DE10016714C2 - Strahlungsemittierende Vorrichtung - Google Patents

Strahlungsemittierende Vorrichtung

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DE10016714C2
DE10016714C2 DE2000116714 DE10016714A DE10016714C2 DE 10016714 C2 DE10016714 C2 DE 10016714C2 DE 2000116714 DE2000116714 DE 2000116714 DE 10016714 A DE10016714 A DE 10016714A DE 10016714 C2 DE10016714 C2 DE 10016714C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine strahlungsemittierende Vorrichtung, bestehend aus einem Strahlungsleiter mit einer Vorder- und einer Rückseite und strahlungsemittierenden, zweipoligen Halbleiterbauelementen.
Die zur Zeit auf dem Markt erhältlichen LED-Leuchtkörper werden in Form von kontaktierten Leadframes in Kunststoffgehäusen angeboten, bei denen die Anschlüsse zur Montage des zweipoligen Elements in einer Ebene angeordnet sind.
Das chipumhüllende Kunststoffgehäuse bestimmt zusammen mit dem Streifen im wesentlichen als optisches System die Abstrahlcharakteristik der Leuchtdiode. Durch das spezielle Kunststoffmaterial erhält das Bauelement eine große Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Einflüsse und Feuchtigkeit.
Zur Ausleuchtung großer Flächen, solche wie Anzeigetafeln, Hinweisschilder, und Leuchten werden die Einzelbauelemente elektrisch als Reihen- oder Parallelschaltung mehrfach miteinander verschaltet.
Auch werden Leuchtdioden, die sich entweder in einem Gehäuse befinden oder einfach als Chip auf einer Leiterplatte montiert sind, in Lichtleiter eingesetzt. Diese Aufbauten dienen vor allem zur gleichmäßigen Ausleuchtung von größeren Flächen, insbesondere als Hintergrundbeleuchtung von LCD-Anzeigen. Hierbei sind die Leuchtdioden und die Lichtleiter immer so aufgebaut, dass vor allem das Licht, das auf der Oberseite der Leuchtdiode austritt, möglicht verlustfrei in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Hierfür wird die Leuchtdiode mit verschiedenen aufwendigen Optiken versehen.
Nachteilig bei diesen Aufbauten ist jedoch, die aufwendige Montage, da die Bauteile zusammen mit der Optik exakt positioniert werden müssen. Ferner sind die Kosten aufgrund der zusätzlich benötigten Optik hoch und die Abmessungen solcher Beleuchtungsanordnungen zu groß für viele Anwendungen. Wird jedoch auf die aufwendige zusätzliche Optik verzichtet, so ist die Ausleuchtung der Aufbauten ungleichmäßig.
In der DE 197 51 911 A1 wird eine Leuchtdiode in einem MELF-Gehäuse offenbart. Hierbei befindet sich die Leuchtdiode, eingeklemmt zwischen zwei Metallstempeln, in einem Glasröhrchen, wobei die beiden Metallstempel die beiden Enden des Glasröhrchens verschließen. Ein derartiges MELF-Gehäuse (metal electrode leadiess face) zeichnet sich also durch einen hermetischen Ab­ schluss der Leuchtdiode in dem Glasröhrchen aus.
In dem Konferenzartikel aus 11th Capacitor and Resistor Technology Symposium, CARTS '91, Huntsville, AL, USA: Components Technol. Inst. 1991,. p. 38-41; Krumbiegel, A. und andere: 'Insert mounting - the breakthrough into the third dimension' wird eine Anordnung aufgezeigt, bei det zweipolige Widerstände und Siliziumdioden in einem MELF-Gehäuse aus Platzgründen in eine Leiterplatte montiert sind. Hierbei weist die Leiterplatte Bohrungen zwischen Vorder- und Rückseite auf, in die die MELF-Bauteile eingesteckt werden, so dass auf Vorder- und Rückseite der Leiterplatte jeweils ein Pol des Bauteils angeordnet ist.
