DE202011050976U1

DE202011050976U1 - Hochreflektierendes Trägermaterial für lichtemittierende Dioden und lichtemittierende Vorrichtung mit einem derartigen Trägermaterial

Info

Publication number: DE202011050976U1
Application number: DE201120050976
Authority: DE
Original assignee: Alanod Aluminium Veredlung GmbH and Co KG
Current assignee: Alanod Aluminium Veredlung GmbH and Co KG
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2021-08-13

Abstract

Trägermaterial (1) für lichtemittierende Dioden (2), mit einer eine Oberseite (1a) bildenden, elektrisch isolierenden Isolationsschicht (4), auf der die Dioden (2) aufbringbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (4) mehrere Teilschichten (5, 7, 7a), umfasst, und zwar eine erste Teilschicht (5), welche als transparente, elektrisch isolierende Schutzschicht (5) ausgebildet ist, sowie ein unter der Schutzschicht (5) liegendes Schichtsystem (6), das mindestens eine zweite Teilschicht (7, 7a) umfasst, welche aus einem dielektischen Material besteht und zusammen mit einer unter dieser dielektrischen zweiten Teilschicht (7, 7a) liegenden metallischen Schicht (8, 10) einen nach DIN 5036-3 gemessenen Grad der Gesamtreflexion von Licht von mindestens 85,0 Prozent aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Trägermaterial für lichtemittierende Dioden, mit einer eine Oberseite bildenden, elektrisch isolierenden Isolationsschicht, auf der die Dioden aufbringbar sind.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine lichtemittierende Vorrichtung, umfassend ein derartiges Trägermaterial und lichtemittierende Dioden, die auf der die Oberseite des Trägermaterials bildenden, elektrisch isolierenden Isolationsschicht aufgebracht sind.
Üblicherweise werden heute als Träger für lichtemittierende Dioden (LED), die als sogenannte LED-Dies (Chips) konfektioniert sind, neben keramischen Materialien Metallplatinen eingesetzt, wobei z. B. silberplattiertes Kupfer und Aluminium zum Einsatz kommen. Während auf der Oberseite des Trägers typischerweise die Dies aufgesetzt werden und die elektrische Kontaktierung erfolgt, wird die Rückseite des Trägers in thermischen Kontakt mit einer Wärmesenke gebracht. Daher muss das Trägermaterial gegenüber den auf der Vorderseite aufgebrachten metallischen Leiterstrukturen elektrisch isoliert werden, wobei je nach dem jeweiligen Einsatzfall elektrische Durchschlagsfestigkeiten bis zu etwa 4 kV erforderlich sind. Die Durchschlagfestigkeiten werden nach einem speziell für LED ausgearbeiteten Standard, dem "UL Standard for Safety for Light Emitting Diode (LED) Equipment for Use in Lighting Products, UL 8750, First Edition, 18.11.2009" bestimmt.
Ein Trägermaterial der genannten Art ist aus der DE 103 40 005 A1 bekannt. Es wird dort eine lichtemittierende Vorrichtung zur Aussendung von weißem Licht beschrieben, die ein nicht näher spezifiziertes, elektrisch isolierendes Substrat mit zwei Anschlusselektroden umfasst, welche an der oberen Oberfläche und an der Unterseite des Substrats vorgesehen sind. Die bekannte Vorrichtung umfasst dabei eine auf dem Substrat platzierte lichtemittierende Diode (LED). Die Kathode dieser LED ist mit einer der Elektroden durch ein Klebemittel verbunden, und die Anode ist mit der anderen Elektrode durch einen Bond-Draht verbunden. Die LED und die obere Oberfläche des Substrats sind von einem transparenten Harz bedeckt, welches gelb phosphoreszierende Teilchen enthält. Wenn eine Ansteuerspannung an die Elektroden gelegt wird, emittiert die LED blaues Licht. Trifft dieses auf die phosphoreszierenden Teilchen, so strahlen diese wiederum gelbes Licht ab, wobei sich dann auf der Grundlage einer Wellenlängenmischung weißes Licht ergibt, das aus der Vorrichtung austritt. In dem Harz können zusätzlich auch Farbteilchen enthalten sein, durch die mittels subtraktiver Lichtmischung eine gewünschte Farbe des aus der Vorrichtung austretenden Lichts erzeugt wird.
Neben der Einstellung einer gewünschten Farbe bei einer geforderten konstanten Chromatizität des durch lichtemittierende Vorrichtungen auf der Basis von LED erzeugten Lichtes, womit sich die DE 103 40 005 A1 beschäftigt, ist für lichtemittierende Vorrichtungen mit LED's auch immer eine hohe Lichtausbeute gefordert. Diese wird als Quotient aus dem von der lichtemittierenden Vorrichtung abgegebenen Lichtstrom und der von ihr aufgenommenen Leistung ermittelt und in Lumen pro Watt angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trägermaterial der eingangs beschriebenen Art für lichtemittierende Dioden sowie eine lichtemittierende Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit geringem technologischem Aufwand herstellbar sind und mit denen – insbesondere bei hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit der Isolationsschicht – eine erhöhte Lichtausbeute der lichtemittierenden Vorrichtung erzielt werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies für das Trägermaterial dadurch erreicht, dass die Isolationsschicht mehrere Teilschichten umfasst, und zwar eine erste Teilschicht, welche als transparente, elektrisch isolierende Schutzschicht ausgebildet ist, sowie ein unter der Schutzschicht liegendes Schichtsystem, das mindestens eine zweite Teilschicht umfasst, welche aus einem dielektrischen Material besteht und zusammen mit einer unter dieser dielektrischen zweiten Teilschicht liegenden metallischen Schicht einen nach DIN 5036-3 gemessenen Grad der Gesamtreflexion von Licht von mindestens 85,0 Prozent aufweist.
In einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Vorrichtung kommt das erfindungsgemäße Trägermaterial als Träger für die lichtemittierenden Dioden zur Anwendung.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung eines elektrisch isolierenden, jedoch für das von einer LED ausgestrahlte Licht hoch reflektierend wirkenden Trägermaterials die Lichtausbeute bedeutend erhöht werden kann, wobei durch die Teilschicht, welche als elektrisch isolierende Schutzschicht ausgebildet ist, eine erforderliche elektrische Durchschlagfestigkeit gewährleistet wird bzw. vorteilhafterweise entsprechend einem vorgegebenen Anforderungsprofil gezielt eingestellt werden kann.
Das Trägermaterial ist auf diese Weise insbesondere an den Stellen, wo die lichtemittierenden Dioden, vorzugsweise als LED-Dies, aufgebracht, bevorzugt aufgeklebt, werden sollen, hoch reflektierend, und kann im Falle des Vorhandenseins von phosphoreszierenden Teilchen oder Farbteilchen in einem über den Dies vorzusehendem Harz das dort gestreute Licht zurückwerfen, so dass es den aus der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Vorrichtung direkt austretenden Lichtstrom um den reflektierten Betrag verstärkt. Auch seitlich und unten aus der lichtemittierenden Vorrichtung austretendes Licht kann reflektiert werden. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise die Lichtausbeute um bis zu 70,0 Prozent gegenüber herkömmlichen lichtemittierenden Vorrichtungen erhöht werden kann.
Außerdem kann durch den erfindungsgemäßen Schichtaufbau des Trägermaterials mit Vorteil auch eine hohe thermische Wärmeübergangszahl zwischen Die und Trägermaterial eingestellt werden, um in der LED erzeugte Wärme abzuführen. Dabei kann die gesamte Isolationsschicht mit einheitlicher Dicke ausgeführt werden, d. h., es ist für die elektrisch isolierende Schicht keine Strukturierung erforderlich, wonach beispielsweise an Stellen, wo Dies zur Gewährleistung eines hohen Wärmübergangs auf ein metallisches Basismaterial geklebt werden sollen, die Isolationsschicht unterbrochen ist.
Eine besonders hohe Effizienz wird erfindungsgemäß erreicht, wenn das Schichtsystem mit seiner zweiten, dielektrischen Teilschicht zusammen mit der metallischen Schicht einen nach DIN 5036-3 gemessenen Grad der Gesamtreflexion von Licht von mindestens 90,0 Prozent, und bevorzugt im Bereich von 95,0 bis 98,0 Prozent, aufweist.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung enthalten.
Anhand dreier durch die beiliegende Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße lichtemittierende Vorrichtung mit einer ersten Ausführung eines erfindungsgemäßen Trägermaterials,
2 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße lichtemittierende Vorrichtung mit einer zweiten Ausführung eines erfindungsgemäßen Trägermaterials,
3 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße lichtemittierende Vorrichtung mit einer dritten Ausführung eines erfindungsgemäßen Trägermaterials.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind dieselben Teile auch stets mit denselben Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal beschrieben. Dabei wird zu der anschließenden Beschreibung ausdrücklich betont, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei auch nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal der Ausführungsbeispiele auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich eine erfinderische Bedeutung haben.
Wie zunächst 1, aber auch 2 und 3 zeigen, kann ein erfindungsgemäß ausgebildetes Trägermaterial 1 zusammen mit auf seiner Oberseite 1a aufgebrachten LED-Dies 2 zur Herstellung einer erfindungsgemäßen lichtemittierenden Vorrichtung 3 eingesetzt werden. Die Oberseite 1a des Trägermaterials 1 ist dabei durch eine elektrisch isolierende Isolationsschicht 4 gebildet. Die Isolationsschicht 4 ist auf einem Basismaterial 10, insbesondere auf einem metallischen Basismaterial 10, angeordnet. Bevorzugt kann das Basismaterial 10 aus Aluminium bestehen. Da Metalle eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, kann dadurch die in der LED-Die 2 entstehende Wärme leicht abgeführt werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Isolationsschicht 4 mehrere Teilschichten umfasst, und zwar mindestens eine erste Teilschicht 5, welche als transparente, elektrisch isolierende Schutzschicht 5 ausgebildet ist. Für diese erste Teilschicht 5 ist lediglich eine Durchschlagfestigkeit im Bereich von etwa 10 V bis 460 V, bevorzugt von 80 V bis 120 V, besonders bevorzugt von 100 V, nach UL 8750 erforderlich, die auf verschiedene Weisen erreicht werden kann.
