DE102016213069A1

DE102016213069A1 - Leuchtdiodenanordnung

Info

Publication number: DE102016213069A1
Application number: DE102016213069.2A
Authority: DE
Inventors: Farhang Ghasemi Afshar
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-07-18
Filing date: 2016-07-18
Publication date: 2018-01-18
Also published as: US20180020514A1; US10993301B2

Abstract

Eine Leuchtdiodenanordnung (100) umfasst ein erstes Substrat (105) mit einer ersten Leuchtdiode (115), die so auf dem ersten Substrat (105) angeordnet ist, dass von ihr emittiertes Licht in eine Hauptabstrahlrichtung (Z) der Leuchtdiodenanordnung (100) abstrahlt. Zusätzlich umfasst die Leuchtdiodenanordnung ein zweites Substrat (110) mit einer zweiten Leuchtdiode (120), die so auf dem zweiten Substrat (110) angeordnet ist, dass von ihr emittiertes Licht ebenfalls in die Hauptabstrahlrichtung (Z) der Leuchtdiodenanordnung (100) abstrahlt. Das zweite Substrat (110) ist über dem ersten Substrat (105) angeordnet, so dass das zweite Substrat (110) das erste Substrat (105) zumindest teilweise überdeckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchtdiodenanordnung mit mehreren Substraten.
Bei einer herkömmlichen Leuchtdiodenanordnung sind mehrere Leuchtdioden (LEDs) auf einem Substrat angeordnet und mit elektrischen Leitungen, die auf dem Substrat ausgebildet sind, elektrisch verbunden. Die LEDs können elektrisch parallel und/oder elektrisch in Reihe geschaltet sein. Beispielsweise können die LEDs einer Gruppe von LEDs elektrisch in Reihe geschaltet sein, die LEDs einer anderen Gruppe von LEDs können elektrisch in Reihe geschaltet sein und die beiden Gruppen können elektrisch parallel geschaltet sein. Die LEDs können baugleich oder unterschiedlich ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Gruppe von LEDs oberflächenemittierende Leuchtdioden aufweisen, die typischerweise einen elektrischen Kontakt an ihrer Oberseite und einen elektrischen Kontakt an ihrer Unterseite aufweisen, und eine andere Gruppe von LEDs kann volumenemittierende Leuchtdioden aufweisen, die typischerweise beide elektrischen Kontakte auf ihrer Oberseite aufweisen. Ferner kann eine Gruppe von LEDs Leuchtdioden aufweisen, die Licht in einem Wellenlängenbereich emittieren, beispielsweise blaues Licht. Eine andere Gruppe von LEDs kann Leuchtdioden aufweisen, die Licht in einem anderen Wellenlängenbereich emittieren, beispielsweise rotes Licht, und eine weitere Gruppe von LEDs kann Leuchtdioden aufweisen, die Licht in einem weiteren Wellenlängenbereich emittieren, beispielsweise grünes Licht.
Die LEDs können auf einem Substrat angeordnet sein. Das Substrat kann eine Metallkernplatine sein oder einen keramischen Grundkörper aufweisen, auf dem die elektrischen Leitungen zum elektrischen Kontaktieren der LEDs ausgebildet sind.
Über den LEDs können eine oder mehrere Konversionsschichten ausgebildet sein. Beispielsweise kann über einer ersten Gruppe von LEDs eine erste Konversionsschicht ausgebildet sein und über einer zweiten Gruppe von LEDs kann eine zweite Konversionsschicht ausgebildet sein. Die Konversionsschichten können jeweils ein Trägermaterial aufweisen, in das Konvertermaterial eingebettet ist. Das Konvertermaterial kann Konverterpartikel aufweisen. Alternativ dazu können die Konversionsschichten aus dem Konvertermaterial gebildet sein. Das Konvertermaterial eignet sich zum Konvertieren von Licht bezüglich seiner Wellenlänge. Beispielsweise emittieren die Leuchtdioden-Chips einer Gruppe von LEDs blaues Licht, das Konvertermaterial absorbiert zumindest einen Teil des blauen Lichts und emittiert gelbes oder mint-farbiges Licht. Das gelbe bzw. mint-farbige Licht mischt sich mit dem restlichen, nicht konvertierten blauen Licht, wodurch weißes Licht erzeugt werden kann. Alternativ dazu kann das blaue Licht mittels des Konvertermaterials in gelbes Licht konvertiert werden und mittels eines anderen Konvertermaterials kann das blaue Licht in blau-weißes Licht (Bluish-White) konvertiert werden, wodurch einstellbares oder tunable weißes Licht erzeugt werden kann.
Ferner kann mit einer ersten Gruppe von LEDs grünes Licht erzeugt werden, beispielsweise mittels blaues Licht emittierender LEDs und einer das blaue Licht absorbierenden und das grüne Licht emittierenden Konversionsschicht. Mit einer zweiten Gruppe von LEDs kann rotes Licht erzeugt werden, beispielsweise direkt oder mittels einer entsprechenden Konversionsschicht. Mit einer dritten Gruppe von LEDs kann, beispielsweise direkt, blaues Licht oder mittels einer entsprechenden Konversionsschicht weißes Licht erzeugt werden.
