DE19951656A1 - Leuchtdiode und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Leuchtdiode und Verfahren zu deren Herstellung

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen. Die Leuchtdiode weist einen LED-Chip, der in einem Gehäuse eingegossen ist, und eine Linse zur Bündelung der aus dem LED-Chip austretenden Strahlen auf. DOLLAR A Zur Bündelung der aus dem LED-Chip austretenden Strahlen wird zwischen dem LED-Chip und einer das Gehäuse bildenden Vergußmasse ein Bereich mit einer Brechzahl (n¶L¶) vorgesehen, die kleiner als die Brechzahl (n¶G¶) der Vergußmasse ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zur deren Herstellung.
Leuchtdioden bestehen herkömmlicherweise aus einem mit einer Vergußmasse umgebenen Halbleiterchip. Der Halbleiterchip weist einen PN- oder NP-Übergang auf, und bei Anlegen einer Spannung entsteht im Übergangsbereich eine Licht­ emission.
Für manche Anwendungen, beispielsweise die Einleitung von Licht in einen Licht­ wellenleiter, ist es notwendig, die von der Leuchtdiode emittierte Strahlung zu bün­ deln. Dazu ist es bekannt, im Strahlengang nach der Leuchtdiode eine separate Linse anzuordnen.
Ferner ist es bekannt, beispielsweise durch Spritzgießen eine Gehäuseform herzu­ stellen, deren Außenfläche einer Linsenform angenähert ist. Die Anwendung sol­ cher Spritzgießverfahren ist jedoch nicht immer möglich, weil bei dem Spritzvorgang die das Halbleitersubstrat mit Strom versorgenden Bond-Drähte reißen können. Durch ein einfaches Gießen lassen sich jedoch nicht ohne weiteres Linsenformen bilden. Bei mit den Leuchtdiodengehäusen ausgebildeten Linsen besteht ferner die Problematik, daß sie relativ weit von der abstrahlenden Oberfläche entfernt liegen, so daß ein Großteil des abgestrahlten Lichts nicht im Brennpunkt der Linse liegt. Dadurch kann nicht die gewünschte Fokussierung erzielt werden.
Zum weiteren Umfeld der Erfindung wird auf die DE 43 42 840 A, die US 5,229,835, die EP 0 392 741 A1 und die US 4,797,179 hingewiesen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leuchtdiode derart weiterzubilden, daß auf einfache und kostengünstige Weise eine gute Bündelung der von einem LED-Chip emittierten Strahlung erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale vorrichtungsmä­ ßig und durch die in den Ansprüchen 5, 6 und 8 genannten Merkmale verfahrens­ mäßig gelöst.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß zwischen einem LED-Chip und einer das Gehäuse bildenden Vergußmasse ein Bereich vorgesehen ist, in dem die Brechzahl kleiner ist als die Brechzahl der Vergußmasse. Beim Durchtritt der Grenzfläche zwischen dem Bereich mit kleiner Brechzahl und der Vergußmasse erfolgt eine Ablenkung zur Mittelsenkrechten einer jeweiligen Ober­ fläche hin. Bei einer entsprechenden Grenzflächengestaltung, insbesondere einer konvexen Grenzfläche, erfolgt insgesamt eine Bündelung der von dem LED-Chip emittierten Strahlen. Die Strahlenbündelung hängt dabei nicht nur von der Grenzflä­ chengestaltung, sondern auch von dem Verhältnis der Brechzahlen n1 und n~ ab. Soll ein gewünschter Bündelungseffekt für eine Anwendung erreicht werden, so ist bei Vorliegen bestimmter Brechzahlen eine jeweils zu ermittelnde Oberflächenge­ staltung zu wählen. Da das in dem genannten Bereich gebildete optische Element an der abstrahlenden Oberfläche des LED-Chips anliegt, kommt der überwiegende Teil des abgestrahlten Lichts aus dem Brennpunkt der Linse, so daß eine gute Fo­ kussierung gewährleistet ist.
In dem Bereich mit kleiner Brechzahl ist insbesondere Luft oder Vakuum vorgese­ hen. Alternativ kann jedes andere Material verwendet werden, welches eine geeig­ nete Brechzahl aufweist.
Der Bereich mit der kleineren Brechzahl kann auf vielfältige Art geschaffen werden. Beispielsweise ist es möglich, um einen LED-Chip beim Gießen eine lokal höhere Oberflächenspannung vorzusehen, so daß beim Vergußvorgang im Chipbereich eine Blase, beispielsweise mit Luft gefüllt, entsteht.
Alternativ kann in dem Bereich des LED-Chips, in dem eine kleinere Brechzahl vor­ gesehen ist, ein Platzhaltermedium oder -material angeordnet werden, so daß die Vergußmasse beim Vergußvorgang in diesen Bereich nicht eindringt. Nach der Aushärtung der Vergußmasse kann das Platzhaltermaterial oder das Platzhalter­ medium wieder entfernt werden. Dies ist beispielsweise möglich, indem durch die Vergußmasse hindurch eine Öffnung bis zu dem Bereich mit der kleineren Brech­ zahl gebildet und das Platzhaltermedium dann ausgesaugt, ausgespült, ausgeätzt etc. wird. Auch ist es möglich, ähnlich einem "Rapid-Prototyping-Verfahren, Material strukturiert aufzutragen.
