DE102010061848B4

DE102010061848B4 - LED-Modul mit vorgefertigtem Element

Info

Publication number: DE102010061848B4
Application number: DE102010061848.9A
Authority: DE
Inventors: Peter Pachler; Dr. Schrank Franz
Original assignee: Lumitech Patentverwertung GmbH; Tridonic GmbH and Co KG
Current assignee: Lumitech Patentverwertung At GmbH; Tridonic GmbH and Co KG
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2010-11-24
Publication date: 2022-11-03
Anticipated expiration: 2030-11-25
Also published as: WO2012069519A3; WO2012069519A2; DE102010061848A1

Abstract

LED-Modul, aufweisend:- wenigstens ein LED-Chip (1) auf einem Träger (5), und- ein vorgefertigtes Element (3), das auf der Lichtabstrahlfläche des LED-Chips(1) aufgebracht ist, wobei in dem Element (3) Streupartikel und davon unterschiedliche Farbkonversionspartikel in einer Matrix aufgenommen sind, wobei die Konzentration der Streupartikel mit im wesentlichen konstanten ersten Gradienten von der dem LED-Chip zugwandten Seite des Elements (3) aus abnimmt, und wobei die Konzentration der Farbkonversionpartikel- in einem ersten, dem LED-Chip zugewandten Bereich im wesentlichen konstant ist, derart, dass die Farbkonversionspartikel in diesem Bereich dichtest möglich gepackt sind, und- in einem zweiten, an den ersten Bereich angrenzenden Bereich sprunghaft mit einem zweiten Gradienten abfällt, der wesentlich grösser ist als der erste Gradient der Streupartikel.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf LED-Module sowie auf LED-Lampen, wie bspw. Retrofit LED-Lampen, die derartige Module aufweisen. Retrofit LED Lampen haben elektrische und mechanische Anschlüsse vergleichbar zu bspw. Halogen- oder Glühlampen, so dass sie als Austauschleuchtmittel verwendbar sind.
Unter „LED-Modul“ ist dabei wenigstens eine LED auf einem Träger, wie beispielsweise einer Leiterplatte (PCB), einem SMD-Träger etc. zu verstehen.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf LED-Module zur Erzeugung von weißem Licht. Dazu ist es gut bekannt, eine monochromatische, insbesondere blaue oder blau/UV bzw. UV-LED auf einem Träger anzuordnen und weiterhin ein Farbkonversionsmaterial vorzusehen, das einen Teil des von der LED emittierten Lichts in Licht einer anderen, insbesondere längeren Wellenlänge umsetzt. Dabei ist die Abstimmung zwischen Farbkonversionsmaterial und Emissionspektrum der LED derart gewählt, dass das entstehende Mischlicht nahe der Plank'schen Kurve in CIE Diagramm zu liegen kommt und als weiß bezeichnet werden kann.
Insbesondere bei LEDs, welche Licht hoher Leistung emittieren, welches für die Umwandlung in Farbkonversionsmaterialien geeignet ist, tritt aufgrund der Umwandlung von primär emittierten Licht in Wärmeenergie und längerwelligen Licht in den Farbkonversionsmaterialien eine beträchtliche Wärmeleistung auf, welche nur schlecht über die umgebenden Matrixmaterialien abgeführt werden kann, in der die Leuchtstoffpartikel eingebettet sind, da Matrixmaterialien diese normalerweise eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Typischerweise sind Probleme ab ca. 200mW Lichtleistung bemerkbar.
Die DE 10 2006 054 330 A1 offenbart ein Leuchtstoffplättchen für LEDs aus strukturierten Folien, wobei Leuchtstoffpartikel in Silica-Flakes eingebettet sind. Die DE 10 2009 018 087 A1 offenbart eine lichtemittierende Vorrichtung, die ein Wellenlängen umwandelndes Material aufweist, worin ein Teil des Wellenlängen umwandelnden Materials Füllpartikel umfasst.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Wärmeabfuhr weg von der Farbkonversionsschicht zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein LED-Modul, aufweisend:

- wenigstens ein LED-Chip auf einem Träger, und
- ein vorgefertigtes Element, das auf der Lichtabstrahlfläche des LED-Chips aufgebracht ist,

- in einem ersten, dem LED-Chip zugewandten Bereich im wesentlichen konstant ist, derart, dass die Farbkonversionspartikel in diesem Bereich dichtest möglich gepackt sind, und
- in einem zweiten, an den ersten Bereich angrenzenden Bereich sprunghaft mit einem zweiten Gradienten abfällt, der wesentlich grösser ist als der erste Gradient der Streupartikel.