Bei einer Leuchtdiodenanordnung mit kleiner Substratgrundfläche kann es wünschenswert sein, einen hohen Gesamtlichtstrom und eine hohe Leuchtdichte in Kombination mit einer guten Effizienz zu erreichen. Zur Erhöhung der Leuchtdichte und des Gesamtlichtstroms kann die Anzahl und die Anordnung der LEDs auf der Oberfläche des Substrats optimiert werden. Einerseits ist die maximale Anzahl der LEDs durch die verfügbare Anordnungsfläche auf dem Substrat begrenzt, andererseits führt eine zu enge Anordnung der LEDs zu einer sinkenden Effizienz, was durch Absorptionsverluste erklärt werden kann. Um die lichttechnischen Parameter der Leuchtdiodenanordnung zu erhöhen, können die LEDs mit einem höheren elektrischen Strom betrieben werden. Die höhere elektrische Belastung führt jedoch zu zusätzlichen thermischen Verlusten innerhalb der LEDs, was eine Abnahme der Effizienz der Leuchtdiodenanordnung verursacht.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Leuchtdiodenanordnung bereitzustellen, wobei auf einfache Weise eine hohe Leuchtdichte erzielt wird, die Leuchtdiodenanordnung besonders effizient und gleichzeitig einfach und kostengünstig herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch eine Leuchtdiodenanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Leuchtdiodenanordnung finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER BELEUCHTUNGSVORRICHTUNG
Eine Ausführungsform der Leuchtdiodenanordnung umfasst ein erstes Substrat mit einer ersten Leuchtdiode, die so auf dem ersten Substrat angeordnet ist, dass von ihr emittiertes Licht in eine Hauptabstrahlrichtung der Leuchtdiodenanordnung abstrahlt. Zusätzlich umfasst die Leuchtdiodenanordnung ein zweites Substrat mit einer zweiten Leuchtdiode, die so auf dem zweiten Substrat angeordnet ist, dass von ihr emittiertes Licht ebenfalls in die Hauptabstrahlrichtung der Leuchtdiodenanordnung abstrahlt, wobei das zweite Substrat über dem ersten Substrat angeordnet ist, so dass das zweite Substrat das erste Substrat zumindest teilweise überdeckt.
Durch die Verwendung des zweiten Substrats vergrößert sich die verfügbare Anordnungsfläche für Leuchtdioden in der Leuchtdiodenanordnung. Trotz der vergrößerten Anordnungsfläche erhöht sich nicht notwendigerweise die Grundfläche der Leuchtdiodenanordnung, da das zweite Substrat über dem ersten Substrat angeordnet ist und dieses zumindest teilweise überdeckt. Durch die vergrößerte Anordnungsfläche können mehr Leuchtdioden in der Leuchtdiodenanordnung angeordnet werden. Die erhöhte Anzahl von Leuchtdioden kann technisch dazu verwendet werden, den Lichtstrom und/oder die Leuchtdichte und/oder die Effizienz der Leuchtdiodenanordnung zu erhöhen. Durch geeignete Anordnung der Leuchtdioden wird ebenfalls eine verbesserte Farbmischung erzielt.
Bei der ersten und zweiten Leuchtdiode kann es sich um oberflächenemittierende und/oder volumenemittierende Leuchtdioden handeln. Die erste und zweite Leuchtdiode können Licht gleicher oder unterschiedlicher Wellenlänge emittieren.
Je nach geometrischer Grundform und räumlicher Anordnung des zweiten Substrats, kann das zweite Substrat das erste Substrat zumindest teilweise oder auch komplett überdecken.
Gemäß einer Weiterbildung der Leuchtdiodenanordnung weist das zweite Substrat ein lichtdurchlässiges Material auf.
Somit wird sichergestellt, dass emittiertes Licht der ersten Leuchtdiode, die auf dem ersten Substrat angeordnet ist, durch das zweite Substrat nahezu verlustfrei hindurch tritt. Die auf dem zweiten Substrat angeordnete zweite Leuchtdiode kann vorzugsweise als volumenemittierende Leuchtdiode ohne Gehäuse ausgebildet sein. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung müssen auf dem zweiten Substrat keine elektrischen Leiterbahnen, die Licht der ersten Leuchtdiode absorbieren würden, zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Leuchtdiode angeordnet sein. Volumenemittierende Leuchtdioden weisen typischerweise beide elektrischen Kontakte auf ihrer Oberseite auf. Die zweite Leuchtdiode kann ohne Gehäuse und ohne Verspiegelung der Anordnungsfläche zum zweiten Substrat ausgebildet sein. Die zweite Leuchtdiode kann daher konstruktiv nahezu als transparentes optisches Bauteil ausgebildet sein, bei der nur die eigene Chipfläche emittiertes Licht der ersten Leuchtdiode absorbiert.
Das zweite Substrat kann aus transluzentem, d.h. zur Lichtstreuung eingerichtetem, oder transparentem, d.h. klarem, Material bestehen. Das zweite Substrat weist vorzugsweise Keramik und/oder Glas und/oder Saphir auf. Zum Beispiel kann es aus Keramik und/oder Glas und/oder Saphir bestehen. Bei der Festlegung auf ein transparentes Material kann der Gesamtlichtstrom und die Effizienz der Leuchtdiodenanordnung optimiert werden, während bei der Festlegung auf ein transluzentes Material die Eigenschaften einer gleichmäßigen Lichtstreuung, und somit einer guten Farbmischung, verbessert werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Leuchtdiodenanordnung weist die erste Leuchtdiode im Bereich einer Anordnungsfläche zum ersten Substrat eine Verspiegelung auf.
Das in einem Leuchtdioden-Chip erzeugte Licht kann in den gesamten Raumwinkel abgestrahlt werden. Um Absorptionsverluste an der Anordnungsfläche der Leuchtdiode zum Substrat zu minimieren, weist die Leuchtdiode im Bereich der Anordnungsfläche eine Verspiegelung auf. Auf die Verspiegelung auftreffendes Licht wird in die Leuchtdiode zurück reflektiert, und steht somit der Leuchtdiodenanordnung weiterhin als Licht zur Verfügung.
