DE102008035708B4

DE102008035708B4 - Lichtquelle mit erhöhter thermischer Leitfähigkeit und Verfahren zur Herstellung der Lichtquelle

Info

Publication number: DE102008035708B4
Application number: DE102008035708.1A
Authority: DE
Inventors: Tong Fatt Chew; Siew lt Pang; Seong Choon Lim
Original assignee: Intellectual Discovery Co Ltd
Current assignee: Intellectual Discovery Co Ltd
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2028-07-31
Also published as: JP2013102207A; US20090032829A1; DE102008035708A1; JP2009141318A

Abstract

Lichtquelle enthaltend: ein Substrat (31) enthaltend eine isolierende Schicht mit oberen und unteren Oberflächen, wobei die obere Oberfläche eine erste strukturierte Metallschicht darauf aufweist und die untere Oberfläche eine zweite strukturierte Metallschicht darauf aufweist, wobei die erste strukturierte Metallschicht einen ersten Teil (32) aufweist, welcher eine Vielzahl von Die-Montageflächen darauf enthält und die zweite strukturierte Metallschicht eine erste Kontaktschicht (42) enthält, welche unter den Die-Montageflächen liegt, wobei die Die-Montageflächen und die erste Kontaktschicht verbunden sind durch metallausgekleidete Kontaktlöcher (38) an jeder der Die-Montageflächen; eine Vielzahl von Dies (41), wobei jedes Die einen Festkörperlichtemitter aufweist, montiert auf einer entsprechenden der Die-Montageflächen und damit elektrisch verbunden; und eine transparente Verkapselung, welche die Vielzahl von Dies bedeckt und mit der ersten strukturierten Metallschicht und der oberen Oberfläche der isolierenden Schicht verbunden ist, wobei jedes der Dies in einem Reflektor montiert ist, welcher Licht, das eine seitliche Oberfläche des Dies verlässt, umlenkt, und wobei der Reflektor in einer Schicht (51) von isolierendem Material geformt ist, wobei die isolierende Schicht (51) mit einer Metallschicht beschichtet ist.

Description

Beleuchtungsquellen werden für viele Anwendungen benötigt, einschließlich Displays für eine große Vielfalt von Computern und Verbraucherendgeräten wie beispielsweise Fernseher. Beleuchtungsquellen basierend auf Fluoreszenzlampen sind insbesondere attraktiv aufgrund ihrer hohen Lichtabgabe pro Wattstunde an konsumierter Energie. Jedoch erfordern solche Quellen hohe Antriebsspannungen und dies macht sie weniger attraktiv für batteriebetriebene Geräte. Zusätzlich erfordern viele Anwendungen Lichtquellen, die im Wesentlichen Punktquellen sind. Fluoreszenzquellen können in den meisten dieser Fälle nicht verwendet werden, da Fluoreszenzquellen inhärent ausgedehnte Quellen sind.
Als ein Ergebnis gab es beträchtliches Interesse in der Verwendung von Lichtquellen basierend auf LEDs in solchen Anwendungen. LEDs haben eine bessere elektrische Effizienz als Glühlichtquellen und längere Lebensdauern als sowohl Glüh- als auch Fluoreszenzlichtquellen. Zusätzlich sind die nötigen Antriebsspannungen kompatibel mit der Batterieenergie, die auf den meisten portablen Geräten vorhanden ist. LEDs sind inhärent Punktlichtquellen und können folglich verwendet werden in Anordnungen, in welchen eine Linse zum optischen Prozessieren des Lichtes verwendet wird. Schließlich halten kontinuierliche Verbesserungen in den Effizienzen der LEDs das Versprechen, eine Lichtquelle bereitzustellen mit signifikant höheren Effizienzen als Fluoreszenzlichtquellen. Leider leiden LEDs unter einer Anzahl von Problemen.
Insbesondere ist die Menge an Licht, die von einer einzelnen LED erzeugt werden kann, klein im Vergleich zu der von einer Glühlichtquelle gelieferten.
Die maximale Leistung, die in einer LED dissipiert werden kann, ist in der Größenordnung von 5 Watt. Diese Limitierung wird auferlegt durch das Bedürfnis, die Grenzflächentemperatur (engl. junction temperature) der LED bei Temperaturen zu halten, die erheblich geringer sind als die in Glühlampen verwendeten, und durch die Limitierungen der Paketierungssysteme (engl. packaging schemes), die momentan für LEDs verwendet werden. Die Effizienz der typischen LED verringert sich mit steigender Grenzflächentemperatur und folglich muss die LED bei Grenzflächentemperaturen betrieben werden, die geringer sind als ungefähr 125°. Um die Grenzflächentemperatur unter dieser Temperatur zu halten, ist das Die, welche die LED enthält, typischerweise auf einer Wärmesenke montiert, welche die Wärme dissipiert durch Leiten der Wärme an eine große Oberfläche, wie zum Beispiel den Kern einer Leiterplatte.