So kann die erste Teilschicht 5, mit der auch eine einebnende Wirkung für die Oberseite 1a der Isolationsschicht 1 erzielbar ist, insbesondere aus einem Lack bestehen. Dabei kann es sich beispielsweise um Lacke auf der Basis von Sol-Gel-Zusammensetzungen oder auf der Basis organischer Polymere, wie um einen Acryl-, Epoxy- oder Fluorpolymerlack, handeln. Die erste Teilschicht 5 kann dabei vorzugsweise eine Dicke D5 im Bereich von 3,0 bis 10,0 μm aufweisen. Da der Lack glättend auf die Oberfläche 1a wirkt, ist die Einstellung eines als optimal anzusehenden, arithmetischen Mittenrauwertes Ra nach DIN EN ISO 4287 der Oberseite 1a der Isolationsschicht 1 im Bereich von unter 25 nm problemlos möglich, beispielsweise eines Wertes Ra von 15 nm.
Anstelle von Lack ist es auch möglich, als Material der ersten Teilschicht 5 ein Dielektrikum mit einer Dicke D5 im Bereich von 30 nm bis 3,00 μm, vorzugsweise von 50 nm bis 500 nm, das vorzugsweise aus Al₂O₃ besteht und mit Vorteil in einem PVD- oder PE-CVD-Verfahren aufgetragen werden kann, einzusetzen.
Unter der Schutzschicht 5 liegt in allen Ausführungen der Erfindung ein Schichtsystem 6, das mindestens eine zweite Teilschicht 7, 7a umfasst, die aus einem dielektrischen Material besteht und zusammen mit einer unter ihr liegenden metallischen Schicht 8, 10 einen nach DIN 5036-3 gemessenen Grad der Gesamtreflexion von Licht von mindestens 85,0 Prozent aufweist.
In bevorzugter Ausführung kann vorgesehen sein, dass das Schichtsystem 6 mit seiner zweiten, dielektrischen Teilschicht 7, 7a zusammen mit der metallischen Schicht 8, 10 einen nach DIN 5036-3 gemessenen Grad der Gesamtreflexion von Licht von mindestens 90,0 Prozent, bevorzugt von 95,0 bis 98,0 Prozent, aufweist. Ein Lack in der ersten Teilschicht 5, wie er vorstehend beschrieben wurde, mindert diese Reflexionswerte vorteilhafterweise um nicht mehr als 2,0 Prozent bis 5,0 Prozent.
Im einfachsten Fall, der durch 3 veranschaulicht wird, ist die zweite, dielektrische Teilschicht 7a die einzige Schicht des Schichtsystems 6. Dabei kann – wie dargestellt – die unter der zweiten, dielektrischen Teilschicht 7a liegende metallische Schicht 10 direkt aus dem metallischen Basismaterial 10 gebildet sein, welches unter der Isolationsschicht 4 liegt und nicht Bestandteil der Isolationsschicht 4 ist. Wenn das Basismaterial 10 aus Aluminium besteht, kann dabei in fertigungstechnisch einfacher Weise mit Vorteil vorgesehen sein, dass die zweite dielektrische Teilschicht 7a der Isolationsschicht 4 aus Aluminiumoxid besteht, welches durch anodische Oxidation des Aluminiums des Basismaterials 10 gebildet ist. Derartige Schichten werden als ELOXAL-Schichten oder ANOX-Schichten bezeichnet und in einem nasschemischen Prozess hergestellt, der zusammenfassend als Eloxieren bezeichnet wird und ein elektrolytisches Glänzen sowie eine anodische Oxidation umfasst.
Zusätzlich kann erfindungsgemäß insbesondere ein Spiegelcharakter, d. h. eine geringe Streuung des Lichtes an der metallischen Schicht 8, 10 bzw. ein geringer Grad der diffusen Reflexion, erwünscht sein. Hierzu ist bekannt, dass der überwiegende Anteil der diffus reflektierenden Strahlung durch die Topographie der Grenzfläche an dem aus Metall bestehenden Basismaterial 10 und der angrenzenden Schicht bestimmt wird. Notwendigenfalls ist es möglich, durch eine Einebnung der Oberfläche des Basismaterials 10 mit vertretbaren Kosten eine untere Grenze des diffusen Lichtreflexionsgrades von etwa 1,0 Prozent (nach DIN 5036-3) zu erreichen. Im Allgemeinen ist jedoch ein nach der nasschemischen Behandlung vorliegender Wert des diffusen Lichtreflexionsgrades von etwa 5,0 Prozent hinreichend.
