DE102007023918A1 - Beleuchtungseinheit - Google Patents
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- Y10S362/80—Light emitting diode
Abstract
Beleuchtungseinheit mit einem flächenförmigen Trägerteil (3), auf dem beidseitig jeweils auf einer Hauptfläche (1, 2) eine Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (6), insbesondere Hochleistungs-Leuchtdioden, angeordnet sind, und auf jeder Seite des Trägerteils (3) jeweils ein Kühlkörper (4, 5) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, - dass jedes der Halbleiterbauelemente (6) mittels eines Wärmeleitmittels (16), das durch eine Durchbrechung (17) des Trägerteils (3) hindurchgeführt ist, gut wärmeleitend mit einem auf der gegenüberliegenden Seite des Trägerteils (3) vorgesehenen Kühlkörper (4, 5) verbunden ist und - dass an jedem Kühlkörper (4, 5) zumindest ein Reflektor (18) ausgebildet ist, der eine reflektierende Oberfläche (7) aufweist, welche die Lichtemission eines Halbleiterbauelementes (6) bündelt, welches auf der diesem Kühlkörper zugewandten Seite des Trägerteils (3) angeordnet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit mit einem flächenförmigen Trägerteil, auf dem beidseitig jeweils eine Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen, insbesondere Hochleistungs-Leuchtdioden, angeordnet sind, und auf jeder Seite des Trägerteils jeweils ein Kühlkörper vorgesehen ist.
- Stand der Technik
- Es ist bekannt, dass bei Kraftfahrzeugen verschiedene Beleuchtungseinrichtungen, wie beispielsweise Blinkleuchten eingesetzt werden, bei denen sowohl in eine vordere als auch in eine rückwärtige Richtung Licht ausgestrahlt wird. Als lichtemittierende Bauelemente werden heutzutage auch Halbleiterbauelemente, insbesondere Hochleistungs-Leuchtdioden (LED) eingesetzt, wie sie beispielsweise aus der
DE 101 17 889 A1 bekannt sind. Die Leistungsaufnahme dieser Hochleistungs-LED's liegt meist zwischen 1 bis 3 W oder höher, was besondere Vorkehrung zur Wärmeabfuhr erforderlich macht. Üblicherweise werden diese Hochleistungs-Leuchtdioden auf zwei getrennten Leiterplatten angeordnet. Die Bündelung der Strahlung erfolgt bei bekannten Vorrichtungen jeweils über separate Reflektoren auf der Vorderseite bzw. auf der Rückseite. Um die bei Betrieb anfallende Wärme abzuleiten, ist bekannt, zwischen den Leiterplatten einen Kühlkörper vorzusehen. Diese ist aber aufwändig und erfordert ein entsprechendes Bauvolumen. - Aus der
DE 199 22 176 C2 ist eine oberflächenmontierte LED-Anordnung bekannt, bei der eine Leiterplatte mit ihrer den LED's abgewandten Seite auf einem Kühlkörper angebracht ist, wodurch die Wärmeableitung nach hinten unterstützt wird. Diese Konstruktion ermöglicht aber nur eine Abstrahlung des Lichtes in eine Richtung. - Darstellung der Erfindung
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Beleuchtungseinheit, bei der eine Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen auf beiden Hauptflächen eines flächenförmigen Trägerteils angeordnet sind, auf möglichst einfache Weise eine verbesserte Wärmeableitung zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
- Bei einer Beleuchtungseinheit mit einem flächenförmigen Trägerteil, auf dem beidseitig jeweils eine Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen, insbesondere Hochleistungs-Leuchtdioden, angeordnet sind, und bei der auf jeder Seite des Trägerteils jeweils ein Kühlkörper vorgesehen ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
- – dass jedes Halbleiterbauelement mittels eines Wärmeleitmittels, das durch eine Durchführung des Trägerteils hindurchgeführt ist, gut wärmeleitend mit einem, an der dem Halbleiterbauelement gegenüberliegenden Seite des Trägerteils vorgesehenen Kühlkörper verbunden ist, und
- – dass an jedem der Kühlkörper zumindest ein Reflektor ausgebildet ist, der eine reflektierende Oberfläche aufweist, welche die Lichtemission eines Halbleiterbauelementes bündelt, welches auf der diesem Kühlkörper zugewandten Seite des Trägerteils angeordnet ist.
