WO2014056834A1 - Verfahren zur herstellung einer lichterzeugungseinheit - Google Patents

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Arnold and Richter KG
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a light-generating unit and to a light-generating unit produced by the method.
  • a light generating unit for a surface light which consists of several light emitting diodes with a cooling surface and connecting lines, a metal core printed circuit board with cable runs and a heat sink.
  • the printed circuit board on breakthroughs, protrude through the dome-like fingers of the arranged on the opposite side of the circuit board heat sink and are thermally connected to the cooling surfaces of the light-emitting diodes. The heat emitted by the LEDs heat is thus forwarded via the cooling surface and the dome-like fingers of the heat sink to cooling fins, which emit the heat emitted by the LEDs heat to the environment.
  • High power light generating units such as headlights
  • special circuit boards such as metal core printed circuit boards are used as printed circuit boards for producing the electrical connections of the light emitting diodes, which have unilaterally arranged cable runs for electrical connection to the light emitting diodes.
  • These printed circuit boards which are provided with an aluminum or copper core, are expensive and can be of high quality throw thermal load, so that there is a risk of interrupting the connection of the terminal electrodes of the light emitting diodes with the line trains and thus a failure of the light generating unit.
  • a lighting device of a motor vehicle with at least one light-emitting diode is known, which is arranged on a heat-conducting body or Heatslug, which is connected to a heat sink.
  • the heat-conducting body has on its side facing the heat sink side a recess which receives a pin of the heat sink, wherein the recess and the pin are formed such that in a deactivated operating state of the lighting device, the recess can receive the pin accurately.
  • the present invention has for its object to provide a method of the type mentioned, with a light generating unit (light engine) of a solid composite of several light emitting diodes, a circuit board for the electrical connection of the LEDs with a voltage source and / or control device and a metallic base for heat dissipation with little effort with optimum thermal connection of the LEDs and the metallic base and optimum electrical connection of the LEDs with the tracks of the circuit board can be produced.
  • a light generating unit light engine of a solid composite of several light emitting diodes
  • a circuit board for the electrical connection of the LEDs with a voltage source and / or control device
  • a metallic base for heat dissipation with little effort with optimum thermal connection of the LEDs and the metallic base and optimum electrical connection of the LEDs with the tracks of the circuit board can be produced.
  • the solution according to the invention provides a method for producing a light generating unit from a solid composite of a plurality of light emitting diodes, a printed circuit board for the electrical connection of the light emitting diodes with a voltage source and / or control device and a metallic base for heat dissipation, which is characterized by a low manufacturing and material costs and an optimal thermal connection of the light-emitting diodes and the metallic base as well as optimum electrical connection of the light-emitting diodes with the conductor tracks of the printed circuit board is characterized.
  • a metallic base is structured by means of depth etching such that project at the locations of the openings of the circuit board support domes with a flat support surface for receiving the flat contact surfaces of the heat dissipation of the light emitting diodes of the circuit board facing top of the metallic base, the centering pins are facing on the circuit board Top of the metallic base attached,
  • the circuit board with the centering holes is attached to the centering pins of the metallic base
  • the circuit board is pressed with the metallic base and
  • planar contact surfaces of the electrically insulating choirableit stresses the LEDs are soldered to the support domes.
  • the solution according to the invention enables the use of a cost-effective printed circuit board made of cost-effective material such as FR3, FR4 or CEM-3 in standard technology and a favorable production of the heat sink as Alugussteil with good thermal conductivity.
  • a cost-effective printed circuit board made of cost-effective material such as FR3, FR4 or CEM-3 in standard technology and a favorable production of the heat sink as Alugussteil with good thermal conductivity.
  • the light emitting diodes with Heatslug the light emitting diodes can be connected directly metallic without insulation to the heat sink or the rear wall of a light generating unit receiving housing.
  • the support domes form a stop for the circuit board, wherein the pins connected to the metallic base are inserted through holes in the circuit board.
  • the trained as SMD components LEDs can be soldered in the reflow soldering to the plateau bearing surface of the support domes by solder paste by means of a dispenser, by stencil or screen printing, by means of solder preforms or is applied by electroplating.
  • solder paste by means of stencil or screen printing
  • the centering pins must first be shortened by, for example, predetermined breaking points being attached to the centering pins or by removing the centering pins from corresponding receptacles for the centering pins in the cooling body.
  • the light generating unit can be produced by using as metallic base a metal plate, in particular a copper or aluminum plate, which is structured by means of depth etching such that, according to the number and arrangement of recesses in the printed circuit board under the heat dissipation elements of the light emitting diode stand out of the metal plate.
  • the circuit board is pressed with the metal plate by means of prepreg in a multilayer press and coated the press connection of the circuit board with the prepreg and the metal plate with tin as a soldering surface.
