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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anordnen eines SMD-Bauteils in Bezug zu einer Leiterplatte für ein Lichtmodul einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Heutige Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen zeichnen sich durch hohe Beleuchtungsstärken und einen Trend zu kleineren Lichtquellen mit höherer Leistungsfähigkeit aus. Dies bringt mit sich, dass eine hohe Wärmeentwicklung auf immer kleineren Flächen bzw. immer kleineren Bereichen entsteht.
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Des Weiteren sind Verfahren zum Aufbringen von Bauteilen, insbesondere von SMD-Bauteilen (SMD: Surface Mounted Device), auf eine Leiterplatte allgemein bekannt. Beispielsweise werden SMD-LEDs (Surface Mounted Device - Light Emitting Diode) an einer Zielkoordinate auf der Leiterplatte abgelegt und in einem nachfolgenden Schritt durch Aufschmelzen von Lot, beispielsweise durch das sogenannte Reflow-Löten, materialschlüssig und leitend mit der Leiterplatte verbunden.
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Aus der
DE 10 2007 049 310 A1 ist ein Leuchtmodul bekannt, bei dem ein Trägerelement durch eine separate Haltevorrichtung auf einem Kühlkörper fixiert ist. Die Haltevorrichtung weist eine Aussparung auf, die das Trägerelement zumindest bereichsweise umfasst. Die verwendeten Bauteile sind nicht kompatibel mit einem SMD-Bestückungsprozess, womit Leuchten nur unter hohem Aufwand fertigbar sind.
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US 2009 / 0 321 778 A1 offenbart eine Leuchtdiode, die ein Substrat, einen LED-Chip und eine Vielzahl von leitenden Höckern umfasst. Das Substrat kann ein Anschluss-Rahmen sein, der aus hochleitfähigem Metall wie Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu) oder einem anderen Metall besteht.
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Die US 2009 / 0 154 513 A1 offenbart ein Mehrfach-Layer-Board umfassend eine elektrisch nicht leitende Hitzeleitung und einen Halbleiterlichtquellenchip. Das Vorsehen der vorgenannten Hitzeleitungen ist aufwendig und teuer.
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Die WO 2012 / 129 580 A2 offenbart ein Leiterplattenelement mit einem Substrat, auf dem wenigstens eine dielektrische Schicht angeordnet ist, sowie mit wenigstens einer LED bzw. Leuchtdiode, wobei in der dielektrischen Schicht zumindest eine von der LED wegführende kanalförmige Wellenleiter-Kavität vorgesehen ist, die zu wenigstens einem integrierten lichtempfindlichen, zur Überprüfung der Lichtemission angeordneten Bauelement, beispielsweise einer Fotodiode bzw. einer Fotozelle, führt, wobei die LED vorzugsweise ebenfalls in einer Kavität angeordnet ist, die mit der Wellenleiter-Kavität verbunden ist.
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Die US 2008 / 0 023 722 A1 offenbart eine lichtemittierende wärmeableitende Vorrichtung mit mindestens einem lichtemittierenden Chip und einer Leiterplatte. Die Leiterplatte weist mindestens eine Ausnehmung und mindestens ein in der Ausnehmung angeordnetes Wärmeleitelement auf. Der lichtemittierende Chip ist auf dem wärmeleitenden Element angeordnet und mit der Leiterplatte über Kontaktflächen verbunden, die elektrisch mit einem Schaltungslayout der Leiterplatte verbunden sind. Darüber hinaus ist der lichtemittierende Chip durch einen Füllstoff auf der Leiterplatte umhüllt.
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Die US 2011 / 0 006 318 A1 offenbart eine LED-Gehäusestruktur mit konkavem Bereich zur Positionierung einer wärmeleitenden Substanz umfassend eine Substrateinheit, eine wärmeleitende Klebeeinheit, eine lichtemittierende Einheit, eine leitende Einheit und eine Gehäuseeinheit. Die Substrateinheit hat einen Substratkörper, einen konkaven Raum, der auf dem Substratkörper gebildet ist, und eine Vielzahl von positiven und negativen Pads, die auf dem Substratkörper freiliegen. Die wärmeleitende Klebeeinheit hat eine wärmeleitende Klebeschicht, die in dem konkaven Raum angeordnet ist. Die lichtemittierende Einheit weist eine Vielzahl von LED-Chips auf, die auf der wärmeleitenden Klebeschicht angeordnet und in dem konkaven Raum aufgenommen sind. Die leitende Einheit hat eine Vielzahl von Drähten. Jeder LED-Chip ist elektrisch zwischen jedem positiven und jedem negativen Pad angeschlossen. Die Gehäuseeinheit hat einen lichtdurchlässigen Gehäuseharzkörper, der auf dem Substratkörper angeordnet ist, um die LED-Chips und die Drähte zu bedecken.
