WO2014067784A1 - Method for producing an led module comprising a heat sink - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing an LED module with a heat sink.
  • LEDs light emitting diodes
  • the actual semiconductor device, the sogenann ⁇ th chip is equipped as standard with a "Package" (for example, ceramic, plastic or Metalllustma- material including solder pads, possibly phosphor layers for converting UV-radiation into light and possibly transparent lenses or optics from polycarbonate or Sili ⁇ kon).
  • the semiconductor device including package is referred to as a LED diode and associated material including a printed circuit board as Su-.
  • the board may for example consist of FR4, an epoxy resin-impregnated glass fiber mat material, or the circuit board may also include a metal ⁇ core board in.
  • a common circuit board can also be used for more than one LED diode.
  • known in the prior art also is the use of heat sinks for dissipating heat from the LED diode and the circuit board.
  • LEDs relatively good efficiencies Errei ⁇ chen, they produce waste heat anyway.
  • heatsinks can be complex three-dimensional structures have to dissipate the heat particularly well and radiate.
  • the boards are fastened with screws, attached, double-sided adhesive sheets or adhesives on the heat sink.
  • LED module The assembly of at least one LED diode, the board (or more than one board) and the heat sink, which is hereinafter referred to as LED module, can then be installed in un ⁇ ferent different devices, for example, in light sources such as So-called retro fitlampen, so LED bulbs, which correspond with their approximate design and its socket classic bulbs such as incandescent.
  • the LED modules can also be installed in complete luminaires.
  • the present invention is based on the problem of specifying an improved manufacturing method for a LED module with a heat sink.
  • the problem is solved by a method for producing an LED module in which a mechanical connection for producing or improving a heat coupling between a heat sink and a PCB carrying at least one LED is produced by laser welding, and by a correspondingly manufactured LED module itself.
  • the inventor has come to the conclusion that the Qualcomm ⁇ known connection methods are another costly in terms of the assembly of the heat sink and board and is not particularly suitable for machine automation ⁇ tion. He also stated that by local concentrated energy coupling with a laser and corresponding melting of material areas a very good mechanical connection between the heat sink and board can be produced. Laser welding can be relatively easily au ⁇ automate, because no separate components such as rivets, screws, double-sided adhesive films or adhesives must be handled, which can also be used that can be easily guided by laser movable mirrors or other optical elements and laser thus the spot weld can be easily and quickly localized.
  • the energy input can also be so short that the heat input for the LED module and in particular the LED diode itself is not a problem.
  • the heat sink and the board are directly connected during laser welding, the ie means without the interposition of an intermediate part.
  • material parts of the heat sink and material parts of the board merge with each other during laser welding.
  • This does not necessarily exclude a solder, as long as material parts of the heat sink and the board are melted with and mixed with each other.
  • an immediate welding oh ⁇ ne additional solder is provided.
  • fusible materials can be welded by laser welding, ie, for example, also thermoplastics, or materials with a fusible fraction, that is, for example, reinforced plastics with thermoplastic binder or thermoplastic matrix.
  • a metal core board could be welded with plastic coating with a plastic ⁇ heat sink, which owes its thermal conductivity, for example ⁇ thermally conductive fillers such as glass fibers or carbon additives.
  • metal ⁇ metallic material parts are fused together. That, metallic coatings, as well as "massive" component parts ⁇ or metal cores.
  • metal core boards are preferred.
  • the metal core can also be used for welding, for example, by having a non-metallic coating sufficiently thin, absent or removed at the appropriate location.
  • the metal core ensures a good thermal conductivity of the board, which indeed has a heat transport function between the LED diode and the heat sink.
  • Preferred materials of the metal core are aluminum including aluminum alloys and copper including copper alloys.
  • the heat sink preferably has a three-dimensional shape aligned with its function, so it is not simply a flat plate.
  • it may have ribs or otherwise be structured in three dimensions in favor of improved heat transport and / or heat radiation.
  • the board in turn is, as already mentioned, in direct ⁇ ter heat and power to the LED diode.
  • the board and the LED diode materials are provided only for the attachment and / or the heat transfer, for example, solder, adhesive or michleitmassen.
  • the LED diode and the board can also abut each other directly.
  • the laser beam is directed from the side to the board on which the LED is mounted on the board.
  • the laser beam is directed into an LED-free area, so for example with two mounted LED diodes between them. He then hits the board itself and the LED diodes are not or negligibly affected.
  • the laser beam From this side the board completely melts the board with respect to the depth (of course not in relation to the area, that is to say extending transversely to the thickness direction) and then also melts a part of the heat sink under the board in order to establish the welded connection.
  • a position of the board can be selected which is diluted or even specially diluted for this purpose (about 20% to 80%)
  • an edge of the board can be used, for example, an outer edge on which the heat sink is flush or laterally projecting something, or even the edge of a provided in the board for this purpose or other reasons hole , At this edge then the board can be melted and (by the laser beam itself or by the molten board material) a part of theharikör ⁇ pers.
  • the laser beam is directed from the opposite side to the heat sink.
  • the heat sink can in principle be completely penetrated, with heat sinks in many cases being so thick that it is particularly appropriate here to choose or produce a thinned spot.
  • the laser can also be directed from this side onto an edge of the heat sink at which the circuit board is flush or protrudes. For illustration, reference is made to the exemplary embodiments.
  • the laser welding according to the invention can also be combined with other measures with regard to the coupling between the board and the heat sink.
  • a contact material which conforms to the shape can be provided, which is thin (compared to its areal extent) and lies in-between.
  • This may be an adhesive or a thermally conductive material ("thermal interface material").
  • thermally conductive material improves the heat transfer in addition to the direct mechanical coupling (which in practice is associated with unavoidable air gaps).
  • pin fasteners may be provided.
  • this generic term refers to screws or rivets which act as fastening elements between the printed circuit board and the heat sink itself are previously known. It has been found that advantages can be achieved despite the laser welding with rivets or rivets according to the invention, for example because the number of laser welding points or lines can be reduced and a screw or rivet (perhaps only individually or in small numbers) for other reasons anyway makes sense, for example, to attach the entire LED module to a housing or to attach optical elements to the LED module. The same applies mutatis mutandis to other pin fasteners, such as locking pins or clamp mounting pins, the dowel-like terminals or can work with spreading elastic elements. These can in particular also consist of plastic.
  • Figures 1 to 11 each show a schematic sectional view in side perspective view of an invented LED module to illustrate the erfindungsge ⁇ MAESSEN manufacturing process, corresponding to a first to eighth embodiments.
  • Preferred Embodiment of the Invention Figure 1 shows the first embodiment.
  • the reference numeral 1 is a metal heat sink whose three-dimensional structure has cooling fins and is considerably more complex than drawn.
  • this structure is known as such and is also familiar to the person skilled in the art.
  • a board 2 is planar manner ⁇ sets, namely, a metal core board having an aluminum core ⁇ (a copper core would also be preferred) and an insulating coating, are printed on the electrical conductor tracks.
  • two LED diodes 3 are soldered, in a conventional manner.
  • the LED diodes 3 essentially consist of the soldered epitaxial substrate of a preceding epitaxy process, in which the actual active semiconductor layers of the LED are formed, and a package.
  • the heat sink in this case is an aluminum die cast alloy, but could also be rolled steel, aluminum, copper or other metal sheets that have been formed into a heat sink.
  • Typical wall thicknesses for diecast cooling bodies are 1 mm to 6 mm, for sheet metal cooling bodies 0.5 mm to 3 mm.
  • coatings come with an insulator on at least one side into consideration, ⁇ that the heat sink can be mounted isolated. Thermoforming processes are for reshaping particularly in Be ⁇ costume.
  • Die-cast alloy cooling bodies can also be injection-molded with plastic, in particular on the surface which does not touch the printed circuit board (pointing downward in FIG. 1).
  • a plastic coating of the board may provide an insulator on an aluminum base, typically 1.6 mm thick, onto which, for example, 35 ⁇ m thick copper layers for the tracks, a solder mask, and a solder resist (for reflow solder mounting of the LEDs) are deposited , Typical thicknesses of the metal core boards ⁇ between 0.4 mm and 3 mm.
  • the arrow in the center symbolizes a vertically downward laser beam 4 of an infrared laser, for example a pulsed Nd: YAG laser (wavelength 1.06 ym).
  • it may have a pulse energy of between 10 J and 100 J, in the present case about 40 J, with pulse widths of the order of 10 ms to 100 ms, for example 20 ms.
  • Typical pulse powers are between 1 kW and 9 kW, for example 2 kW.
  • the laser beam melts the metal core of the board 2, and the fusion penetrates through the board 2 to the metal or metal core of the heat sink 1.
  • the plastic coating of the board 2 is possibly damaged locally, but this is unproblematic in consideration of the ladder ⁇ web structure and of course the LEDs 3, because a suitable range can be selected.
  • metallic material constituents of the plate 2 and of the heat sink 1 mix and form a solid local mechanical bond after solidification.
  • the laser also includes other IR lasers, such as C02 lasers (10.6 ym) diode lasers, fiber lasers, disk lasers, or other solid-state lasers into consideration.
  • C02 lasers (10.6 ym) diode lasers such as fused lasers, fused lasers, or other fused lasers into consideration.
  • CW lasers non-pulsed (CW) lasers have proven their worth.
  • An advantage of this embodiment is that the laser beam impinges in the usual mounting direction, so the LED module does not have to be turned over or processed from below. As far as a certain particle contamination arises when the laser beam strikes, gravity does not direct it to the optics of the laser.
