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DE19922176C2 - Oberflächenmontierte LED-Mehrfachanordnung und deren Verwendung in einer Beleuchtungseinrichtung - Google Patents

Oberflächenmontierte LED-Mehrfachanordnung und deren Verwendung in einer Beleuchtungseinrichtung

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DE19922176C2
DE19922176C2 DE19922176A DE19922176A DE19922176C2 DE 19922176 C2 DE19922176 C2 DE 19922176C2 DE 19922176 A DE19922176 A DE 19922176A DE 19922176 A DE19922176 A DE 19922176A DE 19922176 C2 DE19922176 C2 DE 19922176C2
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circuit board
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leds
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heat sink
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Guenter Waitl
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Description

Die Erfindung betrifft eine oberflächenmontierte LED-Mehr­ fachanordnung, welche insbesondere in ein Leuchtengehäuse eingebaut werden kann, wie es beispielsweise bei Außenleuch­ ten von Kraftfahrzeugen verwendet werden kann.
In dem Artikel Matthias Martin, Light Emitting Diodes, Licht 4/99, S. 278f ist ein LED-Modul gezeigt, das eine einseitig mit einer Mehrzahl von SMD-LEDs bestückte Leiterplatte umfaßt. Das Modul ist insbesondere für Gebäudebeleuchtungen vorgesehen und weist eine unbedeutende Wärmeentwicklung auf.
In DE 195 28 459 A1 ist ein Leuchtaggregat für durchkontaktierte LEDs offenbart, bei dem das allgemeine Prinzip der Wärmeabfuhr mit einem Kühlkörper beschrieben ist.
Im Bereich der Außen- und Innenbeleuchtung von Kraftfahrzeu­ gen, insbesondere für Rücklichter oder Bremsleuchten und der­ gleichen werden in zunehmendem Maße Lichtemissionsdioden (LEDs) anstelle der konventionellen Glühlampen eingesetzt, da LEDs eine längere Lebensdauer, einen besseren Wirkungsgrad bei der Umwandlung elektrischer Energie in Strahlungsenergie im sichtbaren Spektralbereich und damit verbunden eine gerin­ gere Wärmeabgabe und insgesamt geringeren Platzbedarf aufwei­ sen.
Im Aufbau muß jedoch zunächst ein gewisser Mehraufwand ge­ trieben werden, denn aufgrund der geringen Leuchtdichte einer einzelnen LED im Vergleich zu einer Glühlampe muß eine zu einem Array geformte Mehrzahl von LEDs aufgebaut werden. Ein derartiges Array kann beispielsweise in der Oberflächen­ montagetechnik (SMT, surface mount technology) aus einer Mehrzahl von LEDs auf einer Leiterplatte (PCB, printed cir­ cuit board) montiert werden. Dabei wird eine LED-Bauform verwendet, wie sie beispielsweise in dem Artikel "SIEMENS SMT- TOPLED für die Oberflächenmontage" von F. Möllmer und G. Waitl in der Zeitschrift Siemens Components 29 (1991), Heft 4, S. 147 im Zusammenhang mit Bild 1 beschrieben ist. Diese Form der LED ist äußerst kompakt und erlaubt gegebenenfalls die Anordnung einer Vielzahl von derartigen LEDs in einer Reihen- oder Matrixanordnung.
