DE20008346U1 - Elektrische Anordnung mit mehreren elektrischen Bauteilen - Google Patents

Elektrische Anordnung mit mehreren elektrischen Bauteilen

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Description

Stuttgart, 05.05.2000 P7530Gm Rk/pa
Anmelder;
Sidler GmbH & Co. Bismarckstraße 72 D-72072 Tübingen
Vertreter:
Kohler Schmid + Partner Patentanwälte GbR Ruppmannstraße 27 D-70565 Stuttgart
Elektrische Anordnung mit mehreren elektrischen Bauteilen
Die Erfindung betrifft eine elektrische Anordnung mit mindestens zwei voneinander beabstandet gehaltenen Kontaktplatten und mit mehreren mit den Kontaktplatten elektrisch leitend verbundenen elektrischen Bauteilen, insbesondere LEDs.
Bei einer bekannten elektrischen Anordnung werden Leuchtdioden (LED) auf einem Stanzgitter verpreßt und dadurch die einzelnen Kontaktplatten des Stanzgitters voneinander beabstandet gehalten. In Fig. 5a ist eine solche bekannte elektrische Anordnung 50 mit zwei LEDs 51 (sog. HP SNAP-LED) gezeigt, deren breite Kontakte 52 (Fig. 5b) jeweils auf die Kontaktplatten 53, 54 geclincht (verpreßt) werden. Die SNAP-LED-Technologie hat allerdings den Nachteil, daß diese LEDs sehr teuer sind und in großen Mengen bezogen werden müssen.
Insbesondere bei Signalleuchten sind Leiterplatten mit aufgelöteten LEDs (bedrahtet oder SMD) bekannt. Die Kosten für solche Leiterplatten mit bestückten LEDs sind aufgrund der recht teuren LEDs und des Lötprozesses sehr hoch.
Schließlich sind auch noch elektrische Leuchtenanordnungen bekannt, bei denen mehrere LED-Chips direkt auf eine Leiterplatte (Platine) aufgebracht werden. Dieses Verfahren ist als "Chip On Board (COB)" bekannt. Solche elektrischen Leuchtenanordnungen werden vor allem zur Hinterleuchtung von Symbolen oder Schaltern und großflächigen Anzeigen verwendet. Bedingt durch den breiten Abstrahlwinkel werden diese LEDs nicht bei Signalleuchten eingesetzt. In Fig. 6a und 6b ist eine bekannte elektrische Leuchtenanordnung 60 mit einem COB-LED-Chip 61 gezeigt, der auf einer Leiterplatte 62 befestigt ist. Der LED-Chip 61 ist mit einer unteren Kontaktfläche elektrisch leitend mittels Silberleitkleber 63 auf einer dünnen Goldkontaktfläche (Anode) 64 der Leiterplatte 62 befestigt. Auf der Oberseite des LED-Chips 61 befindet sich eine obere Kontaktfläche, die mittels eines gebondeten Golddrahts 65 mit einer anderen Goldkontaktfläche (Kathode) 66 der Leiterplatte 62 elektrisch leitend verbunden ist. Die beiden Goldkontaktflächen 64, 66 sind voneinander elektrisch
isoliert. Der LED-Chip 61 und die beiden Kontaktflächen 64, 66 sind mit einer Schutzschicht 67 abgedeckt. Allerdings ist durch die sehr dünne Kupferauflage auf der Leiterplatte 62 die Wärmeableitung vom LED-Chip 61 zur Umgebung nur sehr gering. Dadurch muß der LED-Strom reduziert werden, und es werden mehr oder teuere LEDs benötigt.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Anordnung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß bei geringen Herstellungskosten eine möglichst hohe Wärmeableitung vom elektrischen Bauteil erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten elektrischen Anordnung dadurch gelöst, daß die Kontaktplatten durch einen elektrisch isolierenden Träger voneinander beabstandet gehalten sind.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß durch die verglichen mit der Kupferauflage einer herkömmlichen Leiterplatte großen Stärke bzw. Querschnitte der Kontaktplatten (ca. 0,2 bis ca. 1 mm) die Wärmeableitung vom elektrischen Bauteil zur Umgebung wesentlich verbessert ist. Dies erlaubt eine deutliche Anhebung des maximal zulässigen LED-Stromes und eine Verringerung der erforderlichen Anzahl an LEDs, so daß Kosten eingespart werden. Auf der anderen Seite kann bei niedrigem Strom die Ausfallsicherheit bei hohen Temperaturen verbessert werden. Durch die geringere Anzahl von Bauteilen und den Wegfall des Lötprozesses und von Befestigungsbohrungen ist eine geringe Toleranz bei der Plazierung des elektrischen Bauteils und damit ein gleichmäßigeres Erscheinungsbild möglich. Auch wird durch den Wegfall der Leiterplattenherstellung (Belichten, Ätzen, Lackieren mit Lötstopplack, ...) die Umwelt weniger belastet. Bei die-
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sem Verfahren sind auch stufenförmige Absätze in den Kontaktplatten möglich. Dann kann die elektrische Anordnung, wenn sie als elektrische Leuchtenanordnung mit LEDs ausgebildet ist, z.B. in Rückleuchten eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden, wobei durch die stufenförmigen Absätze die Position der LEDs besser an die Außenkontur der Rückleuchte angepaßt werden kann.
