DE102016206896A1

DE102016206896A1 - Anordnung von lichtemittierenden Halbleiterchips und Leuchtmittel mit lichtemittierenden Halbleiterchips

Info

Publication number: DE102016206896A1
Application number: DE102016206896.2A
Authority: DE
Inventors: Manfred Scheubeck; Tilman Eckert; Anuarul Ikhwan Mat Nazri; Kok Eng Ng
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-10-26

Abstract

Bei einer Anordnung von einer Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterchips auf einem Träger weist dieser eine erste Erstreckungsrichtung und eine zweite Erstreckungsrichtung auf. Der Träger ist in ein Raster mit gleich großen, aneinander angrenzenden, gedachten rechteckigen Bereichen aufgeteilt, wobei in jedem gedachten Bereich mindestens ein lichtemittierender Halbleiterchip angeordnet ist und die lichtemittierenden Halbleiterchips innerhalb der gedachten Bereiche angeordnet sind. Der Träger ist bezüglich der ersten Erstreckungsrichtung bezüglich einer Mittellinie in zwei Hälften geteilt. Die thermische Verlustleistung der lichtemittierenden Halbleiterchips in einer vorgegebenen Anzahl von Bereichen um die Mittellinie ist umso größer, je weiter der Bereich von der Mittellinie entfernt ist.
Ferner wird ein Leuchtmittel mit einer Anordnung von lichtemittierenden Halbleiterchips auf einem Träger offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von lichtemittierenden Halbleiterchips, beispielsweise in einem Filament für ein Leuchtmittel. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Leuchtmittel mit lichtemittierenden Halbleiterchips und ein Verfahren zur Optimierung von Abständen von lichtemittierenden Halbleiterchips.
Die bisher auf dem Markt befindlichen Leuchtmittel mit lichtemittierenden Halbleiterchips weisen einen weißen Glaskolben auf. Um ein Erscheinungsbild dieser Leuchtmittel ähnlich der konventionellen Glühbirne zu erhalten, müsste ein transparenter Glaskolben verwendet werden. Das Innenleben dieser Leuchtmittel mit lichtemittierenden Halbleiterchips entspricht jedoch nicht dem Innenleben der traditionellen Glühlampe. Dies liegt insbesondere an dem großen Kühlkörper, der für die Leuchtdioden verwendet werden muss. Wenn man die lichtemittierenden Halbleiterchips nun auf einem Filament platziert, kann ein Leuchtmittel erreicht werden, das der konventionellen Glühlampe ähnlicher sieht. Dabei werden die lichtemittierenden Halbleiterchips auf dem Filament so angeordnet, dass sie jeweils denselben Abstand zum nächsten lichtemittierenden Chip aufweisen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Filament für ein Leuchtmittel bereitzustellen. Das Filament soll eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Betrieb aufweisen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leuchtmittel mit einer solchen Anordnung von lichtemittierenden Halbleiterchips anzugeben.
Diese Aufgaben werden mit der Anordnung einer Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterchips auf einem Träger und einem Leuchtmittel mit solch einer Anordnung der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Eine Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterchips ist auf einem Träger angeordnet. Der Träger weist eine erste Erstreckungsrichtung und eine zweite Erstreckungsrichtung auf und ist in ein gedachtes Raster mit gleich großen aneinander angrenzenden rechteckigen, vorzugsweise gedachten, Bereichen aufgeteilt. Diese Bereiche dienen als gedachte Hilfskonstruktion, um die Anordnung der Halbleiterchips zu beschreiben, und die Bereiche müssen im realen Bauteil nicht sichtbar sein. In jedem der Bereiche ist mindestens ein lichtemittierender Halbleiterchip angeordnet, wobei auch mehrere lichtemittierende Halbleiterchips in einem Bereich angeordnet sein können. Die lichtemittierenden Halbleiterchips sind innerhalb der Bereiche angeordnet. Der Träger weist eine ebenfalls als gedachte Hilfskonstruktion anzusehende Mittellinie auf, die den Träger bezüglich der ersten Erstreckungsrichtung in zwei Hälften teilt. Die Mittellinie als Hilfskonstruktion kann rein hypothetisch sein und muss ebenso wie die gedachten Bereiche in einem realen Bauteil nicht realisiert beziehungsweise sichtbar sein. Die thermische Verlustleistung der lichtemittierenden Halbleiterchips in einer vorgegebenen Anzahl von Bereichen um die Mittenlinie ist umso größer, je weiter der Bereich von der Mittellinie entfernt ist. Die thermische Verlustleistung der Halbleiterchips ist ein Maß für den Wärmeeintrag der Halbleiterchips auf dem Träger, wenn die Halbleiterchips im Betrieb sind.