  • a light generating unit produced by the manufacturing method according to the invention consists of a plurality of light emitting diodes, a printed circuit board with a breakthrough below each light emitting diode and conduction paths for electrically connecting the light emitting diodes with a voltage source and / or control device and a metallic base used with Auflagedomen in the openings and with a Contact surface of the light emitting diodes is connected, wherein the light emitting diodes have an electrically insulating heat conducting body (Heatslug), which is directly connected to a plateau-shaped bearing surface of the support domes of the metallic base.
  • Heatslug electrically insulating heat conducting body
  • the LEDs could directly metallic without insulation with the heat sink or the rear wall of a Light generating unit receiving housing connected and an inexpensive circuit board in standard technology can be used.
  • Fig. 6 is a longitudinal section through part of a light generating unit with a plate-shaped metallic base, one by means of prepreg with the metallic
  • Fig. 1 shows a perspective view of a printed circuit board 3 for a light generating unit with a plurality of light-emitting diodes.
  • the standardized single or multilayer printed circuit board 3 for the wiring of the light-emitting diodes or light generating unit consists of a cost-effective material such as FR3, FR4, CEM-3 and has on its upper side 30 arranged conductor tracks or cable runs 34 for connecting to be arranged on the circuit board 3 light-emitting diodes with a voltage source or a control device and a plurality of - in this embodiment four - apertures 31 and two diametrically opposed centering holes 32, 33 on.
  • the conductor tracks 34 made of an electrically conductive material such as copper are applied in a conventional manner on the top 30 of the circuit board 3 and the rectangular or square openings 31 punched or milled.
  • the centering holes 32, 33 are used for pre-centering in the connection of the printed circuit board 3 with a heat sink and are drilled through the printed circuit board 3.
  • the apertures 31 are located at the locations on the printed circuit board 3 at which the light-emitting diodes are arranged in a later process step and connected to a contact surface with support domes protruding through the apertures 31 for heat dissipation, while the electrodes of the light-emitting diodes are soldered to the conductor tracks 34.
  • SMD surface-mounted device
  • the wires provided with leads in which the leads are passed through mounting holes and soldered to the back of a circuit board, have no wire connections, but by means of solderable Pads are soldered directly to the circuit board 3 to form a printed circuit board in surface mounting technology.
  • solderable Pads soldered directly to the circuit board 3 to form a printed circuit board in surface mounting technology.
  • Fig. 2 also shows a perspective view of a heat sink 4 of the light generating unit, which has a flat top 40 and cooling fins 45 and consists for example of die-cast aluminum.
  • a heat sink 4 of the light generating unit which has a flat top 40 and cooling fins 45 and consists for example of die-cast aluminum.
  • From the top 40 of the heat sink 4 are four support domes 41 with a flat, plateau-shaped bearing surface 42 and two diametrically arranged centering pins 43, 44 from.
  • the centering pins 43, 44 can be used either in receiving holes of the heat sink 4 or integrally formed from the top 40 of the heat sink 4 projecting.
  • the support domes 41 are formed by corresponding recesses in a die casting mold or by deep etching from the top surface 40 at the locations so that they remain below the heat sinks of the light emitting diodes.
  • planar support surfaces 42 of the support domes 41 of the heat sink 4 are coated with a solderable material 6, in particular with tin.
  • the heat sink 4 is pressed with the circuit board 3, wherein the support domes 41 act as a stop, so that a continuous flat support surface of the flat bearing surfaces 42 of the support domes 41 and the top 30 of the circuit board 3 for the bathableit stresses (Heatslug) of the LEDs results.
  • the press fit between the printed circuit board 3 and the heat sink 4 can be made via additionally mounted pins, the centering pins 43, 44 of the heat sink 4, by means of special retaining pins or a combination of these three types of connection.
  • FIG. 5 shows a perspective view of the complete light-generating unit 1, which is completed by soldering the light-emitting diodes 2 designed as SMD components in the reflow soldering process.
  • solder in the form of solder paste on the circuit board 3 by means of stencil printing, dispenser, by Lotformmaschine (preforms) or galvanically applied before the assembly of the circuit board 3 with the light emitting diodes 2.
  • the use of solder paste has the advantage that the solder paste is sticky, so that the LEDs at Keep the assembly directly to the soldering paste and do not have to be glued separately.
  • the populated light-emitting diodes center themselves on the landing pads due to the surface tension and settle.
  • centering pins 43, 44 When applying the solder paste by means of stencil or screen printing, it is necessary to previously shorten the centering pins 43, 44, preferably by predetermined breaking points on the centering pins 43, 44 are provided.
  • the centering pins 43, 44 may be designed to be removable, by being arranged, for example, in corresponding receptacles in the heat sink 4.
  • the light-emitting diodes 2 After equipping the light-emitting diodes 2 are soldered onto the printed circuit board 3 or Auflagedome 41, so that the heat dissipation of the light-emitting diodes 2 a good heat-conducting connection with the Auflagedomen 51st In this case, the reflow soldering process has prevailed for the upper side 30 of the printed circuit board 3, while SMD components are glued on the underside 35 of the printed circuit board 3 and soldered in the wave or wave bath.
