DE202011110024U1

DE202011110024U1 - Weisslichtgerät

Info

Publication number: DE202011110024U1
Application number: DE202011110024U
Authority: DE
Original assignee: Soraa Inc
Current assignee: Soraa Inc
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2012-09-06
Anticipated expiration: 2021-02-04
Also published as: WO2011097393A1; US20110186874A1; DE112011100183T5; WO2011097393A9; JP2013519233A; CN103038565A

Abstract

Leuchtdiodengerät, umfassend eine Mehrzahl von LED-Vorrichtungen, wobei das Leuchtdiodengerät umfasst:
ein Substratelement mit einer Oberflächenregion;
eine metallische reflektierende Schicht, die über der Oberflächenregion liegt;
eine oder mehrere Isolationsschichten, die dielektrisches Material umfassen und über der metallischen reflektierenden Schicht liegen, wobei die eine oder mehreren Isolationsschichten eine ausreichende Dicke aufweisen, um die Mehrzahl von LED-Vorrichtungen in Bezug auf die metallische reflektierende Schicht zu isolieren;
eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen, welche auf der einen oder den mehreren Isolationsschichten angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von LED-Vorrichtungen auf einer der Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von LED-Vorrichtungen zumindest über die Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen elektrisch miteinander gekoppelt sind;
und
ein Verkapselungsmaterial, welches optisch mit einer oder mehreren der Mehrzahl von LED-Vorrichtungen gekoppelt ist, wobei das Verkapselungsmaterial ein Wellenlängenumwandlungsmaterial umfasst.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/301,193, eingereicht am 3. Februar 2011, gemeinschaftlich erteilt und hiermit vollständig für alle Zwecke durch Verweis in den vorliegenden Gegenstand einbezogen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Diese Erfindung betrifft Beleuchtungsgerät. Weiter offenbart wird ein Verfahren zum Verkapseln eines Arrays von LED-Vorrichtungen ein, die unter Verwendung von Phosphoren aus gallium- und stickstoffhaltigen Grundmaterialien hergestellt werden oder auf anderen Materialien hergestellt werden. Die Erfindung kann auf weiße Beleuchtung, mehrfarbige Beleuchtung, allgemeine Beleuchtung, dekorative Beleuchtung, Fahrzeug- und Flugzeugscheinwerfer, Straßenlaternen, Beleuchtung zum Pflanzenwachstum, Anzeigeleuchten, Beleuchtung für Flachbildschirmanzeigen und andere opto-elektronische Vorrichtungen angewandt werden.
Gegen Ende des 19. Jahrhunderts erfand Thomas Edison die Glühbirne. Die übliche Glühbirne verwendet einen Wolframfaden, der in einem Glaskolben eingeschlossen ist, der in einer Basis abgedichtet ist, welche in eine Fassung geschraubt wird. Die Fassung ist an eine Stromquelle gekoppelt. Leider gibt die übliche Glühbirne mehr als 90 % der genutzten Energie als Wärmeenergie ab. Außerdem versagt die übliche Glühbirne schließlich, da der Wolframfaden verdampft.
Leuchtstofflampenbeleuchtung verwendet eine Röhrenstruktur, die mit einem Edelgas und normalerweise Quecksilber gefüllt ist. Ein Paar Elektroden ist über ein Vorschaltgerät an eine Wechselspannungsquelle gekoppelt. Wenn das Quecksilber angeregt wurde, entlädt es sich und strahlt UV-Licht ab. Phosphore, die von dem UV-Licht angeregt werden, strahlen weißes Licht ab. Festkörperbeleuchtung beruht auf Halbleitermaterialien, um Leuchtdioden (LEDs) herzustellen. Rote LEDs benutzen Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid- oder AlInGaP-Halbleitermaterialien. Shuji Nakamura leistete Pionierarbeit, indem er InGaN-Materialien zum Herstellen von LEDs benutzte, die blaues Licht abstrahlen. Blaue LEDs haben zu Innovationen wie weißer Festkörperbeleuchtung und anderen Entwicklungen geführt. Blau, violett oder ultraviolett abstrahlende Vorrichtungen auf Grundlage von InGaN werden in Verbindung mit Phosphoren benutzt, um weiße LEDs bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Weiter offenbart wird ein Verfahren zum Herstellen von LED-Vorrichtungen mittels Verarbeitung auf Substratebene bereit. Das Verfahren schließt das Bereitstellen eines Substrats mit einer Oberfläche ein, das eine reflektierende Oberfläche mit einem Reflexionsvermögen von wenigstens 85 % bildet. Das Verfahren schließt ferner das Ausbilden von mehreren Arrayregionen ein, die räumlich auf der reflektierenden Oberfläche angeordnet werden, an der die LED-Vorrichtungen ausgebildet sind. Bei Bedarf wird eine elektrische Isolationsschicht über der reflektierenden Schicht ausgebildet, und über den LEDs kann eine Abdeckung hinzugefügt werden.
Weiter offenbart wird ein Verfahren zum Herstellen von mehreren Lichtchips bereit, die jeweils mehrere LEDs aufweisen. Ein Siliziummaterial weist eine polierte Oberflächenregion auf. Ein reflektierendes Material wird auf der Oberflächenregion ausgebildet, und sodann wird ein elektrisches Isolationsmaterial auf dem reflektierenden Material ausgebildet. Mehrere Arrayregionen, die jeweils leitfähige Kontakte aufweisen, werden ausgebildet, und die LEDs werden an den leitfähigen Kontakten angeordnet. Sodann wird Verkapselungsmaterial hinzugefügt, um die LEDs zu umgeben.
In einer anderen spezifischen Ausführungsform weist ein LED-Modul ein Gehäuserahmenelement und ein Substrat mit einer Oberflächenregion auf, wobei das Substrat an das Gehäuserahmenelement gekoppelt ist. Das Substratelement weist eine reflektierende Schicht mit einem ersten Reflexionsgrad über der Oberflächenregion auf. Außerdem weist das Gerät eine elektrische Isolationsschicht über der reflektierenden Schicht auf. Das Gerät weist auch Arrayregionen auf, die auf der Isolationsschicht angeordnet sind, wobei die Arrayregionen elektrisch aneinander gekoppelt sind. An den Arrayregionen sind LEDs angeordnet. Das Array der LED-Vorrichtung kann für eine Stromdichte von wenigstens 50 Ampere pro Quadratzentimeter konfiguriert sein.
In einer anderen Ausführungsform weist das Modul Wellenlängenregionen auf, die Wellenlängenumwandlungsmaterial aufweisen, das für jeden von einem ersten, zweiten und dritten Wellenlängenbereich konfiguriert ist, und die jeweils dazu konfiguriert sind, ein festgelegtes Wellenlängenemissionsspektrum elektromagnetischer Strahlung abzugeben.
In einer anderen Ausführungsform weist ein LED-Modul ein Substrat mit einer Oberflächenregion auf. Eine reflektierende Oberfläche liegt über der Oberflächenregion. An dem reflektierenden Material sind leitfähige Strukturen ausgebildet, und an den leitfähigen Strukturen sind LEDs angebracht. Ein leuchtendes Material, das von der LED-Wellenlänge angeregt wird, stellt ein Licht von erster Farbe bereit. Ein Abdeckungselement über LEDs ist im Wesentlichen transparent und von einer zweiten Farbe. Die Kombination der ersten und zweiten Farbe erzeugt ein Licht von dritter Farbe.
Die vorliegende Vorrichtung und das vorliegende Verfahren stellen ein verbessertes Beleuchtungsverfahren mit verbesserter Effizienz bereit. Das Verfahren und die resultierende Struktur sind mit üblicher Prozesstechnik leichter zu implementieren. In einer spezifischen Ausführungsform strahlt eine blaue LED elektromagnetische Strahlung bei einer Wellenlänge von etwa 440 Nanometern bis etwa 495 Nanometern ab, eine grüne LED strahlt elektromagnetische Strahlung bei einer Wellenlänge von etwa 495 Nanometern bis etwa 590 Nanometern ab, und eine rote LED strahlt elektromagnetische Strahlung bei einer Wellenlänge von etwa 590 Nanometern bis etwa 660 Nanometern ab. In einer bevorzugten Ausgestaltung verwenden das vorliegende Verfahren und Gerät LED-Vorrichtungen, die für violette (380 bis 440 nm) elektromagnetische Abstrahlung konfiguriert sind, sowie Kombinationen. Abhängig von der Anwendung können mehr als drei Farben benutzt werden, um Licht einer gewünschten Farbe und Qualität zu erzeugen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine Darstellung, die eine Leuchtdiode zeigt;
1B ist eine Darstellung, die eine Draufsicht auf ein LED-Gerät zeigt;
1C ist eine Darstellung, die ein alternatives Leuchtdiodengerät zeigt;
1D ist eine Darstellung, die eine Draufsicht auf ein LED-Gerät zeigt;
1E ist eine Darstellung, die ein alternatives Leuchtdiodengerät zeigt;
2 ist eine Darstellung, die einen Prozess zum Herstellen eines LED-Gehäuses mit in einem Array angeordneten LED-Vorrichtungen zeigt;
3 ist eine Darstellung, die einen Prozess zum Herstellen eines LED-Gehäuses mit in einem Array angeordneten LED-Vorrichtungen zeigt;
4 ist eine Darstellung, die ein LED-Gehäuse zeigt;
5 ist eine Darstellung, die eine 3D-Ansicht eines LED-Gehäuses zeigt;
6 ist eine Darstellung, die das Montieren eines LED-Gehäuses zeigt;
7 ist eine Darstellung, die alternatives Montieren eines LED-Gehäuses zeigt;
7A ist eine Darstellung, die alternatives Montieren eines kreisförmigen LED-Gehäuses zeigt;
8 ist eine Darstellung, die eine mit Wechselstrom betriebene LED-Leuchte zeigt;
8A ist ein Diagramm einer auseinandergezogenen Ansicht einer mit Wechselstrom betriebenen LED-Leuchte;
8B ist eine Darstellung, die ein LED-Leuchtensystem zeigt;
9 ist eine Darstellung, die das Zusammenbauen einer mit Wechselstrom betriebenen LED-Leuchte zeigt;
10 ist eine Darstellung, die die Wärmeableitung von LED-Gehäusen zeigt;
11 ist eine Darstellung, die die Wärmeableitung eines LED-Gehäuses zeigt, das an einem Kühlkörper angebracht ist;
12 ist ein Schaltdiagramm, das ein LED-Array darstellt;
12A ist eine Darstellung, die den Betrieb eines LED-Arrays zeigt;
13 ist eine Darstellung, die die Leistung eines LED-Geräts zeigt;
14 ist ein Schaltdiagramm, das ein LED-Array mit Widerstandsabstimmung darstellt;
15 ist ein Schaltdiagramm, das ein LED-Array mit Wechselstromwiderstand darstellt;
15A ist ein Schaltdiagramm, das ein LED-Array mit einer 220-V-Wechselspannungsquelle darstellt;
15B ist ein Schaltdiagramm, das ein LED-Array mit einer 24-V-Gleichstromquelle darstellt;
16 ist eine Darstellung, die die Farbabstimmung für LED-Vorrichtungen zeigt;
17 ist eine Darstellung, die die Farbabstimmung für LED-Vorrichtungen mithilfe eines Farbfilters zeigt;
