Um Anwendungen mit LEDs mit hoher Helligkeit zu realisieren, werden in letzter Zeit immer mehr Hochleistungs-LEDs mit einer Betriebsleistung von mehr als 1 Watt (elektrisch) eingesetzt. Die Chipfläche dieser LED- Dice liegt derzeit im Bereich von lmm2. Es ist zu erwarten, dass sich in der Zukunft die Betriebsleistung pro LED weiter erhöhen wird, was einerseits durch größere Halbleiter und andererseits durch höhere Stromdichten erreicht wird. Speziell die Erhöhung der Stromdichten bewirkt, dass die Leistungsdichten von LEDs in der nächsten Zeit von derzeit maximal 1 bis 2 Wattelektrisch/mm2 auf über 4 Wattelektrisch/mm2 ansteigen können.

Bei Erhöhung der Leistungsdichten ist indessen gleichzeitig dafür zu sorgen, dass die entsprechend ebenfalls erhöhte Verlustwärme abgeführt wird, um sicherzustellen, dass die Verlustwärme ausreichend vom Halbleiter abgeführt wird.

Eine zu große Erwärmung der LEDs während des Betriebs führt nämlich u. U. zu einer Bauteilzerstörung. Aus diesem Grund muss während des Betriebs der LED gewährleistet sein, dass

die Temperatur an der Sperrschicht des p-n Übergangs in der LED beispielsweise 125°C nicht übersteigt. Diese Gefahr besteht genauer gesagt darin, dass nur ein Teil der von der LED aufgenommenen elektrischen Leistung in Licht umgesetzt wird, während der andere Teil in Wärme umgewandelt wird (derzeit ist der Licht-Wirkungsgrad von LEDs noch unter 10%). Die Betriebsparameter von LEDs sind daher in Abhängigkeit von der Art der Montage (Assemblierung), der Einbau-und Umgebungsbedingungen derart zu wählen, dass die Sperrschichttemperatur der LED bspw. 125°C nicht übersteigt Die Erfindung setzt dahingehend an, dass die Verlustwärme durch Verbesserung des thermischen Widerstands der Anordnung effizienter abgeführt werden kann. Wenn gemäß der Erfindung die Wärme gut durch geringen thermischen Widerstand abgeführt werden kann, kann diese ohne hohe Temperaturgefälle auf den LED-Träger übertragen werden. Der thermische Widerstand wird dabei in K (Kelvin) /W (Watt) ausgedrückt.

Gemäß dem Stand der Technik sind Anordnungen für Hochleistungs-LEDs bekannt, die typischerweise einen thermischen Widerstand von mehr als 15 K/W in dem Bereich von der Sperrschicht zum LED-Träger (Platine oder dgl.) aufweisen. Dies bedeutet, dass gemäß dem Stand der Technik der Temperaturunterschied zwischen dem LED-Träger und der aktiven Zone (Sperrschicht) der LED bei einem Betrieb mit fünf Welektrisch bis zu 75 Kelvin betragen würde. Ausgehend von der genannten maximal zulässigen Sperrschichttemperatur in Dauerbetrieb bedeutet dies, dass bei einer Umgebungstemperatur von beispielsweise 40°C der Temperaturabfall über einen Wärmetauscher (Kühlkörper) maximal 10°C betragen darf. Dies würde wiederum eine Kühloberfläche von 350 cm2 erfordern, was ganz offensichtlich Probleme mit sich bringt. Darüber hinaus wäre ein Einsatz bei Temperaturen über 50°C nahezu

unmöglich, was die Verwendung der LED für bestimmte technische Anwendungen, wie beispielsweise im Kfz-Bereich unmöglich machen würde.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, als LED-Träger gedruckte Leiterplatten (printed circuit boards, PCBs) zu verwenden. Üblicherweise weisen diese ein organisches Epoxidharz auf, das thermisch nur sehr schlecht leitet und daher die thermische Ableitung der Verlustwärme von der LED auf den Träger erschwert.

