DE102013207579B4 - LED module with high luminous flux density - Google Patents

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Abstract

LED-Modul (1), aufweisend:- wenigstens einen LED-Chip (2) auf einem Träger (3), und- eine Leuchtstoffschicht (8), die auf der Lichtabstrahlfläche des LED-Chips (2) aufgebracht ist, wobei in der Schicht (8) die Leuchtstoffpartikel (6) in einer Matrix (4) aufgenommen sind,wobei die Konzentration der Leuchtstoffpartikel- in einem ersten Bereich, der den LED-Chip (2) bedeckt und/oder seitlich umgibt 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.LED module (1), comprising: - at least one LED chip (2) on a carrier (3), and - a phosphor layer (8) which is applied to the light emitting surface of the LED chip (2), in which Layer (8), the phosphor particles (6) are accommodated in a matrix (4), the concentration of the phosphor particles being essentially constant in a first area that covers and/or laterally surrounds the LED chip (2), such that that the color conversion particles are packed as densely as possible in this area, and - in a second area adjacent to the first area, the color drops abruptly with a second gradient.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf LED-Module insbesondere auf COB Chip-On-Board LED-Module, mit möglichst nahe aneinander montierten LED-Chips sowie auf LED-Leuchten, wie bspw. Strahler (Spotlights, Downlights) , die derartige Module verwenden.The present invention relates to LED modules, in particular to COB chip-on-board LED modules, with LED chips mounted as close to one another as possible, as well as to LED lights, such as spotlights (spotlights, downlights), which use such modules.

Unter „LED-Modul“ ist dabei wenigstens eine LED auf einem Träger, wie beispielsweise einer Leiterplatte (PCB) zu verstehen.“LED module” means at least one LED on a carrier, such as a printed circuit board (PCB).

Die Erfindung bezieht sich auf LED-Module mit Leuchtstoffen, welche durch die LEDs zur Emission von Licht angeregt werden. Die LED-Module emittieren vorzugsweise weißes Licht, können aber auch farbiges Licht erzeugen. 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 Emissionsspektrum der LED im Falle einer weißen LED derart gewählt, dass das entstehende Mischlicht nahe der Plank'schen Kurve im CIE Diagramm zu liegen kommt.The invention relates to LED modules with phosphors, which are stimulated to emit light by the LEDs. The LED modules preferably emit white light, but can also produce colored light. For this purpose, it is well known to arrange a monochromatic, in particular blue or blue/UV or UV LED on a carrier and to further provide a color conversion material which converts part of the light emitted by the LED into light of a different, in particular longer, wavelength. In the case of a white LED, the coordination between the color conversion material and the emission spectrum of the LED is chosen such that the resulting mixed light is close to Plank's curve in the CIE diagram.

Insbesondere bei LEDs, welche eine große Menge an Lichtleistung auf kleinem Raum emittieren, welche für die Umwandlung in Farbkonversionsmaterialien geeignet ist, tritt aufgrund der Umwandlung des primär emittierten Lichts in längerwelliges Licht, in den Farbkonversionsmaterialien eine beträchtliche Wärmeleistung auf, welche nur mit hohem Temperaturgradienten über das umgebende Matrixmaterial (z.B. Silikone (silicones) oder Polymere) abgeführt werden kann, in der die Leuchtstoffpartikel eingebettet sind. Die Wärmeleitfähigkeit von transparenten Matrixmaterialien ist klein und beträgt üblicherweise etwa 0,2W/mK.Particularly in the case of LEDs, which emit a large amount of light output in a small space, which is suitable for conversion into color conversion materials, due to the conversion of the primarily emitted light into longer-wave light, a considerable heat output occurs in the color conversion materials, which only occurs with a high temperature gradient the surrounding matrix material (e.g. silicones or polymers) in which the phosphor particles are embedded can be removed. The thermal conductivity of transparent matrix materials is small and is usually around 0.2W/mK.

Die Anwendung von Füllstoffpartikeln (Fillerpartikeln) in dem Matrixmaterial oder eine hochkonzentrierte Leuchtstoffschicht in der Nähe des LED-Chips kann die Wärmeabfuhr deutlich verbessern. Die Konzentration/Menge der Füllstoffpartikel ist einerseits durch die Aufbringungsmethode der Leuchtstoffpaste limitiert, andererseits durch die Lichtabsorption der Partikel, welche die Lichtleistung verringert. Eine weitere Möglichkeit die Wärmeabfuhr zu erhöhen ist die Einsetzung von anorganischen Matrizen z.B. keramische Materialien, Glas (z.B. keramische Leuchtstoffplättchen) oder mit keramischen Materialien beschichtete Leuchtstoffpartikel. Mit der letzten erwähnten Methode kann eine hohe Lichtstromdichte, ohne die Leuchtstoffpartikel zu überhitzen, erreicht werden, falls die Wärmeleitfähigkeit und/oder die thermische Anbindung zum Kühlkörper ausreichend ist/sind. Die einstellbaren/erreichbaren Farbtöne sind aber eingeschränkt und eine hohe Menge von Leuchtstoffplättchen ist erforderlich, die teure logistische Prozesse auslösen. Zusätzlich sind die Typen der anwendbaren LED-Chips aus den oben erwähnten Gründen eingeschränkt.The use of filler particles in the matrix material or a highly concentrated phosphor layer near the LED chip can significantly improve heat dissipation. The concentration/amount of the filler particles is limited on the one hand by the application method of the phosphor paste and on the other hand by the light absorption of the particles, which reduces the light output. Another way to increase heat dissipation is to use inorganic matrices, such as ceramic materials, glass (e.g. ceramic phosphor plates) or phosphor particles coated with ceramic materials. With the last method mentioned, a high luminous flux density can be achieved without overheating the phosphor particles if the thermal conductivity and/or the thermal connection to the heat sink is/are sufficient. However, the adjustable/achievable colors are limited and a large number of phosphor plates are required, which trigger expensive logistical processes. In addition, the types of applicable LED chips are limited for the reasons mentioned above.

Die US 2007/0228933 A1 offenbart eine Licht emittierende Vorrichtung, wobei eine Schicht erster Leuchtstoffpartikel auf einem Licht emittierenden Element absorbiert und geformt ist. The US 2007/0228933 A1 discloses a light-emitting device wherein a layer of first phosphor particles is absorbed and formed on a light-emitting element.

Die WO 2008/043519 A1 offenbart eine leuchtstoffkonvertierte LED, wobei eine Leuchtstoffpartikel umfassende Farbumwandlungsschicht in die Vorrichtung gefüllt ist.The WO 2008/043519 A1 discloses a phosphor-converted LED, wherein a color conversion layer comprising phosphor particles is filled into the device.

Die EP 1 976 030 A1 offenbart eine LED-Lampe der dünnen Art mit einer Schicht, die aus einem lichtdurchlassenden, synthetischen Material hergestellt ist, das ein Pulver eines grünen Fluoreszenzmaterials beinhaltet.The EP 1 976 030 A1 discloses a thin type LED lamp having a layer made of a light-transmissive synthetic material containing a powder of a green fluorescent material.

Die US 6 734 465 B1 offenbart in Wannen eines Substrats vorgesehene LED-Chips, die von einem Brechungsindex angepassten Material und einer diesem Material nachgeschalteten Beschichtung umgeben sind.The US 6,734,465 B1 discloses LED chips provided in wells of a substrate, which are surrounded by a material adapted to the refractive index and a coating downstream of this material.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Wärmeabfuhr weg von der Farbkonversionsschicht zu verbessern.It is the object of the present invention to improve the heat dissipation away from the color conversion layer.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.This task is solved by the features of the independent claims. The dependent claims further develop the central idea of the invention in a particularly advantageous manner.

Durch eine dichte Verpackung des Phosphors über und/oder um die LED-Chips (in einer gewissen Nähe der LED-Chips) kann eine ausreichende Wärmeabfuhr realisiert werden. Wenn die Wärmeabfuhr der LED-Chips gelöst ist, kann die Verpackungsdichte der LED-Chips deutlich höher sein, als bei den Stand der Technik LED-Modulen mit homogener Leuchtstoffpartikelverteilung in der Matrix um und/oder über den LED-Chips. Eine Beschränkung tritt bei Lichtausstrahlung von 10 lm/mm2 aufgrund der Wärmeerzeugung des Leuchtstoffs auf, da das Matrixmaterial mit ca. 30° (abhängig von dem Phosphor/dem CCT/CRI) aufgeheizt werden kann. Eine Zunahme der Lichtstromdichte verursacht eine annähernd direkt proportionale Zunahme der Temperatur. Da einerseits eine hohe Betriebstemperatur gewährleistet werden soll als auch eine hohe Lichtstromdichte für die Abbildung zur Verfügung gestellt werden soll, die Vergussmaterialien aber nur einer begrenzten Temperatur dauerhaft widerstehen können, besteht eine Limitierung im Produkt. Auch ein großer Temperaturhub der Vergussmasse zwischen dem ausgeschalteten Zustand und dem Dauerbetrieb sorgt für mechanischen Stress auf Bonddrähte (Wirebonds), welche bei Überlastung brechen und zum Ausfall des Moduls führen können. Bei einer üblichen Temperatur von bis zu ~90°C am Kühlkörper und einer Temperaturstabilität des Vergussmaterials von 120°C - 180°C kann die LED Technologie nicht optimal genutzt werden. Es sind größere Emissionsflächen und damit größere Reflektoren erforderlich oder es müssen Abstriche in der Lebensdauer gemacht werden.Adequate heat dissipation can be achieved by tightly packing the phosphor above and/or around the LED chips (in a certain proximity to the LED chips). If the heat dissipation of the LED chips is solved, the packaging density of the LED chips can be significantly higher than that of the prior art LED modules with homogeneous phosphor particle distribution in the matrix around and/or above the LED chips. A limitation occurs at light emission of 10 lm/mm 2 due to the heat generation of the phosphor, since the matrix material can be heated to approx. 30° (depending on the phosphor/CCT/CRI). An increase in luminous flux density causes an approximately directly proportional increase in temperature. On the one hand, a high operating temperature should be guaranteed and a high luminous flux density should be made available for imaging, but the potting materials only last for a limited temperature can withstand, there is a limitation in the product. A large temperature swing of the casting compound between the switched-off state and continuous operation also causes mechanical stress on bonding wires (wirebonds), which can break if overloaded and lead to module failure. With a usual temperature of up to ~90°C on the heat sink and a temperature stability of the potting material of 120°C - 180°C, LED technology cannot be used optimally. Larger emission areas and therefore larger reflectors are required or compromises in service life have to be made.

Lichtströme von 2000lm, 3000lm und 5000lm, welche für Spotbeleuchtungen üblich sind, führen bei einer Lichtstromdichte von 10 lm/mm2 zu etwa 17mm, 20mm und 26mm Durchmesser der Licht emittierenden Fläche. Lassen sich diese Lichtstrompakete mit einer Lichtstromdichte von 50lm/mm2 realisieren, so ergeben sich für die Durchmesser der Licht emittierenden Flächen 7mm, 9mm und etwa 11mm also etwa einen Faktor 2,2 bei einer Erhöhung der Lichtstromdichte um den Faktor 5. Die Reflektoren für die gleiche Abbildungsleistung dürfen auch um den Faktor 2,2 kleiner dimensioniert werden, somit wird ein Reflektor, welcher 10cm Durchmesser hat und etwa 10cm Bautiefe besitzt auf eine Größe von 4,5cm Durchmesser x 4,5cm Bautiefe reduziert. Dies führt insbesondere im Design von Leuchten zu anderen Gestaltungsmöglichkeiten.Luminous fluxes of 2000lm, 3000lm and 5000lm, which are common for spot lighting, lead to approximately 17mm, 20mm and 26mm diameters of the light-emitting surface at a luminous flux density of 10 lm/mm 2 . If these luminous flux packets can be realized with a luminous flux density of 50lm/mm2, the diameter of the light-emitting surfaces 7mm, 9mm and approximately 11mm results in a factor of 2.2 with an increase in the luminous flux density by a factor of 5. The reflectors for the The same imaging performance can also be dimensioned smaller by a factor of 2.2, so a reflector that has a diameter of 10cm and a depth of around 10cm is reduced to a size of 4.5cm diameter x 4.5cm depth. This leads to other design options, particularly in the design of lights.

Mit einer dichten/konzentrierten erfindungsgemäßen Phosphorschicht kann eine Lichtstromdichte von 100 lm/mm2 und mehr des Moduls erreicht werden, wenn die Wärmeabfuhr der LED-Chips und ihrer Umgebung gewährleistet wird. Bei solchen hohen Lichtstromdichten ist die Packungsdichte der LED-Chips wegen des thermischen Managements der LED-Chips selbst und der notwendigen elektrischen Anschlüsse begrenzt. Aus einem einzelnen Chip lassen sich noch höhere Lichtstromdichten erzielen, jedoch ist Vorrausetzung, dass diese dann auch am Modul sehr nah nebeneinander gesetzt werden.With a dense/concentrated phosphor layer according to the invention, a luminous flux density of 100 lm/mm2 and more of the module can be achieved if the heat dissipation of the LED chips and their surroundings is ensured. At such high luminous flux densities, the packing density of the LED chips is limited due to the thermal management of the LED chips themselves and the necessary electrical connections. Even higher luminous flux densities can be achieved from a single chip, but the prerequisite is that these are placed very close to one another on the module.

Eine Lichtstromdichte von 10 lm/mm2 kann mit einer Dichte von etwa 50mW/mm2 des blauen anregenden LED-Lichtes erzielt werden. Aus einem Chip kann gegenwärtig etwa bis zu 700mW/mm2 - 1500mW/mm2 Chipfläche blaues Licht emittiert werden. Dies entspricht einer Leuchtdichte von bis 300lm/mm2. Mit einem mittleren Abstand von etwa 0,5mm von Chip zu Chip ergibt sich bei einer Chipgröße von 0,5mm x 1mm eine effektive Lichtstromdichte von 100lm/mm2.A luminous flux density of 10 lm/ mm2 can be achieved with a density of approximately 50mW/mm2 of blue stimulating LED light. Up to 700mW/mm2 - 1500mW/mm2 of blue light can currently be emitted from a chip. This corresponds to a luminance of up to 300lm/mm2. With an average distance of around 0.5mm from chip to chip, this results in an effective luminous flux density of 100lm/mm2 with a chip size of 0.5mm x 1mm.

Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein LED-Modul, aufweisend:

  • - wenigstens einen LED-Chip auf einem Träger, und
  • - eine Leuchtstoffschicht, die auf der Lichtabstrahlfläche des LED-Chips aufgebracht ist, wobei in der Schicht die Leuchtstoffpartikel in einer Matrix 4 aufgenommen sind, wobei die Konzentration der Leuchtstoffpartikel
  • - in einem ersten Bereich, der den LED-Chip bedeckt und/oder seitlich umgibt 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.
A first aspect of the invention relates to an LED module, comprising:
  • - at least one LED chip on a carrier, and
  • - a phosphor layer which is applied to the light emitting surface of the LED chip, the phosphor particles being accommodated in the layer in a matrix 4, the concentration of the phosphor particles
  • - is essentially constant in a first area that covers and/or laterally surrounds the LED chip, such that the color conversion particles are packed as densely as possible in this area, and
  • - drops suddenly with a second gradient in a second area adjacent to the first area.

Das LED-Modul kann weiters einen Damm aufweisen.The LED module can also have a dam.

Der Träger des LED-Moduls kann durch eine Metallplatte vorzugsweise eine Aluminiumplatte und eine Leiterplatte gebildet sein.The carrier of the LED module can be formed by a metal plate, preferably an aluminum plate, and a circuit board.

Das LED-Modul kann eine Lichtstromdichte von bevorzugt 20-100 lm/mm2 aufweisen. Ein Minimalwert existiert nicht, jedoch sind unter 10lm/mm2 keine Maßnahmen erforderlich und über 500lm/mm2 die Methode der Herstellung nicht mehr ausreichend.The LED module can have a luminous flux density of preferably 20-100 lm/mm 2 . There is no minimum value, but below 10lm/mm2 no measures are necessary and above 500lm/mm2 the manufacturing method is no longer sufficient.

Die Dicke der Phosphorlage kann zwischen 12pm und 40pm, vorzugsweise zwischen 20pm und 30µm betragen. Durch Entwicklung der Leuchtstoffe oder spezielle Anforderungen an den Farbort können die Grenzen nach oben und unten verschoben werden.The thickness of the phosphor layer can be between 12pm and 40pm, preferably between 20pm and 30µm. The limits can be moved up and down through the development of the phosphors or special requirements for the color location.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein LED-Modul, aufweisend:

  • - wenigstens einen LED-Chip auf einem Träger, und
  • - eine Leuchtstoffschicht, die auf der Lichtabstrahlfläche des LED-Chips(1) aufgebracht ist,
wobei in der Schicht Leuchtstoffpartikel und optional Streupartikel in einer Matrix aufgenommen sind,
wobei die Leuchtstoffpartikel in einer Schicht angrenzend an den LED-Chip stark verdichtet und in direktem Kontakt miteinander sind.A second aspect of the invention relates to an LED module, comprising:
  • - at least one LED chip on a carrier, and
  • - a phosphor layer which is applied to the light emitting surface of the LED chip (1),
wherein the layer contains phosphor particles and optionally scattering particles in a matrix,
wherein the phosphor particles are highly compacted in a layer adjacent to the LED chip and are in direct contact with one another.

Die Matrix 4 kann ein Polymer aus der Gruppe von Silikonmaterialien und Epoxymaterialien aufweisen.The matrix 4 can have a polymer from the group of silicone materials and epoxy materials.

Das LED-Modul kann ein COB Modul sein.The LED module can be a COB module.

Der Damm kann den LED-Chip bzw. mehrere LED-Chips seitlich umgeben und die LED-Chips vorzugsweise in der Höhe überragen und vorzugweise die Matrix 4 kann die Oberseite des LED-Chips beschichten.The dam can surround the LED chip or several LED chips laterally and preferably tower above the LED chips in height and preferably the matrix 4 can coat the top of the LED chip.

Das LED-Modul kann eine zusätzliche Phosphorplatte vorzugsweise mit homogener Leuchtstoffpartikelverteilung aufweisen.The LED module can have an additional phosphor plate, preferably with a homogeneous phosphor particle distribution.

Der durchschnittliche Durchmesser der Farbstoffpartikel kann zwischen 5pm und 15pm betragen.The average diameter of the dye particles can be between 5pm and 15pm.

Der durchschnittliche Durchmesser der Streupartikel kann zwischen 0,5 µm und 2 µm betragen.The average diameter of the scattering particles can be between 0.5 µm and 2 µm.

Zumindest die innere Wand des Dammes kann lichtreflektierend oder streuend sein, und/oder der Damm kann reflektierende oder lichtstreuende Partikel, vorzugsweise weiße Pigmente, aufweisen.At least the inner wall of the dam may be light-reflecting or diffusing, and/or the dam may have reflective or light-scattering particles, preferably white pigments.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf LED-Leuchten, insbesondere Strahler (Spotlights) oder Deckenleuchten oder Einbaustrahler (Downlights), aufweisend wenigstens ein LED-Modul der oben erläuterten Art.A further aspect of the invention relates to LED lights, in particular spotlights or ceiling lights or recessed spotlights (downlights), having at least one LED module of the type explained above.

Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und die Figuren der begleitenden Zeichnungen erläutert.Further features, advantages and characteristics of the invention will now be explained with reference to the following description of an exemplary embodiment and the figures of the accompanying drawings.

Als LED-Chips können blaue oder UV LED zur Erzeugung des weißen oder andersfarbigen Lichts eingesetzt werden, wobei auch ein Anteil an grünen, orangen oder roten LEDS mit verbaut werden können, um z.B. die Farbwiedergabe zu optimieren. Ferner ist der LED-Chip mit einem über dem LED-Chip angeordneten photolumineszierenden Material, wie beispielsweise, anorganischen Leuchtstoff(en) beispielsweise Granaten: YAG: Ce3+, LuAG: Ce3+; Orthosilikaten (BOSE) : (Ca, Sr, Ba) 2SiO4: Eu2+, (Ca, Sr) 2SiO4: Eu2+, (Sr, Ba) 2SiO4: Eu2+, (Ca, Ba) 2SiO4:Eu2+; Nitride: CaAlSiN3: Eu2+, (Sr, Ca) AlSiN3: Eu2+, CaAlSiON3: Eu2+, β-SiAlON: Eu2+)) versehen. Es ist auch jegliche Kombination der vorgenannten LED-Chips in dem LED-Modul 1 denkbar.

  • 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Stands der Technik LED-Moduls,
  • 2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen LED-Moduls nach der ersten Ausführungsform,
  • 3 zeigt den Konzentrationsverlauf der Streupartikel bzw. Farbkonversionspartikel eines erfindungsgemäßen LED-Moduls,
  • 4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen LED-Moduls nach der zweiten Ausführungsform,
  • 5 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen LED-Moduls nach einer weiteren Ausführungsform, und
  • 6A-C zeigt den Herstellungsprozess eines erfindungsgemäßen LED-Moduls.
Blue or UV LEDs can be used as LED chips to generate white or other colored light, although a proportion of green, orange or red LEDs can also be installed, for example to optimize color rendering. Furthermore, the LED chip is arranged with a photoluminescent material arranged above the LED chip, such as inorganic phosphor(s), for example garnets: YAG: Ce 3+ , LuAG: Ce 3+ ; Orthosilicates (BOSE): (Ca, Sr, Ba) 2 SiO 4 : Eu 2 +, (Ca, Sr) 2 SiO 4 : Eu 2+ , (Sr, Ba) 2 SiO 4 : Eu 2+ , (Ca, Ba ) 2 SiO 4 :Eu 2+ ; Nitrides: CaAlSiN 3 : Eu 2+ , (Sr, Ca) AlSiN 3 : Eu 2+ , CaAlSiON 3 : Eu 2+ , β-SiAlON: Eu 2+ )). Any combination of the aforementioned LED chips in the LED module 1 is also conceivable.
  • 1 shows a schematic sectional view of a prior art LED module,
  • 2 shows a schematic sectional view of an LED module according to the invention according to the first embodiment,
  • 3 shows the concentration curve of the scattering particles or color conversion particles of an LED module according to the invention,
  • 4 shows a schematic sectional view of an LED module according to the invention according to the second embodiment,
  • 5 shows a schematic sectional view of an LED module according to the invention according to a further embodiment, and
  • 6A-C shows the manufacturing process of an LED module according to the invention.

Wie in 1 ersichtlich, weist ein Stand der Technik LED-Modul 1 wenigstens einen LED-Chip 2 auf, der auf einem Träger 3 aufgebracht ist. Die LED-Chips 2 sind innerhalb eines Dammes 5 plaziert. Die Leuchtstoffpartikel (mit kleinen Pünktchen symbolisiert) sind über und um den LED-Chip 2 homogen in der Matrix 4 verteilt. Die Matrix 4 ist durch den Damm 5 begrenzt.As in 1 As can be seen, a prior art LED module 1 has at least one LED chip 2, which is applied to a carrier 3. The LED chips 2 are placed within a dam 5. The phosphor particles (symbolized by small dots) are distributed homogeneously in the matrix 4 over and around the LED chip 2. The matrix 4 is limited by the dam 5.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes LED-Modul 1. Wie in 2 schematisch ersichtlich, sind Leuchtstoffpartikel 6, in einer Schicht 8 stark konzentriert, welche Schicht 8 über und/oder seitlich die LED-Chips 2 bedeckt. Die Dicke der Leuchtstoffschicht 8 kann bspw. von 1 bis 10 mal, bevorzugt 4-6 mal die Durchmesser der Leuchtstoffpartikel betragen. Damm 5 kann reflektierende (weiße) Teilchen (z.B. TiO2, SiO2, Al2O3, BaTiO3 usw.) enthalten. 2 shows an LED module 1 according to the invention. As in 2 As can be seen schematically, phosphor particles 6 are highly concentrated in a layer 8, which layer 8 covers the LED chips 2 above and/or laterally. The thickness of the phosphor layer 8 can be, for example, from 1 to 10 times, preferably 4-6 times, the diameter of the phosphor particles. Dam 5 may contain reflective (white) particles (e.g., TiO2 , SiO2 , Al2O3 , BaTiO3 , etc.).

3 stellt die Konzentration der Farbstoffpartikel 6 dar. Sie nimmt ausgehend von der Schicht 8 in der Richtung weg von den LED-Chip 2 sprunghaft ab, so dass sie außerhalb der Schicht 8 nahezu Null beträgt. 3 represents the concentration of the dye particles 6. Starting from the layer 8, it decreases abruptly in the direction away from the LED chip 2, so that it is almost zero outside the layer 8.

Optional können Streupartikel 7 in der Matrix 4 eingesetzt werden. Diesem sehr steilen Konzentrationsgradienten-Verlauf der Farbstoffpartikel 6 überlagert ist ein wesentlich flacherer und kontinuierlicher Gradient an Streupartikeln 7, so dass sich die Konzentration der Streupartikel 7 ebenfalls weg von der LED gesehen stetig verringert. Zusätzlich können bekannte, die Viskosität beeinflussende Zusatzstoffe (z.B. SiO2, Al2O3, TiO2) in der Matrix 4 eingearbeitet sein. Optionally, scattering particles 7 can be used in the matrix 4. Superimposed on this very steep concentration gradient of the dye particles 6 is a much flatter and continuous gradient of scattering particles 7, so that the concentration of the scattering particles 7 also decreases steadily when viewed away from the LED. In addition, known additives that influence the viscosity (eg SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 ) can be incorporated into the matrix 4.