18 ist eine Darstellung, die die Farbabstimmung für LED-Vorrichtungen mithilfe einer leuchtenden Platte zeigt;
19 ist eine Darstellung, die die Farbabstimmung für LED-Vorrichtungen mithilfe eines absorbierenden und/oder reflektierenden Materials zeigt; und
20 ist eine Darstellung, die die Farbabstimmung mithilfe von LED-Vorrichtungen unterschiedlicher Farbe zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
„LED-Vorrichtung“ bezeichnet hier eine Leuchtdiode, und „LED-Gehäuse“ bezeichnet eine verkapselte LED-Vorrichtung mit wahlweise zugeordneten elektrischen Bauelementen wie Widerständen, Dioden und Kondensatoren. Übliche LED-Vorrichtungen leiden unter zahlreichen Nachteilen. Um eine hohe Lichtleistung zu erzielen, werden LED-Vorrichtungen beispielsweise häufig miteinander gebündelt. Diese Anordnung ist kostspielig und führt zu einem großen Aufbau.
Für günstige Wettbewerbsvoraussetzungen auf dem Beleuchtungsmarkt ist es wünschenswert, die Kosten der Lichterzeugung mit LEDs zu senken. Dies lässt sich erreichen, indem die Leistung – Lumen pro Flächeneinheit – erhöht wird, was verlangt, dass die Stromdichten für den Betrieb der Vorrichtungen erhöht werden. Typische Betriebsstromdichten handelsüblicher LEDs sind < 100 A/cm². Laserdioden auf GaN-Grundlage demonstrieren Betriebsstromdichten von 5–10kA/cm², eine Steigerung um das bis zu 100-Fache. Somit existiert die Möglichkeit einer erhöhten Betriebsstromdichte für LEDs, wodurch die Kosten der Lichterzeugung reduziert werden und die Verbreitung von Lösungen auf LED-Grundlage auf dem allgemeinen Beleuchtungsmarkt zunimmt. Die heutigen handelsüblichen LEDs werden allerdings auf Substraten wie etwa Saphir, SiC oder Silizium hergestellt. Dies führt zu einer hohen Versetzungsdichte, von der bekannt ist, dass sie die Lebensdauer opto-elektronischer Vorrichtungen auf GaN-Basis bei hohen Stromdichten senkt. Dieser Effekt zeigt sich besonders bei Laserdioden. Ferner weisen typische InGaN-basierte LEDs bei höherer Stromdichte eine reduzierte Effizienz auf („Haltedrift“). Verbesserungen gegen Haltedrift wurden in InGaN-basierten LEDs demonstriert, die aus GaN-Grundsubstraten hergestellt wurden. Auch kann die geringe Versetzungsdichte (< ~ 1E7 cm–2), die GaN-GrundSubstrat bieten, einen zuverlässigen Betrieb bei hohen Stromdichten bieten. Benötigt wird eine LED-Vorrichtung, die die Vorteile von GaN-Grundmaterial ausnutzen kann und zugleich die notwendigen Betriebseigenschaften bereitstellt, die für die Beleuchtung nützlich sind, d.h. hohe Lumendichte, gutes Wärmemanagement, hohe Umwandlungseffizienz in weißes Licht, hohe Zuverlässigkeit und eine flexible Stromversorgungsschnittstelle.
1A ist ein Diagramm eines Leuchtdiodengeräts. Das LED-Gehäuse 100 weist ein Substrat 101, eine reflektierende Schicht 102, eine Isolationsschicht 103, die elektrisch isolierend ist, leitfähige Strukturen 104A und 104B und LED 105 auf. Das Substrat 101 ist ein Siliziummaterial mit einer im Wesentlichen flachen Oberflächenregion, die vorzugsweise durch einen Polierprozess erzielt wird. Das Substrat 101 kann auch Silizium, Metall, Keramik, Glas oder ein Einzelkristallwafer sein. Die reflektierende Schicht 102 bewirkt, dass von der LED 105 und von einem beliebigen leuchtenden Material abgestrahltes Licht von dem Substrat 101 reflektiert, aber nicht absorbiert wird. Die reflektierende Schicht 102 weist ein Reflexionsvermögen von wenigstens 80 % auf, und typischerweise ein Reflexionsvermögen von mehr als 92 %.
Die reflektierende Schicht 102 kann aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, beispielsweise Silber oder Aluminium. In einer Ausführungsform wird der Silber- oder Aluminiumschicht eine dielektrische Beschichtung hinzugefügt, um das Reflexionsvermögen zu erhöhen. Der Reflektor 102 weist typischerweise ein durchschnittliches Reflexionsvermögen von mehr als 90 %, 95 %, 98 % oder bisweilen 99 % bei Wellenlängen zwischen etwa 390 Nanometern und etwa 800 Nanometern auf. In einer Ausführungsform umfasst die reflektierende Schicht eine Vielzahl von Schichten aus Metallmaterialien und dielektrische Schichten auf.
Eine elektrisch und optisch transparente Isolationsschicht 103 ist zwischen der reflektierenden Schicht 102 und den leitfähigen Strukturen 104A und 104B vorgesehen. Die Isolationsschicht 103 besteht aus dielektrischem Material, das für elektrische Isolation zwischen der reflektierenden Schicht 102 und den leitfähigen Strukturen 104 sorgt. Die dielektrische Beschichtung verstärkt bisweilen das Reflexionsvermögen der Metallschicht und stellt trotzdem die elektrische Isolationsfunktion bereit.
Die Isolationsschicht 103 ist normalerweise dielektrisches Material. In verschiedenen Ausführungsformen können SiO₂, AlN, Al₂O₃ und/oder SiN oder Kombinationen davon benutzt werden. In einer Ausführungsform ist die Isolationsschicht dicker als 1 Mikrometer und stellt eine elektrische Isolation zwischen dem Reflektor 102 und der leitfähigen Struktur 104 von mehr als 1 Kilovolt bereit. Die Isolationsschicht dient der elektrischen Isolation und weist vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1 W(m-K) auf.
Die leitfähigen Strukturen 104A und 104B, normalerweise Silber oder Aluminium, befinden sich auf der Isolationsschicht 103. In der Seitenansicht aus 1 sind nur zwei leitfähigen Strukturen gezeigt, doch das LED-Gehäuse kann eine große Anzahl leitfähiger Strukturen aufweisen, die in einem Array angeordnet sind, z. B. einem M-mal-N-Array aus leitfähigen Strukturen, wie in 4 gezeigt. Jede der leitfähigen Strukturen dient dazu, eine LED-Vorrichtung mit Strom zu versorgen, und kann zu diesem Zweck zusätzliche Schaltungen aufweisen. Während des Herstellungsprozesses werden die leitfähigen Strukturen elektrisch voneinander isoliert, wenn sie erstmals auf der Isolationsschicht ausgebildet werden, und später in einer gewünschten Konfiguration miteinander verbunden (z. B. durch Drahtbonden). Der Drahtbondungsprozess kann vor oder nach dem Abscheiden des Phosphormaterials durchgeführt werden. Die leitfähigen Strukturen sind vorzugsweise reflektierend und weisen beispielsweise ein Reflexionsvermögen von wenigstens 80 % auf.
Die LED-Vorrichtungen, die an den leitfähigen Strukturen vorgesehen sind, können mit bestimmten LEDs von spezifischer Wellenlänge konfiguriert werden, die in einer gewünschten Struktur angeordnet sind. In der Figur ist LED 105 mit der leitfähigen Struktur 104A verbunden, die einen Schaltkreis aufweist, um die LED 105 mit Strom zu versorgen. Das LED-Gehäuse 100 kann abhängig von der Anwendung andere Bauelemente aufweisen. Normalerweise sind die LED-Vorrichtungen und die Drahtanschlüsse verkapselt, beispielsweise in Silikon, und gelegentlich mit Phosphoren. Das Gerät 100 kann auch ein Abdeckungselement auf den LEDs aufweisen, um diese zu schützen und/oder um die Farbe des Lichts anzupassen, das von dem LED-Gehäuse abgestrahlt wird.
Das LED-Gehäuse kann auf unterschiedliche Weise mit Strom versorgt werden, beispielsweise, indem es eine Gleich- oder Wechselspannungsversorgungsschnittstelle aufweist. Das LED-Gehäuse kann eine aktive Treiberschaltung oder einen Vollwellengleichrichter zum Versorgen der LEDs mit Strom aufweisen. Die LED-Vorrichtungen können in einer seriellen Konfiguration oder seriell-parallelen Konfiguration verbunden sein, um eine passende Vorwärtsspannung für die Stromversorgung zu erreichen. Das LED-Gehäuse 100, das mit einem Array von LED-Vorrichtungen konstruiert ist, kann flexibel implementiert werden. Die vom LED-Gehäuse abgegebene Lichtmenge kann durch Ändern der Anzahl der LED-Vorrichtungen oder durch Reduzieren der Abmessungen der LED-Chips angepasst werden.
1B ist eine Darstellung, die eine Draufsicht auf ein LED-Gerat zeigt. Wie dargestellt, sind LED-Vorrichtungen an leitfähigen Lötaugen vorgesehen. Um eine LED-Vorrichtung mit Strom zu versorgen, wird der obere Abschnitt einer LED-Vorrichtung mit einem elektrischen Übergang verbunden, und der untere Abschnitt der LED-Vorrichtung wird über ein leitfähiges Lötauge unmittelbar darunter mit einem anderen elektrischen Übergang verbunden.
1C ist eine Darstellung, die ein alternatives Leuchtdiodengerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie dargestellt, weist ein LED-Gehäuse 150 ein Substrat 151, eine optionale reflektierende Schicht 154, eine Isolationsschicht 152, leitfähige Strukturen 153A und 153B, und LED 155 auf. Das Substrat 151 ist ein ebenes Substrat mit einer im Wesentlichen flachen Oberflächenregion. Die ebene Oberfläche kann durch Polieren erzielt werden und besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus Silizium, kann jedoch auch Metall, Keramik, Glas, ein Kristallwafer oder dergleichen sein. Eine oder mehrere optionale elektrisch dielektrische Isolationsschichten 152 sind über dem Substrat 155 vorgesehen. Die Isolationsschicht 152 stellt eine elektrische Isolation zwischen dem Substrat 151 und den leitfähigen Strukturen 153 bereit. Die Isolationsschicht kann aus Materialien und in der Art und Weise hergestellt sein, wie es im Zusammenhang mit 1A beschrieben wurde.
1C unterscheidet sich dadurch von 1A, dass eine reflektierende Schicht 154 auf der leitfähigen Struktur 153B und der Isolationsschicht 152 angeordnet ist. Die reflektierende Schicht 154 reflektiert von der LED 105 und/oder dem leuchtenden Material abgegebenes Licht. Vorzugsweise weist die reflektierende Schicht 154 einen hohen Reflexionsgrad von wenigstes 80 % auf, aber in einer Ausführungsform ist das durchschnittliche Reflexionsvermögen der reflektierenden Schicht größer als 97 %.