Durch eine solche Anordnung wird erreicht, dass in den Bereichen um die Mittellinie die thermische Verlustleistung der lichtemittierenden Halbleiterchips geringer ist als in Bereichen, die weiter von der Mittellinie entfernt sind. Es findet also ein größerer Wärmeeintrag durch den Betrieb der Halbleiterchips in den Bereichen statt, die weiter von der Mittellinie entfernt sind. Dadurch werden die lichtemittierenden Halbleiterchips in der Nähe der Mittellinie aufgrund der geringeren thermischen Verlustleistung weniger stark aufgeheizt als die lichtemittierenden Halbleiterchips, die von der Mittellinie weiter entfernt sind. Andererseits ist der Abtransport der entstehenden Wärme für Halbleiterchips nahe der Mittellinie kleiner als der korrespondierende Abtransport der entstehenden Wärme für Halbleiterchips, die weiter von der Mittellinie entfernt sind. Der Wärmetransport erfolgt über den Träger, und wenn der Träger in einem Leuchtmittel mit einem den Träger umgebenden Gas angeordnet ist, auch vom Träger in das umgebende Gas. Dadurch haben Halbleiterchips, die weiter von der Mittellinie entfernt sind, einen besseren Wärmetransport vom Halbleiterchip zur Umgebung als Halbleiterchips, die näher an der Mittellinie angeordnet sind. Dabei spielt einerseits eine Rolle, dass der Transport der Wärme durch den Träger zu Befestigungen des Trägers einfacher ist, wenn der Weg durch den Träger kürzer ist. Dies ist für Halbleiterchips, die weiter entfernt von der Mittellinie angeordnet sind, der Fall. Die Abgabe von Wärme eines Halbleiterchips an das umgebende Gas, für den Fall dass ein solches vorhanden ist, ist ebenfalls stärker möglich, wenn die Halbleiterchips weiter entfernt von der Mittellinie angeordnet sind. Dies liegt daran, dass die Halbleiterchips das den Träger umgebende Gas erwärmen und dadurch der Wärmetransport von den Halbleiterchips zum Gas aufgrund der sich daraus ergebenden niedrigeren Temperaturdifferenz geringer wird. Der Wärmetransport von dem die Halbleiterchips umgebenden Gas weiter entfernt von der Mittellinie zu weiter außen liegenden Gasschichten ist dabei größer als der Wärmetransport von dem die Halbleiterchips umgebenden Gas nahe der Mittellinie zu weiter außen liegenden Gasschichten, da das weiter außen liegende Gas die Wärme auch seitlich an die umliegenden Gasschichten abgeben kann, da die seitlichen weiter außen liegenden Gasschichten nicht von den Halbleiterchips direkt erwärmt werden.
Die Anordnung der lichtemittierenden Halbleiterchips kann dabei so optimiert werden, dass für die lichtemittierenden Halbleiterchips, die sich in einer vorgegebenen Anzahl von Bereichen um die Mittellinie befinden, eine Betriebstemperatur annähernd konstant ist. Dies wird dadurch erreicht, dass für die Halbleiterchips, die sich in einer vorgegebenen Anzahl von Bereichen um die Mittellinie befinden, der Wärmeeintrag und der Wärmeabtransport gleich groß sind, wobei der Wärmeabtransport nahe der Mittellinie kleiner ist als weiter von der Mittellinie entfernt. Die Halbleiterchips erwärmen sich dadurch ähnlich. Für die Halbleiterchips, die sich aufgrund der thermischen Verlustleistung stärker erwärmen würden, ist auch der Abtransport der Wärme größer. Dadurch kann ein Filament für ein Leuchtmittel erzeugt werden, bei dem einerseits die lichtemittierenden Halbleiterchips in der Mitte der Anordnung nahe an der thermischen Belastungsgrenze, jedoch darunter betrieben werden können. Dadurch steigt insgesamt die Lichtausbeute der Anordnung der Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterchips auf dem Träger, da insgesamt eine größere Leistung bereitgestellt werden kann. Die Anordnung der lichtemittierenden Halbleiterchips kann dabei sowohl eindimensional als auch zweidimensional erfolgen.
Im Gegensatz dazu sind die konventionell mit konstanten Abständen auf dem Filament in der Mitte angeordneten lichtemittierenden Halbleiterchips im Betrieb heißer als die Halbleiterchips, die am Rand des Filaments angeordnet sind. Dadurch wird bei der konventionellen Anordnung entweder die Lebensdauer verkürzt, da die in der Mitte angeordneten lichtemittierenden Halbleiterchips mit einer zu hohen Betriebstemperatur betrieben werden, oder es wird bei der konventionellen Anordnung nicht das gesamte Leistungspotential der lichtemittierenden Halbleiterchips abgerufen, da das Filament insgesamt mit einer geringeren Leistung betrieben wird.
