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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtmittel, insbesondere für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Leuchtmittels.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, dass konventionelle Leuchtmittel, die auf der Grundlage eines Glühfadens oder einer Glühwendel arbeiten, sukzessive von Leuchtmitteln ersetzt werden sollen oder müssen, welche auf Kaltlichtbasis arbeiten, das heißt, bei denen keine Energieverschwendung insofern vorliegt, als ein erheblicher Anteil der zugeführten elektrischen Leistung in Wärmestrahlung und nicht in sichtbare Strahlung umgesetzt wird.
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Eine Technologie derartiger Leuchtmittel bedient sich Halbleiterelementen, insbesondere lichtemittierenden Dioden (LEDs) als Lichtquellen.
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Hierzu ist es bekannt, wenigstens eine, in der Regel jedoch eine Mehrzahl von LEDs in ein Gehäuse aufzunehmen und entsprechend zu verdrahten bzw. kontaktieren, wobei das Gehäuse nach Art eines „klassischen” Leuchtmittels, beispielsweise in Form einer sogenannten Glühbirne, aufgebaut ist. Das Gehäuse ist hierzu an einem Sockel befestigt, der in einer korrespondierenden Fassung aufgenommen werden kann und über entsprechende Kontakte die LEDs im Inneren des Gehäuses mit Strom versorgt.
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Die Anordnung der LEDs im Inneren des Gehäuses erfolgt unter Zuhilfenahme eines Trägersubstrats, welches neben den Leuchtdioden gegebenenfalls zusätzliche elektrische oder elektronische Bauelemente trägt, beispielsweise Vorwiderstände, Spannungsregler oder dergleichen.
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Die fertig konfektionierten Leuchtdioden bestehend aus Halbleiterchip, Kathoden- oder Anodenanschluss und einer Kunststoffkapselung, welche gleichzeitig eine Linse bildet, werden einzeln oder gruppiert auf dem Trägersubstrat angeordnet und mechanisch/elektrisch befestigt, beispielsweise mit den Anoden- und Kathodenanschlüssen in entsprechenden Kontaktöffnungen des Trägersubstrats verlötet.
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Ein derart aufgebautes Leuchtmittel hat ein äußeres Erscheinungsbild, welches identisch oder im Wesentlichen identisch zu einem bisherigen „klassischen” Leuchtmittel ist, kann also beispielsweise nach Art einer Glühbirne in eine vorhandene Schraubfassung eingeschraubt werden und erlaubt einen Betrieb am Haushaltsstromnetz ohne zusätzliche Vorschaltgeräte. Mit fortschreitender Entwicklung ist es in letzter Zeit möglich geworden, Leuchtdioden zu entwickeln, welche ein vom Kunden oftmals gewünschtes wärmeres Licht emittieren. Sogenannte Retrofit-Leuchtmittel mit Warmton-Charakter erfahren daher zunehmende Akzeptanz auf dem Markt.
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Erhöht werden könnte diese Akzeptanz noch dadurch, dass derartige Retrofit-Leuchtmittel preiswerter hergestellt und damit auch angeboten werden können.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Leuchtmittel, welche wenigstens ein Halbleiterelement, insbesondere eine LED, als Lichtquelle verwenden, in der Herstellung zu vereinfachen und damit auch kostengünstiger herstellen zu können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 ein Leuchtmittel, insbesondere für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich, vor mitwenigstens einem Halbleiterelement, insbesondere einer LED, als Lichtquelle; einem Trägersubstrat, auf welchem das wenigstens eine Halbleiterelement angeordnet ist, wenigstens einem Sockel, der zur Halterung und elektrischen Kontaktierung des Leuchtmittels in einer korrespondierenden Fassung vorgesehen ist und einem Gehäuse, welches am Sockel festgelegt ist, das Trägersubstrat einhaust und wenigstens eine lichtdurchlässige Öffnung aufweist, durch welche von dem Halbleiterelement emittiertes Licht austreten kann.
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Erfindungsgemäß ist dieses Leuchtmittel weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement ein ungehäuster Halbleiterchip ist, welcher mit dem Trägersubstrat durch Direktverbindungsmittel mechanisch und/oder elektrisch verbunden ist.
