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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Lichtemissionsdioden-Modul (LED-Modul), welches für allgemeine Beleuchtungsanwendungen, Hinterbeleuchtung und Signalisierung verwendet werden kann. Das Modul ist gekennzeichnet durch einen thermisch leitfähigen Grundkörper, welcher als Basis des Moduls verwendet wird; mehrere Vertiefungen, welche an dem Modul angeordnet sind; wobei jede Vertiefung mit einem transparenten oder diffusen Einkapselungsmaterial gefüllt ist, und wobei eine Mehrzahl von LED-Halbleiterchips in jeder Vertiefung angeordnet ist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Optoelektronische Bauelemente, wie etwa LEDs, finden derzeit verbreitet Verwendung, insbesondere für Beleuchtungs- und Signalisierungsanwendungen. Konventionell werden LED-Halbleiterchips zuerst in ein Gehäuse gepackt, derart, dass sie ein Bauelement bilden. Das Gehäuse besteht typischerweise aus einem metallischen Leiterrahmen, welcher als Basis zum Befestigen des LED-Chips verwendet wird. Elektrisch leitende Drähte werden danach gebondet, um den LED-Chip mit den Anschlüssen am Leiterrahmen zu verbinden. Ein transparentes oder diffuses Einkapselungsmaterial wird danach auf den Aufbau gegossen, um das vollständige Gehäuses zu bilden. Dieses Gehäuse bietet den nötigen Schutz für den Halbleiterchip gegenüber der Umgebung, und ermöglicht es, dass das Bauelement in weiterer Folge auf gedruckte Leiterplatten gelötet werden kann, unter Verwendung konventioneller Oberflächenmontagetechnik (SMT). 1 zeigt, wie eine typische LED-Lichtleiste aufgebaut sein kann, unter Verwendung von LED-Bauelementen, welche an einer gedruckten Leiterplatte (PCB) angeordnet und angelötet sind.
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Alternativ gibt es einen weiteren Ansatz, wobei kein Bauelement verwendet wird. LED-Halbleiterchips werden direkt auf einem PCB befestigt. Elektrisch leitende Drähte werden danach verwendet, um die LED-Chips mit den Leiterbahnen zu verbinden, welche auf dem PCB gedruckt sind. Hoch viskoses Einkapselungsmaterial wird danach auf die LED-Chips und Drähte gegossen, als ein Mittel zum Schützen des Aufbaus. Dieser Ansatz ist allgemein bekannt als Chip-on-Board-Technik (COB).
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Ein Beispiel einer derartigen COB-Technik ist in
WO 02/05351 beschrieben. Gemäß dem Stand der Technik ist das Verfahren beschrieben, wobei mehrere LEDs ohne Gehäuse auf einer gedruckten Leiterplatte befestigt werden, und wobei die LEDs eingegossen werden, unter Verwendung eines hochtransparenten Polymers. Ein Reflektor wird danach von oben auf der gedruckten Leiterplatte um jede LED angebracht. Der Durchmesser der Vergussmasse ist wenigstens gleich dem Innendurchmesser der Reflektoren, derart, dass der Reflektor sich in direktem Kontakt befindet mit der gedruckten Leiterplatte, und dass die Oberfläche der Vergussmasse gestaltet ist als optisch aktive Linsenfläche.
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Allerdings weist dieses Verfahren Nachteile auf. Typischerweise ist es teuer und schwierig, eine Vergussmasse herzustellen, welche als optisch aktive Linsenflache gestaltet werden kann. Das Profil der Vergussmasse kann von Linse zu Linse unterschiedlich sein, was sich auf die optischen Eigenschaften auswirkt. Ferner ist eine optimale Gestaltung des Reflektors für einen derartigen Ansatz wesentlich, damit der Reflektor zur gegossenen Linse passt und sicherstellt, dass das Licht wirksam aus den LEDs herausgeführt und in die erforderliche Richtung abgestrahlt wird.
