DE202009005453U1 - LED-Modul für umgerüstete Lampen und umgerüstete LED-Lampe - Google Patents

LED-Modul für umgerüstete Lampen und umgerüstete LED-Lampe Download PDF

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Abstract

Als Glühbirne umgerüstete LED-Lampe, die einen LED-Modul, der eine gedruckte Leiterplatte oder einen SMD-Träger aufweist und eine Vielzahl von LED-Chips, die auf der Platte oder dem Träger montiert sind, aufweist, worin eine Kugelabdeckung angeordnet ist, d. h. auf den LED-Chips und der Fläche der Platte oder des Trägers, die den LED-Chip umgibt, verteilt oder montiert ist, und wobei mindestens ein LED-Chip blaues Licht emittiert, das teilweise von einem Phosphor umgewandelt wird und wobei mindestens ein LED-Chip ein Spektrum emittiert, bevorzugt im roten Spektrum, das im Wesentlichen nicht durch den Phosphor beeinträchtigt ist.

Description

  • Die Lichtleistung von ”Packaged LEDs” in der COB (Chip-On-Board)-Technologie wird durch die optischen Eigenschaften der umgebenden Package-Materialien beeinflusst, insbesondere durch die Reflexion und die Position des Phosphors und des LED-Chips. Es ist wichtig, dass die Packed in Materialien
    • a) eine hohe Reflektion
    • b) eine hohe Lichtstabilität
    • c) eine hohe Wärmestabilität
    aufweisen.
  • Die typischen Lichtwege emittierter Strahlung einer Phosphor umgewandelten, weißes Licht emittierenden LED mit einem beschichteten Phosphor, auf der emittierenden Fläche des LED-Chips ist, in 1 gezeigt. Eine Konfiguration einer LED besteht darin, den Emitter in der Mitte einer Halbkugel zu platzieren, damit das Licht aus dem LED-Package mit minimalem Reflexionsverlust herauskommen kann. Eine kleine Prozentzahl des Lichts wird zu dem Chip und zur umgebenden Fläche des PCB- oder SMD-Package zurückreflektiert, wo es entweder absorbiert oder reflektiert wird. Wenn die halbkugelförmige Kugelabdeckung groß genug ist, werden etwa 3% bis 5% des Lichts, je nach Brechungsindex des Halbkugelmaterials, reflektiert und können verloren gehen. Da der Phosphor Licht in alle Richtungen emittiert, muss etwa die Hälfte des Lichts durch den LED selbst reflektiert werden, wobei einige weitere Verluste auftreten. Obwohl ein hohes Reflexionsvermögen ebenfalls eine Eigenschaft ist, die von dem LED-Chip selbst kommen sollte, besteht seine Hauptfunktion darin, effizientes Licht zu emittieren, was einen Abfall seines Reflexionsvermögens bedeuten könnte.
  • Wenn hohe Lichtdichten nicht benötigt werden, kann der Phosphor ebenfalls in der halbkugelförmigen Kugelabdeckung verteilt sein. Dies ergibt offensichtlich keinen Vorteil hinsichtlich der Lichtleistung und des Strahlenwegs, allerdings können die Farbstabilität und die Farbreproduktion leichter gesteuert werden, und die Lichtdichten sind nicht zu hoch, was bedeutet, dass weniger Anstrengungen hinsichtlich der Blendfreiheit aufgewendet werden müssen.
  • Da ein sehr viel größerer Bereich des emittierten Lichts in das PCB- oder SMD-Package fällt, hat das Reflexionsvermögen des PCB- oder SMD-Packages einen großen Einfluss auf die Endlichtleistung. Da in einigen Fällen Flächen mit Golddraht gebunden werden müssen, um den Chip zu verbinden, müssen Abstände, um Flächen frei von Lötmittelstopmasken zu halten, gemäß Musterregeln eingehalten werden, so dass das Gesamtreflexionsvermögen der PCB-Platte oder des SMD-Packages eingeschränkt sein kann, oder nur Materialien mit geringerer Stabilität verwendet werden können.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Lichtleistung eines LED-Moduls mit einer Kugelabdeckung zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche entwickeln die zentrale Idee der vorliegenden Erfindung weiter.