Gemäß einer Weiterbildung der Leuchtdiodenanordnung weist die erste Leuchtdiode eine höhere thermische Belastung auf als die zweite Leuchtdiode.
In der Leuchtdiodenanordnung können Leuchtdioden verwendet werden, die Licht in unterschiedlichen Wellenlängen emittieren. Beispielsweise können erste Leuchtdioden erstes Licht emittieren und die zweiten Leuchtdioden können zweites Licht emittieren. Das erste Licht kann beispielsweise rotes Licht sein und das zweite Licht kann beispielsweise blau-weißes Licht sein. Da das menschliche Auge im sichtbaren Wellenlängenbereich von 380 bis 780 Nanometern keine einheitliche Helligkeitsempfindung aufweist, müssen Leuchtdioden die Wellenlängen am Rand des sichtbaren Bereiches emittieren (beispielsweise rotes Licht) eine höhere Strahlungsintensität aufweisen, um dieselbe Helligkeitsempfindung zu bewirken, als Leuchtdioden, die in der Mitte des sichtbaren Bereiches emittieren (beispielsweise blau-weißes Licht). Um den Gesamtlichtstrom und die Leuchtdichte der Leuchtdiodenanordnung zu optimieren, kann es daher technisch vorteilhaft sein, die erste Leuchtdiode, die Licht am Rand des sichtbaren Bereiches emittiert, mit einem höherem elektrischen Strom zu betreiben als die zweite Leuchtdiode, die Licht in der Mitte des sichtbaren Bereiches emittiert. Die höhere elektrische Belastung der ersten Leuchtdiode verursacht eine höhere thermische Belastung der ersten Leuchtdiode im Vergleich zur elektrisch niedrigeren belasteten zweiten Leuchtdiode. Da das zweite Substrat bezüglich der Lichtdurchlässigkeit optimiert sein kann, ist es technisch vorteilhaft, die thermisch stärker belastete erste Leuchtdiode auf dem ersten Substrat anzuordnen. Das erste Substrat kann bezüglich der thermischen Wärmleitfähigkeit optimiert sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Leuchtdiodenanordnung weist das erste Substrat eine thermische Leitfähigkeit auf, die gleich oder höher ist als die thermische Leitfähigkeit des zweiten Substrats.
Zur Erhöhung des Lichtstroms und der Leuchtdichte der Leuchtdiodenanordnung kann es vorteilhaft sein, dass die erste Leuchtdiode auf dem ersten Substrat thermisch stärker belastet wird als die zweite Leuchtdiode auf dem zweiten Substrat. Um eine bestimmte Farbtemperatur des emittierten Lichts der Leuchtdiodenanordnung zu erreichen, kann es zusätzlich vorteilhaft sein, dass mehr erste Leuchtdioden auf dem ersten Substrat angeordnet sind, als zweite Leuchtdioden auf dem zweiten Substrat. Um eine effektive Kühlung der ersten Leuchtdioden zu gewährleisten, ist es technisch vorteilhaft, wenn das erste Substrat eine gleiche oder höhere thermische Leitfähigkeit aufweist als das zweite Substrat.
Das erste Substrat kann beispielsweise Metall und/oder Keramik aufweisen. Beispielsweise kann das erste Substrat eine Metallkernplatine oder eine Keramikplatine sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Leuchtdiodenanordnung weist das erste Substrat eine reflektierende Oberfläche auf.
Die reflektierende Oberfläche des ersten Substrats kann aus dem Grundmaterial des Substrats, beispielsweise Metall, ausgebildet sein. Es ist darüber hinaus möglich, dass die reflektierende Oberfläche eine reflektierende Beschichtung, beispielsweise in ein Matrixmaterial wie Silikon eingebettetes Titandioxid, umfasst. Im Betrieb der Leuchtdiodenanordnung führt die reflektierende Oberfläche dazu, dass ein besonders hoher Anteil des emittierten Lichts abgestrahlt wird. Dies kann zu einer besonders hohen Effizienz der Leuchtdiodenanordnung beitragen, da optische Verluste in der Leuchtdiodenanordnung minimiert sind.
Die Ausbildung einer reflektierenden Beschichtung ist besonders vorteilhaft, wenn auf der Oberfläche des ersten Substrats elektrische Leitungen zum elektrischen kontaktieren der Leuchtdioden ausgebildet sind. Dies ist beispielsweise bei Verwendung von oberflächenemittierenden Leuchtdioden üblich. Die elektrischen Leitungen können somit vorteilhaft mit einer reflektierenden Beschichtung überdeckt werden und verursachen keine Absorptionsverluste. Falls die reflektierende Beschichtung selbst elektrisch leitfähig ist, ist zwischen der Beschichtung und der elektrischen Leitung eine elektrische Isolationsschicht angeordnet, um einen elektrischen Kurzschluss zu vermeiden.
Gemäß einer Weiterbildung der Leuchtdiodenanordnung weist das erste Substrat eine erste Aussparung auf, wobei in der ersten Aussparung die erste Leuchtdiode angeordnet ist.
Die Aussparung kann durch mechanisches Prägen oder Materialabtrag ausgeformt sein. Es ist somit möglich das erste Substrat kostengünstig als Metallkernplatine, mit guter thermischer Leitfähigkeit und reflektierender Oberfläche, herzustellen. Über der Ausformung kann das zweite Substrat angeordnet sein und direkt am Rand der Ausformung, auf der Oberfläche des ersten Substrats, aufliegen.
Gemäß einer Weiterbildung der Leuchtdiodenanordnung weist das erste Substrat eine erste Aussparung und eine zweite Aussparung auf. In den Aussparungen ist jeweils eine Leuchtdiode angeordnet.
Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, um eine möglichst gute thermische und optische Entkopplung der Leuchtdioden auf dem ersten Substrat zu realisieren. Die in der ersten und zweiten Aussparung angeordneten Leuchtdioden können baugleich sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Leuchtdiodenanordnung sind die erste Aussparung und die zweite Aussparung mit Konvertermaterial, zum Konvertieren von Licht der entsprechenden Leuchtdioden, zumindest teilweise gefüllt.
Dies ermöglicht auf einfache Art und Weise, Licht gleicher Farbe zu erzeugen und/oder bei Verwendung baugleicher Leuchtdioden Licht unterschiedlicher Farbe zu erzeugen. Beispielsweise können die Leuchtdioden in der ersten Aussparung von einer ersten Konversionsschicht bedeckt, die ersten Leuchtdioden in der zweiten Aussparung von einer zweiten Konversionsschicht bedeckt sein. Darüber hinaus können die zweiten Leuchtdioden auf dem zweiten Substrat von einer dritten Konversionsschicht bedeckt sein. Insbesondere kann auf jeder Leuchtdiode genau eine Konversionsschicht ausgebildet sein. Die Konversionsschichten können jeweils ein Trägermaterial aufweisen, in das entsprechende Konverterpartikel eingebettet sind. Alternativ dazu können eine, zwei oder alle drei Konversionsschichten aus Konvertermaterial gebildet sein. Die verschiedenen Konversionsschichten können verschiedene Konvertermaterialien aufweisen. In anderen Worten kann mittels der verschiedenen Konversionsschichten Licht entsprechend verschiedener Farbe erzeugt werden. Beispielsweise können die Konversionsschichten so ausgebildet sein, dass mittels ihnen grünes, rotes, weißes oder blau-weißes Licht erzeugt wird. Durch geeignete Kombination von Leuchtdioden und Konvertermaterialien kann der gewünschte Farbeindruck (Farbtemperatur und Farbort) der Leuchtdiodenanordnung eingestellt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Leuchtdiodenanordnung sind das erste Substrat und das zweite Substrat durch einen Abstandshalter voneinander beabstandet.
Dies ermöglicht, dass auf einfache Art und Weise das zweite Substrat über dem ersten Substrat angeordnet werden kann. Der Abstandshalter kann Metall und/oder Keramik und/oder Kunststoff und/oder Saphir aufweisen.
Gemäß einer Weiterbildung der Leuchtdiodenanordnung weist der Abstandshalter eine reflektierende Oberfläche aufweist.
Die reflektierende Oberfläche des Abstandshalters kann aus dem Grundmaterial des Abstandshalters, beispielsweise Metall, ausgebildet sein. Es ist darüber hinaus möglich, dass die reflektierende Oberfläche eine reflektierende Beschichtung, beispielsweise Titandioxid, umfasst. Im Betrieb der Leuchtdiodenanordnung dient die reflektierende Oberfläche als Spiegel und trägt dazu bei, dass ein besonders hoher Anteil des emittierten Lichts abgestrahlt wird. Dies kann zu einer Verbesserung der Effizienz der Leuchtdiodenanordnung beitragen, da optische Verluste in der Leuchtdiodenanordnung minimiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Leuchtdiodenanordnung weist der Abstandshalter eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 20 [W/Km] auf.
Dies trägt zu einer besonders einfachen und effektiven Wärmekopplung zwischen dem zweiten und dem ersten Substrat bei. Somit kann die auf dem zweiten Substrat im Betrieb entstehende Wärme über die Abstandshalter an das erste Substrat abgeführt werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Leuchtdiodenanordnung sind eine erste Gruppe von Leuchtdioden und eine zweite Gruppe von Leuchtdioden auf dem ersten Substrat angeordnet und eine dritte Gruppe von Leuchtdioden ist auf dem zweiten Substrat angeordnet.
Die erste Gruppe von Leuchtdioden weist mehrere erste Leuchtdioden auf, denen eine erste Konversionsschicht optisch nachgeschaltet ist und mittels dieser das erste Licht erzeugt wird. Die zweite Gruppe von Leuchtdioden weist mehrere erste Leuchtdioden auf, denen eine zweite Konversionsschicht optisch nachgeschaltet ist und mittels dieser das zweite Licht erzeugt wird. Die dritte Gruppe von Leuchtdioden weist mehrere zweite Leuchtdioden auf, denen eine dritte Konversionsschicht optisch nachgeschaltet ist und mittels dieser das dritte Licht erzeugt wird. Die erste Leuchtdiode und die zweite Leuchtdiode können baugleich sein. Bei der ersten Konversionsschicht, der zweiten Konversionsschicht und der dritten Konversionsschicht kann es sich um gleiche und/oder unterschiedliche Konversionsschichten handeln. Dies trägt dazu bei, dass die Leuchtdiodenanordnung hinsichtlich unterschiedlicher optischer Zielvorgaben leicht angepasst werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Leuchtdiodenanordnung emittiert im Betrieb die erste Gruppe von Leuchtdioden rotes Licht, die zweite Gruppe von Leuchtdioden grünes Licht und die dritte Gruppe von Leuchtdioden blaue-weißes Licht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren geben die erste(n) Ziffer(n) eines Bezugszeichens die Figur an, in denen das Bezugszeichen zuerst verwendet wird. Die gleichen Bezugszeichen werden für gleichartige oder gleich wirkende Elemente bzw. Eigenschaften in allen Figuren verwendet.
