweise samt der Leiterbahnen als sogenanntes Molded Interconnect Device (MID) gefertigt, wozu die aus dem Stand der Technik bekannten MID-Herstellungsprozesse verwendet werden können, beispielsweise Zweikomponentenspritzguss, Heißprägen, Laserstrukturierung oder Maskenbelichtungsverfahren. Die Aufbringung und elektrische Kontaktierung der LED-Leuchtmittel erfolgt beispielsweise mittels eines geeigneten Löt-Verfahrens oder mittels Wärmeleitklebens.
Bei der Herstellung einer Ausführungsform des Lichtmoduls mit von der Fügefläche des Kühlkörpers abragenden Entwärmungselements, werden diese beim Spritzgießen des Trägerkörpers lateral von dem Verbundwerkstoff umspritzt. Zusätzliche Wärmespreizelemente können beim Spritzgießen des Trägerkörpers eingelegt und von dem Verbundwerkstoff umspritzt und somit in den Trägerkörper integriert werden.
Ein zweites Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls umfasst wenigstens die folgenden Schritte in nicht festgelegter Reihenfolge:
- Bereitstellen des metallischen Kühlkörpers,
- Einbringen von mikroskaligen und/oder nanoskaligen Kavitäten in die Fügefläche des Kühlkörpers,
- Bereitstellen des Trägerkörpers,
- Thermisches Direktfügen des Trägerkörpers mit dem Kühlkörper, wobei der Verbundwerkstoff des Trägerkörpers die Kavitäten in der Fügefläche des Kühlkörpers unter Bildung einer formschlüssigen Verbindung ausfüllt,
- Aufbringen der metallischen Leiterbahnen auf den Trägerkörper, und
- Aufbringen des wenigstens einen LED-Leuchtmittels.
Ein drittes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Lichtmoduls umfasst wenigstens die folgenden Schritte in nicht festgelegter Reihenfolge:
- Bereitstellen des metallischen Kühlkörpers,
- Einbringen von mikroskaligen und/oder nanoskaligen Kavitäten in die Fügefläche des Kühlkörpers,
- Bereitstellen einer Trägerfolie aus einem elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Verbundwerkstoff,
- Thermisches Direktfügen der Trägerfolie mit dem Kühlkörper, wobei der Verbundwerkstoff der Trägerfolie die Kavitäten in der Fügefläche des Kühlkörpers unter Bildung einer formschlüssigen Verbindung ausfüllt,
- Bereitstellen des Trägerkörpers,
- Thermisches Direktfügen des Trägerkörpers mit der Trägerfolie, und
- Aufbringen des wenigstens einen LED-Leuchtmittels und der metallischen Leiterbahnen auf den Trägerkörper. Bei dem zweiten und dem dritten Verfahren wird der Trägerkörper jeweils als ein separates Bauteil bereitgestellt, wobei das Aufbringen des wenigstens einen LED- Leuchtmittels und der metallischen Leiterbahnen wahlweise vor oder nach dem Verbinden des Trägerkörpers mit dem Kühlkörper durchgeführt werden kann.
Im Unterschied zum zweiten Verfahren wird beim dritten Verfahren zunächst eine Trägerfolie auf die Fügefläche des Kühlkörpers aufgebracht. Die Trägerfolie weist vorzugsweise denselben Verbundwerkstoff auf wie der Trägerkörper, sodass beim Fügen des Trägerkörpers mit der Trägerfolie ein materialeinheitlicher Körper gebildet wird. Der Vorteil in der Verwendung einer Trägerfolie besteht beispielsweise darin, dass beim Aufbau der formschlüssigen Verbindung mit dem Kühlkörper ein hoher Anpressdruck auf die Trägerfolie ausgeübt werden kann, ohne dass Beschädigungen von etwaig bereits auf dem Trägerkörper angeordneten LED-Leuchtmittel oder Leiterbahnen zu befürchten sind. Die mit dem Kühlkörper verbundene Trägerfolie bildet dann eine glatte Fügefläche für den Trägerkörper.
Das thermische Direktfügen wird durch Erwärmen des Trägerkörpers bzw. der Trägerfolie in der Fügezone beispielsweise mittels Laserbestrahlung, mittels Infrarotbestrahlung, mittels konvektiver Wärmezufuhr und/oder mittels einer induktiven oder kontaktierenden Erwärmung des Kühlkörpers durchgeführt. Durch die Erwärmung wird der Matrixwerkstoff des Verbundwerkstoffs in einen erweichten, fließfähigen Zustand überführt, sodass insbesondere ein Ausfüllen der Kavitäten in der Fügefläche des Kühlkörpers zur Bildung des Formschlusses ermöglicht ist.