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In dieser Patentschrift soll ein alternativer Ansatz beschrieben werden, wobei der Aufbau vereinfacht ist, und wobei dennoch eine hohe Zuverlässigkeit und ein effizientes Herausführen des Lichts aus den LED-Chips sichergestellt ist.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die beigefügten Zeichnungen sind folgende:
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1 zeigt eine typische LED-Lichtleiste, hergestellt unter Verwendung von LED-Bauelementen, welche auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) angeordnet und angelötet sind;
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2 zeigt eine Querschnittsansicht eines typischen Aufbaus, beschrieben in der vorliegenden Erfindung;
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3 zeigt die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 zeigt eine vergrößerte Ansicht der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5 zeigt die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 zeigt die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft ein Lichtemissionsdioden-Modul (LED-Modul), welches gekennzeichnet ist durch einen thermisch leitfähigen Grundkörper, welcher als Basis des Moduls verwendet wird; eine Mehrzahl von Vertiefungen, welche an dem Modul angeordnet sind; wobei jede Vertiefung mit einem transparenten oder diffusen Einkapselungsmaterial gefüllt ist, und wobei eine Mehrzahl von LED-Halbleiterchips in jeder Vertiefung angeordnet ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein thermisch leitfähiger Grundkörper als Basis des Moduls verwendet. Typische Materialien, die verwendet werden können, umfassen Metalle, wie etwa Aluminium, Kupfer, sowie verschiedene Kupferlegierungen. Ferner können Nichtmetalle, wie etwa Keramik, AlN und BT-Hybridharz mit verbesserten thermischen Vias ebenfalls als Grundkörper verwendet werden. Die wesentliche erforderliche Eigenschaft ist eine hohe thermische Leitfähigkeit. Dieser thermisch leitfähige Grundkörper dient als Kühlkörper für das Modul, wobei er außerdem die Basis für das Modul bereitstellt. Wenn die Grundkörperoberfläche an einer größeren zweiten Fläche angeordnet ist, kann Wärme effizienter abgeleitet werden. In manchen Fallen kann der Grundkörper in der Größe erweitert sein, um einen größeren Kontaktflächenbereich und bessere Wärmeableitung zu ermöglichen. Dieser Grundkörper kann auch als mechanische Verbindungsfläche verwendet werden, da der Grundkörper von Natur aus starr ist und mechanisch fest ist. Positionierlöcher oder Befestigungslöcher können an diesem Grundkörper für diesen Zweck vorgesehen sein. Im Fall eines metallischen Grundkörpers kann der erweiterte Grundkörper auch geformt und gebogen sein, derart, dass größere Flexibilität im Design ermöglicht ist, oder um den Gestaltungserfordernissen für ein Befestigen gerecht zu werden.
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Oben auf dem thermisch leitfähigen Grundkörper ist ein elektrisch isolierendes und dünnes Material auf einem Abschnitt des Grundkörpers auflaminiert oder befestigt. Dieses elektrisch isolierende Material stellt den Bereich bereit, in welchem elektrische Leiterbahnen und Kontaktpunkte hergestellt werden können; und es stellt den Bereich für die elektrischen Verbindungen zwischen den LED-Chips und der externen Verbindungsschnittstelle bereit. Das elektrisch isolierende Material stellt auch sicher, dass die elektrischen Leiterbahnen gegen den thermisch leitfähigen Grundkörper darunter isoliert sind. Da sichergestellt ist, dass der thermisch leitfähige Grundkörper immer elektrisch isoliert ist, ermöglicht diese Gestaltung ein einfaches Befestigen des thermisch leitfähigen Grundkörpers an einer zweiten Fläche, als nächste Ebene für die Wärmeableitung.
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Mehrere Vertiefungen sind auf dem Grundkörper ausgebildet. Diese Vertiefungen sind typischerweise an den Grundkörper angeformt oder durch Spritzgießen hergestellt. Geeignete Materialien zum Bilden des Gehäuses umfassen technische Kunststoffe, wie etwa PPA, LCP und Hochtemperatur-Nylon. Ferner können ein Duroplastharz und Siliconmaterial ebenfalls zum Formen der Vertiefungen verwendet werden. Damit sichergestellt ist, dass diese Vertiefungen an dem thermisch leitfähigen Grundkörper unverrückbar befestigt sind, sind Löcher oder Ausschnitte an der Rückseite des Grundkörpers hergestellt, derart, dass Vergussmaterial beim Gießen in diese Bereiche gelangen und in weiterer Folge eine Einheit bilden kann, welche die Vertiefungen an dem Grundkörper festhält. Diese Befestigungen befinden sich an jeder Vertiefung, und sie reichen nicht über die hintere Fläche des thermisch leitfähigen Grundkörpers hinaus. Das ist wesentlich, wenn sichergestellt sein soll, dass an dieser hinteren Fläche nichts Vorstehendes zugelassen wird, das in weiterer Folge einem Befestigen an einer zweiten Fläche hinderlich sein könnte.