  • the welding points can in a simple manner on the circuit board 2 and the LEDs 3 adjusted (i.e. positio ⁇ defined) are.
  • scanner optics, mechanical shutter and / or movable workpiece holders also areal grid or distributions may be generated become.
  • the method is particularly suitable for thin circuit boards, although relatively high laser energies on the order of, for example, 40 J or more per pulse may be required. Associated with this, in comparison to other embodiments, larger quantities of smoke or scratches can occur on the LED lenses (not shown), for which reason appropriate precautions, for example a good suction, may be necessary. It is favorable if, in the area of the future laser welding connection 5, no solder resist is present in advance appropriate pollution of the atmosphere by the smoke to avoid. Due to the board thickness relatively large welding lenses occur, so that the number of welding spots can remain small. The achievable strength can certainly be comparable to previously known methods.
  • the process can also be improved by an inert gas purge to protect from a heat input betrof ⁇ fene areas from oxidation.
  • the LEDs 3 are themselves not jeopardized by the Kurzzeittechnik and Loka ⁇ le limit of the heat input, as long as they are not taken or will not work in its immediate neighborhood.
  • a depression 6 is provided in advance in the blank 2 in order to facilitate the welding connection at the point of impact of the laser beam 4.
  • the remaining thickness of the board 2 is significantly lower, for example by about 50%.
  • the third exemplary embodiment in FIG. 3 corresponds in part to the second embodiment; However, here is not only a recess in the board 2 vorgese ⁇ hen, but a hole. This hole can also be generated by a mechanical step in the Platinenferti ⁇ supply, for example by simply piercing, which is compared to the milling step even less problematic, because it does not have to pay attention to the depth.
  • the laser beam 4 is angled irradiated from above in order to meet an edge of thedekör ⁇ pers 1 can be melted together in the material regions of the board 2 and material regions. This is indicated in Fig. 3 by the welded joint 5.3. Due to the clear previous distinction of the hole against the ⁇ over the remaining board area in this embodiment, the risk of accidental separation of conductor tracks is particularly low. Through the di- rect welding on the interface between the board 2 and the heat sink 1 are created even compared to the second embodiment, particularly little Schmauch and we ⁇ nig spatters and is only a low laser energy necessary. Here, too, more spot welds are typically compared to the ⁇ ers th embodiment advisable. For example, as in the second embodiment, it may be between 3 and 10 spot welds, whereas in the first embodiment, typically 2 to 6 are preferred.
  • the outer edge of the board is the target of the laser beam 4.
  • the welded connection is to be kept particularly well out of the strip conductor area and it does not have to extend to the hole 7 ⁇ be targeted.
  • a little more welding points should be set than in the first embodiment, as ⁇ preferably between 3 and 10.
  • the LED module for example, rotated about a vertical axis be so that without changing the laser beam, the two drawn in Fig. 4 welding areas 5.4 can be made.
  • this embodiment is particularly suitable for the combination with an additional central attachment, for example, with the third embodiment or in kon ⁇ conventional form with a screw, rivet or a locking or clamping attachment pin.
  • a ⁇ adhesive material between board 2 and the heat sink 1 can be advisable (or a good heat-conducting material with good Haftei- characteristics) to avoid problems due to a bulge between board 2 and heat sink 1.
  • the fifth embodiment shown in FIG. 5 differs as well as the sixth, seventh and eighth embodiment of the first four exporting explained thereafter ⁇ approximately embodiments in that the laser beam 4 here from "below", ie from the board 2 side remote from the heat sink 1 is directed to the latter.
  • this variant is suitable for rather small material thickness of the heat sink 1, for example, in one embodiment from deep-drawn sheet metal.
  • a recess 8 was provided in the heat sink 1 from below, for example, by a milling process or by a corresponding shaping during die casting.
  • the seventh embodiment in Fig. 7 corresponds in an analogous manner to the third of Fig. 3, the heat sink 1 is thus pierced or more generally provided with egg ⁇ nem hole 9, which can be prepared, for example, by taking into account in die casting.
  • the corresponding welded connection 5.7 is very similar to the welded connection 5.3 from FIG. 3, although the remarks relating to the laser alignment "from below" apply to the fifth and sixth exemplary embodiments.
  • the last eighth exemplary embodiment in FIG. 8 corresponds to the fourth from FIG. 4, wherein, unlike FIG. 4, the printed circuit board 2 must protrude somewhat beyond the heat sink 1 (and not vice versa as in FIG. 4). At the edge in between a weld 5.8 is provided.
  • the comments on the fourth exemplary embodiment apply, taking into account the special features of working from below. In particular, this also applies to the risk ei ⁇ ner buckling and the particular suitability for combination with a mechanical connection "in the area" between board 2 and heat sink 1.
  • Adhesives In combination with the invention, however, their curing or drying times do not necessarily have to be a significant disadvantage for the production, because the mechanical connection between board 2 and Heatsink 1 can already be made by one or a few laser welding points.
  • the provided between board 2 and heat sink 1 adhesive can then harden during storage or at the latest during operation of the LED module and the elevated temperatures then occur, provide additional support and prevent buckling.
  • the adhesive may also bridge an air gap, thereby improving thermal contact. This is particularly true in view of occasionally unavoidable rather unevenness in the surfaces, especially in those of the heat sink 1.
  • thermal interface materials can be used, which either improve only the heat transfer or additionally adhesion-improving properties (such as adhesive with additional heat conduction additives).
  • a combination with mechanical fasteners such as screws or rivets is possible, which can be used advantageously for other connection ⁇ purposes, for example, for attachment of optical parts, Abdecklinsen or housing parts.
  • mechanical fasteners such as screws or rivets
  • rivets and specially shaped plastic fasteners that clamp in dowel-like ⁇ form or form-fitting (by spreading the elements) connect All these fasteners are basically previously known and therefore not shown in detail. An example is shown in FIG.
  • FIGS. 10 and 11 Two further examples are shown in FIGS. 10 and 11 with an adhesive connection 11 between the heat sink 1 and the circuit board 2, on the one hand in FIG. 10 in combination with welded connections 5. 4 as in FIG. 4 and in FIG. 11 in connection with a welded connection 5. 8 according to FIG. 8.

Abstract

The invention relates to a method for producing an LED module, in which a laser weld (5.1) is produced between a heat sink (1) and a printed circuit board (2) carrying at least one LED (3).

Description

Beschreibung  description
Verfahren zum Herstellen eines LED-Moduls mit Kühlkörper Method for manufacturing a LED module with heat sink
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines LED-Moduls mit einem Kühlkörper. The present invention relates to a method for manufacturing an LED module with a heat sink.
Stand der Technik State of the art
LEDs (Light Emitting Diodes) als lichtemittierende Halb- leiterbauelemente sind seit Jahrzehnten bekannt und im Einsatz und finden auch aktuell noch zunehmend Verbrei¬ tung. Das eigentliche Halbleiterbauelement, der sogenann¬ te Chip, wird standardmäßig mit einem „Package" versehen (zum Beispiel Keramik-, Kunststoff- oder Metallträgerma- terial mit Lötpads, eventuell Leuchtstoffschichten zur Umwandlung von UV-Strahlung in Licht und eventuell transparente Linsen oder Optiken aus Polycarbonat oder Sili¬ kon) . Das Halbleiterbauelement inklusive Package wird als LED-Diode bezeichnet und mit einer Platine als Trägerma- terial verbunden. Die Platine kann zum Beispiel aus FR4 bestehen, einem Epoxidharz-getränkten Glasfasermattenmaterial oder die Platine kann auch eine Metall¬ kernplatine sein. Eine gemeinsame Platine kann auch für mehr als eine LED-Diode Verwendung finden. Im Stand der Technik bekannt ist außerdem die Verwendung von Kühlkörpern zur Wärmeabfuhr von der LED-Diode und der Platine. Obwohl LEDs relativ gute Wirkungsgrade errei¬ chen, erzeugen sie trotzdem Abwärme. Solche Kühlkörper können komplexe dreidimensionale Strukturen aufweisen, um die Wärme besonders gut abzuleiten und abzustrahlen. Im Stand der Technik werden die Platinen mit Schrauben, Nie- ten, doppelseitigen Klebefolien oder Klebstoffen auf dem Kühlkörper befestigt. LEDs (light emitting diodes) as light-emitting semiconductor components are known for decades and in use and can also be found currently still growing dis ¬ tung. The actual semiconductor device, the sogenann ¬ th chip is equipped as standard with a "Package" (for example, ceramic, plastic or Metallträgerma- material including solder pads, possibly phosphor layers for converting UV-radiation into light and possibly transparent lenses or optics from polycarbonate or Sili ¬ kon). the semiconductor device including package is referred to as a LED diode and associated material including a printed circuit board as Trägerma-. the board may for example consist of FR4, an epoxy resin-impregnated glass fiber mat material, or the circuit board may also include a metal ¬ core board in. a common circuit board can also be used for more than one LED diode. known in the prior art also is the use of heat sinks for dissipating heat from the LED diode and the circuit board. Although LEDs relatively good efficiencies Errei ¬ chen, they produce waste heat anyway. Such heatsinks can be complex three-dimensional structures have to dissipate the heat particularly well and radiate. In the state of the art, the boards are fastened with screws, attached, double-sided adhesive sheets or adhesives on the heat sink.
