DE102012202102A1 - Leuchtvorrichtung mit Volumenstrahler-LED-Chips auf einem gemeinsamen Substrat - Google Patents

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Abstract

Die Leuchtvorrichtung (11) weist mehrere Volumenstrahler-LED-Chips (Li) auf, die auf einem gemeinsamen Substrat (1) angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Volumenstrahler-LED-Chips (Li) eine reflektierende Trennwand (12) verläuft. Ein Verfahren dient zum Herstellen einer Leuchtvorrichtung, wobei Füllmasse (25) durch Rakeln in eine Vertiefung (13) eingebracht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Leuchtvorrichtung mit mehreren Volumenstrahler-LED-Chips, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Leuchtvorrichtung. Die Leuchtvorrichtung ist bevorzugt einsetzbar als Flächen- oder Streifenlichtmodul oder -lampe.
  • Zur Herstellung hell leuchtender Flächen oder Streifen auf LED-Basis ist es bekannt, eine Vielzahl von einzelnen LED-Chips auf einem Substrat 1 zu montieren und elektrisch miteinander zu verbinden. Dazu werden m Ketten Kj (j = 1, ..., m) mit jeweils i = 1, ..., n seriell geschalteten LED-Chips Li elektrisch parallel zwischen zwei Versorgungsleitungen 2 geschaltet, wie in 1 in Draufsicht gezeigt. Die elektrische Kontaktierung erfolgt durch Bonddrähte 3. Zur besseren Wärmeabfuhr besteht das Substrat 1 hier aus einem gut wärmeleitenden Material und dient außer als mechanischer Träger auch als Kühlkörper.
  • Eine gewünschte Farbtemperatur der Leuchtvorrichtung wird durch eine Konverterschicht (Leuchtstoffschicht) erreicht, die sich über den LED-Chips befindet. Mittels der Konverterschicht wird von dem darunter liegenden LED-Chip abgestrahltes Primärlicht teilweise in Sekundärlicht größerer Wellenlänge wellenlängenkonvertiert („Down Conversion“). Insgesamt kann so insbesondere ein Mischlicht mit einem vorbestimmten (Summen-)Farbpunkt erzeugt werden. Um eine möglichst gute Reproduzierbarkeit des Farbpunktes zu erreichen, werden hohe Anforderungen an die Genauigkeit einer Schichtdicke der Konverterschicht gestellt.
  • Die Wellenkonversion kann auch bei dem sog. Maggie-Konzept angewandt werden: Um eine weiß strahlende Leuchtvorrichtung zu erhalten, werden zwei Arten von LED-Chips auf einem hoch reflektierenden Substrat fixiert, und zwar rot leuchtende und blau leuchtende LED-Chips. Bei diesen LED-Chips handelt es sich um sog. Volumenstrahler, deren Licht emittierende epitaktische Schicht auf einem transparenten Saphirsubstrat aufgewachsen ist, so dass die Volumenstrahler-LED-Chips Licht sowohl über ihre Oberfläche, als auch über die vier Seitenflächen emittieren. Die Volumenstrahler-LED-Chips sind in einer Vergussmasse eingebettet, welche wellenlängenkonvertierende Leuchtstoffpartikel enthält und als Konverterschicht dient. Dadurch wird ein Teil des blauen Lichts in grünes Licht umgewandelt. Insgesamt ergibt sich der Summenfarbort des resultierenden Mischlichts aus einer Mischung des roten, grünen und blauen Lichts. Für weißes Mischlicht wird ein Farbort auf der Planck-Kurve („schwarzer Strahler") angestrebt. Die Lichtqualität einer solchen Maggie-Leuchtvorrichtung erfordert eine gute Durchmischung der Farbanteile und eine konstante Leuchtdichte über der Fläche. Um den Wirkungsgrad zu maximieren, sollte das Licht möglichst wenig gestreut werden, ehe es die Leuchtvorrichtung verlässt.
  • Bei einer „Planar Interconnect" (PI-) genannten Verbindungstechnologie werden die LED-Chips nicht mit Bonddrähten, sondern über eine strukturierte, planare Metallschicht verbunden, die sich auf der Vergussmasse befindet. An den Positionen, an denen sich die Chipkontakte der LED-Chips befinden, wird die Vergussmasse mit einem Laser geöffnet.
  • Bei Verwendung der Volumenstrahler-LED-Chips tritt Licht nicht nur an der Chipoberfläche aus, sondern zum Großteil auch aus den Seitenflächen der LED-Chips. Je enger die Volumenstrahler-LED-Chips gepackt werden, desto größer wird der Anteil des emittierten Lichts, der in die benachbarten Volumenstrahler-LED-Chips einkoppelt und zum Teil von den benachbarten Volumenstrahler-LED-Chips absorbiert wird. Hierdurch ergibt sich für Volumenstrahler-LED-Chips ein Mindestabstand (von typischerweise ca. dem 2,5-fachen einer Chipkantenlänge), der eingehalten werden muss, um die Leuchtvorrichtung noch effizient betreiben zu können. Um jedoch noch mehr Lumen pro Fläche erreichen zu können, müssen die Volumenstrahler-LED-Chips enger gepackt werden. Folglich ergibt sich hier ein Zielkonflikt im Aufbau der Leuchtvorrichtung.
