DE102011006688B4

DE102011006688B4 - Lighting device with a number of LED chips with light box function

Info

Publication number: DE102011006688B4
Application number: DE201110006688
Authority: DE
Inventors: Robert Kraus
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2031-04-05
Also published as: DE102011006688A1

Abstract

LED-Beleuchtungsvorrichtung mit einer Anzahl von LED-Chips bestehend aus einer zur Erzeugung von Strahlung (S) geeigneten aktiven Schicht (2, 4) mit einer vorbestimmten Strahlungsaustrittsseite, mit einer auf der Strahlungsaustrittsseite aufgebrachten nach innen reflektiven Schicht (12), in der eine Öffnung (14) für den Strahlungsaustritt geschaffen ist, wobei die Öffnung (14) an einem äußeren Randabschnitt der Strahlungsaustrittsseite ausgebildet ist, derart, dass diese vom Chiprand begrenzt wird, wobei die LED-Chips auf einer gemeinsamen Platine in randseitiger Gegenüberlage zueinander montiert sind, wobei mehrere LED-Chips so platziert sind, dass deren jeweilige Öffnungen (14) in der reflektiven Schicht (12) zusammen eine gemeinsame, im Gesamtquerschnitt vergrößerte Öffnung definieren.LED lighting device comprising a number of LED chips comprising an active layer (2, 4) suitable for generating radiation (S) with a predetermined radiation exit side, with an inwardly reflective layer (12) applied to the radiation exit side, in which one Opening (14) is provided for the radiation exit, wherein the opening (14) is formed on an outer edge portion of the radiation exit side, such that it is bounded by the chip edge, wherein the LED chips are mounted on a common board in marginal opposite to each other, wherein a plurality of LED chips are placed so that their respective openings (14) in the reflective layer (12) together define a common, enlarged in overall cross-section opening.

Description

Die Erfindung betrifft eine LED-Beleuchtungsvorrichtung mit einer Anzahl von LED-Chips, die beispielsweise nach dem „chip-on-board” Prinzip unmittelbar auf einer Platine gebondet werden können.The invention relates to an LED lighting device with a number of LED chips, which can be bonded directly on a circuit board, for example, according to the "chip-on-board" principle.

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung geht aus von einer LED beispielsweise in SMD-Bauweise, wonach mehrere LED-Chips als jeweils eine flächige Lichtquelle auf einer Platine montiert sind. Derartige LED-Chips haben infolge ihrer flachen Bauweise einer vergleichsweise geringe Leuchtdichte. Daher wurden in der Vergangenheit mehrere LED-Chips, wie vorstehend ausgeführt, mittels Lichtbündel auf einen kleinen Durchmesser zusammengeführt, um dadurch eine höhere Leuchtdichte zu erreichen. Auch wurden Anstrengungen dahingehend unternommen, eine LED mit höheren elektrischen Strömen zu betreiben, um dadurch die Leuchtdichte zu erhöhen. Eine weitere Modifikation sah vor, LEDs so anzuordnen, dass diese in eine nachgeschaltete sogenannte Leuchtbox einstrahlen, die eine vordefinierte Lichtaustrittsöffnung besitzt. Durch diese Öffnung kann das innerhalb der Leuchtbox mehrfach reflektierte Licht emittieren, wodurch eine Leuchtdichteerhöhung zu erreichen ist.The invention is based on an LED, for example, in SMD construction, according to which a plurality of LED chips are each mounted as a flat light source on a circuit board. Such LED chips have a comparatively low luminance due to their flat design. Therefore, in the past, a plurality of LED chips, as stated above, have been converged by means of light beams to a small diameter, thereby achieving a higher luminance. Efforts have also been made to operate an LED with higher electrical currents to thereby increase the luminance. Another modification provided to arrange LEDs so that they radiate into a downstream so-called light box, which has a predefined light exit opening. Through this opening, the light reflected multiple times within the light box can emit light, whereby a luminance increase can be achieved.