Alternativ sind auch Keramikplatinen bekannt, die zwar bessere thermische Eigenschaften im Vergleich zu den Leiterplatten auf Epoxidharzbasis aufweisen, dagegen aber sehr spröde und brüchig sind, was ihre Verwendung als Trägermaterial mehr als einschränkt.

In technischen Hochleistungsanwendungen werden gemäß dem Stand der Technik auch Metallkernplatinen eingesetzt. Diese haben typischerweise einen sandwichartigen Aufbau basierend aus der Metallkernbasis, einer Isolationsschicht und einer Leiterbahn.

Angesichts dieses Standes der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Montage-Anordnung für Leuchtdioden mit verbesserter Wärmeabfuhr vorzuschlagen.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass nach Stand der Technik bei der Verwendung von Metallkernplatinen die Abfuhr der Verlustwärme von der LED, welche auf die Leiterbahn aufgesetzt ist, durch die darunterliegende Isolationsschicht eingeschränkt ist, was wiederum die Leistungsdichte der LED eingrenzt.

Die angeführte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen

Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.

Gemäß der Erfindung ist also eine Leuchtdioden-Anordnung mit wenigstens einem Leuchtdioden-Chip (LED-Die) vorgesehen. Weiterhin ist eine Mehrschichtplatine aufweisend eine Basis aus einem thermisch gut leitfähigen Material, wie beispielsweise Metall vorgesehen, wobei eine elektrisch isolierende und thermisch gut leitfähige Verbindungsschicht zwischen der Emissionsfläche des Leuchtdioden-Chips und der Basis angeordnet ist. Da im Gegensatz zum Stand der Technik die thermisch isolierende (Epoxid-) Schicht in Wegfall gelangt, wird der Wärmeübertrag von dem Leuchtdioden-Chip zu dem wärmeabführenden Basismaterial der Platine hin deutlich verbessert.

Die elektrisch isolierende Verbindungsschicht kann beispielsweise die Grenzfläche des Leuchtdioden-Chips oder dessen Substratbasis (z. B. Saphir) sein, die der Platine zugewandt ist.

Alternativ oder zusätzlich kann die Verbindungsschicht auch eine Klebeschicht aufweisen, die für sich selbst genommen bereits elektrisch isolierend sein kann.

Eine derartige isolierende Klebeschicht, die z. B. auch durch eine Klebefolie realisiert sein kann, ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Leuchtdioden-Chip verwendet wird, dessen der Basis zugewandte Oberfläche elektrisch leitend ist. In diesem Fall muß eine gesonderte elektrische Isolierung zwischen dem Chip und der Basis erfolgen, um Kurzschlüsse und ESD-Ausfälle zu vermeiden.

Der Leuchtdioden-Chip kann in einer Vertiefung der Platine untergebracht sein. Dabei kann der Leuchtdioden-Chip derart versenkt sein, dass seine Oberseite nicht über die Kontur

der Platine übersteht und beispielsweise plan mit der Oberseite der Platine abschließt.

Die Vertiefung, in die der LED-Chip gesetzt ist, kann dabei in der wärmeabführenden Basis der Platine ausgebildet sein.

Gleichzeitig kann die Vertiefung weitere Funktionen aufweisen. Beispielsweise kann die Vertiefung eine Reflektorwirkung haben, wobei vorteilhafterweise die Wände der Vertiefung zumindest teilweise abgeschrägt sind.

Der Leuchtdioden-Chip kann derart angebracht sein, dass das Substrat der Leuchtdioden der Platine zugewandt ist, wobei in diesem Fall das Substrat aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise Saphir gebildet sein kann. Diese Montageart wird in der Fachterminologie oft auch als"Face Up"bezeichnet.

Indessen ist auch die"Face Down"-Montagetechnik denkbar, bei der der Leuchtdioden-Chip derart angeordnet ist, dass das Substrat der Leuchtdioden von der Platine abgewandt ist. In diesem Fall kann zwischen dem Leuchtdioden-Chip und der Platine ein zu diesen Bauteilen separater Zwischenträger angeordnet sein, mit dem der Leuchtdioden- Chip elektrisch kontaktiert ist.

