DE10037420A1 - Hochpräzise oberflächenmontierbare Leuchtdiode - Google Patents

Hochpräzise oberflächenmontierbare Leuchtdiode

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Abstract

Die Erfindung ist vorwiegend anwendbar zur Bereitstellung oberflächenmontierbarer Leuchtdioden, die sich durch annähernd gleiche Lichtstärke auszeichnen. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für die gattungsgemäßen Leuchtdioden anzubieten, die eine Selektion der Leuchdioden nach Lichtstärkeklassen unter 5% Spreizung ermöglicht und damit ein Angebot an hochpräzisen LED bereithält. DOLLAR A Diese Aufgabe ist bei einer hochpräzisen SMD - LED dadurch gelöst, dass der als Bauelement ausgebildeten SMD - LED mindestens ein Widerstand zugeordnet ist. In einer Modifizierung ist vorgesehen, dass der SMD - LED mehrere Widerstände zugeordnet sind. Die Widerstände sind vorzugsweise als SMD-Bauelement ausgebildet und können eine unterschiedliche Ausgestaltung aufweisen. Beispielsweise sind diese als Festwiderstand ausgebildet. Sie können auch abgleichbar bzw. als Widerstandsschicht ausgebildet sein.

Description

Die Erfindung ist vorwiegend anwendbar zur Bereitstellung oberflächenmontierbarer (SMD) Leuchtdioden (LED), die sich durch annähernd gleiche Lichtstärke auszeichnen.
Es sind bereits Lösungen für Leuchtdioden (LEDs) mit integriertem Vorwiderstand für den Betrieb an höheren Spannungen bekannt. Diese Lösungen betreffen ausschließlich bedrahtete LEDs in sogenannter "Lead-frame"-Technologie. Der Wert der integrierten Vorwiderstände definiert sich über die gewünschte Betriebsspannung, mit der die LED betrieben werden soll. Für in der Hellig­ keit eng tolerierter LEDs existieren bereits Lösungen, die darin bestehen, die unterschiedlichen Leuchtstärken von SMD-LEDs durch Selektion in möglichst feine Lichtstärkeklassen zu umge­ fien, so daß LEDs einer Klasse sehr ähnliche Lichtstärken aufweisen. Hier sind allerdings maxi­ mal Genauigkeiten von 20% erreichbar, wenn die Ausbeute in vertretbarem Rahmen bleiben soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für oberflächenmontierbare Leuchtdioden anzubieten, die eine Selektion der Leuchtdioden nach Lichtstärkeklassen unter 5% Spreizung ermöglicht und die damit ein Angebot an hochpräzisen LED bereithält.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen der Ansprüche genannten Merkmale gelöst. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile werden wie folgt begründet: Besonders gegenüber be­ kannten Selektionslösungen liegen die Vorteile in einer wesentlichen Steigerung der Ausbeute und in einer Erhöhung der Genauigkeit in der Definition der einzelnen Lichtstärkeklassen.
Durch die Anordnung eines Widerstandes parallel zum Leucht-Chip in der SMD-LED kann die Helligkeit der LED reduziert werden. Die Einbindung entsprechend präziser und fein abgestufter Widerstände bietet die Möglichkeit, LEDs aus unterschiedlichen Lichtstärkeklassen auf gleiche Lichtstärke zu bringen. Bei einer beispielhaften Definition der gewünschten Lichtstärke und der Verwendung aller Individuen mit höherer Lichtstärke durch den Einbau eines in jeder Klasse un­ terschiedlichen Parallelwiderstands läßt sich die Ausbeute auf die Summe aller einzelnen Licht­ stärkeklassen, die darüber liegen, von 81% erhöhen. Das bedeutet eine Steigerung von einem Faktor 90 (= 81%/0,9%) gegenüber der reinen Selektion. Selbst wenn die Grenze für die Licht­ stärke bei einem gewählten Mittelwert angelegt wird, ergibt sich immer noch eine Steigerung der Ausbeute um fast den Faktor 40 (= 48%/1,3%). Solche Ausbeuten sind technisch und wirtschaftlich problemlos vertretbar.
Durch die Zuordnung mehrerer Widerstände kann die Einstellung der gewünschten Lichtstärke systematisiert und vereinfacht werden.
Für die Zuordnung eines Parallelwiderstandes in ein SMD-Gehäuse der LED bieten sich verschie­ dene Möglichkeiten an, die elektrisch keinen Unterschied zeigen, sich jedoch produktionstech­ nisch stark unterscheiden.
Eine erste Möglichkeit besteht darin, der SMD-LED nach einem definierten Verfahren, welches im weiteren Verlauf noch dargelegt wird, einen ausgewählten Festwiderstand zuzuordnen. Für die nach dieser Selektionsmethode erhaltenen LEDs sind Lichtstärkeklassen mit einer Spreizung unter 10% Abweichung möglich. Der Festwiderstand ist zusammen mit dem LED-Chip durch den Verguß geschützt. Damit ist auch ein ausreichender mechanischer Schutz des Festwider­ standes gewährleistet.