  • Eine als Glühbirne umgerüstete LED-Lampe weist ein LED-Modul auf, das eine gedruckte Leiterplatte oder einen SMD-Träger und eine Vielzahl von LED-Chips, die auf der Platte oder dem Träger montiert sind, aufweist, wobei eine Kugelabdeckung angeordnet ist, d. h. auf den LED-Chips und der Fläche der Platte oder des Trägers, die den LED-Chip umgibt, verteilt oder montiert ist. Mindestens ein LED-Chip emittiert blaues Licht, das teilweise von einem Phosphor umgewandelt ist, und wobei mindestens ein LED-Chip ein Spektrum emittiert, bevorzugt im roten Spektrum, das im wesentlichen nicht durch den Phosphor beeinträchtigt ist.
  • Ein LED-Modul weist eine gedruckte Leiterplatte oder einen SMD-Träger und mindestens einen LED-Chip, der auf der Platte oder dem Träger montiert ist, auf. Es ist eine Kugelabdeckung auf dem LED-Chip angeordnet, d. h. auf dem LED-Chip und der Fläche der Platte oder des Trägers, die den LED-Chip umgibt, verteilt oder montiert. Die Oberfläche der Platte oder des Trägers, auf dem die Kugelabdeckung verteilt bzw. angeordnet ist, ist mit einem weißen reflektierenden Material, das mit dem LED-Chip in Kontakt ist, bevorzugt an ihren Seitenwänden bedeckt.
  • Das reflektierende Material kann eine Schicht sein, die eine Dicke von zwischen 5 μm und 250 μm, bevorzugt 20 μm bis 200 μm, bevorzugter 100 μm bis 150 μm aufweist.
  • Das reflektierende Material kann als Schicht vorhanden sein, wobei die obere Oberfläche niedriger als die obere Oberfläche des LED-Chips ist, wenn der LED-Modul von der Seite mit dem LED-Chip auf der Platte oder dem Träger betrachtet wird.
  • Das reflektierende Material kann eine Schicht sein, deren Dicke zwischen 75% und 90% der Dicke des LED-Chips beträgt.
  • Ebenfalls kann eine laterale Seitenwand des LED-Chips mit einem Material beschichtet sein, das derart ausgestaltet ist, dass es für Licht, das auf den LED-Chip fällt, reflektierend ist (”weiße Beschichtung”).
  • Es kann ein Farbumwandlungsmaterial in der Kugelabdeckung oben und/oder auf der oberen Fläche des LED-Chips vorhanden sein.
  • Das reflektierende Material kann mindestens für das Spektrum, das von dem LED-Chip und dem Farbumwandlungsmaterial, falls vorhanden, reflektierend sein (”weiße” Beschichtung bedeutet daher reflektierend für mindestens den sichtbaren Teil des Spektrums, das von dem LED-Chip und jedem umgewandelten Spektrum emittiert wird).
  • Das LED-Modul kann ein im Wesentlichen weißes Licht, das eine Mischung aus dem Spektrum des LED-Chips und dem Emissionsspektrum des Farbumwandlungsmaterials ist, emittieren.
  • Das reflektierende Material kann ein elektrisch isolierendes Material sein.
  • Es kann eine Vielzahl von LED-Chips unter der gleichen Kugelabdeckung angeordnet sein.
  • Mindestens ein LED-Chip kann ein Spektrum, wie blaues Licht, emittieren, das teilweise von einem Phosphor herunter umgewandelt wird, und mindestens ein weiterer LED-Chip emittiert ein Spektrum, wie rotes Licht, das im Wesentlichen durch den Phosphor unbeeinträchtigt ist.
  • Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine umgerüstete LED-Lampe, die mindestens ein LED-Modul, wie oben erklärt, aufweist.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Aufgabe der vorliegenden Erfindung werden nun für den Fachmann bei Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung, wenn diese in Zusammenhang mit den Figuren der eingeschlossenen Zeichnungen genommen wird, offensichtlich werden.
  • 1 zeigt ein Chip-Package mit einer Phosphorschicht, das den Stand der Technik repräsentiert,
  • 2 zeigt ein Chip-Package mit verteiltem Phosphor, das den Stand der Technik repräsentiert.
  • 3 zeigt ein Chip-Package mit einer weißen Beschichtung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
  • 4 zeigt ein LED-Chip-Package mit einem zusätzlichen Damm, um eine äußere Form für die weiße Beschichtung zu definieren,
  • 5 zeigt eine weiße Beschichtung, die auf das LED-Chip-Packed aufgetragen ist, bei einem LED-Chip mit lateraler Emission,
  • 6 zeigt eine weiße Beschichtung, die auf ein SMD-Package aufgetragen ist, mit einem LED-Chip mit vorhandener Seitenemission,
  • 7 zeigt ein umgerüstetes LED-Modul, das aus dem DE 20 2007 008 258 A1 bekannt ist und mit welchem die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, und
  • 8 zeigt eine weitere Entwicklung der Ausführungsform von 5 und 6.