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Leuchtdiodenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung;
2a eine schematische Darstellung des zweiten Substrats einer Leuchtdiodenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht;
2b eine schematische Darstellung des zweiten Substrats einer Leuchtdiodenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung;
3 eine schematische Darstellung einer Leuchtdiodenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht;
4 eine schematische Darstellung einer Leuchtdiodenanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung;
5 eine schematische Darstellung einer Leuchtdiodenanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung;
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER LEUCHTDIODENANORDNUNG
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Leuchtdiodenanordnung 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung. Die Leuchtdiodenanordnung 100 weist ein erstes Substrat 105 und ein zweites Substrat 110 auf. Das zweite Substrat 110 ist über dem ersten Substrat 105 angeordnet, so dass das zweite Substrat 110 das erste Substrat 105 überdeckt. Das erste Substrat 105 und das zweite Substrat 110 sind durch einen Abstandshalter 140 voneinander beabstandet.
Das erste Substrat 105 ist als Metallkernplatine oder als Keramikplatine ausgebildet. Das zweite Substrat 110 ist als transparente Glasplatine oder als transluzente Keramikplatine ausgebildet. Der Abstandshalter 140 ist aus Metall ausgebildet.
Auf dem ersten Substrat 105 sind eine erste Leuchtdiode 115 und eine weitere Leuchtdiode 117 angeordnet. Die erste Leuchtdiode 115 und weitere Leuchtdiode 117 können baugleiche Leuchtdioden, zum Beispiel volumenemittierende oder oberflächenemittierende Leuchtdioden, sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die erste Leuchtdiode 115 und weitere Leuchtdiode 117 nicht baugleich sind. Beispielsweise kann es bei der ersten Leuchtdiode 115 um eine volumenemittierende Leuchtdiode und bei der weiteren Leuchtdiode 117 um eine oberflächenemittierende Leuchtdiode handeln. Darüber hinaus können die erste Leuchtdioden 115 und die weitere Leuchtdiode 117 jeweils einen Leuchtdioden-Chip aufweisen, der Licht einer Wellenlänge oder unterschiedlicher Wellenlänge emittiert.
Die Leuchtdioden 115, 117 weisen im Bereich der Anordnungsfläche 125 zum ersten Substrat 105 eine Verspiegelung 130 auf. Die Verspiegelung 130 bewirkt, dass durch den Leuchtdiodenchip emittiertes Licht, das in Richtung der Anordnungsfläche 125 abgestrahlt beziehungsweise abgelenkt wurde, an ihr reflektiert wird. Durch das reflektierte Licht werden die optischen Verluste der Leuchtdiodenanordnung 100 minimiert.
Die Leuchtdioden 115, 117 sind mit diversen Schichten bedeckt. Die Schichten können transparente Schichten, transluzente Schichten und/oder Konversionsschichten 150, 155 sein. Die Konversionsschichten 150, 155 können Konvertermaterial aufweisen. Die Konversionsschichten 150, 155 können gleiche oder unterschiedliche Konvertermaterialien aufweisen. Mittels des Konvertermaterials kann das von den entsprechenden Leuchtdioden 115, 117 erzeugte Licht bezüglich seiner Wellenlänge konvertiert werden. Beispielsweise kann von den ersten Leuchtdioden 115 erzeugtes blaues Licht mittels einer entsprechenden Konversionsschicht 150 in rotes Licht konvertiert werden. Beispielsweise kann mittels der Leuchtdioden 117 erzeugtes blaues Licht mittels einer entsprechenden Konversionsschicht 155 in grünes Licht konvertiert werden.
Auf der Oberfläche des ersten Substrats 105 können elektrische Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung der ersten Leuchtdioden 115 und/oder der weiteren Leuchtdioden 117 angeordnet sein. Dies ist dann notwendig, wenn es sich bei der ersten Leuchtdiode 115 beziehungsweise bei der weiteren Leuchtdiode 117 um oberflächenemittierende Leuchtdioden handelt. Oberflächenemittierende Leuchtdioden weisen typischerweise einen elektrischen Kontakt an ihrer Oberseite und einen elektrischen Kontakt an ihrer Unterseite auf. Der elektrische Kontakt an der Unterseite wird beispielsweise durch Löten mit einer an der Oberfläche des ersten Substrats 105 angeordneten elektrischen Leiterbahn verbunden. Durch einen Verbindungsdraht (Wire Bond) wird der elektrische Kontakt an der Oberseite der Leuchtdiode mit einer weiteren elektrischen Leiterbahn auf dem ersten Substrat 105 verbunden. Auf diese Weise können mehrere auf dem ersten Substrat 105 angeordnete Leuchtdioden 115, 117 miteinander elektrisch verbunden werden. Die elektrischen Leiterbahnen Verbindungsdrähte sind in 1 nicht dargestellt.
Auf dem ersten Substrat 105 sind elektrische Kontaktierungsflächen 175 angeordnet. Über die Kontaktierungsflächen 175 wird die Leuchtdiodenanordnung 100 mit elektrischer Energie versorgt. Die auf dem ersten Substrat angeordneten Leuchtdioden 115, 117 sind mit den Kontaktierungsflächen 175 elektrisch verbunden.
Das erste Substrat 105 und der Abstandshalter 140 weisen eine reflektierende Oberfläche 135, 145 auf. Die reflektierende Oberfläche 135, 145 kann aus dem Grundmaterial des Substrats beziehungsweise des Abstandshalters, beispielsweise Metall, ausgebildet sein. Es ist darüber hinaus möglich, dass die reflektierende Oberfläche 135, 145 eine reflektierende Beschichtung, beispielsweise in ein Matrixmaterial wie Silikon dispergiertes Titandioxid, umfasst. An der Oberfläche des ersten Substrats 105 angeordnete Leiterbahnen beziehungsweise die Kontaktierungsflächen 175 können mit der Beschichtung überdeckt sein. Im Betrieb der Leuchtdiodenanordnung dient die reflektierende Oberfläche 135, 145 als Spiegel und trägt dazu bei, die optischen Verluste der Leuchtdiodenanordnung 100 zu minimieren.