Die GB 2264002 A beschreibt eine linienförmige Anordnung mehrerer lichtemittie­ render Elemente, wobei Lichtreflexionseinrichtungen an den gegenüberliegenden. Enden der Anordnung vorgesehen sind, um die Lichtemission an den Enden der Anordnung an die Lichtemission im mittleren Teil der Anordnung anzugleichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine großflächig strahlungsemittierende Vorrichtung aufzuzeigen, die bei geringer Bauhöhe einen einfachen und kostengünstigen Aufbau erlaubt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Hierbei werden in einem Strahlungsleiter zwischen seiner Vorder- und Rückseite Halbleiterbauelemente (2) formschlüssig angeordnet, wobei der eine Pol (3, 4) des Halbleiterbauelements (2) im Bereich der Vorderseite und ein anderer Pol (4, 3) im Bereich der Rückseite des Lichtleiters (1) angeordnet ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Hierbei werden bevorzugt strahlungsemittierende Bauteile im MELF- Gehäuse verwendet. Der Aufbau einer derartigen Vorrichtung kann dabei so vonstatten gehen, dass entweder im Strahlungsleiter Bohrungen angebracht werden, die dann mit den strahlungsemittierenden Bauelementen bestückt werden, oder aber die gehäusten Bauelemente werden bei der Herstellung des Lichtleiters mitvergossen. Auch wird der Lichtleiter bei solchen Aufbauten an den Stellen, an denen der Lichtaustritt unerwünscht ist, mit reflektierenden Vorrichtungen versehen und an den Stellen, an denen das Licht unter einem bestimmten Winkel und mit einer bestimmten Helligkeit austreten soll, wird die Oberflächenstruktur des Lichtleiters bereits bei der Herstellung mit der hierfür benötigten Optik versehen. Auch kann der Lichtleiter flexibel sein, so dass er sich gegebenen Formen anpassen kann. Ferner können durch eine einfache Oberflächenmetallisierung Leiterbahnen oder reflektierende Beschichtungen auf die strahlungsemittierende Vorrichtung aufgebracht werden.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass eine großflächige strahlungsemittierende Vorrichtung einfach montiert und kostengünstig hergestellt und aufgebaut werden kann. Die Bauteile werden durch den Formschluß positioniert und können, da sich ihre Anschlüsse unmittelbar an den Leiterbahnen befinden, angelötet werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass aufgrund dem hermetisch dichten MELF-Gehäuse der gesamte Aufbau degradationsarm und unempfindlich bezüglich Feuchtigkeitseinflüssen ist. Durch den flexiblen Aufbau und geringe Bauhöhe ist die Anpassungsfähigkeit an beliebige Formen gegeben.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Kurze Beschreibung der Figuren:
Fig. 1 Querschnitt durch die strahlungsemittierende Vorrichtung.
Fig. 2 Vorderseite der strahlungsemittierenden Vorrichtung.
Fig. 3 Rückseite der strahlungsemittierenden Vorrichtung.
Fig. 4A-E Verfahren zum Aufbau einer strahlungsemittierenden Vorrichtung.
Fig. 4A Herstellung des Lichtleiters.
Fig. 4B Aufbringen der Leiterbahnen auf den Lichtleiter.
Fig. 4C Anbringen der Bohrungen in den Lichtleiter.
Fig. 4D Einbringung der MELF-Leuchtdioden in den Lichtleiter.
Fig. 4E Kontaktierung der MELF-Leuchtdioden.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt durch die strahlungsemittierende Vorrichtung. Der Lichtleiter 1 weist durchgehende Bohrungen bzw. Löcher 16 auf. Diese Löcher 16 verlaufen durchgehend von der obenliegenden Vorderseite, an der das Licht austreten soll, zur untenliegenden Rückseite. In den Löchern 16 befinden sich die Leuchtdioden 2, die in einem hermetisch dichten MELF-Gehäuse angeordnet sind. Charakteristisch für das MELF-Gehäuse ist, dass das strahlungsemittierende Chip 5 zwischen zwei metallischen Stempeln eingeklemmt ist und sich in einem Glasgehäuse 12 befindet, wodurch sich neben der kostengünstigen Herstellung auch eine niedrige Bauhöhe, ein hermetisch dichtes Gehäuse und eine für diese Anwendung günstige Anordnung der beiden Pole 3, 4 ergibt, die eine geradlinige Verlängerung der Chipkontaktflächen ausbilden. Die Dicke des Lichtleiters von ca. d = 2 mm entspricht in diesem Anwendungsbeispiel der Bauhöhe der Micro- MELF-Dioden. Der Durchmesser der Löcher mit ∅ = 1,2 mm entspricht gleichfalls dem Durchmesser der Micro-MELF-Dioden. Der Lichtleiter 