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, der SMD-LED einen abgleichbaren Miniatur-Festwider­ stand zuzuordnen. Der abgleichbare Miniatur-Festwiderstand bietet die Möglichkeit, eine höhe­ re Präzision in der Lichtstärkespezifizierung zu erhalten. Nach dem Abgleichen des Widerstandes erfolgt eine Verkappung des Widerstandes zusammen mit der Verkappung der SMD-LED. Mit dieser Lösungsvariante lassen sich extrem feine Lichtstärkespezifizierungen bis zu unter einem Prozentpunkt Abweichung vom Sollwert realisieren. Eine derartige Genauigkeit ist auf dem LED- Markt einmalig und bisher unerreicht.
Eine weitere Möglichkeit der Zuordnung eines Widerstandes besteht in der Verwendung eines Trägermaterials, welches eine eingebrannte Widerstandsschicht aufweist. Damit kann auf die separate Anordnung eines Parallelwiderstandes verzichtet werden. Die Schicht muß für den Ab­ gleich an einer Stelle freiliegen. Nach dem Abgleichen kann die Schicht auch versiegelt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung im Prinzip beispielshalber noch näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen.
Fig. 1 ein Diagramm der Lichtstärkeklasse in Abhängigkeit von der Abweichung vom Mittelwert,
Fig. 2a eine mit SMD-LED-Chips bestückte Trägerplatte,
Fig. 2b die Messung der Lichtstärke der SMD-LED-Chips,
Fig. 2c die Trägerplatte nach dem Verguß der Bauelemente,
Fig. 2d eine vereinzelte SMD-LED in einer vergrößerten Ansicht,
Fig. 3a eine mit SMD-LED-Chips bestückte Trägerplatte,
Fig. 3b die Trägerplatte nach Fig. 3a mit aufgebrachten abgleichbaren Widerstand,
Fig. 3c die Trägerplatte nach Fig. 3b nach dem Verguß,
Fig. 3d eine vereinzelte SMD-LED nach Fig. 3b und 3c in einer vergrößerten Ansicht,
Fig. 4a eine mit SMD-LED-Chips bestückte Trägerplatte mit aufgebrachter Widerstandsschicht,
Fig. 4b eine vereinzelte SMD-LED nach Fig. 4a in einer vergrößerten Ansicht.
Fig. 1 veranschaulicht in einem Diagramm die Abweichung des Mittelwertes in % bei unter­ schiedlichen Lichtstärkeklassen. Daraus ist zu ersehen, daß bei einer beispielhaften Definition der gewünschten Lichtstärke (verdeutlicht durch die gestrichelte Linie bei -33% in Fig. 1) und Verwendung aller Individuen mit höherer Lichtstärke durch den Einbau eines in jeder Klasse un­ terschiedlichen Parallelwiderstands sich die Ausbeute auf die Summe aller einzelnen Lichtstärke­ klassen, die darüber liegen, von 81% erhöht (grau unterlegte Fläche in Fig. 1). Die bedeutet eine Steigerung um den Faktor 90 (= 81%/0,9%) gegenüber der reinen Selektion. Selbst wenn die Grenze für die Lichtstärke beim Mittelwert angelegt wird, ergibt sich immer noch eine Steige­ rung der Ausbeute um fast Faktor 40 (= 48%/1,3%). Solche Ausbeuten sind bisher nicht er­ reicht. Sie sind sowohl technisch als auch wirtschaftlich problemlos vertretbar.
Fig. 2 veranschaulicht die Etappen bei der Fertigung der SMD-LED mit einem zugeordneten Festwiderstand.
Fig. 2a zeigt, dass die SMD-LED-Chips 1 in bekannter Weise auf einer mit einer Oberflächen­ strukturierung 2 versehenen Trägerplatte 3 aufgebracht und elektrisch kontaktiert sind. Fig. 2b zeigt, wie beispielsweise die Lichtstärke jedes einzelnen noch nicht vereinzelten Bauelements mit ausreichender Genauigkeit durch einen Lichtstärkemeßkopf 4 (Fehler kleiner 1%) gemessen wird. Das Ergebnis wird individuell zuordenbar gespeichert. Den aufgebrachten LED-Chips 1 stehen, wie aus Fig. 2c zu ersehen ist, Miniatur-SMD-Widerstände 5 in ausreichend feiner Sor­ tierung zur Verfügung, die den Lichtstärkewerten entsprechend auf jedes Bauelement gebracht und elektrisch kontaktiert werden. Um einen ausreichenden mechanischen Schutz dieser sehr kleinen Bauelemente zu gewährleisten, werden die Widerstände 5 vor dem Verguß aufgebracht und mit dem LED-Chip 1 verkappt. Fig. 2d zeigt eine vereinzelte SMD-LED mit dem Chip 1, dem Bonddraht 7 und einem Widerstand 5 nach der Verkappung in einer vergrößerten Ansicht.
Durch den Verguß 6 sind alle Komponenten vor Umwelteinflüssen ausreichend geschützt und das Bauelement kann auch in rauheren Umgebungen eingesetzt werden. In einer Phase, in der die Halbleiterchips bereits auf der Trägerplatte 3 montiert und elektrisch kontaktiert sind, wer­ den die einzelnen LED-Chips 1 mit einem sehr präzisen Strom angesteuert.
In der Phase der Ansteuerung der Bauelemente wird zugleich ihre Lichtstärke möglichst genau gemessen. Diese Werte werden für jedes Individuum gespeichert und der Gruppe zuordenbar weitergegeben. Der eigentliche Abgleich erfolgt durch die Bestückung auf der Trägerplatte 3 mit eng tolerierten Widerständen 5, wobei die Werte für die einzelnen Widerstände sich unterschei­ den können. Diese sind gegebenenfalls in Vorversuchen zu ermitteln. Nach dieser zweiten Be­ stückung erfolgt der Verguß, so daß der Halbleiterchip und der Miniatur-Widerstand unter dem Verguß geschützt zu liegen kommen. Nach dieser Methode werden ohne weiteres LEDs mit ei­ ner Lichtstärkespezifizierung unter 10% hergestellt. Durch Verwendung eng tolerierter Wider­ stände fassen sich Lichtstärkeklassen von unter 5% realisieren.
In Fig. 3 sind die Etappen der Herstellung der oberflächenmontierten LED-Chips mit abgleichba­ rem Miniatur-Festwiderstand dargestellt.
Die Herstellung erfolgt grundsätzlich analog wie zuvor beschrieben. Um eine weitaus höhere Präzision in der Lichtstärkespezifizierung zu erhalten, werden als Parallelwiderstände abgleichba­ re Widerstände eingesetzt. Der erste Produktionsschritt in Fig. 3a ist identisch dem aus Fig. 2a. In einem zweiten in Fig. 3b dargestellten Schritt werden für alle Individuen abgleichbare Paral­ lelwiderstände mit gleichem Wert aufgebracht und mittels Laserstrahlung abgeglichen. Dabei mißt eine sehr schnelle und präzise Optik (wie in Fig. 2b) die Lichtstärke des einzelnen Individu­ ums und steuert den Laserabgleich bzw. stoppt ihn, bei Erreichen eines vorgegebenen Sollwer­ tes. Fig. 3c zeigt den anschließend aufgebrachten und alles schützenden Verguß mit Epoxydharz. Fig. 3d zeigt eine vereinzelte SMD-LED mit dem Chip 1 aufgebracht auf einer mit einer Oberflächenstrukturierung 2 versehenen Trägerplatte 3, dem Bonddraht 7 und einem ab­ gleichbaren Widerstand 8 nach Aufbringen des Vergusses 6 in einer vergrößerten Ansicht. Mit dieser Herstellungsmethode lassen sich Lichtstärkespezifizierungen der LEDs von bis zu unter einem Prozentpunkt (ΔI/I ≈ 1%) Abweichung vom Sollwert erreichen. Diese Spezifizierung ist auf dem LED-Markt einmalig und bisher unerreicht.
In den Fig. 4 sind die Schritte bei der Herstellung einer SMD-LED mit einer Widerstandsschicht, welche auf dem Trägermaterial angeordnet ist, angedeutet. Diese Art der Anordnung und Aus­ bildung der Widerstandsschicht ist ein weiterer Schritt bei der Miniaturisierung. Sie bedeutet zugleich den Verzicht auf den in einem separaten Produktionsschritt aufzubringenden Parallelwi­ derstand. Fig. 4a veranschaulicht die Anordnung von SMD-LED-Chips 1 auf einer strukturierten Oberfläche 2 eines Trägermaterials 3 mit einem angedeuteten Lichtstärkemeßkopf 4 und einem Abgleichlaser 9. Abgesehen von einer freien Fläche in der Widerstandsschicht, die zum Abgleich dient, sind die Chips 1 und auch die übrige Fläche der Widerstandsschicht 10 bereits mit einem Verguß 6 versehen.
Bei Verwendung einer Trägerplatte 3 mit bereits eingebrannter Widerstandsschicht 10 kann der technologische Schritt der separaten Anordnung eines Parallelwiderstandes entfallen. Die Schicht muß für den Abgleich an einer Stelle freiliegen, die problemfrei nach dem Abgleich ver­ siegelt werden kann.
Die Widerstandsschicht 10 kann sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite der Trägerplat­ te 3 ausgebildet sein. Die Anordnung ist so zu wählen, dass die Schmauchbildung beim Abgleich ebenso wie das die präzise Lichtmessung störende Laserlicht und Plasmaleuchten der abdamp­ fenden Schicht leicht unterdrückt werden kann. Grundsätzlich sind die Maßnahmen so zu wäh­ len, dass die Präzision und Verarbeitungsgeschwindigkeit weiter erhöht werden kann.
Diese Art der Anordnung und Ausbildung des Widerstandes in Form einer Widerstandsschicht 10 erfordert nach gegenwärtigem Erkenntnisstand kaum mehr Kosten als eine konventionelle LED bei gleichzeitiger Steigerung der Lichtstärkeabweichung um eine bis zwei Größenordnungen von zur Zeit bestenfalls 20% (50% sind normal) auf deutlich unter 1%.
Bei dieser Methode ist der Fehler nur durch die Ungenauigkeit bei der Lichtmessung gegeben.