Die reflektierende Schicht 154 kann aus verschiedenen Arten von Material hergestellt sein, etwa Silber oder Aluminium. Die Silber- oder Aluminiumschicht kann mit einer dielektrischen Beschichtung versehen werden, um das Reflexionsvermögen weiter zu steigern. Ein solcher Reflektor 154 kann ein durchschnittliches Reflexionsvermögen von mehr als 90 %, 95 %, 98 % oder sogar 99 % bei Wellenlängen zwischen etwa 390 Nanometern und etwa 800 Nanometern aufweisen. In einer Ausführungsform umfasst die reflektierende Schicht eine Vielzahl von Schichten, einschließlich einer reflektierenden Schicht aus Metall und einer dielektrischen Schicht. Wie oben beschrieben, kann das LED-Gehäuse 150 andere Bauelemente wie etwa Drahtbonds, Verkapselungsmaterial und eine Abdeckung aufweisen und kann in geeigneter Weise mit Strom versorgt werden. Unter dem Metallreflektor ist eine elektrische Isolationsschicht angeordnet, die in 1C nicht dargestellt ist und die Metallreflektorschicht elektrisch von der Schaltkreisschicht isoliert. In einer anderen Ausführungsform ist die reflektierende Schicht 154 nicht Metall, sondern ein hochreflektierender diffuser Reflektor wie etwa Anatase von Rutil-TiO₂-Partikeln.
1D ist eine Darstellung, die eine Draufsicht auf ein LED-Gerät zeigt, das die Drahtbonds veranschaulicht. Um eine LED-Vorrichtung mit Strom zu versorgen, wird der obere Abschnitt einer LED-Vorrichtung mit einem elektrischen Übergang verbunden, und der untere Abschnitt der LED-Vorrichtung wird über ein leitfähiges Lötauge darunter mit einem anderen elektrischen Übergang verbunden.
1E ist eine Darstellung, die ein alternatives Leuchtdiodengerät gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die dargestellte Struktur gleicht der oben beschriebenen. In 1E allerdings kann das Substratmaterial leitfähig oder halbisolierend sein. Wenn das Substratmaterial leitfähig ist (z. B. mit einem Widerstand von weniger als 100 Ohm-cm), ist zwischen den leitfähigen Strukturen und dem Substratmaterial eine Isolationsschicht vorgesehen. Wenn dagegen das Substratmaterial halbisolierend ist (z. B. mit einem Widerstand von wenigstens 100 Ohm-cm), ist die Isolationsschicht optional, und die leitfähigen Strukturen können unmittelbar auf dem Substratmaterial vorgesehen sein, wenn das Substratmaterial [sic!]. Die leitfähigen Strukturen sind elektrisch durch einen Isolationsspalt voneinander isoliert, bei dem es sich um einen Luftspalt handeln kann, oder der mit einem isolierenden Material gefüllt sein kann.
2 ist eine Darstellung, die einen Prozess zum Herstellen eines LED-Gehäuses mit in einem Array angeordneten LED-Vorrichtungen zeigt. Ein Siliziumwafersubstrat 201 wird als Substratmaterial zum Herstellen des LED-Gehäuses benutzt. Hier wird aufgrund seiner relativ geringen Kosten (etwa 65 US-Dollar pro Wafer Anfang 2010) ein 8-Zoll-Wafer ausgewählt. Wafer in anderen Größen können aus Gründen der Effizienz und Wirtschaftlichkeit ebenfalls benutzt werden.
Das Siliziumsubstrat 201 ist poliert und weist eine ebene Oberfläche auf. Das Siliziumsubstrat 201 weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, beispielsweise eine Gesamtwärmeleitfähigkeit von mehr als 50 W/(m-k). Nach dem Verarbeiten des Siliziumsubstrats 201 wird an seiner Oberfläche eine reflektierende Oberfläche gebildet. In 2 weist das Substrat 202 ein Siliziumsubstrat 201 mit einer reflektierenden Schicht, z. B. Silber, Aluminium oder einer anderen Beschichtung, auf dem Substrat auf.
Eine optisch transparente elektrische Isolationsschicht 103, die normalerweise etwa 0,5 Mikrometer dick ist, wird über der reflektierenden Schicht gebildet. Diese Schicht wurde oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben. Eine Schicht aus leitfähigen Strukturen wird auf dem Substrat 203 ausgebildet. Wie dargestellt, sind auf dem Substrat 203 neun Sätze leitfähiger Strukturen in einer Konfiguration von 3×3 ausgebildet, wobei jeder Satz leitfähiger Strukturen aus 36 leitfähigen Regionen zum Montieren der LED-Vorrichtungen zusammengesetzt ist. Die leitfähigen Strukturen werden unter Verwendung eines gewünschten gießereikompatiblen Prozesses ausgebildet. In einer Ausführungsform sind alle elektrischen Kontakte und leitfähigen Strukturen auf der einzigen Oberfläche des Siliziums angeordnet, weshalb keine kostspieligen Durchkontaktierungen notwendig sind. Das Material und die Prozesse, die zum Ausbilden der leitfähigen Strukturen benutzt werden, werden sowohl aufgrund ihrer geringen Kosten als auch ihrer hohen Leistung ausgewählt (z. B. etwa 25 US-Dollar pro Wafer Anfang 2010). Die leitfähige Struktur weist Metallmaterial zum Bereitstellen elektrischer Kontakt auf und ist außerdem hochreflektierend.
Eine Dammstruktur, beispielsweise aus Silikon, ist dazu ausgebildet, leitfähige Strukturen voneinander zu trennen, wie anhand von Substrat 204 dargestellt. Jede der von dem Silikondamm umschlossenen leitfähigen Strukturen weist eine Abmessung von etwa 6,5 mm × 6,5 mm auf. Der Damm kann auch aus einem beliebigen anderen geeigneten Material hergestellt sein, z. B. Kunststoff, Silizium, Metall, Keramik, Teflon usw. Die Hohlraumstruktur des Damms hält flüssiges Silikonmaterial. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Damm optisch reflektierend, mit einem spiegelnden oder streuenden Reflexionsvermögen von mehr als 50 %.
3 ist eine Darstellung, die einen Prozess zum Herstellen eines LED-Gehäuses mit in einem Array angeordneten LED-Vorrichtungen zeigt. 3 zeigt ein teilweise gefertigtes LED-Gehäuse, wie es in 2 gezeigt ist. Auf dem Substrat 301 sind Chip- und Drahtanschlüsse ausgebildet, um Schaltkreise der leitfähigen Strukturen zu verbinden. Abhängig von der Anwendung können verschiedene Arten von Drahtbondungsprozessen benutzt werden, etwa Kugelbonden, Keilbonden und andere. Zum Bereitstellen der Drahtanschlüsse können verschiedene Arten von Materialien benutzt werden, beispielsweise Gold, Silber, Kupfer, Aluminium und/oder anderes Material. Der Drahtbondungsprozess kann vor oder nach dem Ausbilden der Dämme durchgeführt werden.
Auf dem Substrat 301 sind LED-Vorrichtungen an die leitfähigen Strukturen gebondet. Jede der LED-Vorrichtungen ist normalerweise weniger als etwa 300 Mikrometer mal etwa 300 Mikrometer groß. Natürlich kann jede gewünschte Art von LED-Vorrichtung benutzt werden, etwa LEDs, die ultraviolette, violette und/oder blaue Farbe abstrahlen, und die unter Verwendung von Gallium-Nitrid-(GaN)-Grundmaterial hergestellt sind. Vorzugsweise sind die LED-Vorrichtungen hochleistungsfähige einfarbige polare, nicht-polare und/oder semipolare LEDs, die mit Wellenlängenumwandlungsmaterial(ien) interagieren, um weißes Licht bereitzustellen. Der LED-Würfel kann mithilfe eines Lötmaterials wie Goldzinnlot oder silbergefülltem Leiterplattenepoxidkleber an die leitfähige Struktur gebondet werden.
In einer Ausführungsform ist eine violette nicht-polare oder semipolare oder polare LED zusammen mit einer Mischung aus drei Phosphoren verkapselt, die im blauen, grünen und roten Bereich abstrahlen. In einer anderen Ausführungsform ist eine blaue nicht-polare oder semipolare oder polare LED zusammen mit einer Mischung aus zwei Phosphoren verkapselt, die im grünen und roten Bereich abstrahlen. In einer weiteren Ausführungsform ist eine grüne oder gelbe polare, nicht-polare oder semipolare LED zusammen mit einer blauen LED und Phosphor verkapselt, der im roten Bereich abstrahlt. Es können verschiedene Arten von Phosphormaterialien benutzt werden, wie z. B. in der US-Patentanmeldung Nr. 61/301,183 beschrieben, eingereicht am 3. Februar 2010 (Attorney-Docket-Nr. 027364-009900), mit dem Namen „Reflection Mode Package for Optical Devices Using Gallium and Nitrogen Bearing Materials“, die hiermit für alle Zwecke durch Verweis in den vorliegenden Gegenstand einbezogen wird.
Eine nicht-polare oder semipolare oder polare LED kann auf einem Gallium-Nitrid-Grundsubstrat hergestellt sein. Das Gallium-Nitrid-Substrat kann von einem Einkristallkörper abgeschnitten werden, der gemäß bekannten Verfahren des Stands der Technik durch Hydriddampfphasenepitaxie oder ammonothermal gezüchtet wurde. In einer spezifischen Ausführungsform wird das Gallium-Nitrid-Substrat durch eine Kombination von Hydriddampfphasenepitaxie oder ammonothermalem Wachstum hergestellt werden, wie es in der gemeinschaftlich erteilten US-Patentanmeldung Nr. 61/078,704 beschrieben ist, die hiermit in den vorliegenden Gegenstand mit einbezogen wird. Der Einkristallkörper kann in c-Richtung, in m-Richtung, in a-Richtung oder in einer semipolaren Richtung auf einem einkristalligen Impfkristall gezüchtet werden. Semipolare Ebenen können durch Miller-Indizes (hkil) bezeichnet werden, wobei i = –(h + k), l nicht null ist und wenigstens eins von h und k nicht null ist. Das Gallium-Nitrid-Substrat kann geschnitten, geschliffen, poliert und chemisch-mechanisch poliert werden. Die Ausrichtung des Gallium-Nitrid-Substrats kann innerhalb von ±5 Grad, ±2 Grad, ±1 Grad oder ±0,5 Grad der m-Ebene {1 –1 0 0}, der a-Ebene {1 1 –2 0}, der Ebene {1 1 –2 2}, der Ebene {2 0 –2 ±1}, der Ebene {1 –1 0 ±1}, der Ebene {1 –1 0 –±2} oder der Ebene {1 –1 0 ±3} liegen. Das Gallium-Nitrid-Substrat kann eine Versetzungsdichte in der Ebene der großen Oberfläche aufweisen, die weniger als 10⁸cm^–2, weniger als 10⁷ cm^–2, weniger als 10⁶ cm^–2, weniger als 10⁵ cm^–2, weniger als 10⁴ cm^–2 oder weniger als 10³ cm^–2 beträgt. Das Gallium-Nitrid-Substrat kann eine Versetzungsdichte in der c-Ebene aufweisen, die weniger als 10⁸ cm^–2, 10⁷ cm^–2, 10⁶ cm^–2, 10⁵ cm^–2, 10⁴ cm^–2 oder sogar weniger als 10³ cm^–2 beträgt.