Auf dem transparenten zweiten Substrat 110 sind zweite Leuchtdioden 120 angeordnet. Die zweiten Leuchtdioden 120 sind volumenemittierende Leuchtdioden, die typischerweise beide elektrischen Kontakte auf ihrer Oberseite aufweisen. Die zweiten Leuchtdioden 120 sind in Reihenschaltung miteinander elektrisch verbunden. Die elektrische Kontaktierung zwischen den einzelnen zweiten Leuchtdioden 120 erfolgt durch Drähte 165, den sogenannten Wire Bonds. Dabei verbindet jeweils ein Draht 165 zwei Leuchtdioden 120 miteinander. Die Kontaktierung erfolgt über die an der Oberseite befindlichen elektrischen Kontakte der jeweiligen Leuchtdiode 120. Die erste und die letzte Leuchtdiode 120 der Leuchtdioden-Reihenschaltung sind über einen Draht 165 jeweils mit einer elektrischen Kontaktierungsfläche 180 verbunden. Die elektrische Kontaktierungsfläche 180 des zweiten Substrats ist über einen Draht 170 mit einer elektrischen Kontaktierungsfläche des ersten Substrats elektrisch Verbunden.
Die zweite Leuchtdiode 120 kann einen Leuchtdiodenchip aufweisen, der Licht in der gleichen Wellenlänge emittiert, wie die Leuchtdiode 115 und/oder die Leuchtdiode 117. Die zweite Leuchtdiode 120 kann jedoch auch einen Leuchtdiodenchip aufweisen, der Licht in einer anderen Wellenlänge emittiert, wie die Leuchtdiode 115 und die Leuchtdiode 117. Die zweite Leuchtdiode 120 ist mit diversen Schichten bedeckt. Die Schichten können beispielsweise eine transparente Schicht, eine transluzente Schicht und/oder eine Konversionsschicht 160 sein. Die Konversionsschicht 160 kann Konvertermaterial aufweisen. Im Vergleich zu den Konversionsschichten 150, 155 kann die Konversionsschicht 160 gleiche oder unterschiedliche Konvertermaterialien aufweisen. Mittels des Konvertermaterials kann das von der zweiten Leuchtdioden 120 erzeugte Licht bezüglich seiner Wellenlänge konvertiert werden. Beispielsweise kann von den zweiten Leuchtdioden 120 erzeugtes blaues Licht mittels einer entsprechenden Konversionsschicht 160 in gelbes Licht konvertiert werden und mittels eines weiteren Konvertermaterials in blau-weißes Licht konvertiert werden.
Das erste und das zweite Substrat sind so zueinander angeordnet, dass das emittierte Licht der Leuchtdioden 115, 117, 120 in die Hauptabstrahlrichtung Z der Leuchtdiodenanordnung abgestrahlt wird.
2a und 2b zeigen eine schematische Darstellung des zweiten Substrats 110 einer Leuchtdiodenanordnung 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht und in einer Schnittdarstellung. Die Darstellungen verdeutlichen, dass das komplette zweite Substrat 110 mit seinen zweiten Leuchtdioden 120, den elektrischen Verbindungsdrähten 165, der Konversionsschicht 160 und den Abstandshaltern 140 als eigenständige Baugruppe hergestellt werden kann. Über die Kontaktfelder 180 kann das zweite Substrat 110 elektrisch kontaktiert und die lichttechnischen Daten ermittelt werden. Gleiches gilt auch für das erste Substrat 105 mit seinen angeordneten Komponenten. Es ist somit möglich durch eine geeignete Kombination erster Substrate 105 und zweiter Substrate 110 eine Gruppe von Leuchtdiodenanordnungen 100 herzustellen, die ganz bestimmte lichttechnische Eigenschaften, wie zum Beispiel einen eng begrenzten Farbort, aufweisen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Leuchtdiodenanordnung 300 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht. Die Leuchtdiodenanordnung 300 weist ein erstes Substrat 105 und mehrere zweite Substrate 110 auf. Die zweiten Substrate 110 sind über dem ersten Substrat 105 angeordnet, so dass die zweiten Substrate 110 das erste Substrat 105 überdecken. Das erste Substrat 105 und die zweiten Substrate 110 sind durch Abstandshalter 140, die 3 nicht dargestellt sind, voneinander beabstandet. Auf dem ersten Substrat 105 sind abwechselnd Leuchtdiodenstränge 310, die mehrere erste Leuchtdioden 115 mit einer Konversionsschicht 150 aufweisen, und Leuchtdiodenstränge 320, die mehrere Leuchtdioden 117 mit einer Konversionsschicht 155 aufweisen, angeordnet. Auf jedem zweiten Substrat 110 ist ein Leuchtdiodenstrang 330, der mehrere zweite Leuchtdioden 120 mit einer Konversionsschicht 160 aufweist, angeordnet. Leuchtdioden 115, 117, 120 und Konversionsschichten 150, 155, 160 sind in 3 nicht im Detail dargestellt. Ein Leuchtdiodenstrang 310 wird somit durch eine erste Gruppe von Leuchtdioden, ein Leuchtdiodenstrang 320 wird durch eine zweite Gruppe von Leuchtdioden und ein Leuchtdiodenstrang 330 wird durch eine dritte Gruppe von Leuchtdioden gebildet. Die Leuchtdiodenstränge 310 emittieren im Betrieb rotes Licht, die Leuchtdiodenstränge 320 emittieren im Betrieb grünes Licht und die Leuchtdiodenstränge 330 emittieren im Betrieb blau-weißes Licht. Dies ermöglicht, mittels der Leuchtdiodenanordnung 300 ein gemischtes Licht zu erzeugen, dass eine weiße Farbe hat.