Hinsichtlich des Einbringens der Kavitäten in die Fügefläche des Kühlkörpers sowie hinsichtlich des Aufbringen des wenigstens einen LED-Leuchtmittels und der metallischen Leiterbahnen auf den Trägerkörper wird sinngemäß auf die vorstehend, im Zusammenhang mit der Beschreibung des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens dargelegten Ausführungen verwiesen. Insbesondere kann der Trägerkörper vorkonfektioniert bereitgestellt werden, d.h., mit daran bereits aufgebrachten metallischen Leiterbahnen und mindestens einem LED- Leuchtmittel.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lichtmoduls, und Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel.
Die Figuren zeigen schematische Querschnittsansichten von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Lichtmoduls 100 für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung, jeweils die LED-Leuchtmittel 1 , die metallischen Leiterbahnen 2 zur elektrischen Kontaktierung der LED-Leuchtmittel 1 , den Trägerkörper 3, auf welchem die LED- Leuchtmittel 1 und die Leiterbahnen 2 angeordnet sind, sowie den metallischen Kühlkörper 4, wobei der Trägerkörper 3 formschlüssig mit dem Kühlkörper 4 verbunden ist. Erfindungsgemäß weist der Trägerkörper 3 den elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Verbundwerkstoff 30 auf.
Aufgrund der ausgeprägten Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs 30, welche beispielsweise mindestens 4 W/mK, insbesondere mehr als 10 W/mK, beträgt, erfolgt im Betrieb der LED-Leuchtmittel 1 eine überaus effiziente Wärmeabfuhr durch den Trägerkörper 3 in den Kühlkörper 4. Die Dicke D des Trägerkörpers 3 beträgt vorzugsweise 1 - 3 Millimeter, sodass der Trägerkörper 3 eine ausreichend hohe Wärmekapazität aufweist, um den anfallenden Wärmestrom zu verteilen und abzuleiten ohne thermische Beschädigungen davonzutragen. Das Inset der Fig. 1 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht der vollflächigen Fügezone 34 zwischen dem Kühlkörper 4 und dem Trägerkörper 3. Der Kühlkörper 4 weist in der Fügezone 34 eine Fügefläche mit den mikroskaligen und/oder nanoskaligen Kavitäten 41 auf, welche der Verbundwerkstoff 30 des Trägerkörpers 3 unter Bildung einer formschlüssigen Verbindung ausfüllt. Aufgrund der ausgebeulten Gestalt der Kavitäten 41 bildet der eingedrungene Verbundwerkstoff 30 Hinterschneidungen des Trägerkörpers 3 aus.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 weist der Kühlkörper 4 die metallischen Entwär- mungselemente 5 auf, auf welche die LED-Leuchtmittel 1 beispielhaft aufgelötet sind. Die Entwärmungselemente 5 sind einteilig und materialeinheitlich mit dem Kühlkörper 4 ausgebildet und lateral vom Trägerkörper 3 umschlossen ist, sodass mittels der Entwärmungselemente 5 eine direkte metallische Wärmebrücke zwischen den LED- Leuchtmitteln 1 und dem Kühlkörper 4 gebildet ist, welche eine besonders schnelle Wärmeableitung ermöglicht.
Weiterhin umfasst das Lichtmodul 100 das metallische Wärmespreizelement 6, welches von dem Verbundwerkstoff 30 des Trägerkörpers 3 umschlossen ist und zur Verbesserung der lateralen Wärmespreizung innerhalb des Trägerkörpers 3 beiträgt.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Bezugszeichenliste
100 Lichtmodul
1 LED-Leuchtmittel
2 Leiterbahn
3 T rägerkörper
30 Verbundwerkstoff
34 Fügezone
4 Kühlkörper
41 Kavität
5 Entwärmungselement
6 Wärmespreizelement
D Dicke des Trägerkörpers

Claims

Patentansprüche
1. Lichtmodul (100) für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung, wenigstens umfassend ein LED-Leuchtmittel (1), metallische Leiterbahnen (2) zur elektrischen Kontaktierung des LED-Leuchtmittels (1), einen Trägerkörper (3), auf welchem das LED-Leuchtmittel (1) und die Leiterbahnen (2) angeordnet sind, und einen metallischen Kühlkörper (4), wobei der Trägerkörper (3) formschlüssig mit dem Kühlkörper (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (3) einen elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Verbundwerkstoff (30) aufweist.
2. Lichtmodul (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (3) einen elektrischen Isolationswiderstand von mindestens 107 Q aufweist und/oder der Verbundwerkstoff (30) eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 4 W/mK, bevorzugt mindestens 10 W/mK, aufweist.
3. Lichtmodul (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff (30) eine Matrix aus einem Kunststoff, vorzugsweise aus einem Polyamid oder einem anderen teilkristallinen Kunststoff, und metallische, keramische und/oder graphitische Füllstoffe aufweist, wobei die Füllstoffe vorzugsweise eine globulitische Gestalt und eine homogene Verteilung in der Matrix aufweisen.