An dieser Stelle soll darauf verwiesen werden, dass viele Anwendungen von LED-Lösungen beispielsweise bei Projektoren, Endoskopen in der Medizintechnik oder Frontscheinwerfern im Automobilbau hohe Leuchtdichten brauchen, um die nachgeschalteten optischen Systeme möglichst klein zu halten oder um kleine hell/dunkel-Übergänge zu realisieren. Bei diesen Anwendungen ist es wichtig, dass das verwendete Leuchtmittel trotz geforderter hoher Leuchtdichte insgesamt klein baut und dennoch eine vergleichsweise hohe Lebensdauer erzielt wird.At this point, it should be pointed out that many applications of LED solutions, for example in projectors, endoscopes in medical technology or headlights in automotive engineering, require high luminances in order to keep the downstream optical systems as small as possible or to realize small light / dark transitions , In these applications, it is important that the lamp used despite the required high luminance is small overall and yet a relatively long life is achieved.

Die Verwendung von sogenannten Hochleistungs-LEDs (H-LED) führt zwar zu deutlich höheren Leuchtdichten, hat aber das grundsätzliche Problem einer ausreichenden Wärmeableitung und infolge dessen einer signifikant verringerten Lebensdauer. Die Bündelung einer Mehrzahl von LEDs hat zwangsläufig die Vergrößerung der äußeren Gesamtabmessungen des Leuchtmittels (LED-Verbund) zur Folge.Although the use of so-called high-power LEDs (H-LED) leads to significantly higher luminance, but has the fundamental problem of sufficient heat dissipation and as a result of a significantly reduced life. The bundling of a plurality of LEDs inevitably increases the overall external dimensions of the light source (LED composite) result.

Stand der TechnikState of the art

Die DE 10 2008 064 073 A1 offenbart eine mit mehreren LEDs bestückte Beleuchtungsvorrichtung.The DE 10 2008 064 073 A1 discloses a lighting device equipped with a plurality of LEDs.

Diese bekannte LED-Beleuchtungsvorrichtung umfasst eine Lampenfassung, einen darauf angeordneten Kühlkörper, eine darauf wiederum angeordnete Platine mit einer Mehrzahl von auf der Platine montierten LED-Chips und eine Abdeckung aus einem lichtdurchlässigen (transparenten) Material. Die Platine der LED-Beleuchtungsvorrichtung enthält vorzugsweise ein thermisch leitfähiges Material, um an den LED-Chips erzeugte wärme an den Kühlkörper übertragen zu können. Insgesamt hat die LED-Beleuchtungsvorrichtung eine der Platine abgewandte Strahlungsaustrittsseite, aus der die von den LED-Chips emittierte Strahlung durch die vorzugsweise kuppelförmige Abdeckung austreten kann.This known LED lighting device comprises a lamp socket, a heat sink arranged thereon, a printed circuit board arranged thereon with a plurality of LED chips mounted on the printed circuit board and a cover made of a transparent (transparent) material. The board of the LED lighting device preferably contains a thermally conductive material in order to be able to transmit heat generated at the LED chips to the heat sink. Overall, the LED lighting device has a side facing away from the board radiation exit side, from which the radiation emitted by the LED chips radiation can escape through the preferably dome-shaped cover.

In sofern folgt diese bekannte Lösung dem Ansatz der Bündelung einer Mehrzahl von LEDs zur Erhöhung der Leuchtdichte, wobei in diesem Fall der Abdeckung ausschließlich die Funktion einer Lichtstreuung zugeordnet ist. Trotz dieser leistungssteigernden Maßnahme bleibt die Leuchtdichte immer noch zu niedrig und die äußeren Abmessungen des LED-Beleuchtungsvorrichtung zu groß.In so far, this known solution follows the approach of bundling a plurality of LEDs to increase the luminance, in which case the cover is assigned exclusively the function of light scattering. Despite this performance enhancing measure, the luminance still remains too low and the external dimensions of the LED lighting device too large.