Die Baueinheit aus zumindest einer LED-Diode, der Platine (oder mehr als einer Platine) und dem Kühlkörper, die im Folgenden als LED-Modul bezeichnet wird, kann dann in un¬ terschiedlichsten Geräten verbaut werden, zum Beispiel auch in Leuchtmitteln wie zum Beispiel sogenannten Retro- fitlampen, also Leuchtmitteln auf LED-Basis, die mit ihrer ungefähren Bauform und ihrem Sockel klassischen Leuchtmitteln wie Glühlampen entsprechen. Die LED-Module können aber auch in kompletten Leuchten verbaut sein. The assembly of at least one LED diode, the board (or more than one board) and the heat sink, which is hereinafter referred to as LED module, can then be installed in un ¬ ferent different devices, for example, in light sources such as So-called retro fitlampen, so LED bulbs, which correspond with their approximate design and its socket classic bulbs such as incandescent. The LED modules can also be installed in complete luminaires.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein verbessertes Herstellverfahren für ein LED-Modul mit einem Kühlkörper anzugeben. Das Problem wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines LED-Moduls, bei dem eine mechanische Verbindung zur Herstellung oder Verbesserung einer Wärmekopplung zwischen einem Kühlkörper und einer zumindest eine LED tragenden Platine mittels Laserschweißen hergestellt wird, sowie durch ein entsprechend hergestelltes LED-Modul selbst . The present invention is based on the problem of specifying an improved manufacturing method for a LED module with a heat sink. The problem is solved by a method for producing an LED module in which a mechanical connection for producing or improving a heat coupling between a heat sink and a PCB carrying at least one LED is produced by laser welding, and by a correspondingly manufactured LED module itself.
Der Erfinder ist zu dem Schluss gekommen, dass die vorbe¬ kannten Verbindungsverfahren hinsichtlich der Montage von Kühlkörper und Platine aneinander kostenaufwendig sind und sich nicht besonders gut zur maschinellen Automati¬ sierung eignen. Er hat ferner festgestellt, dass durch lokale konzentrierte Energieeinkopplung mit einem Laser und entsprechendes Aufschmelzen von Materialbereichen eine sehr gute mechanische Verbindung zwischen Kühlkörper und Platine herstellbar ist. Das Laserschweißen lässt sich, weil keine separaten Bauteile wie Nieten, Schrauben, doppelseitige Klebefolien oder Klebstoffe gehandhabt werden müssen, relativ gut au¬ tomatisieren, wobei auch zum Tragen kommen kann, dass sich Laser leicht durch bewegliche Spiegel oder andere optische Elemente lenken lassen und sich somit der Schweißpunkt leicht und schnell örtlich verändern lässt. Die Energieeinkopplung kann zudem so kurz erfolgen, dass der Wärmeeintrag für das LED-Modul und insbesondere die LED-Diode selbst nicht zum Problem wird. Ferner ist beim Laserschweißen der mit der Herstellung mehrerer mechanischer Verbindungspunkte verknüpfte Zu¬ satzaufwand vergleichsweise gering, also zum Beispiel viel geringer als beim Setzen mehrerer Schrauben mit einem Schraubautomaten oder per Hand, was aus noch zu er- läuternden Gründen ebenfalls Vorteile für die mechanische Verbindung hat. Der Zweck der mechanischen Verbindung ist dabei die Herstellung einer Wärmekopplung zwischen dem Kühlkörper und der Platine, um die aus der LED-Diode in die Platine weitergeleitete Wärme effizient abzuführen. Schließlich werden die Beschaffungs- und Logistikkosten für zusätzliche Bauteile vermieden und kann das Verfahren völlig berührungslos und ausgesprochen schnell durchge¬ führt werden. The inventor has come to the conclusion that the vorbe ¬ known connection methods are another costly in terms of the assembly of the heat sink and board and is not particularly suitable for machine automation ¬ tion. He also stated that by local concentrated energy coupling with a laser and corresponding melting of material areas a very good mechanical connection between the heat sink and board can be produced. Laser welding can be relatively easily au ¬ automate, because no separate components such as rivets, screws, double-sided adhesive films or adhesives must be handled, which can also be used that can be easily guided by laser movable mirrors or other optical elements and laser thus the spot weld can be easily and quickly localized. The energy input can also be so short that the heat input for the LED module and in particular the LED diode itself is not a problem. Furthermore, in the laser welding of the associated with the production of more mechanical connection points set effort to ¬ is comparatively low, that is, for example, much less than when setting several screws with a screwing or by hand, which also has advantages for the mechanical connection of services still to be refined reasons , The purpose of the mechanical connection is the production of a heat coupling between the heat sink and the board in order to efficiently dissipate the forwarded from the LED diode in the board heat. Finally, the procurement and logistics cost of additional components can be avoided and the process can be completely contact-free and extremely fast Runaway ¬ leads.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung werden der Kühlkörper und die Platine beim Laserschweißen direkt verbunden, das heißt also ohne Zwischenschaltung eines Zwischenteils. In anderen Worten verschmelzen beim Laserschweißen Materialteile des Kühlkörpers und Materialteile der Platine mit¬ einander. Das schließt nicht zwingend ein Lot aus, solang auch Materialteile des Kühlkörpers und der Platine mit aufschmelzen und miteinander vermengt werden. Vorzugsweise ist allerdings auch ein unmittelbares Verschweißen oh¬ ne zusätzliches Lot vorgesehen. In a preferred embodiment, the heat sink and the board are directly connected during laser welding, the ie means without the interposition of an intermediate part. In other words, material parts of the heat sink and material parts of the board merge with each other during laser welding. This does not necessarily exclude a solder, as long as material parts of the heat sink and the board are melted with and mixed with each other. Preferably, however, an immediate welding oh ¬ ne additional solder is provided.
Grundsätzlich können durch das Laserschweißen schmelzbare Materialien verschweißt werden, also zum Beispiel auch thermoplastische Kunststoffe, oder Materialien mit einem schmelzbaren Anteil, also etwa verstärkte Kunststoffe mit thermoplastischem Binder oder thermoplastischer Matrix. Zum Beispiel könnte eine Metallkernplatine mit Kunst- Stoffbeschichtung verschweißt werden mit einem Kunst¬ stoffkühlkörper, der seine Wärmeleitfähigkeit beispiels¬ weise wärmeleitfähigen Füllstoffen wie Glasfasern oder Kohlezusätzen verdankt. Vorzugsweise werden jedoch metal¬ lische Materialteile miteinander verschmolzen. Das können metallische Beschichtungen, aber auch „massive" Bestand¬ teile oder Metallkerne sein. In principle, fusible materials can be welded by laser welding, ie, for example, also thermoplastics, or materials with a fusible fraction, that is, for example, reinforced plastics with thermoplastic binder or thermoplastic matrix. For example, a metal core board could be welded with plastic coating with a plastic ¬ heat sink, which owes its thermal conductivity, for example ¬ thermally conductive fillers such as glass fibers or carbon additives. Preferably, however, metal ¬ metallic material parts are fused together. That, metallic coatings, as well as "massive" component parts ¬ or metal cores.
Insbesondere und auch unabhängig davon sind Metallkernplatinen bevorzugt. Zum einen kann der Metallkern auch für das Verschweißen benutzt werden, zum Beispiel indem eine nichtmetallische Beschichtung an der entsprechenden Stelle ausreichend dünn, nicht vorhanden oder entfernt ist. Zum anderen sorgt der Metallkern für eine gute Wärmeleitfähigkeit der Platine, die ja zwischen der LED- Diode und dem Kühlkörper eine Wärmetransportfunktion hat. Bevorzugte Materialien des Metallkerns sind Aluminium einschließlich Aluminiumlegierungen und Kupfer einschließlich Kupferlegierungen. In particular, and independently thereof, metal core boards are preferred. First, the metal core can also be used for welding, for example, by having a non-metallic coating sufficiently thin, absent or removed at the appropriate location. On the other hand, the metal core ensures a good thermal conductivity of the board, which indeed has a heat transport function between the LED diode and the heat sink. Preferred materials of the metal core are aluminum including aluminum alloys and copper including copper alloys.
Ferner ist, auch unabhängig von dem metallischen Verschweißen, ein Kühlkörper mit einem Metallkern oder ganz aus Metall bevorzugt. Auch hier geht es natürlich um die Wärmeleitfähigkeit. Hinsichtlich des metallischen Ver- schweißens bei einem Metallkern-Kühlkörper gelten die vorstehenden Ausführungen zur Metallkernplatine und deren Beschichtung sinngemäß. Der Kühlkörper hat im Übrigen vorzugsweise eine auf seine Funktion ausgerichtete dreidimensionale Form, ist also nicht einfach nur eine flache Platte. Zum Beispiel kann er Rippen aufweisen oder in anderer Form zugunsten eines verbesserten Wärmetransports und/oder einer verbesserten Wärmeabstrahlung dreidimensional strukturiert sein. Furthermore, regardless of the metallic welding, a heat sink with a metal core or made entirely of metal is preferred. Of course, this is also about the thermal conductivity. With regard to the metallic welding in the case of a metal-core heat sink, the above statements on the metal-core board and its coating apply mutatis mutandis. Incidentally, the heat sink preferably has a three-dimensional shape aligned with its function, so it is not simply a flat plate. For example, it may have ribs or otherwise be structured in three dimensions in favor of improved heat transport and / or heat radiation.