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Beim Leuchtmittel gemäß der vorliegenden Erfindung ist somit das Halbleiterelement auf seine rudimentäre Bauform reduziert, das heißt, auf einen ungehäusten Halbleiterchip, also ein Bauelement, welches nur die zu seiner direkten Herstellung notwendigen Herstellungsschritte durchlaufen hat und noch nicht durch weitere aufwendigere Verfahrensschritte quasi veredelt wurde.
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Konkret bedeutet dies, dass das wenigstens eine Halbleiterelement beim erfindungsgemäßen Leuchtmittel ein unvergossener Halbleiterchip ist, der keine in Form von Anschlussbeinen herausgeführte Kathoden- und Anodenanschlüsse, keinen Bonddraht zwischen beispielsweise Anodenanschluss und LED-Kristall und keine Kunststoffeinbettung für den LED-Kristall hat, welche gleichzeitig als Linse dient.
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Da beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung als Halbleiterelement derart ungehäuste und damit preiswertere Halbleiterchips verwendet werden, kann das hiermit hergestellte Leuchtmittel, also das Endprodukt, entsprechend preiswerter sein.
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Aufwändige Herstellungsschritte bei der Bereitstellung der LED entfallen damit in einem frühen Produktionsstadium und müssen, soweit überhaupt notwendig, erst erfolgen, wenn diese nötig und/oder vorteilhaft sind. Insbesondere durch den Verzicht auf die Linse vor dem Verbauen der LED auf dem Trägersubstrat kann eine ideale Anpassung der Strahlformung an den Einsatzzweck erfolgen, da nicht auf vorgefertigte Lösungen zurückgegriffen werden muss.
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Abstriche bei der Lebensdauer müssen hierbei nicht gemacht werden, da der wenigstens eine ungehäuste Halbleiterchip nicht ungeschützt vorliegt, sondern von dem Gehäuse des Leuchtmittels umgeben ist und daher vor Berührung, Umwelteinflüssen etc. geschützt ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bevorzugt wird der Halbleiterchip mit dem Trägersubstrat durch eine sogenannte Chip-on-Board-Technologie (CoB-Technologie) verbunden. Diese CoB-Technologie oder Nacktchipmontage ist eine Technologie zur Montage von ungehäusten Halbleiterchips auf Trägersubstraten, beispielsweise Leiterplatten. Diese CoB-Technologie ist ausgereift, vollständig beherrschbar, der Automatisierung zugänglich und ermöglicht hohe Durchsätze.
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Als CoB-Technologie kann bevorzugt ein Montageverfahren verwendet werden, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Bare-die-Technik, Chip-and-Wire-Technik, Surface-mount-Technik und Flip-Chip-Technik. All diese Verbindungstechniken oder Montageverfahren zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit, Beherrschbarkeit und Automatisierungsfähigkeit aus. Welches Montageverfahren letztendlich zur Anwendung gelangt, hängt von verschiedenen Gestaltungsparametern des Leuchtmittels ab, wie aus der nachfolgenden Beschreibung noch näher hervorgehen wird.
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Das Trägersubstrat, auf welchem der wenigstens eine Halbleiterchip angeordnet wird, kann in bekannter Weise elektrisch isolierend sein, also eine klassische PCB (printed circuit board) sein.
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Das Trägersubstrat kann weiterhin zumindest eine elektrisch leitende Oberfläche aufweisen oder kann vollständig aus einem elektrisch leitenden Material sein. Die jeweilige Ausgestaltung bzw. die jeweiligen Materialeigenschaften des Trägersubstrats richten sich unter anderem nach dem verwendeten Halbleiterchip und dem damit einhergehenden CoB-Montageverfahren.
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Weiterhin kann das Trägersubstrat selbst als eine Wärmesenke ausgebildet sein und/oder es kann mit Wärmesenken versehen sein, um beim Betrieb des Halbleiterchips oder der Halbleiterchips entstehende Wärme abzuführen.
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Das Trägersubstrat kann gemäß einer Ausführungsform im Wesentlichen plan ausgebildet sein, wobei sich der wenigstens eine Halbleiterchip auf der planen Oberfläche befindet. Der Halbleiterchip hat hierdurch eine definierte Anordnung bzw. Ausrichtung und damit das Leuchtmittel eine im Wesentlichen stets gleichbleibende definierte Emissionsrichtung.