4. Lichtmodul (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (3) eine Dicke (D) von 0,5 - 5 Millimeter, vorzugsweise 1 - 3 Millimeter aufweist. Lichtmodul (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (4) wenigstens ein metallisches Ent- wärmungselement (5) zur Kontaktierung des wenigstens einen LED- Leuchtmittels (1) aufweist, wobei das Entwärmungselement (5) von der Fügefläche des Kühlkörpers (4) hervorsteht und lateral vom Trägerkörper (3) umschlossen ist, derart, dass mittels des Entwärmungselements (5) eine Wärmebrücke zwischen dem LED-Leuchtmittel (1) und dem Kühlkörper (4) gebildet ist. Lichtmodul (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtmodul (100) wenigstens ein metallisches Wärmespreizelement (6) umfasst, welches von dem Verbundwerkstoff (30) des Trägerkörpers (3) wenigstens teilweise umschlossen ist. Lichtmodul (100) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (3) mit dem Kühlkörper (4) eine Fügezone (34) ausbildet, wobei der Kühlkörper (4) in der Fügezone (34) eine Fügefläche mit mikroskaligen und/oder nanoskaligen Kavitäten (41) aufweist, welche der Verbundwerkstoff (30) des Trägerkörpers (3) unter Bildung einer formschlüssigen Verbindung ausfüllt, vorzugsweise unter Bildung von Hinterschneidungen. Verfahren zur Herstellung eines Lichtmoduls (100) für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, wenigstens umfassend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen des metallischen Kühlkörpers (100),
- Einbringen von mikroskaligen und/oder nanoskaligen Kavitäten (41) in die Fügefläche des Kühlkörpers (4),
- Spritzgießen des Trägerkörpers (3) aus dem elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Verbundwerkstoff (30), wobei der Verbundwerkstoff (30) des Trägerkörpers (3) die Kavitäten (41) in der Fügefläche des Kühlkörpers (4) unter Bildung einer formschlüssigen Verbindung ausfüllt,
- Aufbringen der metallischen Leiterbahnen (2) auf den Trägerkörper
(3), und
- Aufbringen des wenigstens einen LED-Leuchtmittels (1). Verfahren zur Herstellung eines Lichtmoduls (100) für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wenigstens umfassend die folgenden Schritte in nicht festgelegter Reihenfolge:
- Bereitstellen des metallischen Kühlkörpers (4),
- Einbringen von mikroskaligen und/oder nanoskaligen Kavitäten (41) in die Fügefläche des Kühlkörpers (4),
- Bereitstellen des Trägerkörpers (3),
- Thermisches Direktfügen des Trägerkörpers (3) mit dem Kühlkörper
(4), wobei der Verbundwerkstoff (30) des Trägerkörpers (3) die Kavitäten (41) in der Fügefläche des Kühlkörpers (4) unter Bildung einer formschlüssigen Verbindung ausfüllt,
- Aufbringen der metallischen Leiterbahnen (2) auf den Trägerkörper (3), und
- Aufbringen des wenigstens einen LED-Leuchtmittels (1). Verfahren zur Herstellung eines Lichtmoduls (100) für eine Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wenigstens umfassend die folgenden Schritte in nicht festgelegter Reihenfolge:
- Bereitstellen des metallischen Kühlkörpers (4),
- Einbringen von mikroskaligen und/oder nanoskaligen Kavitäten (41) in die Fügefläche des Kühlkörpers (4),
- Bereitstellen einer Trägerfolie aus einem elektrisch isolierenden und thermisch leitfähigen Verbundwerkstoff,
- Thermisches Direktfügen der Trägerfolie mit dem Kühlkörper (4), wobei der Verbundwerkstoff der Trägerfolie die Kavitäten (41) in der Fügefläche des Kühlkörpers (4) unter Bildung einer formschlüssigen Verbindung ausfüllt,
- Bereitstellen des Trägerkörpers (3),
- Thermisches Direktfügen des Trägerkörpers (3) mit der Trägerfolie, und
- Aufbringen des wenigstens einen LED-Leuchtmittels (1) und der metallischen Leiterbahnen (2) auf den Trägerkörper (3). Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Direktfügen durch Erwärmen des Trägerkörpers (3) und/oder der Trägerfolie in der Fügezone (34) mittels Laserbestrahlung, mittels Infrarotbestrahlung, mittels konvektiver Wärmezufuhr und/oder mittels einer induktiven oder kontaktierenden Erwärmung des Kühlkörpers (4) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (3) mit daran aufgebrachten metallischen Leiterbahnen (2) und mindestens einem LED-Leuchtmittel (1) bereitgestellt wird.
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