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Sämtliche dieser Vertiefungen sind in regelmäßigen Abständen angeordnet, und der Abstand zwischen zwei benachbarten Vertiefungen ist auf weniger als 10 mm begrenzt, um sicherzustellen, dass es eine gleichmäßige Verteilung des Lichts über das ganze Modul gibt. Wenn der Abstand größer ist, sind in diesen Zwischenräumen dunkle Stellen zu beobachten.
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Diese Vertiefungen werden als Mittel zum Aufnehmen des Einkapselungsmaterials verwendet, welches in die Vertiefungen gefüllt wird und eine Abdichtung und einen Schutz für die LED-Chips gegenüber der Umgebung bereitstellt. Ferner kann die innere Wand der Vertiefung auch als Reflektor dienen, um das Herausführen des Lichts für das Modul zu verbessern. Die innere Wand kann derart poliert und in einem derartigen Winkel geneigt sein, dass das Reflexionsverhalten derselben weiter verbessert ist. Eine Metallbeschichtung kann ebenfalls auf die Wände aufgebracht werden, um eine nahezu spiegelnde Oberfläche zu erreichen, wobei auch das Reflexionsverhalten weiter verstärkt wird. Die optische Wirkung auf Grund der inneren Reflektorwand ist gut wiederholbar, da die Abmessungen und die Gestalt der Wände relativ unveränderlich aufgrund der Materialeigenschaften und des Gießprozesses sind.
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LED-Chips werden in den Vertiefungen befestigt: an dem Abschnitt des thermisch leitfähigen Grundkörpers, welcher von dem elektrisch isolierenden Material frei bleibt. Die LED-Chips können unter Verwendung von Epoxidklebstoff, Silikonklebstoff oder eines anderen klebenden Materials befestigt werden. Für eine noch bessere thermische Verbindung kann eutektische Chipmontierung oder Löten mit metallischen Partikeln ebenfalls eingesetzt werden. Diese Gestaltung stellt verbesserte thermische Leitfähigkeit sicher, da die LED-Chips nun direkt an einem thermisch leitfähigen Grundkörper befestigt sind. Ferner weist der thermisch leitfähige Grundkörper eine große Fläche auf, derart, dass Wärme leichter abgeleitet werden kann.
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Das Einkapselungsmaterial, das zum Füllen der Vertiefungen verwendet wird, ist typischerweise ein transparentes oder diffuses Epoxidharzsystem oder Silicon. Das Einkapselungsmaterial lässt sich in die Vertiefungen einfach einbringen und in weiterer Folge mittels Temperatur aushärten. Lumineszenzkonversionselemente, wie etwa ein Leuchtstoff, können diesem Einkapselungsmaterial ebenfalls beigegeben werden, wenn eine gewisse optische Umwandlung erforderlich ist. Gemeinhin nutzbare Lumineszenzkonversionselemente umfassen Yttrium-Aluminium-Granate (YAG), Silicate und Nitride. Weitere Stoffe, wie etwa Silica, verwendet als Dotierstoffe, können ebenfalls beigegeben werden, um die optischen Umwandlungseigenschaften zu verbessern.