1 besteht aus Plexiglas bzw. Polymethylmethacrylat (PMMA). Dieses Material kann im Sink-Form- Verfahren in beliebiger Ausführungsform hergestellt werden. Damit kann man die Herstellung kompliziert geformter Flächen vornehmen z. B. Nuten, Einkerbungen, Fresnellinsen. Durch Blankpressen und Spritzgießen kommt man auf einfache Weise zu Bauteilen mit asphärischen Flächen, deren Genauigkeit für Beleuchtungs- und einfache Abbildungssysteme ausreicht. Im Anwendungsbeispiel wird der Lichtleiter 1 auf der Unterseite mit Reflexionskerben 6 versehen, die aufgrund einer höheren Lichtausbeute verspiegelt werden, in dem eine Metallisierung 7 auf die Unterseite der Vorrichtung aufgebracht wird. Die Reflexionskerben 6 dienen zur Auskopplung der Strahlung 15 an einer gewünschten Stelle. Durch die geringe Dicke d des Lichtleiters 1 kann dieser flexibel ausgestaltet werden, so dass er in die gewünschte Form gebogen werden kann. Auf der Vorderseite und Rückseite befinden sich gleichfalls die Leiterbahnen 18, 19, die bei Metallisierung mit aufgebracht werden. Um den obenliegenden Pol 3 und den untenliegenden Pol 4 der Leuchtdiode im Lichtleiter 1 mit den Leiterbahnen zu verbinden, wird jeweils ein Pol mit einer Leiterbahn verlötet. Dadurch entstehen gleichzeitig Abdeckungen 10, 11 aus dem Lötmaterial. Diese Abdeckungen 10, 11 dienen sowohl dazu, einen elektrischen Kontakt herzustellen, als auch, dass die LED 2 nicht aus dem Lichtleiter 1 herausgleitet kann. Auch wird der Lichtleiter zur Verringerung der Verluste an der Seite mit einer Stirnseitenmetallisierung 8 versehen und damit verspiegelt. Auch kann der Lichtleiter Pigmente 13 beinhalten, die das Licht in die gewünschte Richtung streuen oder aber kurzwellige Strahlung in langwellige umwandeln.
Fig. 2 zeigt die Vorderseite der strahlungsemittierenden Vorrichtung. In diesem Anwendungsbeispiel wird an der Oberseite die Strahlung bzw. Licht ausgekoppelt. Auf der Oberfläche der Vorderseite des Lichtleiters 1 sind Texturen 17 angebracht, indem beispielsweise die Oberfläche an dieser Stelle aufgeraut wird oder dort andere Strukturen ausgebildet sind, die an diesen Stellen eine Lichtauskopplung ermöglichen. Diese Texturen 17 können auszuleuchtende Buchstaben, Zahlen, Symbole oder Flächen darstellen. Um die Texturen 17 herum, befinden sich Lötstellen 10 der in den Lichtleiter 1 eingesteckten MELF- Dioden 2 mit dem strahlungsemittierenden Halbleiterelement 5. Der Lichtleiter selbst beinhaltet Pigmente 13, mit denen die Strahlung im Lichtleiter gestreut wird oder aber auch die Farbe des Lichtes verändert werden kann. Auch kann der Aufbau, wie hier dargestellt, beliebig gestaltete Reflektorwannen beinhalten, die das Licht zum gewünschten Ort umlenken oder aber überhaupt keine Reflektorstrukturen im Innern des Strahlungsleiters 1 aufweisen. Ferner sind auf der Oberseite Leitbahnen 18 angebracht, um einen Pol der Leuchtdioden mit einer elektrischen Energiequelle zu verbinden. Auch können mit den Leiterbahnen 18, wie im Anwendungsbeispiel gezeigt, die Pole unterschiedlicher LEDs miteinander verbunden sein. In einem weiteren, nicht abgebildeten Ausführungsbeispiel kann auch die Oberseite zusätzlich metallisiert bzw. verspiegelt oder mit einer Reflektorschicht abgedeckt werden. Jedoch sollte dies nur an den Stellen erfolgen, an denen der Lichtaustritt unerwünscht ist.
Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 3 die Rückseite der strahlungsemittierenden Vorrichtung. Auch hier sind Leiterbahnen 19 angeordnet. Jedoch wurde die Unterseite mit den nach innen ragenden Reflektoren fast vollständig mit einer reflektierenden Metallisierung 7 abgedeckt. Es sind nur kleine Bereiche ausgespart, um die Metallisierung 7 von den Leiterbahnen 19 abzugrenzen. An den Stellen, an denen sich die Löcher im Lichtleiter 1 befinden, sind die MELF- Leuchtdioden 2 eingesteckt. Jede MELF-Leuchtdiode 2 ist von einer wabenförmigen Reflektoranordnung umgeben, die das Licht, das im Halbleiterbauelement 5 erzeugt wird, gleichmäßig verteilt. Die MELF- Leuchtdioden 2 werden durch Lötstellen 11 an der Unterseite mit den Leiterbahnen 19 elektrisch verbunden. Ferner dienen sie als Abdeckung 11 der MELF-Leuchtdiode 2, um die bestückten Löcher im Lichtleiter 1 zu verschließen.
In den nächsten Fig. 4A-E wird ein Verfahren zum Aufbau einer strahlungsemittierenden Vorrichtung dargestellt.
Fig. 4A zeigt den Lichtleiter 1. Dieser besteht beispielsweise aus Plexiglas bzw. Polymethylmethacrylat (PMMA), das sehr gute Eigenschaften bezüglich der Lichtleitung, der Auskopplung, und der Farbstabilität aufweist. Dieses Material kann im Sink-Form-Verfahren in beliebiger Ausführungsform hergestellt werden. Dadurch können kompliziert geformte Flächen, wie beispielsweise Nuten, Einkerbungen und Fresnellinsen einfach bei der Herstellung des Lichtleiters integriert werden. Durch Blankpressen und Spritzgiessen kommt man auf einfache Weise zu Bauteilen mit asphärischen Flächen, deren Genauigkeit für Beleuchtungs- und einfache Abbildungssysteme ausreicht. Da die Micro-MELF- LED eine Länge von etwa 1,9 mm und einen Durchmesser von 1,2 mm aufweist, wird eine 2 mm dicke PMMA-Platte 1 verwendet werden, die auf der Unterseite einseitig angeordnete wabenförmige Reflexionswannen 6 oder auch nur einfache Reflexionskerben aufweist. Diese dienen dazu, die Strahlung an die gewünschte Stelle umzulenken. Auf der Oberseite sind Texturen 17 angebracht, das heißt Bereiche, an denen das Licht ausgekoppelt werden soll. Diese Texturen 17 können Buchstaben, Zahlen, Symbole oder Flächen darstellen. Die Dicke des Lichtleiters 1 von ca. 2 mm erlaubt auch eine flexible Gestaltung, um ihn an Gehäuseformen oder anderen abmessungsbedingten Anforderungen anzupassen.
Fig. 4B zeigt die Vorderseite des Lichtleiters 1 mit den Leiterbahnen 18. Nach Aufbringen einer ganzflächigen Metallisierung mit einem reflektierenden Metall wird zur Strukturierung der Leiterbahnen 18 und zur Verstärkung der Reflexionsbereiche in der Photolacktechnik eine Sprühbelackung angebracht.
Danach erfolgt die galvanische Verstärkung der photolithographisch freigelegten Leiterbahnen und Reflexionsbereiche. Danach erfolgt die galvanische Trennung beider Bereiche durch kurzzeitiges Ätzen der Metallisierung. In der Abbildung ist nur die Vorderseite mit den Texturen 17 und den Leiterbahnen 18 sichtbar, die metallisierten Reflexionsbereiche, die wabenförmigen Reflektoren 6 und weitere Leiterbahnen befinden sich auf der Rückseite. Nach der Ausbildung der Leiterbahnen 18 und der reflektierenden Metallschicht werden, wie in Fig. 4C dargestellt, die Bohrungen im Lichtleiter angebracht.
Fig. 4C zeigt den strukturierten, metallisierten, Leiterbahnen 18 ausbildenden Lichtleiter 1, der an mehreren Stellen Löcher 16 in der Leiterbahnstruktur aufweist. Der Durchmesser der Löcher 16 sollte dem der MELF-LEDs entsprechen, so dass ein möglichst passgenauer Sitz entsteht, um Lichtverluste beim Übergang in verschiedene Medien und ein Durchrutschen der Bauteile zu vermeiden. Die Bohrlöcher 16 erstrecken sich von der Vorderseite bis zur Rückseite. Ferner sind die Löcher so angeordnet, dass sie sich in einem wabenförmigen Reflektor 6 befinden, der die seitlich aus dem MELF-Gehäuse austretende Strahlung verteilt. In einer Textur 17 befinden sich keine Löcher 16.
In Fig. 4D werden die MELF-LEDs 2 in die Bohrlöcher 16 entlang den Leiterbahnen 18 eingebracht. Die MELF-Dioden 2 werden in Längsrichtung so in den Lichtleiter 1 gesteckt, dass sie jeweils einen Kontakt auf der Vorder- und Rückseite aufweisen und in den wabenförmigen Reflektoren 6, um die Texturen 17 herum, angeordnet sind.