Alternativ kann auch zunächst ein Material mit kleinerer Brennzahl um einen LED- Chip angeordnet werden, um im nächsten Schritt die das Gehäuse bildende Ver­ gußmasse aufzutragen. Auch damit wird ein Übergang von einem kleineren Brechindex zu einem größeren Brechindex geschaffen, so daß im wesentlichen eine lichtsammelnde optische Vorrichtung gebildet wird.
Wird der oben genannte Bereich mit Luft gefüllt, so ist eine gleichzeitige oder nach­ trägliche Bildung einer Verbindung zwischen diesem Bereich und der Außenumge­ bung von Vorteil, da dadurch der LED-Chip gekühlt werden kann. Da beispielsweise ein Faserkern eines Lichtwellenleiters aus PMMA nur etwa 85°C standhält, sollte die Leuchdiode nicht viel wärmer werden.
Ein einfaches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Leuchtdiode und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines vergrößerten Ausschnitts aus Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein LED-Chip 10 vorgesehen, der aus einem Halbleitersubstrat mit PN- Übergang besteht, wobei im Übergangsbereich bei Anlegen einer Spannung Licht emittiert wird. Auf dem LED-Chip 10 ist ein Bond-Pad 19 angeordnet, an dem ein Bonddraht 18 befestigt ist, der andererseits zu einem Lead-Frame 16 geführt ist, wo er ebenfalls auf einem Bond-Pad 19 befestigt ist. Der LED-Chip 10 ist ferner auf einem Substrat 14 angeordnet.
Die gesamte Anordnung ist mit einem lichtdurchlässigen Material mit einem be­ stimmten Brechindex nG umgossen (Vergußmasse 13), die das Gehäuse der Leuchtdiode bildet. Die von dem Lead-Frame austretenden Anschluß-Pins sind vor­ liegend nicht dargestellt.
Zwischen dem LED-Chip 10 und der Vergußmasse 13 ist ein etwa halbkugelförmi­ ger Bereich 12 freigehalten, in dem sich Luft befindet. Dieser Bereich kann in einer Form ausgestaltet sein, der die gewünschte Bündelungs- oder Streuwirkung erzielt. Insbesondere ist die Grenzfläche zu der Vergußmasse 13 so ausgestaltet, daß - wie nachfolgend noch zu erläutern ist - eine strahlungsbündelnde Wirkung erzielt wird.
Als Medium in dem Bereich 12 kann jegliches Material verwendet werden, welches eine kleinere Brechzahl nL aufweist als die Vergußmasse 13. Alternativ kann natür­ lich auch Vakuum in dem Bereich 12 verwendet werden.
Die Wirkung der in dem Bereich 12 gebildeten Blase ist in Fig. 2 dargestellt. Dem­ gemäß treten aus einem Bereich des LED-Chips 10 divergierende Strahlen aus, die jeweils in einem Winkel α 1, α 2 und α 3 gegenüber der Mittelsenkrechten zur Oberfläche der Vergußmasse 13 auftreffen. Durch das Brechzahlverhältnis nL: nG erfolgt eine Brechung zur Mittelsenkrechten hin, so daß alle Winkel β1, β2, β3 jeweils kleiner als die zugehörigen Einfallswinkel α 1 bis α 3 sind. Insgesamt wird das von dem LED-Chip 10 ausgehende Strahlenbündel somit gebündelt, so daß der Austrittskegel schmäler wird.
Diese Art der Leuchtdiode eignet sich überall dort, wo eine besondere Bündelung notwendig ist. Beispielsweise können sie zur besseren Einkoppelung in Lichtwel­ lenleiter eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Leuchtdiode mit einem LED-Chip, der in einem Gehäuse eingegossen ist, und mit einer Linse zur Bündelung der aus dem LED-Chip austretenden Strahlen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem LED-Chip (10) und einer das Gehäuse bildenden Ver­ gußmasse (13) ein Bereich (12) mit einer Brechzahl (nL) vorgesehen ist, die kleiner als die Brechzahl (nG) der Vergußmasse (13) ist.
2. Leuchtdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsfläche zwischen dem Bereich (12) und der Vergußmasse (13) konvex ausgebildet ist.
3. Leuchtdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich (12) Luft oder Vakuum vorgesehen ist.
4. Leuchtdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Füllung des Bereichs (12) mit Luft der Bereich (12) mit der Umgebungsluft verbunden ist.
5. Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß um einen LED-Chip (10) eine lokal höhere Oberflächenspannung beim Gießen des Gehäuses mit der Vergußmasse (13) geschaffen wird.
6. Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß um einen LED-Chip (10) in dem Bereich (12) zunächst ein Platzhalter- Medium angeordnet wird,
daß der LED-Chip (10) samt dem Platzhalter-Medium mit der Vergußmasse (13) umgossen wird und
daß das Platzhalter-Medium wieder entfernt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der Herstellung der Leuchtdiode oder nachträglich eine Ver­ bindung geschaffen wird, die den Bereich (12) mit der Außenumgebung ver­ bindet.
8. Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß um einen LED-Chip (10) in dem Bereich (12) ein Medium mit einer klei­ neren Brechzahl (nL) als die Brechzahl (nG) der Vergußmasse (13) angeord­ net wird und
daß der LED-Chip (10) samt dem Medium mit der Vergußmasse (13) um­ gossen wird.
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