Die der Platine zugewandte Seite des Zwischenträgers kann elektrisch isolierend sein, wobei der dem Leuchtdioden-Chip zugewandte Bereich des Zwischenträgers leitende Bereiche wie beispielsweise Leiterbahnen aufweisen kann.

Wenigstens der Bereich des wenigstens einen Leuchtdiodenchips kann von einer Linse wie beispielsweise einer Fresnel-Linse überdeckt sein.

Der Bereich zwischen der Platine und der Linse kann wenigstens teilweise mit einem Farbkonversionsstoff gefüllt

sein. Der Farbkonversionsstoff kann also neben und/oder über dem Leuchtdioden-Chip angeordnet sein. Gegebenenfalls kann auch die Vertiefung seitlich vom Chip mit einem Farbkonversionsstoff aufgefüllt sein, um eine LED mit wesentlich weißer Lichtcharakteristik zu erhalten.

Der Leuchtdioden-Chip kann mittels Drähten von einer Leiterplatte aus kontaktiert sein, wobei diese Leiterplatte seitlich von dem Leuchtdioden-Chip sandwichartig mittels einer dazwischenliegenden Isolierschicht auf der Platine aufgebracht ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Leuchtdioden-Anordnung mit einer Sandwich-Struktur vorgeschlagen. Diese Struktur weist dabei eine thermisch gut leitfähige Schicht, beispielsweise aus Metall, eine elektrisch isolierende Schicht und eine Leiterplatte auf.

Die elektrische Isolierschicht und die Leiterplatte weisen dabei übereinanderliegende Ausnehmungen auf, sodass die thermisch leitfähige Schicht im Bereich dieser Ausnehmungen in Richtung der Oberseite, das heißt der elektrischen Isolierschicht freigelegt ist. Wenigstens ein Leuchtdioden- Chip kann im Bereich dieser Ausnehmung auf die thermisch gut Leitfähige geschickt aufgesetzt sein.

Dabei kann der Leuchtdioden-Chip von der Leiterplatte aus seitlich elektrisch kontaktiert sein.

Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sollen nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen erläutert werden.

-Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, - Figur 2 zeigt eine Abwandlung von Figur 1 dahingehend, dass in dem Metall-Basismaterial

eine Vertiefung vorgesehen ist, in der der LED- Die eingesetzt ist, - Figur 3 zeigt eine Abwandlung von Figur 2 dahingehend, dass die Vertiefung des Trägers insgesamt mit einem Farbkonversionsstoff aufgefüllt ist, - Figur 4 zeigt, wie eine LED-Anordnung mit mehreren LED-Dice von einer flachbauenden Fresnel-Linse abgedeckt sein kann, - Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der LED-Die"Face Down"montiert ist, und - Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der LED-Die"Face Down"montiert ist.

Wie oben bereits ausgeführt, soll gemäß der vorliegenden Erfindung ein LED-Die möglichst direkt auf die wärmeableitende Basis beispielsweise einer Metallkernplatine aufgesetzt sein. Bei diesem Schritt muss indessen das Problem überwunden werden, dass LED-Dies häufig über das LED-Substrat bzw. über ihre der Basis zugewandte Oberfläche leitfähig sind, wodurch sich bei einer derartigen Anordnung ein Kurzschluss zum Leiterplattenbasismaterial ergeben kann, der oft unerwünscht ist und besonders hinsichtlich der Verschaltungsmöglichkeiten der LEDs keinerlei Designfreiheit lässt.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist daher ein LED-Die mittels einer thermisch leitfähigen, aber elektrisch isolierenden Schicht 2 auf das Basismaterial (beispielsweise Metall) 5 einer Metallkernplatine 17 gesetzt.

Die Metallkernplatine 17 weist neben diesem Basis- Metallkern 5 eine darüberliegende elektrisch isolierende Schicht 4 sowie eine elektrisch leitfähige Schicht mit Leiterbahnen 3 auf, wobei vorzugsweise die elektrisch isolierende Schicht 4 und die Leiterbahnen-Schicht 3 deckungsgleiche Ausnehmungen 16 aufweisen, in die der LED- Die 1 eingesetzt ist.

