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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 Glühlampe in eine vorhandene Fassung, beispielsweise eine Schraub- oder eine Bajonettfassung eingeschraubt werden und erlaubt einen Betrieb am Haushalts-Wechselstromnetz 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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Nachteilig bei derartigen bekannten Retrofit-Leutmitteln ist die Tatsache, dass zu ihrer Realisierung fertig konfektionierte Leuchtdioden verwendet werden, also Leuchtdioden die ein fertig endproduziertes Produkt darstellen. Derartige Leuchtdioden weisen in einer bekannten und oftmals verwendeten Bauform einen in einer napfförmigen Vertiefung aufgenommenen LED-Kristall auf. Diese napfförmige Vertiefung stellt einen Innenreflektor dar, der gleichzeitig das Kathodenanschlussbein liefert. Benachbart hierzu liegt ein Anodenanschlussbein und eine Kontaktierung zwischen der Anode und der sich in der Kathode befindlichen LED-Kristall erfolgt über einen Bonddraht. Die Anordnung aus den freien Enden der beiden Anschlussbeine, dem Kristall und dem Bonddraht wird durch eine Kunststoffeinbettung umschlossen, welche halbkugel/domförmig ist und aus einem oftmals eingefärbten Kunststoffmaterial besteht. Diese Einbettung stellt zugleich ein Linsenelement dar.
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Aufgrund der fertig konfektionierten Ausgestaltung der Leuchtdiode oder der Leuchtdioden unterliegt somit ein bekanntes Leuchtmittel auf Halbleiterelementbasis dem Nachteil, dass es vergleichsweise teuerer ist und nur schwer bzw. mit erhöhtem konstruktionstechnischem Aufwand an kundenspezifische Anforderungen angepasst werden kann. Zum einen wird auf fertige LEDs zurückgegriffen, welche trotz Massenproduktion hochwertig/ausgereifte Produkte darstellen, die einen gewissen Preis haben und gerade durch die Verwendung fertig konfektionierter LEDs können bestimmte Abstrahleigenschaften eines hiermit ausgestatteten Leuchtmittels nur aufwändig erzielt werden, da die verwendeten LEDs bereits den angespritzten Kunststoffkörper haben, der Linsencharakteristik hat. Der napfförmige Innenreflektor, in welchem sich der LED-Kristall befindet, trägt bei herkömmlichen, fertig konfektionierten LEDs ebenfalls dazu bei, dass diese eine definierte und werksseitig festgelegte Abstrahlcharakteristik haben.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Leuchtmittel der in Frage stehenden Art so auszugestalten, das dieses insgesamt in seiner Herstellung preiswerter ist, wobei die Emissionseigenschaften des Leuchtmittels in einem großen Bereich frei wählbar sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ein Leuchtmittel, insbesondere für Licht in sichtbaren Wellenlängenbereich, vor mit wenigstens einem Halbleiterelement, insbesondere einer LED als Lichtquelle; einem Trägersubstrat, auf welchem das wenigstens eine Halbleiterelement angeordnet ist; wenigstens einem Sockel, der dafür vorgesehen und ausgebildet ist, das Leuchtmittel in einer korrespondierenden Fassung zu halten und mit dieser elektrisch zu kontaktieren; 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. Ein derartiges Leuchtmittel ist erfindungsgemäß weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement ein ungehäuster Halbleiterchip ist, welcher mit dem Trägersubstrat durch Direktverbindungsmittel mechanisch und/oder elektrisch verbunden ist; und dass der wenigstens eine Halbleiterchip mit wenigstens einem strahlformenden Bauteil versehen ist, um das emittierte Licht zu konditionieren, wobei das strahlformende Bauteil nach Anordnung des Halbleiterelements auf dem Trägersubstrat bleibend in dem Strahlengang des vom Halbleiterchip emittierten Lichts angeordnet ist.
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Beim Leuchtmittel gemäß der vorliegenden Erfindung ist somit zunächst das Halbleiterelement, also insbesondere die wenigstens eine LED, auf seine rudimentäre Bauform reduziert, das heißt, auf einem 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 und damit auch verteuert wurde.