Die Platine wiederum steht, wie schon erwähnt, in direk¬ ter Wärmekopplung zu der LED-Diode. Vorzugsweise sind zwischen der Platine und der LED-Diode lediglich für die Befestigung und/oder den Wärmeübergang vorgesehene Mate- rialien vorhanden, zum Beispiel Lot, Klebstoff oder Wärmeleitmassen. Die LED-Diode und die Platine können auch unmittelbar aneinander anliegen. The board in turn is, as already mentioned, in direct ¬ ter heat and power to the LED diode. Preferably, between the board and the LED diode materials are provided only for the attachment and / or the heat transfer, for example, solder, adhesive or Wärmeleitmassen. The LED diode and the board can also abut each other directly.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Laserstrahl von derjenigen Seite aus auf die Platine gerichtet, auf der die LED auf der Platine angebracht ist. Dabei wird der Laserstrahl in einen LED-freien Bereich gerichtet, also zum Beispiel bei zwei montierten LED- Dioden zwischen diese. Er trifft dann die Platine selbst und die LED- Dioden sind nicht oder vernachlässigbar beeinträch- tigt. Dabei kann der Laserstrahl je nach Stärke und Mate- rialaufbau der Platine von dieser Seite aus die Platine in Bezug auf die Tiefe komplett aufschmelzen (natürlich nicht in Bezug auf die Fläche, das heißt Erstreckung quer zur Dickenrichtung) und unter der Platine dann auch einen Teil des Kühlkörpers aufschmelzen, um die Schweißverbindung herzustellen. In a preferred embodiment, the laser beam is directed from the side to the board on which the LED is mounted on the board. The laser beam is directed into an LED-free area, so for example with two mounted LED diodes between them. He then hits the board itself and the LED diodes are not or negligibly affected. Depending on the strength and material, the laser beam From this side, the board completely melts the board with respect to the depth (of course not in relation to the area, that is to say extending transversely to the thickness direction) and then also melts a part of the heat sink under the board in order to establish the welded connection.
In diesem Zusammenhang kann eine Stelle der Platine gewählt werden, die verdünnt ist bzw. sogar zu diesem Zweck eigens verdünnt wird (etwa um 20 % bis 80 In this context, a position of the board can be selected which is diluted or even specially diluted for this purpose (about 20% to 80%)
30 % bis 70 % oder 40 % bis 60 % der Dicke) . Damit ist das Durchdringen der Platine bis zur Grenzfläche zum Kühlkörper vereinfacht. 30% to 70% or 40% to 60% of the thickness). Thus, the penetration of the board is simplified up to the interface with the heat sink.
Außerdem kann bei dieser Variante der Erfindung auch ein Rand der Platine genutzt werden, zum Beispiel ein Außen- rand, an dem der Kühlkörper bündig ist oder seitlich etwas übersteht, oder auch der Rand eines in der Platine zu diesem Zweck oder aus anderen Gründen vorgesehenen Lochs. An diesem Rand kann dann die Platine aufgeschmolzen werden und (durch den Laserstrahl selbst oder auch durch das aufgeschmolzene Platinenmaterial) ein Teil des Kühlkör¬ pers . In addition, in this variant of the invention, an edge of the board can be used, for example, an outer edge on which the heat sink is flush or laterally projecting something, or even the edge of a provided in the board for this purpose or other reasons hole , At this edge then the board can be melted and (by the laser beam itself or by the molten board material) a part of the Kühlkör ¬ pers.
Bei anderen Ausgestaltungen wird der Laserstrahl von der entgegengesetzten Seite aus auf den Kühlkörper gerichtet. Auch hierbei kann der Kühlkörper im Prinzip komplett durchdrungen werden, wobei Kühlkörper in vielen Fällen so dick sind, dass es sich hier besonders anbietet, eine verdünnte Stelle zu wählen oder herzustellen. Außerdem kann auch von dieser Seite aus der Laser auf einen Rand des Kühlkörpers gerichtet werden, an dem die Platine bün- dig ist oder übersteht. Zur Illustration wird auf die Ausführungsbeispiele ver¬ wiesen . In other embodiments, the laser beam is directed from the opposite side to the heat sink. In this case too, the heat sink can in principle be completely penetrated, with heat sinks in many cases being so thick that it is particularly appropriate here to choose or produce a thinned spot. In addition, the laser can also be directed from this side onto an edge of the heat sink at which the circuit board is flush or protrudes. For illustration, reference is made to the exemplary embodiments.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Laserschweißen auch mit anderen Maßnahmen hinsichtlich der Kopplung zwischen Platine und Kühlkörper kombiniert werden. Insbesondere kann zwischen Platine und Kühlkörper ein sich in der Form anpassendes Kontaktmaterial vorgesehen sein, das dünn (im Vergleich zu seiner flächigen Erstreckung) und flächig dazwischen liegt. Dabei kann es sich um einen Klebstoff oder ein gut thermisch leitendes Material („thermal in- terface material") handeln. Finally, the laser welding according to the invention can also be combined with other measures with regard to the coupling between the board and the heat sink. In particular, between the blank and the heat sink, a contact material which conforms to the shape can be provided, which is thin (compared to its areal extent) and lies in-between. This may be an adhesive or a thermally conductive material ("thermal interface material").
Das thermisch leitfähige Material verbessert natürlich den Wärmeübergang zusätzlich zur direkten mechanischen Kopplung (die ja in der Praxis mit unvermeidlichen Luft- spalten verbunden ist) . Of course, the thermally conductive material improves the heat transfer in addition to the direct mechanical coupling (which in practice is associated with unavoidable air gaps).
Im Fall eines Klebstoffs kann zusätzlich oder stattdessen eine Verbesserung der mechanischen Kopplung erreicht werden. Zum Beispiel kann damit die Zahl der Laserschwei߬ punkte oder -strecken verringert werden. Das gilt insbe- sondere für ansonsten eventuell zu befürchtende Wölbungen zwischen Laserschweiß-Befestigungsstellen, etwa wenn diese nur am Rand vorgesehen sind. Die zusätzliche Verbin¬ dung durch Klebstoff (oder Ausfüllung durch das thermisch leitfähige Material) kann dann die durch ein Aufwölben zwischen Platine und Kühlkörper bedingten Abstände vermeiden oder deren Nachteile beseitigen. In the case of an adhesive, in addition to or instead, an improvement of the mechanical coupling can be achieved. For example, thus the number of laser welding ¬ points or distances can be reduced. This is especially true for otherwise possibly to be feared bulges between laser welding attachment points, such as if they are provided only on the edge. The additional Verbin ¬ dung by adhesive (or by filling the thermally conductive material) may then avoid due to buckling between the circuit board and heat sink distances or eliminate their disadvantages.
Bei einer anderen Kombination können Stiftbefestigungselemente vorgesehen sein. Mit diesem Oberbegriff sind zum Beispiel Schrauben oder Nieten gemeint, die als Befesti- gungselemente zwischen Platine und Kühlkörper an sich vorbekannt sind. Es hat sich herausgestellt, dass trotz des erfindungsgemäßen Laserschweißens mit Schrauben oder Nieten Vorteile erreicht werden können, zum Beispiel weil die Zahl der Laserschweißpunkte oder -strecken verringert werden kann und eine Schraube oder Niete (vielleicht nur einzeln oder in geringer Zahl) aus anderen Gründen ohnehin sinnvoll ist, beispielsweise um das gesamte LED-Modul an einem Gehäuse zu befestigen oder um optische Elemente an dem LED-Modul zu befestigen. Das Gleiche gilt sinnge- mäß für andere Stiftbefestigungselemente, etwa Raststifte oder Klemmbefestigungsstifte, die Dübel-ähnlich klemmen oder mit sich aufspreizenden elastischen Elementen arbeiten können. Diese können insbesondere auch aus Kunststoff bestehen . In another combination, pin fasteners may be provided. For example, this generic term refers to screws or rivets which act as fastening elements between the printed circuit board and the heat sink itself are previously known. It has been found that advantages can be achieved despite the laser welding with rivets or rivets according to the invention, for example because the number of laser welding points or lines can be reduced and a screw or rivet (perhaps only individually or in small numbers) for other reasons anyway makes sense, for example, to attach the entire LED module to a housing or to attach optical elements to the LED module. The same applies mutatis mutandis to other pin fasteners, such as locking pins or clamp mounting pins, the dowel-like terminals or can work with spreading elastic elements. These can in particular also consist of plastic.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die Figuren 1 bis 11 zeigen jeweils eine schematische Schnittansicht in seitlicher Perspektive durch ein erfindungsgemäßes LED-Modul zur Illustration des erfindungsge¬ mäßen Herstellungsverfahrens, und zwar entsprechend einem ersten bis achten Ausführungsbeispiel. Brief Description of the Drawings Figures 1 to 11 each show a schematic sectional view in side perspective view of an invented LED module to illustrate the erfindungsge ¬ MAESSEN manufacturing process, corresponding to a first to eighth embodiments.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt das erste Ausführungsbeispiel. Darin be¬ zeichnet die Bezugsziffer 1 einen metallischen Kühlkörper, dessen dreidimensionale Struktur Kühlrippen aufweist und deutlich komplexer ist als gezeichnet. Diese Struktur ist allerdings als solche bekannt und dem Fachmann inso- weit auch vertraut. Auf dem Kühlkörper 1 ist eine Platine 2 flächig aufge¬ legt, nämlich eine Metallkernplatine mit einem Aluminium¬ kern (ein Kupferkern wäre ebenfalls bevorzugt) und einer isolierenden Beschichtung, auf der elektrische Leiterbah- nen aufgedruckt sind. Auf der Platine 2 sind zwei LED- Dioden 3 aufgelötet, und zwar in an sich bekannter Weise. Die LED-Dioden 3 bestehen dabei im Wesentlichen aus dem aufgelöteten Epitaxie-Substrat eines vorhergehenden Epitaxie-Prozesses, in dem die eigentlichen aktiven Halblei- terschichten der LED entstanden sind, und einem Package. Preferred Embodiment of the Invention Figure 1 shows the first embodiment. Therein be ¬ records the reference numeral 1 is a metal heat sink whose three-dimensional structure has cooling fins and is considerably more complex than drawn. However, this structure is known as such and is also familiar to the person skilled in the art. On the heat sink 1, a board 2 is planar manner ¬ sets, namely, a metal core board having an aluminum core ¬ (a copper core would also be preferred) and an insulating coating, are printed on the electrical conductor tracks. On the board 2, two LED diodes 3 are soldered, in a conventional manner. The LED diodes 3 essentially consist of the soldered epitaxial substrate of a preceding epitaxy process, in which the actual active semiconductor layers of the LED are formed, and a package.