Die elektrische Kontaktierung des LED-Dies erfolgt bei dieser Anordnung, bei der das Substrat des LED-Dies der Platine 1) zugewandt ist, seitlich von den Leiterbahnen 3 mittels Drähten 11 auf die Oberseite des LED-Dice 1.

Auf der Unterseite des Basismaterials 5 der Metallkernplatine 7 können weitere Kühlkörper 14 bekannter Art angeordnet sein.

Insbesondere der Bereich des LED-Dies 1 und der Ausnehmung 16 kann von einer im Wesentlichen kalottenförmigen Linse 6 überdeckt sein, die das vom dem LED-Die 1 abgestrahlte Licht bündelt.

Die elektrische Kontaktierung der in Figur 1 dargestellten LED-Anordnung kann über ausserhalb des von der Linse 6 überdeckten Bereichs vorgesehene Steckkontakte 7 etc. erfolgen.

Als Basismaterial 5 der Platine 17 wird allgemein ein Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit eingesetzt, so dass bevorzugt Metalle, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer zur Verwendung kommen können.

Die elektrisch isolierende aber thermisch leitfähige Verbindungsschicht 2 kann zum Beispiel eine nicht leitende Substratschicht der LEDs (für grüne LEDs wird z. B. oftmals Saphir verwendet) oder aber auch ein thermisch leitfähiger und elektrisch isolierender Kleber sein. Die elektrisch

isolierende aber thermisch leitfähige Verbindungsschicht 2 kann also Teil des LED-Dies 1, der Mehrschichtplatine 17 und/oder eine davon separate Schicht sein. Die separate Schicht ist insbesondere dann erforderlich, wenn die LED- Dies 1 derart angeordnet sind, dass ihre der Mehrschichtplatine 17 zugewandte Oberfläche elektrisch leitfähig ist. Ferner ist beispielsweise bei roten LEDs, die aus zwei übereinander angeordneten Dioden-Schichten bestehen, immer eine der beiden Schichten der Mehrschichtplatine 17 zugewandt, weshalb zur Vermeidung von Kurzschlüssen und ESD-Ausfällen eine separate Isolierung erforderlich ist.

Die Isolationsschicht 4 der Metallkernplatine 17 kann beispielsweise aus organischen Materialien oder dünnen Keramiken bestehen (letztere sind z. B. auf den Metallträger 5 aufgeschlämmt, bzw. der Metallträger wird mit einem eingebrannten Keramiktape beschichtet.

In dem Ausführungsbeispiel von Figur 2 weist die Basis 5 der Platine 17 ebenfalls eine Vertiefung 18 auf, in die der LED-Die 1 eingesetzt ist. Da die Wände dieser Vertiefung 18 in dem metallischen Basismaterial 5 der Platine 17 abgeschrägt sind, können diese metallischen Wände der Vertiefung 18 eine vorteilhafte Spiegel-bzw.

Reflektorwirkung entfalten. Im übrigen ist auch eine andere Formgebung der Wände und/oder des Bodens der Vertiefung denkbar, die Spiegel-oder Reflektorwirkung aufweist.

Somit dient das Basismaterial 5 der Mehrschichtplatine 17 nicht nur zur Befestigung und Wärmeabfuhr des LED-Dies 1, sondern auch zur gezielten Lichtlenkung in Richtung weg von der Platine. Diese Lichtlenkung durch die Reflektorwirkung der Vertiefung 18 im Basismaterial 5 der Platine 17 ist vorzugsweise mit der Wirkung der Linse 6 abgestimmt.

Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass mittels Farbkonversionsmitteln"weiße LEDs"erreicht werden können.