Eine homoepitaxiale nicht-polare oder semipolare LED wird gemäß im Stand der Technik bekannten Verfahren auf dem Gallium-Nitrid-Substrat hergestellt, beispielsweise anhand der Verfahren, die in US-Patent Nr. 7,053,413 offenbart sind, das hiermit in seiner Gesamtheit in den vorliegenden Gegenstand mit einbezogen wird. Wenigstens eine Al_xIn_yGa_1-x-yN-Schicht, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und 0 ≤ x + y ≤ 1, wird auf dem Substrat aufgebracht, und zwar beispielsweise nach den Verfahren, die in den US-Patenten 7,338,828 und 7,220,324 offenbart sind, welche hiermit in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Gegenstand mit einbezogen werden. Die wenigstens eine Al_xIn_yGa_1-x-yN-Schicht kann durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung, durch Molekularstrahlepitaxie, durch Hydriddampfphasenepitaxie oder durch eine Kombination derselben aufgebracht werden. In einer Ausführungsform umfasst die Al_xIn_yGa_1-x-yN-Schicht eine aktive Schicht, die vorzugsweise Licht abstrahlt, wenn ein elektrischer durch sie hindurch geleitet wird. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst die aktive Schicht einen einzelnen Quantenschacht mit einer Dicke zwischen etwa 0,5 nm und etwa 40 nm. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst die aktive Schicht einen einzelnen Quantenschacht mit einer Dicke zwischen etwa 1 nm und etwa 5 nm. In anderen Ausführungsformen umfasst die aktive Schicht einen einzelnen Quantenschacht mit einer Dicke zwischen etwa 5 nm und etwa 10 nm, zwischen etwa 10 nm und etwa 15 nm, zwischen etwa 15 nm und etwa 20 nm, zwischen etwa 20 nm und etwa 25 nm, zwischen etwa 25 nm und etwa 30 nm, zwischen etwa 30 nm und etwa 35 nm oder zwischen etwa 35 nm und etwa 40 nm. In einem anderen Satz von Ausführungsformen umfasst die aktive Schicht mehrere Quantenschächte. In einer anderen Ausführungsform umfasst die aktive Region eine doppelte Heterostruktur mit einer Dicke zwischen etwa 40 nm und etwa 500 nm. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst die Aktivschicht eine In_yGa_1-yN-Schicht, wobei 0 ≤ y ≤ 1.
Indiumzinnoxid (ITO) wird durch Elektronenstrahlverdampfen auf die Kontaktschicht des p-Typs als p-Typ-Kontaktschicht aufgedampft und einer schnellen thermischen Bearbeitung unterzogen. LED-Mesas mit einer Größe von etwa 300 × 300 µm² werden durch Fotolithografie und Trockenätzen unter Verwendung eines Verfahrens mit induktiv gekoppeltem Plasma (inductively-coupled plasma, ICP) auf Chlorbasis ausgebildet. Ti/Al/Ni/Au wird durch Elektronenstrahlverdampfen auf die freiliegende n-GaN-Schicht aufgedampft, um den Kontakt des n-Typs zu bilden, Ti/Au wird dann durch Elektronenstrahlverdampfen auf die ITO-Schicht aufgedampft, um eine p-Kontakt-Anschlussoberfläche zu bilden, und der Wafer wird in einzelne LED-Würfel gewürfelt. Elektrische Kontakte werden durch übliches Drahtbonden ausgebildet. Natürlich können andere Abwandlungen, Modifikationen und Alternativen vorliegen. Beispielsweise werden p-abwärts-Konfigurationen benutzt, was wichtig für reflektierende p-Kontakte auf Basis von Ag oder Al ist.
In einer Ausführungsform der Vorrichtungsherstellung wird ein p-Kontakt auf der Epitaxialstruktur angeordnet. Diese Schicht kann aus Pt, Ag, Al oder einem beliebigen anderen geeigneten Material bestehen und kann durch Metall-Lift-off oder Ätztechniken strukturiert werden. Anschließend wird eine Diffusionsbarriere, etwa TiW, auf dem p-Kontakt aufgebracht. Der Wafer wird dann strukturiert, und die Epitaxialschichten werden bis über die aktive Region hinaus geätzt, um das n- oder Grundmaterial freizulegen. Dieses GaN-Ätzen wird normalerweise durch Plasmatrockenätzen erreicht, kann jedoch beispielsweise durch fotoelektrochemisches Ätzen erfolgen. Die Mesa-Seitenwände werden dann durch Aufbringen und Strukturieren einer dielektrischen Schicht wie etwa SiN_x oder SiO₂ passiviert. Anschließend wird durch Durchkontaktierungen im Dielektrikum Lötmetall auf den p-Kontakt aufgebracht und strukturiert. Dieses Lötmetall kann beispielsweise in Au, AuSn, Cu, Ag oder Al terminieren und ermöglicht das anschließende Anbringen des Chips an einem Trägersubstrat. Der Wafer wird dann umgedreht, und ein n-Kontakt wird aufgebracht und strukturiert. Vor dem Strukturieren des n-Kontakts kann das Grundsubstrat beispielsweise durch Diamantläppen dünner gemacht werden. Zuletzt wird der Wafer beispielsweise mittels Laserritzen und Brechen oder durch Sägen mit einer Diamantklinge in Würfel vereinzelt. Es können alternative Abläufe konstruiert werden, wobei das Mesa-Ätzen vor dem Metallisieren des p-Kontakts durchgeführt wird. Ebenso könnte der n-Kontakt als erster Schritt erfolgen, oder eine Teilvereinzelung könnte dem n-Kontaktschritt vorangehen. Um die Lichtextraktion zu verbessern, kann auch ein Oberflächenaufrauungsschritt angewandt werden, oder die n-Kontaktseite oder die Chipseitenwände könnten weiter mit extraktionsfördernden Merkmalen strukturiert werden. Um die Wärmeableitung von den LED-Chips zu unterstützen, werden die Vorrichtungen typischerweise mit der p-Seite nach unten montiert, um den Abstand zwischen der Lichterzeugungsregion und dem Kühlkörper zu erhöhen.
In einer spezifischen Ausführungsform umfassen die eine oder mehreren Einheiten Wellenlängenumwandlungsmaterialien, die dazu in der Lage sind, blaues Licht, grünes Licht und rotes Licht abzustrahlen. Als ein Beispiel kann das blau abstrahlende Wellenlängenumwandlungsmaterial aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus (Ba,Sr,Ca)₅(PO₄)₃(Cl,F,Br,OH):Eu²⁺, Mn²⁺; Sb³⁺, (Ba,Sr,Ca)MgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺, Mn²⁺; (Ba,Sr,Ca)BPO₅:Eu²⁺, Mn²⁺; (Sr,Ca)₁₀(PO₄)₆·nB₂O₃:Eu²⁺; 2SrO·0,84P₂O₅·0,16B₂O₃:Eu²⁺; Sr₂Si₃O₈·2SrCl₂:Eu²⁺; (Ba,Sr,Ca)Mg_xP₂O₇:Eu^2–, Mn²⁺; Sr₄Al₁₄O₂₅:Eu^2– (SAE); BaAl₈O₁₃:Eu²⁺; und Gemischen davon besteht. Das grüne Wellenlängenumwandlungsmaterial wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus (Ba,Sr,Ca)MgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺, Mn²⁺ (BAMn); (Ba,Sr,Ca)Al₂O₄:Eu²⁺; (Y,Gd,Lu,Sc,La)BO₃:Ce³⁺,Tb^3–; Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂:Eu²⁺, Mn²⁺; (Ba,Sr,Ca)₂SiO₄:Eu^2–; (Ba,Sr,Ca)₂(Mg,Zn)Si₂O₇:Eu²⁺; (Sr,Ca,Ba)(Al,Ga,ln)₂S₄:Eu²⁺; (Y,Gd,Tb,La,Sm,Pr,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺; (Ca,Sr)₈(Mg,Zn)(SiO₄)₄C₁₂:Eu²⁺, Mn²⁺ (CASI); Na₂Gd₂B₂O₇:Ce³⁺, Tb^3–; (Ba,Sr)₂(Ca,Mg,Zn)B₂O₆:K,Ce,Tb; und Gemischen davon besteht. Das rote Wellenlängenumwandlungsmaterial wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus (Gd,Y,Lu,La)₂O₃:Eu³⁺, Bi³⁺; (Gd,Y,Lu,La)₂O₂S:Eu³⁺, Bi³⁺; (Gd,Y,Lu,La)VO₄:Eu³⁺, Bi^3–; Y₂(O,S)₃: Eu³⁺; Ca_1-xMo_1-ySi_yO₄:, wobei 0.05 ≤ x ≤ 0.5, 0 ≤ y ≤ 0.1; (Li,Na,K)₅Eu(W,Mo)O₄; (Ca,Sr)S:Eu²⁺; SrY₂S₄:Eu²⁺; CaLa₂S₄:Ce³⁺; (Ca,Sr)S:Eu²⁺; 3,5MgO·0,5MgF₂·GeO₂:Mn⁴⁺ (MFG); (Ba,Sr,Ca)Mg_xP₂O₇:Eu²⁺, Mn²⁺; (Y,Lu)₂WO₆:Eu³⁺, Mo⁶⁺; (Ba,Sr,Ca)₃Mg_xSi₂O₈:Eu²⁺, Mn²⁺, wobei 1 < x ≤ 2; (RE_1-yCe_y)Mg_2-xLi_xSi_3-xP_xO₁₂, wobei RE wenigstens eins ist von Sc, Lu, Gd, Y, und Tb, 0,0001 < x < 0,1 und 0,001 < y < 0,1; (Y, Gd, Lu, La)_2-xEu_xW_1-yMo_yO₆, wobei 0,5 ≤ x ≤ 1,0, 0,01 ≤ y ≤ 1,0; (SrCa)_1-xEu_xSi₅N₈, wobei 0,01 ≤ x ≤ 0,3; SrZnO₂:Sm⁺³; M_mO_nX, wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe Sc, Y, einem Lanthanid, einem Alkalierdmetall und Gemischen davon; X ein Halogen ist; 1 ≤ m ≤ 3; und 1 ≤ n ≤ 4, und wobei die Lanthaniddotierung zwischen 0,1 und 40 % Spektralgewicht betragen kann; und Eu³⁺-aktiviertem Phosphat oder Boratphosphoren; und Gemischen derselben besteht.
Bezug nehmend auf 3 werden Phosphor und Silikonmaterial über den LED-Vorrichtungen und den Drähten an der Vorrichtung 302 abgegeben. Neben anderen Merkmalen dient das Silikonmaterial als eine Mediumfüllung, die die LED-Vorrichtungen und die Drähte schützt. Außerdem stellt das Silikonmaterial Isolation und Dichtung für die elektrischen Kontakte und Drähte bereit. Andere Arten von Materialien können ebenfalls als Mediumfüllung benutzt werden. Zu Mediumfüllmaterialien gehören beispielsweise Epoxid, Glas, Spin-Glas, Kunststoff, dotiertes Polymer, Metall- oder Halbleitermaterial, einschließlich geschichteter Materialien und/oder Verbundstoffe und andere. Wie oben erörtert, kann die Reihenfolge des Drahtbondens und der Phosphorabgabe modifiziert werden. In bestimmten Ausführungsformen wird die Phosphorabgabe vor dem Drahtbonden durchgeführt.
Abhängig von der Ausführungsform beginnt das Medium einschließlich Polymeren in einem fluidischen Zustand, der eine Innenregion des Behälters füllt. In einer bestimmten Ausführungsform füllt sich das Medium und kann die LED-Vorrichtung oder Vorrichtungen abdichten. Das Medium wird dann gehärtet und füllt in einem im Wesentlichen stabilen Zustand gemäß einer bestimmten Ausführungsform. Das Medium ist vorzugsweise optisch transparent oder kann auch selektiv transparent und/oder durchscheinend sein, gemäß einer bestimmten Ausführungsform. Außerdem ist das Medium, sobald es einmal gehärtet ist, im Wesentlichen inert, gemäß einer bestimmten Ausführungsform. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Medium eine geringe Absorptionsfähigkeit auf, damit ein wesentlicher Anteil der von der LED-Vorrichtung erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch das Medium gelangen kann und bei einer oder mehreren zweiten Wellenlängen durch den Behälter abgegeben werden kann.
In anderen Ausführungsformen kann das Medium dotiert oder behandelt werden, um die eine oder mehreren ausgewählten Wellenlängen des Lichts selektiv zu filtern, zu streuen oder zu beeinflussen. Als ein Beispiel kann das Medium mit Metallen, Metalloxiden, Dielektrika oder Halbleitermaterialien und/oder Kombinationen dieser Materialien und dergleichen behandelt werden.
Als ein Beispiel wird Phosphormaterial als ein Teil von Wellenlängenumwandlungseinheiten benutzt. In einer Ausführungsform bilden verschiedene Arten von Material Wellenlängenumwandlungseinheiten. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Wellenlängenumwandlungseinheiten durch Materialien bereitgestellt, die von dem wellenlängenselektiven Material absorbierte elektromagnetische Strahlung umwandeln, wie dargestellt. In einer bestimmten Ausführungsform werden die Wellenlängenumwandlungseinheiten von der primären LED-Abstrahlung angeregt und strahlen elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge ab. Vorzugsweise strahlen die Einheiten im Wesentlichen gelbes Licht aus einer Interaktion mit der blauen Lichtabstrahlung ab. In einer bestimmten Ausführungsform beträgt die mittlere Abmessung der mehreren Einheiten, bei denen es sich um Phosphorkörner handelt, fünfzehn Mikrometer und weniger.