In Fig. 4E sind die MELF-LEDs in den Lichtleiter 1 entlang der Leiterbahnen 18 eingelötet und zwar derart, dass der eine Pol an der Vorderseite und der andere Pol an der Rückseite des Lichtleiters mit den Leiterbahnen 18 verbunden wird. Die abgebildeten Lötstellen 10 bilden gleichfalls den Verschluss, der die MELF- Dioden 2 am Herausfallen hindert. Ein Teilbereich der Unterseite, der in dieser Figur dargestellten Anordnung, ist bereits in Fig. 3 dargestellt.
Ein anderes, nicht abgebildetes Herstellverfahren kann dahingehend ablaufen, dass die MELF-Dioden beim Vergießen des Strahlungsleiters gleich mitvergossen werden. Danach kann dann die Metallisierung als Reflektorschicht aufgebracht und zur Herstellung der Leiterbahnen durchstrukturiert werden.
Derartig aufgebaute strahlungsemittierende Vorrichtungen können je nach Aufbau des Strahlungshalbleiters für verschiedene Zwecke verwendet werden. Je nach Vorhandensein oder Struktur der Reflektoren im Strahlungsleiter kann eine flächenhafte Ausleuchtung, beispielsweise zur Hinterleuchtung von LCD-Anzeigen, erzeugt werden oder es können Buchstaben, Zeichen, Ziffern ausgeleuchtet werden. Ferner können damit matrixartige Gebilde erzeugt werden, die beispielsweise zur Ausleuchtung einer dritten hoch gesetzten Bremsleuchte im Kraftfahrzeug verwendet werden könnte. Auch können mit einer solchen Vorrichtung Matrixpunkte einzeln angesteuert werden und damit z. B. Laufschriften realisiert werden.
Auch ist es bei einem solchen Aufbau nicht zwingend notwendig, dass das Licht an der Vorderseite ausgekoppelt wird, sondern die anderen Seiten, insbesondere die Stirnseite kann gleichfalls hierfür verwendet werden.

Claims (10)

1. Strahlungsemittierende Vorrichtung, bestehend aus einem flächigen Strahlungsleiter (1) mit einer Vorderseite, die mindestens eine Strahlungsaustrittsfläche (17) aufweist, und einer Rückseite und strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen (2) in einem zweipoligen Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass
  • - im Strahlungsleiter (1) zwischen der Vorder- und der Rückseite Halbleiterbauelemente (2) formschlüssig angeordnet sind und dabei
  • - der eine Pol (3, 4) des Halbleiterbauelements (2) im Bereich der Vorderseite und ein anderer Pol (4, 3) im Bereich der Rückseite des Lichtleiters (1) angeordnet ist.
2. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (2) ein MELF-, Mini- bzw. Mikro-MELF-Gehäuse aufweist.
3. Verfahren zur Herstellung einer strahlungsemittierenden Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst Bohrungen (16) in den Strahlungsleiter (1) zwischen der Vorder- und der Rückseite eingebracht werden, wobei die Abmessungen der Bohrungen (16) denen der Halbleiterbauelemente (2) entsprechen und dann die Bohrungen (16) mit den Halbleiterbauelementen (2) bestückt werden.
4. Verfahren zur Herstellung einer strahlungsemittierenden Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei der Strahlungsleiter (1) aus einer Vergußmasse hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterbauelemente (2) bei der Herstellung des Strahlungsleiters (1) mit eingegossen werden.
5. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach Patentanspruch 1, wobei der Strahlungsleiter (1) Stirnseiten zwischen der Vorder- und Rückseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten des Strahlungsleiters (1) mit einer Reflexionsschicht (8) versehen sind oder die Oberfläche der Stirnseite Reflektoren (6) ausbilden.
6. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorder- und Rückseite der mit den Halbleiterbauelementen (2) bestückten Strahlungsleiter (1) Leiterbahnen (18, 19) zur Bestromung der Halbleiterbauelemente (2) aufweist.
7. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite zumindest teilweise mit einer Reflexionsschicht (7) versehen ist oder die Oberfläche der Rückseite Reflektoren (6) ausbildet.
8. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsschicht (7, 9) Leiterbahnen (18, 19) ausbildet.
9. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseite des Strahlungsleiters Oberflächenstrukturen (17) zur Strahlungsauskopplung aufweist.
10. Strahlungsemittierende Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gelochte Strahlungsleiter (1) mit den integrierten strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen (2) flexibel ist.
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