  • the completed light generating unit 1 is then placed in the housing of a headlamp or a surface light and combined with corresponding optical elements such as reflectors, lenses and the like.
  • FIG. 6 shows a longitudinal section through an alternative light-generating unit produced according to the manufacturing method according to the invention, in which, instead of a heat sink 4 as a metallic base, a plate-shaped metal base 5 made of copper or aluminum is used.
  • the support domes 51 with a flat contact surface 52 are produced by deep etching and protrude through apertures 31 of a single- or double-sided printed circuit board 3 in accordance with the exemplary embodiment of a light-generating device described above in FIGS. 1 to 5 and close flush with the upper side 30 with their flat support surface 52 the circuit board 3 from.
  • prepreg 7 is arranged and is pressed as an intermediate layer between the circuit board 3 and the metal base 5, for example in a multilayer press.
  • Prepreg refers to a semi-finished product which consists of continuous fibers and an uncured thermosetting plastic matrix and is machine-processable, so that a uniform and high quality results.
  • LEDs 2 are placed so that the politiciansableit stresses 20 of the LEDs 2 enters a good heat conducting connection with the Auflagedomen 51, if in the final process step, the light emitting diodes. 2
  • the above-described reflow soldering to the circuit board 3 and the metal base 5 after solder paste has been applied.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Lichterzeugungseinheit 1 werden in eine Leiterplatte 3 mit Leitungsbahnen 34 Durchbrüche 31 zur Aufnahme von elektrisch isolierenden Wärmeableitelementen 20 der Leuchtdioden 2 gestanzt und Zentrierlöcher zur Aufnahme von Zentrierstiften gebohrt, wird eine metallische Basis 5 mittels Tiefenätzen derart strukturiert wird, dass an den Orten der Durchbrüche 31 der Leiterplatte 3 Auflagedome 51 für die Wärmeableitkörper 20 der Leuchtdioden 2 abstehen, werden die Zentrierstifte auf der Oberseite der metallischen Basis 5 angebracht, wird die Leiterplatte 3 auf die metallische Basis 5 aufgesteckt und die Leiterplatte 3 mit der metallischen Basis 5 verpresst und werden die Kontaktflächen der Wärmeableitkörper 20 der Leuchtdioden 2 auf die Auflagedome 51 aufgelötet.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Lichterzeugungseinheit
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lichterzeugungseinheit und eine nach dem Verfahren hergestellte Lichterzeugungseinheit.
Aus der DE 10 2005 059 198 A1 ist eine Lichterzeugungseinheit für eine Flächenleuchte bekannt, die aus mehreren Leuchtdioden mit einer Kühlfläche und Anschlussleitungen, einer Metallkern-Leiterplatte mit Leitungszügen und einem Kühlkörper besteht. Unterhalb der Leuchtdioden weist die Leiterplatte Durchbrüche auf, durch die domartige Finger des auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte angeordneten Kühlkörpers ragen und mit den Kühlflächen der Leuchtdioden thermisch verbunden sind. Die von den Leuchtdioden abgegebene Wärme wird somit über die Kühlfläche und die domartigen Finger des Kühlkörpers an Kühlrippen weitergeleitet, die die von den Leuchtdioden abgegebene Wärme an die Umgebung abstrahlen. Bei erforderlicher elektrischer Isolierung, insbesondere einer leitenden Verbindung der Kühlflächen der Leuchtdioden mit der Anode oder Katode der Leuchtdioden wird eine Schicht aus elektrisch isolierendem, aber gut Wärme leitenden Material zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper oder zwischen den Leuchtdioden und der Leiterplatte, insbesondere zwischen den Kühlflächen der Leuchtdioden und den durch die Durchbrüche ragenden domartigen Fingern des Kühlkörpers vorgesehen.