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Weist das Trägersubstrat wenigstens einen aus der Substratebene ragenden Vorsprung auf, an welchem sich der wenigstens eine Halbleiterchip befindet, ist es, beispielsweise möglich, den Halbleiterchip in einer bestimmten Winkelstellung zur Hauptlängsachse des Leuchtmittels auszurichten, also eine andere Abstrahl- oder Emissionsrichtung zu wählen.
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Gehäuse und auch Sockel sind bevorzugt im Wesentlichen baugleich zu einem Gehäuse und Sockel einer konventionellen, auf der Basis thermischer Strahler arbeitenden Lampe derart, dass das erfindungsgemäße Leuchtmittel als Ersatz für eine derartige konventionelle Lampe verwendbar ist. Ist hierbei der Sockel im Wesentlichen baugleich zu einem konventionellen Sockel, ist dies für den Endverbraucher besonders vorteilhaft bzw. angenehm, da sich das erfindungsgemäße Leuchtmittel in seiner Handhabung nicht von einem konventionellen Leuchtmittel unterscheidet. Ist auch das Gehäuse im Wesentlichen baugleich, wird die Akzeptanz des erfindungsgemäßen Leuchtmittels weiter erhöht, da der Kunde oder Endverbraucher auch keinen äußerlichen Unterschied feststellen kann und insbesondere das erfindungsgemäße Leuchtmittel in Leuchten oder Beleuchtungskörper passt, welche für konventionelle Leuchtmittel ausgelegt sind.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels, welches sich im Wesentlichen auszeichnet durch Ausbilden des Halbleiterelements als ungehäuster Halbleiterchip und durch mechanisches und/oder elektrisches Verbinden des Halbleiterchips mit dem Trägersubstrat durch Direktverbindungsmittel.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
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Die Figuren zeigen:
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1 schematisch stark vereinfacht ein erfindungsgemäßes Leuchtmittel gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine 1 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform;
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3 eine 1 entsprechende Darstellung einer dritten Ausführungsform;
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4 eine 1 entsprechende Darstellung einer vierten Ausführungsform;
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5 eine erste Modifikation eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels; und
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6 eine 5 entsprechende Darstellung einer weiteren Modifikation.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Gleiche oder einander entsprechende Teile sind in den einzelnen Figuren der Zeichnung mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein in der Zeichnung insgesamt mit 2 bezeichnetes Leuchtmittel ist in den in den einzelnen Figuren gezeigten Ausführungsformen nach Art einer Lampe ausgebildet und umfasst etwa gemäß 1 im Wesentlichen einen Sockel 4 und ein an dem Sockel 4 festgelegtes Gehäuse 6, wobei Sockel 4 und Gehäuse 6 bevorzugt so ausgebildet sind, dass sie im Wesentlichen baugleich zu Sockel und Gehäuse einer konventionellen, auf der Basis thermischer Strahler arbeitenden Lampe sind. Das äußere Erscheinungsbild des Leuchtmittels 2 entspricht somit im Wesentlichen einer derartigen konventionellen Lampe, wie sie der Verbraucher kennt (beispielsweise „Glühbirne”).
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Der Sockel 4 ist in bekannter Weise ausgebildet und mit einer korrespondierenden Fassung in Eingriff bringbar, um mit dieser elektrischen und mechanischen Kontakt herzustellen.
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Das Gehäuse 6 umfasst im Wesentlichen eine Basis 8 und eine Abdeckung 10, wobei die Basis 8 lichtundurchlässig/opak ausgebildet sein kann und die Abdeckung 10 aus einem transparenten, transluzenten oder sonstwie lichtdurchlässigen Material gebildet sein kann, beispielsweise Glas oder einem entsprechenden Kunststoff. Basis 8 und Abdeckung 10 können einstückig ausgebildet sein, wobei dann die Basis 8 beispielsweise durch einen Innenanstrich oder dergleichen lichtundurchlässig gestaltet ist.