Bei den etwas komplexer aufgebauten Ausführungen des erfindungsgemäßen Trägermaterials 1 gemäß 1 und 2 ist vorgesehen, dass die unter der dielektrischen Teilschicht 7 liegende metallische Schicht 8 aus einer dritten Teilschicht 8 gebildet ist, die dem Schichtsystem 6 angehört. Die metallische Schicht 8 des Schichtsystems 6 kann aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium und/oder Molybdän bestehen und bevorzugt in einem Vakuum-Prozess, wie einem PVD- oder CVD-Verfahren hergestellt sein. Als Bestandteil des Schichtsystems 6 ist sie dabei mit dem gesamten Schichtsystem 6 auf dem Basismaterial 10 angeordnet. Ihre Dicke D8 sollte vorzugsweise so bemessen sein, dass die Transmission durch die Schicht 8 bei der Mittenwellenlänge des Spektralbereiches des durch sie zu reflektierenden Lichts weniger als etwa 0,5 Prozent beträgt. Diese Dicke D8 kann in der beschriebenen Ausführung beispielsweise für Aluminium etwa bei 60 nm liegen.
Dabei kann es sich auch hier – wie gezeigt – um ein aus Aluminium bestehendes Basismaterial 10 handeln, das mit der vorstehend beschriebenen dielektrischen Schicht 7a bedeckt ist, die durch anodische Oxidation des Aluminiums des Basismaterials 10 gebildet ist, jedoch in diesem Fall nicht primär reflexionserhöhend wirkt, da diese Funktion von der dielektrischen Teilschicht 7 übernommen wird, welche im Schichtsystem 6 über der metallischen Schicht 8 liegt.
Daher besteht vorteilhafterweise hinsichtlich der werkstofftechnischen Ausführung des Basismaterials 10 bei diesen beiden Ausführungsbeispielen eine große Gestaltungsfreiheit. Insbesondere kann es sich bei dem Basismaterial 10 um ein verformungsfähiges, bandförmiges Metall handeln, wobei vorzugsweise außer Aluminium auch Magnesium, Kupfer, Titan, Molybdän, Tantal, Weißblech oder Stahl, wie beispielsweise Edelstahl, oder Legierungen aus diesen Stoffen, wie beispielsweise Messing, zur Anwendung kommen können. Derartige Materialien gestatten es bei entsprechender Dicke D10, die dazu etwa im Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm, vorzugsweise von 0,5 mm bis 1,0 mm, liegen kann, in technologisch vorteilhafter Weise, das erfindungsgemäße Trägermaterial 1 von Rolle zu Rolle – in einem sogenannten Coil-to-Coil-Prozess – herzustellen.
In dem Schichtsystem 6 kann – wie in den Ausführungsbeispielen der Erfindung gemäß 1 und 2 gezeigt – über der metallischen dritten Teilschicht 8 und über der dielektrischen zweiten Teilschicht 7, jedoch unter der ersten Teilschicht 5 eine vierte Teilschicht 9 liegen, die ebenfalls aus einem dielektrischen Material besteht.
Das Schichtsystem 6 kann also als zweite Teilschicht 7 und als vierte Teilschicht 9 der Isolationsschicht 4 mindestens zwei dielektrische Schichten 7, 9, die unter der ersten Teilschicht 5 über der metallischen Schicht 8 liegen, umfassen.
Das Material der beiden über der metallischen Schicht 8 liegenden dielektrischen Schichten 7, 9 des Schichtsystems 6, das infolge der ihm innewohnenden Reflektivität eine optische Funktion erfüllt, kann chemisch der Gruppe der Metalloxide, -fluoride -nitride, -oxinitride, -carboxinitride und/oder -sulfide zugehörig sein, wobei die beiden dielektrischen Schichten 7, 9 unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Die unmittelbar unter der ersten Teilschicht 5 liegende dielektrische Schicht 9 kann zur Reflexionsverstärkung insbesondere aus einem hochbrechenden Material, wie Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂, Ta₂O₅, La₂O₃ oder bevorzugt TiO₂, und die darunterliegende dielektrische Schicht 7 aus einem niedriger brechenden Material, wie SiO₂, bestehen. Die Verwendung oxidischer Schichten, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Titanoxid als oberste Schicht 9 und Siliciumdioxid als darunter liegende Schicht 7 stellt dabei einen bevorzugten Sonderfall dar. Die beiden Teilschichten 7, 9 des auf diese Weise optisch wirkenden Schichtsystems 6 können unter Anwendung der erwähnten Vakuumverfahren hergestellt werden. Sie können bevorzugt als Sputterschichten, insbesondere als durch Reaktivsputtern erzeugte Schichten, PVD- oder PECVD-Schichten ausgeführt sein, oder durch Verdampfen, wie ein reaktives Verdampfen, insbesondere durch Elektronenbombardement oder aus thermischen Quellen, erzeugt werden.
Die jeweilige optische Dicke D7, D9 der Schichten 7, 9 sollte – damit diese Schichten als reflexionserhöhende Interferenzschichten wirken können – so bemessen sein, dass sie etwa ein Viertel der Mittenwellenlänge des Spektralbereiches des zu reflektierenden Lichts beträgt. Für den Fall, dass die zweite Teilschicht 7 eine niedrigbrechende, aus SiO₂ bestehende Schicht ist, kann diese beispielsweise eine Dicke D7 von etwa 100 nm aufweisen, während die darüber liegende Schicht 9 mit einem vergleichsweise hohen Brechungsindex aus TiO₂ bestehen und z. B. eine Dicke D9 von etwa 65 nm aufweisen kann. Beide Schichten 7, 9 sind absorptionsarm. Sie weisen im Spektralbereich der zu reflektierenden elektromagnetischen Strahlung eine verschwindend geringe Absorption auf. Das Schichtsystem aus der metallischen Schicht 8 und den beiden dielektrischen Schichten 7, 9 wirkt nahezu farbneutral und kann eine bevorzugte Gesamtdicke DG von 180 nm bis 270 nm aufweisen.
Eine erfindungsgemäße lichtemittierende Vorrichtung 3, die ein Trägermaterial 1 und lichtemittierende Dioden 2, welche auf einer eine Oberseite 1a des Trägermaterials 1 bildenden, elektrisch isolierenden Isolationsschicht 4 aufgebracht sind, umfasst, ist dadurch charakterisiert, dass in ihr ein erfindungsgemäßes Trägermaterial 1, wie es vorstehend exemplarisch beschrieben ist, zur Anwendung kommt.
Bei den in 1 bis 3 dargestellten Ausführungen weisen die erfindungsgemäßen lichtemittierenden Vorrichtungen 3, die der Aussendung von weißem Licht dienen, auf der Oberseite 1a der Isolationsschicht 4 jeweils zwei Anschlusselektroden 20, 21 auf, von denen die eine die Anode 20 und die andere die Kathode 21 bildet. Die Elektroden können – wie dargestellt – bevorzugt als metallische, insbesondere aus Silber bestehende, Leiterbahnen ausgeführt sein, die ebenfalls dem erfindungsgemäßen Trägermaterial 1 zugehörig sind.
Die erfindungsgemäßen lichtemittierenden Vorrichtungen 3 umfassen des Weiteren LED-Dies 2, insbesondere LED-Dies 2 mit LED's, die blaues Licht LB emittieren und die vorzugsweise über eine Klebeschicht 23 mit der Oberseite 1a der Isolationsschicht 1 verbunden sind.
Im Zusammenhang mit der Klebeschicht 23 ist zu erwähnen, dass im Rahmen der Erfindung mit Vorteil eine sogenannte Flip-Chip-Montage der LED’s praktizierbar ist.
Dabei handelt es sich um eine Verbindungstechnik zur Kontaktierung von Halbleiter-Chips, die kein Gehäuse aufweisen, und mittels Kontaktierungshügeln – sogenannten „Bumps“ elektrisch angeschlossen werden. Der Chip wird dabei direkt, ohne weitere Anschlussdrähte, mit einer aktiven Kontaktierungsseite nach unten – zum Schaltungsträger hin weisend – montiert. Vorteilhafterweise sind dadurch sehr geringe Abmessungen und kurze Leiterlängen erzielbar. So kann, im Gegensatz zum Drahtbonden, wo dies nicht oder nur sehr begrenzt möglich ist, die gesamte Fläche der Dies 2 zur Kontaktierung genutzt werden. Während beim Drahtbonden die elektrischen Verbindungen nacheinander hergestellt werden, erfolgt gemäß der Flip-Chip-Bondtechnik in vorteilhaft zeitsparender Weise die Verbindung aller Kontakte gleichzeitig. Bekanntermaßen können im Rahmen der Flip-Chip-Technik für die Herstellung der Klebeschicht 23 nicht leitfähige Kleber, anisotrop leitfähige Kleber und isotrop leitfähige Kleber eingesetzt werden.
In den dargestellten Ausführungen sind die Anschlüsse der LED-Dies 2 mit den Anoden 20 und Kathoden 21 jeweils über einen Bond-Draht 24 verbunden, wie dies schematisch in der Zeichnung angedeutet ist. Die LED-Dies 2 und die Oberseite 1a der Isolationsschicht 1 einschließlich der Elektroden-Leiterzüge 20, 21 sind von einem transparenten Harz 25 bedeckt. In dem Harz 25 können, wie durch 1 veranschaulicht, gelb phosphoreszierende Teilchen 26 enthalten sein, die, wenn das blaue Licht LB auf sie trifft, gelbes Licht LG abstrahlen. Durch die Überlagerung der Strahlung des blauen Lichts LB und des gelben Lichts LG ergibt sich weißes Licht LW, das aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 austritt. In dem Harz 25 können auch Farbteilchen enthalten sein, die als Farbfilter agieren und dem austretenden Licht eine gewünschte Färbung verleihen.
An den phosphoreszierenden Teilchen 26 oder an Farbteilchen kann das aus den LED-Dies austretende Licht LB gestreut werden, so dass es auf das Trägermaterial 1 strahlt (Pfeil LG in 1). Es kann auch durch direkte Abstrahlung dorthin gelangen. Durch das erfindungsgemäße Trägermaterial 1 wird dieses Licht reflektiert (Pfeil LR in 1), so dass es den aus der erfindungsgemäßen lichtemittierenden Vorrichtung 3 direkt austretenden Lichtstrom LW um den reflektierten Betrag und damit die Lichtausbeute der Vorrichtung 3 erhöht. Die Reflektivität (Licht-Reflexionsgrad nach DIN 5036-3) kann dabei typischerweise bei 92,0 Prozent liegen.