- Dadurch wird von einem Bauteil sowohl die Funktion der Kühlung, als auch die Funktion der Bündelung der Lichtstrahlen erbracht. Dies vereinfacht die Konstruktion erheblich. Verglichen mit bislang bekannten Konstruktionen entfallen die Kosten für die zweite Leiterplatte und die Kosten separater Reflektoren. Die Beleuchtungseinheit benötigt insgesamt ein vergleichsweise geringes Bauvolumen und hat ein vergleichsweise geringeres Gewicht auf. Die direkte Wärmeabfuhr auf einen Kühlkörper, der auf der gegenüberliegenden Seite des Trägerteils vorgesehen ist, hat den Vorteil, dass eine vergleichsweise größere Wärmeübergangsfläche genutzt werden kann. Im Ergebnis können die Hochleistungs-Leuchtdioden mit einem höheren Strom betrieben werden, wodurch eine größere optische Leistung gezielt werden kann.
- Das Trägerteil kann eine herkömmliche Leiterplatte, beispielsweise eine starre FR4 Leiterplatte oder ein ebenes Keramiksubstrat sein. Das Trägerteil kann aber auch gekrümmt durch eine flexible Leiterplatte, beispielsweise aus Polyimid, gebildet werden. Je nach Ausbildung des Trägerteils kann das zum Transport der Wärme auf die gegenüberliegende Seite des Trägerteils dienende Wärmeleitmittel unterschiedlich ausgeführt sein, zum Beispiel bei einem starren, plattenförmigen Träger durch herkömmliche Durchkontaktierung oder durch ein metallisches Einsatzteil, das in einer Durchbrechung der Trägerplatte oberflächenbündig eingesetzt ist. Für die Ausbildung der reflektierenden Oberfläche stehen verschiedene Oberflächenbehandlungsverfahren zur Verfügung, wie beispielsweise das Aufbringen einer spiegelnden Hochglanzschicht.
- Es kann von Vorteil sein, wenn jedem auf einer Hauptfläche angeordneten Halbleiterbauelement jeweils ein Reflektor zugeordnet ist, der an einem, zu dieser Hauptfläche benachbart liegenden Kühlkörper ausgebildet ist.
- Für eine kostengünstige Fertigung kann es günstig sein, wenn jeder Kühlkörper und jeder an diesem Kühlkörper ausgebildete Reflektor einstückig und materialeinheitlich aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff, z. B. einem Metall hergestellt ist. Dadurch lässt sich dieses integrale Bauteil, das sowohl zur Kühlung der Halbleiterbauelemente als auch zur Lenkung des ausgestrahlten Lichts dient, in großen Stückzahlen, beispielsweise in Spritzgusstechnik kostengünstig herstellen.
- Für die Bündelung der Lichtstrahlen in eine gewünschte Strahlrichtung kann der Reflektor beispielsweise als sphärischer Konkavspiegel oder als Parabolidspiegel ausgebildet sein, in dessen Brennebene ein zugeordnetes, lichtemittierendes Halbleiterbauelement angeordnet ist.
- Eine kostengünstige Ausführung mit effizienter Wärmeabfuhr kann so ausgeführt sein, dass das Trägerteil eine Leiterplatte ist, auf der die Halbleiterbauelemente, – gesehen in einer Sicht durch die Ebene der Leiterplatte hindurch –, jeweils gleich beabstandet angeordnet sind. Der Versatz zwischen den Bauelementen auf der Vorderseite und denen auf der Rückseite begünstigt den Wärmetransport auf den Kühlkörper der jeweils gegenüberliegenden Seite des Trägerteils.
- Der Wärmetransport durch die Leiterplatte hindurch kann mit Vorteil als thermische Durchkontaktierung, sogenannte "thermal vias" ausgebildet sein. Diese "thermal vias" bestehen aus mit Lot gefüllten Bohrungen und werden im Herstellungsprozess einer Leiterplatte weitgehend wie elektrische Durchkontaktierungen gehandhabt. Sie liegen mit einem Ende am Halbleiterbauelement an und sind am anderen Ende mit einer wärmeleitenden Schicht verbunden, die auf der gegenüberliegenden Hauptfläche des Trägerteils ausgebildet ist. Die wärmeleitende Schicht kann z. B. eine Cu-Schicht sein.