In einer Ausführungsform werden Phosphorpartikel auf dem LED-Gehäuse abgeschieden. Phosphorpartikel können ein beliebiges der oben aufgeführten Wellenlängenumwandlungsmaterialien oder andere im Stand der Technik bekannte Materialien umfassen. Phosphorpartikel 103 können eine mittlere Partikelgrößenverteilung zwischen 0,1 Mikrometern und 50 Mikrometern aufweisen. In einigen Ausführungsformen ist die Partikelgrößenverteilung der Phosphorpartikel monomodal mit einer Spitze bei einem effektiven Durchmesser zwischen etwa 0,5 Mikrometern und etwa 40 Mikrometern. In anderen Ausführungsformen ist die Partikelgrößenverteilung der Phosphorpartikel bimodal mit lokalen Spitzen bei zwei Durchmessern, trimodal mit lokalen Spitzen bei drei Durchmessern oder multimodal mit lokalen Spitzen bei vier oder mehr effektiven Durchmessern.
In einer bestimmten Ausführungsform umfassen die Einheiten Phosphor oder eine Phosphormischung, ausgewählt aus (Y, Gd, Tb, Sc, Lu, La)₃(Al, Ga, In)₅O₁₂:Ce³⁺, SrGa₂S₄:Eu²⁺, SrS:Eu^2– und Kolloidalquantenpunkt-Dünnschichten, die CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdSe oder CdTe umfassen. In anderen Ausführungsformen kann die Vorrichtung einen Phosphor aufweisen, der dazu in der Lage ist, im Wesentlichen rotes Licht abzustrahlen.
Quantenpunktmaterialien umfassen eine Familie aus Halbleiter und seltenerddotierten Oxidnanokristallen, deren Größe und chemische Eigenschaft ihre Leuchteigenschaften bestimmen. Zu typischen chemischen Eigenschaften für die Halbleiterquantenpunkte gehören die bekannten Zinkblende-Halbleiterkristallstrukturen (ZnxCd1 – x)Se [x = 0.. 1], (Znx,Cd1 – x)Se [x = 0.. 1], Al(AsxP1 – x) [x = 0..1 ], (Znx,Cd1 – x)Te [x = 0.. 1], Ti(AsxP1 – x) [x = 0.. 1], In(AsxP1 – x) [x = 0.. 1], (AlxGa1 – x)Sb [x = 0.. 1], (Hgx,Cd1 – x)Te [x = 0.. 1]. Zu veröffentlichten Beispielen für seltenerddotierte Oxidnanokristalle gehören Y2O3:Sm3+, (Y,Gd)2O3:Eu3+, Y2O3:Bi, Y2O3:Tb, Gd2SiO5:Ce, Y2SiO5:Ce, Lu2SiO5:Ce, Y3Al5)12:Ce, sollten jedoch andere einfache Oxide oder Orthosilikate nicht ausschließen. Viele dieser Materialien werden aktiv als geeigneter Ersatz für Cd- und Te-haltige Materialien untersucht, die als giftig gelten.
Ein solcher Phosphor ist ausgewählt aus einem oder mehreren von (Gd,Y,Lu,La)₂O₃:Eu³⁺, Bi³⁺; (Gd,Y,Lu,La)₂O₂S:Eu³⁺, Bi³⁺; (Gd,Y,Lu,La)VO₄:Eu³⁺, Bi^3–; Y₂(O,S)₃: Eu³⁺; Ca_1-xMo_1-ySi_yO₄:, wobei 0,05 ≤ x ≤ 0,5, 0 ≤ y ≤ 0,1; (Li,Na,K)₅Eu(W,Mo)O₄; (Ca,Sr)S:Eu²⁺; SrY2S₄:Eu²⁺; CaLa₂S₄:Ce³⁺; (Ca,Sr)S:Eu²⁺; 3,5MgO·0,5MgF₂·GeO₂:Mn⁴⁺ (MFG); (Ba,Sr,Ca)MgxP₂O₇:Eu²⁺, Mn²⁺; (Y,Lu)₂WO₆:Eu³⁺, Mo⁶⁺; (Ba,Sr,Ca)₃MgxSi₂O₈:Eu²⁺, Mn²⁺, wobei 1 < x ≤ 2; (RE_1-yCe_y)Mg_2-xLi_xSi_3-xP_xO₁₂, wobei RE wenigstens eins ist von Sc, Lu, Gd, Y und Tb, 0,0001 < x < 0,1 und 0,001 < y < 0,1; (Y, Gd, Lu, La)_2-xEu_xW_1-yMo_yO₆, wobei 0,5 ≤ x ≤ 1,0, 0,01 ≤ y ≤ 1,0; (SrCa)_1-xEu_xSi₅N₈, wobei 0,01 ≤ x ≤ 0,3; SrZnO₂:Sm⁺³; M_mO_nX wobei M ausgewählt ist aus der Gruppe Sc, Y, einem Lanthanid, einem Alkalierdmetall und Gemischen davon; X ein Halogen ist; 1 ≤ m ≤ 3; und 1 ≤ n ≤ 4, und wobei die Lanthaniddotierung zwischen 0,1 und 40 % Spektralgewicht betragen kann; und Eu^3–-aktiviertes Phosphat oder Boratphosphore; und Gemische derselben
Bei den Wellenlängenumwandlungsmaterialien kann es sich um Keramik-, dünnschichtabgeschiedene oder Diskretpartikelphosphore, Keramik- oder Einzelkristallhalbleiterplatten-Abwärtswandlungsmaterialien, organische oder anorganische Abwärtswandler, Nanopartikel oder beliebige andere Materialien handeln, die ein oder mehrere Photonen einer Primärenergie absorbieren und dadurch ein oder mehrere Photonen einer Sekundärenergie abstrahlen („Wellenlängenumwandlung“). Als ein Beispiel können die Wellenlängenumwandlungsmaterialien Folgendes aufweisen:
(Sr,Ca)₁₀(PO₄)6·DB₂O₃:Eu²⁺ (wobei 0 < n₁)
(Ba,Sr,Ca)₅(PO₄)₃(Cl,F,Br,OH):Eu²⁺,Mn²⁺
(Ba,Sr,Ca)BPO₅:Eu²⁺,Mn²⁺
Sr₂Si₃O₈·2SrC₁₂:Eu²⁺
(Ca,Sr,Ba)₃MgSi₂O₈:Eu²⁺, Mn²⁺
BaA₁₈O₁₃:Eu²⁺
₂SrO·0,84P₂O₅·0,16B₂O₃:Eu²⁺
(Ba,Sr,Ca)MgAl₁0O₁₇:Eu²⁺,Mn²⁺
(Ba,Sr,Ca)Al₂O₄:Eu²⁺
(Y,Gd,Lu,Sc,La)BO₃:Ce³⁺,Tb³⁺
(Ba,Sr,Ca)₂(Mg,Zn)Si₂O₇:Eu²⁺
(Mg,Ca,Sr, Ba,Zn)₂Si_{1_x}O_{4_2}x:Eu²⁺ (wobei 0 < x = 0,2)
(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga,m)₂S₄:Eu²⁺
(Lu,Sc,Y,Tb)_{2_u_v}CevCa_1+uLiwMg_{2_w}Pw(Si,Ge)_{3_w}01_{2_u}/2 wobei -O.SSu^l; 0 < v£Q.l; und OSw^O.2
(Ca,Sr)₈(Mg,Zn)(SiO₄)₄C₁₂:Eu²⁺,Mn²⁺
Na₂Gd₂B₂O₇:Ce³⁺,Tb³⁺
(Sr,Ca,Ba,Mg,Zn)₂P₂O₇:Eu²⁺,Mn²⁺
(Gd,Y,Lu,La)₂O₃:Eu³⁺,Bi³⁺
(Gd,Y,Lu,La)₂O₂S:Eu³⁺,Bi³⁺
(Gd,Y,Lu,La)_VO₄:Eu³⁺,Bi³⁺
(Ca,Sr)S:Eu²⁺,Ce³⁺
(Y,Gd,Tb,La,Sm,Pr,Lu)₃(Sc,Al,Ga)_{5_n}O_{12_3}/₂n:Ce³⁺ (wobei 0^0^0,5)
ZnS:Cu+,Cl~
ZnS:Cu+,Al³⁺
ZnS:Ag+,Al³⁺
SrY₂S₄:Eu²⁺
CaLa₂S₄:Ce³⁺
(Ba,Sr,Ca)MgP₂O₇:Eu2+,Mn²⁺
(Y,Lu)₂WO₆:Eu³⁺,Mo⁶⁺
(Ba,Sr,Ca)nSinNn:Eu²⁺ (wobei 2_n+4 = 3n)
Ca₃(SiO₄)Cl₂:Eu²⁺
ZnS:Ag+,Cl~
(Y,Lu,Gd)_{2_n}CanSi₄N_6+nC_{1_n}:Ce³+, (wobei OSn^O.5)
(Lu,Ca,Li,Mg,Y)alpha-SiAlON dotiert mit Eu²⁺ und/oder Ce³⁺
(Ca,Sr,Ba)SiO₂N₂:Eu²⁺,Ce³⁺
Es versteht sich, dass dann, wenn ein Phosphor zwei oder mehr Dotandenionen aufweist (also die Ionen nach dem Doppelpunkt in den Phosphoren oben), dies zu Zwecken der Beschreibung bedeutet, dass der Phosphor wenigstens eines (aber nicht unbedingt alle) dieser Dotandenionen im Material aufweist. Das heißt, wie Fachleute verstehen werden, diese Schreibweise bedeutet, dass der Phosphor ein beliebiges oder alle angegebenen Ionen als Dotanden in der Rezeptur aufweisen kann.
Phosphormaterial kann zum Farbausgleich mit Silikonmaterial bereitgestellt werden. Wie oben beschrieben, werden hochleistungsfähige blaue LED-Vorrichtungen als Lichtquelle des LED-Gehäuses benutzt. Beispielsweise stellt eine Kombination der gelben Farbe des Phosphormaterials und der blauen Farbe der LED weißes Licht bereit, das typischerweise zur allgemeinen Beleuchtung benutzt wird. In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Menge an Phosphormaterial auf Grundlage des Farbausgleichs der blauen LED-Vorrichtungen ausgewählt. Phosphormaterial kann mit Silikonmaterial vermischt werden, um weißes Licht für das LED-Gehäuse zu erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wellenlängenumwandlungsmaterial innerhalb von dreihundert Mikrometern eines Kühlkörper angeordnet. Der Kühlkörper umfasst eine Oberflächenregion und weist eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 15 Watt/m-Kelvin, 100 Watt/m-Kelvin, 200 Watt/m-Kelvin, 300 Watt/m-Kelvin und mehr auf.
In einer Ausführungsform ist das Wellenlängenumwandlungsmaterial durch einen mittleren Partikelabstand von weniger als etwa dem Zweifachen der mittleren Partikelgröße des Wellenlängenumwandlungsmaterials gekennzeichnet, ist durch einen mittleren Partikelabstand von weniger als etwa dem Dreifachen der mittleren Partikelgröße des Wellenlängenumwandlungsmaterials gekennzeichnet, ist durch einen mittleren Partikelabstand von weniger als etwa dem Fünffachen der mittleren Partikelgröße des Wellenlängenumwandlungsmaterials gekennzeichnet, oder andere Abmessungen. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die wellenlängenselektive Oberfläche vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die wellenlängenselektive Oberfläche ein transparentes Material wie etwa ein DBR-(distributed Bragg Reflector)-Stapel, ein Beugungsgitter, eine Partikelschicht, die zum Streuen selektiver Wellenlängen abgestimmt ist, eine fotonische Kristallstruktur, eine Nanopartikelschicht, die zur Plasmonresonanzverstärkung bei bestimmten Wellenlängen abgestimmt ist, oder ein dichroitischer Filter, kann aber auch ein anderes Material sein.
Das Vorstehende wurde allgemein in Bezug auf eine oder mehrere Einheiten beschrieben, bei denen es sich um Phosphormaterialien oder phosphorartige Materialien handeln kann, doch man wird verstehen, dass andere „Energie umwandelnde leuchtende Materialien“, zu denen Phosphore, Halbleiter, Halbleiternanopartikel („Quantenpunkte“), organische leuchtende Materialien und dergleichen gehören können, und Kombinationen derselben ebenfalls benutzt werden können. Bei dem Energie umwandelnden leuchtenden Material handelt es sich im Allgemeinen um ein Wellenlängen umwandelndes Material und/oder andere Materialien.
In einer Ausführungsform, ist ein Abdeckungselement über dem Substrat vorgesehen, wie anhand der teilweise verarbeiteten Vorrichtung 303 dargestellt. Das Abdeckungselement ist im Wesentlichen transparent und lässt Licht von LED-Vorrichtungen durch. Beispielsweise können für das Abdeckungselement verschiedene Arten von Material benutzt werden, etwa Polymermaterial, Glasmaterial und andere. In einer bestimmten Ausführungsform ist das Abdeckungselement farbig um einen Farbausgleich bereitzustellen. In einer Ausführungsform wird die Farbtemperatur der LED-Vorrichtungen gemessen. Anhand dieser Farbtemperatur wird eine bestimmte Farbe und/oder ein Farbmuster für das Abdeckungselement ausgewählt, so dass das Farbausgleichslicht, das von den LED-Vorrichtungen durch das Abdeckungselement abgestrahlt wird, im Wesentlichen weiß ist und damit geeignet für allgemeine Beleuchtung.
Die teilweise verarbeitete Vorrichtung 303 weist, wie dargestellt, neun teilweise verarbeitete LED-Gehäuse in einem 3×3-Array auf. Es versteht sich, dass das 3×3-Array nur der Veranschaulichung dient. Beispielsweise könnte bei einem LED-Gehäuse mit einer Abmessung von 6,5 × 6,5 mm ein verarbeiteter 8-Zoll-Wafer 690 LED-Gehäuse ergeben. Damit das LED-Gehäuse später benutzt werden kann, wird das LED-Gehäuse separiert. Abhängig von den spezifischen verwendeten Herstellungsprozessen kann das LED-Gehäuse durch Ritzen, Schneiden und/oder andere Prozesse separiert werden.
Wie in 3 gezeigt, ist die LED-Vorrichtung 304 ein Abschnitt der verarbeiteten Vorrichtung 303. Die LED-Vorrichtung 304 weist unter anderem Substrat, reflektierende Schicht, Isolationsschicht, leitfähige Struktur und/oder Schaltkreise, LED-Vorrichtungen, die elektrisch aneinander gekoppelt sind, Silikondamm oder -behälter, Verkapselungsmaterial und ein Abdeckungselement auf. Wie dargestellt, sind die Ecken des Silikondamms und des Abdeckungselements zur Verkapselung teilweise abgeschnitten.