In einer weiteren Ausführungsform sind die lichtemittierenden Halbleiterchips identisch. Die Anzahl der lichtemittierenden Halbleiterchips in einem der vorgegebenen Bereiche ist umso größer, je weiter der Bereich von der Mittellinie entfernt ist. Dadurch wird erzielt, dass die thermische Verlustleistung in Bereichen, die weiter von der Mittellinie entfernt sind, größer ist als in Bereichen nahe der Mittellinie. Durch die Verwendung von identischen lichtemittierenden Halbleiterchips wird die Optimierung der Anordnung dieser Halbleiterchips vereinfacht.
In einer Ausführungsform sind die lichtemittierenden Halbleiterchips in einer Reihe angeordnet. Durch die Anordnung in einer Reihe kann die Optimierung weiter vereinfacht werden.
In einer Ausführungsform sind die lichtemittierenden Halbleiterchips in einer Reihe angeordnet und die Abstände zwischen zwei benachbarten lichtemittierenden Halbleiterchips umso größer, je näher sich die benachbarten lichtemittierenden Halbleiterchips an der Mittellinie befinden. Dadurch kann im Betrieb eine sehr homogene Temperaturverteilung in den lichtemittierenden Halbleiterchips nahe der Mittellinie erreicht werden.
In einer Ausführungsform sind die lichtemittierenden Halbleiterchips achsensymmetrisch zur Mittellinie angeordnet. Dies ermöglicht eine noch vereinfachtere Optimierung der Abstände der lichtemittierenden Halbleiterchips.
In einer Ausführungsform weisen beim Betrieb der Anordnung mindestens 70 % der lichtemittierenden Halbleiterchips eine erste Betriebstemperatur auf, wobei diese lichtemittierenden Halbleiterchips mit der ersten Temperatur diejenigen sind, die die geringsten Abstände zur Mittellinie aufweisen. Die erste Betriebstemperatur schwankt dabei um einen Mittelwert der ersten Betriebstemperatur der 70 % der Halbleiterchips, wobei die erste Betriebstemperatur maximal 3 % von diesem Mittelwert abweicht. Die erste Betriebstemperatur ist mindestens 5 % höher als eine zweite Betriebstemperatur der restlichen 30 % der lichtemittierenden Halbleiterchips, welche die größten Abstände zur Mittellinie aufweisen. Diese Betriebstemperaturen können mit den genannten Anordnungen erreicht werden und ermöglichen ein möglichst effizientes Filament für ein Leuchtmittel mit lichtemittierenden Halbleiterchips, bei dem die Leistungsabgabe optimiert ist. Die erste Betriebstemperatur liegt dabei knapp unter der thermischen Belastungsgrenze der Halbleiterchips.
In einer Ausführungsform emittieren die lichtemittierenden Halbleiterchips weißes und/oder farbiges Licht. Das weiße Licht kann dabei mittels eines Konverters erzeugt sein, oder mittels eines mehrfarbigen lichtemittierenden Halbleiterchips. Das farbige Licht kann der direkten Abstrahlwellenlänge des lichtemittierenden Halbleiterchips entsprechen oder ebenfalls über einen Konverter erzeugt werden.
Ein Leuchtmittel weist eine Anordnung von lichtemittierenden Halbleiterchips auf einem Träger der genannten Ausführungsformen auf.
In einer Ausführungsform weist das Leuchtmittel zusätzlich einen Kolben aus einem transparenten Material, ein Vorschaltgerät zum Betrieb der lichtemittierenden Halbleiterchips und ein Gas auf, wobei der Kolben mit dem Gas gefüllt ist. Das Gas steht in thermischem Kontakt mit der Anordnung von lichtemittierenden Halbleiterchips und ist eingerichtet, thermische Verlustwärme von dem Träger mit den lichtemittierenden Halbleiterchips zum Kolben zu transportieren.
In einer Ausführungsform ist das Gas Helium. Helium ist ein gut geeignetes Gas, da die Wärmeleitfähigkeit von Helium groß ist und Helium andererseits ein Inertgas ist, welches zu keiner Oxidation von etwaigen freiliegenden Metallbauteilen innerhalb des Leuchtmittels führt.