- Hinsichtlich eines geringen Gewichts ist es günstig, wenn jeder Kühlkörper als Formkörper ausgebildet ist, der Abstützteile aufweist, die in einem zusammengebauten Zustand jeweils auf einer dieser wärmeleitenden Schichten abgestürzt sind.
- Ein besonders kompakter Aufbau lässt sich erreichen, wenn die Halbleiterbauelemente in Oberflächenmontage auf den Hauptflächen des Trägerteils montiert sind.
- Eine gute thermische Entkopplung zwischen LED's auf der Vorder- und Rückseite lässt sich dadurch erreichen, indem jedes auf einer der Hauptflächen montierte Halbleiterbauelement durch einen Ringspalt von dem dieser Hauptfläche zugewandten Kühlkörper beabstandet ist. Wenn die LED's der Vorder- und Rückseite nicht gleichzeitig betrieben werden, ist dadurch die Betriebstemperatur geringer.
- Für eine Blinkleuchte bei einem KFZ kann eine Beleuchtungseinrichtung vorteilhaft sein, bei der an jedem der Kühlkörper mehrere Reflektoren so ausgebildet sind, dass sich benachbarte Strahlungscharakteristik überlappt.
- Hinsichtlich der Wärmeabfuhr kann es vorteilhaft sein, wenn bei einem Kühlkörper der Reflektor und die Kühlrippen materialeinheitlich ausgebildet sind und die Kühlrippen in Strahlungsrichtung sich erstrecken.
- Je nach gewünschter Lichtintensität kann eine unterschiedliche Anzahl von LED's auf der Vorder- bzw. -Rückseite des Trägerteils vorteilhaft sein.
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
- Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug genommen aus denen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
- Es zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit in einem zusammengebauten Zustand in einer Vorderansicht; -
2 eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit in einem zusammengebauten Zustand in einer Rückansicht; -
3 die erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit, gesehen von oben; -
3 die erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit, dargestellt in einer Explosionszeichnung, gesehen von schräg unten; -
5 die erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit in einer Schnittzeichnung; -
6 eine vergrößerte Darstellung des Details X der5 . - Ausführung der Erfindung
- Die
1 und die2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung in einer räumlichen Darstellung als Vorder- bzw. Rückansicht. Die Beleuchtungseinrichtung ist insgesamt mit dem Bezugszeichen12 gekennzeichnet. Sie besteht im vorliegenden Beispiel im Wesentlichen aus einer Leiterplatte3 , die beidseitig mit Hochleistungs-Leuchtdioden6 bestückt ist und nach Art eines Sandwichs zwischen zwei Kühlkörper4 ,5 mittels Befestigungsschrauben20 zusammengehalten ist. Jeder Kühlkörper besitzt Kühlrippen8 . Diese Kühlrippen8 zeigen jeweils in Strahlungsrichtung der Reflektoren18 , die an jedem Kühlkörper4 bzw.5 ausgebildet sind. Der Kühlkörper4 bzw.5 bildet mit dem jeweiligen Reflektor18 eine bauliche Einheit, welche jeweils die Doppelfunktion der Wärmeableitung und der Lichtstrahl-Lenkung erfüllt. Die Kühlkörper4 bzw.5 sind in diesem Beispiel als Spritzgussformkörper aus einem Metall hergestellt und auf einem Gestell13 angeordnet. - Wie am besten aus der auseinander gezogenen Darstellung der
3 bzw. der4 zu erkennen ist, weist jeder Kühlkörper4 ,5 jeweils ein Abstützteil10 bzw.11 auf. Jedes dieser Abstützteile10 bzw.11 diente zur Entwärmung der jeweils gegenüberliegenden Hochleistungs-Leuchtdiode, was im Folgenden näher erläutert ist:
In einem zusammengebauten Zustand kommt jedes Abstützteil10 des Kühlkörpers4 mit einer Wärmeleitfläche14 , im vorliegenden Fall eine Cu-Schicht, in Berührung, die auf der Hauptfläche1 der Leiterplatte3 ausgebildet ist. Wie aus3 leicht zu ersehen ist, befinden sich auf der Hauptfläche1 zwei dieser wärmeleitenden Schichten14 . Die wärmeleitenden Schichten14 sind wiederum mit den vier auf der zweiten Hauptfläche2 (siehe4 ) der Leiterplatte3 angeordneten vier Hochleistungs-Leuchtdioden6 durch "thermal vias" gut wärmeleitend verbunden. Auf diese Weise wird die bei Betrieb der vier LED's anfallende Wärme zum Kühlkörper4 , der der ersten Hauptfläche1 zugewandt ist, übertragen und von dort an den Außenraum abgeleitet. - Dementsprechend kommt in einem zusammengebauten Zustand jedes Abstützteil
11 des rückwärtigen Kühlkörpers5 mit einer Wärmeleitfläche15 , die am besten aus4 zu erkennen ist, zur Anlage. Die wärmeleitende Schicht15 ist wieder eine Cu-Schicht die in an sich bekannter Weise auf der zweiten Hauptfläche2 der Leiterplatte3 ausgebildet ist. Auf der Rückseite2 sind drei dieser wärmeleitenden Schichten15 ausgebildet. Jede dieser Schichten15 ist jeweils mit einem Paar der sechs Hochleistungs-Leuchtdioden6 (siehe3 ) auf der Vorderseite1 der Leiterplatte3 thermisch verbunden. Die thermische Verbindung erfolgt wieder durch sogenannte "thermal vias". In einem zusammengebauten Zustand werden diese sechs, auf der Vorderseite1 der Leiterplatte3 angeordneten Hochleistungs-Leuchtdioden6 vom rückwärtigen Kühlkörper5 entwärmt. - Mit anderen Worten ausgedrückt, jede Hochleistungs-Leuchtdiode der einen Seite, wird von einem, auf der anderen Seite angeordneten Kühlkörper entwärmt, der gleichzeitig Reflektor für LED's ist, die auf der ihm zugewandten Hauptfläche angeordnet sind.
- Dieses erfindungsgemäße Entwärmungskonzept ist in
5 in einer Schnittzeichnung dargestellt. Die Zeichnung zeigt im Schnitt zwei Hochleistungs-Leuchtdioden6 auf der zweiten Hauptfläche2 der Leiterplatte3 . Die anfallende elektrische Verlustleistung wird durch die Leiterplatte3 hindurch (siehe Detail X der6 ) auf ein dahinter liegendes Abstützteil10 des Kühl-Formkörpers4 übertragen, dessen Oberfläche die Wärme an die Umgebungsluft abgibt. - In der
6 ist das Detail X der5 vergrößert dargestellt. Die LED6 ist in Oberflächenmontage auf der zweiten Hauptfläche2 der Leiterplatte3 gelötet. Die Leiterplatte3 weist mehrere als Bohrungen ausgebildete Durchbrechungen17 auf. Diese Bohrungen17 sind mit Lot gefüllt und bilden eine thermische Durchkontaktierung16 . Mit ihrer Rückseite liegt die LED6 an diesen metallisch gefüllten Durchkontaktierungen16 an, wodurch die bei Betrieb in der LED6 erzeugte Wärme nach rückwärts zunächst auf die wärmeleitende Cu-Schicht14 geleitet wird. Auf der wärmeleitenden Schicht14 ist ein Abstützteil10 eines Kühlkörper4 abgestützt, der die in der LED6 erzeugte Wärme ableitet. Wie bereits eingangs erwähnt, ist anstelle der thermischen Durchkontaktierung16 auch ein metallisches Einlegeteil in einem Durchbruch der Leiterplatte3 denkbar. - Zum Zwecke der thermischen Entkopplung ist zwischen der LED
6 und dem Kühlkörper5 , der der zweiten Hauptfläche2 zugewandt sind, ein Ringspalt19 ausgebildet. Ein entsprechender Ringspalt19 ist auch zwischen den LED's auf der ersten Hauptfläche1 und dem Kühlkörper4 ausgebildet (1 ). -
- 1
- erste Hauptfläche
- 2
- zweite Hauptfläche
- 3
- Trägerteil
- 4
- Kühlkörper
auf
1 - 5
- Kühlkörper
auf
2 - 6
- Hochleistungs-Leuchtdiode (LED)
- 7
- reflektierende Oberfläche
- 8
- Kühlrippen
- 9
- 10
- Abstützteil
- 11
- Abstützteil
- 12
- Beleuchtungseinheit
- 13
- Gestell
- 14
- wärmeleitende
Schicht auf
1 - 15
- wärmeleitende
Schicht auf
2 - 16
- thermische Durchkontaktierung
- 17
- Durchbrechung
- 18
- Reflektor
- 19
- Spalt
- 20
- Befestigungsschrauben
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10117889 A1 [0002]