Aus der DE 10 2009 009 483 A1 ist ein Leuchtdiodenchip mit einer zur Strahlungserzeugung geeigneten Schicht mit einer vorbestimmten Strahlungsaustrittsseite und einer auf der Strahlungsaustrittsseite aufgebrachten, nach innen reflektiven Schicht, in der eine Öffnung für den Strahlungsaustritt geschaffen ist, bekannt.From the DE 10 2009 009 483 A1 is a light-emitting diode chip with a suitable radiation generating layer having a predetermined radiation exit side and an applied on the radiation exit side, inwardly reflective layer in which an opening for the radiation exit is created known.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Angesichts dieses Stands der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine LED-Beleuchtungsvorrichtung bereit zu stellen, deren Leuchtdichte unter Beibehaltung einer möglichst geringen Baugröße gesteigert istIn view of this prior art, it is the object of the present invention to provide an LED lighting device whose luminance is increased while maintaining the smallest possible size

Diese Aufgabe wird durch eine LED-Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by an LED lighting device having the features of patent claim 1. Particularly advantageous embodiments can be found in the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, eine LED-Beleuchtungsvorrichtung mit einer Anzahl von LED-Chips vorzugsweise der nachbeschriebenen Art auszubilden, welche auf einer gemeinsamen Platine in randseitiger Gegenüberlage zueinander montiert sind. Vorzugsweise sind mehrere LED-Chips dabei so platziert, dass deren jeweilige Öffnungen in der reflektiven Schicht zusammen eine gemeinsame, im Gesamtquerschnitt vergrößerte Öffnung definieren.According to the invention, it is provided to form an LED lighting device with a number of LED chips, preferably of the type described above, which are mounted on a common board in edge-side opposite position to each other. Preferably, a plurality of LED chips are placed in such a way that their respective openings in the reflective layer together define a common opening which is enlarged in overall cross-section.

Demzufolge besteht ein LED-Chip gemäß der Erfindung zumindest aus einer zur Erzeugung von Strahlung geeigneten aktiven Schicht mit einer vorbestimmten Strahlungsaustrittsseite sowie einer auf der Strahlungsaustrittsseite aufgebrachten, nach innen reflektiven Schicht, in der eine Öffnung für den Strahlungsaustritt geschaffen ist. Hierdurch wird quasi eine Art Leuchtbox innerhalb des LED-Chip generiert, welche die Leuchtdichte erhöht, ohne dass sich die äußere Abmessung des Chip (mit Ausnahme der Schichtdicke der reflektiven Schicht) vergrößert.Accordingly, an LED chip according to the invention consists of at least one active layer capable of producing radiation with a predetermined radiation exit side and an inwardly reflective layer applied to the radiation exit side, in which an opening for the radiation exit is created. As a result, a sort of light box is generated within the LED chip, which increases the luminance, without causing the outer dimension of the chip is increased (with the exception of the layer thickness of the reflective layer).

Vorteilhaft ist es, wenn die Strahlungsaustrittsöffnung in ihrem Querschnitt kleiner ist als die Strahlungsemittierende Austrittsseite des LED-Chip. Dadurch verstärkt sich der Leuchtboxeffekt.It is advantageous if the radiation outlet opening in its cross section is smaller than the radiation-emitting outlet side of the LED chip. This increases the light box effect.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn die reflektive Schicht die Austrittsseite des LED-Chip mit Ausnahme der Öffnung vollständig überzieht. Auf diese Weise wird nur eine einzige, definierte Austrittsöffnung geschaffen, wobei die herbei erzielbare Leuchtdichte reproduzierbar ist.It is further advantageous if the reflective layer completely covers the exit side of the LED chip, with the exception of the opening. In this way, only a single, defined outlet opening is created, the herbei achievable luminance is reproducible.

Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Öffnung an einem äußeren Randabschnitt der Strahlungsaustrittsseite ausgebildet ist, derart, dass diese vom Chiprand begrenzt wird. Dies eröffnet die Möglichkeit, mehrere LED-Chips so aneinander zu reihen, dass deren jeweilige Öffnungen quasi zu einer gemeinsamen Öffnung zusammenfinden. Hierdurch lässt sich die Leuchtdichte weiter steigern.According to the invention, it is provided that the opening is formed on an outer edge portion of the radiation exit side, such that it is bounded by the chip edge. This opens up the possibility of arranging several LED chips in such a way that their respective openings virtually converge to form a common opening. As a result, the luminance can be further increased.