In einer Ausführungsform ist ein Druck des Gases zwischen 500 Millibar und 1200 Millibar. Dieser Druckbereich eignet sich besonders gut, um für eine ausreichende Kühlung der Anordnung der lichtemittierenden Halbleiterchips auf einem Träger zu sorgen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Darstellung
1 eine Anordnung von einer Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterchips auf einem Träger;
2 eine Anordnung von einer Mehrzahl von identischen lichtemittierenden Halbleiterchips auf einem Träger;
3 eine Anordnung von lichtemittierenden Halbleiterchips auf einem Träger in einer Reihe;
4 ein Filament mit einer Anordnung von einer Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterchips auf einem Träger in einer Reihe;
5 ein weiteres Filament mit einer Anordnung von einer Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterchips auf einem Träger in einer Reihe; und
6 ein Leuchtmittel mit einem Filament mit solch einer Anordnung.
1 zeigt eine Anordnung 100 von einer Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterchips 111, 112 auf einem Träger 120. Der Träger 120 ist dabei rechteckig und weist eine erste Erstreckungsrichtung 101 und eine zweite Erstreckungsrichtung 102 auf. Der Träger 120 ist in ein Raster mit gleich großen, aneinander angrenzenden, rechteckigen Bereichen 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144 aufgeteilt. Die Bereiche 131 bis 144 sind dabei mit gestrichelten Linien dargestellt und nur gedachte Hilfskonstruktionen, die im fertigen Bauteil nicht sichtbar sein müssen und die der Beschreibung der Anordnung 100 der lichtemittierenden Halbleiterchips 111, 112 dienen. Dabei liegt der erste Bereich 131 bezüglich der zweiten Erstreckungsrichtung 102 über dem zweiten Bereich 132. Daran angrenzend bezüglich der ersten Erstreckungsrichtung 101 liegen der dritte Bereich 133 und der vierte Bereich 134. Daran wiederum bezüglich der ersten Erstreckungsrichtung 101 angrenzend liegen der fünfte Bereich 135 und der sechste Bereich 136. Der siebte Bereich 137 und der achte Bereich 138 grenzen wiederum bezüglich der ersten Erstreckungsrichtung 101 an. Selbiges gilt für den neunten Bereich 139 und den zehnten Bereich 140, daran angrenzend befinden sich der elfte Bereich 141 und der zwölfte Bereich 142 und daran angrenzend der dreizehnte Bereich 143 und der vierzehnte Bereich 144. Jeder der Bereiche 131 bis 144 enthält mindestens einen Halbleiterchip 111, 112. Dabei weist der erste Halbleiterchip 111 eine doppelt so große thermische Verlustleistung auf wie der zweite Halbleiterchip 112.
Der Träger 120 weist eine Mittellinie 150 auf, die den Träger 120 bezüglich der ersten Erstreckungsrichtung 101 in zwei Hälften teilt. Die Mittellinie geht durch den siebten Bereich 137 und den achten Bereich 138. In den Bereichen 131 bis 144 befindet sich jeweils eine unterschiedliche Anzahl der Halbleiterchips 111, 112. Im ersten Bereich 131 befinden sich zwei erste Halbleiterchips 111 und vier zweite Halbleiterchips 112. Im zweiten Bereich 132 befinden sich vier erste Halbleiterchips 111. Im dritten Bereich 133 befinden sich drei erste Halbleiterchips 111. Im vierten Bereich 134 befinden sich je zwei erste Halbleiterchips 111 und zwei zweite Halbleiterchips 112. Im fünften Bereich 135 befinden sich zwei erste Halbleiterchips 111. Im sechsten Bereich 136 befindet sich ein erster Halbleiterchip 111 und ein zweiter Halbleiterchip 112. Im siebten Bereich 137 befindet sich ein erster Halbleiterchip 111. Im achten Bereich 138 befinden sich zwei zweite Halbleiterchips 112. Im neunten Bereich 139 befinden sich zwei erste Halbleiterchips 111. Im zehnten Bereich 140 befindet sich ein erster Halbleiterchip 111 und ein zweiter Halbleiterchip 112. Im elften Bereich 141 befinden sich drei erste Halbleiterchips 111, im zwölften Bereich 142 befinden sich zwei erste Halbleiterchips 111 und zwei zweite Halbleiterchips 112. Im dreizehnten Bereich 143 und im vierzehnten Bereich 144 befinden sich jeweils vier erste Halbleiterchips 111. Dadurch, dass die thermische Verlustleistung des ersten Halbleiterchips 111 doppelt so groß ist wie die thermische Verlustleistung des zweiten Halbleiterchips 112, ist die thermische Verlustleistung der lichtemittierenden Halbleiterchips 111, 112 in einer vorgegebenen Anzahl von Bereichen 131 bis 144 um die Mittellinie 150 umso größer, je weiter der Bereich 131 bis 144 von der Mittellinie 150 entfernt ist. Dadurch kann erreicht werden, dass die lichtemittierenden Halbleiterchips 111, 112, die sich im dritten Bereich 133 bis zum zwölften Bereich 142 befinden, mit annähernd derselben Betriebstemperatur betrieben werden können.