- - DE 19922176 C2 [0003]
Claims (12)
- Beleuchtungseinheit mit einem flächenförmigen Trägerteil (
3 ), auf dem beidseitig jeweils auf einer Hauptfläche (1 ,2 ) eine Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterbauelementen (6 ), insbesondere Hochleistungs-Leuchtdioden, angeordnet sind, und auf jeder Seite des Trägerteils (3 ) jeweils ein Kühlkörper (4 ,5 ) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, – dass jedes der Halbleiterbauelemente (6 ) mittels eines Wärmeleitmittels (16 ), das durch eine Durchbrechung (17 ) des Trägerteils (3 ) hindurchgeführt ist, gut wärmeleitend mit einem auf der gegenüberliegenden Seite des Trägerteils (3 ) vorgesehenen Kühlkörper (4 ,5 ) verbunden ist, und – dass an jedem Kühlkörper (4 ,5 ) zumindest ein Reflektor (18 ) ausgebildet ist, der eine reflektierende Oberfläche (7 ) aufweist, welche die Lichtemission eines Halbleiterbauelementes (6 ) bündelt, welches auf der diesem Kühlkörper zugewandten Seite des Trägerteils (3 ) angeordnet ist. - Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der auf einer Hauptfläche (
1 ,2 ) angeordneten Halbleiterbauelemente (6 ) jeweils ein Reflektor (18 ) zugeordnet ist, der an einem dieser Hauptfläche zugewandten Kühlkörper (4 ,5 ) ausgebildet ist. - Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder an einem der Kühlkörper (
4 ,5 ) ausgebildete Reflektor (18 ) mit diesem Kühlkörper einstückig und materialeinheitlich aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist. - Beleuchtungseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Reflektor (
18 ) als Teil eines sphärischen Konkavspiegels ausgebildet ist, in dessen Brennebene ein zugeordnetes Halbleiterbauelement (6 ) angeordnet ist. - Beleuchtungseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem der Kühlkörper (
4 ,5 ) mehrere Reflektoren (18 ) so ausgebildet sind, dass sich eine benachbarte Strahlungscharakteristik überlappt. - Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerteil (
3 ) eine Leiterplatte ist, auf der die Halbleiterbauelemente (6 ), gesehen in einer Sicht durch die Ebene der Leiterplatte hindurch, gleich beabstandet angeordnet sind. - Beleuchtungseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmittel als thermische Durchkontaktierungen (
16 ) ausgebildet ist, welche jeweils an einem Ende mit einem Halbleiterbauelement (6 ) und am gegenüberliegenden Ende mit einer wärmeleitenden Schicht (14 ,15 ), die auf der, diesem Halbleiterbauelement (6 ) gegenüberliegenden Hauptfläche des Trägerteils (3 ) ausgebildet ist, verbunden ist. - Beleuchtungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zusammengebauten Zustand auf jeder wärmeleitenden Schicht (
14 ,15 ) jeweils zumindest ein Abstützteil (10 ,11 ) eines einer Schicht (14 ,15 ) zugewandten Kühlkörpers (4 ,5 ) abgestüzt ist. - Beleuchtungseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterbauelemente (
6 ) in Oberflächenmontage auf den Hauptflächen (1 ,2 ) des Trägerteils (3 ) montiert sind. - Beleuchtungseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der auf einer Hauptfläche (
1 ,2 ) montierten Halbleiterbauelemente (6 ) jeweils durch einen Spalt (19 ) von dem dieser Hauptfläche (1 ,2 ) zugewandten Kühlkörper (4 ,5 ) beabstandet ist. - Beleuchtungseinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kühlkörper (
4 ,5 ) Kühlrippen (8 ) aufweist. - Beleuchtungseinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Halbleiterbauelemente (
6 ) auf der ersten Hauptfläche (1 ) unterschiedliche zur Anzahl der Halbleitebauelemente (6 ) auf der zweiten Hauptfläche (2 ) ist.
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