  • Um einige der in 2 gezeigten Probleme zu überwinden, kann eine reflektierende Beschichtung auf die Fläche des Trägers oder der Platte, auf dem/der der LED-Chip montiert ist und die den LED-Chip umgibt, aufgetragen werden. Die reflektierende Beschichtung kann alle Teile mit eingeschränktem Reflexionsvermögen und insbesondere Teile, die von der Kugelabdeckung bedeckt sind, bedecken.
  • Mehr als ein LED-Chip können unter der gleichen Kugelabdeckung positioniert sein (wobei eine Kugelabdeckung nur ein Beispiel für ein Phosphor enthaltendes Element, das über den LED-Chips angeordnet ist, ist). ”Kugelabdeckung” steht daher einfach für ein Element, das auf einem oder mehreren LED-Chips angeordnet ist.
  • Eine oder mehrere dieser LEDs können Licht des blauen Spektrums emittieren, das teilweise von dem Phosphor herunter umgewandelt wird.
  • Zusätzlich können eine oder mehrere LEDs Spektren emittieren, die im Wesentlichen nicht von dem Phosphor herunter umgewandelt werden. Dieses ist der Fall beispielsweise für mindestens einen rotes Licht emittierenden LED-Chip, der von einem Phosphor bedeckt ist, welcher für die Herunterumwandlung des blauen Lichts bestimmt ist.
  • Diese Anordnung kann für einen umgewandelten LED-Modul verwendet werden, d. h., ein LED-Modul mit elektrischen Verbindungen, die vergleichbar einer Glühbirne oder einer Halogenlampe sind. Dieser umgewandelte Modul ist in dem DE 20 2007 008 258 U1 gezeigt, dessen Offenbarung durch Bezugnahme hiermit eingeschlossen ist. Es wird insbesondere auf 1 von DE 20 2007 008 258 U1 Bezug genommen, die als 7 der vorliegenden Beschreibung beigefügt ist. Die in 4 gezeigten Platte 4 und LEDs 7 können auch solche gemäß der vorliegenden Erfindung sein.
  • Die Kugelabdeckung kann eine verteilte Kugelabdeckung sein oder ein vorgeformtes im Allgemeinen halbkugelförmiges Linsenelement.
  • Die Seitenwände des LED-Chips können ebenfalls beschichtet sein, da sie in der Regel auf der Basis von Silizium hergestellt sind, ein Halbleiter mit bekanntem geringen Reflexionsvermögen. Mit dieser Konstruktionsmethode können alle Reflexionseinschränkungen auf ein Minimum reduziert werden, was zu einer optimalen Leistung führt.
  • Ebenso kann der Vorteil, eine niedrigere Chromatizitätskoordinatentoleranz in Bezug auf ein in 1 gezeigtes Package zu halten, erreicht werden.
  • Üblicherweise verwendete Lötmittelresistschichten auf den PCBs zeigen eine Reflexion von typischerweise 90%, einige herunter bis nur 60%. Ebenfalls ändert sich die Reflexion für einige Typen bei den thermischen Prozessen in der Herstellung. Die Reflexion eines Goldbelags ist sogar schlechter aufgrund signifikanter Absorption von blauem Licht. Dieses kann verhindert werden, durch beispielsweise Verwendung von Belägen, die aus Silber hergestellt sind, allerdings ist die Wanderungsgeschwindigkeit von Gold viel geringer als diejenige von Silber, was zu einer geringeren Verlässlichkeit führen kann. Um die Leistung zu maximieren, sollte ein hohes Reflexionsvermögen angestrebt werden, was durch die reflektierende Beschichtung realisiert werden kann.
  • Die Beschichtung aus dem reflektierenden Material (weiße Beschichtung) kann durch Standardverteilungstechniken aufgetragen werden, und sie kann eine Dicke von 5 μm bis 250 μm, bevorzugt 20 μm bis 200 μm, bevorzugter 100 μm bis 150 μm aufweisen.