Die vorzugsweise streifenförmigen Kontaktplatten können aus einem Metallblech gemeinsam ausgestanzt, ausgeschnitten oder ausgeätzt werden. Alternativ können auch zwei einzelne Kontaktplatten verwendet werden, die durch den elektrisch isolierenden Träger im Abstand zueinander fixiert werden.
Der Träger kann auf der Ober- und/oder auf der Unterseite der Kontaktplatten vorgesehen sein. Die beiden Kontaktplatten können auf den gemeinsamen Träger aufgeklebt oder auf jegliche andere Art und Weise befestigt werden.
Besonders bevorzugt ist der Träger durch Umspritzen der Kontaktplatten mit Kunststoff hergestellt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch die Kunststoffummantelung die gesamte elektrische Anordnung unempfindlicher bei Transport und Montage ist. Gleichzeitig können Mittel angespritzt werden, die die Fixierung der elektrischen Anordnung in einem Gehäuse erleichtern. Der Träger kann auch direkt als Gehäuse der elektrischen Anordnung oder als Gehäuse für Anschlußkontakte der Kontaktplatten ausgeführt werden. Vorzugsweise werden diese Anschlußkontakte der elektrischen Anordnung (z.B. Kontaktaufnahmen) in die Kontaktplatten integriert, z.B. ausgestanzt, und dann mitumspritzt. Eine solche Kunststoffummantelung kann so gleichzeitig ein Steckergehäuse für die Kontaktaufnahmen bilden, wodurch die Kosten für diese Zusatz-
teile entfallen. Dadurch verringern sich die Anzahl der Bauteile und, da zwischen Kontaktplatten und Gehäuse keine Toleranzen auftreten, auch die Montagetoleranzen, d.h., die Qualität wird verbessert und die Kosten werden gesenkt.
Jedes elektrische Bauteil kann von dem Träger zumindest teilweise abgedeckt, insbesondere mitumspritzt sein, so daß das elektrische Bauteil (z.B. ein Widerstand) durch die Kunststoffummantelung geschützt ist. Im Falle einer Lichtquelle (LED) als elektrisches Bauteil muß die Abdeckung für das Licht der Lichtquelle transparent sein.
Jedes elektrische Bauteil kann elektrisch leitend an der einen Kontaktplatte befestigt und mittels eines angebondeten Drahts mit der anderen Kontaktplatte elektrisch leitend verbunden sein. Diese elektrische Verbindung ist besonders geeignet für COB-Bauteile (z.B. für einen LED-Chip), die mit ihrer unteren Kontaktfläche elektrisch leitend auf der einen Kontaktplatte befestigt werden. Auf der Oberseite des COB-Bauteils befindet sich eine obere Kontaktfläche, die dann mittels eines Drahts mit der anderen Kontaktplatte elektrisch leitend verbunden wird. Durch die COB-Technik entfallen die Kosten für Herstellung und Montage der übrigen LED-Komponenten (Leadframe, Gehäuse, ...), wodurch die Kosten pro LED sehr gering sind. Es ist deshalb möglich, den Lichtverlust, der durch die breite Lichtabstrahlung des COB-LED-Chips verursacht wird, durch weitere COB-LED-Chips auszugleichen. Die gesamte elektrische Leuchtenanordnung ist trotzdem noch wesentlich kostengünstiger als eine herkömmliche elektrische Leuchtenanordnung mit SNAP-LEDs oder mit gelöteten LEDs. Außerdem kann der LED-Abstand verringert werden, was ein homogeneres Erscheinungsbild der elektrischen Leuchtenanordnung ermöglicht.