4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Der Träger 3 kann als flexibles Substrat durch eine Metallplatte 10 (Gold- oder Aluminiumplatte) und eine Leiterplatte 9 vorzugsweise FR4 gebildet werden. Die Anwendung von Metallkernplatinen ist auch denkbar. Da die Modulgröße verglichen mit dem Standardaufbau viel kleiner ist, ist die Montage des Moduls 1 auf einem Kühlkörper mit guter thermischer Verbindung möglich, ohne Verbiegung. 4 shows a second embodiment of the invention. The carrier 3 can be formed as a flexible substrate by a metal plate 10 (gold or aluminum plate) and a circuit board 9, preferably FR4. The use of metal core boards is also conceivable. Since the module size is much smaller compared to the standard structure, mounting the module 1 on a heat sink with a good thermal connection is possible, without bending.

5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei eine zusätzliche Phosphorplatte 11, die als Farbkorrekturelement eingesetzt ist, integriert ist. Die Konzentration des(der) Leuchtstoffs(e) ist homogen in der Phosphorplatte 11. Die Phosphorplatte dient dazu, den ersten Farbton/Farbort erzeugt/eingestellt durch die Phosphorschicht 8 in einem zweiten Schritt fein zu justieren/verschieben. Die Phosphorplatte kann optional Streupartikel enthalten. 5 shows a further embodiment of the invention, wherein an additional phosphor plate 11, which is used as a color correction element, is integrated. The concentration of the phosphor(s) is homogeneous in the phosphor plate 11. The phosphor plate serves to finely adjust/shift the first color tone/color locus generated/set by the phosphor layer 8 in a second step ben. The phosphor plate can optionally contain scattering particles.

Bei der Herstellung der Leuchtstoffschicht 8 wird eine dicht gepackte Farbkonversionsschicht beispielsweise durch Absetzen, in dem die Partikel sich langsam wegen der Gravitation bewegen, 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.When producing the phosphor layer 8, a densely packed color conversion layer is created, for example by settling in which the particles move slowly due to gravity, at least temporarily reducing the viscosity of the silicone matrix, etc. In this mechanical approach, the dye particles are essentially packed adjacently and in any case close together. There may be a thin membrane or another thin separating layer of the matrix material between the individual dye particles. Due to the direct contact of the dye particles, the thermal conductivity of this layer increases dramatically.

Beim Absetzen ist die Bewegung der Partikel langsam und die resultierenden Phosphorschichten 8 emittieren unterschiedliche Farbtöne. Der Absetzungsvorgang kann durch Zentrifugieren beschleunigt werden (Siehe 6A-C). Der Nachteil des Zentrifugierens ist, dass die Kräfte in der Ebene 12 auftreten (Siehe 6A). Diese sind von der Partikelgröße abhängig und lösen Inhomogenitäten der Aufteilung der Partikel aus. Es gibt mehr Partikel am Rand des LED-Moduls als in der Mitte. Dieses kann unter Verwendung der größeren Zentrifugen, aber sie haben die Nachteile, dass sie teure Verfahrensprozesse einleiten. LED-Module mit inhomogener und homogener Leuchtstoffschichtdicken 13, 14 sind vorbereitet durch Anwendung von rigiden Trägern, wie in 6B dargestellt. Eine mögliche Lösung nach dieser Erfindung ist die Anwendung von flexiblen (kreisförmigen) Substraten als Träger 3 (Siehe 6C), z.B. von einem Leiterrahmen (lead frame) mit ca. 0, 3-0, 8mm Dicke (bevorzugt 0,4-0,6mm) oder einer Metallkernplatine mit einer ähnlichen Dicke. Die gewählte Zentrifugengröße ist von dem erlaubten Biegungsradius des Substrats 3 abhängig.When settling, the movement of the particles is slow and the resulting phosphor layers 8 emit different color tones. The settling process can be accelerated by centrifugation (see 6A-C ). The disadvantage of centrifugation is that the forces occur in level 12 (see 6A) . These depend on the particle size and cause inhomogeneities in the distribution of the particles. There are more particles on the edge of the LED module than in the middle. This can be done using larger centrifuges, but they have the disadvantages of initiating expensive processing processes. LED modules with inhomogeneous and homogeneous phosphor layer thicknesses 13, 14 are prepared by using rigid supports, as in 6B shown. A possible solution according to this invention is the use of flexible (circular) substrates as supports 3 (See 6C ), e.g. from a lead frame with approx. 0.3-0.8mm thickness (preferably 0.4-0.6mm) or a metal core board with a similar thickness. The selected centrifuge size depends on the permitted bending radius of the substrate 3.

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 auf das LED-Modul/die LED-Module beispielsweise durch Dispensen,
  • - Mechanisches Kompaktieren der Farbstoffpartikel beispielsweise durch Zentrifugieren,
  • - Aushärten,
  • - optional Vereinzelung des LED-Moduls.
A production process according to the invention can therefore look like this:
  • - Mixing a silicone paste with or without additives that influence the viscosity,
  • - one or more color conversion substances (for example yellow, green, red or mixtures thereof) and possibly with scattering particles,
  • - Dosing a quantity of this mixture onto the LED module(s), for example by dispensing,
  • - Mechanical compaction of the dye particles, for example by centrifugation,
  • - Harden,
  • - optional separation of the LED module.

Wie insbesondere in 3 ersichtlich, nimmt grundsätzlich die Konzentration der Farbstoffpartikel 6 PH sowie die Konzentration der optionalen Streupartikel 7 STR von der Oberseite/Seite des LED-Chips 2 weg und die Dicke d der Schicht ab.Like in particular 3 As can be seen, the concentration of the dye particles 6 PH as well as the concentration of the optional scattering particles 7 STR decreases from the top/side of the LED chip 2 and the thickness d of the layer decreases.

In einem ersten Bereich 0-d1 ist dabei die Konzentration der dichtgepackten Farbstoffpartikel 6 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%.In a first region 0-d 1 the concentration of the densely packed dye particles 6 PH is essentially constant, ie it decreases to 90% in this region, for example. This first area is followed by a second area between D1 and D2 in which the concentration decreases suddenly, for example to a value of 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.In contrast, the gradient of the scattering particles STR is essentially constant and significantly flatter compared to the sudden drop in the concentration of the dye particles PH in the second region, i.e. between d1 and d2.

Der Verlauf der Konzentration der Streupartikel 7 STR ist vergleichbar durch einen Konzentrationsverlauf wie er beispielsweise durch Sedimentieren der schwereren Streupartikel STR in der Silikonmatrix 4 erzielt werden kann. Dagegen ist der Verlauf der Farbstoffpartikel 6 PH typisch für eine Kompaktierung bis zu einer Sättigung, d.h. bis zum Erreichen der dichtest möglichen Packung der Farbstoffpartikel 6 PH in der Schicht 8.The course of the concentration of the scattering particles 7 STR is comparable to a concentration course such as can be achieved, for example, by sedimenting the heavier scattering particles STR in the silicone matrix 4. In contrast, the course of the dye particles 6 PH is typical for compaction up to saturation, i.e. until the densest possible packing of the dye particles 6 PH in layer 8 is reached.

Vorzugsweise weist der zweite Bereich zwischen d1 und d2, in dem also ein Abfall der Konzentration der Farbstoffpartikel 6 PH von beispielsweise 90% der Maximalkonzentration auf 10% der Maximalkonzentration erfolgt, eine Dicke auf, 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.The second region between d1 and d2, in which there is a drop in the concentration of the dye particles 6 PH from, for example, 90% of the maximum concentration to 10% of the maximum concentration, preferably has a thickness that is less than 50%, preferably less than 25% of the first range, i.e. between 0 and d1, in which first range the dye particle concentration is essentially constant.

Die Dicke des Bereichs von 0 bis d1, also in dem die Konzentration der Farbstoffpartikel 6 auf 90% abfällt, kann beispielsweise 50pm betragen.The thickness of the region from 0 to d1, i.e. in which the concentration of the dye particles 6 drops to 90%, can be, for example, 50 pm.

Der Übergangsbereich zwischen d1 und d2, also für den Abfall von 90% Konzentration auf 10% Konzentration der Farbstoffpartikel, kann beispielsweise eine Dicke von 25pm aufweisen.The transition region between d1 and d2, i.e. for the drop from 90% concentration to 10% concentration of the dye particles, can have a thickness of 25 μm, for example.

Der durchschnittliche Durchmesser (d50-Wert) der Streupartikel kann beispielsweise 1µm sein, was wesentlich geringer ist als der durchschnittliche Durchmesser der Farbstoffpartikel, der beispielsweise zwischen 5pm und 10µm betragen kann. Sämtliche Durchschnittswerte in der vorliegenden Beschreibung beziehen sich auf die d50-Werte der Durchmesser.The average diameter (d50 value) of the scattering particles can be, for example, 1µm, which is significantly smaller than the average diameter of the dye particles, which can be, for example, between 5µm and 10µm. All average values in this description refer to the d 50 values of the diameters.

Die Farbstoffpartikel gemäß der Erfindung weisen eine höhere Dichte auf als die Streupartikel.The dye particles according to the invention have a higher density than the scattering particles.

Liste der ReferenznummernList of reference numbers

11
LED-ModulLED module
22
LED-ChipLED chip
33
Trägercarrier
44
Matrixmatrix
55
Dammdam
66
LeuchtstoffpartikelFluorescent particles
77
StreupartikelScatter particles
88th
Leuchtstoffschichtphosphor layer
99
Metallplattemetal plate
1010
LeiterplatteCircuit board
1111
PhosphorplattePhosphor plate
1212
Kräfte in der EbeneForces on the plane
1313
LED-Modul mit inhomogener LeuchtstoffschichtLED module with inhomogeneous phosphor layer
1414
LED-Modul mit homogener LeuchtstoffschichtLED module with a homogeneous phosphor layer
1515
flexibles Substratflexible substrate

Claims (14)

