EP1735845A2 - Gehäuse für led-chip und lichtquelle - Google Patents

Gehäuse für led-chip und lichtquelle

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Publication number
EP1735845A2
EP1735845A2 EP05729367A EP05729367A EP1735845A2 EP 1735845 A2 EP1735845 A2 EP 1735845A2 EP 05729367 A EP05729367 A EP 05729367A EP 05729367 A EP05729367 A EP 05729367A EP 1735845 A2 EP1735845 A2 EP 1735845A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
led chip
housing
optical element
led
metallic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05729367A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Staufert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lucea AG
Original Assignee
Lucea AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lucea AG filed Critical Lucea AG
Publication of EP1735845A2 publication Critical patent/EP1735845A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L33/64—Heat extraction or cooling elements
    • H01L33/647—Heat extraction or cooling elements the elements conducting electric current to or from the semiconductor body
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    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
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    • H01L23/49568—Lead-frames or other flat leads specifically adapted to facilitate heat dissipation
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    • H01L2224/48472—Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a wedge bond the other connecting portion not on the bonding area also being a wedge bond, i.e. wedge-to-wedge
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    • H01L33/642—Heat extraction or cooling elements characterized by the shape

Definitions

  • the present invention relates to a housing for an LED chip, a light source with an array of LED chips, a housing for a light source and a method for producing a light source.
  • light sources which are constructed in a panel-like manner with an array of unhoused LEDs as light-generating elements, functional subsets of LEDs being formed per se.
  • the light sources can be separated into functional units, each comprising at least one subgroup.
  • a panel-like carrier structure for LED chips or the housing of an LED chip has the following functions:
  • the LED chip must be attached to a suitable element and electrically contactable
  • the chip and its electrical contacts must be permanently protected against harmful mechanical and chemical environmental influences, As a rule, the light emitted by the chip in a large solid angle range generally has to be concentrated in a smaller solid angle range
  • the light emitted by the LED chip in a certain wavelength - for example in the UV or in the blue range - is at least partially, usually converted to longer wavelengths.
  • the LED chip is fastened on a carrier which, in itself or in conjunction with an additional body, acts as a more or less optimal heat sink.
  • the necessary optical elements - and thus usually much more than half the surface of the housing - consist of, at least partially optically transparent, plastic, which means that this part of the housing that forms an essential part of the housing surface tends to dissipate heat inhibits as promotes.
  • the bundling of light it can be said with regard to the structures of known LED lamps that the bundling of light is carried out practically exclusively with dome-like, optically transparent plastic lenses.
  • narrow beam angles of less than ⁇ 20 ° can only be achieved with lens elements with dimensions in the order of 5 mm in diameter and approx. 8 mm in height .
  • lens elements of approximately 12 mm in diameter and 15 mm in height are required for angles ⁇ 20 °.
  • SMD LEDs with a volume of, for example, 1.5 x 1.2 x 1.5 mm, light bundling to ⁇ 40 ° is known at best.
  • LED lamps would be desirable which achieve appropriate light bundling with a smaller lamp volume.
  • the light sources known from the documents WO9941785 and WO03023857 have the disadvantages that, on the one hand, the heat dissipation is not optimal and, on the other hand, the LED chips have to be operated together in relatively large subgroups, which also results in only relatively large units which as a whole are made up of the Array can be cut out.
  • an optimized or maximized heat dissipation preferably with simultaneous reduction of the lamp volume required for a certain light bundling and / or with the smallest possible volume of the housing, should achieve good bundling of the light emitted by the LED chip or by the LED chips.
  • the smallest subunit that can be cut out individually and that functions on its own works exactly from a single packaged LED chip or from a packaged pack Group of several LED chips emitting in different spectral ranges.
  • Another task concerns the wiring of the LED chips: It should be possible that the LED chips must be provided with as few wire bonds as possible and that the LED chips of the functional subunits can nevertheless be connected to one another in almost any way, i.e. in series, in parallel , combined serial-parallel etc.
  • the housing according to the invention is suitable for individual LED chips or a plurality of LED chips arranged close to one another, for example emitting in different spectral ranges.
  • maximum heat dissipation can be achieved by mounting the LED chip with an essentially metallic connection in an essentially metallic housing (individual housing) or housing part (light source with array of LEDs) and this housing or housing part on the one hand has as large a surface as possible in contact with the surrounding medium for the heat transfer and on the other hand from the chip to this surface has the best possible heat conduction path.
  • the light source there is a total of a cuttable array of LED chips applied to a carrier element and, for each LED chip or unit, of LED chips arranged next to one another, for example emitting in different spectral ranges, a concave mirror-like or diaphragm-like optical element. From a mounting surface of the LED chip (s) to There is a continuous heat conduction path on the outside open surfaces of the optical element, in the sense that each of the elements constituting this heat conduction path is either completely metallic or is plastic-filled with metal and the elements mentioned form a continuous heat sink for the LED chip.
  • the invention also relates to a housing for an array of LED chips.
  • a housing for an array of LED chips is here a plate-like or strip-like, but possibly flexible carrier element with a large number of optically effective, mechanically protective elements, each of which is arranged close to one another, for example in different LED chips or a unit of a few Spectral ranges emitting LED chips are assigned and surround them at least partially protectively.
  • Essentially metallic is intended to mean that the corresponding material is either a metal or at least one plastic filled with metal particles.
  • the material as a whole preferably consists of at least 50% (weight percent) metal.
  • a surface as large as possible for the heat transfer to the surrounding medium can first be achieved by not only using a heat-conducting support that acts as a heat sink for the LED chip, but also an optically effective area is at least partially metallic.
  • An optimal heat conduction path is given if the ratio of the local heat conduction cross section to the local length of the heat conduction path is as large as possible everywhere in the housing. On the one hand, this can be achieved, in the immediate vicinity of the LED chip and carrier, by the carrier being completely metallic and as thin as possible. This ensures an extremely short heat conduction path to the back of the metallic carrier and thus the highest possible temperature on the corresponding surface of the carrier, which in turn results in high heat dissipation to the surrounding medium.
  • the structure of the housing can essentially have a thin metallic carrier, to which the LED chip is essentially attached with a metallic connection.
  • a metallic carrier to which the LED chip is essentially attached with a metallic connection.
  • an essentially metallic optical element which acts for the light of the LED chip, for example as a concave mirror or diaphragm, which is firstly thick-walled and secondly largely metallically connected to the metallic carrier over a large area.
  • these approaches are combined in a housing or a light source. Such a combination is fulfilled all requirements which lead to an improved housing structure in the sense of the invention.
  • An essentially metallic optical element which completely surrounds the LED chip and significantly exceeds its height at the same time protects the chip and its electrical connections against any mechanical influences acting on the housing, such as pressure or shear forces and / or impacts.
  • the aperture-like or concave mirror-like inner opening of said optical element can be filled at least partially or up to just below the upper edge with an optically transparent material, which at most acts as a lens-like element, which material does not have to harden completely, but instead may remain permanently elastic, for example, or that is not very stable against mechanical loads.
  • an optically transparent material such as transparent silicones or amorphous fluoropolymers, such as Teflon AF from Dupont, can be used without additional protective measures.
  • These materials not only have excellent optical properties, but they also fulfill the purpose of such a filling, which is to be fulfilled in addition to any optical effect, which consists in protecting the chip and its electrical connections against chemical environmental influences, i.e. to protect against harmful gases such as oxygen or aggressive exhaust gas products, against water vapor and against water.
  • this can be done, for example, by enlarging the outer surface of the thick-walled body acting as a diaphragm or concave mirror-like element, for example by means of ribs.
  • a second additional option is to fill the inner diaphragm or concave-like surface as little as possible - but as much as necessary for the chemical contactor mentioned - with optically transparent material. As a result, the surface that remains free acts as an additional heat transfer surface, and secondly, the heat conduction path is shortened by the optically transparent material.
  • a third additional possibility is to fill the poorly heat-conducting, optically transparent material with optically as little-acting, good heat-conducting particles.
  • Such particles can be, for example, diamond particles in the order of magnitude of 1 to 100 ⁇ m, but they can also be metallic particles whose diameter is smaller than the wavelength of the visible light.
  • an equally good light bundling can be achieved with a reduced volume of the optical elements by using not the known dome-like lens elements, but rather concave mirror-like optical elements which significantly exceed the dimensions and height of the LED chip.
  • concave mirror-like elements can be metallic and thus correspond to the first aspect. Any further improvement in this sense is possible if these concave mirrors contain lens-like elements made of optically transparent material.
  • Housing and light sources according to the second aspect of the invention are preferably characterized in that the concave mirror-like or diaphragm-like optical element and / or the optically active surface of an optically transparent filling are designed such that the LED chip has a light-emitting surface of up to about 0.3 x 0.3 mm, with a base area of the finished housing of at most 1.5 x 1.5 mm and a height of at most 1.5 mm, a light exit angle of at most ⁇ 30 ° arises, or that with a light-emitting area of the LED chip from to about 0.3 x 0.3 mm, with a base area of the finished housing of at most 2 2 mm and a height of the finished housing of at most 2 mm, a light exit angle of at most ⁇ 20 ° arises, or that with a light-emitting surface of the LED chip of up to approximately 0.3 x 0.3 mm and a base area of the finished housing (or a unit of the light source) of at most 4 x 4
  • a max is the maximum light exit angle
  • ie 2a max is the opening angle of the light cone.
  • It can either completely fill the concave-like or diaphragm-like optical element completely, or preferably have a thickness so small that it does not completely fill the concave-mirror-like or diaphragm-like optical element, as a result of which the heat conduction path through the transparent filling material is as short as possible and secondly the open one at most Area of the concave mirror or diaphragm-like optical element is maximized.
  • the optically transparent material which at most acts as a lens-like element, does not have to harden completely, but instead may remain permanently elastic, for example, and does not have to be very stable against mechanical loads.
  • materials such as transparent silicones or amorphous fluoropolymers, such as Teflon AF from Dupont, can be used without additional protective measures.
  • These materials not only have excellent optical properties, but they also excellently fulfill the purpose of such a filling, which is to be fulfilled in addition to any optical effect, which is to protect the chip and its electrical connections against chemical environmental influences, i.e. to protect against harmful gases such as oxygen or aggressive exhaust gas products, against water vapor and against water.
  • they can be operated at long-term temperatures of well over 200 ° C without yellowing, embrittlement or outgassing. They therefore enable high chip outputs, which generate high chip temperatures, and this with a long service life.
  • the approaches described above are at least partially combined in one light source.
  • a such a combination fulfills all requirements which lead to an improved housing structure in the sense of the invention.
  • the electrical layout of the array is preferably designed such that all chips can be operated jointly or jointly in suitable subgroups, or that the array can be cut into subgroups that are each functional on their own.
  • One of these subgroups can contain a single LED chip or a plurality of LED chips connected in series or in parallel with one another to a very large number, for example several tens or even hundreds, of LED chips.
  • the LED chip is to be electrically contacted by the carrier, it is advantageous to design the metallic carrier, for example, in such a way that it provides two zones which are electrically insulated from one another for electrical contacting of the LED chip Provides.
  • this can be achieved for individually packaged chips or chip subgroups by producing the metallic carrier, for example by punching or similar processes, in the sense of a lead frame (ie an electrically active carrier strip) such that they ultimately differ from one another separate electrical zones are connected by means of additional zones, and these zones which guarantee cohesion are removed during the assembly if the cohesion is ensured by other elements, such as, for example, backfilling of the above-mentioned diaphragm or concave mirror-like element.
  • a lead frame ie an electrically active carrier strip
  • a corresponding housing for a large power LED chip it is also possible to design the metallic, leadframe-like carrier in such a way that the resulting LED lamp can, for example, be suspended freely above an opening of a corresponding secondary carrier element and thus an optimal air supply and thus an optimal cooling behavior is achieved. Furthermore, it is also possible to design the metallic, leadframe-like carrier in such a way that the resulting LED lamp has contact legs in the sense of a conventional Tl or Tl 3 / LED housing.
  • the electrical contacting can be implemented according to yet another aspect of the invention by the carrier in the sense of a flexprint - that is to say a structured conductor arrangement on a flexible substrate, for example - with a metal and an insulator layer is constructed.
  • the metal layer is structured in such a way that the two necessary contact zones are present for each area with a chip or a unit of LED chips arranged close to one another, for example emitting in different spectral ranges.
  • the zone in which the chip is fastened and ensures the first electrical contact surrounds it, for example, over the largest possible area and in the largest possible angular range.
  • the insulation layer is open in as large an area of this metallic zone as possible, so that an open metallic rear side is created here.
  • the later attachment of the metallic mirror element also takes place directly on this metallic zone.
  • this metallic zone can be thickened on one or both sides by means of a galvanic process. All of the resulting metallic zones of the array can, but do not have to, be initially connected to one another by metallic arms. In this way, any division into sub-groups connected in series and / or parallel can be made at a later time by separating the corresponding connecting arms. This separation can take place, for example, by means of a laser or preferably by means of drilling.
  • the first and second contact zones are, however, preferably designed in such a way that when a smallest functional sub-unit is disconnected - which preferably only has an LED chip or a unit arranged close to one another, bpsw. has LED chips emitting in different spectral ranges - are electrically separated from one another from the rest of the light source, that is to say that they are in contact with one another only via connections arranged outside the carrier element range.
  • LED chip arrays with a very small package per chip with high light concentration and high heat dissipation.
  • arrays with a corresponding housing per chip for large power LED chips.
  • Figures la-3b relate to a housing for a single LED chip (which is, for example, part of an array that forms a light source), Figures 4-8 a cutable array of LED chips.
  • Fig. La shows the basic structure of a leadframe-like metallic carrier as a three-dimensional representation of a section of the same.
  • Fig. Lb shows the basic structure of a leadframe-like metallic carrier together with the basic structure of an aperture or concave mirror-like element as a three-dimensional exploded view.
  • Fig. Lc shows the basic structure of a fully packaged LED chip in a three-dimensional representation.
  • FIG. 1d shows the improved basic structure of a fully packaged LED chip in a three-dimensional representation.
  • Fig. Le shows a three-dimensional representation of the basic structure of a leadframe-like metallic carrier, on an auxiliary film, which allows a test of the electrical connections of the LED chip in front of the final housing.
  • FIG. 2a shows a three-dimensional representation of the basic structure of a leadframe-like metallic carrier, in which the LED chip is mounted above the plane of the carrier.
  • 2b shows a three-dimensional representation of the basic structure of a leadframe-like metallic carrier in which the LED chip is seated within a flat concave-like depression.
  • 3a shows a three-dimensional representation of the basic structure of a leadframe-like metallic carrier with enlarged electrical contact areas towards a secondary carrier.
  • 3b shows a three-dimensional representation of the basic structure of a leadframe-like metallic carrier with electrical contact surfaces laterally offset by web-like elements towards a secondary carrier.
  • Figure 4 shows the basic structure of a flexprint-like metallic carrier with LED chip and aperture or concave-like elements as a three-dimensional representation.
  • Figure 5 shows the basic structure of the same flexprint-like metallic carrier with LED chip and aperture or concave mirror-like elements as a section.
  • FIG. 6 shows the basic structure of a special case of the same flexprint-like metallic carrier with LED chip and diaphragm or concave mirror-like elements and specific electrical connections as a three-dimensional representation
  • FIG. 7 shows another basic structure of a flexprint-like metallic carrier with an LED chip and diaphragm or concave mirror-like elements as a three-dimensional representation.
  • FIG. 8 shows the basic structure of a leadframe-like, strip-shaped metallic carrier with an LED chip and diaphragm or concave mirror-like elements as a three-dimensional representation.
  • the principle of a metallic, leadframe-like carrier 11 is explained in FIG. 1a, which can be used as a very long band, “from a roll”.
  • the carrier is preferably made of copper or aluminum, for example by means of stamping or etching.
  • the dashed lines 12a to 12d are the dividing lines along which the carrier 11 is cut at a later time.
  • the two zones 12 and 13 are generally, at least partially, provided with at least one additional metallic layer or layer sequence 14, 15, which consists, for example, of Ag or Ni / Ag / Pa and whose surfaces form the actual electrical contact surfaces and which a full-surface coating, for example, act as mirror surfaces.
  • the LED chip 16 is mounted with a contact area on its underside directly on the contact area 15 of the large area part 12 of the carrier 11.
  • the preferred method for this is soldering or possibly gluing with an electrically and thermally highly conductive adhesive.
  • the second electrical contact on the top of the LED chip is connected to the contact surface 14 of the zone 13 by a so-called wire bond 17.
  • an LED chip can also be used that has both electrical contacts on its top.
  • the first contact of the LED chip 16 is connected to the contact area 15 of the zone 12 by a further wire bond.
  • an element 18 in the form of a diaphragm or concave mirror can be seen.
  • this is constructed in a cube shape and preferably consists of a suitable metal, such as aluminum or steel, or of a plastic filled with metallic particles.
  • This element can be manufactured, for example, using manufacturing processes such as die casting or MIM (metal injection molding) or injection molding.
  • the diaphragm or concave mirror-like element 18 has an inner shaped surface 18 a which penetrates the entire cube, diaphragm or concave mirror-like shaped surface. In addition, it has a recess 18b on its lower side.
  • the optically effective inner surface 18a must be additionally mirrored using a method such as electroplating or vapor deposition.
  • the dashed arrows show how the diaphragm or concave mirror-like element 18 later comes to rest on the metallic carrier 11. In the drawn and other preferred embodiments, most of the lower surface of the diaphragm or concave mirror-like element 18 comes into direct contact with the large area 12 of the metallic carrier 11.
  • the connection between the two elements 18 and 11 is preferably carried out by means of soldering or gluing an electrically and thermally highly conductive adhesive.
  • the diaphragm or hollow mirror-like inner surface 18a almost completely surrounds the LED chip 16.
  • the recess 18b ensures that, firstly, the wire bond 17 is not damaged and, secondly, that the zone 13 with the contact surface 14 is not in direct contact with the diaphragm or concave mirror-like element 18.
  • the aperture-like or hollow mirror-like shaped inner volume 18a of the element 18 is at least partially filled with a transparent material such as silicone or amorphous fluoropolymer (e.g. Teflon AF). This is done in such a way that the recess 18b and the recess separating the two zones 12 and 13 are also filled. Subsequent at least partial hardening of the filling ensures reliable cohesion of the entire housing.
  • a transparent material such as silicone or amorphous fluoropolymer (e.g. Teflon AF).
  • FIG. 1c shows a finished housing, which was produced in accordance with the procedure described with reference to FIG. 1b and was subsequently cut along lines 12 to 12b. It can clearly be seen that the diaphragm-like or concave mirror-like cube 18 is in direct - nota bene metallic - contact with the large-area zone 12 of the metallic support 11 over a large area, it is backfilled with the optically transparent material 19 from the small-area material 18 Zone 13 of the metallic support is electrically isolated. The undersides of zones 12 and 13 of the metallic carrier form the contact surfaces towards a secondary carrier.
  • a carrier element with contact surfaces that hold together from the start can also be provided.
  • a strip-shaped carrier for LED chip which can later be cut into sections (along lines 12a and 12b), is provided, which is constructed as follows:
  • a strip for example 50 to 200 ⁇ m thick, made of a thermally and chemically stable plastic, which is only a little wider (for example 2 times 0.1-0.5 mm) than zone 12, is provided with openings that have the same size and location as the later zones 12 and 13 correspond.
  • metal e.g. chemically or with plasma.
  • These openings are then, for example, galvanically filled with a suitable metal, preferably copper.
  • further thin metallic layers such as Ag or Ni / Ag / Pa are applied directly.
  • FIG. 1d shows a thermally improved variant compared to the above-described embodiments.
  • the outer surface of the principally cube-shaped body 18 is enlarged by means of ribs.
  • the inner panel-like or hollow mirror-like shaped surface 18a is backfilled as little as possible with an optically transparent material 19 such as silicone or Teflon AF, so that a maximum enlargement of the heat transfer surface is achieved.
  • Backfilling with the optically transparent material istl9 is indicated here in the sense of a globe top, ie in the sense of an approximately spherical inner lens.
  • FIG. Le shows one possibility of circumventing a manufacturing disadvantage of the procedure described with respect to FIG. 1b.
  • This disadvantage is that, because of the still electrically connected zones 12 and 13, it is impossible to check and, if necessary, repair the electrical connections of the LED chip 16 to the contact surfaces 14 and 15 of the zones 13 and 14, respectively, before the entire assembly of the housing is completed. This can lead to considerable additional costs, especially in mass production.
  • the metallic carrier 11 is therefore first drawn onto a sufficiently thick, inexpensive, electrically non-conductive auxiliary film 20.
  • the metallic carrier 11 is then separated along the cutting lines 12c and 12d, so that the zones 12 and 13 become electrically independent.
  • the electrical connections can now be checked immediately and, if necessary, repaired or not used for further assembly.
  • FIG. 2a shows a variant of the metallic carrier 21, later combined with a diaphragm or concave mirror-like element, in which the zone 22 is cut and shaped such that the contact surface 25 with the LED chip 26 lies above the actual surface 22.
  • This has an advantage if the LED chip 26 emits a significant proportion of its light downwards, that is to say in the direction of the zone 22.
  • the surface 22 must be mirrored for an optimal effect.
  • FIG. 2 b shows another variant of the metallic carrier 21, in which the zone 22 is shaped and cut in such a way that the contact area 25 with the LED chip 26 lies within a flat, hollow mirror-like zone 28.