Zweitens benötigen viele Anwendungen aufgrund der limitierten Lichtabgabe einer einzelnen LED mehrere LEDs, wobei die Anzahl an LEDs von Lichtquelle zu Lichtquelle variiert. Das Bereitstellen einer separaten Paketierungsanordnung für jede Anwendung erhöht beträchtlich die Kosten der Lichtquellen. Jedoch müssen in Beleuchtungsanwendungen die Paketierungskosten auf einem Minimum gehalten werden.
Drittens enthalten LED-Baugruppen eine Anzahl von Komponenten, die erheblich verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Eine typische Baugruppe (engl. package) des Standes der Technik hat ein wärmeleitendes Substrat, auf welchem das Die montiert ist, einen Reflektor, der aus einem anderen Material gefertigt ist als das, welches verwendet wird, um Licht, welches die Seiten des Dies verlässt, umzulenken, und ein Verkapselungsmaterial, welches das Die schützt und eine verbesserte Lichtextraktion aus dem Die liefert. Typischerweise wird der Reflektor auf dem wärmeleitenden Substrat montiert, bevor die LED an dem wärmeleitenden Substrat befestigt wird. Der Die-Befestigungsprozess bringt oft hohe Temperaturen mit sich, welche die Bindung zwischen dem Reflektor und dem wärmeleitenden Substrat beanspruchen. Nachdem die LED verkapselt wurde, wird die LED oft einem zusätzlichen Hochtemperaturzyklus während der Befestigung der LED an einer Leiterplatte oder dergleichen in dem Endprodukt unterworfen. Dieses Prozessieren beansprucht die Komponenten weiter.
Schließlich hat das Bedürfnis, die Abgabeleistung pro LED zu erhöhen, zu Lichtquellen geführt, die bei höheren Temperaturen als frühere Lichtquellen arbeiten. In solchen Lichtquellen ist die LED-Baugruppe jedes Mal thermisch beansprucht, wenn das Licht angeschaltet wird.
US 2006/0 163 596 A1 betrifft eine zweidimensionale Lichtquelle, die ein Basissubstrat aufweist, das Löcher, Leitungen, die auf einer unteren Fläche des Basissubstrats angeordnet sind, einen Licht emittierende Dioden(LED)-Chip, der auf einer oberen Fläche des Basissubstrats angeordnet ist, Anschlüsse, die zwei Elektroden des LED-Chips mit den Leitungen durch die Löcher hindurch verbinden, eine Pufferschicht, die den LED-Chip bedeckt, und eine optische Schicht aufweist, die auf der Pufferschicht angeordnet ist und ein optisches Muster aufweist, das bei einem Abschnitt der optischen Schicht entsprechend zum LED-Chip geformt ist.
US 2006/0 157 722 A1 und JP 05-251 747 A beschreiben weiter bekannten Lichtquellen und Verfahren zum Herstellen solcher Lichtquellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Lichtquelle und ein Verfahren zum Herstellen derselben. Die Lichtquelle enthält ein Substrat, eine Vielzahl von Dies und eine transparente Schicht von Verkapselung. Das Substrat enthält eine isolierende Schicht mit oberen und unteren Oberflächen, wobei die obere Oberfläche eine erste strukturierte Metallschicht darauf hat und die untere Oberfläche eine zweite strukturierte Metallschicht darauf hat. Die erste strukturierte Metallschicht hat einen ersten Tell, welcher eine Vielzahl von Die-Montageflächen darauf hat, und die zweite strukturierte Metallschicht enthält eine erste Kontaktschicht, welche die Die-Montagefläche unterliegt, wobei die Die-Montagefläche und die erste Kontaktschicht verbunden sind durch metallausgekleidete Kontaktlöcher an jeder der Die-Montageflächen. Jedes Die enthält einen Festkörperlichtemitter, welcher auf einer entsprechenden der Die-Montageflächen montiert ist und damit elektrisch verbunden ist. Die transparente Verkapselung bedeckt die Vielzahl von Dies und ist an die erste strukturierte Metallschicht und an die obere Oberfläche der isolierenden Schicht gebondet. In einem Aspekt der Erfindung kann jedes der Dies in einem Reflektor montiert sein, welcher Licht, das eine Seitenoberfläche des Dies verlässt, umlenkt. In einem anderen Aspekt der Erfindung sind die Lichtemitter LEDs, welches in einem linearen Array angeordnet sind und die Verkapselung umfasst eine Schicht von Material, welches eine zylindrische äußere Oberfläche mit einer Achse parallel zu dem linearen Array aufweist. In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Teil des Substrates freigelegt, wobei der freigelegte Teil eine Vielzahl von Anschlüssen zum Anschließen der Lichtquelle an eine Energiequelle aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht einer Lichtquelle 20 des Standes der Technik, welche auf einer LED basiert.