LED-Modul (1), aufweisend: - wenigstens einen LED-Chip (2) auf einem Träger (3), und - eine Leuchtstoffschicht (8), die auf der Lichtabstrahlfläche des LED-Chips (2) aufgebracht ist, wobei in der Schicht (8) die Leuchtstoffpartikel (6) in einer Matrix (4) aufgenommen sind, wobei die Konzentration der Leuchtstoffpartikel - in einem ersten Bereich, der den LED-Chip (2) bedeckt und/oder seitlich umgibt 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.LED module (1), comprising: - at least one LED chip (2) on a carrier (3), and - a phosphor layer (8) which is applied to the light-emitting surface of the LED chip (2), the phosphor particles (6) being accommodated in a matrix (4) in the layer (8), where the concentration of the phosphor particles - is essentially constant in a first area that covers the LED chip (2) and/or laterally surrounds it, such that the color conversion particles are packed as densely as possible in this area, and - drops suddenly with a second gradient in a second area adjacent to the first area. LED-Modul nach Anspruch 1, wobei das LED-Modul (1) weiters einen Damm (5) aufweist.LED module Claim 1 , wherein the LED module (1) further has a dam (5). LED-Modul (1) nach Anspruch 2, wobei der Damm (5) den LED-Chip (2) bzw. mehrere LED-Chips (2) seitlich umgibt und die LED-Chips (2) vorzugsweise in der Höhe überragt und vorzugweise die Matrix (4) die Oberseite des LED-Chips (2) beschichtet.LED module (1). Claim 2 , wherein the dam (5) surrounds the LED chip (2) or several LED chips (2) laterally and preferably towers above the LED chips (2) in height and preferably the matrix (4) covers the top of the LED chip (2). Chips (2) coated. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (3) durch eine Metallplatte vorzugsweise eine Aluminumplatte und eine Leiterplatte gebildet ist.LED module according to one of the preceding claims, wherein the carrier (3) is formed by a metal plate, preferably an aluminum plate and a circuit board. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das LED-Modul (1) eine Lichtstromdichte von mindestens 18 lm/mm2, bevorzugt 20-100 lm/mm2, besonders bevorzugt 25-75 lm/mm2 aufweist.LED module according to one of the preceding claims, wherein the LED module (1) has a luminous flux density of at least 18 lm/mm 2 , preferably 20-100 lm/mm 2 , particularly preferably 25-75 lm/mm 2 . LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke des zweiten Bereichs zwischen 12 µm und 40 µm vorzugsweise zwischen 20 µm und 30 µm beträgt.LED module according to one of the preceding claims, wherein the thickness of the second region is between 12 µm and 40 µm, preferably between 20 µm and 30 µm. LED-Modul (1), aufweisend: - wenigstens einen LED-Chip (2) auf einem Träger (3), und - eine Leuchtstoffschicht (8), die auf der Lichtabstrahlfläche des LED-Chips(1) aufgebracht ist, wobei in der Schicht (8) Leuchtstoffpartikel (6) und optional Streupartikel (7) in einer Matrix (4) aufgenommen sind, wobei die Leuchtstoffpartikel (6) in einer Schicht angrenzend an den LED-Chip (2) stark verdichtet und in direktem Kontakt miteinander sind.LED module (1), comprising: - at least one LED chip (2) on a carrier (3), and - a phosphor layer (8) which is applied to the light-emitting surface of the LED chip (1), wherein in the layer (8) phosphor particles (6) and optionally scattering particles (7) are accommodated in a matrix (4), the phosphor particles (6) are strongly compressed in a layer adjacent to the LED chip (2) and are in direct contact with one another. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrix (4) ein Polymer aus der Gruppe von Silikonmaterialien und Epoxymaterialien aufweist.LED module according to one of the preceding claims, wherein the matrix (4) has a polymer from the group of silicone materials and epoxy materials. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das LED-Modul ein Chip-on-board (COB) Modul ist.LED module according to one of the preceding claims, wherein the LED module is a chip-on-board (COB) module. LED-Modul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das LED-Modul (1) eine zusätzliche Phosphorplatte (11) vorzugsweise mit homogener Leuchtstoffpartikelverteilung aufweist.LED module (1) according to one of the preceding claims, wherein the LED module (1) has an additional phosphor plate (11), preferably with a homogeneous phosphor particle distribution. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der durchschnittliche Durchmessser der Farbstoffpartikel zwischen 5 µm und 15 µm beträgt.LED module according to one of the preceding claims, wherein the average diameter of the dye particles is between 5 µm and 15 µm. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der durchschnittliche Durchmessser der Streupartikel zwischen 0,5 µm und 2 µm beträgt.LED module according to one of the preceding claims, wherein the average diameter of the scattering particles is between 0.5 µm and 2 µm. LED-Modul (1) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei zumindest die innere Wand des Dammes (5) lichtreflektierend oder streuend ist, und/oder der Damm reflektierende oder lichtstreuende Partikel, vorzugsweise weiße Pigmente, aufweist.LED module (1) according to one of the Claims 9 until 12 , wherein at least the inner wall of the dam (5) is light-reflecting or scattering, and / or the dam has reflecting or light-scattering particles, preferably white pigments. LED-Leuchte, insbesondere Strahler (Spotlights, Downlights) ,aufweisend wenigstens ein LED-Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.LED light, in particular spotlights (spotlights, downlights), having at least one LED module (1) according to one of the preceding claims.
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