Die Rückseite bzw. die Unterseite 1b des erfindungsgemäßen Trägermaterials 1 kann, wie in 1 bis 3 dargestellt, in thermischen Kontakt mit einer Wärmesenke, vorzugsweise mit einem metallischen Kühlkörper 27, gebracht werden. Wie bereits erwähnt, fordert dabei der Standard UL 8750, dass die auf der Oberseite 1a des Trägermaterials 1 aufgebrachten metallischen Leiterstrukturen 20, 21 elektrisch isoliert sein müssen, was durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Trägermaterials 1 gewährleistet werden kann.
Hierbei sind eine elektrische Durchschlagsfestigkeit zwischen den Elektroden 20, 21 und der jeweils ersten, darunter liegenden metallischen Schicht (Teilschicht 8 in 1 und 2, Basismaterial 10 in 3) und eine elektrische Durchschlagfestigkeit zwischen den Elektroden 20, 21 und dem metallischen Kühlkörper 27 zu unterscheiden. Die erste Größe wird durch die mit E1 bezeichneten Pfeile, die zweite durch die mit E2 bezeichneten Pfeile in der Zeichnung symbolisiert. Wie oben ausgeführt, kann die erste, kleinere Durchschlagfestigkeit E1 allein durch das Material und die Dicke D5 der ersten Teilschicht 5 eingestellt werden und im Bereich von 10 V bis 460 V, vorzugsweise von etwa 80 bis 120 V, besonders bevorzugt von 100 V, nach UL 8750 liegen. Um die zweite Durchschlagfestigkeit E2 einzustellen, die insbesondere maximal 1,5 kV bis 4,5 kV betragen kann, kann eine weitere, fünfte Teilschicht 11 vorgesehen sein. In der in 1 dargestellten Ausführung befindet sich diese Teilschicht 11 unmittelbar auf dem Basismaterial 10 mit seiner anodisch oxidierten Oberflächenschicht 7a und unter der als primäre Reflexionsschicht wirkenden metallischen Schicht 8. In den in 2 und 3 dargestellten Ausführungen befindet sich diese Teilschicht 11 jeweils unmittelbar unter dem Basismaterial 10, das auch unterseitig eine (nicht dargestellte) anodisch oxidierte Schicht aufweisen kann. Die fünfte Teilschicht 11 kann dabei mit Vorteil aus einem Schutzlack hergestellt sein und eine Dicke D11 im Bereich von 3,0 μm bis 50,0 μm aufweisen. Der Schutzlack sollte insbesondere ein im Coil-Coating-Verfahren auftragbarer Lack sein, der die elektrischen Isolierungsanforderungen erfüllt, eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt und temperaturbeständig ist. Bei der ersten Ausführung der Erfindung muss der Lack dabei auch ausreichend beständig sein, um durch die Schleusen einer Vakuumbeschichtungsanlage, z. B. einer PVD-Anlage, nicht beschädigt zu werden.
Typische Bindemittelklassen für derartige Lacke sind Phenolharze und Epoxy-Phenole. Auch 1K-Polyurethan-Lacke mit verkappten Isocyanaten besitzen eine hohe Wärmebeständigkeit und elektrisch isolierende Eigenschaften. Solche geblockten Isocyanate können auch in die genannten Phenol- bzw. Epoxyharze eingebunden werden. Um die thermische Leitfähigkeit zu verbessern, können die Lacke mit Bariumsulfat, Zinksulfid oder Aluminiumoxid, gegebenenfalls auch mit Berylliumoxid oder Diamant-Pulver, gefüllt sein.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel und Maßnahmen. So kann es sich beispielsweise insbesondere bei der ersten Teilschicht 5 sowie bei der fünften Teilschicht 11 um Parylenschichten handeln, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Poly(para-Xylylen), kurz Parylen, wird über einen CVD-Prozess erzeugt. Es können Schichten von einigen 100 nm bis einigen 10 μm hergestellt werden. Derartige Schichten sind besonders aufgrund ihrer mechanischen und dielektrischen Eigenschaften, ihrer Temperaturstabilität, ihrer Transparenz und ihrer geringen Permeabilität prädestiniert als Schutzschichten in einem erfindungsgemäßen Trägermaterial 1 bzw. in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 3.
Parylen-Schichten sind auch bei sehr dünner Ausführung der Schichtdicken (D5, D11 < 1,0 μm) von kleinsten Löchern frei, wobei die Beschichtung in hohem Maß oberflächenkonform ist. Dabei können die unterschiedlichsten Basismaterialien 10, z. B. Metalle, Kunststoffe und Elastomere, mit Parylen beschichtet werden. Der Beschichtungsprozess findet im Vakuum statt, wobei in energieeffizienter Weise die zu beschichtende Oberfläche keiner erhöhten Temperatur, keiner Strahlung und auch keinen Lösemitteln ausgesetzt wird, so dass auch empfindliche Substrate problemlos beschichtet werden können. Die Beschichtung mit Parylen eignet sich vorzugsweise für kleine Platinen des erfindungsgemäßen Trägermaterials 1, die insbesondere in einem Batchverfahren beschichtbar sind. Sofern eine fünfte Teilschicht 11 aus Parylen hergestellt ist, kann diese mit Vorteil einen Minimalwert der Dicke D11 von 1,5 μm aufweisen, also dünner sein als eine entsprechende Lackschicht.