Lichterzeugungseinheiten großer Leistung, wie beispielsweise Scheinwerfer, sind mit einer erheblichen thermischen Belastung der Komponenten der Lichterzeugungseinheit verbunden. Wegen der hohen thermischen Belastung werden daher als Leiterplatten zur Herstellung der elektrischen Verbindungen der Leuchtdioden spezielle Leiterplatten wie Metallkern-Leiterplatten eingesetzt, die einseitig angeordnete Leitungszüge für die elektrische Verbindung mit den Leuchtdioden aufweisen. Diese mit einem Aluminiumoder Kupferkern versehenen Leiterplatten sind teuer und können sich bei hoher thermischer Belastung werfen, so dass die Gefahr einer Unterbrechung der Verbindung der Anschlusselektroden der Leuchtdioden mit den Leitungszügen und damit eines Ausfalls der Lichterzeugungseinheit besteht. Aus der DE 20 2010 005 819 U1 ist eine Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einer Leuchtdiode bekannt, die auf einem Wärmeleitkörper oder Heatslug angeordnet ist, der mit einem Kühlkörper verbunden ist. Der Wärmeleitkörper weist auf seiner zum Kühlkörper zeigenden Seite eine Aussparung auf, die einen Zapfen des Kühlkörpers aufnimmt, wobei die Aussparung und der Zapfen derart ausgebildet sind, dass in einem deaktivierten Betriebszustand der Beleuchtungseinrichtung die Aussparung den Zapfen passgenau aufnehmen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem eine Lichterzeugungseinheit (Light engine) aus einem festen Verbund mehrerer Leuchtdioden, einer Leiterplatte für die elektrische Verbindung der Leuchtdioden mit einer Spannungsquelle und/oder Steuereinrichtung und einer metallischen Basis zur Wärmeabfuhr mit geringem Aufwand bei optimaler thermischer Verbindung der Leuchtdioden und der metallischen Basis sowie optimaler elektrischer Verbindung der Leuchtdioden mit den Leiterbahnen der Leiterplatte herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Lichterzeugungseinheit aus einem festen Verbund mehrerer Leuchtdioden, einer Leiterplatte für die elektrische Verbindung der Leuchtdioden mit einer Spannungsquelle und/oder Steuereinrichtung und einer metallischen Basis zur Wärmeabfuhr bereit, das sich durch einen geringen Herstellungs- und Materialaufwand und eine optimale thermische Verbindung der Leuchtdioden und der metallischen Basis sowie optimaler elektrischer Verbindung der Leuchtdioden mit den Leiterbahnen der Leiterplatte auszeichnet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Lichterzeugungseinheit mit mehreren Leuchtdioden werden in eine ein- oder mehrlagige Leiterplatte mit Leitungsbahnen zur elektrischen Verbindung der Leuchtdioden mit einer Spannungsquelle und/oder Steuereinrichtung Durchbrüche zur Aufnahme von elektrisch isolierenden Wärmeableitelementen (Heatslugs) mit einer ebenen Kontaktfläche der Leuchtdioden gestanzt oder gefräst und Zentrierlöcher zur Aufnahme von
Zentrierstiften gebohrt,
wird eine metallische Basis mittels Tiefenätzen derart strukturiert, dass an den Orten der Durchbrüche der Leiterplatte Auflagedome mit einer ebenen Auflagefläche zur Aufnahme der ebenen Kontaktflächen der Wärmeableitkörper der Leuchtdioden von der der Leiterplatte zugewandten Oberseite der metallischen Basis abstehen, werden die Zentrierstifte auf der der Leiterplatte zugewandten Oberseite der metallischen Basis angebracht,
wird die Leiterplatte mit den Zentrierlöchern auf die Zentrierstifte der metallischen Basis aufgesteckt,
- wird die Leiterplatte mit der metallischen Basis verpresst und
werden die ebenen Kontaktflächen der elektrisch isolierenden Wärmeableitkörper der Leuchtdioden auf die Auflagedome aufgelötet.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht den Einsatz einer kostengünstigen Leiterplatte aus kostengünstigem Material wie FR3, FR4 oder CEM-3 in Standardtechnik und eine günstige Herstellung des Kühlkörpers als Alugussteil mit guter Wärmeleitfähigkeit. Durch den Einsatz von Leuchtdioden mit Heatslug können die Leuchtdioden direkt metallisch ohne Isolierung mit dem Kühlkörper oder der Rückwand eines die Lichterzeugungseinheit aufnehmenden Gehäuses verbunden werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind den Unteransprüchen 2 bis 1 1 zu entnehmen.
Beim Verpressen der Leiterplatte mit der metallischen Basis kann der Presssitz über die Zentrierstifte oder spezielle Haltestifte sowie durch eine Kombination dieser Stifte hergestellt werden und einerseits eine flache Auflagefläche für die Kontaktflächen der Leuchtdioden gebildet und andererseits ein Luftspalt zwischen der Unterseite der Leiterplatte und der Oberseite der metallischen Basis zum Toleranzausgleich vorgesehen werden. Daraus ergibt sich bei einfacher Bestückung der Leiterplatte mit Leuchtdioden die Voraussetzung für ein zweiseitiges Layout der Leiterplatte und die Verwendung des Zwischenraums für die Anordnung von Bauelementen der Lichterzeugungseinheit bei der Verwendung von zwei- oder mehrlagigen Leiterplatten.
Dabei bilden die Auflagedome einen Anschlag für die Leiterplatte aus, wobei die mit der metallischen Basis verbundene Stifte durch Bohrungen der Leiterplatte gesteckt werden.
Die als SMD-Bauteile ausgebildeten Leuchtdioden können im Reflow-Lötverfahren auf die plateauförmige Auflagefläche der Auflagedome aufgelötet werden, indem Lötpaste mittels eines Dispensers, mittels Schablonen- bzw. Siebdrucks, mittels Lötformteile oder galvanisch aufgetragen wird. Bei Auftragung der Lötpaste mittels Schablonen- bzw. Siebdruck müssen die Zentrierstifte zuvor gekürzt werden, indem beispielsweise Sollbruchstellen an den Zentrierstiften angebracht werden oder indem die Zentrierstifte aus entsprechenden Aufnahmen für die Zentrierstifte im Kühlkörper herausgenommen werden.