2 zeigt eine Anordnung 100 von lichtemittierenden Halbleiterchips 110 auf einem Träger 120. Der Träger ist wiederum in die Bereiche 131 bis 144 aufgeteilt, was durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Die Bereiche 131 bis 144 sind nur gedachte Hilfskonstruktionen, die im fertigen Bauteil nicht sichtbar sein müssen und die der Beschreibung der Anordnung 100 der lichtemittierenden Halbleiterchips 110 dienen. In diesem Ausführungsbeispiel sind sämtliche lichtemittierenden Halbleiterchips 110 identisch und weisen insbesondere dieselbe thermische Verlustleistung auf. Im ersten Bereich 131, im zweiten Bereich 132, im dreizehnten Bereich 143 und im vierzehnten Bereich 144 befinden sich jeweils vier lichtemittierende Halbleiterchips 110. Im dritten Bereich 133, im vierten Bereich 134, im elften Bereich 141 und im zwölften Bereich 142 befinden sich jeweils drei lichtemittierende Halbleiterchips 110. Im fünften Bereich 135, im sechsten Bereich 136, im neunten Bereich 139 und im zehnten Bereich 140 befinden sich jeweils zwei lichtemittierende Halbleiterchips 110. Im siebten Bereich 137 und im achten Bereich 138, durch welche auch die Mittellinie 150 verläuft, befindet sich jeweils ein lichtemittierender Halbleiterchip 110. Die Anzahl der lichtemittierenden Halbleiterchips 110 ist also in einem Bereich 131 bis 144 umso größer, je weiter der Bereich 131 bis 144 von der Mittellinie entfernt ist.
3 zeigt eine weitere Anordnung 100 von lichtemittierenden Halbleiterchips 110 auf einem Träger 120. Die lichtemittierenden Halbleiterchips 110 sind dabei in einer Reihe angeordnet. Auf dem Träger 120 sind vier Bereiche 131 bis 134 vorgesehen, in denen die Halbleiterchips 110 angeordnet sind. Die Bereiche 131 bis 134 sind dabei mit gestrichelten Linien dargestellt und nur gedachte Hilfskonstruktionen, die im fertigen Bauteil nicht sichtbar sein müssen und die der Beschreibung der Anordnung 100 der lichtemittierenden Halbleiterchips 111, 112 dienen. Die Mittellinie 150 verläuft zwischen dem zweiten Bereich 132 und dem dritten Bereich 133, die jeweils zwei lichtemittierende Halbleiterchips 110 beinhalten. Der weiter außen liegende erste Bereich 131 und der weitere weiter außen liegende vierte Bereich 134 enthalten jeweils drei lichtemittierende Halbleiterchips 110.
In einem Ausführungsbeispiel sind die Abstände zwischen zwei benachbarten lichtemittierenden Halbleiterchips 110 umso größer, je näher sich die benachbarten lichtemittierenden Halbleiterchips 110 an der Mittellinie 150 befinden. Die lichtemittierenden Halbleiterchips 110 der 3 sind so angeordnet.
In einem Ausführungsbeispiel sind die lichtemittierenden Halbleiterchips 110 achsensymmetrisch zur Mittellinie angeordnet. Auch dies ist in 3 der Fall.