Kurze Beschreibung der Zeichnung(en)Short description of the drawing (s)

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:In the following, the invention will be explained in more detail with reference to a preferred embodiment with reference to the accompanying figures. The figures show:

1 einen LED-Chip allgemein bekannter Bauart, 1 an LED chip of generally known design,

2 einen LED-Chip gemäß der Erfindung und 2 an LED chip according to the invention and

3 verschieden Formen für eine reflektive Schicht gemäß der Erfindung. 3 different forms for a reflective layer according to the invention.

Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention

In der 1 und 2 ist ein allgemeiner Aufbau eines LED-Chips prinzipiell dargestellt. Demzufolge besteht ein LED-Chip auch gemäß der Erfindung aus einer vorzugsweise transparenten Trägerschicht 1 die von einer n-dotierten Schicht 2 überlagert ist. Auf der n-dotierten Schicht 2 ist eine weitere p-dotierte Schicht 4 aufgetragen. An die P-dotierte Schicht 4 ist ein Anode 6 und an die n-ditierte 2 Schicht eine Kathode 8 angeschlossen, um diese mit einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen.In the 1 and 2 a general structure of an LED chip is shown in principle. As a result, an LED chip according to the invention also consists of a preferably transparent carrier layer 1 that of an n-doped layer 2 is superimposed. On the n-doped layer 2 is another p-doped layer 4 applied. To the P-doped layer 4 is an anode 6 and to the n-ditierte 2 Layer a cathode 8th connected to this to apply an electrical voltage.

Zwischen der n- und p-dotierten Schicht 2, 4 entsteht hierbei eine Strahlung S, die teilweise unmittelbar in Richtung zu einer Strahlenaustrittsseite des LED-Chip emittiert oder aber entgegengesetzt hierzu ausgerichtet ist, um dann von einer hinter der Trägerschicht 1 angeordneten Reflektorschicht 10 zur (gegenüberliegenden) Strahlenaustrittsseite zurückgeworfen zu werden.Between the n- and p-doped layer 2 . 4 In this case, a radiation S, which partly emits directly in the direction of a radiation exit side of the LED chip or is oppositely oriented thereto, is then produced by one behind the carrier layer 1 arranged reflector layer 10 to be reflected back to the (opposite) radiation exit side.

Wie aus der 1 zu entnehmen ist, tritt dann jedoch die Strahlung S einigermaßen diffus von der Strahlenaus trittsseite aus dem LED-Chip heraus, wodurch sich ein beträchtlicher Helligkeitsverlust ergibt.Like from the 1 can be seen, however, then the radiation S occurs somewhat diffusely from the Strahlaus exit side of the LED chip out, resulting in a considerable loss of brightness.

Im Unterschied hierzu ist es erfindungsgemäß (siehe 2) vorgesehen, die Strahlenaustrittsseite mit einer weiteren (zumindest nach innen) reflektiven Schicht 12 zu belegen oder zu überzeihen, welche vorzugsweise die gesamte Strahlenaustrittsseite des LED-Chip überlagert. Diese reflektive Schicht 12 hat jedoch ein Öffnung 14 mit vorbestimmter Form, Größe und Position, um die innerhalb des LED-Chip ggf. mehrfach reflektierte Strahlung S nach Außen (gebündelt und damit verstärkt) abzugeben. In diesem Fall erhält der LED-Chip eine Art Lichtboxfunktion, d. h. der erfindungsgemäße LED-Chip ist mit einer integrierten Lichtbox als Leuchtdichteverstärker ausgebildet.In contrast, it is according to the invention (see 2 ), the radiation exit side with a further (at least inwardly) reflective layer 12 to occupy or overstay, which preferably superimposes the entire beam exit side of the LED chip. This reflective layer 12 but has an opening 14 with a predetermined shape, size and position in order to emit the radiation S, which may be reflected several times within the LED chip, to the outside (bundled and thus reinforced). In this case, the LED chip receives a kind of light box function, ie the LED chip according to the invention is designed with an integrated light box as luminance amplifier.