Innerhalb des Gehäuses einer derartigen LED, die beispiels­ weise auf der Basis von InGaAlP aufgebaut ist und gelb- oder bernsteinfarbenes Licht emittiert, wird jedoch nur etwa 5% der elektrischen Leistung in Form von Licht umgewandelt, wäh­ rend etwa 95% in Form von Wärme umgesetzt wird. Diese Wärme wird von der Chipunterseite über die elektrischen Anschlüsse des Bauteils abgeführt. Je nach der Bauform wird bei den von der Anmelderin bekannten Bauelementen unter den Bezeichnungen TOPLED® oder Power TOPLED® die Wärme entweder durch einen oder drei vorhandene Kathodenanschlüsse zunächst aus dem Ge­ häuse auf die Lötpunkte auf der Leiterplatte geführt. Von den Lötpunkten breitet sich die Wärme zunächst hauptsächlich in den Kupferpads und dann in dem Epoxidharzmaterial in der Ebene der Leiterplatte aus. Anschließend wird die Wärme durch Wärmestrahlung und Wärmekonvektion großflächig an die Umge­ bung abgegeben. Im Falle einer einzelnen LED auf FR4-Plati­ nenmaterial ist der Wärmewiderstand noch relativ gering (bei­ spielsweise ca. 180 K/W bei einer LED vom Typ Power TOPLED®).
Anders verhält es sich jedoch, wenn viele LEDs dicht neben­ einander auf einer Platine angeordnet sind. Für jede einzelne LED steht jetzt eine geringere anteilige Fläche auf dem PCB für die Wärmeübertragung an die Umgebung zur Verfügung. Dem­ entsprechend höher ist der Wärmewiderstand von dem PCB auf die Umgebung. Bei einem Bauteilabstand von beispielsweise 6,5 mm steigt der Wärmewiderstand auf bis zu 550 K/W an, wenn die LEDs von dem Typ Power TOPLED® und die Leiterplatte von dem Typ FR4 ist.
Eine Wärmeabgabe geht von allen wärmeerzeugenden Bauteilen auf der Platine aus, also auch von Vorwiderständen, Transi­ storen, MOS-FETs oder Ansteuer-ICs, die sich in unmittelbarer Umgebung der LEDs befinden. Damit es infolge der Wärmeerzeu­ gung auf der Platine und der mangelhaften Wärmeabfuhr nicht zu einer Zerstörung des Bauteils kommt, muß der Betriebsstrom reduziert werden. Folglich kann die Lichtleistung der LEDs nicht voll genutzt werden.
In dem bereits erwähnten Bereich der Beleuchtung von Kraft­ fahrzeugen werden LED-Anordnungen für das dritte Bremslicht eingesetzt. Dieses ist ein einzeiliges Array, bei welchem die thermischen Probleme noch nicht so stark ins Gewicht fallen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ober­ flächenmontierte LED-Mehrfachanordnung derart weiterzubilden, daß die Lichtleistung der LEDs möglichst optimal genutzt wer­ den kann. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung, eine oberflächenmontierte LED-Mehrfachanordnung anzuge­ ben, die sich durch eine verbesserte Wärmeabfuhr auszeichnet. Weiterhin soll eine Verwendung der oberflächenmontierten LED- Mehrfachanordnung vorgesehen werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 8 bzw. 14 bis 17 gelöst.
Demgemäß beschreibt die Erfindung eine oberflächenmontierte LED-Mehrfachanordnung mit einer Leiterplatte und einer Mehrzahl von auf der Leiterplatte montierten LEDs, wobei die Leiterplatte mit ihrer den LEDs abgewandten Seite auf einen Kühlkörper aufgebracht ist. Dabei ist auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite der Leiterplatte eine metallische, von den LEDs elektrisch isolierte Schicht ausgebildet, die einen guten Wärmeübergang zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper gewährleistet.
Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer LED-Anordnung hoher Dichte die Wärmeableitung nach hinten unterstützt werden muß. Zusätzlich sorgt die metallische Schicht für eine Wärmeleitung parallel zur Leiterbahnebene. Dies ist beispielsweise bei Lunkern in der Laminierung vorteilhaft, um einen Wärmetransport zu anderen Klebestellen zu ermöglichen.
Vorzugsweise enthält die rückseitige metallische Schicht der Leiterplatte Kupfer oder ein anderes Metall mit guter Wärme­ leitfähigkeit. Weiterhin kann diese Schicht beispielsweise mäanderförmig sein, um die Flexibilität der Leiterplatte zu erhalten.