2 ist eine Draufsicht von Träger 30.
3 ist eine Ansicht von Träger 30 von unten.
4 ist eine Querschnittsansicht von Träger 30 durch eine Linie 4-4, dargestellt in 2.
5 ist eine Querschnittsansicht von Träger 30 durch eine Linie 5-5, dargestellt in 2.
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Lichtquelle vor der Verkapselung des Die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 veranschaulicht eine lineare Lichtquelle 70, die von einer Vielzahl von Dies gebildet ist, die in einem linearen Array auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
8 veranschaulicht eine beispielhafte, nicht zu der Erfindung gehörenden Lichtquelle 80, die aufgebaut ist aus einer einzigen LED, die auf einem Substrat, welches ein einziges Montagefeld hat, montiert ist.
9 ist eine perspektivische Ansicht einer linearen Lichtquelle 90, welche aus zwei linearen Lichtquellenmodulen aufgebaut ist.
10 ist eine Querschnittsansicht einer linearen Lichtquelle, welche mit einem Lichtleiter verbunden ist gemäß der vorliegenden Erfindung.
11 und 12 veranschaulichen eine Ausführungsform eines Herstellungsschemas für Lichtquellen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
Die Weise, in welcher die vorliegende Erfindung ihre Vorteile liefert, kann leichter verstanden werden mit Bezug auf 1, welche eine Querschnittsansicht einer Lichtquelle des Standes der Technik ist, die auf einer LED basiert. Die Lichtquelle 20 enthält eine Basis 21, auf welcher ein Die 22, welches die LED enthält, montiert ist. Das Die 22 wird mit Energie versorgt durch einen ersten Kontakt, welcher auf der unteren Oberfläche des Dies ist und einen zweiten Kontakt, welcher auf der oberen Oberfläche des Dies ist. Das Die ist an die Basis 21 gebondet durch einen elektrisch leitenden Klebstoff, so dass die Basis 21 auch die elektrische Verbindung zu dem ersten Kontakt liefert. Die Basis 21 liefert auch einen Wärmepfad zum Entfernen der Wärme, die in dem Die 22 erzeugt wird. Die Basis 21 enthält einen Abschnitt 23, welcher elektrisch von der unteren Oberfläche des Dies 22 isoliert ist und welcher den zweiten Kontakt liefert, der benötigt wird, um die LED mit Energie zu versorgen. Diese zweite Verbindung ist durch eine Drahtbondverbindung 24 gebildet.
Die Lichtquelle 20 enthält auch einen Becher 25 mit reflektierenden Seitenwänden, welche Licht, welches die Seitenoberflächen des Dies 22 verlässt, umlenken. Die verschiedenen Komponenten sind verkapselt in einer Verkapselungsschicht 26, welche das Die 22 schützt. Die Schicht 26 verbessert auch die Extraktion von Licht aus dem Die 22 durch Bereitstellen eines Mediums, welches einen Brechungsindex aufweist, der größer ist als der von Luft, und folglich, den Mismatch zwischen dem Brechungsindex des Materials, aus welchem das Die 22 gefertigt ist, und dem umgebenden Medium verringert. Die gekrümmte obere Oberfläche der Schicht 26 reduziert die Menge an Licht, welche innerhalb der Schicht 26 eingefangen wird durch denselben Brechungsindex-Mismatch. Zusätzlich kann die gekrümmte Oberfläche ein optisches Prozessieren des Lichts von dem Die 22 liefern. In einigen Lichtquellen ist eine zusätzliche Linse über der Schicht 26 montiert.
Wie oben erwähnt, haben die verschiedenen Komponenten erheblich verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten und sind typischerweise aus steifen Materialien aufgebaut. Zum Beispiel ist die Basis 21 typischerweise ein steifes Element, welches einen Leitungsrahmen, eine Leiterplatte oder ein keramisches Substrat aufweist. Der Reflektor 25 kann ein plastikgeformtes Teil oder ein metallreflektierender Becher sein. Die Verkapselung ist häufig ein Epoxy-Material.