  • This reshaped zone 28 has an annular flat surface 28a on top, on which an aperture-like or concave mirror-like element is later soldered or glued. It also has a mirrored concave mirror-like zone 28b and an inner plane mirrored zone 28c, which carries the contact surface 25 and LED chip 26. Of course, the deformed zone 28 must at most - as shown in FIG. 2b - be separated by a recess separating the zone 23.
  • Figure 3a shows a variant of the metallic carrier 31, later combined with a diaphragm or concave mirror-like element, in which the two electrically separated zones 32 and 33 are directed towards the outside, i.e. Beyond the area outlined by the lines 32a to 32d in which the diaphragm or concave mirror-like element will later lie are enlarged, so that the undersides of the additional surfaces 32-1 and 33-1 have an enlarged contact surface with a secondary carrier form.
  • the surfaces 32-1 and 33-1 can be shaped such that they have, at least in part, openings 32-2 and 33-2, with which the entire housing can later be screwed onto a secondary carrier and, if need be, directly contacted electrically.
  • FIG. 3b shows a variant of the metallic carrier 31, later to be combined with a diaphragm or concave mirror-like element, in which the two electrically separated zones 32 and 33 face outwards, ie over the area outlined by lines 32a to 32d into the later the diaphragm or concave mirror-like element comes to rest, is extended by means of web-like elements 32-3 and 33-3 and has additional contact surfaces 32-1 and 33-1 on the web ends.
  • the undersides of the additional areas 32-1 and 33-1 then form the contact area with a secondary support, which means that the line 32a to 32d outlined area can be mounted, for example, to optimize the heat dissipation floating above a corresponding opening of a secondary carrier.
  • the surfaces 32-1 and 33-1 can be shaped such that they have, at least in part, openings 32-2 and 33-2, with which the entire housing can later be screwed onto a secondary carrier and, if need be, directly contacted electrically.
  • optical element and carrier element are formed in one piece except for a second contact surface. This also applies to the subsequent embodiments.
  • Figure 5 a section through the structure of Figure 4 illustrates the structure in the vertical direction.
  • the carrier preferably has at least two partially structured layers, namely at least one metallic and one electrically insulating layer.
  • the carrier is particularly preferably based on a commercially available at least two-day flexprint material, such as is offered by the Dupont company, for example, from a metallic layer, here from 35 ⁇ m thick copper 112, 122 and an electrically insulating layer, here a 45 ⁇ m thick layer consists of Kapton 111, 121.
  • the lower Kapton layer 111, 121 is provided with openings 111b, which are filled, for example by means of galvanic growth, with copper 113, 123 serving as a metallic heat dissipation layer, which was grown directly on the copper layer 112, 122 of the flexprint.
  • This galvanically applied copper 113, 123 is preferably grown so thick that it is somewhat thicker than the Kapton layer 111, 121 and thus slightly protrudes on the underside.
  • the copper layer 112, 122 is structured such that there are essentially two zones 112a, 122a and 112b per LED chip 115a, 125a, which enable the two necessary electrical connections for the LED chip 115a, 125a.
  • the distance in which these zones are repeated on the flexprint-like carrier is, for example, 2.5 mm or 3.3 mm
  • All zones 112a and 112b of the entire flexprint-like carrier can, as shown in FIG. 4, first be connected to one another with arm-like extensions 112d, so that there is an electrical short circuit everywhere in this state.
  • the connecting arms 112d are long and laid out in such a way that they can be severed at any later point in time. This can be done, for example, by means of a laser or preferably by drilling. This disconnection of the connecting arms is done in a customer-specific manner in such a way that the desired groups of LED chips connected in series and / or in parallel are produced.
  • the flexprint-like carrier plates provided with connecting arms 112d can be produced in large numbers and taken into stock.
  • the later cutting can then be carried out very cost-effectively in a customer-specific manner in very small quantities up to large quantities, for example by stacking the flexprint-like carrier plates in 50 to 100 pieces and drilling them together at the points required for the desired configuration.
  • connecting arms 112d only in such a way that a specific desired serial / parallel configuration is created.
  • this second contact zone 112b, 122b is provided with an arm-like extension, which protrudes into the area of the first electrical connection 112a, 122a up to close to the location of the LED chip 115a, 125a and forms the second contact surface 112c, 122c at its end.
  • An approximately 30 to 50 ⁇ m thick copper layer 114, 124 is grown on the zone 112a, for example by means of a second galvanic step, so that the surface of this copper layer 114, 124 is higher than the contact surface 112c, 122c of the zone 112b projecting into it and forms the first contact area for the LED chip 115a.
  • an additional metallic contact layer or layer sequence (not shown), which consists, for example, of Ag or Ni / Au / Pa and the like Surface forms the actual electrical contact and, for example, acts as a mirror surface in the case of a full-surface coating.
  • the LED chip 115a, 125a is mounted with a first contact area on its underside directly on the contact area formed here by the additional layer 114, 124.
  • the preferred method for this is soldering or possibly gluing with an electrically and thermally highly conductive adhesive.
  • the second electrical contact on the top of the LED chip is connected to the contact surface 112c, 122c of the second contact zone 112b by a so-called wire bond 115b, 125b.
  • an LED chip can also be used that has both electrical contacts on its top.
  • the first contact of the LED chip 115a, 125a is connected to the first contact surface 114 by a further wire bond.
  • the diaphragm or concave mirror-like body 116, 126 (also called diaphragm or concave mirror-like element) is designed in such a way that there is one for each LED chip. It is preferably constructed to be completely rotationally symmetrical, so that it can be produced inexpensively in small quantities, for example by turning from a bar. Of course, another process such as injection molding or metal injection molding (MIM) can also be used for large quantities.
  • MIM metal injection molding
  • the diaphragm or concave mirror-like body 116, 126 is metallic and, among the metals, is preferably made of aluminum. But it can also consist of a plastic filled with metal particles and thus good heat-conducting.
  • the diaphragm or concave mirror-like body 116, 126 can completely touch the first contact surface 115a without there being a short circuit with the second contact surface 112c, 122c , even if it is designed to be rotationally symmetrical.
  • the body 116, 126 therefore does not have to be aligned with the orientation of the contact zones.
  • the diaphragm or concave mirror-like element 116, 126 has an inner, body-penetrating, diaphragm or concave mirror-like shaped surface 158a. In addition, it has a cutout 158b on its lower side.
  • the optically effective inner surface 158a must be additionally mirrored using a method such as electroplating or vapor deposition.
  • the diaphragm or hollow mirror-like body 116, 126 is mounted directly on the first contact surface formed here by the additional copper layer 114, 124. This is preferably done by soldering, but it can also be done with an electrically and thermally highly conductive adhesive.
  • soldering it must of course be ensured that the earlier possible soldering of the LED chip takes place at a higher temperature than the subsequent soldering of the diaphragm or concave mirror-like body 116, 126. This is not a problem when soldering the LED Chips, for example, an Au-Sn solder is used that only melts at approx. 300 ° C. LED chips that are provided with such a solder on the underside are available, for example, from the chip manufacturer Cree.
  • the diaphragm or concave mirror-like body 116, 126 is preferably designed on its underside in such a way that it has a lip protruding downwards on the inside, which comes to rest directly on the first contact surface 114, 124 during the assembly process. This has the advantage that light rays emerging horizontally or almost horizontally from the LED chip also reliably fall on the mirror.
  • the outward gap between the diaphragm-like or concave mirror-like body 116, 126 and the first contact surface 114, 124 can accommodate the connecting means 128 and, if necessary, displace any excess connecting means to the outside.
  • a suitable transparent filling 127 which has to protect the LED chip 115a, 125a and the wire bond 115b, 125b against environmental influences.
  • a complete filling has the advantage that it is easier and cheaper to manufacture.
  • a filling with the smallest possible thickness has the advantages that, firstly, the optical path of the light through the transparent filling is as short as possible and thus the optical losses are minimized.
  • a small thickness of the filling also ensures better heat dissipation in the sense that the heat conduction path is short and that a portion of the inner surface of the diaphragm or concave mirror-like body 116, 126 is open.
  • this transparent filling 127 can also contain dyes for converting the light emitted by the LED chip 115a, 125a to a different wavelength.
  • dyes can be contained in the transparent filling either in homogeneous or inhomogeneous distribution. In the case of inhomogeneous distribution, preference is given to one in which the dye is present in higher concentration in the immediate vicinity of the LED chip 115a, 125a.
  • the diaphragm or concave mirror-like body 116, 126 surrounds the LED chip 115a, 125a, the wire bond 115b, 125b and the filling 127 in a protective manner
  • permanently elastic materials such as silicone or amorphous Teflon can also be used as the filling material. These materials have absolutely outstanding properties among the transparent plastics, whereby amorphous Teflon is still superior to the silicones. They protect against water and water vapor and oxygen, are resistant to a great deal of aggressive gases, do not outgas, do not yellow and all of this also at continuous temperatures of over 200 ° C.
  • the optically transparent filler can be filled, for example, with small particles (diameter 1 ⁇ m to 100 ⁇ m) of an inorganic optically transparent material that has good thermal conductivity and preferably a refractive index> 1.8, as is the case with diamond, for example or titanium oxide is the case.
  • the optically transparent filler material can also be filled with nanostructured particles - smaller in diameter than visible wavelength - of an inorganic optically transparent material that has good thermal conductivity and preferably a refractive index> 1.8, as is the case with diamond, for example or titanium oxide is the case.
  • nanostructuring dispenses with the fact that larger particles are scattered, which is disadvantageous for many applications.
  • FIGS. 4 and 5 shows in total a structure in which, for example, 116 LED chips 115a, 125a per cm 2 are arranged in an array arrangement, each LED chip 115a, 125a having a protective diaphragm-like or concave mirror-like body 116 , 126 with temperature-resistant, protective, transparent filling. Thanks to the connection arms, which can be subsequently retrofitted, and thanks to the fact that they can be cut into any functional subgroups thanks to the flexprint-like carrier, it realizes a customer-specific flexibility of use of a high degree.
  • the structure of FIGS. 4 and 5 has the property that the first electrical contact area 114 extends to the lower side of the structure by means of the copper layer 112a of the flexprint and the heat dissipation copper layer 113, while the second electrical contact zone 112b only on that upper side exists.
  • This is always advantageous when maximum heat dissipation is to be achieved in any desired, preferably metallic body providing an assembly surface.
  • the undersides of all heat dissipation layers 113 can be made, for example, by means of soldering or with an electrically and thus very good heat-conducting adhesive.
  • the metallic body then also serves as one of the two necessary power supply lines.
  • FIG. 6 A special case of the structure of FIGS. 4 and 5 is outlined in FIG. 6, in which electrical connections are provided in such a way that each individual LED chip of an entire array can be controlled individually.