Der Kühlkörper besteht in diesem Fall aus einer Aluminiumdruckgußlegierung, könnte aber auch aus gewalzten Stahl-, Aluminium-, Kupfer- oder anderen Metallblechen bestehen, die zu einem Kühlkörper umgeformt wurden. Typi- sehe Wanddicken bei Druckgußkühlkörpern liegen bei 1 mm bis 6 mm, bei Blechkühlkörpern bei 0,5 mm bis 3 mm. Insbesondere bei Blechkühlkörpern kommen Beschichtungen mit einem Isolator auf zumindest einer Seite in Betracht, so¬ dass der Kühlkörper isoliert montiert werden kann. Zum Umformen kommen insbesondere Tiefziehprozesse in Be¬ tracht. Auch Druckgußlegierungskühlkörper können, insbesondere auf der nicht die Platine berührenden (in Figur 1 nach unten weisenden) Fläche mit Kunststoff umspritzt sein . Eine Kunststoffbeschichtung der Platine kann zum Beispiel auf einer Aluminiumbasis von typischerweise 1,6 mm Dicke einen Isolator bereitstellen, auf dem dann zum Beispiel 35 ym dicke Kupferschichten für die Leiterbahnen, eine Lötmaske und ein Lötstopplack (für eine Reflow-Lötmontage der LEDs) abgeschieden sind. Typische Dicken der Metall¬ kernplatinen liegen zwischen 0,4 mm und 3 mm. Der Pfeil in der Mitte symbolisiert einen vertikal nach unten gerichteten Laserstrahl 4 eines Infrarotlasers, zum Beispiel eines gepulsten Nd : YAG-Lasers (Wellenlänge 1,06 ym) . Er kann eine Pulsenergie zum Beispiel zwischen 10 J und 100 J, vorliegend etwa 40 J, mit Pulsbreiten in der Größenordnung von 10 ms bis 100 ms, zum Beispiel 20 ms, haben. Typische Pulsleistungen liegen zwischen 1 kW und 9 kW, zum Beispiel bei 2 kW. The heat sink in this case is an aluminum die cast alloy, but could also be rolled steel, aluminum, copper or other metal sheets that have been formed into a heat sink. Typical wall thicknesses for diecast cooling bodies are 1 mm to 6 mm, for sheet metal cooling bodies 0.5 mm to 3 mm. In particular, in sheet-metal cooling bodies coatings come with an insulator on at least one side into consideration, ¬ that the heat sink can be mounted isolated. Thermoforming processes are for reshaping particularly in Be ¬ costume. Die-cast alloy cooling bodies can also be injection-molded with plastic, in particular on the surface which does not touch the printed circuit board (pointing downward in FIG. 1). For example, a plastic coating of the board may provide an insulator on an aluminum base, typically 1.6 mm thick, onto which, for example, 35 μm thick copper layers for the tracks, a solder mask, and a solder resist (for reflow solder mounting of the LEDs) are deposited , Typical thicknesses of the metal core boards ¬ between 0.4 mm and 3 mm. The arrow in the center symbolizes a vertically downward laser beam 4 of an infrared laser, for example a pulsed Nd: YAG laser (wavelength 1.06 ym). For example, it may have a pulse energy of between 10 J and 100 J, in the present case about 40 J, with pulse widths of the order of 10 ms to 100 ms, for example 20 ms. Typical pulse powers are between 1 kW and 9 kW, for example 2 kW.
Der Laserstrahl schmilzt den Metallkern der Platine 2 auf und die AufSchmelzung dringt durch die Platine 2 hindurch bis zum Metall oder Metallkern des Kühlkörpers 1 vor. Die Kunststoffbeschichtung der Platine 2 wird eventuell lokal beschädigt, was aber bei Rücksichtnahme auf die Leiter¬ bahnstruktur und natürlich die LEDs 3 unproblematisch ist, weil ein geeigneter Bereich ausgewählt werden kann. In dem in der Figur mit 5 bezeichneten und annähernd trichterförmigen (ungefähr konischen) Aufschmelzungsbe- reich vermengen sich metallische Materialbestandteile der Platine 2 und des Kühlkörpers 1 und bilden nach Erstarren eine feste lokale mechanische Verbindung. The laser beam melts the metal core of the board 2, and the fusion penetrates through the board 2 to the metal or metal core of the heat sink 1. The plastic coating of the board 2 is possibly damaged locally, but this is unproblematic in consideration of the ladder ¬ web structure and of course the LEDs 3, because a suitable range can be selected. In the (approximately conical) melting region, which is denoted by 5 in the figure, metallic material constituents of the plate 2 and of the heat sink 1 mix and form a solid local mechanical bond after solidification.
Dabei wäre, wie gesagt, als Kühlkörper auch ein Metall¬ kernkühlkörper (aus einer Aluminiumdruckguß- oder blechlegierung) mit einer Kunststoffbeschichtung denkbar; die Kunststoffbeschichtung würde dann in ähnlicher Weise lokal zerstört wie bei der Platine 2 oder wäre aus Grün¬ den der Wärmeleitfähigkeit in dem fraglichen Kontaktbe¬ reich zwischen Kühlkörper 1 und Platine 2 ohnehin nicht vorhanden . It would, as I said, as a heat sink and a metal ¬ core cooling body (made of an aluminum die-cast or sheet metal alloy) with a plastic coating conceivable; The plastic coating would then locally destroyed in a similar manner as in the circuit board 2 or would be green for ¬ the thermal conductivity in the relevant Kontaktbe ¬ rich between heat sink 1 and board 2 anyway not available.
Als Laser kommen auch andere IR-Laser wie zum Beispiel C02-Laser (10,6 ym) Diodenlaser, Faserlaser, Scheibenla- ser oder andere Festkörperlaser in Betracht. Beim Schweißen von kunststoffbeschichteten Kühlkörpern haben sich nicht gepulste (CW-) Laser bewährt. The laser also includes other IR lasers, such as C02 lasers (10.6 ym) diode lasers, fiber lasers, disk lasers, or other solid-state lasers into consideration. When welding plastic-coated heat sinks, non-pulsed (CW) lasers have proven their worth.
Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass der Laserstrahl in der üblichen Montagerichtung auftrifft, also das LED-Modul nicht umgedreht bzw. von unten bearbeitet werden muss. Soweit beim Auftreffen des Laserstrahls eine gewisse Partikelkontamination entsteht, wird sie durch die Schwerkraft nicht auf die Optiken des La- sers gelenkt. Durch das „von oben" kommende Laserschwei¬ ßen können die Schweißpunkte in einfacher Weise auf die Platine 2 und die LEDs 3 justiert (das heißt positio¬ niert) werden. Dabei sind in dementsprechend einfacher Weise auch eine Mehrzahl Schweißverbindungen 5 möglich, zum Beispiel mehrfach hintereinander auf ein bewegtes (linear verfahrendes oder sich drehendes) LED-Modul, wo¬ bei je nach Wiederholfrequenz der Laserpulsung linienhaf- te oder beabstandete Schweißverbindungen erzeugt werden können. Mit Scanneroptiken, mechanischen Blenden und/oder verfahrbaren Werkstückhaltern können auch flächenhafte Raster oder Verteilungen erzeugt werden. An advantage of this embodiment is that the laser beam impinges in the usual mounting direction, so the LED module does not have to be turned over or processed from below. As far as a certain particle contamination arises when the laser beam strikes, gravity does not direct it to the optics of the laser. Through the "top" incoming laser welding ¬ SEN the welding points can in a simple manner on the circuit board 2 and the LEDs 3 adjusted (i.e. positio ¬ defined) are. Here, in correspondingly simple manner, a plurality welds 5 possible, for example several times consecutively te on a moving (linear verfahrendes or rotating) LED module, where ¬ linienhaf- when depending on repetition of Laserpulsung or spaced welds can be produced. with scanner optics, mechanical shutter and / or movable workpiece holders also areal grid or distributions may be generated become.