  • Der LED-Chip kann unter Anwendung eines Haftmittels oder Klebers auf seiner Trägerstruktur angebracht werden. Diese Materialien haben die unerwünschte Neigung, aufwärts auf den lateralen Wänden des LED-Chips zu fließen. Die weiße Beschichtung der vorliegenden Erfindung weist bevorzugt eine Dicke auf, die hoch genug ist, um sicherzustellen, dass die weiße Beschichtung tatsächlich mit dem LED-Chip oberhalb von irgendeinem fließenden Haftmittel oder Klebstoff in Kontakt ist. In dieser Hinsicht ist die Dicke der weißen Beschichtung so gewählt, dass sie höher ist als die erwartete fließende Höhe.
  • Bevorzugt beträgt die Dicke, gemessen von der Oberfläche der Platte oder des Trägers, etwa 75% bis 90% der Dicke des LED-Chips. Somit ist die obere Oberfläche der Schicht des reflektierenden Materials niedriger, allerdings im Wesentlichen parallel zur oberen Oberfläche (Licht emittierende Oberfläche) des LED-Chips. Die erreichte Verbesserung der Lichtleistung ist im Bereich von 15% über dem sichtbaren Bereich für weiße LEDs von beispielsweise normalem weißen Licht.
  • Typische Pigmente, die z. B. in einer Harzmatrix des reflektierenden Materials verwendet werden, sind elektrisch nicht leitende Materialien, die beispielsweise TiO2, BaSO3, ZrO2, BaTiO3. Offenbart ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer solchen LED, die eine weiße Beschichtungsschicht enthält.
  • Die Schicht aus dem reflektierenden Material, siehe 3, kann abgeschrägte Seitenwände, d. h. nicht vertikale Seitenwände, aufweisen.
  • Die Kugelabdeckung kann in Form einer Halbkugel vorhanden sein.
  • Das Farbumwandlungsmaterial kann beispielsweise in der Silikonmatrix der Kugelabdeckung und/oder auf dem LED-Chip (vergleiche 1) vorgesehen sein.
  • 4 zeigt ein LED-Chip-Package mit einem zusätzlichen Damm, um eine äußere Form der weißen Beschichtung zu definieren. Der Damm wird bevorzugt gebildet, bevor die weiße Beschichtung aufgetragen wird. Der Damm kann bevorzugt aus einem Material, wie beispielsweise einem Material auf Silikonbasis hergestellt sein und daher aus einem Material, das unterschiedlich zu dem Material der weißen Beschichtung ist.
  • 5 zeigt eine Ausführungsform für ein COB-Package unter Anwendung eines LED-Chips mit Seitenemission (Seitenemission = Seitenwände des Licht emittierenden Chips, wenn ein transparentes Substrat, wie Saphir oder SiC verwendet wird). In diesem Fall beträgt die Dicke der weißen Beschichtung bevorzugt weniger als 50% der Höhe des LED-Chips, bevorzugter weniger als 25%, am meisten bevorzugt weniger als 10%.
  • Die Ausführungsform von 5 kann weiterhin wie in 8 gezeigt weiter entwickelt sein, indem der LED-Chip auf einen Träger platziert wird, dessen Konturen – von oben gesehen – gleich oder kleiner als die Konturen des LED-Chips in mindestens einer Dimension sind. Daher kann die weiße Beschichtung wahlweise fließen und somit unter der Bodenfläche des LED-Chips vorhanden sein. Dieser Träger kann eine Höhe aufweisen, die größer als die Dicke der weißen Beschichtung ist.
  • Alternativ kann die Fläche des Trägers, der den LED-Chip umgibt, eingekerbt sein, beispielsweise durch Ätzen. Diese beiden Merkmale sichern, dass die weiße Beschichtung, obwohl sie mit den Seitenwänden des LED-Chips in Kontakt ist, im Wesentlichen nicht die Oberflächen, die laterales Licht emittieren, des LED-Chips bedeckt.
  • 6 zeigt ein Beispiel für ein SMD-Package mit einem LED-Chip mit Seitenemission. Die Dicke der weißen Beschichtung beträgt bevorzugt weniger als 50% der Höhe des LED-Chips, bevorzugter weniger als 25%, am meisten bevorzugt weniger als 10%.
  • Der LED-Chip von 6 ist auf einem LED-Package-Träger montiert, der wiederum auf beispielsweise einem PCB gelötet ist.