  • Eine bekannte Möglichkeit zur Lösung dieses Zielkonflikts besteht in der Verwendung von gehäusten LEDs (‚LED-Einzelpackages‘), die nur nach oben und nicht seitlich abstrahlen. Dies ist jedoch sehr kostenintensiv.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine vergleichsweise preiswerte und effizient betreibbare Leuchtvorrichtung der eingangs genannten Art mit hoher Beleuchtungsstärke bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leuchtvorrichtung, aufweisend mehrere Volumenstrahler-LED-Chips, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Volumenstrahler-LED-Chips eine reflektierende Trennwand verläuft.
  • Dadurch wird auch ohne Häusung der Volumenstrahler-LED-Chips verhindert, dass sich die Volumenstrahler-LED-Chips gegenseitig anstrahlen. Zudem wird so ein kleinerer Abstand als bisher ermöglicht, da eine Trennwand erheblich schmaler ausgestaltbar ist als das 2,5-fache der Chipfläche. Durch die reflektierende Art der Trennwand wird das aus den Seitenflächen der Volumenstrahler-LED-Chips ausgestrahlte Licht auf kurzem Wege in Richtung der Füllmasse / Leuchtstoffschicht umgelenkt, was den Wirkungsgrad und die Helligkeit der Lampe vergrößert. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass das Substrat so geformt wird, dass jede LED in einer Vertiefung liegt, die als lokaler Reflektor wirkt.
  • Das Substrat kann insbesondere auch als Kühlkörper dienen. Das Substrat kann beispielsweise ein metallisches Substrat (z.B. aus Aluminium oder Kupfer), ein keramisches Substrat (z.B. aus AlN), ein Halbleitersubstrat (z.B. aus Silizium) oder ein Korund-Substrat (z.B. Saphir) sein.
  • Eine einem Volumenstrahler-LED-Chip zugeordnete Trennwand kann grundsätzlich (geschlossen) umlaufend oder unterbrochen ausgestaltet sein.
  • Es ist eine Weiterbildung, dass die reflektierende Trennwand spekular oder diffus reflektierend ist.
  • Es ist noch eine Weiterbildung, dass eine von der Trennwand seitlich begrenzte Auflagefläche oder Grundfläche (Boden) der den Volumenstrahler-LED-Chip tragenden Oberfläche (spekular oder diffus) reflektierend ausgestaltet ist, was eine Lichtausbeute weiter erhöht.
  • Es ist eine Ausgestaltung, dass die Trennwand als Seitenwand einer Vertiefung ausgebildet ist, an deren Grundfläche der Volumenstrahler-LED-Chip angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Bildung der Trennwand, insbesondere einer umlaufenden Trennwand, durch Bildung der Vertiefung. Eine solche Trennwand braucht nicht separat hergestellt zu werden und ist besonders robust ausgestaltbar.
  • Die Vertiefungen können insbesondere kegelstumpfförmig sein, insbesondere mit einem Flankenwinkel von ca. 45°. Dies ermöglicht eine in Umfangsrichtung gleichmäßige und stark nach vorne gerichtete Abstrahlung des an der Trennwand reflektierten Lichts.
  • Jedoch ist die Form der Vertiefungen nicht darauf beschränkt und kann z.B. eine eckige, z.B. pyramidenstumpfförmige, Form umfassen. Die Flanken können im Querschnitt gerade und/oder gekrümmt sein, z.B. parabelförmig oder ellipsoid gekrümmt. Die Oberfläche der Vertiefungen kann eine abwickelbare oder eine nicht-abwickelbare Form aufweisen, wie z.B. die eines Rotationsparaboloids.
  • Die Volumenstrahler-LED-Chips können insbesondere auf einer Grundfläche der jeweiligen Vertiefung aufgesetzt sein. Die Volumenstrahler-LED-Chips können danach z.B. mit Hilfe von Bonddrähten elektrisch kontaktiert werden.
  • Allgemein können die Volumenstrahler-LED-Chips durch Bonddrähte und/oder mittels der PI-Technologie elektrisch kontaktiert werden.
  • Die Vertiefungen bzw. die Volumenstrahler-LED-Chips können in einem quadratischen, rechteckigen, wabenförmigen oder beliebigen, auch unregelmäßigen, Muster angeordnet sein.