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Konkret bedeutet dies, dass das wenigstens eine Halbleiterelement beim erfindungsgemäßen Leuchtmittel ein zunächst unvergossener Halbleiterchip ist, der keine in Form von Anschlussbeinen herausgeführten Kathoden- und Anodenanschlüsse, keinen Bonddraht zwischen beispielsweise Anodenanschluss und LED-Kristall und keine Kunststoffeinbettung für den LED-Kristall hat, welche gleichzeitig als Linse dient. 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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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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In diesem Zusammenhang wird auf den Offenbarungsgehalt der zeitgleichen Anmeldung der gleichen Anmelderin mit dem Titel ”Leuchtmittel, sowie Verfahren zu dessen Herstellung” (Anmelderaktenzeichen: 2009P21737DE) ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen. Der dortige Offenbarungsgehalt bezieht sich insbesondere auf die Ausbildung eines Halbleiterchips bei Leuchtmitteln in Form eines ungehäusten Halbleiterchips.
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Beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist darüber hinaus der wenigstens eine Halbleiterchip mit wenigstens einem strahlformenden Bauteil versehen, um das vom Halbleiterchip emittierte Licht zu konditionieren. Dieses strahlformende Bauteil wird nach Anordnung des Halbleiterelements bleibend in dem Strahlengang des vom Halbleiterchip emittierten Lichts angeordnet. Hierdurch ist es möglich, das von dem ungehäusten Halbleiter- oder LED-Chip emittierte Licht nachträglich zu konditionieren, das heißt zu formen (bündeln, verteilen etc.), wobei kunden- oder anwendungspezifischen Forderungen weitaus besser Rechnung getragen werden kann, da die strahlformenden Bauteile quasi maßgeschneidert werden können und für die jeweiligen Bedingungen oder zu erreichenden Spezifikationen exakt definiert und ausgelegt werden können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So ist bevorzugt, dass das wenigstens ein strahlformende Bauteil wenigstens eine Linse ist beziehungsweise wenigstens eine Linse aufweist. Alternativ hierzu oder zusätzlich zu der wenigstens einen Linse kann das strahlformende Bauteil wenigstens einen Reflektor aufweisen. Mit einer Linse bzw. einem Reflektor alleine bzw. mit einer Kombination aus Linse und Reflektor kann bereits eine große Anzahl von Spezifikationen für das Leuchtmittel erfüllt werden.
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Es kann in der Praxis vorteilhaft sein, beispielsweise für eine höhere Lichtausbeute eine Mehrzahl von Halbleiterchips in einem Leuchtmittel vorzusehen, wobei dann jedem Halbleiterchip wenigstens ein strahlformendes Bauteil zugeordnet ist. Falls es die baulichen und/oder optischen Voraussetzungen und Anforderungen zulassen, kann bei einer Mehrzahl von Halbleiterchips besagter Mehrzahl auch wenigstens ein gemeinsames strahlformendes Bauteil zugeordnet sein.
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Bevorzugt wird der ungehäuste Halbleiterchip mit dem Trägersubstrat durch eine Chip-on-Board-Technologie (CoB) verbunden. CoB-Technologien sind exakt beherrschbar und automatisierbar.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels, das sich im Wesentlichen auszeichnet durch Ausbilden des Halbleiterelements als ungehäuster Halbleiterchip und mechanisches und/oder elektrisches Verbinden des Halbleiterchips mit dem Trägersubstrat durch Direktverbindungsmittel, sowie Anordnen wenigstens eines strahlformenden Bauteils im Emissionsbereich des Halbleiterchips, um das emittierte Licht zu konditionieren, wobei das strahlformende Bauteil nach Anordnung des Halbleiterchips bleibend in dem Strahlengang des vom Halbleiterchip emittierten Lichts angeordnet wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung(en) Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung. Die Figuren zeigen:
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1 schematisch vereinfacht eine Seitenansicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels;
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2 eine 1 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform;
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3 eine Schnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform;
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4 eine 3 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform;
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5 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform;
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6 bis 9 schematische Draufsichten auf Ausführungsformen bzw. Abwandlungsformen des Erfindungsgegenstands; und
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10 eine 3 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform;
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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 sonst wie 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, sodass 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 in Form von Licht emittierenden Dioden (LEDs) ausgebildet, können die LEDs 14 zur Lichtemission angeregt werden. Von den LEDs emittiertes Licht wird über die Abdeckung 10 nach außen abgestrahlt, sodass 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 LED-Chip auf den rudimentären Chip Aufbau reduziert ist, also ohne Reflektorwanne, Anschlussbeine, Bonddrähte, Verguss oder Kapselung etc.
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Der LED-Chip 14 wird durch Direktverbindungsmittel mechanisch und/oder elektrisch mit dem Trägersubstrat 12 verbunden (vergleiche in diesem Zusammenhang nochmals die parallele und zeitgleiche Patentanmeldung ”Leuchtmittel, sowie Verfahren zu dessen Herstellung” (Anmelderaktenzeichen: 2009P21737DE).
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In der Darstellung von 1 befinden sich auf dem Trägersubstrat 12 zwei LED-Chips 14a und 14b, welche von einem gemeinsamen Vergussdeckel 16 überspannt werden. Der Vergussdeckel 16 ist aus einem fließfähigen und bevorzugt aushärtenden Material mit den gewünschten optischen (und gegebenenfalls auch mechanischen) Eigenschaften. Nach Anbringen der LED-Chips 14 auf dem Trägersubstrat 12 wird der Vergussdeckel 16 derart auf dem Trägersubstrat 12 appliziert, dass die LED-Chips 14 von dem Vergussdeckel 16 bzw. dessen Material eingebettet werden. Nach erfolgter Ganz- oder Teilaushärtung des Vergussdeckelmaterials stellt dieser Vergussdeckel 16 ein strahlformendes Bauteil dar, welches das von den LED-Chips 14 emittierte Licht in gewünschter Weise zu konditionieren vermag.
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2 zeigt eine 1 entsprechende Darstellung, bei der die beiden LED-Chips 14a und 14b mit jeweils individuellen Vergussdeckeln 16a und 16b versehen sind. Hierbei können im Abstand zu den LED-Chips 14 umlaufende Barrieren 18 vorgesehen werden, welche ein flächiges Verlaufen der Vergussdeckel 16a bzw. 16b verhindern, solange sich deren Material noch in fließfähigem Zustand befindet und keine ausreichende Oberflächenspannung besitzt. Derartige Barrieren 18 können selbstverständlich auch bei der Ausgestaltungsform gemäß 1 zum Einsatz gelangen; hierbei würde dann eine einzelne Barriere 18 den gesamten Anordnungsbereich der LED-Chips 14 umschließen. Die Barrieren 18 sind aus einem geeigneten Material und können in Form von z. B. ringförmigen Festkörpern appliziert (angeklebt etc.) werden oder sie werden in Pastenform aufgedruckt, aufgespritzt oder sonst wie aufgebracht.
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3 zeigt eine dom- oder kuppelförmige Glaslinse 20, welche über einen LED-Chip 14 gestülpt ist. Die Linse 20 stützt sich mit ihrem unteren umlaufenden Rad auf dem Trägersubstrat 12 auf, wobei zwischen dem Trägersubstrat 12 und dem unteren Rand der Linse 20 eine gasdichte Paste oder ein gasdichtes Gel 22 angeordnet ist. In der Ausgestaltung von 3 ist der LED-Chip durch eine Flip-Chip-Technologie mit dem darunterliegenden Trägersubstrat 12 kontaktiert, da die Anordnung der Glaslinse 20 eine Kontaktierung mittels Bonddraht nicht gestattet.
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4 zeigt eine Abwandlung der Ausgestaltung von 3, bei der die Linse 20 von 3 durch eine Kunststofflinse 24 ersetzt ist, welche durch einen Laserstrahl L mit dem Trägersubstrat 12 bzw. einem auf das Trägersubstrat 12 aufkaschierten Folienmaterial 26 verschweißt wird.