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Zwischen Basis 8 und Abdeckung 10 befindet sich ein Trägersubstrat 12, beispielsweise eine Leiterplatte oder ein PCB, wobei das Trägersubstrat 12 auf seiner der Abdeckung 10 zugewandten Seite wenigstens ein, bevorzugt mehrere Halbleiterelemente 14 (14a, 14b, ...) trägt. Der Raum unterhalb des Trägersubstrats 12, also der Raum zwischen Sockel 4 und Trägersubstrat 12 im Inneren der Basis 8 kann zur Aufnahme elektrischer und/oder elektronischer Bauelemente oder Bauteile dienen, welche zum Betrieb des oder der Halbleiterelemente 14 beispielsweise mit 220 V Wechselspannung benötigt werden (Widerstände, Drosseln, Spannungsregler etc.).
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Wird das Leuchtmittel 2 mit dem Sockel 4 in eine entsprechende Fassung eingesteckt oder eingeschraubt, so dass der Sockel 4 mechanisch und elektrisch mit der Fassung kontaktiert, kann das oder können die Halbleiterelemente 14 im Inneren des Gehäuses 6 betrieben werden.
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Sind die Halbleiterelemente 14 gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform in Form von lichtemittierenden Dioden (LEDs) ausgebildet, können die LEDs 14 zur Lichtemission angeregt werden. Von den LEDs emittiertes Licht wird über die Abdeckung 10 nach außen abgestrahlt, so dass das Leuchtmittel 2 als Beleuchtungskörper verwendbar ist.
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Die einzelnen Halbleiterelemente 14 (14a, 14b, ...) sind gemäß der vorliegenden Erfindung als ungehäuste Halbleiterchips (LED-Chips) ausgelegt. Unter „ungehäust” sei verstanden, dass der Halbleiter- oder LED-Chip auf den rudimentären Chipaufbau reduziert ist, also ohne Reflektorwannen, Anschlussbeine, Bonddrähte, Verguss oder Kapselung etc.
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Der Halbleiter- oder LED-Chip (nachfolgend als „LED-Chip” bezeichnet) 14 wird durch Direktverbindungsmittel mechanisch und/oder elektrisch mit dem Trägersubstrat 12 verbunden.
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Die jeweils verwendete Befestigungstechnik oder das jeweils verwendete Montageverfahren richtet sich nach einer Anzahl von Parametern betreffend Aufbau und Ausbildung des LED-Chips 14, Ausgestaltung des Trägersubstrats 12, gewünschten Abstrahl- oder Emissionscharakteristika etc.
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Bevorzugt wird der oder werden die LED-Chips 14 auf dem Trägersubstrat 12 durch eine Chip-on-Board-Technologie (CoB-Technologie) angeordnet. Die nachfolgende Aufzählung von CoB-Technologien ist rein exemplarisch und nicht einschränkend zu verstehen. So kann unter anderem eine Baredie-Technik, eine Chip-and-Wire-Technik, eine Surfacemount-Technik oder eine Flip-Chip-Technik verwendet werden, was Beispiele für einen sogenannten Direct Chip Attach sind. Darüber hinaus ist es möglich, ein sogenanntes Tape Automated Bonding zu verwenden, bei dem der LED-Chip 14 zunächst auf einem Zwischenträger vormontiert wird und dann über den Zwischenträger die endgültige Verbindung zum Trägersubstrat 12 hergestellt wird.
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1 zeigt schematisch die Verwendung einer Flip-Chip-Technik, bei der die einzelnen LED-Chips 14 mit dem Barunterliegenden Trägersübstrat 12 in bekannter Weise durch Lotkugeln oder leitfähige Kunststoffkugeln verbunden werden, welche vorab auf Kontaktflächen der LED-Chips 14 aufgebracht werden, die sich an deren Unterseite, also an der Kontaktfläche zwischen LED-Chip 14 und dem Trägersubstrat 12, befinden.
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Diese Lotkugeln oder Kunststoffkugeln dienen als Direktverbindungsmittel, welche eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem LED-Chip 14 und dem darunterliegenden Trägersubstrat 12 herstellen.
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2 zeigt eine 1 entsprechende Darstellung, bei der die LED-Chips 14 durch sogenannte Wire Bonds (Bonddrahtbrücken) auf dem Trägersubstrat 12 angebracht sind. Bonddrahtbrücken 16 stellen hierbei die Verbindungen zwischen Kathoden- und Anodenleitungen 18 und den LED-Chips 14 her.