  • Es ist eine Ausgestaltung davon, dass die Vertiefungen in dem Substrat ausgebildet sind. Das Substrat weist dazu typischerweise eine ausreichende Dicke auf. Die Vertiefungen können beispielsweise durch mechanischen Materialabtrag (z.B. durch Laserablation, Fräsung oder Spanung), durch einen Prägeprozess oder durch Ätzverfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann das Substrat ein KOH-geätzter Silizium-Wafer mit definierten Flankenwinkeln sein.
  • Das Substrat ist bevorzugt hochgradig reflektierend und/oder gut wärmeleitend. Zur Erhöhung eines Reflexionsgrads der den Volumenstrahler-LED-Chips zugewandten Oberfläche kann die Oberfläche des Substrates (insbesondere einschließlich der Vertiefungen) mit einer Reflexionsschicht belegt sein, z.B. versilbert sein und/oder aus einer Folge metallischer oder dielektrischer Schichten bestehen.
  • Es ist noch eine Ausgestaltung, dass eine Schicht auf dem Substrat aufgebracht ist, die Volumenstrahler-LED-Chips auf der Schicht angeordnet sind und eine Trennwand zwischen benachbarten Volumenstrahler-LED-Chips mittels einer Aufwölbung der Schicht gebildet ist. Dadurch wird eine Bildung von Trennwänden auch mittels dünner Schichten ermöglicht. Insbesondere braucht so das Substrat selbst nicht mit Vertiefungen versehen zu werden, was je nach Art und Form des Substrats eine erhebliche Schwierigkeit darstellen kann. Zudem wird so eine funktionale Trennung von Eigenschaften (z.B. von Reflexion und Wärmeleitung) ermöglicht, beispielsweise dadurch, dass die Schicht auf eine effektive Reflexion und das Substrat auf eine effektive Wärmeleitung hin optimiert sind.
  • In einer Sichtweise können auch die durch die Trennwand umgebenen Bereiche der Schicht ebenfalls als eine Vertiefung (z.B. in Bezug auf eine obere Kante der Aufwölbung) angesehen werden. Folglich kann eine solche Vertiefung analog zu einer Vertiefung in einem Volumenmaterial wie dem Substrat ausgestaltet sein.
  • Es ist eine zur Erhöhung einer Lichtausbeute bevorzugte Weiterbildung, dass die Schicht zumindest auf der den Volumenstrahler-LED-Chips zugewandten Oberfläche reflektierend ausgestaltet ist.
  • Es ist eine Ausgestaltung davon, dass die Schicht zumindest unterhalb der Aufsatzflächen für die Volumenstrahler-LED-Chips mit dem Substrat verbunden ist. Dadurch ergibt sich eine gute thermische Anbindung der Volumenstrahler-LED-Chips an das Substrat und folglich eine effektive Wärmeabfuhr.
  • Die Schicht kann beispielsweise mit dem Substrat verlötet, verklebt oder verschweißt, insbesondere punktverschweißt, sein.
  • Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass die Schicht ein (insbesondere dünnes) Blech oder eine Folie ist. Ein solches Blech oder Folie lässt sich besonders einfach formen, z.B. durch Tiefziehen oder Eindrücken. Die Schicht kann beispielsweise ein dünnes (und teureres), hochreflektierendes Blech sein, das punktuell mit einem darunter angeordneten Substrat verbunden ist, das aus eher schlecht reflektierendem, aber thermisch hochgradig leitfähigem Material besteht, z.B. Aluminium oder Kupfer.
  • Die Verwendung von Blech oder einer Folie weist den weiteren Vorteil auf, dass es auch noch nach seiner Strukturierung (z.B. durch Einbringung der Trennwände) typischerweise biegsam ist, so dass es auch auf Substrate mit nicht-planaren Oberflächen aufbringbar ist. Das ermöglicht die Bereitstellung von Leuchtvorrichtungen, insbesondere Lampen, mit hohem Abstrahlwinkel (z.B. falls die Substratoberfläche eine konvexe Kugeloberfläche ist) oder einer Fokussierung (z.B. falls die Substratoberfläche in Form eines konkaven Paraboloids vorliegt.
  • Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die Schicht eine Gussschicht ist. Diese kann z.B. auf das Substrat 'gemolded' worden sein.
  • Die Gussschicht (z.B. aus Silikon oder einem anderen Polymer) kann diffus reflektierend ausgebildet sein und dazu beispielsweise eine weiße Farbe aufweisen.
  • Die Gussschicht kann alternativ spekular oder spiegelnd reflektierend ausgebildet sein und dazu beispielsweise eine Reflexionsschicht an ihrer dem (insbesondere selbst nicht hochgradig reflektierenden) Substrat abgewandten Oberfläche aufweisen. Die Reflexionsschicht kann z.B. eine Schicht aus spiegelndem Silber oder eine MIRO®- oder MIRO SILVER®-Schicht der Firma Alanod sein.