Die Dicke des zweiten Bereichs ist vorzugsweise weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 25% des ersten Bereichs.
Die Konzentration der Farbstoffpartikel kann in dem zweiten Bereich von 90% auf 10% absinken, wenn 100% die Konzentration der Farbstoffpartikel unmittelbar an der dem LED-Chip zugewandten Seite des Elements darstellt.
Die Dicke des ersten Bereichs kann zwischen 25µm und 80µm, vorzugsweise zwischen 40µm und 6oµm betragen. Der konkrete Wert dieser Dicke hängt massgeblich von den Eigenschaften der verwendeten Leuchtstoffe ab.
Die Dicke des zweiten Bereichs kann zwischen 5 und 40µm, vorzugsweise zwischen 20µm und 30µm betragen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein LED-Modul, aufweisend:

Ein „vorgefertigtes“ Element ist ein Element, das wie der LED Chip während des Packaging Prozesses als eigenständiges Element verbaut wird und derart eigenstabil ist, dass es als Bauteil gut handhabbar ist.
Die Matrix des vorgefertigten Elements kann ein Silikonmaterial sein.
Die (relative) Konzentration der Streupartikel auf der von dem LED-Chip abgewandten Seite des Elements kann mehr als 10%, vorzugsweise mehr als 20% der Konzentration der Streupartikel an der dem LED-Chip zugewandten Seite des Elements betragen.
Die Gesamtdicke des Elements kann zwischen 200µm und 900µm, vorzugsweise zwischen 350µm und 700µm betragen.
Die Farbstoffpartikel können sich auf der dem LED-Chip zugewandten Seite des Elements berühren oder durch eine dünne Schicht des Matrixmaterials des Elements getrennt sein, wobei die dünne Schicht weniger als 10% des durchschnittlichen Durchmessers der Farbstoffpartikel beträgt.
Der durchschnittliche Durchmessser der Farbstoffpartikel kann zwischen 1µm und 40µm vorzugsweise jedoch 5µm und 15µm betragen.
Der durchschnittliche Durchmessser der Streupartikel kann zwischen 0,5 und 4 µm betragen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine LED-Lampe, insbesondere Retrofit LED-Lampe, aufweisend wenigstens ein LED-Modul der oben erläuterten Art.
Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und die Figuren der begleitenden Zeichnungen erläutert.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemässen LED-Moduls, und
2 zeigt den Konzentrationsverlaufs der Streupartikel bzw. Farbkonversionspartikel.

Wie in 1 ersichtlich, weist ein erfindungsgemäßes LED-Modul wenigstens eine LED 1 auf, die auf einem Träger 5 aufgebracht ist. Ein vorgefertigtes plättchenförmiges Element 3 mit einer Dicke d ist beispielsweise mittels eines optisch transparenten und sehr dünnen Klebers 2 auf die Licht abstrahlende Fläche des LED Chips 1 aufgebracht.
Optional kann dann über ein Sandwich aus vorgefertigten Element 3 und LED-Chip 2 ein sogenannter Glob top mittels eines Dispensverfahrens aufgebracht werden. Dieser Glob top 4 kann beispielsweise für einen mechanischen Schutz der LED sorgen und kann weiterhin die Eigenschaft einer ggf. streuenden Linse aufweisen.
Wie bereits in 1 schematisch ersichtlich, sind Farbstoffpartikel, die schematisch als sphärische Teilchen dargestellt sind, in einer Schicht 6 stark konzentriert, welche Schicht sich in dem der LED 1 zugewandten Bereich des vorgefertigten Elements 3 befindet.
Wie weiterhin schematisch in 1 ersichtlich, nimmt die Konzentration der Farbstoffpartikel ausgehend von der Schicht 6 in der Richtung weg von der LED 1 sprunghaft ab, so dass sie außerhalb der Schicht 6 nahezu Null beträgt.
Diesem sehr steilen Konzentrationsgradienten-Verlauf der Farbstoffpartikel überlagert ist ein wesentlich flacherer und kontinuierlicher Gradient an Streupartikeln, so dass sich die Konzentration der Streupartikel ebenfalls weg von der LED gesehen stetig verringert.
Bekanntlich wird im Bereich der Farbstoffpartikel aufgrund der Umsetzung von Licht von der LED in Licht mit größerer Wellenlänge entsprechend der Energiedifferenz des erzeugten Photons Wärme erzeugt.
Typischerweise sind Farbstoffpartikel in einer Matrix mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Silikonmaterial aufgenommen. Somit besteht die Gefahr, dass die Temperatur diesen Bereich der Farbkonversion stark ansteigt und negative Auswirkungen auf die Effizienz der Farbstoffkonversion, auf die Stabilität der Silikonmatrix etc. hat.
Ein möglicher Ansatz zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit wäre somit die Veränderung des Matrixmaterials, beispielsweise durch Verwendung von keramischen Matrixstrukturen. Indessen sind dünne Keramikplättchen schwierig in der Handhabung.
Daher ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass ein verhältnismäßig dickes (beispielsweise in der Größenordnung von 500µm Dicke) Plättchen auf einer Silikonmatrixbasis gefertigt wird, wobei in dieser Matrix Farbkonversionspartikel, Streupartikel und bekannte, die Viskosität beeinflussende Zusatzstoffe eingearbeitet sein können.
Bei der Herstellung des vorgefertigten plättchenförmigen Elements 3 wird eine dicht gepackte Farbkonversionsschicht beispielsweise durch Ultraschallbewegung, Schüttler, zumindest zeitweiliger Verringerung der Viskosität der Silikonmatrix etc. geschaffen. In dieser mechanischen Vorgehensweise werden die Farbstoffpartikel im Wesentlichen angrenzend und auf jeden Fall dicht an dicht gepackt. Zwischen den einzelnen Farbstoffpartikeln kann sich ggf. noch ein dünnes Häutchen oder eine andere dünne Trennschicht des Matrixmaterials befinden. Durch den direkten Kontakt der Farbstoffpartikel erhöht sich sprunghaft die Wärmeleitfähigkeit dieser Schicht.
Ein erfindungsgemäßer Verlauf der Herstellung kann somit wie folgt aussehen:

- Mischung einer Silikonpaste mit oder ohne die Viskosität beeinflussenden Zuschlagsstoffen,
- einem oder mehreren Farbkonversionsstoffen (beispielsweise gelb, grün, rot oder Mischungen davon) und ggf. mit Streupartikeln,
- Dosieren einer Menge dieser Mischung in eine Form,
- Mechanisches Kompaktieren der Farbstoffpartikel,
- Aushärten,
- Entformen,
- Vereinzelung des größeren Loses an plättchenförmigen Elementen in einzelne plättchenförmige Elemente, und
- Aufkleben dieser Plättchen auf die Lichtabstrahlfläche eines LED-Chips.

Wie insbesondere in 2 ersichtlich, nimmt grundsätzlich die Konzentration der Farbstoffpartikel PH sowie die Konzentration der optionalen Streupartikel STR von der Seite des vorgefertigten plättchenförmigen Elements 3 (Referenz ‚0‘ in 2) weg und die Dicke d des Plättchens ab.
In einem ersten Bereich 0-d₁ ist dabei die Konzentration der dichtgepackten Farbstoffpartikel PH im Wesentlichen konstant, d.h. sie nimmt beispielsweise in diesem Bereich auf 90% ab. Auf diesen ersten Bereich folgt ein zweiter Bereich zwischen D1 und D2, in dem die Konzentration sprunghaft abnimmt, beispielsweise auf einen Wert von 10%.
Dagegen ist der Gradient der Streupartikel STR im Wesentlichen konstant und wesentlich flacher im Vergleich zu dem sprunghaften Abfall der Konzentration der Farbstoffpartikel PH in dem zweiten Bereich, also zwischen d1 und d2.
Der Verlauf der Konzentration der Streupartikel STR ist vergleichbar durch einen Konzentrationsverlauf wie er beispielsweise durch Sedimentieren der schwereren Streupartikel STR in der Silikonmatrix erzielt werden kann. Dagegen ist der Verlauf der Farbstoffpartikel PH typisch für eine Kompaktierung bis zu einer Sättigung, d.h. bis zum Erreichen der dichtest möglichen Packung der Farbstoffpartikel PH in der Schicht, die nach Aufbringen des plättchenförmigen Elements 3 der LED 1 zugewandt ist.
Vorzugsweise wird der zweite Bereich zwischen d1 und d2 in dem also ein Abfall der Konzentration der Farbstoffpartikel PH von beispielsweise 90% der Maximalkonzentration auf 10% der Maximalkonzentration erfolgt, eine Dicke, die weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 25% des ersten Bereichs ausmacht, also zwischen 0 und d1, in welchem ersten Bereich die Farbstoffpartikel-Konzentration im Wesentlichen konstant ist.
Der Bereich von 0 bis d1, also zum Abfall der Konzentration der Farbstoffpartikel auf 90% kann beispielsweise 50µm betragen.
Die Gesamtstärke des Plättchens kann beispielsweise 500µm betragen, so dass das Plättchen im Wesentlichen formstabil ist und auf jeden Fall gut handhabbar ist.
Der Übergangsbereich zwischen d1 und d2, also für den Abfall von 90% Konzentration auf 10% Konzentration der Farbstoffpartikel kann beispielsweise eine Dicke von 25µm aufweisen.
Der durchschnittliche Durchmesser (d50-Wert) der Streupartikel kann beispielsweise 1µm sein, was wesentlich geringer ist als der durchschnittliche Durchmesser der Farbstoffpartikel, der beispielsweise zwischen 5µm und 10µm betragen kann. Sämtliche Durchschnittswerte in der vorliegenden Beschreibung beziehen sich auf die d₅₀-Merte der Durchmesser.
Die Dicke der Klebeschicht zwischen dem vorgefertigten plättchenförmigen Element 3 und dem LED-Chip 1 sollte möglichst gering sein, also nahezu 0 bis maximal 10µm.
Die Farbstoffpartikel gemäß der Erfindung weisen eine höhere Dichte auf als die Streupartikel. Diese unterschiedliche Dichte kann einerseits physikalisch durch Materialeigenschaften gegeben sein. Alternativ oder zusätzlich können die Streupartikel derart modifiziert sein, dass ihre mittlere Dichte im Vergleich zu der der Phosphorpartikeln herabgesetzt ist.