Die Leuchtdiodenstränge 310 sind durch Reihen- und/oder Parallelschaltung miteinander elektrisch verbunden und bilden eine Gruppe von Leuchtdiodensträngen. Gleiches gilt auch für die Leuchtdiodenstränge 320 und 330. Durch eine geeignete Steuereinheit kann jede Gruppe mit eigenen elektrischen Parametern betrieben werden.
Auf dem ersten Substrat 105 sind jeweils mehr erste Leuchtdioden 115 (rot emittierend) beziehungsweise Leuchtdioden 117 (grün emittierend) angeordnet als zweite Leuchtdioden 120 (blau-weiß emittierend) auf den zweiten Substraten 110. Mit dieser Anordnung ist es möglich, warm-weißes Licht zu erzeugen. Darüber hinaus werden die Leuchtdiodenstränge 310, 320 mit höheren elektrischen Parametern betrieben als die Leuchtdiodenstränge 330, was zur Erhöhung des Lichtstroms der Leuchtdiodenanordnung 300 beiträgt. Das erste Substrat 105, das als Metallkernplatine ausgeformt ist, trägt zur guten thermischen Entlastung der Leuchtdiodenstränge 310, 320 bei. Das in den Leuchtdiodensträngen 310, 320 erzeugte Licht kann durch die transparenten zweiten Substrate 110 hindurch treten und sich mit dem Licht der Leuchtdiodenstränge 330 gut vermischen.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Leuchtdiodenanordnung 400 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung. Die Leuchtdiodenanordnung 400 weist ein erstes Substrat 105 und ein zweites Substrat 110 auf. Das erste Substrat 105 ist als massive Metallkernplatine ausgebildet und weist eine erste Aussparung 405 auf. Die Aussparung 405 erstreckt sich typischerweise vom Zentrum des ersten Substrats 105 bis an den Rand des ersten Substrats 105. Über der Aussparung 405 ist das zweite Substrat 110 angeordnet, so dass das zweite Substrat 110 das erste Substrat 105 überdeckt. Der Rand des ersten Substrats 105, der von der Aussparung 405 nicht betroffen ist, dient als Auflagefläche 410 für das zweite Substrat 110. Das zweite Substrat 110 liegt somit am Rand der Aussparung 405, auf der Auflagefläche 410 des ersten Substrats 105, auf. In der Aussparung 405 ist die erste Leuchtdiode 115 und weitere Leuchtdioden 117 angeordnet. Die Aussparung 405 kann durch mechanisches Prägen oder Materialabtrag ausgeformt sein.
Der wesentliche Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass das zweite Substrat 110 über dem ersten Substrat 105 angeordnet ist, ohne dass Abstandshalter 140 hierzu verwendet werden. Ansonsten weist das zweite Ausführungsbeispiel die gleichen technischen Details auf, wie das erste Ausführungsbeispiel. Zur Beschreibung der technischen Details wird daher auf die Beschreibung der 1, 2a, 2b, 3 verwiesen.
Durch die Ausgestaltung des ersten Substrats 105 als massive Metallkernplatine kann ein kostengünstiges Substrat mit sehr guter thermischer Leitfähigkeit verwendet werden. Es somit möglich die in der Aussparung 405 angeordneten Leuchtdioden 115, 117 elektrisch stärker zu belasten, um den Gesamtlichtstrom der Leuchtdiodenanordnung 400 zu erhöhen. Die in den Leuchtdioden 115, 117 entstehende thermische Belastung kann besonders gut über die massive Metallkernplatine abgeführt werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Leuchtdiodenanordnung 500 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung.
Die Leuchtdiodenanordnung 500 weist ein erstes Substrat 105 und ein zweites Substrat 110 auf. Das erste Substrat 105 ist als massive Metallkernplatine ausgebildet und weist eine erste Aussparung 510 und eine zweite Aussparung 520 auf. Die erste und zweite Aussparung 510, 520 erstrecken sich typischerweise geradlinig und parallel zueinander über die Oberfläche des ersten Substrats 105. Dabei ist es möglich, dass die erste und die zweite Aussparung 510, 520 auch den Rand des ersten Substrats 105 durchbrechen. Über der ersten und der zweiten Aussparung 510, 520 ist das zweite Substrat 110 angeordnet, so dass das zweite Substrat 110 das erste Substrat 105 überdeckt. Der Rand des ersten Substrats 105, der von der ersten und der zweiten Aussparung 510, 520 nicht durchbrochen ist, dient als Auflagefläche 410 für das zweite Substrat 110. Darüber hinaus dient auch der zwischen der ersten und zweiten Aussparung 510, 520 verbliebene Bereich des ersten Substrats 105 als Auflagefläche 530 für das zweite Substrat 110. In der ersten Aussparung 510 ist die erste Leuchtdiode 115 angeordnet. In der zweiten Aussparung 520 ist die Leuchtdiode 117 angeordnet. Die erste und die zweite Aussparung 510, 520 sind zumindest teilweise mit Konversionsschichten 150, 155 ausgefüllt. Ansonsten weist das dritte Ausführungsbeispiel die gleichen technischen Details auf, wie das erste Ausführungsbeispiel. Zur Beschreibung der technischen Details wird daher auf die Beschreibung der 1, 2a, 2b, 3 verwiesen.