4 ist eine Darstellung, die ein LED-Gehäuse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein LED-Gehäuse 400 weist von oben betrachtet, wie in 4 gezeigt, ein Array von 36 LED-Vorrichtungen auf, die in Serie verbunden und in einem 6×6-Array angeordnet sind. Ein Hohlraumbereich von 4,2 × 4,2 mm ist für die LED-Vorrichtungen vorgesehen, und der Abstand zwischen zwei benachbarten LED-Vorrichtungen beträgt etwa 0,6 mm. In einer beispielhaften Anordnung wird das LED-Gehäuse von einer Wechselspannungsquelle mit einer Effektivspannung von etwa 110 V betrieben. Eine Spezifikation für das beispielhafte LED-Gehäuse lautet wie folgt:

Strom / LEDs (Mittelwert)	0,120 A
Stromdichte (Mittelwert)	200 A/cm²
Vorwärtsspannung (Mittelwert)	3,3–·3,8 V
Leistung an LEDs (Mittelwert)	14,7 W
EQE	55 %
Violettleistung	7,5 W
Weißleistungen	2,5 W
Lumen / Wviolett	141
Lichtleistung	1060 Lumen

Das LED-Gehäuse mit der Spezifikation ist für allgemeine Beleuchtung geeignet. Wie unten beschrieben, wird das LED-Gehäuse von einer 110-V-Wechselspannungsquelle versorgt. Das Fehlen von Treiberschaltkreisen reduziert neben anderen Faktoren die Herstellungskosten des LED-Gehäuses. Abhängig von der Betriebsbedingung und den Anforderungen sind andere ähnliche Anordnungen (z. B. LED-Arrays für eine 220-V-Wechselspannungsquelle oder 12-, 24-, 36-V-Gleichstromquelle usw.) möglich.
In anderen Ausführungsformen kann das LED-Gehäuse andere Arten von elektronischen Vorrichtungen aufweisen, etwa einen integrierten Schaltkreis, einen Sensor, ein mikrobearbeitetes elektronisches mechanisches System oder eine beliebige Kombination derselben, und dergleichen. Außerdem kann das Siliziumträgersubstrat eingebettete Schaltungen enthalten. In einer Ausführungsform weist das LED-Gehäuse Schaltungen auf, die logische Vorrichtungen, Sensoren, Speicher oder Verarbeitungsvorrichtungen einschließen, oder ist an diese gekoppelt.
5 ist eine Darstellung, die eine 3D-Ansicht eines LED-Gehäuses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das LED-Gehäuse aus 5 ist dazu konfiguriert, mehr als 1000 Lumen an Licht bereitzustellen. Wie oben beschrieben, werden keine elektrischen Durchkontaktierungen benötigt, um eine Verbindung mit der unteren Oberfläche bereitzustellen, wodurch die Herstellungskosten des LED-Gehäuses im Vergleich zu anderen Verfahren gesenkt werden. Das LED-Gehäuse wird in Gießereikompatiblen Prozessen hergestellt, ähnlich wie sie zur Herstellung von Siliziumchips benutzt werden. In verschiedenen Ausführungsformen, wie im Folgenden beschrieben werden soll, werden beim Verkapseln des LED-Gehäuses Halbleiterverkapselungsverfahren benutzt, die mit existierenden Techniken und Anlagen kompatibel sind. Beispielsweise kann das LED-Gehäuse als eine Oberflächenmontagevorrichtung (surface mount device, „SMD“) oder alternativ an einem Gehäuserahmen ausgebildet werden, der mithilfe von Schraube, Flachsteckersockel und anderen Mitteln gesichert werden kann.
6 ist eine Darstellung, die das Montieren eines LED-Gehäuses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie dargestellt, ist bei der Vorrichtung 601 ein LED-Gehäuse an einem Gehäuserahmen montiert, der mithilfe eines QFN-(Quad Flat No-Lead)-Kupfergehäuserahmen und/oder Arten von Gehäuserahmen hergestellt ist. Wie in 6 gezeigt, sind bestimmte Stellen des Gehäuserahmens halb geätzt, um für elektrische Isolation zu sorgen. Das LED-Gehäuse ist am Gehäuserahmen angebracht. Elektrische Bauelemente wie Gleichrichter und Widerstand sind wahlweise am Gehäuserahmen vorgesehen und elektrisch an das LED-Gehäuse gekoppelt, um das LED-Gehäuse mit Strom zu versorgen. Das LED-Gehäuse ist mithilfe von Drahtanschlüssen oder anderen Mitteln zum elektrischen Verbinden mit den elektrischen Bauteilen und/oder anderer Elektronik verbunden
Wie dargestellt, wird an der Vorrichtung 602 eine Formmasse benutzt, um verschiedene elektrische Bauelemente am Gehäuserahmen zu vergießen. Neben der Bereitstellung elektrischer Isolation bietet die Formmasse auch dem LED-Gehäuse sowie den elektrischen Bauelementen Schutz. Die Rückseite des Gehäuserahmens an der Vorrichtung 603 weist, wie dargestellt, eine SMD-Lötaugenschnittstelle zum Verbinden mit anderen elektrischen Vorrichtungen auf. Der Gehäuserahmen kann auch ein isoliertes Wärmelötauge zum Ableiten von Wärme aufweisen, die von den LED-Vorrichtungen erzeugt wird. Das isolierte Wärmelötauge stellt elektrische Isolation und Wärmeleitfähigkeit bereit, damit die Wärme vom LED-Gehäuse abgeleitet werden kann.
7 ist eine Darstellung, die alternatives Montieren eines LED-Gehäuses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie dargestellt, ist bei der Vorrichtung 701 ein LED-Gehäuse an einem Gehäuserahmen montiert, der mithilfe eines QFN-(Quad Flat No-Lead)-Kupfergehäuserahmen und/oder Arten von Gehäuserahmen hergestellt ist. Bestimmte Stellen des Gehäuserahmens sind halb geätzt, um für elektrische Isolation zu sorgen. Das LED-Gehäuse ist am Gehäuserahmen angebracht. Elektrische Bauelemente wie Gleichrichter und Widerstand sind am Gehäuserahmen vorgesehen und elektrisch an das LED-Gehäuse gekoppelt, um das LED-Gehäuse mit Strom zu versorgen. Das LED-Gehäuse ist mithilfe von Drahtanschlüssen mit den elektrischen Bauteilen und/oder anderer Elektronik verbunden Im Gegensatz zu der Vorrichtung 601 aus 6 weist die Vorrichtung 701 zwei Öffnungen auf, die zum Aufnehmen von Schrauben dienen.
Wie dargestellt, wird an der Vorrichtung 702, eine Formmasse benutzt, um verschiedene elektrische Bauelemente am Gehäuserahmen zu vergießen. Neben der Bereitstellung elektrischer Isolation bietet die Formmasse auch dem LED-Gehäuse sowie den elektrischen Bauelementen Schutz. Die Vorrichtung 702 weist zwei Öffnungen auf, die elektrisch von der Basis des LED-Gehäuses isoliert sind. Die Öffnungen können zum Aufnehmen von Schraubstücken und/oder anderen Arten von Montagemitteln benutzt werden. Der Gehäuserahmen kann auch einen isolierten Kühlkörper zum Ableiten von Wärme aufweisen, die von den LED-Vorrichtungen erzeugt wird. Die Schraubstücke stellen ein Mittel zum elektrischen Verbinden mit dem Gehäuse bereit. Die Schraubstücke stellen auch ein Mittel bereit, um die Kühlkörperregion des Gehäuserahmens mechanisch an eine Wärmeableitungsoberfläche, etwa an einen Gehäuserahmen, zu drücken.
Es ist zu beachten, dass die Vorrichtungen aus 6 und 7 einige Wege für elektrische, mechanische und/oder Wärmeschnittstellen zu den LED-Gehäusen sind. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind andere Montagemechanismen vorgesehen, etwa Rastmontage, Schrauben, Löten und andere.
Die Vorrichtung 701 muss nicht, wie in 7 gezeigt, eine quadratische oder rechteckige Form aufweisen. 7A ist eine Darstellung, die alternatives Montieren eines kreisförmigen LED-Gehäuses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 7A gezeigt, sind LED-Vorrichtungen in einem kreisförmigen Bereich angeordnet. Je nach Anwendung können LED-Vorrichtungen mit anderen Bereichsformen angeordnet sein.
8 ist eine Darstellung, die eine mit Wechselspannung betriebene LED-Leuchte zeigt, die dazu konfiguriert ist, mehr als 1.000 Lumen an Licht von einer 110-V-Wechselspannungsquelle bereitzustellen. Die Platine 803 ist an einem Sockel 804 montiert. Der Sockel 804 trägt dazu bei, Wärme abzuleiten, die von dem LED-Gehäuse 801 erzeugt wird. Die Platine weist eine Öffnung auf, die einen unmittelbaren Wärmekontakt zwischen dem LED-Gehäuse 801 und dem Sockel 84 ermöglicht. Ein LED-Gehäuse 801 ist elektrisch mit der Platine 803 verbunden. Elektronik 802A und 802B ist an der Platine vorgesehen und mit dem LED-Gehäuse 801 verbunden. Die Elektronik 802A und 802B kann Gleichrichter, Kondensatoren und Widerstände aufweisen, um eine Leistungsanpassungsschaltung zu bilden.
8A ist eine Darstellung, die eine auseinandergezogene Ansicht einer mit Wechselstrom betriebenen LED-Leuchtenbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie dargestellt, ist ein zusammengebautes LED-Gehäuse an einer Platine montiert (durch einen SMT-Prozess, Löten oder Schmelzklebstoff).
Es versteht sich, dass die LED-Leuchte gemäß der vorliegenden Erfindung für verschiedene Arten von Anwendungen implementiert werden kann. 8B ist eine Darstellung, die ein LED-Leuchtensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine LED-Leuchte (z. B. die LED-Leuchte 800) ist ein Teil des LED-Leuchtensystems 850. Das LED-Leuchtensystem 850 weist einen Sockel 852 auf, der auch als Kühlkörper dient. Das Sockelelement 851 ist mit dem Kühlkörper verbunden. Das Sockelelement 851 ist mit einem üblichen Glühbirnensockel kompatibel und dient dazu, eine elektrische Schnittstelle für das LED-Gehäuse im LED-Leuchtensystem 850 bereitzustellen.
9 ist eine Darstellung, die Anordnungen für LED-Gehäuse zeigt. Wie links dargestellt, sind zwei LED-Gehäuse, die jeweils 1000 Lumen an Licht erzeugen, aneinander montiert. Die zwei LED-Gehäuse können mit zwei 110-V-Stromquellen oder einer 220-V-Stromquelle betrieben werden. Wie rechts dargestellt, sind vier LED-Gehäuse, die jeweils 1000 Lumen an Licht erzeugen, in einem 4×4-Array angeordnet. Die vier LED-Gehäuse können mit vier 110-V-Stromquellen oder zwei 220-V-Stromquelle betrieben werden. Es versteht sich, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Flexibilität bieten, unterschiedliche Anordnungen von LED-Gehäusen zuzulassen, die unterschiedlichen Leistungsanforderungen entsprechen.
10 ist eine Darstellung, die die Wärmeableitung von LED-Gehäusen eines Aufbaus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein LED-Gehäuse 1000 weist ein Array aus LED-Vorrichtungen auf, die elektrisch aneinander gekoppelt sind. Wenn LED-Vorrichtungen mit Strom versorgt werden und Licht abstrahlen, erzeugen die LED-Vorrichtungen auch Wärme. Insbesondere sind die heißesten Teile des LED-Gehäuses die LED-Vorrichtungen, die Licht abstrahlen. Die LED-Vorrichtungen erwärmen auch das Substrat und den Sockel des LED-Gehäuses, was jeweils dazu beiträgt, dass die LED-Vorrichtungen Energie abgeben können.
Die LED-Gehäuseauslegung gemäß den Ausführungsformen der Erfindung eignet sich besser zum Ableiten von Wärmeenergie als übliche LED-Leuchten. Genauer ausgedrückt weist das dargestellte LED-Gehäuse 1000 Raum zur Wärmeableitung auf, da LED-Vorrichtungen, die jeweils einen kleinen aktiven Bereich aufweisen, voneinander separiert sind. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Sockel des LED-Gehäuses 1000 an einen Kühlkörper gekoppelt. Wie in 10 gezeigt, weist dieses LED-Gehäuse einen Wärmewiderstand von 1,3 C/W auf. Dies lässt sich mit einer üblichen LED-Anordnung mit großem Einzelchip vergleichen, die eine drei Mal höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.
11 ist eine Darstellung, die die Wärmeableitung eines beispielhaften LED-Gehäuses zeigt, das an einen Kühlkörper für eine nachgerüstete Lampe angebracht ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein LED-Gehäuse 1103 ähnlich dem LED-Gehäuse 1000 weist ein Array von LED-Vorrichtungen auf, die elektrisch aneinander gekoppelt sind. Wenn LED-Vorrichtungen mit Strom versorgt werden und Licht abstrahlen, erzeugen die LED-Vorrichtungen auch Wärme. Während des Betriebs beispielsweise erwärmen sich die LED-Vorrichtungen auf eine Temperatur von etwa 115 °C.
Der Sockel des LED-Gehäuses ist an die LED-Vorrichtungen wärmegekoppelt und weist eine Betriebstemperatur von etwa 95 °C auf. Wie in 11 gezeigt, ist das LED-Gehäuse 103 an einen Behälter 1102 wärmegekoppelt, der einen Kühlkörper zum Ableiten von Wärme aufweist. Der Kühlkörper des Behälters 1102 ist an das LED-Gehäuse 1103 wärmegekoppelt und leitet Wärme von seiner Oberfläche ab, die wesentlich größer als die Oberfläche der LED selbst ist. Wie in 11 gezeigt, weist der Behälter 1102 eine Temperatur von etwa 75 °C auf, wenn die LED-Vorrichtungen in Betrieb sind. Der Behälter 1102 weist eine im Wesentlichen transparente Abdeckung 1101 auf, die es zulässt, dass ein Teil der von den LED-Vorrichtungen erzeugten Wärme von ihrer Oberfläche abgeleitet wird. LED-Module gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sorgen für eine verbesserte Wärmeableitung. Während bei üblichen LED-Lichtquellen sowohl Zuverlässigkeit als auch Nutzbarkeit häufig durch hohe Temperaturen eingeschränkt werden, sind die LED-Arrays gemäß der vorliegenden Erfindung weniger empfindlich gegenüber Wärmeproblemen, da Wärmeenergie unter den LED-Vorrichtungen der LED-Arrays verteilt wird.
12 ist eine Darstellung eines Schaltdiagramms, das ein LED-Array gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 12 gezeigt, weist ein Schaltkreis 1200 einen LED-Abschnitt 1210 und einen Gleichrichterabschnitt 1220 auf. Der LED-Abschnitt 1210 weist 36 LED-Vorrichtungen auf, die in Serie verbunden sind.
In einer Ausführungsform sind LED-Vorrichtungen derselben Art, z. B. hochleistungsfähige blaue LED-Vorrichtungen, im LED-Abschnitt 1210 verbunden und werden von einer 110-V-Wechselspannungsversorgung mit Strom versorgt. Der Gleichrichterabschnitt 1220 ist, wie in 12 dargestellt, dazu vorgesehen, Wechselspannung für den LED-Abschnitt 1210 gleichzurichten. Der Gleichrichterabschnitt 1220 wird anstelle des Treibermoduls benutzt, das typischerweise für übliche LED-Leuchten benötigt wird. Neben anderen Merkmalen ist der Gleichrichterabschnitt 1220 mithilfe einfacher Gleichrichterschaltungen implementiert, darunter Dioden und Widerständen, die relativ kostengünstig in der Herstellung und Implementierung sind. Beispielsweise weist der dargestellte Widerstand 1221 Resistanzen von etwa 130 Ohm auf und dient dazu, die Leistungsanforderungen des LED-Abschnitts 1210 zu erfüllen. Andere elektrische Bauelemente können elektrisch an die Wechselspannungsquelle gekoppelt sein. In bestimmten Ausführungsformen sind Kondensatoren vorgesehen, um die vom Gleichrichterabschnitt 1220 erzeugte Wellenform zu glätten.
Es ist zu beachten, dass die LED-Vorrichtungen nicht von einem üblichen Treiber betrieben werden, der bei üblicher Auslegung einer LED-Leuchte normalerweise erforderlich ist. Anstatt Treiberschaltungen zu verwenden, ermöglicht die vorliegende Erfindung die Verwendung von Gleichrichterschaltungen zum Antreiben von LED-Vorrichtungen. Gleichrichterschaltungen, die typischerweise aus Dioden und Widerständen bestehen, sind typischerweise weniger teuer in der Implementierung als übliche Treiberschaltungen. Kondensatoren können ebenfalls eingeschlossen sein, um die Eingangsspannungswellenform anzupassen und den Leistungsfaktor zu verbessern oder „Flackern“ der Lichtabstrahlung während des Betriebs zu reduzieren. Als ein Beispiel wird die Anzahl an LED-Vorrichtungen in Anpassung an die Spannungsquelle ausgewählt (z. B. 36 LED-Vorrichtungen für eine 110-V-Wechselspannungsquelle). In Serie verbunden kann das Array aus LED-Vorrichtungen einen hohen Stromdichtepegel nutzen, wie unten aufgeführt:

Stromdichte Mittelwert 200 A/cm²

Stromdichte Effektivwert 272 A/cm²

Stromdichte Spitzenwert 500 A/cm²

Widerstandsleistung 1,7 W
12A ist eine Darstellung, die den Betrieb eines LED-Arrays gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 12A gezeigt, ist das in 12 gezeigte und oben beschriebene LED-Array dazu in der Lage, einem hohen Stromdichtepegel standzuhalten und auf diese Weise effizient zu arbeiten. Bei 110 V Wechselspannung mit hoher Stromdichte können die LED-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung einen hohen Lumenpegel ausgeben, ohne viel Wärme zu erzeugen. In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind LED-Arrays für 220 V Wechselspannung, 12 V Gleichspannung, 24 V Gleichspannung, 36 V Gleichspannung und andere Spannungsquellen ausgelegt. Abhängig von der Anwendung können für diese Arten von Spannungsquellen verschiedene Arten von Gleichrichterschaltungen benutzt werden.
13 ist eine Darstellung, die die Leistung unseres LED-Geräts zeigt. In dem Graphen links bleibt die relative externe Quantumeffizenz (EQE) von LED-Arrays bei hoher Stromdichte hoch. Außerdem können die LED-Arrays bei einer hohen Stromdichte arbeiten. Der relative EQE einer üblichen LED-Leuchte dagegen fällt typischerweise rasch ab, wenn die Stromdichte zunimmt.
14 ist ein Schaltdiagramm, das ein LED-Array mit Widerstandsabstimmung darstellt. Wie in 14 gezeigt, weist der Widerstand R3 eine Resistanz von etwa 130 Ohm auf, die sich abstimmen lässt, um einen wünschenswerten Vorwärtsstrom zu erlangen. Das Abstimmen des Widerstands R3 gestattet das Anpassen von LED V_f und Resistanz und stellt einen Kompromiss zwischen dem Lichtleistungspegel und der Gesamtleuchteffizienz bereit.
15 ist ein Schaltdiagramm, das ein LED-Array mit einem Wechselstromwiderstand gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Widerstand R3 trägt dazu bei, die LED gegenüber der Grundmaterialresistivität resistiv zu machen. Der Widerstand R3 weist eine Resistanz von etwa 130 Ohm auf. Die zwischen den LED-Vorrichtungen verteilte Resistanz beträgt für die LED-Vorrichtungen etwa 3,7 Ohm/LED (z. B. 130 Ohm verteilt auf 36 LED-Vorrichtungen). Beispielsweise beträgt die verteilte V_f pro LED etwa 0,44 V.
15A ist ein Schaltdiagramm, das ein LED-Array darstellt, dass zur Verwendung mit einer 220-V-Wechselspannungsquelle konfiguriert ist. Wie dargestellt, sind in Anpassung an die 220-V-Wechselspannungsquelle 72 LED-Vorrichtungen vorgesehen, und zwischen der Wechselspannungsquelle und den LED-Vorrichtungen ist eine einfache Gleichrichterschaltung vorgesehen.
15B ist ein Schaltdiagramm, das ein LED-Array zeigt, das zur Verwendung einer 24-V-Gleichspannungsquelle konfiguriert ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die LED-Vorrichtungen sind in Stränge von sechs in Serie verbundenen LED-Vorrichtungen gruppiert, und jeder Strang LED-Vorrichtungen ist parallel miteinander verbunden. Da eine Gleichspannungsquelle benutzt wird, sind die LED-Vorrichtungen ohne eine Gleichrichterschaltung unmittelbar mit der Spannungsquelle verbunden. 15A und 15B sind nur spezifische Darstellungen einer beliebigen Anzahl möglicher Konfigurationen von seriellen und parallelen Konfigurationen von LEDs. Zu anderen Konfigurationen gehören, ohne darauf beschränkt zu sein: 1 × 36, 2 × 18, 3 × 12, 4 × 9, 6 × 6 usw.
Es ist zu beachten, dass die LED-Gehäuses aus 3–5 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Licht in gewünschter Farbe auf unterschiedliche Weise abgeben können. Abhängig von der Anwendung kann ein Farbausgleich erreicht werden, indem die von den LED-Vorrichtungen erzeugte Farbe mit Phosphormaterial modifiziert wird. Abhängig von der Anwendung können unterschiedliche Formen der Farbmodifikation benutzt werden, was in der US-Patentanmeldung „Reflection Mode Package for Optical Devices Using Gallium and Nitrogen Bearing Materials“ (gleichzeitig eingereichte Attorney-Docket-Nr. 027364-009900US) beschrieben ist, die hiermit zu allen Zwecken in den vorliegenden Gegenstand mit einbezogen wird. In einer Ausführungsform kann das Phosphormaterial mit Verkapselungsmaterial (z. B. Silikonmaterial) vermischt werden, das LED-Vorrichtungen im LED-Gehäuse verkapselt, und anschließend können Phosphorfarbpixel über den LED-Vorrichtungen aufgebracht werden.
16 ist eine Darstellung, die die Farbabstimmung für LED-Vorrichtungen zeigt. Das linke LED-Gehäuse weist blaue Farbe an den Ecken, grüne Farbe an den Kanten und rote Farbe in der Mitte auf. Zusammen modifizieren diese Farbpixel die Farbe des von den LED-Vorrichtungen abgestrahlten Lichts. Die Farbpixel dienen dazu, das Licht von den LED-Vorrichtungen so zu modifizieren, dass es weiß erscheint, was für allgemeine Beleuchtung geeignet ist. In einer Ausführungsform werden „leere“ Pixel zur späteren Farbabstimmung benutzt, und die Farbe des Lichts von den LED-Vorrichtungen wird gemessen.
In verschiedenen Ausführungsformen wird die Farbausgleichsabstimmung durch Verwenden reiner Farbpixel, Vermischen von Phosphormaterial und/oder mithilfe eines Überzugs aus Phosphor auf den LED-Vorrichtungen erreicht. Die Farbausgleichsabstimmung lässt sich erreichen, indem ein Farbmuster auf dem Abdeckungselement des LED-Gehäuses bereitgestellt wird. 17 ist eine Darstellung, die die Farbabstimmung für LED-Vorrichtungen mithilfe eines Farbfilters zeigt.
Das Abdeckungselement 1700 dient dazu, die Farbabstimmung bereitzustellen. Beispielsweise ist das Abdeckungselement 1700 aus Glasmaterial hergestellt und dient als eine dichroitische 405-nm-Reflexionslinse. Das Abdeckungselement dient als ein Reflexionsfilter, der Licht mit einer Wellenlänge von etwa 405 nm herausfiltert. Es kann ein hermetisches Abdichtungsverfahren benutzt werden, um das Abdeckungselement 1700 an das LED-Gehäuse zu koppeln. Die Farbabstimmung mit dem Abdeckungselement kann auch durch Lichtabsorption und/oder Lichtreflexion erreicht werden.
18 ist eine Darstellung, die die Farbabstimmung für LED-Vorrichtungen mithilfe einer leuchtenden Platte zeigt. In einer Ausführungsform ist eine im Voraus angeordnete Phosphorplatte am Abdeckungselement angebracht. Nach dem Aushärten des Phosphormaterials, das die LED-Vorrichtungen verkapselt, kann die Farbe des LED-Gehäuses gemessen werden. Je nach der gemessenen Farbe kann die Farbe der Phosphorplatte bestimmt und dazu benutzt werden, die Farbe der LED-Vorrichtungen auszugleichen.
In einer alternativen Ausführungsform sind gepixelte Phosphorplatten an der Abdeckung angebracht. Die gepixelten Phosphorplatten weisen Farbmuster auf, wie in 18 gezeigt ist. Abhängig von der Anwendung können Farbmuster der Phosphorplatte im Voraus ausgewählt werden oder auf dem gemessenen Farbausgleich der LED-Vorrichtungen basieren. In einer alternativen Ausführungsform wird die Absorptionsplatte, die am Abdeckungselement angebracht ist, dazu benutzt, die Farbkorrektur durchzuführen. Die Absorptionsplatte umfasst beispielsweise Farbabsorptionsmaterial.
In der bevorzugten Ausführungsform würde die gepixelte Phosphorstruktur für die vorliegende Vorrichtung im Reflexionsmodus verwendet werden. Um die Interaktion mit abgestrahltem LED-Licht zu erhöhen, wird ein Reflektor benutzt, der die Oberseite des Gehäuses abdeckt und LED-Licht nach unten zur Phosphorschicht lenkt. Vorzugsweise weist die gepixelte Struktur einen oder mehrere oder alle Vorteile der vorangehenden Ausführungsformen auf und ergänzt diese außerdem durch eine reduzierte Phosphorinteraktion und Bereichsfarbsteuerung.
19 ist eine Darstellung, die die Farbabstimmung für LED-Vorrichtungen mithilfe eines absorbierenden und/oder reflektierenden Materials zeigt. In einer Ausführungsform ist eine im Voraus angeordnete Phosphorplatte am Abdeckungselement angebracht. Wie in 19 gezeigt, ist absorbierendes und/oder reflektierendes Material 1901 auf dem Abdeckungselement 1902 aufgebracht. Das absorbierende und/oder reflektierende Material 1901 kann Kunststoff, Tinte, Farbstoff, Klebstoff, Epoxid und andere sein. In anderen Ausführungsformen werden die Phosphorpartikel durch Abscheiden in einer reflektierenden Matrix auf dem Substrat eingebettet. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst die reflektierende Matrix Silber oder ein anderes Material, das dehnbar sein kann. In einer spezifischen Ausführungsform umfasst der Abscheidungsprozess stromlose Abscheidung, und das Substrat wird vor dem Abscheiden der Phosphorpartikel mit einer Aktivierungslösung behandelt.
Die Aktivierungslösung umfasst vorzugsweise wenigstens eins von SnCl₂, SnCl₄, Sn⁺², Sn⁺⁴, kolloidalem Sn (Zinn), Pd (Palladium), Pt (Platin) oder Ag (Silber). Das mit Phosphor bedeckte Substrat wird in einem stromlosen Plattierungsbad mit einer Plattierungslösung angeordnet, die wenigstens eins von Silberionen, Nitrationen, Cyanidionen, Tartrationen, Ammoniak, Alkalimetallionen, Karbonationen und Hydroxidionen aufweist. Ein Reduzierungsmittel wie etwa Dimethylaminboran (DMAB), Kaliumborhydrid, Formaldehyd, Hypophosphat, Hydrazin, Thiosulfat, Sulfit, einem Zucker oder einem mehrwertigen Alkohol kann zur Lösung hinzugegeben werden.
Die Farbe und die Menge des absorbierenden und/oder reflektierenden Materials 1901, das auf dem Abdeckungselement 1902 abgeschieden wird, beruhen auf einem gemessenen Farbausgleich der LED-Vorrichtungen. Alternativ und wie oben erläutert sind ein oder mehrere farbige gepixelte Reflektorplatten am Abdeckungselement angebracht, um den Farbausgleich der LED-Vorrichtungen anzupassen. Materialien wie Aluminium, Gold, Platin, Chrom und/oder andere werden auf den gepixelten Reflektorplatten abgeschieden, um für Farbausgleich zu sorgen. In einer bevorzugten Ausführungsform reflektiert die Reflektorplatte blaues Licht, um das Licht näher an Grün und/oder Rot zu bringen, oder reflektiert grünes Licht, um das Licht näher an Rot zu bringen.
20 ist eine Darstellung, die die Farbabstimmung mithilfe von LED-Vorrichtungen unterschiedlicher Farbe zeigt. Wie in 20 gezeigt, sind drei Stränge von LED-Vorrichtungen parallel verbunden. Jeder Strang LED-Vorrichtungen ist einer bestimmten Farbe zugeordnet: Rot, Grün und Blau. Durch Vermischen von rotem, grünem und blauem Licht kann weißes Licht erzeugt werden. Die Farbe jedes Strangs LED-Vorrichtungen kann das Resultat der Farbe der LED-Vorrichtungen selbst und/oder von Farbfilterung der LED-Vorrichtungen sein. Es ist zu beachten, dass in weiteren Primärfarb-(z. B. RGB-Farb-)LED-Vorrichtungen andere Farben für LED-Vorrichtungen benutzt werden können.
Wie in 20 gezeigt, weist jeder Strang LED-Vorrichtungen eine Anzahl von LED-Vorrichtungen derselben Farbe auf. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Farbausgleich erreicht werden, indem die Menge an Strom angepasst wird, der den LED-Strängen zugeleitet wird. Beispielsweise ist jeder Strang LED-Vorrichtungen mit einem Widerstand verbunden. Durch Anpassen der Widerstände kann die Strommenge an einen Strang LED-Vorrichtungen angepasst werden, wodurch die Helligkeit des Lichts einer bestimmten Farbe angepasst wird. In einer alternativen Ausführungsform kann der Farbausgleich erreicht werden, indem die Anzahl an LED-Vorrichtungen in einem zur Lichterzeugung benutzten LED-Strang angepasst wird. Um beispielsweise die Menge an blauem Licht zu reduzieren, können eine oder mehrere LED-Vorrichtungen im blauen Strang kurzgeschlossen oder überbrückt werden.
Obgleich das Vorstehende eine vollständige Beschreibung der bestimmten Ausführungsformen ist, können verschiedene Modifikationen, alternative Konstruktionen und Äquivalente benutzt werden. Als ein Beispiel kann die verkapselte Vorrichtung eine beliebige Kombination der oben beschriebenen Elemente aufweisen, ebenso wie solche außerhalb der vorliegenden Beschreibung. Außerdem wurde das Vorstehende allgemein in Bezug auf eine oder mehrere Einheiten beschrieben, bei denen es sich um ein oder mehrere Phosphormaterialien oder phosphorartige Materialien handeln kann, doch man wird verstehen, dass andere „Energie umwandelnde leuchtende Materialien“, zu denen ein oder mehrere Phosphore, Halbleiter, Halbleiternanopartikel („Quantenpunkte“), organische leuchtende Materialien und dergleichen gehören können, und Kombinationen derselben ebenfalls benutzt werden können.
Bei dem Energie umwandelnden leuchtenden Material kann es sich im Allgemeinen um ein Wellenlängen umwandelndes Material und/oder Materialien und Dicken derselben handeln. Ferner wurde das Vorstehende allgemein für elektromagnetische Strahlung beschrieben, die die direkt abstrahlt und mit den Wellenlängenumwandlungsmaterialien interagiert, doch man wird erkennen, dass die elektromagnetische Strahlung auch reflektiert werden und dann mit den Wellenlängenumwandlungsmaterialien interagieren kann, oder eine Kombination aus Reflexion und direkt einfallender Strahlung. In anderen Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Beschreibung eine oder mehrere spezifische gallium- und stickstoffhaltige Oberflächenausrichtungen, doch man wird erkennen, dass eine beliebige von mehreren Familien von Ebenenausrichtungen benutzt werden kann. Daher sind die vorstehenden Beschreibungen und Darstellungen nicht als den Umfang der vorliegenden Erfindung einschränkend zu verstehen, der durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist.
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