  • Die oben beschriebene Ausgestaltung, dass eine Schicht auf dem Substrat aufgebracht ist und die Volumenstrahler-LED-Chips auf der Schicht angeordnet sind, ist beispielsweise dahingehend abwandelbar, dass die Volumenstrahler-LED-Chips (direkt, ggf. über einen Kleber, Lot o.ä.) auf dem Substrat angeordnet sind und von der Schicht seitlich umgeben sind. Die Volumenstrahler-LED-Chips können also insbesondere in Aussparungen der Schicht angeordnet sein. Diese abgewandelte Ausgestaltung mag insbesondere für den Fall vorteilhaft sein, dass die Schicht eine Gussschicht ist und an ihrer Oberfläche eine reflektierende Schicht aufweist.
  • Es ist auch eine Ausgestaltung, dass zumindest eine Trennwand mindestens eine oberseitige Absenkung zum Einsatz oder Aufsatz (mindestens) einer elektrischen Leitung zwischen benachbarten Volumenstrahler-LED-Chips aufweist. Dadurch wird erreicht, dass die elektrische Leitung, z.B. ein Draht, nicht über die höchste Oberkante der Trennwand geführt zu werden braucht, was eine freiliegende oder zu nahe an der Trennwand angeordnete elektrische Leitung bedingen könnte. Durch die Führung in der Absenkung wird es insbesondere ermöglicht, dass die elektrische Leitung nicht nach oben vorsteht, und zudem wird ein ausreichender Abstand zu der Trennwand bereitgestellt.
  • Die oberseitige Absenkung kann vorteilhaft auch für die planare Verbindungstechnik eingesetzt werden, bei der ansonsten die dafür typischen Leiterbrücken auf einer ggf. freiliegenden Oberkante der Trennwand aufliegen würden oder einen zu der ggf. freiliegenden Oberkante der Trennwand zur ausreichenden elektrischen Isolation zu geringen Abstand aufweisen würden.
  • Es ist eine allgemeine Ausgestaltung, dass eine durch die Trennwand seitlich begrenzte Vertiefung (des Substrats oder der Schicht o.ä.) mit Füllmasse gefüllt ist. Die Trennwand ist insbesondere eine umlaufende Trennwand. Bei dieser Ausgestaltung wird ausgenutzt, dass die Oberkante der Trennwand eine einfache und genaue Begrenzung für eine Einfüllhöhe der Füllmasse aufweist. Die Füllmasse kann insbesondere durch Rakeln eingebracht werden. Die Höhe der Vertiefungen (ggf. abzüglich der Chipdicke) definiert dann die Dicke der Füllmasse. Damit wird eine sehr gut definierte Dicke erreicht. Zum anderen verringert sich die benötigte Menge an Füllmasse. Die seitlich aus den Volumenstrahler-LED-Chips austretenden Lichtstrahlen durchlaufen die Füllmasse zudem auf kürzestem Weg. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad, da ein Einfluss von Mehrfachstreuungen verringert wird.
  • Die Füllmasse ist bevorzugt eine elastische Füllmasse, da so die (typischerweise biegbare, da dünne) Schicht mit der Füllmasse ohne Beschädigung biegsam ist und insbesondere auch auf nicht-planare Substrate aufsetzbar ist, und zwar auch erst nach einer Bestückung mit Volumenstrahler-LED-Chips und einer Füllung mit der Füllmasse.
  • Im Fall der PI-Technologie ergeben sich durch die präzise Definition der Dicke der Füllmasse sehr konstante Bedingungen für ein Laserbohren der Kontaktlöcher.
  • Falls beispielsweise die Füllmasse eine wellenlängenkonvertierende Füllmasse ist (z.B. indem sie Leuchtstoffpartikel enthält), ergibt sich eine genau einstellbare Dicke der Füllmasse (und damit der Schichtdicke oberhalb der Volumenstrahler-LED-Chips), wodurch eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Farbtemperatur bzw. des Summenfarborts verbessert wird. Auch verringert sich die benötigte Menge an Leuchtstoff.
  • Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Füllmasse eine transparente Füllmasse ist, auf welcher Leuchtstoff angeordnet ist, insbesondere als Leuchtstoffschicht vorliegend, insbesondere konstanter Dicke. Diese Ausgestaltung weist einen geringen Verbrauch an Leuchtstoff auf und ermöglicht eine besonders präzise und kontrollierbare Einstellung einer Schichtdicke des Leuchtstoffs (auf der transparenten Füllmasse). Auch wird erreicht, dass seitlich aus dem zugehörigen Volumenstrahler-LED-Chip emittiertes Licht nach oben umgelenkt wird, so dass das nach oben und das zur Seite abgestrahlte Licht im Wesentlichen senkrecht in die Konverterschicht eintritt. Dadurch wird die Lichtkonversion effektiver und homogener.