Ferner ist die Erfindung nicht auf die in den Ansprüchen 1 und 21 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal der unabhängigen Ansprüche weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Was die Schichten betrifft, so schließt die exemplarisch beschriebene Schichtfolge nicht aus, dass darin noch weitere Zwischen-, Ober- und/oder Unterschichten, wie z. B. eine Haftvermittlerschicht auf dem Basismaterial 10 und/oder unter der metallischen Schicht 8, vorgesehen sein können bzw. dass die Schichten und/oder Teilschichten, insbesondere die metallische Schicht 8, selbst wiederum als Multilayer (mehrschichtig) aufgebaut sind. Insofern sind die Ansprüche lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.
Bezugszeichenliste

1: Trägermaterial
1a: Oberseite von 1
1b: Unterseite von 1
2: lichtemittierende Diode
3: lichtemittierende Vorrichtung mit 1 und 2
4: Isolationsschicht von 1
5: erste Teilschicht von 4
6: Schichtsystem von 4
7: zweite Teilschicht von 4 (Ausführung nach 1, 2)
7a: zweite Teilschicht von 4 (Ausführung nach 3)
8: dritte Teilschicht von 4, (in 6, Ausführung nach 1, 2)
9: vierte Teilschicht von 4, in 6
10: Basismaterial von 1, metallische Schicht von 4 (Ausführung nach 3)
11: fünfte Teilschicht von 4
20: Anschlusselektrode/Leiterschicht von 1/3 auf 4, Anode
21: Anschlusselektrode/Leiterschicht von 1/3 auf 4, Kathode
22
23: Klebeschicht von 3 zwischen 1 und 2
24: Bond-Draht für 2/20, 2/21
25: Harz auf 1
26: phosphoreszierende Teilchen in 25
27: Kühlkörper von 3
D5: Dicke von 5
D7: Dicke von 7
D8: Dicke von 8
D9: Dicke von 9
D10: Dicke von 10
D11: Dicke von 11
DG: Gesamtdicke von 7, 8, 9
E1: elektrische Durchschlagfestigkeit 20 von 5
E2: elektrische Durchschlagfestigkeit von 11
LG: Licht von 26
LB: Licht aus 2
LR: durch 1 reflektiertes Licht
LW: Licht aus 3

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10340005 A1 [0004, 0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 5036-3 [0007]
DIN 5036-3 [0012]
DIN EN ISO 4287 [0021]
DIN 5036-3 [0023]
DIN 5036-3 [0024]
DIN 5036-3 [0026]
DIN 5036-3 [0040]
Standard UL 8750 [0041]

Claims

Trägermaterial (1) für lichtemittierende Dioden (2), mit einer eine Oberseite (1a) bildenden, elektrisch isolierenden Isolationsschicht (4), auf der die Dioden (2) aufbringbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (4) mehrere Teilschichten (5, 7, 7a), umfasst, und zwar eine erste Teilschicht (5), welche als transparente, elektrisch isolierende Schutzschicht (5) ausgebildet ist, sowie ein unter der Schutzschicht (5) liegendes Schichtsystem (6), das mindestens eine zweite Teilschicht (7, 7a) umfasst, welche aus einem dielektischen Material besteht und zusammen mit einer unter dieser dielektrischen zweiten Teilschicht (7, 7a) liegenden metallischen Schicht (8, 10) einen nach DIN 5036-3 gemessenen Grad der Gesamtreflexion von Licht von mindestens 85,0 Prozent aufweist.
Trägermaterial (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (4) auf einem Basismaterial (10), insbesondere auf einem verformungsfähigen, bandförmigen, metallischen Basismaterial (10) angeordnet ist, welches insbesondere eine Dicke (D10) von 0,1 mm bis 2,0 mm, vorzugsweise von 0,5 mm bis 1,0 mm, aufweist.
Trägermaterial (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial (10) aus Aluminium besteht.
Trägermaterial (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unter der zweiten, dielektrischen Teilschicht (7, 7a) liegende metallische Schicht (10) aus dem metallischen Basismaterial (10) gebildet ist, welches unter der Isolationsschicht (4) liegt.
Trägermaterial (1) nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite dielektrische Teilschicht (7, 7a) aus Aluminiumoxid besteht, das insbesondere durch anodische Oxidation des Aluminiums des Basismaterials (10) gebildet ist.
Trägermaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die unter der dielektrischen Teilschicht (7) liegende metallische Schicht (8, 10) aus einer dritten, dem Schichtsystem (6) zugehörigen Teilschicht (8) gebildet und im Schichtsystem (6) über einem/dem Basismaterial (10) angeordnet ist.