Durch die Leuchtdiodenanordnung 500 ist es möglich, eine verbesserte thermische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat 105, 100 zu realisieren. Die im Betrieb in den zweiten Leuchtdioden 120 entstehende Wärme kann durch das zweite Substrat 110 zusätzlich auch über die Auflagefläche 530 an das erste Substrat 105 abgeführt werden. Es somit möglich die zweiten Leuchtdioden 120 elektrisch stärker zu belasten, um den Gesamtlichtstrom der Leuchtdiodenanordnung 500 zu erhöhen.
In einer besonders effektiven Weiterbildung der Leuchtdiodenanordnung 500 sind die zweiten Leuchtdioden 120 so auf dem zweiten Substrat 110 angeordnet, dass sie sich direkt über der Auflagefläche 530 befinden.
ABSCHLIESSENDE FESTSTELLUNG
Die Leuchtdiodenanordnung wurde zur Veranschaulichung des zugrundeliegenden Gedankens anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf bestimmte Merkmalskombinationen beschränkt. Auch wenn einige Merkmale und Ausgestaltungen nur im Zusammenhang mit einem besonderen Ausführungsbeispiel oder einzelnen Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, können sie jeweils mit anderen Merkmalen aus anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Es ist ebenso möglich, in Ausführungsbeispielen einzelne dargestellte Merkmale oder besondere Ausgestaltungen wegzulassen oder hinzuzufügen, soweit die allgemeine technische Lehre realisiert bleibt.
Bezugszeichenliste

100: Leuchtdiodenanordnung
105: Erstes Substrat
110: Zweites Substrat
115: Erste Leuchtdiode
117: Leuchtdiode
120: Zweite Leuchtdiode
125: Anordnungsfläche
130: Verspiegelung
135: Reflektierende Oberfläche
140: Abstandshalter
145: Reflektierende Oberfläche
150: Konversionsschicht
155: Konversionsschicht
160: Konversionsschicht
165: Draht (Wire Bond)
170: Draht (Wire Bond)
175: Elektrische Kontaktierungsfläche
180: Elektrische Kontaktierungsfläche
300: Leuchtdiodenanordnung
310: Erste Gruppe von LEDs, Leuchtdiodenstrang
320: Zweite Gruppe von LEDs, Leuchtdiodenstrang
330: Dritte Gruppe von LEDs, Leuchtdiodenstrang
400: Leuchtdiodenanordnung
405: Erste Aussparung
410: Auflagefläche
500: Leuchtdiodenanordnung
510: Erste Aussparung
520: Zweite Aussparung
530: Auflagefläche
Z: Hauptabstrahlrichtung

Claims

Leuchtdiodenanordnung (100), umfassend – ein erstes Substrat (105) mit einer ersten Leuchtdiode (115), die so auf dem ersten Substrat (105) angeordnet ist, dass von ihr emittiertes Licht in eine Hauptabstrahlrichtung (Z) der Leuchtdiodenanordnung (100) abstrahlt, – ein zweites Substrat (110) mit einer zweiten Leuchtdiode (120), die so auf dem zweiten Substrat (110) angeordnet ist, dass von ihr emittiertes Licht in die Hauptabstrahlrichtung (Z) der Leuchtdiodenanordnung (100) abstrahlt, – wobei das zweite Substrat (110) über dem ersten Substrat (105) angeordnet ist, so dass das zweite Substrat (110) das erste Substrat (105) zumindest teilweise überdeckt.
Leuchtdiodenanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das zweite Substrat (110) ein lichtdurchlässiges Material aufweist.
Leuchtdiodenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Leuchtdiode (115) im Bereich einer Anordnungsfläche (125) zum ersten Substrat (105) eine Verspiegelung (130) aufweist.
Leuchtdiodenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Leuchtdiode (115) eine höhere thermische Belastung aufweist als die zweite Leuchtdiode (120).
Leuchtdiodenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (105) eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die gleich oder höher ist als die thermische Leitfähigkeit des zweiten Substrats (110).
Leuchtdiodenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (105) eine reflektierende Oberfläche (135) aufweist.
Leuchtdiodenanordnung (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (105) eine erste Aussparung (405) aufweist und in der ersten Aussparung (405) die erste Leuchtdiode (115) angeordnet ist.
Leuchtdiodenanordnung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste Substrat (105) eine erste Aussparung (510) und eine zweite Aussparung (520) aufweist und in den Aussparungen (510; 520) jeweils eine Leuchtdiode (115, 117) angeordnet ist.
Leuchtdiodenanordnung (500) nach Anspruch 8, wobei die erste Aussparung (510) und die zweite Aussparung (520) zumindest teilweise mit Konvertermaterial (150; 155) gefüllt sind.
Leuchtdiodenanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (105) und das zweite Substrat (110) durch einen Abstandshalter (140) voneinander beabstandet sind.
Leuchtdiodenanordnung (100) nach Anspruch 10, wobei der Abstandshalter (140) eine reflektierende Oberfläche (145) aufweist.
Leuchtdiodenanordnung (100) nach Anspruch 10, wobei der Abstandshalter (140) eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 20 [W/Km] aufweist.
Leuchtdiodenanordnung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Gruppe (310) von Leuchtdioden und eine zweite Gruppe (320) von Leuchtdioden auf dem ersten Substrat (105) angeordnet sind und eine dritte Gruppe (330) von Leuchtdioden auf dem zweiten Substrat (110) angeordnet ist.
Leuchtdiodenanordnung (300) nach Anspruch 13, wobei im Betrieb die erste Gruppe (310) von Leuchtdioden rotes Licht emittiert, die zweite Gruppe (320) von Leuchtdioden grünes Licht emittiert und die dritte Gruppe (330) von Leuchtdioden blau-weißes Licht emittiert.