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Das eine elektrische Bauteil kann z.B. eine Lichtquelle (z.B. eine LED oder ein LED-Chip) sein. Da LED-Chips einen sehr breiten Abstrahlwinkel (bis zu 180°) haben, ist der Einsatz einer Fresneloptik wenig effektiv. Der größte Teil des emittierten Lichtes geht in das Gehäuse und wird von der Optik nicht erfaßt. Alternativ wäre eine Reflektoroptik denkbar, jedoch ist eine Plazierung der LED im Brennpunkt des Reflektors durch die geringe Bauhöhe sehr schwierig und der Reflektor nicht sehr effektiv. Außerdem ist eine Bedampfung der Reflektorfläche nötig, was hohe Kosten verursacht. Daher ist es von besonderem Vorteil, wenn der Träger um jeden trägerfreien Aufnahmebereich jeweils einen Reflektorabschnitt für die Lichtquellen bildet. Der Reflektorabschnitt kann ein polierter (z.B. weißer) Trichter sein, der das von der LED seitlich abgestrahlte Licht nach vorne reflektiert. Dadurch kann der optische Wirkungsgrad der Lichtquelle weiter erhöht werden, und es ist eine geringere Anzahl an LEDs erforderlich. Die Abstrahlcharakteristik der LED kann somit beeinflußt und den Erfordernissen angepaßt werden. Die Kunststoffummantelung der Kontaktplatten und die innerhalb des Reflektorabschnitts vertieft liegenden LEDs machen die gesamte elektrische Leuchtenanordnung unempfindlicher gegen Beschädigungen.
Die elektrische Anordnung ist noch besser geschützt, wenn die elektrischen Bauteile in dem trägerfreien Aufnahmebereich jeweils von einer separaten Schutzschicht abgedeckt ist. Diese Schutzschicht kann z.B. eine für das Licht der LED transparente Harzschicht oder Silikonschicht sein.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfin-
dungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigt:
Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Anordnung;
Fig. 2 die einzelnen Schritte eines ersten Verfahrens zum Herstellen der in Fig. 1 gezeigten elektrischen Anordnung ;
Fig. 3 die einzelnen Schritte eines zweiten Verfahrens zum Herstellen der in Fig. 1 gezeigten elektrischen Anordnung ;
Fig. 4 die einzelnen Schritte eines dritten Verfahrens zum Herstellen der in Fig. 1 gezeigten elektrischen Anordnung ;
Fig. 5 eine elektrische Anordnung (Fig. 5a) nach dem Stand der Technik, bei der zwei Leiterbahnen jeweils von LEDs (Fig. 5b) zusammengehalten werden; und
Fig. 6 den Aufbau einer COB-LED-Leuchtenanordnung auf einer herkömmlichen Leiterplatte in Seitenansicht (Fig. 6a) und in Draufsicht (Fig. 6b).
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In Fig. 1 ist eine elektrische Anordnung 1 mit einem elektrischen Bauteil gezeigt, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel ein LED-Chip 2 mit zwei Chip-Kontakten ist. Die elektrische Anordnung 1 bildet insgesamt eine Leuchte.
Der LED-Chip 2 ist auf einer ersten Kontaktplatte 3 befestigt, wobei der auf der Unterseite des LED-Chips 2 befindliche eine Chip-Kontakt elektrisch leitend mit der Kontaktplatte 3 verbunden ist. Der andere Chip-Kontakt, der sich auf der Oberseite des LED-Chips 2 befindet, ist über einen (Bond)Draht 4 mit einer zweiten Kontaktplatte 5 elektrisch leitend verbunden. Die beiden Kontaktplatten 3, 5, die z.B. aus einem Kupferblech ausgestanzt sein können, sind durch einen Träger 6 voneinander beabstandet (Spalt 7) gehalten. Der Spalt 7 sollte so gering wie möglich sein, z.B. ca. 0,5 mm. Der Träger 6 besteht aus elektrisch isolierendem Material (z.B. Kunststoff) und ummantelt die beiden Kontaktplatten 3, 5 mit einer oberen und einer unteren Trägerschicht 6a bzw. 6b, wobei die Oberseite der Kontaktplatten 3, 5 im Aufnahmebereich 8 um die LED 2 herum trägerfrei ist. Die an diesen trägerfreien Aufnahmebereich 8 angrenzenden Stirnflächen des Trägers 6 verlaufen schräg zur optischen Achse 9 der LED und bilden so Reflektorabschnitte 10, die von der LED seitlich abgestrahlte Lichtstrahlen nach vorne reflektieren. Um den LED-Chip 2 vor Beschädigungen zu schützen, ist der trägerfreie Aufnahmebereich 8 mit einer für das Licht der LED transparenten Schutzschicht 11 abgedeckt. Der LED-Chip 2 und seine Kontaktierung können z.B. dem COB-LED-Chip 61 der Fig. 6 entsprechen.