4 zeigt eine weitere Anordnung 100 von lichtemittierenden Halbleiterchips 110 auf einem Träger 120. Der Träger 120 ist mit gestrichelten Linien wiederum in einen ersten Bereich 131, einen zweiten Bereich 132, einen dritten Bereich 133, einen vierten Bereich 134, einen fünften Bereich 135, einen sechsten Bereich 136, einen siebten Bereich 137 und einen achten Bereich 138 aufgeteilt. Die Bereiche 131 bis 138 sind dabei mit gestrichelten Linien dargestellt und nur gedachte Hilfskonstruktionen, die im fertigen Bauteil nicht sichtbar sein müssen und die der Beschreibung der Anordnung 100 der lichtemittierenden Halbleiterchips 110 dienen. Die Bereiche 131 bis 138 sind gleich groß und bezüglich der ersten Erstreckungsrichtung 101 nebeneinander angeordnet, die Mittellinie 150 liegt zwischen dem vierten Bereich 134 und dem fünften Bereich 135. Der vierte Bereich 134 und der fünfte Bereich 135 beinhalten jeweils einen lichtemittierenden Halbleiterchip 110. Der dritte Bereich 133 und der sechste Bereich 136 beinhalten jeweils zwei lichtemittierende Halbleiterchips 110. Der zweite Bereich 132 und der siebte Bereich 137 beinhalten jeweils auch zwei lichtemittierende Halbleiterchips 110. Aufgrund der geringeren Abstände der lichtemittierenden Halbleiterchips im zweiten Bereich 132 und im siebten Bereich 137 verglichen mit dem dritten Bereich 133 und dem sechsten Bereich 136 ist die thermische Verlustleistung der lichtemittierenden Halbleiterchips im zweiten Bereich 132 und im siebten Bereich 137 trotzdem größer als die thermische Verlustleistung der lichtemittierenden Halbleiterchips im dritten Bereich 133 oder im sechsten Bereich 136. Der außen liegende erste Bereich 131 und der ebenfalls außen liegende achte Bereich 138 beinhalten jeweils drei lichtemittierende Halbleiterchips 110. Außerhalb der Bereiche 131 bis 138 sind zwei Anschlusskontakte 160 vorgesehen, über die die lichtemittierenden Halbleiterchips 110 elektrisch kontaktiert werden können. Die Anordnung 100 der lichtemittierenden Halbleiterchips 110 auf dem Träger 120 mit den Anschlusskontakten 160 ist z.B. ein Filament, das dann in einem Leuchtmittel verwendet werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel weisen mindestens 50 %, insbesondere 70 % der lichtemittierenden Halbleiterchips eine erste Betriebstemperatur auf, wobei die mindestens 50 %, insbesondere 70 % der lichtemittierenden Halbleiterchips mit der ersten Betriebstemperatur diejenigen lichtemittierenden Halbleiterchips sind, deren Abstand zur Mittellinie 150 kleiner ist als der Abstand der restlichen 50 %, insbesondere 30 % der lichtemittierenden Halbleiterchips. Die erste Betriebstemperatur ist mindestens 5 % höher als eine weitere Betriebstemperatur der restlichen 50 %, insbesondere 30 % der lichtemittierenden Halbleiterchips, die die größten Abstände zur Mittellinie 150 aufweisen.
5 zeigt einen Querschnitt durch ein Filament mit einer Anordnung 100 von einundzwanzig Halbleiterchips 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124. Die Halbleiterchips 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124 sind dabei auf einem Träger 120 in einer Reihe angeordnet, wobei der Träger 120 zwei Anschlusskontakte 160 aufweist, die der elektrischen Kontaktierung des Filaments dienen. Eine Mittellinie 150 verläuft durch einen mittleren Halbleiterchip 113. Die Halbleiterchips 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124 sind achsensymmetrisch zur Mittellinie 150 angeordnet. Der Träger 120 ist in acht gleich große Bereiche 131 bis 138 aufgeteilt, wobei die Grenze zwischen dem vierten Bereich 134 und dem fünften Bereich 135 die Mittellinie 150 ist und die weiteren Grenzen zwischen den Bereichen 131 bis 138 durch gestrichelte Linien dargestellt sind. Die Bereiche 131 bis 138 sind nur gedachte Hilfskonstruktionen, die im fertigen Bauteil nicht sichtbar sein müssen und die der Beschreibung der Anordnung 100 der lichtemittierenden Halbleiterchips 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124 dienen. Im ersten Bereich 131 und im achten Bereich 138 befinden sich jeweils vier Halbleiterchips 124, 123, 122, 121. Im zweiten Bereich 132 und im siebten Bereich 137 befinden sich jeweils drei Halbleiterchips 119, 118, 117. Im dritten Bereich 133 und im sechsten Bereich 136 befinden sich jeweils zwei Halbleiterchips 116, 115. Im vierten Bereich 134 und im fünften Bereich 135 befinden sich jeweils eineinhalb Halbleiterchips 114, 113, da der mittlere Halbleiterchip 113 durch die Mittellinie 150 in zwei Hälften geteilt wird, wobei eine Hälfte des mittleren Halbleiterchips 113 im vierten Bereich 134 und eine Hälfte des mittleren Halbleiterchips 113 im fünften Bereich 135 angeordnet ist. Zusätzlich sind die Halbleiterchips 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124 von einem Konverter 125 umgeben, wobei der Konverter 125 optional ist.
