DE19528459A1 - Leuchtaggregat - Google Patents

Description

Es sind Leucht- und optische Anzeigeeinrichtungen bekannt, bei denen in eine Leiterplatte LEDs eingesetzt sind, wobei die LEDs in einem vorgegebenen Muster in die Leiter­ platte eingesetzt sind. Die Leiterplatte ist eine Träger­ platte aus elektrisch isolierendem Material, der ein elektrischer Stromkreis bzw. eine elektrische Schaltung derart zugeordnet ist, daß der für den Betrieb der LEDs notwendige Strom zentral aufgenommen und auf die LEDs verteilt wird. Die Schaltung ist der Trägerplatte mittels verschiedener bekannter Verfahren zugeordnet, insbesondere durch Drucken oder Ätzen. Gegenüber den z. B. im Haushalt allgemein üblichen Lichtquellen, den "Glühbirnen", haben die LEDs den Hauptvorteil geringerer Wärmeentwicklung. Trotzdem kann die Wärmeentwicklung den Einsatz von LEDs begrenzen, wenn beispielsweise eine mit vielen LEDs be­ stückte Leiterplatte in einem geschlossenen, allenfalls mit Entlüftungsöffnungen versehenen Gehäuse angeordnet ist, wie es beispielsweise bei Verkehrsampeln der Fall ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Leucht­ aggregates mit einer mit LEDs bestückten Leiterplatte, dessen Einsatz durch erhöhte Temperaturentwicklung nicht oder doch zumindest wesentlich weniger als bisher ein­ geschränkt ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Ansprüchen, und diese Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Aggregat mit einer mit LEDs be­ stückten Leiterplatte schematisch im Querschnitt darge­ stellt.

In die eigentliche Leiter- bzw. Trägerplatte 1 sind von der einen Seite her eine Vielzahl von LEDs 2, ein bestimm­ tes Muster bildend, eingesetzt.

Die Vorderseite der Leiter- bzw. Trägerplatte 1 ist durch die LEDs gekennzeichnet, auf der Rückseite, gegebenenfalls auf den beiden Oberseiten der Platte 1 befindet sich die Schaltung 3, mit der den LEDs die zu ihrem Betrieb notwendige Energie zugeführt wird und mit der die LEDs mit Stiften 2a verbunden sind. Beim Betrieb dieser Baugruppe aus Platte 1 und LEDs 2 bildet sich insbesondere im Bereich der LEDs 2 eine erhöhte Temperatur aus, indem die LEDs 2 selbst, ihre Stifte 2a, die Schaltung 3 und schließlich die Platte 1 selbst insbesondere in der Umgebung der LEDs warm werden.

Erfindungsgemäß soll nun dieser erhöhten Temperatur­ entwicklung entgegengewirkt werden dadurch, daß Wärme in zweckmäßiger Weise abgeführt wird. Hierzu ist jeder Seite der Trägerplatte 1 ein Wärme gut aufnehmendes und abstrahlendes Mittel 4, 5 zugeordnet, das Wärme von der Trägerplatte 1 abführt und an die Umgebung abgibt. Es handelt sich um jeweils eine Beschichtung oder eine Platte, vorzugsweise aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Wichtig ist ein Kontakt mit gutem Wärmeübergang; der Einfachheit halber wird von Platten 4, 5 gesprochen, obwohl es sich auch um aufgetragene Schichten handeln kann. Finden Platten Verwendung, so kann insbesondere die rückseitige Platte 4 aus mehreren Teilplatten, die in einer Ebene liegen, zusammengesetzt sein.