Der Kühlkörper kann z. B. aus Kupfer oder Aluminium oder aus einem Kühlblech bestehen und die Leiterplatte wird vorzugs­ weise mit einer Wärmeleitpaste, einem Wärmeleitkleber, einer Wärmeleitfolie oder dergleichen auf ihm befestigt. Auf seiner Rückseite soll er eine möglichst gute Wärmeabstrahlung ermög­ lichen. Zu diesem Zweck kann er beispielsweise schwarz ange­ strichen sein und/oder Kühlrippen und/oder eine rauhe Ober­ fläche aufweisen.
Ferner sollte die Leiterplatte möglichst dünn sein, da das Kunststoffmaterial, aus dem sie aufgebaut ist, im allgemeinen die Wärme schlecht leitet. Die Leiterplatte kann zum Beispiel eine flexible Leiterplatte sein. Die flexible Leiterplatte ist in der Regel aus einem flexiblen Kunststoff hergestellt. Sie kann beispielsweise aus einer Polyester- oder Polyimidfo­ lie bestehen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung soge­ nannter, an sich im Stand der Technik bekannter Flexboards. Diese Flexboards sind im allgemeinen mehrlagige Leiterplat­ ten, die homogen aus einer Mehrzahl von Polyimidträgerfolien aufgebaut sind.
Weiterhin sollten die Kupferpads um die Lötflächen der mit SMT-Montagetechnik aufgebrachten LEDs so groß wie möglich sein, um den Wärmepfad durch das Leiterplattenmaterial zu verbreitern, bevor die Wärme zur Rückseite der Leiterplatte fließt.
In modifizierten Ausführungsformen wird ein Kühlkörper einer bestimmten dreidimensionalen Form verwendet und eine bereits oben beschriebene flexible Leiterplatte wird auf die solcher­ maßen verformte oder gekrümmte Oberfläche des Kühlkörpers auflaminiert. Dadurch können aufgrund bestimmter Vorgaben räumlich geformte LED-Module hergestellt werden. Ein LED-Mo­ dul kann z. B. als Blinker, Rücklicht, Bremsleuchte oder der­ gleichen platzsparend an die Außenkontur des Fahrzeugs ange­ paßt werden. Ein besonders praktisches Ausführungsbeispiel dieser Art ist eine Rundumleuchte, bei der LED-Arrays auf Flexboards um einen zylindrischen Kühlkörper laminiert wer­ den.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer grundlegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Leiterplatte einer oberflächenmontierten LED-Anordnung an einen Kühlkörper befe­ stigt wird;
Fig. 2A bis C modifizierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit unterschiedlichen Formen von Kühlkörpern.
Die in Fig. 1 dargestellte grundlegende Ausführungsform ent­ hält eine Leiterplatte 1, auf der eine Mehrzahl LEDs 2 durch Oberflächenmontagetechnik aufgebracht sind. Dabei weist die Leiterplatte 1 in bekannter Weise eine Schaltung auf, die an definierten Stellen Anschlußflächen für die Montage der LEDs aufweist. Diese Anschlußflächen werden beispielsweise in ei­ nem SMD-Bestückungsautomaten mit Lötaugen versehen und in ei­ nem anschließenden Montageschritt werden die LEDs 2 mit ihren elektrischen Kontakten 2a an diese Anschlußflächen angelötet.
Die Leiterplatte 1 kann dabei eine starre Leiterplatte, bei­ spielsweise vom Typ FR4 sein und ist demnach im wesentlichen aus einem Epoxidharzmaterial aufgebaut. Sie kann aber auch eine flexible Leiterplatte wie ein oben beschriebenes Flex­ board sein. Die Leiterplatte 1 wird mit einem Wärmeleitkleber auf einen Kühlkörper 3 auflaminiert, der aus einem Kühlblech besteht oder aus einem anderen Metall wie Kupfer oder Alumi­ nium gefertigt ist und damit eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Die der Leiterplatte 1 abgewandte Seite des Kühlkörpers 3 ist vorzugsweise derart gestaltet, daß die Wärmeabgabe an die Um­ gebung maximiert wird. Zu diesem Zweck ist diese Oberfläche geschwärzt und/oder mit Kühlrippen versehen und/oder mit ei­ ner anderen geeigneten Oberflächenstruktur oder -aufrauhung ausgeführt.
In Fig. 2A bis C ist gezeigt, wie die Erfindung vorteilhaft genutzt werden kann, um bestimmte dreidimensionale Leuchtkör­ per herzustellen. In allen gezeigten Fällen wird zunächst ein Kühlkörper 3 mit einer gewünschten Form bereitgestellt, bei der eine Oberfläche durch Aufbringen einer LED-Anordnung als Leuchtfläche ausgebildet werden soll. Sodann wird eine flexi­ ble Leiterplatte 1 wie ein Flexboard, welches mit einem Array von LEDs 2 versehen ist, auf den Kühlkörper 3 auflaminiert.
Fig. 2A zeigt beispielsweise in einer Seitenansicht eine be­ liebige Krümmung eines Kühlkörpers 3, die besonders vorteil­ haft für eine Fahrzeugaußenbeleuchtung wie einen Blinker, ein Rücklicht oder eine Bremsleuchte und dergleichen verwendet werden kann, da sie platzsparend an die Außenkontur des Fahr­ zeugs angepaßt werden kann.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2B ist ein achsialer Quer­ schnitt einer Rundumleuchte dargestellt, wie sie beispiels­ weise bei Einsatzfahrzeugen verwendet werden kann. Bei der Rundumleuchte der Fig. 2B ist das mit einem Array aus LEDs 2 versehene Flexboard 1 um einen wie ein Rohr geformten zylin­ drischen, hohlen Kühlkörper 3 laminiert. In diesem Ausfüh­ rungsbeispiel können zusätzlich die achsenparallel verlaufen­ den LEDs des Arrays zu Strängen zusammengefaßt sein, die nacheinander im Uhrzeigersinn (siehe Pfeil) betrieben werden, so daß ein umlaufendes Licht erzeugt wird. Zu einem Zeitpunkt können dabei ein Strang oder eine bestimmte Anzahl benachbar­ ter Stränge gleichzeitig betrieben werden. Die LEDs 2 können zudem zur Bündelung des abgestrahlten Lichts mit Linsen 4 versehen sein. Diese Ausführungsform hat den großen Vorteil, daß praktisch alle mechanischen Teile wegfallen, die bisher für Rundumleuchten konventioneller Bauart notwendig sind. Ge­ wünschtenfalls kann der zylindrische Kühlkörper 3 auch noch zur weiteren Verbesserung der Wärmeabfuhr von einem Gas wie Luft oder einer geeigneten Kühlflüssigkeit durchströmt wer­ den.
In Fig. 2C ist in einer perspektivischen Ansicht eine dreidi­ mensional gewölbte Lichthaube dargestellt. Die Lichthaube weist eine regelmäßige Form mit einer oberen Fläche und vier schräggestellten Seitenflächen auf, von denen jeweils zwei Seitenflächen achsensymmetrisch zueinander angeordnet sind. In der Darstellung der Fig. 2C ist der Kühlkörper selbst nicht sichtbar, da er vollständig von dem Flexboard 1 abgedeckt ist. Das Flexboard 1 weist eine der Flächen des Kühlkörpers entsprechende Anzahl von Sektoren auf, in denen jeweils eine Vielzahl von zu einem Array angeordneten LEDs 2 montiert sind. Die LEDs 2 können gewünschtenfalls mit Linsen zur Bün­ delung des abgestrahlten Lichts versehen sein. Eine derartige Lichthaube kann für Beleuchtungszwecke aller Art eingesetzt werden.

Claims (17)

1. Oberflächenmontierte LED-Anordnung mit
einer Leiterplatte (1),
einer Mehrzahl von LEDs (2), die auf einer Hauptfläche der Leiterplatte (1) angeordnet sind, und
einem Kühlkörper (3), der mit der von den LEDs (2) abgewand­ ten Seite der Leiterplatte (1) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Leiterplatte (1) auf ihrer dem Kühlkörper (3) zugewandten Hauptfläche mit einer metallischen Schicht versehen ist, die von den LEDs (2) elektrisch isoliert ist.
2. LED-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (1) eine flexible Leiterplatte, insbesondere ein Flexboard ist.
3. LED-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht Kupfer oder anderes Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit enthält.
4. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht eine mäanderartige laterale Struktur aufweist.
5. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (3) aus Metall, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium oder einem Blech besteht.
6. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der Leiterplatte (1) abgewandte Oberfläche des Kühl­ körpers (3) geschwärzt ist und/oder Kühlrippen und/oder eine Oberflächenaufrauhung aufweist.
7. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die LEDs (2) mit Linsen (4) versehen sind.
8. Oberflächenmontierte LED-Anordnung mit
einer Leiterplatte (1) und
einer Mehrzahl von LEDs (2), die auf einer Hauptfläche der Leiterplatte (1) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Leiterplatte (1) eine flexible Leiterplatte, insbesondere ein Flexboard ist, die mit ihrer von den LEDs (2) abgewandten Seite auf eine gekrümmte oder ein- oder mehrfach abgewinkelte Oberfläche eines Kühlkörpers (3) oder eines thermisch gut leitenden Teilbereichs eines Gerätegehäuses oder einer Autokarosserie aufgebracht ist, derart, daß die Mehrzahl von LEDs (2) in einer von der gekrümmten oder ein- oder mehrfach abgewinkelten Oberfläche des Kühlkörpers (3) vorgegebenen räumlichen Form angeordnet sind, und
die Leiterplatte (1) auf ihrer dem Kühlkörper (3) zugewandten Hauptfläche mit einer metallischen Schicht versehen ist, die von den LEDs (2) elektrisch isoliert ist.
9. LED-Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht Kupfer oder anderes Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit enthält.
10. LED-Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht eine mäanderartige laterale Struktur aufweist.
11. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (3) aus Metall, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium oder einem Blech besteht.
12. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die der Leiterplatte (1) abgewandte Oberfläche des Kühl­ körpers (3) geschwärzt ist und/oder Kühlrippen und/oder eine Oberflächenaufrauhung aufweist.
13. LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die LEDs (2) mit Linsen (4) versehen sind.
14. Verwendung einer LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einer Beleuchtungseinrichtung.
15. Verwendung einer LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einer Außenbeleuchtung eines Kraftfahrzeugs wie einem Blinker, einem Rücklicht oder einer Bremsleuchte, bei der der Kühlkörper (3) eine an die Außenkontur des Kraftfahr­ zeugs angepaßte Krümmung aufweist oder ein Oberflächen- Teilbereich einer Autokarosserie ist.
16. Verwendung einer LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einer Beleuchtungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung eine Rundumleuchte ist, und der Kühlkörper (3) ein zylindrischer Hohlkörper ist, an dessen Außenwand die Leiterplatte (1) angebracht ist.
17. Verwendung einer LED-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einer Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Beleuchtungseinrichtung achsenparallel verlaufende LEDs des Arrays elektrisch zu Strängen zusammengefaßt sind, die nacheinander umlaufend betrieben werden können.
DE19922176A 1999-05-12 1999-05-12 Oberflächenmontierte LED-Mehrfachanordnung und deren Verwendung in einer Beleuchtungseinrichtung Expired - Lifetime DE19922176C2 (de)

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