  • Der Leuchtstoff der Leuchtstoffschicht kann z.B. in Matrixmaterial, z.B. dem Füllmaterial, eingebettet sein oder als kompakte Leuchtstoffschicht vorliegen (die z.B. durch Binder zusammengehalten wird).
  • Es ist darüber hinaus eine Ausgestaltung, dass die Trennwand eine zu einer Kontaktfläche des zugehörigen Volumenstrahler-LED-Chips passende, insbesondere rechteckige, Aufsatzfläche oder Grundfläche begrenzt. Die Aufsatzfläche oder Grundfläche kann dazu verwendet werden, die Volumenstrahler-LED-Chips bei der Montage auf einfache Weise auszurichten. Beispielsweise mögen die Volumenstrahler-LED-Chips in die Vertiefungen hinein"geschüttet" und dann in ihre Endposition gerüttelt werden.
  • Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass eine die Volumenstrahler-LED-Chips tragende Oberfläche im Querschnitt eine sägezahnartige Grundform aufweist. So wird eine hohe Packungsdichte der Volumenstrahler-LED-Chips erreicht. Die die Volumenstrahler-LED-Chips tragende Oberfläche oder Grundfläche kann insbesondere die Oberfläche des Substrats oder der Schicht sein. Diese Oberfläche kann also insbesondere in Form eines 'Sheddachs' vorliegen. Es ist eine Weiterbildung, dass die Oberfläche mit einem waagerechten Teil in der Breite der Volumenstrahler-LED-Chips ausgestattet ist, sollten z.B. waagerechte Kontaktflächen der Volumenstrahler-LED-Chips erforderlich sein.
  • Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Leuchtvorrichtung mit einer durch die Trennwand seitlich begrenzten Vertiefung, welche mit Füllmasse gefüllt ist, wobei die Füllmasse durch Rakeln in die Vertiefung eingebracht wird. Dies ergibt auf einfache Weise eine präzise Füllhöhe der Füllmasse.
  • Es ist eine Ausgestaltung davon zum Herstellen einer Leuchtvorrichtung, bei der eine Schicht (z.B. aus Blech oder Folie) auf dem Substrat aufgebracht ist, dass (a) die Volumenstrahler-LED-Chips auf der Schicht angeordnet werden, (b) dann die Vertiefungen mit Füllmasse gefüllt werden und (c) dann die Schicht auf das Substrat aufgebracht wird.
  • Die Verdrahtung kann, z.B. im Fall eines Drahtbondens, insbesondere zwischen Schritt (a) und Schritt (b) erfolgen, im Fall der PI-Verbindung insbesondere zwischen Schritt (b) und Schritt (c).
  • Da die so hergestellte Schichtstruktur infolge der geringen Blechdicke und der insbesondere flexiblen Füllmasse, insbesondere Polymermasse, verformbar ausgestaltbar ist, kann man sie auf einfache Weise mit nicht-planaren Substraten verbinden. Geeignet sind insbesondere zylindrische oder allgemein abwickelbare Oberflächengeometrien. Aber auch beliebige konvexe oder konkave Oberflächengeometrien des Substrats sind geeignet. Insbesondere dazu kann man an geeigneten Stellen die Schicht (z.B. ein Blech) perforieren oder Öffnungen hineinätzen oder -stanzen, um die Ausbildung der gewünschten Form zu erleichtern. So lässt sich z.B. eine Leuchtvorrichtung, insbesondere Lampe, mit einer zylindrischen oder gar kugelsymmetrischen Abstrahlcharakteristik bilden.
  • Konkave Formen, wie z.B. ein Kegelmantel oder Paraboloid, können benutzt werden, um das Licht zu fokussieren, z.B. um eine Eintrittsapertur eines Lichtleiters auszuleuchten.
  • Im Fall der PI-Technologie können die Leiterbahnen zwischen den Reflektoren geführt werden. Dann verlaufen sie außerhalb des Strahlungsbereichs der Volumenstrahler-LED-Chips und schatten die Lichtkegel weniger ab.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
  • 2 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer Leuchtvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit zwei Volumenstrahler-LED-Chips;
  • 3 zeigt den Ausschnitt aus der Leuchtvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in Seitenansicht;
  • 4 zeigt in Seitenansicht einen Ausschnitt aus einer Leuchtvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
  • 5 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer Leuchtvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
  • 6 zeigt in Seitenansicht einen Längsschnitt durch die Leuchtvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in einer y-Richtung; und
  • 7 zeigt in Seitenansicht einen Längsschnitt durch die Leuchtvorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in einer x-Richtung.