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In der Ausführungsform von 3 ist die Befestigungs- und Anschlusstechnik von 2, d. h. die Wire Bond-Technik, zusammen mit einer zwischen den LED-Chips 14 und dem Trägersubstrat 12 liegenden Wärmesenke 20 verwendet.
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4 zeigt die Anordnung von LED-Chips 14 auf einem aus der Ebene des Trägersubstrats 12 vorspringenden Vorsprung 22, so dass sich je nach Form, Größe und Ausrichtung des Vorsprungs 22 unterschiedliche Abstrahlrichtungen für die LED-Chips 14 realisieren lassen.
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Die 5 und 6 zeigen Modifikationen des Erfindungsgegenstands insofern, als bei 5 die Abdeckung 10 des Gehäuses nicht die in den 1 bis 4 gewählte kuppel- oder domförmige Ausgestaltung, sondern die nach Art eines sich nach oben hin erweiternden Trichters hat, wobei die Innenfläche der Trichterwandung mit einer reflektierenden Beschichtung 24 versehen ist. Das obere Ende der Abdeckung 10 wird durch eine transparente Abdeckung 26 aus Glas oder Kunststoff verschlossen.
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Bei der Abwandlung gemäß 6 wird im Wesentlichen das gleiche Prinzip wie bei 5 verwendet, nur dass einem jeden LED-Chip 14 eine eigene Abdeckung 10 zugeordnet ist, welche analog zur Ausgestaltung von 5 trichterförmig mit einer reflektierenden Beschichtung 24 ausgebildet ist.
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Die Abwandlungsformen der 5 und 6 ermöglichen die Verwendung des Leuchtmittels 2 als sogenannten Spot, da die reflektierende Beschichtung 24 das von den LED-Chips 14 abgegebene Licht in eine Vorzugsrichtung bündelt und lenkt.
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In jeder der Ausführungsformen der 1 bis 4 und auch bei den beiden Abwandlungsformen der 5 und 6 sind die LED-Chips 14 (14a, 14b, ...) ungehäuste Halbleiterchips, welche durch ein geeignetes CoB-Verfahren mit dem darunterliegenden Trägersubstrat 12 mechanisch und/oder elektrisch direkt verbunden sind.
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Das Trägersubstrat 12 kann hierbei vollständig elektrisch isolierend ausgebildet sein, oder es kann ein- oder beidseitig elektrisch leitend sein. Es können als Trägersubstrat 12 Leiterplatten (PCBs) in Metal-Core-Technik verwendet werden, wobei die einzelnen LED-Chips dann isoliert in das PCB eingesetzt werden. Das Trägersubstrat 12 kann als Wärmesenke ausgebildet sein oder kann einen thermisch leitenden Übergang zu separaten Wärmesenken darstellen.
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Die Anzahl der Halbleiterelemente bzw. LED-Chips 14 sowie deren Anordnung auf dem Trägersubstrat 12 (gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Wärmeleitschichten, Wärmeleitpasten etc.) ist nicht konkret festgelegt, sondern richtet sich nach Bauweise und beabsichtigtem Einsatzzweck des Leuchtmittels 2. Beispielsweise können einzelne LED-Chips auch zu Gruppen zusammengefasst werden, wobei die jeweiligen LED-Chips einzelner Gruppen unterschiedliche Emissionswellenlängen haben, um entweder durch gezielte Lichtmischung einen bestimmten Farbton des Leuchtmittels 2 erzielen zu können oder um durch gezieltes Aktivieren oder Deaktivieren einzelner LED-Chips oder Chipgruppen monochrome, aber wechselnde Farbcharakteristika des Leuchtmittels 2 zu haben. Entsprechende Ansteuer- und Schaltmittel können hierbei ebenfalls in der Basis 8 des Leuchtmittels 2 untergebracht werden.
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Auf den Offenbarungsgehalt der zeitgleichen Anmeldung der gleichen Anmelderin mit dem Titel „Leuchtmittel, sowie Verfahren zu dessen Herstellung” (Anwaltsaktenzeichen: OS1759) wird hier noch ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
