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DE19931689A1 - Optoelektronische Bauteilgruppe - Google Patents

Optoelektronische Bauteilgruppe

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Abstract

Eine Optoelektronische Bauteilgruppe weist mindestens zwei LEDs (2) auf, die auf einem Träger (3) montiert sind. Der Träger besteht aus einem Material mit einer Wärmeleitfähikeit von besser als 1 W/Kxm, beispielsweise Keramik oder Verbundmaterial.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Optoelektronische Bauteilgruppe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um LED-Arrays, die flächig angeordnet sind, beispielsweise um Flächenleuchten.
Stand der Technik
Aus der WO 99/07023 ist bereits ein Optoelektronische Bauteilgruppe bekannt, bei dem ein Chip-Träger zum Zwecke der Wärmeableitung äußere Verbindungsteile aufweist. Diese Anordnung ist allerdings sehr aufwendig, teuer und raumgreifend.
Aus der EP-A 99 100 352.6 ist eine Flächenleuchte mit gemeinsamen Träger be­ kannt, auf dem mehrere LEDs ein flächiges Array bilden. Bei der EP-A 900 971 wird als Träger eine Glasplatte verwendet, auf der auch Leiterbahnen angebracht sind.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optoelektronische Bauteilgruppe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine gute Wär­ meableitung auf einfache, kostensparende und platzsparende Weise realisiert.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Da sich LEDs erwärmen, ist darauf zu achten, die Wärmebelastung möglichst gering zu halten. Dieses Problem tritt besonders dann auf, wenn mehrere LEDs zu einem Strang, wie beispielsweise bei einer Lampe, oder einem Array, wie beispielsweise bei einer Flächenleuchte, zusammengefaßt sind. Bisher mußte immer darauf ge­ achtet werden, daß die Packungsdichte der LEDs nicht zu eng gewählt wird. Der bisher übliche Mindestabstand beträgt 8 bis 10 mm (also etwa 1 LED/cm2), um die gegenseitige Erwärmung so gering wie möglich zu halten. Eine zu starke Erwär­ mung, über die Junktion-Temperatur des LED-Chips hinaus, führt nämlich zu einer Verkürzung der Lebensdauer bis hin zur Zerstörung. Der bisherige relativ große Mindestabstand garantiert, daß jede LED nur ihre Eigenwärme verkraften muß. Um trotzdem eine homogen ausgeleuchtete Fläche zu erzeugen, werden bisher Re­ flektoren eingesetzt. Außerdem wird eine Streuscheibe als Abdeckung aufgebracht. Diese Teile erfordern zusätzliche Kosten.
Erfindungsgemäß wird jetzt als Träger für die LEDs enthaltende Bauteilgruppe ein Material verwendet, das eine gute Wärmeableitung (besser als das herkömmliche Leiterplattenmaterial, wie FR 1 bis 4 oder CEM 1) besitzt. Hierzu eignet sich insbe­ sondere ein Keramiksubstrat wie es an sich in der Halbleiterindustrie schon bekannt ist (auf Basis von Aluminiumoxid oder auch AIN), nichtleitendes Cermet oder Ver­ bundmaterial. Darunter ist sowohl ein Material, gemischt aus zwei Komponenten (beispielsweise Epoxidharz mit anorganischem Füllmaterial), als auch ein Material mit Schichtenaufbau (beispielsweise Keramik als obere Schicht (Aluminiumoxid) und Metall (Aluminium) als untere Schicht).
Dadurch kann jetzt teilweise oder sogar vollständig auf Reflektoren verzichtet wer­ den, je nach dem gewünschten Grad an Homogenität. Es ist bei relativ großem Ab­ stand (3 bis 5 mm) der LEDs voneinander vorteilhaft, auch weiterhin als Abdeckung eine Streuscheibe zu verwenden. Je nach Anwendung ist eine Abdeckung ohnehin ratsam oder u. U. sogar Vorschrift. Jedoch ist die Streuscheibe nicht mehr unbedingt erforderlich, da der Abstand der LEDs zueinander wegen der guten Wärmeableitung sehr klein gewählt werden kann, insbesondere unter 2 mm, bis hin zu Werten von etwa 1 mm.
Insgesamt erfolgt erfindungsgemäß die Wärmeableitung im wesentlichen über das Trägermaterial. Die Packungsdichte der LEDs läßt sich dadurch erhöhen. Statt 1 LED/cm2 sind jetzt Packungsdichten bis typisch 4 LED/cm2 und höher möglich.
Im einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung eine Optoelektronische Bauteilgrup­ pe, die auf einem Träger montiert ist, und die mindestens zwei benachbarte LEDs mit einem vorgegebenen Abstand (a) sowie zugehörige Verbindungsleitungen um­ faßt, wobei der Träger aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von besser als 1 W/K×m, insbesondere von mindestens 1,5 W/K×m, besteht.
Bevorzugt besteht der Träger aus einem Material, das mittels SMD-Technik be­ stückbar ist. Insbesondere besteht der Träger aus einem Material, das aus der Gruppe Keramik, nichtleitendes Cermet, Kunststoff und/oder Verbundmaterial aus­ gewählt ist, wobei auf dem Träger weitere, insbesondere elektronische Bestandteile aufintegriert sein können.
Bei geeigneter Wahl des Materials läßt sich auf dem Träger mindestens eine weite­ re Komponente befestigen. Diese Komponente kann eine elektronische Schaltung, insbesondere eine integrierte Schaltung oder komplette Ansteuerschaltung, oder eine bis mehrere LEDs sein. Eine derartige Bauteilgruppe kann insbesondere Be­ standteil einer Flächenleuchte oder Lampe sein.
Die LEDs auf dem Träger sind meist regelmäßig angeordnet. Beispielsweise bilden sie einen Strang oder ein Array, mit vorgegebenem Abstand (a bzw. b) in den Zeilen bzw. Spalten. Der Zeilen- und Spaltenabstand kann insbesondere gleich groß sein.
Wesentliche Konsequenz der geeigneten Wahl des Trägermaterials ist der deutlich verkürzte Abstand zwischen zwei benachbarten LEDs. Er beträgt höchstens 5 mm, bevorzugt weniger als 2 mm.
Für spezielle Anwendungen kann der Träger auf einem weiteren wärmeableitenden Material, insbesondere einem separaten Wärmeblech oder Karosserieteil eines Fahrzeugs, montiert sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Bauhöhe der Gruppe klei­ ner 10 mm, was vor allem für Flächenleuchten von wesentlicher Bedeutung ist.
Eine weitere Ausführungsform ist eine Optoelektronische Bauteilgruppe, die auf einem Träger montiert ist, und die mindestens zwei benachbarte LEDs, die vonein­ ander beabstandet sind, sowie zugehörige Verbindungsleitungen umfaßt. Der Trä­ ger besteht aus einem ausreichend gut wärmeableitenden Material, um ohne Be­ schränkung des spezifizierten Durchlaßstroms der LEDs (beispielsweise 70 mA bei TOPLED) und ohne weitere Hilfsmittel wie beispielsweise Kühlflossen einen Ab­ stand zwischen benachbarten LEDs von höchstens 5 mm, bevorzugt weniger als 2 mm, zu realisieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Trägermaterial auf ande­ re Wärmeableiter montiert (beispielsweise separates Wärmeblech), so daß die Wärmeableitung zusätzlich verbessert wird. Insbesondere gilt dies beim Einsatz der Bauteilgruppe als Heckleuchte für Fahrzeuge, wobei Karosserieteile aus Blech die Funktion des zusätzlichen Wärmeableiters übernehmen können.
Durch diese Montagemöglichkeit können die LEDs jetzt bis zur obersten physika­ lisch möglichen Grenze, der Junktion-Temperatur, belastet werden. Andererseits läßt sich auch die Leuchtdichte erhöhen, weil der Durchlaßstrom IF (forward current) der LED angehoben werden kann.
Ein entscheidender Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß auf dem gut wärme­ leitenden Träger, insbesondere ein Keramikträger, zusätzlich auch weitere Bauteile oder Komponenten aufgebaut werden können und insbesondere sogar mit den LEDs integriert werden können, insbesondere elektronische Schaltungen. Bei­ spielsweise eignet sich Keramikmaterial gut als Basis zur Aufintegration von inte­ grierten Schaltungen. Derartige Schaltungen werden ohnehin für viele Anwendun­ gen benötigt, beispielsweise handelt es sich um Schutzschaltungen, Überwa­ chungsfunktionen und Schnittstellen zu Bussystemen.
Als Konsequenz ist eine extrem hohe Kompaktifizierung möglich. Damit läßt sich beispielsweise der Kabelbaum im Auto auf eine Datenleitung und eine Versor­ gungsleitung reduzieren. In diesem Fall ist die Ansteuerschaltung auf den (Kera­ mik)-träger mit aufgebracht.
Figuren
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher er­ läutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Flächenleuchte mit LEDs;
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flächenleuchte, bei der eine Schaltung integriert ist.
Beschreibung der Zeichnungen
In Fig. 1 ist eine Bauteilgruppe 1 gezeigt, die aus einem rechteckigen Array von weißen LEDs 2 besteht, die eine homogene Ausleuchtung einer Fläche ermögli­ chen. Die zugehörigen Verbindungsleitungen (4) sind stark vereinfacht dargestellt. Als LEDs werden nach vorne abstrahlende LEDs (beispielsweise SMT TOPLED von Siemens) verwendet. Der gemeinsame Träger 3 besteht beispielsweise aus einem keramischen Material, wie Aluminiumoxid, oder aus einem Verbundmaterial wie HITT Plate der Fa. DENKA Chemicals. Letzteres besteht aus einer unteren Schicht Aluminium, einer thermisch leitenden oberen dielektrischen Schicht aus Epoxidharz (typisches Leiterplattenmaterial) mit anorganischen Füllbestandteilen sowie evtl. lokal aus einer dünnen Deckschicht aus Kupfer. Die nachfolgende Tabelle zeigt ei­ nen Vergleich der Wärmeleitfähigkeit verschiedener Substanzen (bei 20°C).
Tabelle 1
Geeignet sind alle elektrisch isolierenden Stoffe mit entsprechend hoher Wärme­ leitfähigkeit von mindestens 1 W/K×m, bevorzugt 1,5 W/K×m, insbesondere minde­ stens 3 W/K×m (Keramik oder Epoxidharz mit anorganischem Füllmaterial, jeweils insbesondere mit möglichst geringer Porosität), nicht jedoch elektrisch leitende Stoffe wie Metalle, da sonst Kurzschlüsse auftreten würden. Bei Verbundmaterialien ist wichtig, daß zumindest die Oberfläche, die den LEDs zugewandt ist, elektrisch isolierend ist (abgesehen evtl. von einer lokalen leitenden Deckschicht).
Die LEDs 2 sind in SMD-Technik auf den Träger aufgelötet, der eine rechteckige Grundform besitzt.
Zusatzkomponenten wie Reflektoren werden nicht benötigt, weil der Abstand der LEDs voneinander an jeder Seite des rechteckigen Gehäuses nur 1,5 mm beträgt.
In Fig. 2 ist eine weitere Flächenleuchte 5 gezeigt, bei der außer einem Array von LEDs 6 auch eine integrierte Schaltung 7 auf der den Träger 8 bildenden Platine aus Keramik aufgebracht ist. Um hier eine homogene Ausstrahlung zu gewährlei­ sten, ist die Abdeckung 9 als Streuscheibe ausgeführt. Diese Leuchte hat eine Grundfläche von etwa 4 × 3 cm2.
Wegen des engen Abstands a (Zeilenabstand) bzw. b (Spaltenabstand) zwischen den LEDs läßt sich die Bauhöhe des Gehäuses der Leuchte drastisch reduzieren und zwar um etwa 30 bis 50%, verglichen mit konventioneller Technik. Denn es be­ steht in etwa ein linearer Zusammenhang zwischen dem seitlichen Abstand und der Bauhöhe. Bei einem seitlichen Abstand von 10 mm muß in etwa eine Bauhöhe von 15 mm eingehalten werden, während bei einem Abstand von a = 5 mm und b = 4 mm die Bauhöhe auf ca. 7 mm reduziert werden kann.

Claims (13)

1. Optoelektronische Bauteilgruppe, die auf einem Träger (3) montiert ist, und die min­ destens zwei benachbarte LEDs (2) mit einem vorgegebenen Abstand (a) sowie zu­ gehörige Verbindungsleitungen (4) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Trä­ ger (3) aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von besser als 1 W/K×m, insbesondere von mindestens 1,5 W/K×m, besteht.
2. Optoelektronische Bauteilgruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem Material besteht, das mittels SMD-Technik bestückbar ist.
3. Optoelektronische Bauteilgruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem Material besteht, das aus der Gruppe Keramik, nichtleitendes Cermet, Kunststoff und/oder Verbundmaterial ausgewählt ist.
4. Optoelektronische Bauteilgruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger mindestens eine weitere Komponente (7) befestigt ist.
5. Optoelektronische Bauteilgruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente eine elektronische Schaltung, insbesondere eine integrierte Schaltung oder komplette Ansteuerschaltung, oder eine LED ist.
6. Optoelektronische Bauteilgruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteilgruppe Bestandteil einer Flächenleuchte oder Lampe ist.
7. Optoelektronische Bauteilgruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger mehrere LEDs (2) regelmäßig angeordnet sind.
8. Optoelektronische Bauteilgruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die LEDs (2) einen Strang oder ein Array bilden, mit vorgegebenem Abstand (a bzw. b) in den Zeilen bzw. Spalten.
9. Optoelektronische Bauteilgruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten LEDs höchstens 5 mm, bevorzugt weni­ ger als 2 mm, beträgt.
10. Optoelektronische Bauteilgruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger auf einem weiteren wärmeableitenden Material, insbesondere einem se­ paraten Wärmeblech oder Karosserieteile eines Fahrzeugs, montiert ist.
11. Optoelektronische Bauteilgruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger weitere, insbesondere elektronische Bestandteile aufintegriert sind.
12. Optoelektronische Bauteilgruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauhöhe der Gruppe kleiner 10 mm ist.
13. Optoelektronische Bauteilgruppe, die auf einem Träger (3) montiert ist, und die min­ destens zwei benachbarte LEDs (2), die voneinander beabstandet sind, sowie zu­ gehörige Verbindungsleitungen (4) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Trä­ ger (3) aus einem ausreichend gut wärmeableitenden Material besteht, um ohne Beschränkung des spezifizierten Durchlaßstroms der LEDs und ohne weitere Hilfs­ mittel einen Abstand zwischen benachbarten LEDs von höchstens 5 mm, bevorzugt weniger als 2 mm zu realisieren.
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