Claims

LED-Modul, aufweisend: - wenigstens ein LED-Chip (1) auf einem Träger (5), und - ein vorgefertigtes Element (3), das auf der Lichtabstrahlfläche des LED-Chips(1) aufgebracht ist, wobei in dem Element (3) Streupartikel und davon unterschiedliche Farbkonversionspartikel in einer Matrix aufgenommen sind, wobei die Konzentration der Streupartikel mit im wesentlichen konstanten ersten Gradienten von der dem LED-Chip zugwandten Seite des Elements (3) aus abnimmt, und wobei die Konzentration der Farbkonversionpartikel - in einem ersten, dem LED-Chip zugewandten Bereich im wesentlichen konstant ist, derart, dass die Farbkonversionspartikel in diesem Bereich dichtest möglich gepackt sind, und - in einem zweiten, an den ersten Bereich angrenzenden Bereich sprunghaft mit einem zweiten Gradienten abfällt, der wesentlich grösser ist als der erste Gradient der Streupartikel.
LED-Modul nach Anspruch 1, wobei die Dicke des zweiten Bereichs weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 25% des ersten Bereichs ausmacht.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration der Farbstoffpartikel in dem zweiten Bereich von 90% auf 10% absinkt, wobei 100% die Konzentration der Farbkonversionspartikel unmittelbar an der dem LED-Chip zugewandten Seite des Elements darstellt.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke des ersten Bereichs zwischen 25µm und 80µm, vorzugsweise zwischen 40µm und 60 µm beträgt.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke des zweiten Bereichs zwischen 5µm und 40µm, vorzugsweise zwischen 20µm und 30µm beträgt.
LED-Modul, aufweisend: - wenigstens ein LED-Chip (1) auf einem Träger (5), und - ein vorgefertigtes Element (3), das auf der Lichtabstrahlfläche des LED-Chips(1) aufgebracht ist, wobei in dem Element (3) Farbkonversionspartikel und optional Streupartikel in einer Matrix aufgenommen sind, wobei die Farbkonversionspartikel in einer Schicht angrenzend an den LED-Chip (1) stark verdichtet sind, wobei die Konzentration der Farbkonversionspartikel von einer dem LED-Chip (1) zugwandten Seite des vorgefertigten Elements (3) weg abnimmt.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrix des vorgefertigten Elements (3) ein Silikonmaterial ist.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration der Streupartikel auf der von dem LED-Chip abgewandten Seite des Elements mehr als 10%, vorzugsweise mehr als 20% der Konzentration der Streupartikel an der dem LED-Chip zugewandten Seite des Elements beträgt.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gesamtdicke des Elements zwischen 200µm und 900µm, vorzugsweise zwischen 350µm und 700µm beträgt.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Farbkonversionspartikel auf der dem LED-Chip zugewandten Seite des Elements berühren oder durch eine dünne Schicht des Matrixmaterials des Elements getrennt sind, wobei die dünne Schicht weniger als 10% des durchschnittlichen Durchmessers der Farbstoffpartikel beträgt.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der durchschnittliche Durchmessser der Farbkonversionspartikel zwischen 5µm und 15µm beträgt.
LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der durchschnittliche Durchmessser der Streupartikel zwischen 0,5 µm und 4 µm beträgt.
LED-Lampe, insbesondere Retrofit LED-Lampe, aufweisend wenigstens ein LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche.