DE102014203191A1

DE102014203191A1 - LED-Modul mit einer LED

Info

Publication number: DE102014203191A1
Application number: DE102014203191.5A
Authority: DE
Inventors: Farhang Ghasemi Afshar; Axel Kaltenbacher; Robert Gareis
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2015-08-27
Also published as: WO2015124427A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul mit einer LED (1) und einem Keramikkörper (2) als Substrat, auf welchem die LED (1) angeordnet ist, wobei der Keramikkörper (2) solchermaßen zumindest transluzent vorgesehen ist, dass auf die Keramikkörper-Oberseite (7) fallendes Rückstreu-Licht zumindest teilweise zur entgegengesetzten Keramikkörper-Unterseite (8) transmittiert wird, und wobei ein Großteil des dorthin transmittierten Rückstreu-Lichts dann reflektiert wird, um die Lichtausbeute des LED-Moduls zu erhöhen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul mit einem Substrat, auf welchem eine LED angeordnet ist.
Stand der Technik
Gegenüber konventionellen Glüh- oder auch Leuchtstofflampen können sich gegenwärtig entwickelte optoelektronische Lichtquellen beispielsweise durch eine verbesserte Energieeffizienz auszeichnen. In der vorliegenden Offenbarung bezieht sich „LED-Modul“ auf eine optoelektronische Baugruppe mit üblicherweise einer Vielzahl LEDs, wobei „LED“ im Allgemeinen sowohl eine anorganische als auch eine organische Leuchtdiode meinen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes LED-Modul anzugeben.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß löst diese Aufgabe ein LED-Modul mit einer LED, die an einer LED-Oberseite eine zur Emission von Licht mit einem Schwerpunktstrahl ausgelegte Lichtabstrahlfläche aufweist, und einem Keramikkörper als Substrat, der in den Seitenrichtungen senkrecht zum Schwerpunkstrahl jeweils eine Keramikkörper-Seitenerstreckung hat, die mindestens dem 2-fachen einer in der jeweilig selben Seitenrichtung genommenen Seitenerstreckung der LED entspricht, und wobei die LED auf dem Keramikkörper angeordnet ist, und zwar mit einer ihrer LED-Oberseite entgegengesetzten LED-Unterseite einer Keramikkörper-Oberseite zugewandt, und wobei ferner der Keramikkörper solchermaßen zumindest transluzent ist, dass ein Rückstreu-Anteil des Lichts, also Rückstreu-Licht, das mit einer Richtungskomponente dem Schwerpunktstrahl entgegengesetzt auf die Keramikkörper-Oberseite fällt, zumindest zum Teil zu einer dieser entgegengesetzten Keramikkörper-Unterseite transmittiert wird, wobei jedenfalls ein Großteil des dorthin transmittierten Rückstreu-Lichts reflektiert wird, um dann mit einer Richtungskomponente in Richtung des Schwerpunktstrahls die Lichtausbeute des LED-Moduls zu erhöhen.
Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrensaspekten bzw. Verwendungen unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
Als Substrat wird ein zumindest transluzenter Keramikkörper vorgesehen, der also in Abhängigkeit von Keramikmaterial und -dicke auch transparent sein kann. Vereinfacht gesprochen fällt dann Rückstreu-Licht auf die Keramikkörper-Oberseite und wird es (jedenfalls zum Teil) im Keramikkörper zur entgegengesetzten Keramikkörper-Unterseite transmittiert, um dann nach einer Reflexion in entgegengesetzter Richtung, also mit einer Richtungskomponente in Richtung des Schwerpunktstrahls, wieder durch die Keramikkörper-Oberseite auszutreten. Die Richtungskomponente „in Richtung“ des Schwerpunktstrahls ist parallel zu diesem und weist eben in dieselbe Richtung; das Licht wird dann vielfach zusätzlich eine Richtungskomponente in einer Seitenrichtung haben. Vom LED-Modul kann so also mehr Licht als in einem Referenzfall ohne Reflexion abgegeben werden.
Diese erfindungsgemäße Kombination aus Transmission und unterseitiger Reflexion kann etwa gegenüber einer alternativ denkbaren Verspiegelung der Oberseite insofern vorteilhaft sein, als beispielsweise beim Aufbringen einer Reflexionsschicht keine Aussparungen für die LED und gegebenenfalls einer deren Kontaktierung dienender Leiterbahnstruktur berücksichtigt werden müssen. Die Unterseite kann vergleichsweise großflächig und damit weitgehend ohne Strukturierungsaufwand reflektiv vorgesehen werden.
Soweit auf den Keramikkörper und seine Eigenschaften Bezug genommen wird, soll dies im Allgemeinen nicht implizieren, dass der Gesamtkeramikkörper entsprechende Eigenschaften haben muss; es könnte also beispielsweise ein Randbereich des Gesamtkeramikkörpers auch vergleichsweise dick und nicht transluzent oder unterseitig nicht reflektiv vorgesehen sein.
„Keramikkörper“ bezieht sich also zumindest auf einen Bereich des Gesamtkeramikkörpers, in dem die LED angeordnet ist und welcher eine Keramikkörper-Seitenerstreckung von mindestens dem 2-fachen, vorzugsweise dem 4-fachen, weiter bevorzugt dem 6-fachen, (jeweils in derselben Richtung genommenen) der LED-Seitenerstreckung hat. Soweit bevorzugt eine Vielzahl LEDs vorgesehen sind, können die jeweiligen Teilbereiche im Allgemeinen auch überlappen. Es geht also darum, dass jeder LED ein entsprechend transmissiver/reflektiver Bereich zur Verfügung steht, jedoch kann dieser aber zugleich auch von einer anderen LED „genutzt“ werden; bevorzugt steht jedoch jeder LED jeweils ein eigener Bereich entsprechender Größe zur Verfügung.
Der „Schwerpunktstrahl“ ist hinsichtlich Fußpunkt und Richtung als Mittelwert der Strahlen des von der LED an der Lichtabstrahlfläche emittierten Strahlenbündels gebildet (also der Vielzahl jeweils an unterschiedlichen Stellen in unterschiedliche Richtungen abgegebenen Strahlen); die „Strahlen“ sind hierbei ein gängiger theoretischer Ansatz zur Modellierung von Licht bzw. dessen Ausbreitung (Raytracing). Bei bevorzugten Ausführungsformen liegt der Schwerpunktstrahl senkrecht zur Lichtabstrahlfläche und mit seinem Fußpunkt im Mittelpunkt davon, etwa im Falle einer Lambertschen Abstrahlcharakteristik.
Die Angaben „oben“/“unten“ bzw. „Oberseite“/“Unterseite“ schaffen ein Bezugssystem innerhalb des LED-Moduls, das also maßgeblich für die Relativanordnung von dessen Bestandteilen ist; die Angaben haben jedoch keine Implikation hinsichtlich einer späteren Montageorientierung des LED-Moduls, dieses kann etwa im Falle eines Downlight-Moduls auch mit den Oberseiten nach unten weisend montiert werden.
Die LED ist auf dem Keramikkörper angeordnet, und zwar hinsichtlich der Seitenrichtungen vorzugsweise mittig; „auf“ meint insofern oberhalb davon, aber nicht zwingend unmittelbar daran grenzend. Vorzugsweise wird nämlich zumindest eine der Montage der LED dienende Verbindungsschicht zwischen Keramikkörper und LED vorgesehen sein, etwa eine Fügeverbindungsschicht, wie beispielsweise eine Klebstoffschicht. Ferner kann auch eine Leiterbahnstruktur zwischen Keramikkörper und LED angeordnet und etwa über eine Lot- bzw. Diffusionslotschicht oder auch leitfähigen Klebstoff elektrisch leitend mit der LED-Unterseite verbunden sein (im allgemeinen Sprachgebrauch „Rückseitenkontakt“). Es können beispielsweise auch eine Mehrzahl Unterseitenkontakte vorgesehen und die LED dann allein über diese elektrisch angeschlossen sein, jedoch ist auch eine Kombination aus Unter- und Oberseitenkontakt möglich.
Im Allgemeinen kann „LED“ im Rahmen dieser Offenbarung auch auf einen bereits für sich gehäusten LED-Chip zu lesen sein, etwa auf ein SMD-Bauteil (Surface Mounted Device). Vorzugsweise meint „LED“ jedoch einen für sich nicht gehäusten LED-Chip, der dann erst zusammen mit den übrigen LED-Chips des LED-Moduls gemeinsam gehäust ist bzw. wird, also auf dem Keramikkörper angeordnet und beispielsweise nach einer elektrischen Kontaktierung mit einem Verfüllmaterial ummantelt wird, etwa durch Verguss, beispielsweise mit Silikon.
Das „Rückstreu-Licht“ ist originär in der LED erzeugtes Licht (was auch von einem zugeordneten Leuchtstoff erzeugtes Licht umfasst), das beispielsweise infolge von Streuprozessen, etwa in einem eben genannten Verfüllmaterial, und/oder auch aufgrund von Reflexionen mit einer Richtungskomponente dem Schwerpunktstrahl entgegengesetzt auf die Keramikkörper-Oberseite fällt. Die „entgegengesetzte“ Richtungskomponente ist parallel zum Schwerpunktstrahl und zeigt in die entgegengesetzte Richtung, also nach unten; üblicherweise wird sie von einer seitlichen Richtungskomponente ergänzt.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Keramikkörper derart vorgesehen, dass ein Transmissionsanteil von mindestens 60 %, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 70 %, 80 % beziehungsweise 90 % des Rückstreu-Lichts zur Keramikkörper-Unterseite transmittiert wird.
Im Allgemeinen könnte der Keramikkörper beispielsweise auch aus einem bereits für sich transmissiven Keramikmaterial vorgesehen sein und wäre der Transmissionsanteil dann jedenfalls im Rahmen vorliegend üblicher Keramikkörper-Maximaldicken von einigen Millimetern weitgehend entkoppelt von der Dicke. Ein Beispiel für ein an sich bereits transparentes Keramikmaterial ist eine Spinell-Keramik (MgO·Al₂O₃).
In bevorzugter Ausgestaltung wird allerdings die parallel zum Schwerpunktstrahl genommene Dicke des Keramikkörpers begrenzt und soll diese höchstens 500 µm, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 450 µm, 400 µm, 350 µm bzw. 300 µm, betragen. Im Falle eines Keramikkörpers mit unterschiedlichen Dicken, etwa aufgrund einer Oberflächenstruktur, ist „Dicke“ als über den Keramikkörper gemittelte Dicke zu lesen.
Indem also ein vergleichsweise dünner Keramikkörper vorgesehen wird, kann sich einerseits auch weitgehend unabhängig vom konkreten Keramikmaterial die gewünschte Transluzenz erreichen lassen, was etwa hinsichtlich der Kosten im Rahmen einer Massenfertigung Vorteile bieten kann. Es muss dann nämlich nicht ein gegebenenfalls aufwendig herzustellendes, für sich transparentes Keramikmaterial vorgesehen werden. Andererseits kann die Dickenbegrenzung aber auch im Falle eines solchen Vorteile bieten und von Interesse sein, etwa weil über einen entsprechend dünnen Keramikkörper die Wärme besser zu einem unterseitig vorgesehenen Kühlkörper abgeführt werden kann.
Dies ist auch ein Vorteil gegenüber einer alternativ angedachten Ausführungsform, nämlich dem Vorsehen einer für sich bereits reflektiven Keramik, also einem im Volumen reflektiven Keramikmaterial, etwa einer hochreflektiven Keramik (highly reflective ceramic). Diese kann beispielsweise aus Al₂O₃ vorgesehen und aufgrund ihrer Porosität hochreflektiv sein. Von einer solchen wird darauffallendes Licht nämlich nicht bereits an der Oberfläche reflektiert, sondern es dringt in den Keramikkörper ein und wird dann erst bei einer Eindringtiefe im Millimeterbereich nahezu vollständig reflektiert. Folglich müsste ein solcher Keramikkörper entsprechend dick sein, was neben den Materialkosten – die bei einem Spezial-Keramikmaterial ohnehin hoch sein können – auch hinsichtlich der thermischen Eigenschaften nachteilig wäre.
Für die Keramikkörper-Dicke kann andererseits jedoch auch eine Untergrenze bevorzugt sein, und zwar auch unabhängig vom Vorsehen einer Obergrenze (Mindest- und Maximaldicke sollen auch unabhängig voneinander offenbart sein). Bevorzugte Mindestdicken liegen bei mindestens 50 µm, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt bei mindestens 75 µm, 100 µm, 125 µm, 150 µm 175 µm bzw. 200 µm.
Von dem Transmissionsanteil wird in bevorzugter Ausgestaltung ein Reflexionsanteil von mindestens 80 %, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 85 %, 90 %, 95 % bzw. 97 %, mit einer Richtungskomponente in Richtung des Schwerpunkstrahls reflektiert. Diese Angaben beziehen sich ausdrücklich auf den Transmissionsanteil, also nicht auf das gesamte Rückstreu-Licht, sondern nur auf den zur Keramikkörper-Unterseite transmittierten Teil davon.
In bevorzugter Ausgestaltung ist zur Reflexion eine Reflexionsschicht an der Keramikkörper-Unterseite vorgesehen, vorzugsweise eine (gegebenenfalls über eine Haftvermittlerschicht dazwischen) am Keramikkörper haftende Reflexionsschicht. Im Allgemeinen könnte die Reflexion indes beispielsweise auch durch Totalreflexion in Verbindung mit einer diese begünstigenden Oberflächenstrukturierung erreicht werden.
Bei der Reflexionsschicht kann es sich im Allgemeinen etwa auch um eine Reflektorfolie handeln, beispielsweise um eine Mikrozellulare PET Folie (MC-PET); die Reflektorfolie kann aufgrund des verwendeten Basismaterials und/oder aufgrund einer Oberflächenstrukturierung, beispielsweise in die Oberfläche eingebrachten Kavitäten, reflektiv sein.
Ferner könnte als Reflexionsbeschichtung beispielsweise auch ein Matrixmaterial mit statistisch darin verteilt eingebetteten Reflexionspartikeln vorgesehen sein, also etwa ein Matrixmaterial, beispielsweise auf organischer Basis, mit Farbpigmenten und/oder Metallpartikeln darin, zum Beispiel Silikon mit darin eingebetteten Titandioxid-Partikeln.
Bevorzugt ist indes eine Metallschicht als Reflexionsschicht, im Allgemeinen etwa auch eine Aluminiumschicht; weiter bevorzugt ist eine Reflexionsschicht auf Silberbasis, die besonders bevorzugt im Rahmen technisch üblicher Reinheitsgrade ausschließlich aus Silber besteht. Insgesamt kann unterseitig des Keramikkörpers selbstverständlich auch ein Mehrschichtsystem vorgesehen sein, kann zwischen dem Keramikkörper und der eigentlichen Metall-Reflexionsschicht also beispielsweise auch ein Haftvermittler vorgesehen sein, etwa Zirkonoxid, zum Beispiel mit einer Dicke von einigen Nanometern.
Ferner kann auch unterseitig der Reflexionsschicht eine weitere Beschichtung aufgebracht sein, etwa zum Schutz vor mechanischer Einwirkung und/oder als Korrosionsschutz. Es kann beispielsweise eine Schutzbeschichtung mit Titan und/oder Ruthenium unterseitig der Reflexionsschicht aufgebracht sein. Besonders bevorzugt ist eine Schichtfolge: Silber (als Reflexionsschicht), Titan und dann Nickel-Vanadium, wobei die Titanschicht zum Beispiel eine Dicke von mindestens 30 nm, vorzugsweise mindestens 40 nm, und von höchstens 80 nm, vorzugsweise höchstens 60 nm, haben kann; die NiV-Schicht kann beispielsweise eine Dicke von mindestens 50 nm, vorzugsweise mindestens 100 nm, und von höchstens 300 nm, vorzugsweise höchstens 200 nm, haben.
Im Falle einer metallischen Reflexionsschicht kann der verringerte Strukturierungsaufwand im Besonderen zum Tragen kommen, weil anderenfalls bei einer vorderseitigen Aufbringung eventuell zusätzliche Aussparungen für eine vorderseitige Leiterbahnstruktur zu strukturieren wären. Oder es müsste die Leiterbahnstruktur zur Vermeidung von Kurzschlüssen erst mit einer zusätzlichen Isolationsschicht bedeckt werden, was einen Mehraufwand bedeutet.
Die Reflexionsschicht hat in bevorzugter Ausgestaltung eine Dicke von maximal 500 nm, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 450 nm, 400 nm, 350 nm, 300 nm beziehungsweise 250 nm; im Falle einer ungleichmäßigen Dicke wird wiederum ein über den Keramikkörper (also über den vorstehend diskutierten Bereich des Gesamtkeramikkörpers) als Mittelwert gebildete mittlere Dicke betrachtet. Bevorzugt ist indes eine Reflexionsschicht mit konstanter Dicke, auch hinsichtlich einer möglichst einfachen Aufbringung.
Bei einer solchen Begrenzung der Schichtdicke haben die Erfinder insofern Vorteile beobachtet, als sich so eine Verwölbung des Keramikkörper-Reflexionsschicht-Verbunds zumindest begrenzen lassen kann. Etwa eine Metall-Reflexionsschicht hat in der Regel einen deutlich größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Keramikkörper, was beispielsweise bei den durch Ein- und Ausschalten in der Anwendung bedingten Temperaturschwankungen zu einer sich ändernden Verwölbung führen kann.
In diesem Zusammenhang kann auch generell das Vorsehen einer unterseitigen Beschichtung gegenüber dem diskutierten Referenzfall mit oberseitiger Reflexionsschicht Vorteile bieten, weil die unterseitige Reflexionsschicht zumindest ein gewisses „Gegengewicht“ zu einer oberseitigen Leiterbahnstruktur darstellen kann. Anders ausgedrückt würden sich die von Leiterbahnstruktur und Reflexionsschicht auf den Keramikkörper übertragenen Kräfte bei einer Anordnung von Leiterbahnstruktur und Reflexionsschicht auf derselben Seite (oberseitig im Referenzfall) gewissermaßen aufaddieren, wohingegen durch die Aufteilung auf Ober- und Unterseite ein teilweiser Ausgleich erreicht werden kann.
Andererseits ist aber auch eine gewisse Mindestdicke der Reflexionsschicht bevorzugt (und soll diese auch unabhängig von einer Maximaldicke offenbart sein), etwa von mindestens 50 nm, weiter bevorzugt mindestens 100 nm, besonders bevorzugt mindestens 150 nm.
Vorzugsweise ist die Keramikkörper-Oberseite vollständig unterhalb der LED angeordnet; eine die LED-Unterseite beinhaltende Ebene wird von der Keramikkörper-Oberseite also nicht geschnitten. Dies gilt wiederum jedenfalls für den Keramikkörper, also den vorstehend benannten Bereich des Gesamtkeramikkörpers, vorzugsweise jedoch auch für den Gesamtkeramikkörper. Die Keramikkörper-Oberseite ist vorzugsweise plan, also eben, und erstreckt sich parallel zu besagter, die LED-Unterseite beinhaltender Ebene (was wiederum besonders bevorzugt auch für die Gesamtkeramikkörper-Oberseite gilt).
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Keramikkörper durchgehend, also zusammenhängend als ein Teil vorgesehen; dabei können aber durchaus ein bzw. mehrere Durchkontakte zur elektrischen Kontaktierung der LED den Keramikkörper durchsetzen. Der Keramikkörper hat somit einen vergleichsweise einfachen Aufbau.
Wie bereits eingangs erwähnt, weist das LED-Modul vorzugsweise eine Vielzahl LEDs auf, etwa mindestens 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 bzw. 20 LEDs (deren jeweilige Keramikkörper Teil eines Gesamtkeramikkörpers sind). Der Gesamtkeramikkörper ist vorzugsweise eine Platte, hat also eine plane Ober- und eine plane Unterseite (die parallel zueinander sind), also eine konstante Dicke. In den Seitenrichtungen hat der plattenförmige Gesamtkeramikkörper eine jeweilige Erstreckung, die ein Vielfaches der Dicke beträgt, etwa mindestens das 20-, 40-, 60-, 80- bzw. 100-fache davon (in sämtlichen den Schwerpunktstrahl beinhaltenden Schnittebenen betrachtet).
Generell ist der Keramikkörper bevorzugt ein monolithisches Teil und gilt dies weiter bevorzugt auch für den Gesamtkeramikkörper. „Monolithisch“ meint insoweit ohne Materialgrenzen im Inneren zwischen Bereichen unterschiedlichen Keramikmaterials und/oder zwischen Bereichen unterschiedlicher Herstellungsgeschichte. Der Keramikkörper ist also in einem Schritt aus einem durchgehenden Keramikmaterial geformt, was im Allgemeinen jedoch keine Nachbehandlung ausschließen soll, also etwa ein Abtragen von Keramikmaterial zur endgültigen Formgebung.
Das Keramikmaterial ist ein anorganischer, nichtmetallischer Stoff. Bevorzugt ist eine Oxidkeramik, beispielsweise Al₂O₃ (Alumina), insbesondere nicht porös, oder eine Nicht-Oxidkeramik, beispielsweise AlN.
Das Keramikmaterial kann beispielsweise einen Brechungsindex von mindestens 1,3, vorzugsweise mindestens 1,4, und (davon abhängig) von höchstens 1,8, vorzugsweise höchstens 1,7, haben (bei 589 nm).
Zusätzlich zu der LED und dem Keramikkörper kann das LED-Modul beispielsweise auch einen Kühlkörper aufweisen, und zwar unterseitig des Keramikkörpers. Der Kühlkörper, der etwa aus einem Metall vorgesehen sein kann, kann z.B. eine im Wesentlichen plane Oberseite haben und an seiner Unterseite strukturiert sein, etwa Kühlrippen aufweisen.
Die Keramikkörper- bzw. Gesamtkeramikkörper-Unterseite ist dann der Kühlkörper-Oberseite zugewandt, dazwischen kann beispielsweise noch die Reflexions- und/oder eine Schutzschicht vorgesehen sein.
Wie bereits eingangs erwähnt, betrifft die Erfindung auch ein Herstellungsverfahren. Dabei wird die LED auf dem Keramikkörper angeordnet und vorzugsweise über eine vorstehend genannte Verbindungsschicht unmittelbar damit oder mit einer auf dem Keramikkörper vorgesehenen Leiterbahnstruktur verbunden.
Generell ist eine oberseitig des Keramikkörpers vorgesehene Leiterbahnstruktur bevorzugt, besonders bevorzugt ist eine ausschließlich oberseitig des Keramikkörpers vorgesehene Leiterbahnstruktur. Die Leiterbahndicke kann dabei beispielsweise mindestens 20 µm, vorzugsweise mindestens 30 µm, weiter bevorzugt mindestens 40 µm, betragen; Maximaldicken liegen z.B. bei in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 70 µm, 60 µm beziehungsweise 50 µm. Die Leiterbahnstruktur weist vorzugsweise eine Kupferschicht auf, worauf weiter bevorzugt noch ein Schichtsystem aufgebracht ist, nämlich besonders bevorzugt aus Nickel, Palladium und Gold.
Die Kupferschicht kann beispielsweise eine Dicke von mindestens 15 µm, in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 25 µm, 35 µm beziehungsweise 40 µm haben, wobei mögliche Obergrenzen (davon unabhängig) beispielsweise bei 65 µm, 55 µm beziehungsweise 50 µm liegen. Die Nickelschicht kann zum Beispiel eine Dicke von mindestens 2,5 µm, vorzugsweise mindestens 3,5 µm, haben; mögliche Obergrenzen liegen (davon unabhängig) zum Beispiel bei höchstens 7,5 µm, vorzugsweise höchstens 6,5 µm. Die Palladiumschicht kann beispielsweise eine Dicke von mindestens 50 nm, vorzugsweise mindestens 75 nm, haben, und Obergrenzen können (davon unabhängig) etwa bei höchstens 150 nm, vorzugsweise höchstens 125 nm, liegen. Die Goldschicht kann etwa eine Dicke von mindestens 25 nm, vorzugsweise mindestens 40 nm, haben, wobei Maximalwerte (davon unabhängig) zum Beispiel bei höchstens 75 nm, vorzugsweise höchstens 65 nm, liegen.
Das Aufmetallisieren der Leiterbahnstruktur kann im Allgemeinen beispielsweise auch durch Sputtern, Aufdampfen, Aufsprühen, Aufschmelzen oder Flammspritzen erfolgen; vorzugsweise wird die Leiterbahnstruktur jedoch in einem Bad abgeschieden, stromlos und/oder elektrogalvanisch.
In bevorzugter Ausgestaltung wird eine metallische Reflexionsschicht dabei nicht im selben Prozessschritt aufgebracht, sondern wird zuerst die Leiterbahnstruktur und dann die Metallschicht (oder umgekehrt) aufgebracht. Besonders bevorzugt unterscheiden sich die Prozessschritte auch in ihrer Art, finden also unterschiedliche Aufbringungsverfahren Anwendung.
Im Allgemeinen kann die Reflexionsschicht beispielsweise mittels physikalischer und/oder chemischer Abscheideverfahren aufgebracht werden, etwa durch Drucken, Rakeln, Dispensen, lithografisch Strukturieren, abrasiv Strukturieren (µ-Sandstrahlen), Jetten, Stempeln, Sprühen (auf zuvor applizierten Klebstoff); auch eine direkte Aufbringung ist möglich, bei welcher sich die Anbindung infolge einer kinetischen Beschleunigung der Partikel ergibt.
In bevorzugter Ausgestaltung wird eine metallische Reflexionsschicht gesputtert, was besonders bevorzugt in Kombination mit einer (zuvor oder danach) stromlos/elektrogalvanisch abgeschiedenen Leiterbahnstruktur erfolgt. Mit der Abscheidung der Leiterbahnstruktur in einem Bad können beispielsweise gut die genannten Mindestdicken erreicht werden, wohingegen das Sputtern das Aufbringen einer vergleichsweise dünnen Reflexionsschicht (vgl. die vorstehenden Werte) ermöglichen kann. Die Flächenbelegung durch die Leiterbahnstruktur ist vorzugsweise um ein Vielfaches kleiner als die durch die Reflexionsschicht, weswegen der Einfluss auf die Verwölbung (trotz größerer Dicke) nicht zwingend größer ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den Anspruchskategorien unterschieden wird und die Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können.
Im Einzelnen zeigt
1 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen LED-Moduls in einer schematischen Schnittdarstellung;
2 den Keramikkörper eines erfindungsgemäßen LED-Moduls mit unterseitiger Reflexionsschicht in einer geschnittenen Schrägansicht.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung
1 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen LED-Moduls, nämlich eine LED 1, die auf einem Keramikkörper 2 montiert ist. Die LED 1 emittiert an einer oberseitigen Lichtabstrahlfläche 3 Licht mit einer Lambertschen Abstrahlcharakteristik. Ein Schwerpunktstrahl 4 ist als Schwerpunkt des Lambertschen Strahlenbündels gebildet.
Ferner ist in 1 die Lichtausbreitung entlang eines Strahls 5 des Strahlenbündels exemplarisch veranschaulicht. Das an der Lichtabstrahlfläche 3 entlang des Strahls 5 abgegebene Licht wird an einer nachgelagerten Grenzfläche, nämlich dem Übergang zwischen einem optisch dichteren Vergussmaterial 6 und der Umgebungsluft, zum Teil zurückreflektiert. Es verlässt also nur ein Teil des Lichts das Vergussmaterial 6 mit einer Richtungskomponente entlang des Schwerpunktstrahls 4. Das Rückstreu-Licht wird hingegen mit einer Richtungskomponente dem Schwerpunktstrahl 4 entgegengesetzt zurück zur Oberseite 7 des Keramikkörpers 2 reflektiert.
Dieser Lichtausbreitungsweg ist selbstverständlich nur ein Beispiel für das Zustandekommen von Rückstreu-Licht. Es kann beispielsweise auch durch Reflexions- bzw. Streuprozesse innerhalb des Vergussmaterials 6, etwa an eingeschlossenen Partikeln oder Kavitäten, Rückstreu-Licht entstehen. Dessen Zustandekommen im Einzelnen ist vorliegend auch von eher nachgeordnetem Interesse; die Erfindung betrifft indes den Umgang mit dem Rückstreu-Licht.
Der Keramikkörper 2 ist nämlich derart vorgesehen, dass ein Großteil des auf die Keramikkörper-Oberseite 7 fallenden Rückstreu-Lichts zur entgegengesetzten Keramikkörper-Unterseite 8 transmittiert wird, etwa mindestens 90 % davon. Vorliegend ist der Keramikkörper aus Al₂O₃ mit einem Brechungsindex von ca. 1,7 vorgesehen und wird dementsprechend das Licht beim Übergang von dem Vergussmaterial 6 (Silikon mit einem Brechungsindex von 1,4) zur Flächennormalen hin gebrochen. Dies ist bevorzugt; im Allgemeinen könnte das Verhältnis der Brechungsindizes jedoch auch umgekehrt sein, also ein Teil des Rückstreu-Lichts bereits an der Keramikkörper-Oberseite 7 totalreflektiert werden (und wäre der Transmissionsanteil entsprechend geringer).
Es wird aber jedenfalls nicht das gesamte Rückstreu-Licht oberseitig reflektiert, vorliegend wird der Großteil zur entgegengesetzten Keramikkörper-Unterseite 8 transmittiert. Dazu ist keine spezielle Keramik aus einem bereits für sich transparenten Keramikmaterial vorgesehen, sondern ist der Keramikkörper 2 aus Al₂O₃ entsprechend dünn. Die entlang des Schwerpunktstrahls 4 genommene Dicke liegt bei rund 200 µm und ist über den Keramikkörper 2 konstant.
An dieser Stelle ist auch anzumerken, dass 1 mit dem Keramikkörper 2 nur einen Teilbereich des Gesamtkeramikkörpers zeigt; letzterer ist in 2 in einer geschnittenen Schrägansicht dargestellt. Auch der Gesamtkeramikkörper hat eine konstante Dicke und ist als einfache rechteckige Platte ausgeführt.
Das zur Keramikkörper-Unterseite 8 transmittierte Licht würde dort austreten (gegebenenfalls von einer Totalreflexion bei flachen Einfallswinkeln abgesehen). Vorliegend ist die Keramikkörper-Unterseite 8 jedoch verspiegelt, und zwar mit einer Silberschicht 9 mit einer Dicke von rund 200 nm. Das zur Keramikkörper-Unterseite 8 transmittierte Rückstreu-Licht wird daran reflektiert, hat dann also eine Richtungskomponente in Richtung des Schwerpunktstrahls 4. Es propagiert also zur Keramikkörper-Oberseite 7, um nach einem Übergang in das Vergussmaterial 6 an dessen Oberseite 10 auszutreten und einer Beleuchtungsanwendung zur Verfügung zu stehen. Dabei kann an den Grenzflächen selbstverständlich jeweils anteilig etwas Licht verloren gehen, etwa durch Totalreflexion im Falle flacher Winkel, jedoch wird die Lichtausbeute insgesamt erhöht.