In der 3 sind eine Anzahl von Formen und Positionen/Ausrichtungen der Strahlenaustrittsöffnung 14 gezeigt. Demzufolge kann die Öffnung 14 im Querschnitt kreisförmig, eckig (dreiecks-, rechtecks- oder vielecksförmig) oder teilkreisförmig sein. Die Öffnung kann sich zumindest teilweise oder vollständig über die Strahlenaustrittsseite erstrecken und dabei eine Art Austrittsschlitz bilden. Auch ist es möglich, die Austrittöffnung 14 am Rand oder in einer Ecke der Strahlenaustrittsseite zu positionieren, sodass sie nur teilweise von der reflektiven Schicht 12 umgeben ist.In the 3 are a number of shapes and positions / orientations of the beam exit opening 14 shown. As a result, the opening 14 in cross-section circular, angular (triangular, rectangular or polygonal) or partially circular. The opening may extend at least partially or completely over the radiation exit side and thereby form a kind of exit slot. Also, it is possible the outlet opening 14 position it on the edge or in a corner of the beam exit side so that it is only partially off the reflective layer 12 is surrounded.

Im letzteren Fall der Positionierung besteht die Möglichkeit, eine Anzahl von LED-Chips vorzugsweise in Rechteckform (quadratisch) benachbart zueinander bzw. randseitig (nahezu) aneinanderstoßend so auf einer gemeinsamen Platine (nicht weiter dargestellt) zu platzieren, dass deren jeweilige Öffnungen 14 sich zu einer gemeinsamen einzigen Öffnung quasi vereinigen. Auf diese Weise kann die Strahlungsdichte durch Bündelung der Strahlung der einzelnen LED-Chips weiter gesteigert werden.In the latter case of positioning, it is possible to place a number of LED chips preferably in a rectangular shape (square) adjacent to one another or at the edge (nearly) abutting one another on a common board (not shown) that their respective openings 14 to unite in a common single opening. In this way, the radiation density can be further increased by focusing the radiation of the individual LED chips.

Offenbart ist ein LED-Chip bestehend aus einer zur Erzeugung von Strahlung S geeigneten aktiven Schicht 2, 4 mit einer vorbestimmten Strahlungsaustrittsseite. Erfindungsgemäß ist eine auf der Strahlungsaustrittsseite aufgebrachte nach innen reflektiven Schicht 12 vorgesehen, in der eine Öffnung 14 für den Strahlungsaustritt geschaffen ist. Dadurch wird innerhalb des LED-Chip eine Lichtbox definiert.Disclosed is an LED chip consisting of an appropriate for generating radiation S active layer 2 . 4 with a predetermined radiation exit side. According to the invention, an inwardly reflective layer is applied to the radiation exit side 12 provided in which an opening 14 created for the radiation emission. As a result, a light box is defined within the LED chip.

Claims

LED lighting device with a number of LED chips consisting of an active layer suitable for generating radiation (S) ( 2 . 4 ) with a predetermined radiation exit side, with an inwardly reflective layer applied to the radiation exit side ( 12 ), in which an opening ( 14 ) is created for the radiation exit, wherein the opening ( 14 ) is formed on an outer edge portion of the radiation exit side, such that it is bounded by the chip edge, wherein the LED chips are mounted on a common board in marginal opposite to each other, wherein a plurality of LED chips are placed so that their respective openings ( 14 ) in the reflective layer ( 12 ) together define a common opening enlarged in overall cross-section.

LED lighting device with a number of LED chips according to claim 1, characterized in that the radiation outlet opening ( 14 ) is smaller in its cross-section than the radiation-emitting exit side of the LED chip.

LED illumination device with a number of LED chips according to one of the preceding claims, characterized in that the reflective layer ( 12 ) the exit side of the LED chip except the opening ( 14 ) completely covers.

LED illumination device with a number of LED chips according to one of the preceding claims, characterized in that the opening ( 14 ) is round, angular, oblong or part-circular in cross-section.

LED lighting device with a number of LED chips according to any one of the preceding claims, characterized in that the chip in plan view has a rectangular shape and preferably a square shape.

LED illumination device with a number of LED chips according to one of the preceding claims, characterized in that the reflective layer ( 12 ) forms a light box within the LED chip.

LED illumination device with a number of LED chips according to one of the preceding claims, characterized in that the reflective layer ( 12 ) is realized in the wafer process of the LED chip.