Der Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Komponenten kann zu einem Geräteversagen führen, wenn die Lichtquelle zwischen ausreichend verschiedenen Temperaturen thermisch zykliert wird. Ein solches thermisches Zyklieren tritt auf während der Herstellung der Lichtquelle, der Montage der Lichtquelle in dem Endprodukt, und später, wenn die Lichtquelle verwendet wird. Da die Energiedissipation der LED-Lichtquellen erhöht wird, um mit konventionellen Lichtquellen zu konkurrieren, wird diese letztere Quelle des thermischen Zyklierens signifikant und kann draußen zu einem Geräteversagen führen.
Viele Beleuchtungsanwendungen erfordern Lichtquellen, welche eine Anzahl von LEDs umfassen, die in einem geometrischen Muster angeordnet sind, das für die fragliche Lichtquelle spezifisch ist. Zum Beispiel erfordert ein Spotlicht typischerweise eine LED, die mit einer kollimierenden Linse montiert ist und folglich muss die LED im Wesentlichen eine Punktquelle in dem Brennpunkt einer kreisförmig symmetrischen Linse sein. Eine Lichtquelle zur Verwendung in der Beleuchtung eines Flachbildschirms ist typischerweise konfiguriert als eine lineare Lichtquelle und erfordert eine Anzahl von LEDs, die in einem linearen Array unter einer zylindrischen Linse angeordnet sind. Folglich wäre ein Herstellungssystem, welches verschiedene Konfigurationen von Lichtquellen mit minimalen Änderungen erzeugen kann, vorteilhaft.
Eine Lichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet einen flexiblen Schaltungsträger als Basiselement. Nun wird Bezug genommen auf die 2–5, welche einen Abschnitt eines solchen Trägers mit einem darauf montierten Die veranschaulichen. 2 ist eine Draufsicht von Träger 30; 3 ist eine untere Ansicht von Träger 30 und 4 und 5 sind Querschnittsansichten durch Linien 4-4 bzw. 5-5. Der Schaltungsträger 30 enthält zwei strukturierte Metallschichten, welche auf entgegengesetzten Seiten eines flexiblen isolierenden Substrats 31 angeordnet sind. Die obere Schicht ist strukturiert, um erste und zweite obere Elektroden 32 und 33 zu liefern. Ein Die 41, welches eine LED aufweist, ist an die Elektrode 32 gebondet. Das Die 41 enthält erste und zweite Kontakte, welche verwendet werden, um die LED mit Energie zu versorgen. In dieser exemplarischen Ausführungsform ist der erste Kontakt auf der unteren Oberfläche des Dies 41 und der zweite Kontakt ist auf der oberen Oberfläche des Dies 41. Das Die kann an die Die-Montagefläche gebondet sein unter Verwendung eines eutektischen Die-Befestigungsmaterials ebenso wie Metall gefüllten polymerischen Befestigungsmaterialien.
Der zweite Kontakt ist mit einer Elektrode 33 verbunden durch eine Bonddrahtverbindung 34, welche an ein Feld 35 auf der Elektrode 33 gebondet ist. In dieser Ausführungsform ist das Die 41 an die Elektrode 32 durch einen leitfähigen Klebstoff gebondet. Die Klebstoffverbindung liefert sowohl eine elektrische Verbindung mit der Elektrode und eine thermische Verbindung zwischen dem Die 41 und der Elektrode 32. In Ausführungsformen, in welchen sowohl der erste als auch der zweite Kontakt auf dem Die auf der oberen Oberfläche sind, wird ein zweites Feld, welches bei 36 gezeigt ist, verwendet, um die Verbindung zwischen der Elektrode 32 und dem zweiten Kontakt zu bilden. In solchen Ausführungsformen kann die Verbindung zwischen dem Die 41 und der Elektrode 32 elektrisch isolierend sein; jedoch muss die Verbindung immer noch einen ausreichend niedrigen Wärmewiderstand aufweisen, um es der in dem Die erzeugten Wärme zu erlauben, zu der Elektrode 32 transferiert zu werden, ohne das Die überhöhten Temperaturen auszusetzen.
Nun wird auf die 3 und 5 Bezug genommen. Die untere Oberfläche der Schicht 31 hat eine Metallschicht, die strukturiert ist, um Elektroden 42 und 43 zu liefern. Die Elektrode 43 ist mit der Elektrode 33 durch leitende Kontaktlöcher verbunden, wie zum Beispiel das Kontaktloch, welches bei 45 dargestellt ist. Die Elektrode 42 ist mit der Elektrode 32 durch leitende Kontaktlöcher verbunden, wie zum Beispiel die Kontaktlöcher, die bei 38 und 39 dargestellt sind. Die bei 38 dargestellten Kontaktlöcher sind bemessen, um Wärme von der Elektrode 32 durch die Schicht 31 zu der Elektrode 42 zu leiten. Diese Kontaktlöcher haben einen thermischen Widerstand, der ausreichend niedrig ist, um sicherzustellen, dass die Temperaturdifferenz zwischen den Elektroden 32 und 42 minimiert ist, wenn das Die bei der maximalen Entwurfsleistung (engl. maximum design power) für die Lichtquelle betrieben wird. Dies stellt sicher, dass die Kontaktlöcher nicht einen thermischen Widerstand darstellen, der die Wärmeabfuhr von dem Die 41 limitiert. Wie unten genauer beschrieben werden wird, ist die Elektrode 42 auf der unteren Oberfläche der vervollständigten Lichtquelle freigelegt und kann mit einer zusammenpassenden Elektrode auf der Oberfläche einer Leiterplatte thermisch verbunden werden.
In einer Ausführungsform verwendet das Substrat 31 eine flexible Schaltungstechnologie, in welcher 31 von einem organischen Material gebildet ist wie beispielsweise Polyamid, Siloxan, Polyester, Cyanatester, Bismaleimid oder Glasfaser. Filme und Laminate von Polyamid sind kommerziell erhältlich von DuPont und verwenden Substrate, die Kapton^TM genannt werden und aus Polyamid, und in einigen Fällen, aus einer Vielzahl von Schichten, die mit Klebstoff laminiert sind, gebildet sind. Dieser Typ von Schaltungsträger ist wesentlich preiswerter als Silizium-basierte Schaltungen und kann mit relativ dünnen Substraten bereitgestellt werden. Jedoch können auch Ausführungsformen aufgebaut werden, in welchen die Schicht 31 aus Silikon gebildet ist. In einer Ausführungsform wird ein Pyralux AP-Laminat von DuPont verwendet, das eine 2 mil dicke Kapton^TM-Schicht und Kupferschichten auf den oberen und unteren Oberflächen hat. Die Dicke der Schichten und die Abmessungen der Elektroden sind gewählt, um einen ausreichenden Wärmetransfer von dem Die zu der Leiterplatte zu liefern, ohne die Temperatur, bei welcher das Die arbeitet, signifikant zu erhöhen. In einer Ausführungsform ist das isolierende Substrat 31 zwischen 10 μm und 100 μm und die Metallschichten sind zwischen 10 μm und 150 μm. Die Metallschichten können aus Kupfer, Nickel, Gold, Silber, Palladium, Rhodium, Zinn, Aluminium, oder Legierungen davon, gefertigt sein.
In einigen Ausführungsformen ist ein Reflektor um das Die 41 erforderlich. Solch ein Reflektor kann bereitgestellt werden durch Bonden einer separaten Schicht an den Schaltungsträger 30. Nun wird Bezug genommen auf 6, welche eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Lichtquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor der Verkapselung des Dies ist. Der Reflektor wird erzeugt durch Bonden einer Schicht 51 von isolierendem Material an den Schaltungsträger 30. Die Schicht hat einen Ausschnitt mit reflektierenden Wänden 52, welche Licht, das die Seite des Dies 41 verlässt, reflektieren, so dass das Licht innerhalb eines Kegels von Winkeln austritt, die ungefähr senkrecht zu einer Oberfläche 54 der Schicht 51 sind. Wenn die Lichtquelle nur eine diffuse Reflexionsoberflächenbeschaffenheit auf den reflektierenden Wänden erfordert, kann die Schicht 51 aus einem weißen Material gefertigt sein, wie beispielsweise Silikon mit Partikeln von TiO₂. Wenn eine mehr spiegelnde Reflexionsoberflächenbeschaffenheit erforderlich ist, kann die Schicht 51 mit einer Metallschicht beschichtet sein.
Die Schicht 51 hat vorzugsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der im Wesentlichen derselbe ist wie der von der Schicht 31 in dem Träger 30. Die Schicht 51 kann steif oder flexibel sein, abhängig von der spezifischen Anwendung. Flexible Schichten haben den Vorteil, dass sie in der Lage sind, in Reaktion auf einen Unterschied in dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu deformieren. In dieser Hinsicht sollte erwähnt werden, dass die Metallschichten in dem Träger 30 allgemein andere thermische Ausdehnungskoeffizienten als die Schicht 31 oder die Schicht 51 haben werden. Folglich, selbst wenn die Schicht 31 und die Schicht 51 im Wesentlichen dieselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, werden flexible Schichten noch den Vorteil haben, dass sie Spannungen während des Temperaturzyklierens reduzieren werden.
In einer Ausführungsform wird die Schicht 51 auf den Träger 30 gebondet vor der Befestigung des Dies 41. Folglich muss die Öffnung in der Schicht 51 ausreichend sein, um die Einfügung und das Bonden von beiden, dem Die und der Bonddrahtverbindung, welche das Die 41 an das Feld 35 auf der Elektrode 33 anschließt, aufzunehmen. Es ist vorteilhaft, eine Substrat- und Reflektorschicht bereitzustellen, welche verwendet werden kann mit Dies, die die Kontakte auf der oberen Oberfläche des Dies haben, ebenso wie mit Dies, welche einen Kontakt auf der unteren Oberfläche des Dies und einen Kontakt auf der oberen Oberfläche des Dies haben. Folglich ist die Öffnung in der Schicht 51 bemessen und positioniert, so dass das Feld 36 auch während der Befestigung und des Anschließens des Dies zugänglich ist.
Nachdem das Die an dem Träger 30 befestigt wurde und elektrisch verbunden wurde mit den Elektroden auf dem Substrat 30, werden das Substrat und das Die in einem transparenten Medium verkapselt. Die Form der Verkapselungsschicht hängt von dem spezifischen Lichtquellendesign ab. Nun wird Bezug genommen auf 7 und 8, welche perspektivische Ansichten von zwei exemplarischen Verkapselungskonfigurationen sind. 7 veranschaulicht eine lineare Lichtquelle 70, die gebildet ist von einer Vielzahl von Dies, dargestellt bei 71, die in einem linearen Array auf einem gemeinsamen Substrat 72 angeordnet sind. Die Dies sind verkapselt in einer transparenten Schicht von Material, dargestellt bei 73. Das transparente Material kann eine Anzahl von Additiven, wie beispielsweise Phosphore oder Diffusoren einschließen, welche einen Teil des Lichts der LED in Licht eines anderen Spektrums konvertieren und das Licht diffusieren, so dass die Lichtquelle den Anschein hat, eine gleichmäßig erleuchtete zylindrische Quelle zu sein, welche die Form der Verkapselungsschicht 73 hat.
Die einzelnen LEDs können von derselben Farbe oder von verschiedenen Farben sein. In dem Fall einer Lichtquelle, die auf LEDs von verschiedenen Farben basiert, sind die Dies in einer abwechselnden Weise in wiederholenden Gruppen angeordnet. Zum Beispiel können Gruppen von drei LEDs, die rotes, blaues und grünes Licht liefern, in dem linearen Array angeordnet sein. Im allgemeinen sind die Verbindungen zu den LEDs in einem einzelnen Modul wie Beispiel der Lichtquelle 70 separiert, so dass die einzelnen LEDs separat betrieben werden können. Die externen Verbindungen können durch einen separaten Konnektor 75 sein, welcher aus Spuren 74 (engl. traces) besteht, die Teil des Substrates 72 sind. Die einzelnen LEDs können auch durch die freigelegten Teile der unteren Schicht des Substrats angesteuert werden.
8 veranschaulicht eine beispielhafte, nicht zu der Erfindung gehörenden Lichtquelle 80, die aufgebaut ist aus einer einzigen LED 81, die auf einem Substrat 82 montiert ist, welches ein einziges Montagefeld hat. Die LED und das Substrat sind verkapselt in einer Schicht von Verkapselung 83 mit einer kugelförmigen Oberfläche. Die äußere Oberfläche kann geformt sein, um eine Linse zu liefern, welche das Abgabelicht kollimiert oder anderweitig prozessiert. In Abwesenheit von Additiven, welche das Licht diffusieren, ist die Lichtquelle 80 eine Punktquelle mit einer Linse. Wenn die Schicht 83 Additive enthält, wie zum Beispiel die oben beschriebenen, scheint die Lichtquelle 80 eine kleine, ausgedehnte Quelle zu sein, welche die Abmessungen der Verkapselungsschicht aufweist.
Eine Anzahl von Lichtquellen, wie beispielsweise der Lichtquelle 70, die in 7 dargestellt ist, kann kombiniert werden, um eine ausgedehnte lineare Lichtquelle zu liefern, mit einer Konfiguration, die angepasst ist zum Beleuchten der Kante eines planaren Lichtleiters oder Hohllichtleiters von dem Typ, der für Rückbeleuchtungsdisplays verwendet wird. Nun wird Bezug genommen auf 9, welche eine perspektivische Ansicht einer linearen Lichtquelle 90 ist, die aus zwei linearen Lichtquellenmodulen 91 und 92 aufgebaut ist, des Typs, welcher oben mit Bezug auf 7 diskutiert wurde, jedoch ohne den Endverbinder. Die Lichtquellenmodule sind an einen gemeinsamen Flex-Verbinder 93 gebondet, welcher Spuren umfasst zum Beliefern der einzelnen LEDs innerhalb jedes Lichtquellenmoduls mit Energie.
Nun wird Bezug genommen auf 10, welche eine Querschnittsansicht einer linearen Lichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden mit einem Lichtleiter ist. Die Lichtquelle 90 ist entlang der Kante des Lichtleiters 95 positioniert. Die Spuren auf dem Flex-Verbinder 93 sind verbunden mit zusammenpassenden Spuren in einem Verbinder 96, der auf einer mit dem Lichtleiter verbundenen Struktur montiert ist. Ein optionales Metallgehäuse 97 kann an der Lichtquelle 90 befestigt sein und verwendet werden zum Transferieren von Wärme zu einer Wärme dissipierenden Oberfläche. Die Lichtquelle kann verwendet werden zum Beleuchten eines LCD-Panels 98 oder einer Folie, die durch einen Benutzer betrachtet wird.
Nun wird Bezug genommen auf die 11 und 12, welche eine Ausführungsform eines Herstellungsschemas für Lichtquellen gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Bezug nehmend auf 11 beginnt der Prozess mit einem Bogen von Substrat 101, wie beispielsweise das oben diskutierte Substrat 31. Der Substratbogen wird an einem starren Träger 110 befestigt. Die Metallschichten auf der oberen und unteren Oberfläche sind strukturiert, um die Montagefelder und Elektroden für das Die zu liefern, wie bei 102 dargestellt. Der flexible Bogen wird während des Herstellungsprozesses auf einem starren Träger montiert. Bezug nehmend auf 12 wird eine Schicht von Material, welches die Reflektorbecher 103 hiervon ausgeschnitten hat, auf die Oberfläche des Substrats 101 gebondet. Die Dies werden dann auf die Felder gebondet und elektrisch verbunden, wie oben beschrieben. Die gebondeten Bögen werden dann in einer Form platziert und das Verkapselungsmaterial über die Reflektorbecher geformt (geformt/gegossen). Die einzelnen Lichtquellen werden dann vereinzelt durch Schneiden des geformten Bogens.
Die Form der Verkapselungsschicht und die Anzahl an Dies in jeder Lichtquelle hängt ab von dem bestimmten Produkt, in welchem die Lichtquellen eingebaut werden sollen. In der in 12 dargestellten Ausführungsform sind die Lichtquellen in Gruppen von drei in der horizontalen Richtung gruppiert. Folglich kann eine Lichtquelle mit drei verschiedenfarbigen LEDs erhalten werden durch Schneiden des verkapselten Bogens entlang der Linien, die bei 104 dargestellt sind, und zwischen den Reihen von Lichtquellen in der horizontalen Richtung.

Claims

Lichtquelle enthaltend: ein Substrat (31) enthaltend eine isolierende Schicht mit oberen und unteren Oberflächen, wobei die obere Oberfläche eine erste strukturierte Metallschicht darauf aufweist und die untere Oberfläche eine zweite strukturierte Metallschicht darauf aufweist, wobei die erste strukturierte Metallschicht einen ersten Teil (32) aufweist, welcher eine Vielzahl von Die-Montageflächen darauf enthält und die zweite strukturierte Metallschicht eine erste Kontaktschicht (42) enthält, welche unter den Die-Montageflächen liegt, wobei die Die-Montageflächen und die erste Kontaktschicht verbunden sind durch metallausgekleidete Kontaktlöcher (38) an jeder der Die-Montageflächen; eine Vielzahl von Dies (41), wobei jedes Die einen Festkörperlichtemitter aufweist, montiert auf einer entsprechenden der Die-Montageflächen und damit elektrisch verbunden; und eine transparente Verkapselung, welche die Vielzahl von Dies bedeckt und mit der ersten strukturierten Metallschicht und der oberen Oberfläche der isolierenden Schicht verbunden ist, wobei jedes der Dies in einem Reflektor montiert ist, welcher Licht, das eine seitliche Oberfläche des Dies verlässt, umlenkt, und wobei der Reflektor in einer Schicht (51) von isolierendem Material geformt ist, wobei die isolierende Schicht (51) mit einer Metallschicht beschichtet ist.
Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei die isolierende Schicht eine Dicke zwischen 10 μm und 100 μm aufweist.
Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die strukturierten Metallschichten eine Dicke zwischen 10 μm und 150 μm aufweisen.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die strukturierten Metallschichten ein Metall enthalten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Nickel, Gold, Silber, Palladium, Rhodium, Zinn und Aluminium, oder Legierungen von diesen Metallen.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die isolierende Schicht ein Material enthält ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyimid, Siloxan, Polyester, Cyanatester, Bismaleimid und Glasfaser.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verkapselung Silikon oder Epoxid enthält.
Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Festkörperlichtemittierende-Element eine LED enthält.
Lichtquelle nach Anspruch 7, wobei die LEDs in einem linearen Array angeordnet sind und die Verkapselung eine Schicht von Material enthält mit einer zylindrischen äußeren Oberfläche mit einer Achse parallel zu dem linearen Array.
Lichtquellen-Anordnung, enthaltend eine Vielzahl von Licht erzeugenden Modulen, welche auf einen flexiblen Verbinder (72) gebondet sind, wobei jedes Modul eine Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält, und wobei der flexible Verbinder eine isolierende Schicht aufweist, mit einer Vielzahl von metallischen Leiterbahnen (74) darauf, wobei die Leiterbahnen (74) Verbindungen bereitstellen zum Liefern von Energie an die Festkörper-Lichtemitter.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Dies in jedem der Module in einem linearen Array angeordnet sind, wobei die Module verbunden sind mit dem flexiblen Verbinder, so dass die linearen Arrays miteinander ausgerichtet sind, um eine lineare Lichtquelle zu liefern, die länger ist als jedes der Module.
Anordnung nach Anspruch 10, ferner enthaltend einen Lichtleiter enthaltend eine Schicht von transparentem Material mit einer oberen Oberfläche, einer unteren Oberfläche und einer Seitenoberfläche, wobei das lineare Array angeordnet ist, um Licht in die Seitenoberfläche zu emittieren.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der flexible Verbinder eine Vielzahl von elektrischen Leiterbahnen aufweist, die mit einem Energieverbinder in der Lichtquelle zusammenpassen.
Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der flexible Verbinder einen Abschnitt hat, der gebogen ist, so dass der Abschnitt parallel ist zu der unteren Oberfläche der Schicht von transparentem Material.
Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner enthaltend ein LCD-Display, welches die obere Oberfläche der Schicht aus transparentem Material überlagert.
Verfahren zum Herstellen einer Lichtquelle enthaltend: Montieren eines Substrates (31) auf einem starren Träger, wobei das Substrat eine isolierende Schicht aufweist mit oberen und unteren Oberflächen, wobei die obere Oberfläche eine erste strukturierte Metallschicht darauf hat und die untere Oberfläche eine zweite strukturierte Metallschicht darauf hat, wobei die erste strukturierte Metallschicht einen ersten Teil (32) aufweist, welcher eine Vielzahl von Die-Montageflächen darauf enthält, und die zweite strukturierte Metallschicht eine erste Kontaktschicht (42) aufweist, die unter den Die-Montageflächen liegt, wobei die Die-Montageflächen und die erste Kontaktschicht verbunden sind durch metallausgekleidete Kontaktlöcher (38) bei jeder der Die-Montageflächen; Bonden von Dies, wobei jedes Die einen Festkörperlichtemitter aufweist, an die erste strukturierte Metallschicht und elektrisch Verbinden der Dies mit Elektroden, welche in der ersten strukturierten Metallschicht gebildet sind; Formen einer Verkapselungsschicht über das Substrat und den starren Träger; und Teilen des Substrates und starren Trägers, um so eine Vielzahl von Lichtquellen zu vereinzeln, das Verfahren ferner enthaltend Befestigen einer Schicht (51) von isolierendem Material, welche Reflektoren darin geschnitten hat, an das Substrat auf die strukturierte Metallschicht und die obere Oberfläche der isolierenden Schicht vor dem Bonden der Dies, wobei die isolierende Schicht (51) mit einer Metallschicht beschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 15 , wobei die Verkapselung geformt ist, um eine zylindrische Linse zu liefern, welche eine Vielzahl der Dies überlagert.