Die Silberschicht 9 ist Teil eines Mehrschichtsystems. Sie ist also auf eine als Haftvermittler direkt auf die Keramikkörper-Unterseite 8 abgeschiedene ZrO₂-Schicht, die eine Dicke von wenigen Nanometern hat, aufgebracht. Ferner ist auf die Silberschicht 9 ein Schutzschichtsystem aufgebracht, also an deren Unterseite vorgesehen, und zwar eine Titanschicht mit einer Dicke von 50 nm auf der Silberschicht 9 und einer NiV- mit einer Dicke von 150 nm auf der Titan-Schicht. Die zusätzlichen Schichten sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
2 zeigt den Gesamtkeramikkörper 21 in einer geschnittenen Schrägansicht, und zwar von schräg oben darauf blickend. Unterhalb davon ist strichliert angedeutet die Silberschicht 9 zu erkennen, die also als durchgehende Schicht großflächig in dem Bereich unterhalb der LEDs 1 aufgebracht ist. In diesem kreisförmigen Bereich sind auch die LEDs 1 angeordnet, und es wird, mit dem Rand der Silberschicht 9 in Richtung des Schwerpunktstrahls 4 fluchtend, umlaufend ein Damm auf den Gesamtkeramikkörper 21 aufgebracht (nicht dargestellt). Dieser Damm begrenzt eine nach oben offene Kavität, die anschließend mit dem Vergussmaterial 6 aufgefüllt wird, in dem also die LEDs 1 dann eingebettet sind.
Ebenfalls der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist eine vorderseitig auf den Gesamtkeramikkörper 21 aufgebrachte Leiterbahnstruktur, mit der die LEDs 1 über flächige Verbindungsschichten und/oder Bonddrähte elektrisch leitend verbunden sind.

Claims

LED-Modul mit einer LED (1), die an einer LED-Oberseite eine zur Emission von Licht mit einem Schwerpunktstrahl (4) ausgelegte Lichtabstrahlfläche (3) aufweist, und einem Keramikkörper (2) als Substrat, der in den Seitenrichtungen senkrecht zum Schwerpunkstrahl (4) jeweils eine Keramikkörper-Seitenerstreckung hat, die mindestens dem 2-fachen einer in der jeweilig selben Seitenrichtung genommenen Seitenerstreckung der LED (1) entspricht, und wobei die LED (1) auf dem Keramikkörper (2) angeordnet ist, und zwar mit einer ihrer LED-Oberseite entgegengesetzten LED-Unterseite einer Keramikkörper-Oberseite (7) zugewandt, und wobei ferner der Keramikkörper solchermaßen zumindest transluzent ist, dass ein Rückstreu-Anteil des Lichts, also Rückstreu-Licht, das mit einer Richtungskomponente dem Schwerpunktstrahl (4) entgegengesetzt auf die Keramikkörper-Oberseite (7) fällt, zumindest zum Teil zu einer dieser entgegengesetzten Keramikkörper-Unterseite (8) transmittiert wird, wobei jedenfalls ein Großteil des dorthin transmittierten Rückstreu-Lichts reflektiert wird, um dann mit einer Richtungskomponente in Richtung des Schwerpunktstrahls (4) die Lichtausbeute des LED-Moduls zu erhöhen.
LED-Modul nach Anspruch 1, bei welchem ein Transmissionsanteil von mindestens 60 % des Rückstreu-Lichts zu der Keramikkörper-Unterseite (8) transmittiert wird.
LED-Modul nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Keramikkörper (2) eine parallel zum Schwerpunktstrahl (4) genommene Dicke von mindestens 50 µm, und von höchstens 500 µm hat.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem ein Reflexionsanteil von mindestens 80 % des zur Keramikkörper-Unterseite (8) transmittierten Lichts reflektiert wird.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem an der Keramikkörper-Unterseite (8) eine Reflexionsschicht (9) vorgesehen ist.
LED-Modul nach Anspruch 5, bei welchem die Reflexionsschicht (9) eine Metallschicht ist.
LED-Modul nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem die Reflexionsschicht (9) eine parallel zum Schwerpunktstrahl (4) genommene Dicke von höchstens 500 nm hat.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Keramikkörper-Oberseite (7) vollständig unterhalb der LED (1) angeordnet ist.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Keramikkörper (2) durchgehend ausgebildet ist.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Vielzahl LEDs (1), bei welchem der Keramikkörper (2) eine Platte und vorzugsweise insgesamt durchgehend ausgebildet ist.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Keramikkörper (2) aus einem von einer Oxidkeramik und einer Nicht-Oxid-Keramik vorgesehen ist.
Verfahren zum Herstellen eines LED-Moduls nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die LED (1) vollständig auf dem Keramikkörper (2) angeordnet wird, und zwar mit der ihrer LED-Oberseite entgegengesetzten LED-Unterseite der Keramikkörper-Oberseite (7) zugewandt.
Verfahren nach Anspruch 12 zum Herstellen eines LED-Moduls nach Anspruch 6, welches LED-Modul eine Leiterbahnstruktur an der Keramikkörper-Vorderseite (7) aufweist, wobei die Leiterbahnstruktur und die Reflexionsschicht (9) in jeweils einem eigenen Prozessschritt aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die Reflexionsschicht (9) in einem Sputter-Prozessschritt aufgebracht wird.