In einem Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand vom mittleren Halbleiterchip 113 zu den jeweils nächsten Halbleiterchips 114 2,07 Millimeter. Der Abstand vom mittleren Halbleiterchip 113 zu den jeweils übernächsten Halbleiterchips 115 beträgt 3,97 Millimeter. Der Abstand vom mittleren Halbleiterchip 113 zu den jeweils drittnächsten Halbleiterchips 116 beträgt 5,7 Millimeter. Der Abstand vom mittleren Halbleiterchip 113 zu den jeweils viertnächsten Halbleiterchips 117 beträgt 7,26 Millimeter. Der Abstand vom mittleren Halbleiterchip 113 zu den jeweils fünftnächsten Halbleiterchips 118 beträgt 8,65 Millimeter. Der Abstand vom mittleren Halbleiterchip 113 zu den jeweils sechstnächsten Halbleiterchips 119 beträgt 9,87 Millimeter. Der Abstand vom mittleren Halbleiterchip 113 zu den jeweils siebtnächsten 121 Halbleiterchips beträgt 10,92 Millimeter. Der Abstand vom mittleren Halbleiterchip 113 zu den jeweils achtnächsten Halbleiterchips 122 beträgt 11,8 Millimeter. Der Abstand vom mittleren Halbleiterchip 113 zu den jeweils neuntnächsten Halbleiterchips 123 beträgt 12,51 Millimeter. Der Abstand vom mittleren Halbleiterchip 113 zu den jeweils äußersten Halbleiterchips 124 beträgt 13,05 Millimeter.
In einem Ausführungsbeispiel emittieren die lichtemittierenden Halbleiterchips 110, 111, 112 weißes und/oder farbiges Licht. Dabei kann die gewünschte Lichtfarbe mittels eines Konverters, beispielsweise des Konverters 125 eingestellt werden.
6 zeigt ein Leuchtmittel 200 mit einer Anordnung 100 von lichtemittierenden Halbleiterchips 110 auf einem Träger 120, wobei die lichtemittierenden Halbleiterchips 110 so angeordnet sind wie in 4. Es ist auch denkbar, dass die lichtemittierenden Halbleiterchips 110 analog zu einem der anderen Ausführungsbeispiele angeordnet sind. Der Träger 120 weist zwei Anschlusskontakte 160 auf, die jeweils mittels eines Anschlussdrahts 170 mit einer Gewindefassung 180 verbunden sind. An die Gewindefassung 180 angrenzend und den Träger 120 umschließend befindet sich ein Kolben 190, in welchem die lichtemittierenden Halbleiterchips 110 angeordnet sind.
In einem Ausführungsbeispiel besteht der Kolben 190 aus einem transparenten Material. Darüber hinaus weist das Leuchtmittel 200 ein nicht dargestelltes Vorschaltgerät, beispielsweise im Inneren der Gewindefassung 180, für die lichtemittierenden Halbleiterchips 110 auf. Der Kolben 190 ist mit einem Gas gefüllt, wobei das Gas in thermischem Kontakt mit der Anordnung 100 von lichtemittierenden Halbleiterchips 110 steht.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Gas innerhalb des Kolbens 190 Helium.
In einem Ausführungsbeispiel ist ein Druck des Gases innerhalb des Kolbens 190 zwischen 500 und 1200 Millibar.
Bei einem Verfahren zur Optimierung von Abständen von lichtemittierenden Halbleiterchips untereinander werden ein Typ von lichtemittierenden Halbleiterchips, ein Umgebungsmedium mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit, ein Material und Abmessungen für einen Träger für die lichtemittierenden Halbleiterchips und eine Wärmeleitfähigkeit und Abmessungen eines eventuellen Kühlkörpers vorgegeben. Die Abstände der lichtemittierenden Halbleiterchips werden derart bestimmt, dass eine erste Betriebstemperatur für lichtemittierende Halbleiterchips in einem ersten Bereich im Wesentlichen identisch ist, also in einem Intervall mit ca. 3 % Schwankung liegen, und für lichtemittierende Halbleiterchips in einem zweiten Bereich weitere Betriebstemperaturen unter der ersten Betriebstemperatur liegen. Durch die Vorgabe des Typs der lichtemittierenden Halbleiterchips, und damit der Verlustleistung und der Lichtleistung, dem Umgebungsmedium mit der spezifischen Wärmeleitfähigkeit, dem Material und Abmessungen für den Träger, und damit auch der Wärmeleitfähigkeit des Trägers, kann die Anordnung der lichtemittierenden Halbleiterchips so optimiert werden, dass in einem ersten Bereich um eine Mitte des Trägers die erste Betriebstemperatur annähernd konstant gehalten wird. Für die weiteren lichtemittierenden Halbleiterchips im zweiten Bereich liegen weitere Betriebstemperaturen unter der ersten Betriebstemperatur, die lichtemittierenden Halbleiterchips im zweiten Bereich sind also kühler als die lichtemittierenden Halbleiterchips im ersten Bereich. Die erste Betriebstemperatur entspricht dabei einer Betriebstemperatur knapp unterhalb der thermischen Belastungsgrenze der lichtemittierenden Halbleiterchips, wodurch ein langzeitstabiles und leistungsoptimiertes Filament für ein Leuchtmittel bereitgestellt werden kann, wenn auf diesem Filament die lichtemittierenden Halbleiterchips mit den mittels des Verfahrens optimierten Abständen bereitgestellt wird. Die Abstände der lichtemittierenden Halbleiterchips, die beim Ausführungsbeispiel der 5 genannt sind, wurden mit diesem Verfahren berechnet.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