Trägermaterial (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (8) des Schichtsystems (6) aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium und/oder Molybdän besteht und die eine Sputterschicht oder eine durch Verdampfen, insbesondere durch Elektronenbombardement oder aus thermischen Quellen, erzeugte Schicht (8) ist, insbesondere eine in einem Vakuumprozess, wie einem PVD- oder CVD-Verfahren hergestellte Schicht (8).
Trägermaterial (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (6) als zweite Teilschicht (7) und als vierte Teilschicht (9) der Isolationsschicht (4) mindestens zwei dielektrische Schichten (7, 9), umfasst, die unter der ersten Teilschicht (5) über der metallischen Schicht (8) liegen.
Trägermaterial (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der beiden über der metallischen Schicht (8) liegenden dielektrischen Schichten (7, 9) des Schichtsystems (6) chemisch der Gruppe der Metalloxide, -fluoride, -nitride, -oxinitride, -carboxinitide und/oder -sulfide zugehörig ist und die beiden dielektrischen Schichten (7, 9) unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen.
Trägermaterial (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die unmittelbar unter der ersten Teilschicht (5) liegende dielektrische Schicht (9) aus einem hochbrechenden Material, wie Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂, Ta₂O₅, La₂O₃ oder bevorzugt TiO₂, und die darunterliegende dielektrische Schicht (7) aus einem niedrigbrechenden Material, wie SiO₂, besteht.
Trägermaterial (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden über der metallischen Schicht (8) liegenden dielektrischen Schichten (7, 9) des Schichtsystems (6) Sputterschichten, insbesondere durch Reaktivsputtern erzeugte Schichten, PVD- oder PECVD-Schichten oder durch Verdampfen, wie ein reaktives Verdampfen, insbesondere durch Elektronenbombardement oder aus thermischen Quellen, erzeugte Schichten sind.
Trägermaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (6) mit der zweiten, dielektrischen Teilschicht (7, 7a) sowie gegebenfalls mit der vierten dielektrischen Teilschicht (9) zusammen mit der metallischen Schicht (8, 10) einen nach DIN 5036-3 gemessenen Grad der Gesamtreflexion von Licht von mindestens 90,0 Prozent, und bevorzugt im Bereich von 95,0 bis 98,0 Prozent, aufweist.
Trägermaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (6) mit der zweiten, dielektrischen Teilschicht (7, 7a) sowie gegebenfalls mit der vierten dielektrischen Teilschicht (9) zusammen mit der metallischen Schicht (8, 10) einen nach DIN 5036-3 gemessenen diffusen Lichtreflexionsgrad im Bereich von 1,0 Prozent bis 5,0 Prozent aufweist.
Trägermaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilschicht (5) eine elektrische Durchschlagsfestigkeit (E1) im Bereich von etwa 10 V bis 460 V, bevorzugt von 80 V bis 120 V, nach UL 8750 aufweist.
Trägermaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilschicht (5) aus einem Lack besteht, wobei sie eine Dicke (D5) im Bereich von 3,0 μm bis 10,0 μm aufweist.
Trägermaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilschicht (5) aus einem dielektrischen Material, vorzugsweise aus Al₂O₃, besteht, das insbesondere in einem PVD- oder PE-CVD-Verfahren aufgetragen ist, wobei sie eine Dicke (D5) im Bereich von 30 nm bis 3,00 μm, vorzugsweise von 50 nm bis 500 nm, aufweist.
Trägermaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (1a) der Isolationsschicht (4) einen arithmetischen Mittenrauwert (Ra) im Bereich von etwa 15 nm bis 25 nm aufweist.
Trägermaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf der durch die Isolationsschicht (4) gebildeten Oberseite (1a) metallische Leiterbahnen (20, 21) angeordnet sind.
Trägermaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberseite oder die Unterseite des Basismaterials (10) eine fünfte Teilschicht (11) aufgetragen ist, die eine elektrische Durchschlagfestigkeit (E2) nach UL 8750 im Bereich von 1,5 bis 4,5 kV aufweist.
Trägermaterial (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Teilschicht (11) aus einem Schutzlack oder aus Parylen hergestellt ist, wobei sie insbesondere eine Dicke (D11) im Bereich von 1,5 μm bis 50,0 μm aufweist.
Lichtemittierende Vorrichtung (3), umfassend ein Trägermaterial (1) und lichtemittierende Dioden (2), die auf einer eine Oberseite (1a) des Trägermaterials (1) bildenden, elektrisch isolierenden Isolationsschicht (4) aufgebracht sind, gekennzeichnet durch ein Trägermaterial (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
Vorrichtung (3) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass auf der durch die Isolationsschicht (4) gebildeten Oberseite (1a) als metallische Leiterbahnen (20, 21) ausgeführte Elektroden (20, 21) angeordnet sind.
Vorrichtung (3) nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (1) mit seiner Unterseite (1b) in thermischem Kontakt mit einer Wärmesenke, vorzugsweise mit einem metallischen Kühlkörper (27), steht.