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Die
DE 21 2014 000 002 U1 offenbart einen Schaltungsträger mit einem oder mehreren Referenzpunkten und mehreren SMD-LED, wobei die lichtemittierenden Bereiche der mehreren SMD-LED an dem bzw. den Referenzpunkt(en) ausgerichtet sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren zum Anordnen eines SMD-Bauteils in Bezug zu einer Leiterplatte für ein Lichtmodul einer Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung oder eine Leiterplatte zu schaffen, bei der eine Kühlung des SMD-Bauteils verbessert wird.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Eine Leiterplatte weist eine Oberflächenöffnung auf, die in mindestens einer Lage zu einer Aufnahme eines SMD-Bauteils dimensioniert ist. Das SMD-Bauteil wird zumindest abschnittweise innerhalb der Oberflächenöffnung angeordnet. Das SMD-Bauteil wird zu der Leiterplatte festgelegt. Damit wird die Anzahl der schlecht wärmeleitenden Schichten der Leiterplatte im Bereich des SMD-Bauteils vorteilhaft reduziert. Vorteilhaft kann so die Wärme, die das SMD-Bauteil erzeugt, zur der Oberflächenöffnung gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte abgeleitet werden. Ebenso ist die Kühlung des SMD-Bauteils über freie Konvektion möglich.
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Mit der damit einhergehenden Verringerung des thermischen Widerstandes der Leiterplatte ergeben sich Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Kupfergeometrie. Flächen zur Wärmespreizung können beispielsweise reduziert werden.
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Vorteilhaft können darüber hinaus die Toleranzen beim Anordnen des SMD-Bauteils auf der Leiterplatte stark reduziert werden, da das SMD-Bauteil in der Oberflächenöffnung vorpositioniert ist. Aufgrund der Verringerung des thermischen Widerstands der Leiterplatte können auch Kupferpads zur Anordnung des SMD-Bauteils verkleinert werden. Ein Verschwimmen des SMD-Bauteils bei der Verflüssigung und Wiedererhärtung des Lötmaterials, beispielsweise durch ein Reflow-Löten wird sowohl durch die Oberflächenöffnung an sich als auch durch verkleinerte Kupferpads begrenzt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das SMD-Bauteil ein SMD-Halbleiterlichtquellenbauteil. Die geringen Toleranzen hinsichtlich vorgegebener Abstrahlcharakteristiken können durch die Anordnung des SMD-Halbleiterlichtquellenbauteils in der Oberflächenöffnung eingehalten werden. Die Abbildungsgenauigkeit wird somit erhöht und insbesondere die sogenannte Hell-Dunkel-Grenze für ein Abblendlicht eines Kraftfahrzeug-Frontscheinwerfers kann toleranzbefreit abgestrahlt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das SMD-Bauteil ein SMD-Leistungselektronikbauteil. Hierdurch kann durch die Kühlung des SMD-Leistungselektronikbauteils erreicht werden, dass die Leiterplatte kleiner ausgeführt wird und damit Platz für andere Komponenten geschaffen oder aber eine Reduzierung des Platzbedarfs für das Lichtmodul erreicht wird.
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Das Befestigen des SMD-Bauteils umfasst einen Reflow-Lötvorgang. So kann auf einfache Art und Weise der Reflow-Lötvorgang dazu genutzt werden, um das SMD-Bauteil möglichst exakt auf der Leiterplatte anzuordnen. Es müssen somit keine speziellen Lötverfahren angewandt werden.
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Die Oberflächenöffnung wird in einem Fertigungsschritt der Leiterplatte gemeinsam mit einem Justageabschnitt erzeugt. Der Justageabschnitt ist derart ausgebildet, um die Leiterplatte bezüglich dem Lichtmodul zu justieren und festzulegen oder zu justieren. Über den Justageabschnitt kann das exakt positionierte SMD-Bauteil exakt zu dem Lichtmodul festgelegt werden.
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Die Oberflächenöffnung wird durch einen Materialabtrag in Bezug zu der Leiterplatte in einem Frässchritt und/oder in einem Ätzschritt erzeugt. Mithin können einfache Verfahren zur Erzeugung der Oberflächenöffnung genutzt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Leiterplatte auf einer der Oberflächenöffnung abgewandten Seite an einem Kühlkörper des Lichtmoduls angeordnet. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass das bereits in der Oberflächenöffnung angeordnete SMD-Bauteil räumlich näher an dem Kühlkörper angeordnet ist und so eine schnellere Wärmeabfuhr und damit eine verbesserte Betriebstemperatur erreichbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform führt die Oberflächenöffnung durch eine dickste wärmeisolierende Schicht. Hierdurch wird die Wärmeabfuhr aus der Oberflächenöffnung weiter verbessert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Oberflächenöffnung an ihrem Grund eine Kupferschicht zur Kontaktierung des SMD-Bauteils auf. So kann auf einfache Art und Weise durch den Auftrag beispielsweise von Lötpaste auf die Kupferschicht bzw. dementsprechenden Kontakt des SMD-Bauteils der Bestückungsschritt abgeschlossen werden und in den Befestigungsschritt übergegangen werden.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Hierbei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung bzw. in der Zeichnung. Für funktionsäquivalente Größen und Merkmale werden in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Kraftfahrzeugs;
- 2 eine schematische Darstellung eines Scheinwerfers in der Seitenansicht;
- 3 eine schematische Schnittdarstellung einer Leiterplatte mit einem SMD-Bauteil; und
- 4 ein schematisch dargestelltes Ablaufdiagramm.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 2, insbesondere einen Personenkraftwagen, der im Frontbereich rechts und links jeweils einen Scheinwerfer 4 aufweist. Ein solcher Scheinwerfer 4 kann auch an einem Lastkraftwagen oder an einem Zweirad angeordnet sein. Der Scheinwerfer 4 umfasst in der Regel ein Gehäuse, vorzugsweise aus Kunststoff, in dem eines oder mehrere Lichtmodule (in 1 nicht sichtbar) zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung auf der Fahrbahn vor dem Fahrzeug angeordnet sind. Es ist möglich, dass der Scheinwerfer 4 auch mehrere Lichtmodule umfasst, die jeweils unterschiedliche Lichtverteilungen erzeugen, beispielsweise Abblendlicht, Fernlicht und/oder Nebellicht. Die Lichtverteilungen können auch variabel sein, wie z.B. beim dynamischen Kurvenlicht, bei der adaptiven Leuchtweitenregelung oder bei einer abgeblendeten Lichtverteilung mit variabler Hell-Dunkel-Grenze. Selbstverständlich ist der Scheinwerfer 4 auch als Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtung bezeichenbar und die hier beschriebenen Merkmale und Verfahrensschritte sind ohne weiteres auch auf Rückleuchten, Blinker oder andere Kraftfahrzeugbeleuchtungseinrichtungen anwendbar.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des Scheinwerfers 4 in einer Seitenansicht. Der Scheinwerfer 4 umfasst ein Gehäuse 6 mit einer Lichtaustrittsöffnung, die mit einer lichtdurchlässigen Abdeckscheibe 8 verschlossen ist. Im Inneren des Gehäuses 6 ist ein Lichtmodul 10 angeordnet, das beispielhaft einen konkav gekrümmten Reflektor 12 umfasst, in dessen Inneren ein SMD-Bauteil 14 angeordnet ist. Der Reflektor 12 ist bevorzugt als Halbschalenreflektor ausgebildet. Selbstverständlich kann das Lichtmodul 10 anstatt des Reflektors 12 oder zusätzlich zu dem Reflektor 12 ein Transmissionsoptikelement umfassen.
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Das SMD-Bauteil 14 ist vorliegend als SMD-Halbleiterlichtquellenbauteil ausgebildet und strahlt Licht in eine Abstrahlrichtung 18 von einer Lichtaustrittsfläche 20 ab. Das abgestrahlte Licht trifft auf den Reflektor 12, der das Licht in eine Lichtaustrittsrichtung 22 umlenkt. Die Leiterplatte 16 ist auf einem Kühlkörper 24 angeordnet, der zur Kühlung des SMD-Bauteils 14 vorgesehen ist. In die Lichtaustrittsöffnung 22 wird das von dem Reflektor 12 reflektierte Licht des SMD-Bauteils 14 in Richtung der Fahrbahn gelenkt, wobei die Abbildung eines von dem SMD-Bauteils 14 erzeugten Primärlichtbündels wesentlich die Abbildung der Lichtverteilung auf der Fahrbahn bestimmt. Selbstverständlich kann das Lichtmodul 10 auch mehrere SMD-Bauteile 14 aufweisen.
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Zur korrekten Abbildung des Primärlichtbündels ist es wesentlich, dass das SMD-Bauteil 14 möglichst exakt zu dem Reflektor 12 oder einem anderen optisch wirksamen Bauteil angeordnet ist. Hierzu ist das SMD-Bauteil 14 in einer Oberflächenöffnung 30 der Leiterplatte 16 angeordnet. Geht man davon aus, dass das SMD-Bauteil 14 mittels der Oberflächenöffnung 30 eine möglichst exakte Ausrichtung in Bezug auf die Leiterplatte 16 aufweist, so kann auf einfache Art und Weise die Leiterplatte 16, die einen nicht gezeigten Justageabschnitt aufweist, zu dem Reflektor 12 justiert werden. Der Justageabschnitt wird zu dessen möglichst exakter Anordnung bevorzugt in einem gemeinsamen Arbeitsschritt mit der Oberflächenöffnung 30 erzeugt. Mit dem Justageabschnitt ist es dann möglich, dass die Leiterplatte 16 gemäß einer angedeuteten Linie 26 zu dem Kühlkörper 24 oder einem anderen Bauelement, an dem die Leiterplatte 16 befestigt wird, justiert und festgelegt wird.
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In 3 ist eine schematische Schnittansicht der Leiterplatte 16 gezeigt. Die Leiterplatte 16 umfasst die Oberflächenöffnung 30 zur Aufnahme des SMD-Bauteils 14. Das SMD-Bauteil 14 ist vollständig in der Oberflächenöffnung 30 aufgenommen. Selbstverständlich kann das SMD-Bauteil 14 auch in Abstrahlrichtung 18 gegenüber der Leiterplatte 16 herausstehen. In einer Draufsicht auf die Leiterplatte 16 entgegen der Abstrahlrichtung 18 kann die Oberflächenöffnung 30 beispielsweise rund, rechteckig oder in Form eines Langlochs ausgebildet sein. Insbesondere ist die Ausbildung der Oberflächenöffnung 30 durch eine Außenkontur des aufzunehmenden SMD-Bauteils 14 bedingt. Selbstverständlich können auch mehrere SMD-Bauteile 14 in einer gemeinsamen Oberflächenöffnung 30 angeordnet werden. Ebenso können die Ränder der Oberflächenöffnung 30 als mechanischer Anschlag dienen, was beispielsweise bei einer Anzahl hintereinander angeordneter Halbleiterlichtquellenbauteile oder größeren SMD-Bauteilen 14 eine Verdrehung verhindert.
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Das SMD-Bauteil 14 umfasst vorliegend einen lichtemittierenden Bereich 32 mit der Lichtaustrittsfläche 20 und einen Abschnitt 34 zur Kontaktierung bzw. Halterung des lichtemittierenden Bereichs 32. Die Oberflächenöffnung 30 zeichnet sich dadurch aus, dass diese zu einer Seite der Leiterplatte 16 geöffnet ist, eine Ausnehmung der Leiterplatte 16 darstellt und einen Boden aufweist.
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Die hier beschriebene Leiterplatte 16 ist jedoch nicht darauf beschränkt ein SMD-Halbleiterlichtquellenbauteil aufzunehmen. Es ist ebenso möglich, ein stark wärmeerzeugendes SMD-Leistungselektronikbauelement eines Steuergeräts in der Oberflächenöffnung 30 anzuordnen, um dieses möglichst nah an einen Kühlkörper heranzubringen, der auf einer der Oberflächenöffnung 30 abgewandten Seite der Leiterplatte 16 angeordnet ist. Beispiele für das SMD-Leistungselektronikbauelement sind Transistoren, Gleichrichterdioden, Leistungskondensatoren, Widerstände, etc. Darüber hinaus können in der Oberflächenöffnung 30 SMD-Bauteile, wie beispielsweise ein Hall-Sensorbauteil, angeordnet werden, die eine hohe Positioniergenauigkeit gegenüber der Leiterplatte 16 aufweisen müssen.
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Die Leiterplatte 16 umfasst mehrere Schichten. So umfasst die Leiterplatte 16 entgegen der Abstrahlrichtung 18 eine erste Kupferschicht 36, eine erste Basismaterialschicht 40, eine zweite Kupferschicht 38, eine zweite Basismaterialschicht 44, eine dritte Kupferschicht 42, eine dritte Basismaterialschicht 48 und eine vierte Kupferschicht 46. Zu beiden Oberflächen der Leiterplatte 16 hin sind Lötstopschichten 54 bis 62 angeordnet. Für die Basismaterialschichten 40, 44 und 48 kommt beispielsweise ein Verbundwerkstoff FR4 (FR = Flame Retardant) oder ein anderer faserverstärkter Kunststoff zum Einsatz. Die beiden äußeren Basismaterialschichten 40, 48 weisen eine Dicke von 50 bis 150 µm auf. Die innere Basismaterialschicht 44 hingegen weist eine Dicke von 100 bis 300 µm auf. Durch diesen mehrschichtigen Aufbau wird zum einen die mechanische Stabilität der Leiterplatte 16 erhöht zum anderen wird die Möglichkeit der Anordnung der Oberflächenöffnung 30 geschaffen.
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Beispielsweise durch Fräsen oder Ätzen wird bei der Fertigung der Leiterplatte 16 die Oberflächenöffnung 30 hergestellt. Die Oberflächenöffnung 30 umfasst einen Öffnungsquerschnitt 64, der so dimensioniert ist, dass das SMD-Bauteil 14 ohne weiteres mittels eines Bestückungsautomaten in die Oberflächenöffnung 30 hineinbestückt werden kann. Insbesondere durchtritt die Oberflächenöffnung 30 die innere Basismaterialschicht 44 und damit die dickste wärmeisolierende Schicht, wobei die Dicke lotrecht zum flächigen Verlauf der jeweiligen Schicht orientiert ist.
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Des Weiteren ist der Öffnungsquerschnitt 64 gerade so gering ausgelegt, dass bei einem Reflow-Lötvorgang in einem Reflow-Lötofen ein Verschwimmen des SMD-Bauteils 14 durch den Öffnungsquerschnitt 64 und die Abmessungen des SMD-Bauteils 14 begrenzt wird. Das SMD-Bauteil 14 ist nach Reflow-Lötvorgang in idealer Form gemäß den Abständen 66a und 66b gleich weit von den jeweiligen Seiten der Oberflächenöffnung 30 beabstandet. Insbesondere beim Vorsehen des SMD-Bauteils 14 als dem einzigen in der Oberflächenöffnung 30 angeordneten Bauteil sind die Abstände 66a und 66b im Wesentlichen konstant.
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Die Kupferschicht 42 weist zwei Kupferpads 80 und 82 zur elektrischen Kontaktierung des SMD-Bauteils 14 auf. Auf den Kupferpads 80 und 82 wird Lot 84, 86 angeordnet, um eine elektrische und formschlüssige Verbindung zu dem SMD-Bauteil 14 herzustellen. Optional kann das Kupferpad 80 mittels wärmeleitender Verbindungen 88, 90 durch die wärmeisolierend wirkende Basismaterialschicht 48 hindurch mit der Kupferschicht 46 verbunden werden. Bevorzugt sind die wärmeleitenden Verbindungen 88, 90 elektrisch nicht leitend ausgebildet. So kann eine Wärmeableitung auf der Seite der Leiterplatte 16 erfolgen, die einer Abstrahlrichtung 18 abgewandt ist. Die Verbindungen 88, 90 sind auch als Microvias bezeichenbar.
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Mithin muss die Dicke der Leiterplatte 16 nicht reduziert werden, um eine Kühlung des SMD-Bauteils 14 zu erreichen. Gleichzeitig wird die mechanische Stabilität der Leiterplatte 16 erhöht, da die Oberflächenöffnung 30 nur an wenigen Stellen angeordnet ist. Sollten mehrere Oberflächenöffnungen 30 vorgesehen sein, werden diese über die Fläche der Leiterplatte 16 verteilt. Ein Bestückungsprozess muss nur minimal oder gar nicht angepasst werden.
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4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm 70. In einem Fertigungsschritt 72 wird die Leiterplatte 16 gefertigt. Hierbei wird zumindest eine Oberflächenöffnung 30 durch Ätzen, Stanzen oder Fräsen erzeugt. In einem Bestückungsschritt 74 wird das SMD-Bauteil 14 in die Oberflächenöffnung 30 hineinbestückt. In einem auf den Bestückungsschritt 74 folgenden Befestigungsschritt 76 wird beispielsweise gemäß einem Reflow-Lötverfahren oder einem anderen geeigneten Lötverfahren das SMD-Bauteil am Boden der Oberflächenöffnung 30 mit der Leiterplatte 16 elektrisch leitend und materialschlüssig verbunden.