    • 101
    LED-Chip
    101a
    LED-Chip – keine Seitenemission
    101b
    LED-Chip ohne laterale Emission
    101c
    LED-Chip mit lateraler Lichtemission
    102a
    Silicon-Halbkugel, transparent
    102b
    Silicon-Halbkugel, gefüllt mit Phosphor
    103a
    PCB-, SMD-Package
    103b
    SMD-Package-Träger
    103c
    PCB
    104
    Phosphor-Beschichtung
    105
    weiße, hochreflektive Beschichtung
    106
    Sperre für Beschichtungsmaterial
    107
    Lötmittel
    108
    Träger
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 202007008258 A1 [0027]
    • - DE 202007008258 U1 [0033, 0033]

Claims (13)

  1. Als Glühbirne umgerüstete LED-Lampe, die einen LED-Modul, der eine gedruckte Leiterplatte oder einen SMD-Träger aufweist und eine Vielzahl von LED-Chips, die auf der Platte oder dem Träger montiert sind, aufweist, worin eine Kugelabdeckung angeordnet ist, d. h. auf den LED-Chips und der Fläche der Platte oder des Trägers, die den LED-Chip umgibt, verteilt oder montiert ist, und wobei mindestens ein LED-Chip blaues Licht emittiert, das teilweise von einem Phosphor umgewandelt wird und wobei mindestens ein LED-Chip ein Spektrum emittiert, bevorzugt im roten Spektrum, das im Wesentlichen nicht durch den Phosphor beeinträchtigt ist.
  2. LED-Modul, das eine gedruckte Leiterplatte oder einen SMD-Träger und mindestens einen LED-Chip, der auf der Platte oder dem Träger montiert ist, aufweist, wobei eine Kugelabdeckung angeordnet ist, d. h. auf dem LED-Chip und der Fläche der Platte oder des Trägers, die den LED-Chip umgibt, verteilt oder montiert ist, und wobei die Oberfläche der Platte oder des Trägers, auf der die Kugelabdeckung verteilt ist, mit einem weißen reflektierenden Material, das mit dem LED-Chip in Kontakt ist, bevorzugt an ihren Seitenwänden bedeckt ist.
  3. LED-Modul nach Anspruch 2, worin das reflektierende Material eine Schicht ist, die eine Dicke von zwischen 5 μm und 250 μm, bevorzugt 20 μm bis 200 μm, bevorzugter 100 μm bis 150 μm aufweist.
  4. LED-Modul nach Anspruch 2 oder 3, worin das reflektierende Material eine Schicht ist, deren obere Oberfläche niedriger als die obere Oberfläche des LED-Chips ist, wenn der LED-Modul von der Seite mit dem LED-Chip auf der Platte oder dem Träger betrachtet wird.
  5. LED-Modul nach Anspruch 4, worin das reflektierende Material eine Schicht ist, deren Dicke zwischen 75% und 90% der Dicke des LED-Chips.
  6. LED-Modul nach Anspruch 2, worin ebenfalls eine laterale Seitenwand des LED-Chips mit einem Material beschichtet ist, das so angeordnet ist, dass es für das Licht, das auf den LED-Chip fällt, reflektierend ist.
  7. LED-Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin ein Farbumwandlungsmaterial in der Kugelabdeckung und/oder auf der oberen Oberfläche des LED-Chips vorhanden ist.
  8. LED-Modul nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das reflektierende Material mindestens für das Spektrum, das von dem LED-Chip und dem Farbumwandlungsmaterial, falls vorhanden, emittiert wird, reflektierend ist.
  9. LED-Modul nach einem der Ansprüche 6 oder 8, worin das LED-Modul im Wesentlichen weißes Licht, das eine Mischung aus dem Spektrum des LED-Chips und dem Emissionsspektrum des Farbumwandlungsmaterials ist, emittiert.
  10. LED-Modul nach einem der Ansprüche 2 bis 9, worin das reflektierende Material ein elektrisch nicht leitendes Material ist.
  11. LED-Modul nach einem der Ansprüche, worin eine Vielzahl von LED-Chips unter der gleichen Kugelabdeckung angeordnet sind.
  12. LED-Modul nach Anspruch 10, worin mindestens ein LED-Chip ein Spektrum, wie blaues Licht, emittiert, das teilweise durch einen Phosphor herunter umgewandelt ist und mindestens ein weiterer LED-Chip ein Spektrum, wie rotes Licht, emittiert, das im Wesentlichen durch den Phosphor unbeeinträchtigt ist.
  13. Umgerüstete LED-Lampe, die mindestens ein LED-Modul nach einem der Ansprüche 2 bis 12 aufweist.
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