Claims (16)

1. Hochpräzise SMD-Leuchtdiode, dadurch gekennzeichnet, daß der als Bauelement ausgebilde­ ten SMD Leuchtdiode mindestens ein Widerstand zugeordnet ist.
2. Hochpräzise SMD-Leuchtdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Bau­ element ausgebildeten SMD Leuchtdiode mehrere Widerstände zugeordnet sind.
3. Hochpräzise SMD-Leuchtdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Bauelement zugeordnete Widerstand als ein SMD-Bauelement ausgeformt ist.
4. Hochpräzise SMO-Leuchtdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Bauelement zugeordnete Widerstand die Bauform 0402 aufweist.
5. Hochpräzise SMO-Leuchtdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Bauelement zugeordnete Widerstand aufgeklebt ist.
6. Hochpräzise SMD-Leuchtdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Bauelement zugeordnete Widerstand aufgelötet ist.
7. Hochpräzise SMD-Leuchtdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Bauelement zugeordnete Widerstand als eine Widerstandsschicht ausgeformt ist.
8. Hochpräzise SMD-Leuchtdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Bauelement zugeordnete Widerstand durch mechanische Nachbe­ arbeitung abgleichbar ausgeformt ist.
9. Hochpräzise SMD-Leuchtdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Bauelement zugeordnete Widerstand durch Nachbearbeitung mit Laser abgleichbar ausgeformt ist.
10. Hochpräzise SMD-Leuchtdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand elektrisch parallel oder seriell zum LED-Chip angeschlossen ist.
11. Hochpräzise SMD-Leuchtdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände elektrisch sowohl parallel, seriell oder gemischt parallel und seriell zum LED-Chip angeschlossen sind.
12. Hochpräzise SMD-Leuchtdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand auf der Oberseite des Bauelemente-Trägermaterials (3) angeordnet ist.
13. Hochpräzise SMD-Leuchtdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand auf der Unterseite des Bauelemente-Trägermaterials (3) angeordnet ist.
14. Hochpräzise SMD-Leuchtdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand im Trägermaterial (3) des Bauelementes angeordnet ist.
15. Hochpräzise SMD-Leuchtdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand im Verguß (6) des Bauelementes angeordnet ist.
16. Hochpräzise SMD-Leuchtdiode nach einem oder mehreren der Artsprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand außerhalb des Vergusses (6) des Bauelementes angeordnet ist.
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