  • all the connecting arms 132d between the zones 32a and 132b are separated in such a way that only all of them in succession in the transverse array direction lying zones 132b, ie lying in a column, remain electrically connected to one another.
  • the underside of the array is connected to electrical conductors 137 running in the longitudinal direction in such a way that all zones 133-132a-134 lying one behind the other, ie lying in one row, are electrically connected to one another.
  • the individual LED chips can obviously be addressed in the sense of a screen pixel by switching a stream of - depending on the desired brightness - variable size, for example column by column and row by row, in such a way that only one LED chip lights up for a short time, for example for 10 ⁇ sec, so that, for example, a variable or stationary image with an image frequency of, for example, 50 to 100 Hz can be displayed.
  • FIG. 7 Another structure of a flexprint-like carrier is explained in FIG. 7, which permits maximum heat transfer from an LED chip to its rear side and to metallic elements in the form of diaphragms or concave mirrors.
  • FIGS. 4, 5, 6 there is a structure in which both of the electrical contact surfaces necessary for contacting the entire array or of cutouts in the array extend to the underside of the array and so contact is possible in the sense of an SMD ,
  • the structure is based on a carrier with preferably three layers, two metallic layers and an electrically insulating layer in between.
  • the carrier is preferably based on a commercially available three-layer flexprint material, such as that offered by the Dupont company and that for example, consists of a first layer of 35 ⁇ m thick copper 141, a 25 ⁇ m thick layer of Kapton 142 and a second layer of 35 ⁇ m thick copper 143.
  • the first copper layer 141 is structured such that there are essentially two zones 141a and 141b per LED chip 145a, which enable the two necessary electrical connections for the LED chip 145a.
  • the distance in which these zones are repeated on the flexprint-like carrier is, for example, 2.5 mm or 3.3 mm.
  • All first and second zones 141a and 141b of the entire flexprint-like carrier can be connected to one another in the same way as in FIG. 4 with arm-like extensions 141d, or certain desired serial / parallel configurations can also be provided from the outset, or there can be no connecting arms at all exist.
  • Zone 141b also has a small bulge, which approaches zone 141a as far as possible and later serves as contact zone 141c for wire bond 145b.
  • Zone 141a is structured so that it is initially largely open inside, i.e. has a through hole 141e. This opening 141e of zone 141a corresponds to an opening 142b of the insulating Kapton layer 142 lying thereon.
  • the second copper layer 143 is closed in the region of the opening 142b or 141e.
  • the two openings 142b and 141 of the Kapton and the copper layer are filled with copper 144 serving as a heat dissipation layer such that an electrical and thermal connection is established between the second copper layer 143 and the first copper layer 141 and that the undersides of the galvanic copper 144 and the first copper layer 141 essentially form a plane again.
  • the second copper layer 143 is structured so that it forms individual islands, the shape and size of which essentially corresponds to that of the diaphragm or concave mirror-like elements 146 to be set later.
  • each of these "islands" has an opening 143b near its center.
  • the contact zones 141b, 141c and 143 are generally, at least partially, provided with at least one additional metallic layer or layer sequence (not shown), which consists, for example, of Ag or Ni / Au / Pa and whose surfaces form the actual electrical contact surfaces and which, for example, act as mirror surfaces for a full-surface coating.
  • FIG. 7 also shows a total structure in which, for example, 16 LED chips 145a per cm 2 are arranged in an array arrangement, each LED chip 145a having a protective diaphragm-like or hollow mirror-like body 146 with a temperature-resistant, protective has transparent filling. Thanks to the connecting arms 141d, which can be subsequently retrofitted, and thanks to the fact that they can be cut into any functional subgroups thanks to the flexprint-like carrier, it realizes a customer-specific flexibility of use of a high degree.
  • the structure of FIG. 7 has the property that the two electrical contact surfaces 141a or 144 and 141b extend to the lower side of the structure. This is always an advantage if the array is to be cut into individual packaged LED chips in the sense of an SMD LED lamp or into small groups of packaged LED chips, which are then later - if necessary together with Electronic components - to be applied to a printed circuit board using SMD technology.
  • LED array according to FIG. 4 - in which no connection arms 141d are formed at all - can be combined, for example, with a printed circuit board which ensures the desired connection, for example by means of SMD technology.
  • FIG. 8 shows the principle of the special case of a strip-shaped LED array, in the production of which the even more cost-effective lead frame technology can be used.
  • the carrier is preferably made of copper or aluminum, for example by means of stamping or etching.
  • the dashed lines 152a to 152d are the dividing lines along which the carrier 151 can be cut at a later time.
  • the two zones 152 and 153 are generally, at least partially, provided with at least one additional metallic layer or layer sequence, not shown, which consists, for example, of Ag or Ni / Ag / Pa and whose surfaces form the actual electrical contact surfaces and which a full-surface coating, for example, act as mirror surfaces.
  • the LED chip 56 is mounted with a contact area on its underside directly on the contact area 155 of the large-area part 152 of the carrier 151.
  • the preferred method for this is soldering or possibly gluing with an electrically and thermally highly conductive adhesive.
  • the second electrical contact on the top of the LED chip is connected to the contact area 154 of the zone 153 by a so-called wire bond 157.
  • an LED chip can also be used that has both electrical contacts on its top.
  • the first contact of the LED chip 156 is connected to the contact area 155 of the zone 152 by a further wire bond.
  • a diaphragm or concave mirror-like element 158 of the type already described can be seen.
  • this is constructed in a cube shape and preferably consists of a suitable metal, such as aluminum or steel, or of a plastic filled with metallic particles. As already shown above, it can of course also have an essentially rotationally symmetrical shape.
  • the dashed arrows show how the diaphragm or concave mirror-like element 158 later comes to rest on the metallic support 151.
  • most of the lower surface of the diaphragm or concave mirror-like element 158 comes into direct contact with the large area 152 of the metallic carrier 151.
  • the connection between the two elements 158 and 151 is preferably carried out by means of soldering or gluing an electrically and thermally highly conductive adhesive.
  • the diaphragm or hollow mirror-like inner surface 158a almost completely surrounds the LED chip 156.
  • the cutout 158b ensures that, firstly, the wire bond 157 is not damaged and, secondly, the zone 153 with the contact surface 154 is not in direct contact with the diaphragm or concave mirror-like element 158.
  • the diaphragm-like or hollow mirror-like shaped inner volume 158a of the element 158 is at least partially filled with a transparent material such as silicone or amorphous fluoropolymer (e.g. Teflon AF). This is done in such a way that the cutout 158b and the cutout separating the two zones 152 and 153 are also filled. Subsequent at least partial hardening of the filling ensures reliable cohesion of the entire housing.
  • a transparent material such as silicone or amorphous fluoropolymer (e.g. Teflon AF).
  • the undersides of the zones 152 and 153 of the metallic carrier 151 form the contact surfaces towards a secondary carrier.
  • the invention can be modified in many ways. For example, it is not excluded that the optical element and carrier element are formed in one piece except for a second contact surface.

Abstract

Die Lichtquelle ist gesamthaft ein zerschneidbares Array von auf einem Trägerelement aufgebrachten LED-Chip. Pro LED-Chip bzw. Einheit von nebeneinander angeordneten, bspw. unterschiedlichen Spektralbereichen emittierenden LED-Chips ist ein hohlspiegelartiges oder blendenartiges optisches Element vorhanden. Von einer Befestigungsfläche des bzw. der LED-Chips zu gegen aussen offenen Flächen des optischen Elementes besteht ein durchgängiger Wärmeleitpfad, in dem Sinne, dass jedes der diesen Wärmeleitpfad konstituierenden Elemente entweder voll metallisch ist oder mit Metall gefüllter Kunststoff ist und die genannten Elemente in Summe einen durchgängigen Kühlkörper für den LED-Chip bilden.

Description

GEHÄUSE FÜR LED-CHIP UND LICHTQUELLE
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen LED-Chip, eine Lichtquelle mit einem Array von LED-Chips, eine Gehäusung für eine Lichtquelle und ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtquelle.
Aus den Schriften WO 99/41785 und WO 03/023857 sind Lichtquellen bekannt, die paneelartig mit einem Array von ungehäusten LEDs als lichterzeugenden Elementen aufgebaut sind, wobei für sich funktionsfähige Untergruppen von LEDs gebildet werden. Die Lichtquellen sind in funktionsfähige, je mindestens eine Untergruppe umfassende Einheiten zertrennbar.
Eine paneelartige Trägerstruktur für LED-Chips oder die Gehäusung eines LED- Chips hat folgende Funktionen zu erfüllen:
der LED-Chip muss auf einem geeigneten Element befestigt und elektrisch kontaktiert werden können,
der Chip und seine elektrischen Kontaktierungen müssen dauerhaft gegen schädliche mechanisch und chemische Umwelteinflüsse geschützt werden, das vom Chip in aller Regel in einem grossem Raumwinkelbereich abgegebene Licht muss in der Regel auf einen kleineren Raumwinkelbereich konzentriert werden
und zusätzlich ist es von rasch zunehmender Wichtigkeit, dass ein optimaler Wärmetransport vom Chip zu der Gehäuse-Oberfläche gewährleistet ist. Dieser letzte Punkt wird dann sehr wichtig, wenn entweder eine grosse Anzahl einzeln gehäuster LED-Chip auf einer möglichst kleinen Fläche vereinigt werden soll oder wenn so genannte Power-Chips verwendet werden, d.h. Chips die ein elektrische Leistung von 1W, 5W oder noch mehr, aufnehmen und neben einer entsprechend hohen Lichtabgabe auch sehr viel Verlustwärme erzeugen.
Weiter ist es in vielen Fällen wichtig, dass das vom LED-Chip in einer bestimmten Wellenlänge - also beispielsweise im UV oder im blauen Bereich - abgestrahlte Licht zumindest teilweise, in der Regel zu grösseren Wellenlängen hin konvertiert wird.
Am Markt und in der Patentliteratur existiert eine sehr grosse Menge an Aufbauten, welche die ersten vier Punkte dieser Aufgabenstellung mehr oder weniger gut lösen. Auf den letzten Punkt wird weiter unten eingegangen.
Als wenige Beispiele von vielen seien die in den letzten 3 Jahren publizierten Offenlegungsschriften US2003058650, WO03069685, US2002175621 und US2001030866 genannt. Weiter sei auf die über Internet (www.lumileds.com) abrufbare Beschreibung des Aufbaus der unter dem Markennamen Luxeon vertriebenen, so genannten Power- LEDs der Firma Lumileds verwiesen.
Den genannten und vielen anderen bekannten Aufbauten ist gemeinsam, dass der LED-Chip auf einem Träger befestigt ist, der in sich oder in Verbindung mit einem zusätzlichen Körper als mehr oder weniger optimale Wärmesenke wirkt.