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht eines typischen Aufbaus, wie er in der vorliegenden Erfindung beschrieben ist. Ein thermisch leitfähiger Grundkörper (1) wird als Basis des Moduls verwendet. Typische Materialien, die verwendet werden können, umfassen Metalle, wie etwa Aluminium, Kupfer und verschiedene Kupferlegierungen. Oben auf dem thermisch leitfähigen Grundkörper ist ein elektrisch isolierendes und dünnes Material (2) auf einem Abschnitt des Grundkörpers auflaminiert oder befestigt. Dieses isolierende Material bietet eine Fläche, in welchem elektrische Leiterbahnen und Kontaktpunkte hergestellt werden können. Elektrische Verbindungen können zwischen den LED-Chips (5) und den Leiterbahnen über elektrisch leitende Drähte (6) hergestellt werden. Die LED-Chips sind direkt an dem thermisch leitfähigen Grundkörper befestigt. Vertiefungen (3) sind auf dem Grundkörper ausgebildet. Diese Vertiefungen sind typischerweise an den Grundkörper angeformt oder durch Spritzgießen hergestellt. Geeignete Materialien zum Bilden des Gehäuses umfassen technische Kunststoffe, wie etwa PPA, LCP und Hochtemperatur-Nylon. Diese Vertiefungen werden als Mittel zum Aufnehmen des transparenten oder diffusen Einkapselungsmaterials (4) verwendet, welches in die Vertiefungen gefüllt wird und eine Abdichtung und einen Schutz für die LED-Chips gegenüber der Umgebung bereitstellt. Das Einkapselungsmaterial, das zum Füllen der Vertiefungen verwendet wird, ist typischerweise ein Epoxidharzsystem oder Silicon. Lumineszenzkonversionselemente, wie etwa ein Leuchtstoff, können diesem Einkapselungsmaterial ebenfalls beigegeben werden, wenn eine gewisse optische Umwandlung erforderlich ist.
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist in 3 und 4 ein lineares Leuchtmodul gezeigt. Ein thermisch leitfähiger Grundkörper (1) wird als Basis des Moduls verwendet. Typische Materialien, die verwendet werden können, umfassen Metalle, wie etwa Aluminium, Kupfer und verschiedene Kupferlegierungen. Oben auf dem thermisch leitfähigen Grundkörper ist ein elektrisch isolierendes und dünnes Material (2) auf einem Abschnitt des Grundkörpers auflaminiert oder befestigt. Dieses elektrisch isolierende Material bietet die Fläche, in welcher elektrische Leiterbahnen (7) und Kontaktpunkte hergestellt werden können; und es bietet den Bereich für die elektrischen Verbindungen zwischen den LED-Chips (5) und der externen Verbindungsschnittstelle. Mehrere Vertiefungen (3) sind an dem Grundkörper ausgebildet. Diese Vertiefungen sind linear mit einem Abstand zwischen zwei benachbarten Vertiefungen, welcher kleiner ist als 10 mm, angeordnet. Diese Vertiefungen sind typischerweise an den Grundkörper angeformt oder durch Spritzgießen hergestellt. Geeignete Materialien zum Bilden des Gehäuses umfassen technische Kunststoffe, wie etwa PPA, LCP und Hochtemperatur-Nylon. Damit sichergestellt ist, dass diese Vertiefungen an dem thermisch leitfähigen Grundkörper unverrückbar befestigt sind, sind Löcher oder Ausschnitte an der Rückseite des Grundkörpers hergestellt, derart, dass Vergussmaterial beim Gießen in diese Bereiche gelangen und in weiterer Folge eine Einheit (8) bilden kann, welche die Vertiefungen an dem Grundkörper festhält. LED-Chips (5) sind in den Vertiefungen befestigt. Transparentes oder diffuses Einkapselungsmaterial (4) wird zum Füllen der Vertiefungen verwendet. Typische Materialien, die als Einkapselungsmaterial verwendet werden, umfassen Epoxidharzsysteme oder Silicon. Lumineszenzkonversionselemente, wie etwa ein Leuchtstoff, können diesem Einkapselungsmaterial ebenfalls beigegeben werden, wenn eine gewisse optische Umwandlung erforderlich ist.