Zwischen jeder der Wärme abstrahlenden Platten 4, 5 und der Ober- bzw. Unterseite der Trägerplatte 1 ist nun erfindungsgemäß eine Schicht 6 bzw. 7 angeordnet. Die Schichten 6, 7 sollen einen guten Wärmeübergang zwischen Trägerplatte 1 bzw. LEDs 2, 2a und Wärme abstrahlenden Platten 4, 5 nicht behindern, gegebenenfalls sogar be­ günstigten und gleichzeitig das gesamte Aggregat in sich stabilisieren und den Durchgang von Feuchtigkeit zwischen beiden Seiten der Trägerplatte unterbinden und schließlich eine zuverlässige Haftung zwischen den Wärme abstrahlenden Platten 4, 5 und Trägerplatte 1 gewährlei­ sten. Andererseits sollen die Schichten 6, 7 elektrisch isolieren. Es handelt sich beispielsweise um Schichten 6, 7 aus elektrisch isolierendem Material, in das Wärme­ brücken eingebaut sind, die zwar dem Wärmetransport die­ nen, die elektrisch isolierende Wirkung aber nicht beein­ trächtigen. Der Schichtwerkstoff kann beispielsweise ein Epoxidharz sein, in dem die Wärmebrücken von Partikeln gebildet sind, die wärme- nicht aber elektrisch leitend sind. In Frage kommen beispielsweise Korund oder entspre­ chend ausgelegte Kunststoffe. Die Schichten können aus entsprechendem Material gefertigt und angelegt sein. Sie können aber auch an Ort und Stelle hergestellt wer­ den, indem beispielsweise die für die Schichten bestimm­ ten Freiräume als geschlossene Hohlräume ausgebildet werden, in die die einzelnen Materialkomponenten eingeführt werden und durch entsprechende Behandlung zu den Schichten zusammengefügt werden. Es kann sich beispielsweise um Material in Granulatform handeln, dessen einzelne Partikel durch die Zuführung von Wärme zusammenbacken oder die durch die Zufuhr von Wärme so weit erweicht werden, daß sie zu homogenen Schichten ineinander fließen. Auch können die Komponenten in fluidisierter Form eingebracht werden, aufschäumen und anschließend zu einem starren homogenen Körper erstarren. Die Dicke der Schichten 6, 7 soll so bestimmt werden, daß die genannten Kriterien optimal erfüllt sind. Die Dicke der Schicht 7 soll außerdem noch so bemessen sein, daß die Unterbringung von Geräten zur Ansteuerung der LEDs möglich ist. Die Gewährleistung eines guten Wärmetransports läßt es nicht zu, daß die Dicken der Schichten 6, 7 einen Höchstwert überschreiten. Der Wunsch, in der Schicht 7 Geräte unterzubringen, läßt es nicht zu, daß die Dicke der Schicht 7 einen Mindestwert unterschreitet. Die zwischen den sich aus den genannten Kriterien ergebende optimale Dicke der Schicht 7 läßt es zu, den Wärmeübergang zwischen den LEDs und der Schicht 7 zu verbessern. Deshalb sind die Stifte 2a der LEDs nicht nur an die Schaltung 3 herangeführt, um mit dieser verbunden zu sein, sondern sind diese Stifte 2a mit Ver­ längerungen 2a′ über die Schaltung 3 hinaus verlängert und in der Schicht 7 so verankert, daß der Wärmeübergang zwischen den Stiftverlängerungen 2a′ und der Schicht 7 optimiert ist.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn unter Einhaltung vorgegebener Abstände die Wärme abstrahlenden Platten 4, 5 gegenüber der Trägerplatte 1 provisorisch fixiert, beispielsweise verschraubt werden und dann die Spalte zwischen Trägerplatte 1 und Wärme abstrahlenden Platten 4, 5 mit je einer Schicht, z. B. Epoxydharzschicht 6, 7 ausgegossen werden, wobei dieses Epoxydharz mit Temperatur leitenden Partikeln so durchsetzt ist, daß eine große Anzahl von Wärmebrücken zwischen beiden Seiten der Epoxydharzschichten besteht, ohne daß die notwendige Fixier-, Isolier- und verbindende Wirkung des Epoxydharzes unzulässig beeinträchtig ist. Unter Isolierung wird in diesem Zusammenhang sowohl Isolierung gegen Feuchtigkeits- als auch Stromdurchtritt verstanden. Auf der Vorderseite soll der Abstand zwischen Trägerplatte 1 und Wärme abstrah­ lender Fläche 5a unter Berücksichtigung der vorgenannten Kriterien so bemessen sein, daß die LEDs 2 gerade noch ausreichend aus der Fläche herausragen, ohne die optischen Eigenschaften der LEDs zu behindern. Auf der Rückseite soll der Abstand unter Berücksichtigung der vorgenannten Kriterien so bemessen sein, daß die Schaltung 3 hinter der Wärme abstrahlenden Fläche 4a sich befindet. Sämtliche Durchgänge zwischen den beiden Innenflächen der Wärme abstrahlenden Platten 4, 5 sollen mit Epoxydharz ver­ schlossen sein. Zur Verbesserung der Wärmeabführung soll die Wärme abstrahlende Platte 4a auf der Rückseite des gesamten Aggregates vorzugsweise mit Kühlrippen 8 ver­ sehen sein, die im Fall der Verwendung von Teilplatten, die in ihrer Gesamtheit die Kühlplatte 4 bilden, den Teilplatten in entsprechender Anzahl zugeordnet sind.

Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn eine Gruppe von LEDs in die aus Aluminium bestehende, das ganze Aggregat nach vorn abdeckende Platte 5, die dem­ nach die Frontplatte des Aggregates ist, integriert und auf der Leiter- bzw. Trägerplatte 1 aufgesetzt und mit ihr verlötet sind, wobei die Leiter- bzw. Trägerplatte 1 zwischen der Frontplatte 5 und dem hinteren Kühlkörper aus Platte 4 und Kühlrippen 8, die auch Stifte sein kön­ nen, mit einem wärmeleitfähigen homogenen Verguß 6, 7, von diesem allseits umgeben, gehalten ist. Die Front­ platte 5 dient als Grundträger des Aggregates bzw. Lampen­ körpers und zu dessen Befestigung in einem Gehäuse. Durch parallele Bohrungen 5b in der Frontplatte werden die mechanischen und optischen Achsen A der LEDs parallel ausgerichtet. Dadurch entfällt die bisher übliche Ein­ zelausrichtung von Hand und die Ausrichtung ist für die gesamte Lebensdauer des Aggregates gewährleistet. Die Verlustwärme beim Betrieb der LED-Lampe wird über den Verguß 6, 7 von den LEDs, den Stiften der LEDs und der Leiterplatte sowohl an die Frontplatte als auch den hin­ teren Kühlkörper geleitet und dort an die Umgebungsluft abgegeben. Die Wärme ist hierdurch gleichmäßig über den gesamten Leuchtenkörper verteilt. Der Verguß nimmt die Verlustwärme rasch auf und leitet sie an die Wärme ab­ strahlenden Platten 4, 5 weiter. Bei senkrecht stehenden Kühlrippen an den Kühlkörpern ist eine gute Wärmeabgabe an die Umgebung gewährleistet. Eine vollständige Isolierung gegen Elektrizität und Feuchtigkeit wird ebenfalls durch den Verguß gewährleistet, da sämtliche elektrischen Bauteile und Leitungen, außer der Versorgungsleitung, vom Verguß eingeschlossen sind. Durch die bindende Wirkung des Ver­ gusses, ist eine mechanisch feste Verbindung zwischen allen Bauteilen gegeben.

Claims (12)

1. Leuchtaggregat aus einer Trägerplatte (1), die auf der einen Seite mit LEDs (2) bestückt ist, denen der notwendige Betriebsstrom über eine der Träger­ platte zugeordnete Schaltung (3) zugeführt wird, gekennzeichnet durch eine Wärme abstrahlende Fläche (4a, 5a), die zumindest der einen Seite der Träger­ platte zugeordnet und mit dieser so verbunden ist, daß ein guter Wärmeübergang von der Trägerplatte zur Wärme abstrahlenden Fläche gewährleistet ist.

2. Leuchtaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder Seite der Trägerplatte (1) eine Wärme abstrahlende Fläche (4a, 5a) zugeordnet ist.

3. Leuchtaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wärme abstrahlende Fläche bzw. diese Flächen (4a, 5a) die Außenseiten von Schichten oder Platten sind, die der Trägerplatte zugeordnet sind derart, daß ein guter Wärmeübergang zwischen Träger­ platte (1) und Wärme abstrahlenden Flächen gewähr­ leistet ist.

4. Leuchtaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen jeder Schicht bzw. Platte (4, 5) und der Trägerplatte (1) eine Zwischenschicht (6, 7) angeordnet ist, die eine gute Haftung der Schichten bzw. Platten an der Trägerplatte gewährleistet, elek­ trisch isolierend ist, den Feuchtigkeitsdurchgang zwischen den Wärme abstrahlenden Flächen unterbindet und den Wärmeübergang zwischen Trägerplatte und Wärme abstrahlenden Flächen allenfalls geringfügig behin­ dert.

5. Leuchtaggregat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zwischenschichten Vergußkörper sind, z. B. aus einem Epoxydharz bestehen, das mit Wärme leitenden Partikeln so versetzt ist, daß Wärmebrücken zwischen beiden Seiten jeder Zwischenschichten bestehen.

6. Leuchtaggregat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Partikel Wärme leitend, nicht aber elek­ trisch leitend, beispielsweise Quarzmehl, Korund oder entsprechende Kunststoffe sind.

7. Leuchtaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der Wärme ab­ strahlenden Platten durch Wärme abstrahlende Rippen (8) oder dergleichen als die hintere der Wärme ab­ strahlenden Platten definiert ist.

8. Leuchtaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die andere der Wärme abstrahlenden Platten durch Öffnungen (5b) für die durch die Öffnungen geführten und ausgerichteten LEDs als die vordere der Wärme abstrahlenden Platten definiert ist.

9. Leuchtaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Bestimmung der Dicke beider Zwischenschichten (6, 7) derart, daß gute Haftung zwischen Wärme abstrahlender Fläche (4a, 5a) und Träger­ platte sowie optimaler Wärmeübergang gewährleistet sind.

10. Leuchtaggregat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dicke der den LEDs abgekehrten Zwischen­ schicht (7) so bemessen ist, daß Steueraggregate für die LEDs in sie eingebaut sein können.

11. Leuchtaggregat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die LEDs mit Verlängerungen (2a′) der Füße bzw. Stifte (2a) über die Schaltung (3) hinaus in die Zeischenschicht (7) hineinragen und zwischen den Verlängerungen und der Zwischenschicht ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Leuchtaggregats nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme abstrahlenden Flächen bzw. Platten bzw. Schichten zunächst durch Hilfsmittel in einem vorgegebenen Abstand von der Trägerplatte fixiert werden und daß die Spalte zwischen Trägerplatte und Platten, Schichten bzw. Flächen mit einem klebenden Vergußkörper, z. B. Epoxydharz, ausgegossen werden.