Es ist den genannten Aufbauten zusätzlich gemeinsam, dass die notwendigen optischen Elemente - und damit meist wesentlich mehr als die halbe Oberfläche der Gehäusung - aus, mindestens teilweise optisch transparentem, Kunststoff bestehen, womit dieser einen wesentlichen Teil der Gehäuseoberfläche bildende Teil des Gehäuses die Wärmeabfuhr eher hemmt als fördert.
In der genannten Offenlegungsschrift WO03069685 ist ein Ansatz geschildert der diesen Nachteil teilweise behebt, indem der verwendete optisch transparente Kunststoff mit optisch transparenten und relativ gut wärmeleitenden Partikeln aus beispielsweise Diamant gefüllt ist.
Im Sinne der Lichtbündelung ist bezüglich der Aufbauten von bekannten LED- Lampen zu sagen, dass die Lichtbündelung praktisch ausschliesslich mit domartigen optisch transparenten Kunststofflinsen durchgeführt wird. Ausgehend von kleinen LED-Chips (Grosse ca. 0.3x0.3 mm) werden enge Bündelungswinkel von weniger als ±20° auf diese Weise nur mit Linsenelementen mit Dimensionen in der Grössenordnung eine Durchmessers von 5 mm und einer Höhe von ca. 8 mm erreicht. Für LED-Chips der Grosse lxl mm sind für Winkel < ±20° derartige Linsenelemente von ca. 12 mm Durchmesser und 15 mm Höhe notwendig. Für sehr kleine LED-Lampen mit kleinen LED-Chips, beispielsweise so genannte SMD LED, mit einem Volumen von beispielsweise 1.5 x 1.2 x 1.5 mm, ist bestenfalls eine Lichtbündelung auf ±40° bekannt.
Im Sinne kleineren Platzbedarfs einerseits und eines verbesserten Verhältnisses Oberfläche / Volumen und damit einer verbesserten Wärmeabfuhr wären aber LED- Lampen wünschenswert, die entsprechende Lichtbündelung bei kleinerem Lampenvolumen erreichen.
Die aus den Schriften WO9941785 und WO03023857 bekannten Lichtquellen weisen den Nachteile auf, dass einerseits die Wärmeableitung nicht optimal ist und dass anderseits die LED-Chip in relativ grossen Untergruppen zusammen betrieben werden müssen, womit auch nur relativ grosse Einheiten entstehen, die als Ganzes aus dem Array herausgeschnitten werden können.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Gehäuse für einen LED-Chip sowie eine Lichtquelle als - theoretisch beliebig grosses - Array von LED-Chips zur Verfügung zu stellen, welcher vorstehend genannte Nachteile von bestehenden Gehäusen überwinden. Insbesondere sollte eine optimierte oder maximierte Wärmeabfuhr, vorzugsweise bei gleichzeitiger Verringerung des für eine bestimmte Lichtbündelung notwendigen Lampenvolumens und/oder bei möglichst kleinem Volumen der Gehäusung eine gute Bündelung des vom LED-Chip bz. Von den LED-Chips abgestrahlten Lichtes erreicht werden.
Im Falle der Lichtquelle soll vorzugsweise auch sichergestellt werden, dass die kleinste einzeln herausschneidbare und für sich alleine funktionsfähige Untereinheit exakt aus einem einzigen gehäusten LED-Chip oder aus einer gemeinsam gehäusten Gruppe mehrerer in unterschiedlichen Spektralbereichen emittierenden LED-Chips besteht. Eine weitere Aufgabe betrifft die Verdrahtung der LED-Chips: Es soll ermöglicht werden, dass die LED-Chips mit möglichst wenigen Drahtbonds versehen werden müssen und dass trotzdem die LED-Chips der funktionsfähigen Untereinheiten fast beliebig zueinander geschaltet werden können, d.h. in Serie, parallel, kombiniert seriell-parallel etc.
Diese Aufgaben werden wird gelöst durch die Erfindung wie sie in den Patentansprüchen definiert ist.
Das erfindungsgemässe Gehäuse eignet sich für einzelne LED-Chips oder mehrere nahe beieinander angeordnete, bspw. in verschiedenen Spektralbereichen emittierende LED-Chips.
Gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung kann eine maximale Wärmeabfuhr erreicht werden indem der LED-Chip mit einer im Wesentlichen metallischen Verbindung in ein im Wesentlichen metallisches Gehäuse (Einzelgehäusung) oder Gehäuseteil (Lichtquelle mit array von LEDs) montiert ist und dieses Gehäuse bzw. Gehäusteil einerseits eine möglichst grosse mit dem Umgebungsmedium in Kontakt stehende Oberfläche für den Wärmeübergang und anderseits vom Chip zu dieser Oberfläche hin einen möglichst optimalen Warmeleitpfad aufweist.
Im Falle der Lichtquelle sind ein gesamthaft ein zerschneidbares Array von auf einem Trägerelement aufgebrachten LED-Chips sowie pro LED-Chip bzw. Einheit von nebeneinander angeordneten, bspw. in unterschiedlichen Spektralbereichen emittierenden LED-Chips ein hohlspiegelartiges oder blendenartiges optisches Element vorhanden. Von einer Befestigungsfläche des bzw. der LED-Chips zu gegen aussen offenen Flächen des optischen Elementes besteht ein durchgängiger Warmeleitpfad, in dem Sinne, dass jedes der diesen Warmeleitpfad konstituierenden Elemente entweder voll metallisch ist oder mit Metall gefüllter Kunststoff ist und die genannten Elemente in Summe einen durchgängigen Kühlkörper für den LED-Chip bilden.
Die Erfindung betrifft auch eine Gehäusung für ein Array von LED-Chips. Eine Gehäusung für ein Array von LED-Chips ist hier ein plattenartiges oder streifenartiges, aber eventuell flexibles Trägerelement mit einer Vielzahl von optisch wirksamen, mechanisch schützenden Elementen, welche je einem LED-Chip oder einer Einheit von wenigen nahe beieinander angeordneten, bspw. in verschiedenen Spektralbereichen emittierenden LED-Chips zugeordnet sind und diese mindestens teilweise schützend umgeben.
„Im Wesentlichen metallisch" soll bedeuten, dass das entsprechende Material entweder ein Metall oder zumindest ein mit Metallpartikeln gefüllter Kunststoff ist. Vorzugsweise besteht das Material insgesamt zu mindestens 50% (Gewichtsprozent) aus Metall.
Eine möglichst grosse Oberfläche für den Wärmeübergang zum Umgebungsmedium kann zunächst einmal erreicht werden, indem nicht nur ein gut wärmeleitender, als Wärmesenke wirkender Träger für den LED-Chip verwendet wird, sondern auch ein optisch wirkender Bereich mindestens teilweise metallisch ist.
Ein optimaler Warmeleitpfad ist dann gegeben, wenn das Verhältnis des örtlichen Wärmeleit-Querschnitts zu der örtlichen Länge des Wärmeleitpfades überall im Gehäuse möglichst gross ist. Dies wird kann einerseits, in unmittelbarer Umgebung der Berührungsfläche LED- Chip und Träger, dadurch erreicht werden, dass der Träger hier voll metallisch und möglichst dünn ist. Dadurch wird ein extrem kurzer Warmeleitpfad zur Rückseite des metallischen Trägers und damit eine möglichst hohe Temperatur an der entsprechenden Oberfläche des Trägers sichergestellt, die wiederum in einer hohen Wärmeabgabe an das Umgebungsmedium resultiert.
Zu Oberflächenanteilen hin, die weiter von der Verbindungsstelle zwischen LED- Chip und Träger entfernt sind, ist aber anderseits mit Vorteil ein grösserer Wärmeleitquerschnitt vorhanden, der nach Möglichkeit mit grösser werdender Länge des Wärmeleitpfades immer grösser wird.
Der scheinbare Widerspruch zwischen einem möglichst dünnen Träger und einem grossen Wärmeleitquerschnitt zu entfernten, eine möglichst grosse Oberfläche aufweisenden Gehäuseteilen hin, ist in Kombination mit einem metallischen hohlspiegelartigen optischen Element verblüffend einfach zu lösen.
Hierzu kann der Aufbau der Gehäusung im Wesentlichen einen metallischen dünnen Träger besitzen, auf den der LED-Chip im Wesentlichen mit einer metallischen Verbindung aufgebracht ist. Rund um den LED-Chip ist bspw. ein im Wesentlichen metallisches, für das Licht des LED-Chip beispielsweise als Hohlspiegel oder Blende wirkendes optisches Element vorhanden, das erstens dickwandig und zweitens mit dem metallischen Träger grossflächig im Wesentlichen metallisch verbunden ist.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden diese Ansätze in einem Gehäuse bzw. einer Lichtquelle kombiniert. Eine solche Kombination erfüllt alle Forderungen die zu einem, im Sinne der Erfindung, verbesserten Gehäuse- Aufbau führen.
Der geschilderte Ansatz führt noch zu zusätzlichen erheblichen Vorteilen gegenüber konventionellen LED-Chip Gehäusen und Lichtquellen. Ein den LED-Chip vollständig umgebendes und an Höhe deutlich übersteigendes, im Wesentlichen metallisches optisches Element schützt gleichzeitig den Chip und dessen elektrische Verbindungen gegen jegliche auf das Gehäuse einwirkende mechanische Beeinflussungen, wie beispielsweise Druck- oder Scherkräfte und/oder Schläge.
Weiter kann die blenden- oder hohlspiegelartige innere Öffnung des genannten optischen Elementes mindestens teilweise oder bis knapp unter den oberen Rand mit einem optisch transparenten, allenfalls als linsenartiges Element wirkenden, Material gefüllt werden, das nicht vollständig aushärten muss, sondern beispielsweise dauerelastisch bleiben darf oder das nicht sehr stabil gegen mechanische Belastungen ist. Dadurch können - ohne zusätzliche Schutzmassnahmen - Materialien wie transparente Silikone oder amorphe Fluorpolymere, wie beispielsweise Teflon AF der Firma Dupont, zum Einsatz kommen. Diese Materialien weisen nicht nur hervorragende optische Eigenschaften auf, sondern sie erfüllen auch den neben einer allfälligen optischen Wirkung zu erfüllenden Zweck einer solchen Füllung, der darin besteht, den Chip und sein elektrischen Verbindungen gegen chemische Umwelteinflüsse, d.h. gegen schädliche Gase wie beispielsweise Sauerstoff oder aggressive Abgasprodukte, gegen Wasserdampf und gegen Wasser zu schützen.