Das Verfahren bietet sich vor allem für dünne Platinen an, wobei dennoch relativ hohe Laserenergien in der Größenordnung von zum Beispiel 40 J oder mehr pro Puls er- forderlich sein können. Damit verbunden können im Vergleich zu anderen Ausführungsbeispielen größere Schmauchmengen oder Spratzer auf den LED-Linsen (nicht gezeigt) auftreten, weswegen entsprechende Vorkehrungen, zum Beispiel eine gute Absaugung, notwendig werden können. Güns- tig ist es, wenn im Bereich der zukünftigen Laserschweißverbindung 5 vorab kein Lötstopplack vorhanden ist, um entsprechende Belastungen der Atmosphäre durch den Schmauch zu vermeiden. Aufgrund der Platinendicke treten relativ große Schweißlinsen auf, sodass die Zahl der Schweißpunkte klein bleiben kann. Die erreichbare Festigkeit kann durchaus zu vorbekannten Verfahren vergleichbar sein. The method is particularly suitable for thin circuit boards, although relatively high laser energies on the order of, for example, 40 J or more per pulse may be required. Associated with this, in comparison to other embodiments, larger quantities of smoke or scratches can occur on the LED lenses (not shown), for which reason appropriate precautions, for example a good suction, may be necessary. It is favorable if, in the area of the future laser welding connection 5, no solder resist is present in advance appropriate pollution of the atmosphere by the smoke to avoid. Due to the board thickness relatively large welding lenses occur, so that the number of welding spots can remain small. The achievable strength can certainly be comparable to previously known methods.
Im Übrigen kann der Prozess auch durch eine Schutzgasspülung verbessert werden, um von einem Wärmeeintrag betrof¬ fene Bereiche vor Oxidation zu schützen. Grundsätzlich sind die LEDs 3 selbst durch die Kurzzeitigkeit und loka¬ le Begrenzung des Wärmeeintrags nicht gefährdet, solang sie nicht getroffen werden oder nicht in ihrer direkten Nachbarschaft gearbeitet wird. Moreover, the process can also be improved by an inert gas purge to protect from a heat input betrof ¬ fene areas from oxidation. In principle, the LEDs 3 are themselves not jeopardized by the Kurzzeitigkeit and Loka ¬ le limit of the heat input, as long as they are not taken or will not work in its immediate neighborhood.
Die folgenden Ausführungsbeispiele unterscheiden sich je- weils in spezifischer Form vom ersten Ausführungsbeispiel und werden im Hinblick auf diese Unterschiede erläutert. Im Übrigen gelten die obigen Aussagen sinngemäß. The following exemplary embodiments each differ in specific form from the first exemplary embodiment and are explained with regard to these differences. Incidentally, the above statements apply mutatis mutandis.
In Fig. 2 ist zur Erleichterung der Schweißverbindung am Auftreffort des Laserstrahls 4 in der Platine 2 vorab ei- ne Vertiefung 6 angebracht. 2, a depression 6 is provided in advance in the blank 2 in order to facilitate the welding connection at the point of impact of the laser beam 4.
Dadurch ist die verbleibende Dicke der Platine 2 deutlich geringer, zum Beispiel um etwa 50 %. As a result, the remaining thickness of the board 2 is significantly lower, for example by about 50%.
Dies geschieht durch einen weiteren mechanischen Arbeitsschritt bei der Platinenfertigung, zum Beispiel durch ei- nen Frässchritt. Dieser zusätzliche Arbeitsschritt ist zwar an sich ein gewisser Nachteil, jedoch wegen Automa- tisierbarkeit und niedriger Kostenrelevanz kein besonders großer . Dementsprechend sind kleinere Laserenergien notwendig, entstehen weniger Schmauch und ein geringeres Spratzer- risiko und sind die entstehenden Schweißlinsen kleiner, was ihre Anordnung erleichtern kann. Eine Absaugung ist trotzdem anzuraten und wegen der kleineren Ausführung der Schweißverbindung 5.2 (und zwar sowohl in der Fläche als auch in der Tiefe) kann die Zahl der einzelnen Schweißpunkte gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel auch et¬ was erhöht werden. (Generell ist die Erfindung aber auch bei kleinen Schweißverbindungen mit kleinen Zahlen von Schweißverbindungen oder nur mit einzelnen Schweißverbindungen denkbar, nicht nur, aber auch in Verbindung mit anderen konventionellen Befestigungssystemen.) This is done by another mechanical step in the production of the board, for example by a milling step. Although this additional step is in itself a certain disadvantage, it is not particularly great because of its automatability and low cost relevance. As a result, smaller laser energies are required, less smoke and risk of spattering are created, and the resulting weld nuggets are smaller, which can facilitate their placement. An extraction is still advisable and because of the smaller version of the welded joint 5.2 (both in the area and in depth), the number of individual welds with respect to the first embodiment also et ¬ something can be increased. (In general, however, the invention is also conceivable for small welded joints with small numbers of welded joints or only with individual welded joints, not only but also in conjunction with other conventional fastening systems.)
Das dritte Ausführungsbeispiel in Fig. 3 entspricht an- satzweise dem zweiten Ausführungsbeispiel; jedoch ist hier nicht nur eine Vertiefung in der Platine 2 vorgese¬ hen, sondern ein Loch. Dieses Loch kann ebenfalls durch einen mechanischen Arbeitsschritt bei der Platinenferti¬ gung erzeugt werden, beispielsweise durch einfaches Durchbohren, was gegenüber dem Frässchritt noch unproblematischer ist, weil nicht auf die Tiefe geachtet werden muss . The third exemplary embodiment in FIG. 3 corresponds in part to the second embodiment; However, here is not only a recess in the board 2 vorgese ¬ hen, but a hole. This hole can also be generated by a mechanical step in the Platinenferti ¬ supply, for example by simply piercing, which is compared to the milling step even less problematic, because it does not have to pay attention to the depth.
In diesem Fall wird der Laserstrahl 4 gewinkelt von oben eingestrahlt, um eine Kante zu treffen, an der Material- bereiche der Platine 2 und Materialbereiche des Kühlkör¬ pers 1 gemeinsam aufgeschmolzen werden können. Dies ist in Fig. 3 durch die Schweißverbindung 5.3 angedeutet. Durch die klare vorherige Auszeichnung des Lochs gegen¬ über dem restlichen Platinenbereich ist bei diesem Aus- führungsbeispiel die Gefahr der versehentlichen Durchtrennung von Leiterbahnen besonders gering. Durch das di- rekte Schweißen auf der Grenzfläche zwischen Platine 2 und Kühlkörper 1 entstehen selbst im Vergleich zum zweiten Ausführungsbeispiel besonders wenig Schmauch und we¬ nig Spratzer und ist nur eine geringe Laserenergie not- wendig. Auch hier sind typischerweise gegenüber dem ers¬ ten Ausführungsbeispiel mehr Schweißpunkte anzuraten. Zum Beispiel können das wie beim zweiten Ausführungsbeispiel zwischen 3 und 10 Schweißpunkte sein, wohingegen beim ersten Ausführungsbeispiel typischerweise 2 bis 6 bevor- zugt sind. In this case, the laser beam 4 is angled irradiated from above in order to meet an edge of the Kühlkör ¬ pers 1 can be melted together in the material regions of the board 2 and material regions. This is indicated in Fig. 3 by the welded joint 5.3. Due to the clear previous distinction of the hole against the ¬ over the remaining board area in this embodiment, the risk of accidental separation of conductor tracks is particularly low. Through the di- rect welding on the interface between the board 2 and the heat sink 1 are created even compared to the second embodiment, particularly little Schmauch and we ¬ nig spatters and is only a low laser energy necessary. Here, too, more spot welds are typically compared to the ¬ ers th embodiment advisable. For example, as in the second embodiment, it may be between 3 and 10 spot welds, whereas in the first embodiment, typically 2 to 6 are preferred.
Bei dem vierten Ausführungsbeispiel in Fig. 4 ist statt der Kante innerhalb des Loches 7 in Fig. 3 die Außenkante der Platine Ziel des Laserstrahls 4. Damit ist die Schweißverbindung besonders gut aus dem Leiterbahnenbe- reich herauszuhalten und es muss nicht auf das Loch 7 ge¬ zielt werden. Auch hier sollten etwas mehr Schweißpunkte gesetzt werden als beim ersten Ausführungsbeispiel, wie¬ derum vorzugsweise zwischen 3 und 10. Um die unterschied¬ liche Neigung des Laserstrahls relativ zum LED-Modul zu berücksichtigen, kann das LED-Modul zum Beispiel um eine vertikale Achse gedreht werden, so dass ohne Veränderung des Laserstrahls die beiden in Fig. 4 eingezeichneten Schweißbereiche 5.4 hergestellt werden können. Im Übrigen eignet sich diese Ausführungsform besonders für die Kom- bination mit einer zusätzlichen mittigen Befestigung, zum Beispiel mit dem dritten Ausführungsbeispiel oder in kon¬ ventioneller Form mit einer Schraube, Niete oder einem Rast- oder Klemmbefestigungsstift . Auch kann ein Kleb¬ stoff zwischen Platine 2 und Kühlkörper 1 anzuraten sein (oder ein gut wärmeleitendes Material mit guten Haftei- genschaften) , um Probleme wegen einer Aufwölbung zwischen Platine 2 und Kühlkörper 1 zu vermeiden. In the fourth embodiment in FIG. 4, instead of the edge within the hole 7 in FIG. 3, the outer edge of the board is the target of the laser beam 4. In this way, the welded connection is to be kept particularly well out of the strip conductor area and it does not have to extend to the hole 7 ¬ be targeted. Again, a little more welding points should be set than in the first embodiment, as ¬ preferably between 3 and 10. In order to take into account the difference ¬ Liche inclination of the laser beam relative to the LED module, the LED module, for example, rotated about a vertical axis be so that without changing the laser beam, the two drawn in Fig. 4 welding areas 5.4 can be made. Incidentally, this embodiment is particularly suitable for the combination with an additional central attachment, for example, with the third embodiment or in kon ¬ conventional form with a screw, rivet or a locking or clamping attachment pin. A ¬ adhesive material between board 2 and the heat sink 1 can be advisable (or a good heat-conducting material with good Haftei- characteristics) to avoid problems due to a bulge between board 2 and heat sink 1.