Derartige LEDs werden in der Fachwelt oft auch als <BR> <BR> n Phosphorkonverter-LEDs"oder"Lumineszenzkonversions-LEDs" bezeichnet. Wie aus Figur 3 ersichtlich, kann ein derartiger Farbkonversionsstoff 13 direkt auf die LED aufgebracht sein, in den Zwischenraum zwischen Linse 6 und LED-Die 1 eingefüllt sein oder aber gemäß einer besonders bevorzugten und in der Figur 3 dargestellten Ausführungsform die Vertiefungen 12, 18 auffüllend angeordnet sein, sodass der Füllstoff die Oberseite der Leiterbahnschicht 3 der Platine 17 bündig abschließt.

Bei der Ausführungsform von Figur 4 ist die kalottenförmige Linse durch eine flachbauende Fresnel-Linse 9 ersetzt.

Gleichzeitig ist aus Figur 4 ersichtlich, dass eine derartige Linse mehrere LED-Dies 1 überdecken kann. In dem Bereich zwischen zwei LEDs und unterhalb der Fresnel-Linse 9 kann eine Ansteuerelektronik 8 für die LEDs (Konstantstromquelle etc. ) vorgesehen sein.

Die Ausführungsbeispiele von Figur 1 bis Figur 4 zeigen sämtlich LED-Dies, die"Face Up", das heißt mit dem LED- Substrat nach unten (in Richtung des Basismaterials 5 der Platine 17) angeordnet sind.

Figur 5 zeigt nunmehr den umgekehrten Fall, das heißt gemäß Figur 5 ist der LED-Die 1"Face Down"angeordnet, so dass das Substrat der LEDs von dem Metallkern 5 der Platine 17 wegweist. In diesem Fall ist der LED-Die 1 mittels eines Leitklebers 20 auf einen Zwischenträger 10 angeordnet. Der Leitkleber 20 weist beispielsweise eine Dicke von weniger als 10 jUm und eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 2 W/mK auf. Die elektrische Kontaktierung des LED-Dice 1 von Figur 5 erfolgt somit über Drähte 11, die mit dem Zwischenträger 10 kontaktiert sind. Derartig"Face Down"

zumontierte LED-Dies weisen üblicherweise im Vergleich zu "Face Up"montierten LED-Dies höhere Wirkungsgrade auf.

Der Zwischenträger 10 ist beispielsweise aus einem Keramikmaterial und weist auf seiner Oberseite Leiterbahnen auf, während die Unterseite gegebenenfalls durch eine weitere Isolationsschicht 19 gegenüber dem Metallkern 5 der Platine 17 elektrisch isoliert ist. Wiederum ist indessen auch die Isolierschicht 19 so ausgestattet, dass sie thermisch gut leitfähig ist.

Abschließend ist in Figur 6 ein letztes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der LED-Die 1 wiederum"Face Down"auf einem Zwischenträger 10 angeordnet ist, um die bei dieser Anordnung verbesserte Lichtabgabe und damit höhere Helligkeit zu erzielen. Bei diesem Zwischenträger handelt es sich vorzugsweise um ein AlN-(Aluminiumnitrid)- Keramikträgersubstrat, welches hervorragende wärmeleitende Eigenschaften aufweist und gleichzeitig elektrisch isolierend wirkt. Der Vorteil in der Verwendung dieses zusätzlichen Zwischenträgers 10 besteht darin, dass eine <BR> <BR> höhere ESD- (electro static discharge) -Festigkeit erreicht wird und die Metkallkernplatine elektrisch neutral bleibt.

Ergänzend zu der Ausführungsform in Figur 5 ist der LED-Die 1 nunmehr mit einem Farbkonversionsstoff 13 umgeben, um das Licht in eine gewünschte (Misch-) Farbe umzuwandeln. Die Oberseite der elektrisch leitfähigen Schicht 3 ist ferner mit einer zusätzlichen Klebeschicht 21 überdeckt, deren Aufgabe es ist, die Linse 6 zu fixieren. Schließlich ist im dargestellten Ausführungsbeispiel an der Unterseite der Platine 17 noch ein doppelseitiges Klebeband 22 vorgesehen, welches eine einfache Befestigung der gesamten Leuchtdioden-Anordnung ermöglicht.