  • 2 zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer Leuchtvorrichtung 11 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit zwei benachbart auf einem gemeinsamen Substrat 1 angeordneten Volumenstrahler-LED-Chips Li und Li + 1 einer Kette Kj von Volumenstrahler-LED-Chips. Das Substrat 1 ist gut wärmeleitend, z.B. bestehend aus Kupfer oder Aluminium, um eine Abwärme von den Volumenstrahler-LED-Chips Li und Li + 1 effektiv abführen zu können.
  • Die Volumenstrahler-LED-Chips Li und Li+1 sind durch eine zwischen ihnen verlaufende reflektierende Trennwand 12 voneinander getrennt. Die Trennwand 12 ist als eine Seitenwand einer jeweiligen Vertiefung 13 in dem Substrat 1 ausgebildet, an deren Grundfläche 14 oder Boden der Volumenstrahler-LED-Chip Li bzw. Li + 1 angeordnet ist. Die Seitenwände 15 der Vertiefungen 13 weisen einen Flankenwinkel von ca. 45° auf, so dass die Vertiefungen 13 insbesondere kegelstumpfförmig ausgebildet sind.
  • 3 zeigt den Ausschnitt aus der Leuchtvorrichtung 11 in Seitenansicht zur besseren Übersicht ohne die Bonddrähte. Von den Volumenstrahler-LED-Chips Li und Li + 1 abgestrahltes Licht S erreicht aufgrund der Trennwand 12 nicht mehr den jeweils benachbarten Volumenstrahler-LED-Chip Li + 1 bzw. Li. Das Licht S gelangt vielmehr zumindest teilweise auf die reflektierenden Seitenwände 15 und wird von dort im Wesentlichen oder doch zumindest mit einem nur geringen Öffnungswinkel nach oben / außen abgestrahlt.
  • Die Vertiefung 13 kann bis zu einer Oberkante 16 der Trennwand 12 mit Füllmasse 25 (siehe 4) ausgefüllt sein, insbesondere durch Rakeln, ist aber nicht darauf beschränkt. Dadurch sind die Volumenstrahler-LED-Chips Li und Li + 1 mit der Füllmasse 25 bedeckt. Die Füllmasse 25 mag Leuchtstoffteilchen aufweisen oder von einer Leuchtstoff-Schicht 26 (siehe auch 4) bedeckt sein.
  • Zur Erhöhung einer Lichtausbeute mag das Substrat 1 an der den Volumenstrahler-LED-Chips Li und Li + 1 zugewandten Oberseite 17 reflektierend ausgebildet sein, z.B. mit einer Reflexionsschicht (z.B. aus Silber oder einer MIRO®-Schicht) belegt sein.
  • 4 zeigt in Seitenansicht einen Ausschnitt aus einer Leuchtvorrichtung 21 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • Auf dem oberflächlich glatten Substrat 1, z.B. aus Kupfer, ist eine (körperlich strukturierte) Schicht 22 aufgebracht, wobei die Volumenstrahler-LED-Chips Li und Li + 1 auf der Schicht 22 angeordnet sind. Die Schicht 22 besteht aus einem hochgradig reflektierenden Blech aus Metall oder MIRO® o.ä., das durch lokale Materialumformung strukturiert worden ist, z.B. durch Drücken und/oder Biegen. Die Strukturierung umfasst eine Trennwand 23 zwischen den Volumenstrahler-LED-Chips Li und Li + 1 in Form einer Aufwölbung. Zwischen zwei Trennwänden 23 bzw. zwei gegenüberliegenden Seiten einer Trennwand 23 befindet sich eine ebene Grundfläche 14. Die Trennwand 23 bildet reflektierende Seitenwände 15 aus. Die Kombination aus Trennwand 23 und Grundfläche 14 kann auch als eine Vertiefung angesehen werden. Die Vertiefung 14, 23 dient auch hier als ein Reflektor bzw. als eine Reflektorschale.
  • Die Schicht 22 ist unterhalb der als Aufsatzflächen für die Volumenstrahler-LED-Chips Li und Li + 1 dienenden Grundflächen 14 über eine thermisch gut leitende Haftschicht 24 (z.B. einem doppelseitigen Klebeband) an dem Substrat 1 befestigt, unterhalb der Trennwände 23 jedoch nicht. Dadurch wird eine gute Wärmeleitung von den Volumenstrahler-LED-Chips Li und Li + 1 auf das Substrat 1 ermöglicht.
  • Die Vertiefung 14, 23 ist bis zu der Oberkante 16 der Trennwand 23 mit Füllmasse 25 ausgefüllt, insbesondere durch Rakeln. Die Füllmasse 25 kann beispielsweise mit Leuchtstoffpartikeln vermengtes transparentes Silikon sein, welches auch im eingefüllten Zustand elastisch verformbar ist. Die Volumenstrahler-LED-Chips Li und Li + 1 sind mit der Füllmasse 25 bedeckt, da ihre obere Oberfläche tiefer liegt als die Oberkante 16 der Trennwand 23.