Das fünfte Ausführungsbeispiel in Fig. 5 unterscheidet sich wie auch das danach erläuterte sechste, siebte und achte Ausführungsbeispiel von den ersten vier Ausfüh¬ rungsbeispielen dadurch, dass der Laserstrahl 4 hier von „unten", also von der der Platine 2 abgewandten Seite des Kühlkörpers 1 auf letzteren gerichtet wird. Bei der ers¬ ten Variante nach Fig. 5 wird dabei die gesamte Stärke des Kühlkörpers aufgeschmolzen. Daher eignet sich diese Variante für eher geringe Materialstärken des Kühlkörpers 1, beispielsweise bei einer Ausführung aus tiefgezogenem Blech. Dem grundsätzlichen Nachteil eines Arbeitens auf der der üblichen Montageseite abgewandten Seite und der Notwendigkeit relativ hoher Laserenergien stehen als Vorteil die Schmauchentwicklung und Spratzerentwicklung auf der den LEDs 3 abgewandten Seite entgegen. Es muss darauf geachtet werden, dass nach unten fallende Partikel die Optiken des Lasers nicht verschmutzen, weil hier (bei üb- licher Anordnung) die Schwerkraft nach unten und damit grundsätzlich in Richtung zu der Laseroptik weist. Im Übrigen besteht bei dieser Ausführungsform Bedarf an einer relativ genauen Kontrolle der Aufschmelztiefe, um die möglicherweise vergleichsweise dünne Platine 2 nicht zu durchtrennen. The fifth embodiment shown in FIG. 5 differs as well as the sixth, seventh and eighth embodiment of the first four exporting explained thereafter ¬ approximately embodiments in that the laser beam 4 here from "below", ie from the board 2 side remote from the heat sink 1 is directed to the latter. in the ers ¬ th variant of FIG. 5 while the overall strength of the heat sink is melted. Therefore, this variant is suitable for rather small material thickness of the heat sink 1, for example, in one embodiment from deep-drawn sheet metal. the basic disadvantage of a working On the side facing away from the usual mounting side and the need for relatively high laser energies, it is advantageous to prevent the development of smoke and the development of scratches on the side facing away from the LEDs 3. Care must be taken that particles falling down do not pollute the optics of the laser because (here with usual arrangement) the gravity downwards and thus basically points in the direction of the laser optics. Incidentally, in this embodiment, there is a need for a relatively accurate control of the reflow depth so as not to cut through the possibly comparatively thin board 2.
Das nächste Ausführungsbeispiel in Fig. 6 unterscheidet sich vom fünften Ausführungsbeispiel in Fig. 5 in analo¬ ger Weise, wie sich das zweite Ausführungsbeispiel in Fig. 2 von dem in Fig. 1 unterscheidet. Hier wurde also von unten eine Vertiefung 8 im Kühlkörper 1 vorgesehen, beispielsweise durch einen Fräsvorgang oder durch eine entsprechende Formgebung beim Druckguss. The next embodiment in Fig. 6 differs from the fifth embodiment in Fig. 5 in analo ¬ ger manner as the second embodiment in Fig. 2 differs from that in FIG. 1. Here, therefore, a recess 8 was provided in the heat sink 1 from below, for example, by a milling process or by a corresponding shaping during die casting.
Das siebte Ausführungsbeispiel in Fig. 7 entspricht in analoger Weise dem dritten aus Fig. 3, der Kühlkörper 1 ist also durchbohrt bzw. allgemeiner ausgedrückt mit ei¬ nem Loch 9 versehen, das zum Beispiel auch durch eine Berücksichtigung beim Druckgussformen hergestellt werden kann. Die entsprechende Schweißverbindung 5.7 ähnelt im Übrigen stark der Schweißverbindung 5.3 aus Fig. 3, wobei allerdings die mit der Laserausrichtung „von unten" zusammenhängenden Anmerkungen zu dem fünften und sechsten Ausführungsbeispiel gelten. The seventh embodiment in Fig. 7 corresponds in an analogous manner to the third of Fig. 3, the heat sink 1 is thus pierced or more generally provided with egg ¬ nem hole 9, which can be prepared, for example, by taking into account in die casting. Incidentally, the corresponding welded connection 5.7 is very similar to the welded connection 5.3 from FIG. 3, although the remarks relating to the laser alignment "from below" apply to the fifth and sixth exemplary embodiments.
Das letzte achte Ausführungsbeispiel in Fig. 8 entspricht dementsprechend dem vierten aus Fig. 4, wobei hier im Un- terschied zu Fig. 4 zumindest an den betroffenen Stellen die Platine 2 etwas über den Kühlkörper 1 hinausragen muss (und nicht umgekehrt wie in Fig. 4) . An der Kante dazwischen wird eine Schweißverbindung 5.8 vorgesehen. Es gelten die Anmerkungen zum vierten Ausführungsbeispiel unter Berücksichtigung der Besonderheiten des Arbeitens von unten. Insbesondere gilt dies auch für das Risiko ei¬ ner Aufwölbung und die besondere Eignung zur Kombination mit einer mechanischen Verbindung „in der Fläche" zwischen Platine 2 und Kühlkörper 1. Hierfür (aber auch für eine Kombination mit anderen Ausführungen der Erfindung) eignen sich zum Beispiel Klebstoffe. In der Kombination mit der Erfindung müssen deren Aushärte- oder Trockenzeiten allerdings nicht zwingend zu einem wesentlichen Nachteil für die Produktion werden, weil die mechanische Verbindung zwischen Platine 2 und Kühlkörper 1 durch einen oder wenige Laserschweißpunkte bereits hergestellt werden kann. Der zwischen Platine 2 und Kühlkörper 1 vorgesehene Klebstoff kann dann bei der Lagerung oder spätestens beim Betrieb des LED-Moduls und den dann auftretenden erhöhten Temperaturen aushärten, für zusätzlichen Halt sorgen und ein Aufwölben verhindern. Der Klebstoff kann außerdem einen Luftspalt überbrücken und damit den thermischen Kontakt verbessern. Das gilt insbesondere in Anbetracht gelegentlich unvermeidli- eher Unebenheiten in den Oberflächen, vor allem in denen des Kühlkörpers 1. Hier können auch sogenannte thermal interface materials Verwendung finden, die entweder nur den Wärmeübergang verbessern oder zusätzlich haftverbessernde Eigenschaften haben (etwa als Klebstoff mit zu- sätzlichen wärmeleitungsverbessernden Zusätzen) . Accordingly, the last eighth exemplary embodiment in FIG. 8 corresponds to the fourth from FIG. 4, wherein, unlike FIG. 4, the printed circuit board 2 must protrude somewhat beyond the heat sink 1 (and not vice versa as in FIG. 4). At the edge in between a weld 5.8 is provided. The comments on the fourth exemplary embodiment apply, taking into account the special features of working from below. In particular, this also applies to the risk ei ¬ ner buckling and the particular suitability for combination with a mechanical connection "in the area" between board 2 and heat sink 1. For this purpose (but also for a combination with other embodiments of the invention) are, for example Adhesives In combination with the invention, however, their curing or drying times do not necessarily have to be a significant disadvantage for the production, because the mechanical connection between board 2 and Heatsink 1 can already be made by one or a few laser welding points. The provided between board 2 and heat sink 1 adhesive can then harden during storage or at the latest during operation of the LED module and the elevated temperatures then occur, provide additional support and prevent buckling. The adhesive may also bridge an air gap, thereby improving thermal contact. This is particularly true in view of occasionally unavoidable rather unevenness in the surfaces, especially in those of the heat sink 1. Here also so-called thermal interface materials can be used, which either improve only the heat transfer or additionally adhesion-improving properties (such as adhesive with additional heat conduction additives).
Gleichermaßen ist auch eine Kombination mit mechanischen Befestigungselementen wie Schrauben oder Nieten möglich, die vorteilhafterweise auch zu anderweitigen Verbindungs¬ zwecken dienen können, zum Beispiel zur Befestigung von Optikteilen, Abdecklinsen oder Gehäuseteilen. Insbesondere kann ein einziges oder eine kleine Zahl eher zentral angeordneter Befestigungselemente das beschriebene Wöl¬ bungsproblem lösen, also vor allem für eine Kombination mit dem vierten oder dem achten Ausführungsbeispiel ge- eignet sein. Das Gleiche gilt für Nieten und für speziell geformte Kunststoffbefestigungselemente, die in dübelähn¬ licher Form klemmen oder formschlüssig (durch Aufspreizen der Elemente) verbinden. All diese Befestigungselemente sind grundsätzlich vorbekannt und werden daher nicht im Einzelnen dargestellt. Ein Beispiel zeigt Figur 9 mit einer zentralen Schraube oder Niet oder einem dübelähnlichen Befestigungselement 10, das den Kühlkörper 1 und die Platine 2 zentrisch durchdringt und verbindet. Im Übrigen gelten die Anmer- kungen zum vierten Ausführungsbeispiel in Figur 4, insbe¬ sondere hinsichtlich der Schweißverbindungen 5.4. Similarly, a combination with mechanical fasteners such as screws or rivets is possible, which can be used advantageously for other connection ¬ purposes, for example, for attachment of optical parts, Abdecklinsen or housing parts. In particular, can solve the described Woël ¬ exercise problem-one or a small number of more centrally arranged fastening elements, so especially for a combination overall with the fourth or the eighth embodiment is suitable. The same applies to rivets and specially shaped plastic fasteners that clamp in dowel-like ¬ form or form-fitting (by spreading the elements) connect. All these fasteners are basically previously known and therefore not shown in detail. An example is shown in FIG. 9 with a central screw or rivet or a dowel-like fastening element 10, which centrally penetrates and connects the heat sink 1 and the printed circuit board 2. Incidentally, the Anmer- only pertains to the fourth embodiment in Figure 4, in particular ¬ sondere with respect to the welded joints 5.4.