Es ist möglich, die Fähigkeit zur Wärmabfuhr des geschilderten Aufbaus noch zu verbessern. Dies kann beispielsweise gemäss einer ersten Möglichkeit geschehen indem die Aussenfläche des dickwandigen, als blenden- oder hohlspiegelartiges Element wirkenden Körpers beispielsweise durch Rippen vergrössert wird. Eine zweite zusätzliche Möglichkeit ist, die innere blenden- oder hohlspiegelartige Fläche so wenig wie möglich - aber so viel wie zum genannten chemischen Schütze nötig - mit optisch transparentem Material zu füllen. Dadurch wirkt erstens die frei bleibende Oberfläche als zusätzliche Wärmeübergangsfläche und zweitens verkürzt sich der Warmeleitpfad durch das optisch transparente Material.
Eine dritte zusätzliche Möglichkeit ist, das schlecht wärmeleitende optisch transparente Material mit optisch möglichst wenig wirkenden, gut wärmeleitenden Partikeln zu füllen.
Solche Partikel können beispielsweise Diamantpartikel in der Grössenordnung 1 bis 100 μm sein, es können aber auch metallische Partikel sein, deren Durchmesser kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes ist.
Gemäss einem zweiten Aspekt der Erfindung kann eine gleich gute Lichtbündelung bei reduziertem Volumen der optischen Elemente erreicht werden, indem nicht die bekannten domartigen Linsenelemente, sondern hohlspiegelartige optische Elemente verwendet werden, welche die Dimensionen des LED-Chip an Durchmesser und Höhe deutlich übersteigen. Selbstverständlich können derartige hohlspiegelartigen Elemente metallisch sein und damit dem ersten Aspekt entsprechen. Eine allfällige weitere Verbesserung in diesem Sinne ist möglich indem diese Hohlspiegel linsenartige Elemente aus optisch transparentem Material beinhalten.
Gehäuse und Lichquellen gemäss dem zweiten Aspekt der Erfindung zeichnen sich vorzugsweise dadurch aus, dass das hohlspiegelartige oder blendenartige optische Element und/oder die optisch wirksame Oberfläche einer optisch transparenten Füllung so gestaltet sind, dass bei einer Licht emittierenden Fläche des LED-Chip von bis ungefähr 0.3 x 0.3 mm, bei einer Grundfläche des fertigen Gehäuses von höchstens 1.5 x 1.5 mm und einer Höhe von höchstens 1.5 mm ein Lichtaustrittswinkel von höchstens ± 30° entsteht, oder dass bei einer Licht emittierenden Fläche des LED-Chip von bis ungefähr 0.3 x 0.3 mm, bei einer Grundfläche des fertigen Gehäuses von höchstens 2 2 mm und einer Höhe des fertigen Gehäuses von höchstens 2 mm ein Lichtaustrittswinkel von höchstens ± 20° entsteht, oder dass bei einer Licht emittierenden Fläche des LED-Chip von bis ungefähr 0.3 x 0.3 mm sowie bei einer Grundfläche des fertigen Gehäuses (bzw. einer Einheit der Lichtquelle) von höchstens 4 x 4 mm und einer Höhe von höchstens 4 mm ein Lichtaustrittswinkel von höchstens ± 10° entsteht, wobei jeweils der Lichtaustrittswinkel so definiert ist, dass ausserhalb dieses Winkels die auf den hellsten Winkelbereich bezogene Lichtintensität kleiner als 50% ist. Diese Spezifikationen definieren - bei gegebenem Brechungsindex der eventuellen optisch transparenten Füllung die Grosse der Blendenöffnung in Funktion des Abstandes von der lichtemittierenden Fläche des LED-Chips und/oder den Winkel der spiegelnden Flächen zu einer optischen Achse des LED-Chips. Insbesondere ergibt sich bei einer Länge d der Diagonalen der lichtemittierenden Fläche, einem Durchmesser o der .Blendenöffnung' (als solche wirkt auch die hohlspiegelartige Aussparung an ihrer breitesten, äussersten Stelle) und einem Abstand a der Blendenöffnung von der Lichtemittierenden Fläche:
Dabei ist amax der maximale Lichtaustrittswinkel, d.h. 2amax ist der Öffnungswinkel des Lichtkegels. Dies bei entsprechender hohlspiegelartiger oder angenähert hohlspiegelartiger (bspw. durch abschnittsweise konische Flächen) Ausgestaltung der reflektierenden Flächen. Eine entsprechende Füllung des hohlspiegelartigen oder blendenartigen optischen Elementes mit optisch transparentem Material übernimmt ebenfalls eine Schutzfunktion des LED-Chips und seiner elektrischen Verbindungen. Sie kann entweder das hohlspiegelartige oder blendenartige optische Element im Wesentlichen ganz ausfüllen, oder vorzugsweise eine so geringe Dicke aufweisen, dass sie das hohlspiegelartige oder blendenartige optischen Element nicht vollständig füllt, wodurch erstens der Warmeleitpfad durch das transparente Füllmaterial möglichst kurz ist und zweitens allenfalls die offene Fläche des hohlspiegelartigen oder blendenartigen optischen Elementes maximiert ist.
Das optisch transparente, allenfalls als linsenartiges Element wirkende Material muss nicht vollständig aushärten, sondern darf beispielsweise dauerelastisch bleiben und muss auch nicht sehr stabil gegen mechanische Belastungen sein. Dadurch können — ohne zusätzliche Schutzmassnahmen - Materialien wie transparente Silikone oder amorphe Fluorpolymere, wie beispielsweise Teflon AF der Firma Dupont, zum Einsatz kommen. Diese Materialien weisen nicht nur hervorragende optische Eigenschaften auf, sondern sie erfüllen auch auf hervorragende Weise den neben einer allfälligen optischen Wirkung zu erfüllenden Zweck einer solchen Füllung, der darin besteht, den Chip und sein elektrischen Verbindungen gegen chemische Umwelteinflüsse, d.h. gegen schädliche Gase wie beispielsweise Sauerstoff oder aggressive Abgasprodukte, gegen Wasserdampf und gegen Wasser zu schützen. Darüber hinaus dürfen sie - bei geeigneter Auswahl - mit Dauertemperaturen von weit über 200°C betrieben werden ohne dass sie vergilben, verspröden oder ausgasen. Sie ermöglichen deshalb hohe Chip-Leistungen, die hohe Chip- Temperaturen erzeugen, und dies bei hoher Lebensdauer.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die vorstehend beschriebenen Ansätze mindestens teilweise in einer Lichtquelle kombiniert. Eine solche Kombination erfüllt alle Forderungen die zu einem, im Sinne der Erfindung, verbesserten Gehäuse-Aufbau führen.
Das elektrische Layout des Arrays ist vorzugsweise so ausgelegt, dass alle Chips gemeinsam oder gemeinsam in geeigneten Untergruppen betrieben werden können, oder dass das Array in jeweils für sich alleine funktionsfähige Untergruppen zerschnitten werden kann. Eine dieser Untergruppen kann einen einzigen LED-Chip oder eine Mehrzahl von miteinander seriell oder parallel elektrisch verschalteten LED-Chips bis hin zu sehr vielen, bspw. mehreren Dutzend oder gar hunderten von LED-Chips beinhalten.
Falls - dies ist bevorzugt der Fall - der LED-Chip durch den Träger elektrisch kontaktiert werden soll, ist es von Vorteil, den bspw. metallischen Träger so zu gestalten, dass er zwei von einander elektrisch isolierte Zonen zur elektrischen Kontaktierung des LED-Chips zur Verfügung stellt.
Dies lässt sich gemäss einem Aspekt der Erfindung für einzeln gehäuste Chips oder Chip-Untergruppen realisieren, indem der metallische Träger, durch beispielsweise Stanzen oder ähnliche Verfahren, im Sinne eines Leadframes (d.h. eines elektrisch wirksamen Trägerstreifens) so hergestellt wird, dass die im Endeffekt voneinander getrennten elektrischen Zonen mittels zusätzlichen Zonen zusammenhängen und diese den Zusammenhalt garantierenden Zonen im Laufe der Montage dann entfernt werden, wenn der Zusammenhalt durch andere Elemente, wie beispielsweise eine Hinterfüllung des genannten blenden- oder hohlspiegelartigen Elementes, sichergestellt ist. Es ist möglich, alle erwähnten Elemente der Gehäusung für unterschiedliche Anwendungen unterschiedlich zu gestalten. So ist es beispielsweise möglich, für kleine LED-Chip eine sehr kleine SMD-Gehäusung zu realisieren mit hoher Lichtbündelung und hoher Wärmeabfuhr. Es ist aber auch möglich ein entsprechendes Gehäuse für einen grossen Power-LED-Chip zu gestalten. Es ist weiter möglich, den metallischen, leadframe-artigen Träger so zu gestalten, dass die entstehende LED-Lampe beispielsweise frei schwebend über einer Öffnung eines entsprechenden sekundären Trägerelementes angebracht werden kann und so eine optimale Luftzufuhr und damit ein optimale Kühlverhalten erreicht wird. Weiter ist es auch möglich, den metallischen, leadframe-artigen Träger so zu gestalten, dass die entstehende LED-Lampe Kontaktbeine im Sinne einer konventionellen Tl oder Tl3/ LED-Gehäusung aufweist.
Im Fälle der Lichtquelle mit in Arrays angeordneten LED-Chips lässt sich die elektrische Kontaktierung nach noch einem Aspekt der Erfindung realisieren, indem der Träger im Sinne eines Flexprints - also einer strukturierten Leiteranordnung auf einem bspw. biegsamen Substrat - mit einer Metall- und einer Isolatorlage aufgebaut ist. Die Metalllage ist so strukturiert, dass pro Bereich mit einem Chip bzw. einer Einheit von nahe beieinander angeordneten, bspw. in verschiedenen Spektralbereichen emittierenden LED-Chips die beiden notwendigen Kontaktzonen vorhanden sind. Die Zone auf welcher der Chip befestigt wird und den ersten elektrischen Kontakt sicherstellt, umgibt denselben beispielsweise möglichst grossflächig und in einem möglichst grossen Winkelbereich. In einem möglichst grossen Bereich dieser metallischen Zone ist die Isolationslage geöffnet, so dass hier eine offene metallische Rückseite entsteht. Die spätere Befestigung des metallischen Spiegelelementes erfolgt ebenfalls direkt auf dieser metallischen Zone. Zur Verbesserung der Funktionalität kann diese metallische Zone einseitig oder beidseitig mittels eines galvanischen Prozesses verdickt sein. Alle so entstehenden metallischen Zonen des Arrays können, müssen aber nicht, zunächst durch metallische Arme mit einander verbunden sein. Auf diese Weise kann zu einem späteren Zeitpunkt eine beliebige Einteilung in elektrisch seriell und/oder parallel geschaltete Untergruppen erfolgen, indem die entsprechenden Verbindungsarme aufgetrennt werden. Dieses Auftrennen kann beispielsweise mittels Laser oder vorzugsweise mittels Bohren stattfinden. Die erste und zweite Kontaktzone sind aber vorzugsweise so ausgebildet, dass sie beim Abtrennen einer kleinsten funktionsfähigen Untereinheit - die vorzugsweise nur einen LED-Chip oder eine Einheit von nahe beieinander angeordneten, bpsw. in verschiedenen Spektralbereichen emittierenden LED-Chips aufweist - vom Rest der Lichtquelle voneinander elektrisch getrennt werden, dass sie also nur über ausserhalb des Trägerelement-Bereichs angeordnete Verbindungen zueinander Kontakt haben .