  • Alternativ mag die Füllmasse 25 keine Leuchtstoffteilchen aufweisen und von einer Schicht 26 aus dem Leuchtstoff bedeckt sein. Dabei wird durch Umlenkung des seitlich aus den Volumenstrahler-LED-Chips Li und Li + 1 emittierten Lichts an der Trennwand 23 nach oben erreicht, dass das nach oben und das zur Seite aus den Volumenstrahler-LED-Chips Li und Li + 1 abgestrahlte Licht im Wesentlichen senkrecht in die Leuchtstoff-Schicht 26 eintritt. Dadurch wird die Lichtkonversion effektiver und homogener.
  • Es besteht sowohl die Möglichkeit, zunächst die (strukturierte) Schicht 22 auf das Substrat 1 aufzubringen, dann mit den Volumenstrahler-LED-Chips Li usw. zu bestücken, und folgend ggf. mit der Füllmasse 25 zu füllen und danach ggf. mit der Leuchtstoff-Schicht 26 zu belegen. Dies ist besonders einfach erreichbar, falls das Substrat 1 eine ebene Oberfläche aufweist.
  • Die elektrische Kontaktierung kann durch Drahtbonden oder PI-Technologie erfolgen. Insbesondere im Fall der PI-Technologie können die Leiterbahnen zwischen den Reflektoren geführt werden. Dann verlaufen sie außerhalb des Strahlungsbereichs der LEDs und schatten die Lichtkegel weniger ab.
  • Als alternative Möglichkeit kann zunächst die (biegbare, insbesondere dünne) Schicht 22 mit den Volumenstrahler-LED-Chips Li usw. bestückt und folgend ggf. mit der (elastischen) Füllmasse 25 gefüllt und ggf. danach mit der Leuchtstoff-Schicht 26 belegt werden. Da die sich so ergebende bestückte Schicht 22 weiterhin biegsam ist, ohne ihre Funktion zu verlieren, mag sie erst im Nachhinein (und insbesondere nach einer elektrischen Kontaktierung der Volumenstrahler-LED-Chips Li) auf das Substrat 1 aufgebracht werden. Dies vereinfacht eine Aufbringung auf einem Substrat 1 mit einer nicht-planaren Oberfläche. Insbesondere mag die bestückte Schicht 22 vorgefertigt werden und ggf. sogar erst bei einem Kunden o.ä. aufgebracht werden. Insbesondere wird so die Konstruktion von Lampen, Modulen oder Leuchten mit hohem Abstrahlwinkel (z.B. auf einem Substrat 1 mit einer konvexen Kugeloberfläche) oder einer Fokussierung (z.B. auf einem Substrat 1 mit einer konkav paraboloiden Oberfläche) ermöglicht. Besonders geeignet sind zylindrische oder allgemein abwickelbare Oberflächengeometrien. Aber auch beliebige konvexe oder konkave Formen sind geeignet. Dazu kann man an geeigneten Stellen die Schicht 22 perforieren oder Öffnungen hineinätzen oder hineinstanzen, um die Ausbildung der gewünschten Form zu erleichtern.
  • Anstelle eines Blechs oder einer Metall- oder Teilmetallfolie kann die Schicht als Gussteil ausgebildet sein, z.B. als Kunststoff-Spritzgussteil, und mag das Substrat z.B. ganzflächig oder bis auf eine jeweilige Aussparung für die Volumenstrahler-LED-Chips Li und Li + 1 kontaktieren.
  • Jedoch kann das Problem auftreten, dass bei den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen die Bonddrähte 3 über der Oberkante 16 der Vertiefungen 13 bzw. 14, 23 verlaufen und damit ggf. freiliegen und/oder durch den Rakel beschädigt werden können. Zudem mag eine elektrische Isolierung zu der Oberkante 16 der Vertiefungen 13 bzw. 14, 23 zu gering oder sogar gar nicht vorhanden sein. Auch bei der planaren PI-Verbindungstechnik ergibt sich das Problem, dass zwar die PI-Leiterbrücken erst nach dem Füllen der Füllmasse 25 aufgebracht werden, aber auch hier die Isolation zur Oberkante 16 kritisch ist, da die Oberkante 16 im Idealfall freiliegt. Eine Lösung für das Beispiel kegelförmiger Vertiefungen ist in 5 skizziert, welche in Draufsicht einen Ausschnitt aus einer Leuchtvorrichtung 31 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt.
  • Der Abstand von Vertiefungen 32 ist in einer x-Richtung so eng, dass es zu Überschneidungen kommt und die Vertiefungen 32 direkt aneinander grenzen. Die Höhe einer Oberkante 33 einer Trennwand 34 liegt in der x-Richtung somit tiefer als in einer y-Richtung und bildet dort folglich eine oberseitige Absenkung 35. Die höher liegenden, in y-Richtung ausgerichteten Bereiche 36 der Oberkante 33 werden zur Einstellung der Einfüllhöhe der Füllmasse 25 verwendet (wie in 6 gezeigt), z.B. zur Führung eines Rakels benutzt.