Alternativ kann die Lichterzeugungseinheit dadurch hergestellt werden, dass als metallische Basis eine Metallplatte, insbesondere eine Kupfer- oder Aluminiumplatte, verwendet wird, die mittels Tiefenätzen derart strukturiert wird, dass entsprechend der Anzahl und Anordnung von Ausnehmungen in der Leiterplatte unter den Wärmeableitelementen der Leuchtdiode Auflagedome von der Metallplatte abstehen. Anschließend wird die Leiterplatte mit der Metallplatte mittels Prepreg in einer Multilayerpresse verpresst und die Pressverbindung der Leiterplatte mit dem Prepreg und der Metallplatte mit Zinn als Lötoberfläche beschichtet. Eine nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellte Lichterzeugungseinheit besteht aus mehreren Leuchtdioden, einer Leiterplatte mit einem Durchbruch unterhalb jeder Leuchtdiode und Leitungsbahnen zur elektrischen Verbindung der Leuchtdioden mit einer Spannungsquelle und/oder Steuereinrichtung und aus einer metallischen Basis, die mit Auflagedomen in die Durchbrüche eingesetzt und mit einer Kontaktfläche der Leuchtdioden verbunden ist, wobei die Leuchtdioden einen elektrisch isolierenden Wärmeleitkörper (Heatslug) aufweisen, der unmittelbar mit einer plateauförmigen Auflagefläche der Auflagedome der metallischen Basis verbunden ist.
Bei der erfindungsgemäßen Lichterzeugungseinheit könne die Leuchtdioden direkt metallisch ohne Isolierung mit dem Kühlkörper oder der Rückwand eines die Lichterzeugungseinheit aufnehmenden Gehäuses verbunden und eine kostengünstige Leiterplatte in Standardtechnik eingesetzt werden.
Vorteilhafte, weiterführende Merkmale der nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellten Lichterzeugungseinheit sind den Merkmalen der Patentansprüche 13 bis 21 zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Lichterzeugungseinheit mit mehreren Leuchtdioden sowie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Lichterzeugungseinheiten werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen: eine perspektivische Darstellung einer Leiterplatte mit Ausstanzungen bzw. Fräsungen und Zentrierlöchern; eine perspektivische Darstellung eines Kühlkörpers mit plateauförmigen Auflagedomen und Zentrierstiften; eine perspektivische Darstellung des Kühlkörpers gemäß Fig. 2 mit auf den Auflageflächen der plateauförmigen Auflagedome aufgebrachter lötfähiger Beschichtung; eine perspektivische Darstellung des mit der Leiterplatte verpressten Kühlkörpers; eine perspektivische Darstellung der mit der Leiterplatte und dem Kühlkörper verbundenen Leuchtdioden und
Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen Teil einer Lichterzeugungseinheit mit einer plattenförmigen metallischen Basis, einer mittels Prepreg mit der metallischen
Basis verpressten Leiterplatte und einer über einen Durchbruch der Leiterplatte aufgesetzten und mit einem durch den Durchbruch ragenden plateauförmigen Auflagedom der metallischen Basis verbundenen Leuchtdiode. Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Leiterplatte 3 für eine Lichterzeugungseinheit mit mehreren Leuchtdioden. Die standardisierte ein- oder mehrlagige Leiterplatte 3 für die Verdrahtung der Leuchtdioden bzw. Lichterzeugungseinheit besteht aus einem kostengünstigen Material wie FR3, FR4, CEM-3 und weist auf ihrer Oberseite 30 angeordnete Leitungsbahnen bzw. Leitungszüge 34 zur Verbindung von auf der Leiterplatte 3 anzuordnenden Leuchtdioden mit einer Spannungsquelle bzw. einer Steuereinrichtung und mehrere - in diesem Ausführungsbeispiel vier - Durchbrüche 31 sowie zwei diametral zueinander angeordnete Zentrierlöcher 32, 33 auf. Die Leitungsbahnen 34 aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Kupfer werden in üblicher Weise auf die Oberseite 30 der Leiterplatte 3 aufgebracht und die rechteckförmigen bzw. quadratischen Durchbrüche 31 ausgestanzt bzw. ausgefräst. Die Zentrierlöcher 32, 33 dienen der Vorzentrierung bei der Verbindung der Leiterplatte 3 mit einem Kühlkörper und werden durch die Leiterplatte 3 hindurchgebohrt.
Die Durchbrüche 31 befinden sich an den Stellen auf der Leiterplatte 3, an denen in einem späteren Verfahrensschritt die Leuchtdioden angeordnet und mit einer Kontaktfläche mit durch die Durchbrüche 31 ragende Auflagedomen zur Wärmeabfuhr verbunden werden, während die Elektroden der Leuchtdioden mit den Leitungsbahnen 34 verlötet werden.