100: Anordnung
101: erste Erstreckungsrichtung
102: zweite Erstreckungsrichtung
110: lichtemittierender Halbleiterchip
111: erster Typ eines lichtemittierenden Halbleiterchips
112: zweiter Typ eines lichtemittierenden Halbleiterchips
113: mittlerer Halbleiterchip
114: nächster Halbleiterchip
115: übernächster Halbleiterchip
116: drittnächster Halbleiterchip
117: viertnächster Halbleiterchip
118: fünftnächster Halbleiterchip
119: sechstnächster Halbleiterchip
120: Träger
121: siebtnächster Halbleiterchip
122: achtnächster Halbleiterchip
123: neuntnächster Halbleiterchip
124: äußerster Halbleiterchip
131: erster Bereich
132: zweiter Bereich
133: dritter Bereich
134: vierter Bereich
135: fünfter Bereich
136: sechster Bereich
137: siebter Bereich
138: achter Bereich
139: neunter Bereich
140: zehnter Bereich
141: elfter Bereich
142: zwölfter Bereich
143: dreizehnter Bereich
144: vierzehnter Bereich
150: Mittellinie
160: Anschlusskontakt
170: Anschlussdraht
180: Gewindefassung
190: Kolben
200: Leuchtmittel

Claims

Anordnung (100) von einer Mehrzahl von lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) auf einem Träger (120), wobei der Träger (120) eine erste Erstreckungsrichtung (101) und eine zweite Erstreckungsrichtung (102) aufweist, wobei der Träger (120) in ein gedachtes Raster mit gleich großen, aneinander angrenzenden, rechteckigen gedachten Bereichen (131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144) aufgeteilt ist, wobei in jedem Bereich mindestens ein lichtemittierender Halbleiterchip (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) angeordnet ist, wobei die lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) innerhalb der Bereiche (131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144) angeordnet sind, wobei der Träger (120) bezüglich einer Mittellinie (150) bezüglich der ersten Erstreckungsrichtung (101) in zwei Hälften geteilt ist, und wobei die thermische Verlustleistung der lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) in einer vorgegebenen Anzahl von Bereichen (131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144) um die Mittellinie (150) umso größer ist, je weiter der Bereich (131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144) von der Mittellinie (150) entfernt ist.
Anordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) identisch sind und die Anzahl der lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) in einem Bereich (131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144) umso größer ist, je weiter der Bereich (131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144) von der Mittellinie (150) entfernt ist.
Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) in einer Reihe angeordnet sind.
Anordnung (100) nach Anspruch 3, wobei die Abstände zwischen zwei benachbarten lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) umso größer sind, je näher sich die benachbarten lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) an der Mittellinie (150) befinden.
Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) achsensymmetrisch zur Mittellinie (150) angeordnet sind.
Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Betrieb der Anordnung mindestens 50 %, vorzugsweise 70 % der lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) eine erste Betriebstemperatur aufweisen, wobei die mindestens 50 %, vorzugsweise 70 % der lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) mit der ersten Betriebstemperatur diejenigen lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) sind, deren Abstände zur Mittellinie (150) am kleinsten sind, wobei die erste Betriebstemperatur mindestens 5 % höher ist als eine zweite Betriebstemperatur der restlichen 50 %, insbesondere 30 % der lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124), deren Abstände zur Mittellinie (150) größer sind als die Abstände zur Mittellinie (150) der lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) mit der ersten Betriebstemperatur.
Anordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) weißes und/oder farbiges Licht emittieren.
Leuchtmittel (200) mit einer Anordnung (100) von lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) auf einem Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Leuchtmittel (200) nach Anspruch 8, zusätzlich aufweisend einen Kolben (190) aus einem transparenten Material, ein Vorschaltgerät und ein Gas, mit dem der Kolben (190) gefüllt ist, wobei das Gas in thermischem Kontakt mit der Anordnung von lichtemittierenden Halbleiterchips (110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 121, 122, 123, 124) steht.
Leuchtmittel (200) nach Anspruch 9, wobei das Gas Helium ist.
Leuchtmittel (200) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei ein Druck des Gases zwischen 500 Millibar und 1200 Millibar liegt.