  • Nach Einfüllung der Füllmasse 25 befindet sich über den Absenkungen 35 nun eine präzise definierte Isolationsschicht aus Füllmasse 25, wie in 7 ausschnittsweise gezeigt. Wird die Verdrahtung in x-Richtung geführt, wie in 5 für den beispielhaften Fall einer PI-Verbindungstechnik mit planaren PI-Leiterbrücken 37 gezeigt, bleibt nun genügend Platz zur Isolation der PI-Leiterbrücken 37 (oder alternativ Einbettung von Bonddrähten) gegenüber der Trennwand 34.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • So können Vertiefungen (allgemeiner Art) mit rechteckiger Grundfläche benutzt werden, um die Volumenstrahler-LED-Chips bei der Montage zu justieren. Dann braucht man die LEDs nur in die Vertiefungen hineinzu"schütten" und kann sie in die Endposition rütteln.

Claims (14)

  1. Leuchtvorrichtung (11; 21; 31), aufweisend mehrere Volumenstrahler-LED-Chips (Li; Li + 1), die auf einem gemeinsamen Substrat (1) angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Volumenstrahler-LED-Chips (Li; Li + 1) eine reflektierende Trennwand (12; 23; 34) verläuft.
  2. Leuchtvorrichtung (11; 21; 31) nach Anspruch 1, wobei die Trennwand (12; 23; 34) als Seitenwand einer Vertiefung (13; 14, 23; 32) ausgebildet ist, an deren Grundfläche (14) der Volumenstrahler-LED-Chip (Li; Li + 1) angeordnet ist.
  3. Leuchtvorrichtung (11; 31) nach Anspruch 2, wobei die Vertiefungen (13; 32) in dem Substrat (1) ausgebildet sind.
  4. Leuchtvorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Schicht (22) auf dem Substrat (1) aufgebracht ist, die Volumenstrahler-LED-Chips (Li; Li + 1) auf der Schicht (22) angeordnet sind und eine Trennwand (23) zwischen benachbarten Volumenstrahler-LED-Chips (Li; Li + 1) mittels einer Aufwölbung der Schicht (22) gebildet ist.
  5. Leuchtvorrichtung (21) nach Anspruch 4, wobei die Schicht (22) zumindest unterhalb der Aufsatzflächen für die Volumenstrahler-LED-Chips (Li; Li + 1) mit dem Substrat (1) verbunden ist.
  6. Leuchtvorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Schicht (22) ein Blech oder eine Folie ist.
  7. Leuchtvorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Schicht (22) eine Gussschicht ist.
  8. Leuchtvorrichtung (31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Trennwand (34) mindestens eine oberseitige Absenkung (35) zum Einsatz oder Aufsatz einer elektrischen Leitung (3; 37) zwischen benachbarten Volumenstrahler-LED-Chips (Li; Li + 1) aufweist.
  9. Leuchtvorrichtung (11; 21; 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trennwand (12; 23; 34) eine umlaufende Trennwand (12; 23; 34) ist und eine durch die Trennwand (12; 23; 34) seitlich begrenzte Vertiefung (13; 14, 23; 32) mit wellenlängenkonvertierender Füllmasse (25) gefüllt ist.
  10. Leuchtvorrichtung (11; 21; 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trennwand (12; 23; 34) eine umlaufende Trennwand (12; 23; 34) ist und eine durch die Trennwand (12; 23; 34) seitlich begrenzte Vertiefung (13; 14, 23; 32) mit transparenter Füllmasse (25) gefüllt ist, auf welcher Leuchtstoff (26) angeordnet ist.
  11. Leuchtvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trennwand (12; 23; 34) eine zu einer Kontaktfläche des zugehörigen Volumenstrahler-LED-Chips passende, insbesondere rechteckige, Aufsatzfläche begrenzt.
  12. Leuchtvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine die Volumenstrahler-LED-Chips (Li; Li + 1) tragende Oberfläche im Querschnitt eine sägezahnartige Grundform aufweist.
  13. Verfahren zum Herstellen einer Leuchtvorrichtung (11; 21; 31) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei die Füllmasse (25) durch Rakeln in die Vertiefung (13; 14, 23; 32) eingebracht wird.
  14. Verfahren zum Herstellen einer Leuchtvorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei – die Volumenstrahler-LED-Chips (Li; Li + 1) auf der Schicht (22) angeordnet werden, – dann die Vertiefungen (14, 23) mit Füllmasse (25) gefüllt werden und – dann die Schicht (22) auf das Substrat (1) aufgebracht wird.
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