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Bei der Abwandlungsform gemäß 5 ist ein Linsenbauteil 28 auf die Oberseite des LED-Chips 14 aufgesetzt und entsprechend befestigt, beispielsweise verklebt.
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Auch bei den Ausgestaltungsformen der 4 und 5 ist der LED-Chip 14 durch eine Flip-Chip-Technologie mit dem Trägersubstrat 12 verbunden.
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Die Anzahl der LED-Chips und deren Anordnung ist je nach den zu erfüllenden Spezifikationen im Wesentlichen beliebig wählbar. Ebenso ist die Anordnung bzw. Zuordnung der strahlformenden Bauteile im Wesentlichen keinen Einschränkungen unterworfen.
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Es ist beispielsweise möglich, eine Mehrzahl von LED-Chips zu einem Array oder Cluster zusammenzufassen, wobei dann die strahlformenden Bauteile, beispielsweise die Vergussdeckel 16 einzeln jeweiligen LED-Elementen oder dem gesamten Array oder Cluster zugeordnet werden.
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Bei der Ausgestaltungsform gemäß 6 befindet sich ein Cluster von 2x2 LED-Chips 14a bis 14b unter einer gemeinsamen Linse 30.
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In der Ausgestaltungsform gemäß 7 befinden sich vier einzelne LED-Chips 14a bis 14d jeweils unter einer eigenen Linse.
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In der Ausgestaltungsform von 8 sind insgesamt fünf LED-Chips 14a bis 14e unter einer ring- oder torusförmigen Linse 34 angeordnet.
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9 zeigt die Anordnung von vier Clustern C1 bis C4 mit je einem 2x2-Array von vier LEDs auf einem Trägersubstrat 12. Jeder Cluster ist mit einem separaten Vergussdeckel 12 abgedeckt. Auch hier können wieder individuelle Barrieren 18 jeden Cluster einfassen. Genausogut kann die komplette Anordnung aus den vier Clustern C1 bis C4 von einem gemeinsamen Vergussdeckel überspannt werden.
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10 zeigt die Anordnung von LED-Chips 14a, 14b auf einem aus der Ebene des Trägersubstrats 12 vorspringenden Vorsprung 36, so dass sich je nach Form, Größe und Ausrichtung des Vorsprungs 36 unterschiedliche Abstrahlrichtungen für die LED-Chips 14 realisieren lassen. Hierbei können gemäß 10 die einzelnen Chips 14a, 14b mit je einem Vergussdeckel 16a, 16b versehen sein. Ist die Form des Vorsprungs 36 flacher, kann auch der gesamte Vorsprung 36 von einem einzigen Vergussdeckel oder einer formmäßig angepassten Linsenkappe überdeckt werden.
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Die Linsen können aus Glas oder Kunststoff sein. Sie können aufgetupft, aufgespritzt, in bereits fertig ausgehärtetem Zustand aufgeklebt oder sonst wie ausgestaltet werden. Die Linsen sind nicht auf die dargestellten dom- oder kuppelförmigen Ausgestaltungsformen beschränkt, sondern können im Querschnitt beliebig geformt sein, um beispielsweise Abstahlcharakteristika mit Seitenkeulen in dem Intensitätsprofil zu haben (sogenanntes ”Batwing” Profil).
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Das Material für die Linsen kann klar oder eingefärbt sein, kann streuende Materialien in Feinstverteilung enthalten oder kann oberflächenbearbeitet (aufgerauht, geschliffen, formgepresst etc.) sein, beispielsweise um Prismen- oder Fresnellinsen, hexagonale oder runde Mikrolinsenformen, streuende Oberflächen oder dergleichen zu erhalten. Weiterhin kann in das Linsenmaterial beispielsweise randseitig einer oder mehrere Reflektoren eingebettet werden bzw. es werden reflektierende Stoffe dem Linsenmaterial gezielt beigefügt, um lokale Reflektoren ausbilden zu können.
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All die genannten Ausgestaltungen und Maßnahmen können für sich alleine oder in beliebiger Kombination untereinander realisiert werden, um ein Leuchtmittel zu erhalten, welches ganz spezielle Abstahlcharakteristiken aufweist.