Zwei weitere Beispiele zeigen die Figuren 10 und 11 mit einer Klebeverbindung 11 zwischen Kühlkörper 1 und Platine 2, und zwar einerseits in Figur 10 in Kombination mit Schweißverbindungen 5.4 wie in Figur 4 und in Figur 11 in Verbindung mit einer Schweißverbindung 5.8 gemäß Figur 8. Two further examples are shown in FIGS. 10 and 11 with an adhesive connection 11 between the heat sink 1 and the circuit board 2, on the one hand in FIG. 10 in combination with welded connections 5. 4 as in FIG. 4 and in FIG. 11 in connection with a welded connection 5. 8 according to FIG. 8.

Claims

Ansprüche claims
Verfahren zum Herstellen eines LED-Moduls (1-3), bei dem eine mechanische Verbindung (5.1-5.8) zur Herstellung oder Verbesserung einer Wärmekopplung zwischen einem Kühlkörper (1) und einer zumindest eine LED (3) tragenden Platine (2) mittels Laserschweißen hergestellt wird. Method for producing an LED module (1-3), in which a mechanical connection (5.1-5.8) for producing or improving a heat coupling between a heat sink (1) and a board (2) bearing at least one LED (3) by means of laser welding will be produced.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in einem durch das Laserschweißen aufgeschmolzenen Bereich (5.1-5.8) Materialteile des Kühlkörpers (1) und Materialteile der Platine (2) miteinander verschmolzen werden. The method of claim 1, wherein in a melted by the laser welding region (5.1-5.8) material parts of the heat sink (1) and material parts of the board (2) are fused together.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die miteinander verschmolzenen Materialteile metallisch sind. The method of claim 2, wherein the fused together material parts are metallic.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Platine (2) eine Metallkernplatine ist. A method according to any preceding claim, wherein the board (2) is a metal core board.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Kühlkörper (1) metallisch ist oder zumindest einen Metallkern hat. Method according to one of the preceding claims, in which the heat sink (1) is metallic or has at least one metal core.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Platine (2) in direkter Wärmekopplung zu ei- nem Substrat (3) steht und dieses trägt, auf welchem Substrat aktive Schichten zumindest einer LED abge¬ schieden sind. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the board (2) in direct thermal coupling to a nem substrate (3), and this carries, on which substrate at least one LED active layers abge ¬ are eliminated.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, be dem der Laserstrahl (4) von einer LED-Seite aus i einen Bereich der Platine (2), der LED-frei ist, au die Platine (2) gerichtet wird. Method according to one of the preceding claims, in which the laser beam (4) is directed from an LED side to a region of the board (2) which is LED-free, to the printed circuit board (2).
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Laserstrahl (4) auf eine gegenüber benachbarten Bereichen der Platine (2) verdünnte Stelle (6) der Platine (2) ge¬ richtet wird. Ge is directed ¬ method of claim 7, wherein the laser beam (4) diluted to a relative to adjacent areas of the board (2) point (6) of the board (2).
9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Laserstrahl (4) auf einen Rand der Platine (2) gerichtet wird. 9. The method of claim 7, wherein the laser beam (4) is directed to an edge of the board (2).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Laserstrahl (4) von einer einer LED-Seite der Platine (2) entgegengesetzten Seite des Kühlkörpers (1) auf den Kühlkörper (1) gerichtet wird. Method according to one of claims 1 to 6, wherein the laser beam (4) from a LED side of the board (2) opposite side of the heat sink (1) is directed to the heat sink (1).
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Laserstrahl (4) auf eine gegenüber benachbarten Bereichen desA method according to claim 10, wherein the laser beam (4) is applied to an opposite region of the
Kühlkörpers (1) verdünnte Stelle (8) des Kühlkörpers (1) gerichtet wird. Heatsink (1) is diluted point (8) of the heat sink (1) is directed.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Laserstrahl auf einen Rand des Kühlkörpers (1) gerichtet wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zwischen der Platine (2) und dem Kühlkörper (1) vor dem Laserschweißen ein sich dünn und flächig in der Form anpassendes Kontaktmaterial vorgesehen wird, insbesondere ein Klebstoff oder ein thermisches Leit¬ material . Method according to Claim 10, in which the laser beam is directed onto an edge of the heat sink (1). Method according to one of the preceding claims, wherein between the circuit board (2) and the heat sink (1) prior to the laser welding, a thin and flat conformal in the form of contact material is provided, in particular an adhesive or a thermal Leit ¬ material.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Platine (2) und der Kühlkörper (1) zusätzlich mit zumindest einem Stiftbefestigungselement mecha¬ nisch verbunden werden, insbesondere mit einer Schraube (10), einer Niete (10), oder einem Rast¬ oder Klemmbefestigungsstift (10). Method according to one of the preceding claims, in which the circuit board (2) and the cooling body (1) additionally connected to at least one pin fastener mecha ¬ cally, in particular a screw (10), a rivet (10) or a latching ¬ or Clamp fixing pin (10).
15. LED-Modul (1-3), hergestellt durch ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Kühlkörper (1) und einer eine LED (3) tragenden Platine (2), die durch eine Laserschweißverbindung (5.1-5.8) verbunden sind und in Wärmekopplung zueinander stehen. 15. LED module (1-3), produced by a method according to one of the preceding claims with a heat sink (1) and a LED (3) carrying the circuit board (2), which are connected by a laser welding connection (5.1-5.8) and in thermal coupling with each other.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014218968B4 (en) * 2014-09-22 2016-12-15 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Method for welding a ball to a first component, method for connecting two components, correspondingly manufactured component and component connection
DE102015205354A1 (en) 2015-03-24 2016-09-29 Osram Gmbh Optoelectronic assembly and method for manufacturing an optoelectronic assembly
DE102022204292A1 (en) * 2022-05-02 2023-11-02 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Contact arrangement with a welded flexible circuit board

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4221564A1 (en) * 1992-07-01 1994-01-13 Siemens Ag Solder connection method for joining e.g. LED chip and flat copper component - preheating solder, positioning chip, melting solder by short-term temp. increase and lowering chip into position before cooling
US20040190294A1 (en) * 2003-03-27 2004-09-30 Jean-Claude Gasquet Method of fixing a power light-emitting diode on a radiator, and a signalling device comprising such a diode
WO2007036836A1 (en) * 2005-09-29 2007-04-05 Philips Intellectual Property & Standards Gmbh Method for fixing a light-emitting diode to a metallic heat-radiating element
US20070147009A1 (en) * 2003-11-18 2007-06-28 Valeo Electronique & Systemes De Liaison Device for cooling an electrical component and production method thereof
DE102010050343A1 (en) * 2010-11-05 2012-05-10 Heraeus Materials Technology Gmbh & Co. Kg Chip-integrated via contacting of multi-layer substrates

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3137441A1 (en) * 1981-09-21 1983-03-31 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München METHOD FOR FIXING OPTICAL AND ELECTROOPTIC COMPONENTS
JP2834901B2 (en) * 1991-04-26 1998-12-14 ローム株式会社 Method for manufacturing stem for semiconductor laser device
US6392778B1 (en) * 1999-03-17 2002-05-21 Koninklijke Philips Electronics N.V. Opto-electronic element
JP3269815B2 (en) * 1999-12-13 2002-04-02 富士通株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP4160889B2 (en) * 2003-09-30 2008-10-08 富士通株式会社 Manufacturing method of semiconductor device
JP4800019B2 (en) * 2005-11-28 2011-10-26 ミヤチテクノス株式会社 Semiconductor laser package device and manufacturing method thereof
TW201029224A (en) * 2009-01-20 2010-08-01 Bright Led Electronics Corp Package structure for solid-state light source with low thermal resistance and manufacturing method thereof
CN102403419B (en) * 2011-11-09 2013-08-21 东莞勤上光电股份有限公司 Manufacturing technology of high-power LED radiating structure

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4221564A1 (en) * 1992-07-01 1994-01-13 Siemens Ag Solder connection method for joining e.g. LED chip and flat copper component - preheating solder, positioning chip, melting solder by short-term temp. increase and lowering chip into position before cooling
US20040190294A1 (en) * 2003-03-27 2004-09-30 Jean-Claude Gasquet Method of fixing a power light-emitting diode on a radiator, and a signalling device comprising such a diode
US20070147009A1 (en) * 2003-11-18 2007-06-28 Valeo Electronique & Systemes De Liaison Device for cooling an electrical component and production method thereof
WO2007036836A1 (en) * 2005-09-29 2007-04-05 Philips Intellectual Property & Standards Gmbh Method for fixing a light-emitting diode to a metallic heat-radiating element
DE102010050343A1 (en) * 2010-11-05 2012-05-10 Heraeus Materials Technology Gmbh & Co. Kg Chip-integrated via contacting of multi-layer substrates

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