Fig. 2 zeigt die einzelnen Verfahrensschritte zum Herstellen der in Fig. 1 gezeigten elektrischen Anordnung 1. Aus einem Blech 20 (Fig. 2a) aus elektrisch leitendem Material (z.B.
Kupfer) wird ein Gitter 21 mit den zwei Kontaktplatten 3, 5 ausgestanzt, ausgeschnitten oder ausgeätzt (Fig. 2b), welche durch einen breiten Trennspalt 22 voneinander beabstandet und zunächst noch über mehrere stegförmige Verbindungen 23 miteinander verbunden sind. An der einen Kontaktplatte 3 ragen zwei Vorsprünge 24 in den Trennspalt 22 hinein, wodurch der Trennspalt 22 in diesem Bereich auf die Breite des schmaleren Spaltes 7, z.B. auf ca. 0,5 mm, verengt ist. Im Gegensatz zum breiten Trennspalt 22, der mit einer großen Toleranz gefertigt sein kann, weist der schmalere Spalt 7 eine nur geringe Toleranz auf und kann entweder gestanzt oder mittels eines Lasers hergestellt sein. Das Gitter 21 wird mit dem Träger 6 aus Kunststoff ummantelt, indem das komplette Gitter 21 in ein Spritzwerkzeug eingelegt und mit Kunststoff umspritzt wird (Fig. 2c). Auf der Oberseite der Kontaktplatten 3, 5 werden jeweils kreisrunde Aufnahmebereiche 8 um die Vorsprünge 24 herum und kreisrunde Bereiche 25 um die Verbindungen 23 herum kunststoff- bzw. trägerfrei gelassen, indem diese Bereiche 8, 25 während des Spritzvorgangs z.B. mittels eines Stempels abgedeckt werden. Die Vorsprünge 24 sind jeweils mittig in den trägerfreien Aufnahmebereichen 8 angeordnet. Um die Kontaktplatten 3, 5 elektrisch kontaktieren zu können, bleiben Kontaktenden 3a, 5a der Kontaktplatten 3, 5 ebenfalls trägerfrei. Die Verbindungen 23 werden dann entweder noch im Spritzwerkzeug oder nachträglich in einem weiteren Arbeitsgang durchtrennt, so daß die beiden Kontaktplatten 3, 5 voneinander vollständig getrennt sind (Fig. 2d). Zwei LED-Chips 2 werden in den trägerfreien Aufnahmebereichen 8 jeweils mit ihrem unteren Chip-Kontakt elektrisch leitend auf den Vorsprünge 24 der ersten Kontaktplatte 3 befestigt und mit ihrem oberen Chip-Kontakt über den Draht 4 mit der zweiten Kontaktplatte 5 elektrisch leitend verbunden (gebondet) (Fig. 2e). Abschlie-
ßend wird jeder LED-Chip 2 noch mit der transparenten Schutzschicht Übergossen.
In Fig. 3 ist eine andere Variante zum Herstellen der in Fig. 1 gezeigten elektrischen Anordnung 1 gezeigt. Aus einem Blech 30 (Fig. 3a) aus elektrisch leitendem Material (z.B. Kupfer) wird durch Ausstanzen, Ausschneiden oder Ausätzen des Trennspaltes 31 ein Gitter 32 mit den zwei Kontaktplatten 3, 5 hergestellt (Fig. 3b), welche endseitig jeweils über eine Verbindung 33 zunächst noch miteinander verbunden sind. In den Trennspalt 31 ragen jeweils Vorsprünge 34 der Kontaktplatte 3 hinein, wodurch der Trennspalt 31 in diesen Bereichen jeweils auf die Breite des schmaleren Spaltes 7, z.B. auf ca. 0,5 mm, verengt ist. Auf jeden Vorsprung 34 wird jeweils ein LED-Chip 2 mit seinem unteren Chip-Kontakt elektrisch leitend aufgebracht und jeweils mit seinem oberen Chip-Kontakt über den Draht 4 an die zweite Kontaktplatte elektrisch leitend angeschlossen (gebondet) (Fig. 3c). Das Gitter 32 wird dann in ein Spritzwerkzeug eingelegt und mit dem Träger 6 umspritzt (Fig. 3d), wobei die Kontaktplatten 3, 5 im Bereich der Verbindungen 33 und der kreisrunden Aufnahmebereiche 8 um die LED-Chips 2 herum jeweils trägerfrei gelassen werden. Die Verbindungen 33 werden dann entweder noch im Spritzwerkzeug oder nachträglich in einem weiteren Arbeitsgang durchtrennt (Fig. 3e). Die Kontaktenden 3a, 5a der Kontaktplatten 3, 5 sind durch ihre über den Träger 6 überstehenden Enden gebildet. Abschließend wird jeder LED-Chip 2 noch mit der transparenten Schutzschicht überzogen.
In Fig. 4 ist noch eine weitere Variante zum Herstellen der in Fig. 1 gezeigten elektrischen Anordnung 1 gezeigt. Auf ein Blech 40 (Fig. 4a) aus elektrisch leitendem Material (z.B. Kupfer) werden mehrere LED-Chips 2 mit ihren unteren
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Chip-Kontakten jeweils elektrisch leitend aufgebracht (Fig. 4b). Indem nahe der LED-Chips 2 der Trennspalt 41 ausgestanzt, ausgeschnitten oder ausgeätzt wird, wird ein Gitter 42 mit den zwei Kontaktplatten 3, 5 hergestellt, welche endseitig jeweils über eine Verbindung 43 zunächst noch miteinander verbunden sind. In den Trennspalt 41 ragen jeweils Vorsprünge 44 der Kontaktplatte 3 hinein, auf denen die LED-Chips 2 befestigt sind. Durch die Vorsprünge 44 ist der Trennspalt 41 in diesen Bereichen jeweils auf die Breite des schmaleren Spaltes 7, z.B. auf ca. 0,5 mm, verengt. Die oberen Chip-Kontakte der LED-Chips 2 werden jeweils über den Draht 4 an die andere Kontaktplatte 5 elektrisch leitend angeschlossen (gebondet) (Fig. 4c). Das Gitter 42 wird dann in ein Spritzwerkzeug eingelegt und mit dem Träger 6 umspritzt (Fig. 4d), wobei die Kontaktplatten 3, 5 im Bereich der Verbindungen 4 3 und die kreisrunden Aufnahmebereiche 8 um die LED-Chips 2 herum jeweils trägerfrei gelassen werden. Die Verbindungen 43 werden dann entweder noch im Spritzwerkzeug oder nachträglich in einem weiteren Arbeitsgang durchtrennt (Fig. 4e). Die Kontaktenden 3a, 5a der Kontaktplatten 3, 5 sind durch ihre über den Träger 6 überstehenden Enden gebildet. Abschließend wird jeder LED-Chip 2 noch mit der transparenten Schutzschicht überzogen.

Claims (11)

1. Elektrische Anordnung (1) mit mindestens zwei voneinander beabstandet gehaltenen Kontaktplatten (3, 5) und mit mehreren mit den Kontaktplatten (3, 5) elektrisch leitend verbundenen elektrischen Bauteilen, insbesondere LEDs, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktplatten (3, 5) durch einen elektrisch isolierenden Träger (6) voneinander beabstandet gehalten sind.
2. Elektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) auf der Ober- und/oder auf der Unterseite der Kontaktplatten (3, 5) vorgesehen ist.
3. Elektrische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) durch Umspritzen der Kontaktplatten (3, 5) mit Kunststoff hergestellt ist.
4. Elektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) einen Gehäuseteil der elektrischen Anordnung (1) und/ oder ein Gehäuse für Anschlußkontakte der Kontaktplatten (3, 5) bildet.
5. Elektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Bauteile jeweils nur an einer der Kontaktplatten (3) befestigt sind.
6. Elektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Bauteile von dem Träger (6) zumindest teilweise abgedeckt sind.
7. Elektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Kontaktplatten (3, 5) jeweils trägerfreie Aufnahmebereiche (8) für die elektrischen Bauteile vorgesehen sind.
8. Elektrische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes elektrische Bauteil elektrisch leitend an der einen Kontaktplatte (3) befestigt und mittels eines Drahts (4) mit der anderen Kontaktplatte (5) elektrisch leitend verbunden ist.
9. Elektrische Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Bauteile jeweils ein LED-Chip (2) sind.
10. Elektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) um jeden trägerfreien Aufnahmebereich (8) jeweils einen Reflektorabschnitt (10) für die als Lichtquelle ausgebildeten elektrischen Bauteile bildet.
11. Elektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Bauteile in dem trägerfreien Aufnahmebereich (8) jeweils von einer separaten Schutzschicht (11) abgedeckt sind.
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