US 7053413 [0064]
US 7338828 [0064]
US 7220324 [0064]

Claims

Leuchtdiodengerät, umfassend eine Mehrzahl von LED-Vorrichtungen, wobei das Leuchtdiodengerät umfasst: ein Substratelement mit einer Oberflächenregion; eine metallische reflektierende Schicht, die über der Oberflächenregion liegt; eine oder mehrere Isolationsschichten, die dielektrisches Material umfassen und über der metallischen reflektierenden Schicht liegen, wobei die eine oder mehreren Isolationsschichten eine ausreichende Dicke aufweisen, um die Mehrzahl von LED-Vorrichtungen in Bezug auf die metallische reflektierende Schicht zu isolieren; eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen, welche auf der einen oder den mehreren Isolationsschichten angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von LED-Vorrichtungen auf einer der Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von LED-Vorrichtungen zumindest über die Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen elektrisch miteinander gekoppelt sind; und ein Verkapselungsmaterial, welches optisch mit einer oder mehreren der Mehrzahl von LED-Vorrichtungen gekoppelt ist, wobei das Verkapselungsmaterial ein Wellenlängenumwandlungsmaterial umfasst.
Leuchtdiodengerät nach Anspruch 1, wobei wenigstens einige der Mehrzahl von Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen gemäß einer vorgegebenen Struktur angeordnet sind.
Leuchtdiodengerät nach Anspruch 2, wobei die vorgegebene Struktur ein N-mal-M-Array umfasst, wobei N eine Ganzzahl von wenigstens 2 und M eine Ganzzahl von wenigstens 1 ist.
Leuchtdiodengerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die metallische reflektierende Schicht und die eine oder mehreren Isolationsschichten ein kombiniertes Reflexionsvermögen von mehr als 90 % aufweisen.
Leuchtdiodengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substratelement eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 40 W/(m-K) aufweist.
Leuchtdiodengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die eine oder mehreren Isolationsschichten ein SiN-Material umfassen.
Leuchtdiodengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Substratelement Silizium umfasst.
Leuchtdiodengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die metallische reflektierende Oberfläche ein reflektierendes Silbermaterial und/oder ein reflektierendes Aluminiummaterial und/oder ein reflektierendes Metall umfasst.
Leuchtdiodengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Wellenlängenumwandlungsmaterial Phosphormaterial und/oder einen Halbleiter und/oder ein Lumineszenz-Material umfasst.
Leuchtdiodengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend ein Abdeckungselement, welches über der Mehrzahl von LED-Vorrichtungen angeordnet ist.
Leuchtdiodengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend ein LED-Leuchtensystem.
Leuchtdiodengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die metallische reflektierende Schicht eine Beschichtung umfasst.
Leuchtdiodengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die eine oder mehreren Isolationsschichten ein DBR-(distributed Bragg Reflector)-Stapel umfassen.
Leuchtdiodengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Mehrzahl von LED-Vorrichtungen homoepitaxiale semipolare oder nicht-polare lichtemittierende Dioden umfassen, welche auf dem Substratelement ausgebildet sind, wobei das Substratelement Gallium und Nitrid enthaltendes Material umfasst.
Leuchtdiodengerät, umfassend eine Mehrzahl von LED-Vorrichtungen, wobei das Leuchtdiodengerät umfasst: ein Substratelement mit einer Oberflächenregion; eine metallische reflektierende Schicht, die über der Oberflächenregion liegt; eine oder mehrere Isolationsschichten, die dielektrisches Material umfassen und über der metallischen reflektierenden Schicht liegen, wobei die eine oder mehreren Isolationsschichten eine ausreichende Dicke aufweisen, um die Mehrzahl von LED-Vorrichtungen in Bezug auf die metallische reflektierende Schicht zu isolieren; und eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen, welche auf der einen oder den mehreren Isolationsschichten angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen wenigstens einen Teil einer leitfähigen Struktur bildet, welche ein aus Silber und Aluminium ausgewähltes Material umfasst, wobei jede der Mehrzahl von LED-Vorrichtungen auf einer der Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von LED-Vorrichtungen zumindest über die Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen elektrisch miteinander gekoppelt sind.
Leuchtdiodengerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die eine oder mehreren Isolationsschichten ein DBR-(distributed Bragg Reflector)-Stapel umfassen.
Leuchtdiodengerät, umfassend eine Mehrzahl von LED-Vorrichtungen, wobei das Leuchtdiodengerät umfasst: ein Substratelement mit einer Oberflächenregion; eine metallische reflektierende Schicht, die über der Oberflächenregion liegt; eine oder mehrere Isolationsschichten, die dielektrisches Material umfassen und über der metallischen reflektierenden Schicht liegen; und eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen, welche auf der einen oder den mehreren Isolationsschichten angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von LED-Vorrichtungen auf einer der Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von LED-Vorrichtungen zumindest über die Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen elektrisch miteinander gekoppelt sind; wobei die eine oder mehreren Isolationsschichten eine ausreichende Dicke aufweisen, um zwischen der metallischen reflektierenden Schicht und der Mehrzahl von LED-Vorrichtungen eine elektrische Isolation von wenigstens 1 Kilovolt bereitzustellen.
Leuchtdiodengerät nach Anspruch 17, wobei die eine oder mehreren Isolationsschichten eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 1 W/(m-K) aufweisen.
Leuchtdiodengerät, umfassend eine Mehrzahl von LED-Vorrichtungen, wobei das Leuchtdiodengerät umfasst: ein Substratelement mit einer Oberflächenregion; eine metallische reflektierende Schicht, die über der Oberflächenregion liegt; eine oder mehrere Isolationsschichten, die dielektrisches Material umfassen und über der metallischen reflektierenden Schicht liegen, wobei die eine oder mehreren Isolationsschichten eine ausreichende Dicke aufweisen, um die Mehrzahl von LED-Vorrichtungen in Bezug auf die metallische reflektierende Schicht zu isolieren; eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen, welche auf der einen oder den mehreren Isolationsschichten angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen wenigstens einen Teil einer leitfähigen Struktur bildet, welche auf der einen oder den mehreren Isolationsschichten angeordnet ist, wobei jede der Mehrzahl von LED-Vorrichtungen auf einer der Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Lötaugen angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von LED-Vorrichtungen zumindest über zugehörige elektrisch leitfähige Lötaugen elektrisch miteinander gekoppelt sind; ein Verkapselungsmaterial, welches optisch mit einer oder mehreren der Mehrzahl von LED-Vorrichtungen gekoppelt ist, wobei das Verkapselungsmaterial ein Wellenlängenumwandlungsmaterial umfasst; und ein Abdeckungselement welches die Mehrzahl von LED-Vorrichtungen umgibt und das Verkapselungsmaterial enthält.
Leuchtdiodengerät nach Anspruch 19, wobei das Abdeckungselement optisch reflektierend ist, mit einem spiegelnden oder streuenden Reflexionsvermögen von mehr als 50 %.