Als Leuchtdioden 3 werden bevorzugt oberflächenmontierte Bauelemente (SMD - surface-mounted device) eingesetzt, die im Gegensatz zu den mit Anschlußdrähten versehenen Bauelementen, bei denen die Anschlussdrähte durch Bestückungslöcher geführt und auf der Rückseite einer Leiterplatte verlötet werden, keine Drahtanschlüsse aufweisen, sondern mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf die Leiterplatte 3 zur Bildung einer Flachbaugruppe in Oberflächen-Montagetechnik aufgelötet werden. Dadurch wird der Platzbedarf der Leuchtdioden verringert und die Herstellung der Lichterzeugungseinheiten wesentlich kostengünstiger.
Fig. 2 zeigt ebenfalls in einer perspektivischen Darstellung einen Kühlkörper 4 der Lichterzeugungseinheit, der eine ebene Oberseite 40 sowie Kühlrippen 45 aufweist und beispielsweise aus Aluminium-Druckguss besteht. Von der Oberseite 40 des Kühlkörpers 4 stehen vier Auflagedome 41 mit ebener, plateauförmiger Auflagefläche 42 sowie zwei diametral zueinander angeordnete Zentrierstifte 43, 44 ab. Die Zentrierstifte 43, 44 können wahlweise in Aufnahmebohrungen des Kühlkörpers 4 eingesetzt oder einstückig von der Oberseite 40 des Kühlkörpers 4 abstehend ausgebildet sein. Die Auflagedome 41 werden durch entsprechende Ausnehmungen in einer Druckgussform oder durch Tiefenätzen aus der Oberseite 40 an den Orten herausgeformt, so dass sie unterhalb der Wärmeableitelemente der Leuchtdioden stehen bleiben.
Im darauffolgenden, in Fig. 3 schematisch dargestellten Verfahrensschritt werden die ebenen Auflageflächen 42 der Auflagedome 41 des Kühlkörpers 4 mit einem lötfähigen Material 6, insbesondere mit Zinn, beschichtet.
Im anschließenden Verfahrensschritt wird entsprechend der perspektivischen Darstellung der Fig. 4 der Kühlkörper 4 mit der Leiterplatte 3 verpresst, wobei die Auflagedome 41 als Anschlag wirken, so dass sich eine durchgehend flache Auflagefläche aus den ebenen Auflageflächen 42 der Auflagedome 41 und der Oberseite 30 der Leiterplatte 3 für die Wärmeableitkörper (Heatslug) der Leuchtdioden ergibt.
Der Presssitz zwischen der Leiterplatte 3 und dem Kühlkörper 4 kann über zusätzlich angebrachte Stifte, die Zentrierstifte 43, 44 des Kühlkörpers 4, mittels spezieller Haltestifte oder einer Kombination aus diesen drei Verbindungsarten hergestellt werden.
Wie der Darstellung gemäß Fig. 4 zu entnehmen ist, ergibt sich beim Verpressen der Leiterplatte 3 mit dem Kühlkörper 4 zwischen der Unterseite 35 der Leiterplatte 3 und der Oberseite 40 des Kühlkörpers 4 ein Luftspalt 8 zum Toleranzausgleich, der bei zwei- oder mehrlagigen Leiterplatten auch zur Aufnahme von Bauteilen der Lichterzeugungseinheit genutzt werden kann.
Fig. 5 zeigt in perspektivischer Darstellung die vollständige Lichterzeugungseinheit 1 , die durch Auflöten der als SMD-Bauelemente ausgebildeten Leuchtdioden 2 im Reflow- Lötverfahren komplettiert wird.
Hierzu wird vor der Bestückung der Leiterplatte 3 mit den Leuchtdioden 2 Weichlot in Form von Lötpaste auf die Leiterplatte 3 mittels Schablonendruck, Dispenser, durch Lotformteile (Preforms) oder galvanisch aufgetragen. Im darauffolgenden Schritt werden die als SMD-Bauteile ausgebildeten Leuchtdioden 2 bestückt, wobei die Verwendung von Lötpaste den Vorteil aufweist, dass die Lötpaste klebrig ist, so dass die Leuchtdioden bei der Bestückung direkt an der Lötpaste halten und nicht gesondert aufgeklebt werden müssen. Beim nachfolgenden Aufschmelzen des verbleiten Weichlots zentrieren sich die bestückten Leuchtdioden durch die Oberflächenspannung auf den Landepads und setzen sich ab.
Beim Auftragen der Lötpaste mittels Schablonen- oder Siebdrucks ist es erforderlich, die Zentrierstifte 43, 44 zuvor zu kürzen, vorzugsweise indem Sollbruchstellen an den Zentrierstiften 43, 44 vorgesehen werden. Alternativ könne die Zentrierstifte 43, 44 herausnehmbar gestaltet werden, indem diese beispielsweise in entsprechende Aufnahmen im Kühlkörper 4 angeordnet werden.
Nach dem Bestücken werden die Leuchtdioden 2 auf die Leiterplatte 3 bzw. Auflagedome 41 aufgelötet, so dass die Wärmeableitkörper der Leuchtdioden 2 eine gut wärmeleitende Verbindung mit den Auflagedomen 51 . Dabei hat sich für die Oberseite 30 der Leiterplatte 3 das Reflow-Lötverfahren durchgesetzt, während SMD-Bauteile auf der Unterseite 35 der Leiterplatte 3 werden aufgeklebt und im Wellen- oder Schwallbad gelötet werden.
Die fertig gestellte Lichterzeugungseinheit 1 wird anschließend in dem Gehäuse eines Scheinwerfers oder einer Flächenleuchte angeordnet und mit entsprechenden optischen Elementen wie Reflektoren, Linsen und dergleichen kombiniert.
Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch eine nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellte alternative Lichterzeugungseinheit, bei der anstelle eines Kühlkörpers 4 als metallische Basis eine plattenförmige Metallbasis 5 aus Kupfer oder Aluminium verwendet wird.
Die Auflagedome 51 mit ebener Auflagefläche 52 werden durch Tiefenätzung hergestellt und ragen entsprechend dem in den Fig. 1 bis 5 vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel einer Lichterzeugungseinrichtung durch Durchbrüche 31 einer ein- oder doppelseitigen Leiterplatte 3 hindurch und schließen mit ihrer ebenen Auflagefläche 52 bündig mit der Oberseite 30 der Leiterplatte 3 ab. Zwischen der Unterseite 35 der Leiterplatte 3 und der Oberseite der Metallbasis 5 ist Prepreg 7 angeordnet und wird als Zwischenlage zwischen der Leiterplatte 3 und der Metallbasis 5 beispielsweise in einer Multilayerpresse verpresst. Prepreg bezeichnet ein Halbzeug, das aus Endlosfasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix besteht und maschinell verarbeitbar ist, so dass sich eine gleichmäßige und hohe Qualität ergibt.
Auf die ebenen Auflageflächen 52 und angrenzenden Flächenbereiche der Oberseite 30 der Leiterplatte 3 werden die als SMD-Bauteile ausgebildeten Leuchtdioden 2 aufgesetzt, so dass der Wärmeableitkörper 20 der Leuchtdioden 2 eine gut wärmeleitende Verbindung mit den Auflagedomen 51 eingeht, wenn im abschließenden Verfahrensschritt die Leuchtdioden 2 beispielsweise durch Anwendung des vorstehend beschriebenen Reflow- Lötverfahrens mit der Leiterplatte 3 und der Metallbasis 5 verbunden werden, nachdem Lötpaste aufgebracht wurde.
Bezugszeichenliste
1 Lichterzeugungseinheit
2 Leuchtdioden
3 Leiterplatte
4 Kühlkörper
5 plattenförmige Metallbasis
6 lötfähiges Material (Zinn)
7 Prepreg
8 Luftspalt
20 Wärmeableitkörper
30 Oberseite der Leiterplatte
31 Durchbrüche
32, 33 Zentrierlöcher
34 Leitungsbahnen
35 Unterseite der Leiterplatte
40 Oberseite des Kühlkörpers
41 Auflagedome
42 ebene Auflagefläche
43, 44 Zentrierstifte
45 Kühlrippen
51 Auflagedome
52 ebene Auflagefläche

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung einer Lichterzeugungseinheit mit mehreren Leuchtdioden, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine ein- oder mehrlagige Leiterplatte (3) mit Leitungsbahnen (34) zur elektrischen Verbindung der Leuchtdioden (2) mit einer Spannungsquelle und/oder Steuereinrichtung,
in die Leiterplatte (3) Durchbrüche (31 ) zur Aufnahme von elektrisch isolierenden Wärmeableitelementen (Heatslug 20) mit einer ebenen Kontaktfläche der Leuchtdioden (2) gestanzt oder gefräst und Zentrierlöcher (32, 33) zur Aufnahme von Zentrierstiften (43, 44) gebohrt werden,
- eine metallische Basis (4, 5) mittels Tiefenätzen derart strukturiert wird, dass an den Orten der Durchbrüche (31 ) der Leiterplatte (3) Auflagedome (41 , 51 ) mit einer ebenen Auflagefläche (42, 52) zur Aufnahme der ebenen Kontaktflächen der Wärmeableitkörper (20) der Leuchtdioden (2) von der der Leiterplatte (3) zugewandten Oberseite (40) der metallischen Basis (4, 5) abstehen,
- die Zentrierstifte (43, 44) auf der der Leiterplatte (3) zugewandten Oberseite (40) der metallischen Basis (4, 5) angebracht werden,
- die Leiterplatte (3) mit den Zentrierlöchern (32, 33) auf die Zentrierstifte (43, 44) der metallischen Basis (4, 5) aufgesteckt wird,
- die Leiterplatte (3) mit der metallischen Basis (4, 5) verpresst wird und