Es ist möglich, die erwähnten Elemente der Gehäusung für unterschiedliche Anwendungen unterschiedlich zu gestalten.
So ist es beispielsweise möglich, LED-Chip Arrays mit sehr kleinem Gehäusung pro Chip zu realisieren mit hoher Lichtbündelung und hoher Wärmeabfuhr. Es ist aber auch möglich, Arrays mit entsprechendem Gehäuse pro Chip für grosse Power-LED- Chips zu gestalten.
Im Folgenden werden Ausführungen der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert. Die Figuren la-3b betreffen eine Gehäusung für einen einzelnen LED-Chip (der bspw. Teil eines Arrays ist, welches eine Lichtquelle bildet), die Figuren 4-8 ein zerschneidbares Array von LED-Chips. Fig. la zeigt den prinzipiellen Aufbau eines leadframe-artigen metallischen Trägers als dreidimensionale Darstellung eines Ausschnittes desselben.
Fig. lb zeigt den prinzipiellen Aufbau eines leadframe-artigen metallischen Trägers zusammen mit dem prinzipiellen Aufbau eines blenden- oder hohlspiegelartigen Elements als dreidimensionale Explosions-Darstellung.
Fig. lc zeigt den prinzipiellen Aufbau eines fertig gehäusten LED-Chips in dreidimensionaler Darstellung.
Fig. ld zeigt den verbesserten prinzipiellen Aufbau eines fertig gehäusten LED- Chips in dreidimensionaler Darstellung.
Fig. le zeigt in dreidimensionaler Darstellung den prinzipiellen Aufbau eines leadframe-artigen metallischen Trägers, auf einer Hilfsfolie, der einen Test der elektrischen Verbindungen des LED-Chip vor der endgültigen Gehäusung erlaubt.
Fig. 2a zeigt in dreidimensionaler Darstellung den prinzipiellen Aufbau eines leadframe-artigen metallischen Trägers, bei dem der LED-Chip oberhalb der Ebene des Trägers montiert ist.
Fig. 2b zeigt in dreidimensionaler Darstellung den prinzipiellen Aufbau eines leadframe-artigen metallischen Trägers, bei dem der LED-Chip innerhalb einer flachen hohlspiegelartigen Vertiefung sitzt. Fig. 3a zeigt in dreidimensionaler Darstellung den prinzipiellen Aufbau eines leadframe-artigen metallischen Trägers mit vergrösserten elektrischen Kontaktflächen zu einem sekundären Träger hin.
Fig. 3b zeigt in dreidimensionaler Darstellung den prinzipiellen Aufbau eines leadframe-artigen metallischen Trägers mit durch stegartige Elemente seitlich abgesetzte elektrische Kontaktflächen zu einem sekundären Träger hin.
Figur 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines flexprint-artigen metallischen Trägers mit LED-Chip und blenden- oder hohlspiegelartigen Elementen als dreidimensionale Darstellung.
Figur 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau desselben flexprint-artigen metallischen Trägers mit LED-Chip und blenden- oder hohlspiegelartigen Elementen als Schnitt.
Figur 6 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Spezialfalles desselben flexprint-artigen metallischen Trägers mit LED-Chip und blenden- oder hohlspiegelartigen Elementen und spezifischen elektrischen Verbindungen als dreidimensionale Darstellung
Figur 7 zeigt einen andern prinzipiellen Aufbau eines flexprint-artigen metallischen Trägers mit LED-Chip und blenden- oder hohlspiegelartigen Elementen als dreidimensionale Darstellung.
Figur 8 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines leadframeartigen, streifenförmigen metallischen Trägers mit LED-Chip und blenden- oder hohlspiegelartigen Elementen als dreidimensionale Darstellung. In Figur la ist das Prinzip eines metallischen, leadframe-artigen Trägers 11 erläutert, der als sehr langes Band, „ab Rolle", verwendet werden kann.
Vorzugsweise ist der Träger, beispielsweise mittels Stanzen oder Ätzen, aus Kupfer oder aus Aluminium gefertigt.
Die gestrichelten Linien 12a bis 12d sind die Trennlinien entlang derer der Träger 11 zu einem späteren Zeitpunkt zerschnitten wird.
Es entstehen innerhalb des durch die Trennlinien 12a bis 12d definierten Rechtecks offensichtlich zwei elektrisch voneinander unabhängige Zonen, eine grossflächige Zone 12 und eine kleinflächige Zone 13, die natürlich zu dem angesprochenen späteren Zeitpunkt durch zusätzliche, elektrisch isolierende Elemente zusammen gehalten werden.
Die beiden Zonen 12 und 13 sind in der Regel, mindestens teilweise, mit mindestens einer zusätzlichen metallischen Schicht bzw. Schichtfolge 14, 15 versehen, die beispielsweise aus Ag oder Ni/Ag/Pa besteht und deren Oberflächen die eigentlichen elektrischen Kontaktflächen bilden und die bei einer ganzflächigen Beschichtung beispielsweise als Spiegelflächen wirken.
Im Beispiel ist der LED-Chip 16 mit einer Kontaktfläche auf seiner Unterseite direkt auf die Kontaktfläche 15 des grossflächigen Teils 12 des Trägers 11 montiert. Das bevorzugte Verfahren hierfür ist löten oder eventuell kleben mit einem, elektrisch und thermisch gut leitenden Klebstoff. Der zweite elektrische Kontakt auf der Oberseite des LED-Chips ist mit einem so genannten Drahtbond 17 mit der Kontaktfläche 14 der Zone 13 verbunden. Natürlich kann auch ein LED-Chip zum Einsatz kommen der beide elektrische Kontakte auf seiner Oberseite hat. In diesem Fall wird der erste Kontakt des LED- Chips 16 durch einen weiteren Drahtbond mit der Kontaktfläche 15 der Zone 12 verbunden.
In Figur lb ist zusätzlich zu dem in Fig. la beschilderten metallischen Träger, ein blenden- oder hohlspiegelartiges Element 18 zu sehen. Dieses ist im Prinzip kubusförmig aufgebaut und besteht vorzugsweise aus einem geeigneten Metall, wie beispielsweise aus Aluminium oder Stahl oder aus einem mit metallischen Partikeln gefüllten Kunststoff.
Die Herstellung dieses Elementes kann beispielsweise mit Herstellverfahren wie Druckguss oder MIM (metal injection molding) oder Spritzguss geschehen.
Das blenden- oder hohlspiegelartige Element 18 besitzt eine innere den gesamten Kubus durchdringende, blenden- oder hohlspiegelartige geformte Fläche 18a. Zusätzlich besitzt es an seiner unteren Seite eine Aussparung 18b.
Mindestens im Fall der Verwendung von mit Metall gefülltem Kunststoff, muss die optisch wirksame innere Fläche 18a mit einem Verfahren wie Galvanik oder Bedampfen zusätzlich verspiegelt werden.
Die gestrichelt gezeichneten Pfeile zeigen wie das blenden- oder hohlspiegelartige Element 18 später auf den metallischen Träger 11 zu liegen kommt. In der gezeichneten und anderen bevorzugten Ausführungsformen kommt der grösste Teil der unteren Fläche des blenden- oder hohlspiegelartigen Elements 18 in direkten Kontakt mit der grossflächigen Zone 12 des metallischen Trägers 11. Die Verbindung zwischen den beiden Elementen 18 und 11 erfolgt vorzugsweise mittels Löten oder Verkleben mit einem, elektrisch und thermisch gut leitenden Klebstoff.
Die blenden- oder hohlspiegelartige innere Fläche 18a umgibt den LED-Chip 16 annähernd vollständig. Die Aussparung 18b sorgt dafür, dass erstens der Drahtbond 17 nicht verletzt wird und dass zweitens die Zone 13 mit der Kontaktfläche 14 nicht in direktem Kontakt mit dem blenden- oder hohlspiegelartige Element 18 steht.
Nach dem Zusammenfügen der Elemente 11 und 18 wird das blenden- oder hohlspiegelartige geformte innere Volumen 18a des Elementes 18 mindestens teilweise mit einem transparenten Material wie Silikon oder amorphem Fluorpolymer (z.B. Teflon AF) gefüllt. Dies geschieht so, dass die Aussparung 18b und die, die beiden Zonen 12 und 13 trennende Aussparung ebenfalls gefüllt werden. Ein anschliessendes mindestens teilweises Aushärten der Füllung sorgt für einen zuverlässigen Zusammenhalt des gesamten Gehäuses.
Die Figur lc zeigt eine fertige Gehäusung, welche gemäss der bezüglich Fig.lb geschilderten Vorgehensweise hergestellt und anschliessend entlang der Linien 12 bis 12 b zerschnitten wurde. Es ist deutlich zu sehen, dass der blenden- oder hohlspiegelartige Kubus 18 grossflächig in direktem - Nota bene metallischen - Kontakt zur grossflächigen Zone 12 des metallischen Trägers 11 steht, er durch die Hinterfüllung der Aussparung 18b mit dem optisch transparenten Material 19, von der kleinflächigen Zone 13 des metallischen Trägers elektrisch getrennt ist. Die Unterseiten der Zonen 12 und 13 des metallischen Trägers bilden die Kontaktflächen zu einem sekundären Träger hin.
Anstelle des anhand der Figuren la ff. beschriebenen Trägers, kann auch ein Trägerelement mit von vornherein zusammenhaltenden Kontaktflächen vorgesehen sein. Zu diesem Zweck wird ein streifenförmiger, später in Abschnitte (entlang 12a und 12 b entsprechenden Linien) zerschneidbarer Träger für LED-Chip zur Verfügung gestellt, welcher folgendermassen aufgebaut ist:
Zunächst wird ein beispielsweise 50 bis 200 μm dicker Streifen aus einem thermisch und chemisch stabilen Kunsstoff , der nur wenig breiter (z.B. 2 mal 0.1 - 0.5 mm) als die Zone 12 ist, mit Öffnungen versehen, die in Lage und Grosse den späteren Zonen 12 und 13 entsprechen. Dann erfolgt eine Vorbereitung für gute Haftung von Metall, z.B. chemisch oder mit Plasma. Anschliessend werden diese Öffnungen beispielsweise galvanisch mit einem geeigneten Metall, vorzugsweise mit Kupfer, gefüllt. Anschliessend allenfalls direkt weitere dünne metallische Schichten wie Ag oder Ni/Ag/Pa aufgebracht.