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In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt 5 ein lineares Leuchtmodul mit einem erweiterten Aufbau. Ein thermisch leitfähiger Grundkörper (1) wird als Basis des Moduls verwendet. Ferner ist der Grundkörper in der Größe erweitert, derart, dass er in eine Form gebogen werden kann, wie in 5 gezeigt. Der erweiterte Grundkörper (1a) bietet einen größeren Flächenbereich zur besseren Wärmeableitung. Dieser erweiterte Grundkörper kann auch als eine mechanische Verbindungsfläche verwendet werden, da der Grundkörper von Natur aus starr ist und mechanisch fest ist. Positionierlöcher oder Befestigungslöcher können an dieser erweiterten Fläche gestaltet sein, um Befestigungserfordernissen gerecht zu werden. Die thermische Leitfähigkeit des Grundkörpers zusammen mit der Flexibilität beim Befestigen bietet für das Modul eine gute Wärmeableitungsfähigkeit. Typische Materialien, die verwendet sein können, umfassen Metalle, wie etwa Aluminium, Kupfer und verschiedene Kupferlegierungen. Oben auf dem thermisch leitfähigen Grundkörper ist ein elektrisch isolierendes und dünnes Material (2) auf einem Abschnitt des Grundkörpers auflaminiert oder befestigt. Dieses elektrisch isolierende Material bietet den Bereich, in welchem elektrische Leiterbahnen (7) und Kontaktpunkte hergestellt werden können; und es bietet den Bereich für die elektrischen Verbindungen zwischen den LED-Chips (5) und der externen Verbindungsschnittstelle. Mehrere Vertiefungen (3) sind an dem Grundkörper ausgebildet. Diese Vertiefungen sind linear mit einem Abstand zwischen zwei benachbarten Vertiefungen beabstandet, welcher kleiner ist als 10 mm. Diese Vertiefungen sind typischerweise an den Grundkörper angeformt oder durch Spritzgießen hergestellt. Geeignete Materialien zum Bilden des Gehäuses umfassen technische Kunststoffe, wie etwa PPA, LCP und Hochtemperatur-Nylon. Damit sichergestellt ist, dass diese Vertiefungen an dem thermisch leitfähigen Grundkörper unverrückbar befestigt sind, sind Löcher oder Ausschnitte an der Rückseite des Grundkörpers hergestellt, derart, dass das Vergussmaterial beim Gießen in diese Bereiche gelangen und in weiterer Folge eine Einheit (8) bilden kann, welche die Vertiefungen an dem Grundkörper festhält. LED-Chips (5) sind in diesen Vertiefungen befestigt. Transparentes oder diffuses Einkapselungsmaterial (4) wird zum Füllen der Vertiefungen verwendet. Typische Materialien, die als Einkapselungsmaterial verwendet werden, umfassen Epoxidharzsysteme oder Silicon. Lumineszenzkonversionselemente, wie etwa ein Leuchtstoff, können diesem Einkapselungsmaterial ebenfalls beigegeben werden, wenn eine gewisse optische Umwandlung erforderlich ist.
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In einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt 6 ein kreisförmiges Leuchtmodul. Ein thermisch leitfähiger Grundkörper (1) wird als Basis des kreisförmigen Moduls verwendet. Typische Materialien, die verwendet werden können, umfassen Metalle, wie etwa Aluminium, Kupfer und verschiedene Kupferlegierungen. Oben auf dem thermisch leitfähigen Grundkörper ist ein elektrisch isolierendes und dünnes Material (2) auf den Grundkörper auflaminiert. Dieses isolierende Material stellt die Fläche, in welcher elektrische Leiterbahnen (7) und Kontaktpunkte hergestellt werden können, bereit und die Fläche für die elektrischen Verbindungen zwischen den LED-Chips (5) und der externen Verbindungsschnittstelle. Mehrere Vertiefungen (3) sind auf dem Grundkörper ausgebildet und nahe beieinander angeordnet. Diese Vertiefungen sind mit einem Abstand zwischen zwei benachbarten Vertiefungen, welcher kleiner ist als 10 mm, beabstandet. Diese Vertiefungen sind typischerweise an den Grundkörper angeformt oder durch Spritzgießen hergestellt. Geeignete Materialien zum Bilden des Gehäuses umfassen technische Kunststoffe, wie etwa PPA, LCP und Hochtemperatur-Nylon. LED-Chips (5) sind in diesen Vertiefungen befestigt. Transparentes oder diffuses Einkapselungsmaterial (4) wird zum Füllen der Vertiefungen verwendet. Typische Materialien, die als Einkapselungsmaterial verwendet werden, umfassen Epoxidharzsysteme oder Silicon. Lumineszenzkonversionselemente, wie etwa ein Leuchtstoff, können diesem Einkapselungsmaterial ebenfalls beigegeben werden, wenn eine gewisse optische Umwandlung erforderlich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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