die ebenen Kontaktflächen der elektrisch isolierenden Wärmeableitkörper (20) der Leuchtdioden (2) auf die Auflagedome (41 , 51 ) aufgelötet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Auflagefläche (42, 52) der Auflagedome (41 , 51 ) mit einer Beschichtung aus lötfähigem Material (6) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden (2) im Ref low- Lötverfahren auf die ebene Auflagefläche (42, 52) der Auflagedome (41 , 51 ) aufgelötet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Lötpaste mittels Schablonendruck oder Dispenser, durch Lötformteile oder galvanisch aufgetragen wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (3) mit der metallischen Basis (4, 5) derart verpresst wird, dass einerseits eine flache Auflagefläche für die Kontaktflächen bzw. Wärmeableitkörper (20) der Leuchtdioden (2) entsteht und andererseits die Unterseite (35) der Leiterplatte (3) von der Oberseite (40) der metallischen Basis (4, 5) beabstandet ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagedome (41 , 51 ) einen Anschlag für die Leiterplatte (3) ausbilden und dass mit der metallischen Basis (4, 5) verbundene Zentrierstifte (43, 44) durch Zentrierlöcher (32, 33) der Leiterplatte (3) gesteckt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Oberseite (40) der metallischen Basis (4, 5) abstehenden Zentrierstifte (43, 44) in Aufnahmen der metallischen Basis (4, 5) eingesetzt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (3) als zwei- oder mehrlagige Platine ausgebildet ist und dass im Zwischenraum (8) zwischen der Unterseite (35) der zwei- oder mehrlagigen Platine und der Oberseite (40) der metallischen Basis (4, 5) Bauelemente der Lichterzeugungseinheit (1 ) angeordnet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Basis aus einer Metallplatte (5), insbesondere aus einer Kupfer- oder Aluminiumplatte, besteht, die mittels Tiefenätzen derart strukturiert wird, dass entsprechend der Anzahl und Anordnung von Durchbrüchen (31 ) in der Leiterplatte (3) die Metallplatte (5) Auflagedome (51 ) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (3) mit der Metallplatte (5) mittels Prepreg (7) verpresst wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressverbindung der Leiterplatte (3) mit dem Prepreg (7) und der Metallplatte (5) mit Zinn als Lötoberfläche beschichtet wird.
12. Lichterzeugungseinheit mit mehreren Leuchtdioden, einer Leiterplatte mit einem Durchbruch unterhalb jeder Leuchtdiode und Leitungsbahnen zur elektrischen Verbindung der Leuchtdioden mit einer Spannungsquelle und/oder Steuereinrichtung und mit einer metallischen Basis, die mit Auflagedomen in die Durchbrüche eingesetzt und mit einer Kontaktfläche der Leuchtdioden verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden (2) einen elektrisch isolierenden Wärmeleitkörper (20) aufweisen, der unmittelbar mit einer ebenen Auflagefläche (42) der Auflagedome (41 ) der metallischen Basis (4, 5) verbunden ist.
13. Lichterzeugungseinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (3) mit der metallischen Basis (4, 5) derart verpresst ist, dass einerseits eine ebene Auflagefläche für die Leuchtdioden (2) entsteht und andererseits die Unterseite (35) der Leiterplatte (3) von der Oberseite (40) der metallischen Basis (4, 5) beabstandet ist.
Lichterzeugungseinheit nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagedome (41 ) Anschläge für die Leiterplatte (3) ausbilden und mit der metallischen Basis (4, 5) verbundene Zentrierstifte (43, 44) durch Zentrierlöcher (32, 33) der Leiterplatte (3) gesteckt sind.
Lichterzeugungseinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierstifte (43, 44) in Aufnahmen der metallischen Basis (4, 5) eingesetzt sind.
Lichterzeugungseinheit nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Basis als Kühlkörper (4) mit von der der Leiterplatte (3) abgewandten Unterseite abstehenden Kühlrippen (45) ausgebildet ist.
Lichterzeugungseinheit nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (3) als zwei- oder mehrlagige Platine ausgebildet ist.
Lichterzeugungseinheit nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Zwischenraum (8) zwischen der zwei- oder mehrlagigen Platine (3) und der Oberseite (40) der metallischen Basis (4, 5) Bauelemente der Lichterzeugungseinheit (1 ) angeordnet sind.
Lichterzeugungseinheit nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Basis aus einer Metallplatte (5), insbesondere aus einer Kupfer- oder Aluminiumplatte, besteht, die mittels Tiefenätzen derart strukturiert ist, dass entsprechend der Anzahl und Anordnung von Durchbrüchen (31 ) in der Leiterplatte (3) die Metallplatte (5) Auflagedome (51 ) aufweist.
Lichterzeugungseinheit nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (3) mit der Metallplatte (5) mittels Prepreg (7) verpresst ist.
Lichterzeugungseinheit nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressverbindung der Leiterplatte (3) mit dem Prepreg (7) und der Metallplatte (5) mit Zinn als Lötoberfläche beschichtet ist.
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