Figur ld zeigt eine im Vergleich zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wärmetechnisch verbesserte Variante. Die äussere Oberfläche des prinzipiell kubusförmigen Körpers 18 ist mittels Rippen vergrössert. Zusätzlich ist die innere blenden- oder hohlspiegelartige geformte Fläche 18a möglichst wenig mit einem optisch transparenten Material 19 wie Silikon oder Teflon AF hinterfüllt, so dass eine maximale Vergrösserung der Wärmeübergangsfläche erreicht ist. Die Hinterfüllung mit dem optisch transparenten Material istl9 ist hier im Sinne eines Globe-Tops, d.h. im Sinne einer annährend kugelförmigen inneren Linse angedeutet.
Figur le zeigt eine Möglichkeit einen herstellungsmässigen Nachteil des bezüglich Fig. lb geschilderten Vorgehens zu umgehen. Dieser Nachteil besteht darin, dass es, der noch elektrisch zusammenhängenden Zonen 12 und 13 wegen, unmöglich ist die elektrischen Verbindungen des LED-Chip 16 zu den Kontaktflächen 14 bzw. 15 der Zonen 13 bzw. 14 zu prüfen und allenfalls zu reparieren, bevor die gesamte Montage des Gehäuses fertig gestellt ist. Dies kann vor allem bei Massenfertigung zu erheblichen Mehrkosten führen.
In Fig. lc ist deshalb der metallische Träger 11 zunächst auf eine genügen dicke, möglichst preiswerte, elektrisch nicht leitende Hilfsfolie 20 aufgezogen. Danach wird der metallische Träger 11 entlang der Schnittlinien 12c und 12 d getrennt, so dass die Zonen 12 und 13 elektrisch unabhängig werden. Nach einer anschliessenden Montage des LED-Chips 16 können nun die elektrischen Verbindungen sofort kontrolliert und allenfalls repariert bzw. nicht für die weitere Montage verwendet werden.
Figur 2a zeigt eine Variante des, später mit einem blenden- oder hohlspiegelartige Element zu vereinigten, metallischen Trägers 21, bei dem die Zone 22 so geschnitten und umgeformt ist, dass die Kontaktfläche 25 mit dem LED-Chip 26 oberhalb der eigentlichen Fläche 22 liegt. Dies hat dann einen Vorteil, wenn der LED-Chip 26 einen bedeutenden Anteil seines Lichtes gegen unten, also in Richtung der Zone 22 hin abstrahlt. Natürlich muss für eine optimale Wirkung die Fläche 22 verspiegelt sein. Figur 2b zeigt eine andere Variante des metallischen Trägers 21, bei dem die Zone 22 so umgeformt und geschnitten ist, dass die Kontaktfläche 25 mit dem LED-Chip 26 innerhalb einer flachen hohlspiegelartigen Zone 28 liegt. Dies umgeformte Zone 28 weist oben eine ringförmige ebene Fläche 28a auf, auf der später ein blenden- oder hohlspiegelartiges Element aufgelötet oder aufgeklebt wird. Sie weist weiter eine verspiegelte hohlspiegelartige Zone 28b und eine innere ebene verspiegelte Zone 28c auf, welche die Kontaktfläche 25 und LED-Chip 26 trägt. Natürlich muss die umgeformte Zone 28 allenfalls - wie in Fig. 2b gezeigt - von einer die Zone 23 abtrennenden Aussparung durchtrennt sein.
Figur 3a zeigt eine Variante des, später mit einem blenden- oder hohlspiegelartige Element zu vereinigten, metallischen Trägers 31, bei dem die beiden elektrisch getrennten Zonen 32 und 33 gegen aussen, d.h. über den von den Linien 32a bis 32 d umrissenen Bereich in den später das blenden- oder hohlspiegelartige Element zu liegen kommt, hinaus vergrössert sind, so dass die Unterseiten der zusätzlichen Flächen 32-1 und 33-1 eine vergrösserte Kontaktfläche zu einem sekundären Träger hin bilden. Zusätzlich können die Flächen 32-1 und 33-1 so geformt sein, dass sie - mindestens teilweise - Öffnungen 32-2 und 33-2 aufweisen, mit denen später das gesamte Gehäuse auf einem sekundären Träger verschraubt und allenfalls direkt elektrisch kontaktiert werden kann.
Figur 3b zeigt eine Variante des, später mit einem blenden- oder hohlspiegelartige Element zu vereinigten, metallischen Trägers 31, bei dem die beiden elektrisch getrennten Zonen 32 und 33 gegen aussen, d.h. über den von den Linien 32a bis 32 d umrissenen Bereich in den später das blenden- oder hohlspiegelartige Element zu liegen kommt, hinaus mittels stegartigen Elementen 32-3 und 33-3 verlängert sind und an den Stegenden zusätzliche Kontaktflächen 32-1 und 33-1 tragen. Die Unterseiten der zusätzlichen Flächen 32-1 und 33-1 bilden dann die Kontaktfläche zu einem sekundären Träger hin, was bedeutet, dass der von den Linien 32a bis 32 d umrissenen Bereich beispielsweise zur Optimierung der Wärmeabfuhr frei schwebend über einer entsprechenden Öffnung eines sekundären Trägers montiert werden kann. Zusätzlich können die Flächen 32-1 und 33-1 so geformt sein, dass sie - mindestens teilweise - Öffnungen 32-2 und 33-2 aufweisen, mit denen später das gesamte Gehäuse auf einem sekundären Träger verschraubt und allenfalls direkt elektrisch kontaktiert werden kann.
Obige Ausführungsformen können in mancher Hinsicht abgeändert werden. Beispielsweise ist es " nicht ausgeschlossen, dass optisches Element und Trägerelement bis auf eine zweite Kontaktfläche einstückig ausgeformt sind. Dies gilt auch für nachfolgende Ausführungsformen.
In Figur 4 ist zunächst der Aufbau eines flexprint-artigen Trägers erläutert, der einen maximalen Wärmetransport von einem LED-Chip zu seiner Rückseite und zu metallischen blenden- oder hohlspiegelartigen Elementen erlaubt.
Figur 5, ein Schnitt durch den Aufbau von Figur 4 verdeutlicht den Aufbau in vertikaler Richtung.
Vorzugsweise weist der Träger mindestens zwei teilweise strukturierte Lagen auf, nämlich mindestens eine metallische und eine elektrisch isolierende Lage. Besonders bevorzugt basiert der Träger auf einem handelsüblichen mindestens zweitägigen Flexprint-Material, wie es beispielsweise von der Firma Dupont angeboten wird und das beispielsweise aus einer metallischen Lage, hier aus 35 μm dickem Kupfer 112, 122 und einer elektrisch isolierenden Lage, hier einer 45 μm dicken Lage aus Kapton 111, 121 besteht. Die unten liegende Kapton-Lage 111, 121 ist mit Öffnungen 111b versehen, welche beispielsweise mittels galvanischen Wachstums mit als metallische Wärmeableitschicht dienendem Kupfer 113, 123 gefüllt sind, das direkt auf der Kupferlage 112, 122 des Flexprints aufgewachsen wurde. Vorzugsweise wird diese galvanisch aufgetragene Kupfer 113, 123 so dick aufgewachsen, dass es etwas dicker als die Kapton-Lage 111, 121 und so auf der Unterseite leicht vorstehend ist.
Die Kupfer-Lage 112, 122 ist so strukturiert, dass pro LED-Chip 115a, 125a im Wesentlichen zwei Zonen 112a, 122a und 112b vorhanden sind, welche die beiden notwendigen elektrischen Anschlüsse für den LED-Chip 115a, 125a ermöglichen. Der Abstand in dem sich diese Zonen auf dem flexprint-artigen Träger wiederholen beträgt beispielsweise 2.5 mm oder 3.3 mm
Alle Zonen 112a und 112b des gesamten flexprint-artigen Trägers können wie in Figur 4 gezeigt zunächst mit armartigen Fortsätzen 112d untereinander verbunden sein, so dass in diesem Zustand überall elektrischer Kurzschluss herrscht. Die Verbindungsarme 112d sind so lang und so gelegt, dass sie zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt durchtrennt werden können, Dies kann beispielsweise mittels Laser oder vorzugsweise mittels Durchbohren geschehen. Dieses Auftrennen der Verbindungsarme geschieht kundenspezifisch so, dass die gewünschten Gruppen von elektrisch seriell und/oder parallel geschalteten LED-Chip entstehen.
Der geschilderte Ansatz mit später - in der Regel nur zum Teil - zu durchtrennenden Verbindungsarmen bringt zwei grosse Vorteile:
Erstens sind exakt soviel Drahtbonds erforderlich, wie unbedingt zur elektrischen Kontaktierung der LED-Chip notwendig, die immer sehr kurz und damit relativ sicher gehalten werden können. Zur Erzeugung serieller und/oder paraller Gruppen werden - im Gegensatz zu den in den Schriften WO9941785 und WO03023857 geschilderten Ansätzen - keine, relativ teuren und immer eine Unsicherheit darstellende, zusätzlichen Drahtbonds benötigt.
Zweitens können die, mit Verbindungsarmen 112d versehenen, flexprint-artigen Trägerplatten in grösser Zahl hergestellt und an Lager genommen werden. Das spätere Auftrennen kann dann kundenspezifisch in sehr kleinen Stückzahlen bis hin zu grossen Stückzahlen sehr wirtschaftlich erfolgen, indem beispielsweise die flexprint-artigen Trägerplatten zu 50 bis 100 Stück gestapelt und gemeinsam an den zur gewünschten Konfiguration notwendigen Stellen durchbohrt werden.
Natürlich ist es auch möglich die Verbindungsarme 112d von vornherein nur so zu erzeugen, dass eine bestimmte gewünschte seriell / parallel Konfiguration entsteht. Insbesondere ist auch denkbar, dass gar keine Verbindungsarme existieren. Dies ist beispielsweise bevorzugt für den Fall, dass am Schluss einzelne gehäuste LEDs entstehen sollen. Seriell/Parallel geschaltete Konfigurationen können auch wie an sich bekannt mit Drahtbond-Verbindungen zwischen den Kontaktzonen erwirkt werden.
Damit der Drahtbond 115b, 125b der von der zweiten Kontaktfläche des LED-Chip 15a, 25a zum zweiten elektrischen Anschluss, d.h. der zweiten Kontaktzone 112b, 22b, führt, möglichst kurz wird, ist diese zweite Kontaktzone 112b, 122b mit einem armartigen Fortsatz versehen, der bis nahe an den Ort des LED-Chip 115a, 125a in den Bereich des ersten elektrischen Anschlusses 112a, 122a hineinragt und an seinem Ende die zweite Kontaktfläche 112c, 122c bildet. Auf die Zone 112a ist, beispielsweise mittels eines zweiten galvanischen Schrittes beispielsweise eine ca. 30 bis 50 μm dicke Kupferschicht 114, 124 aufgewachsen, so dass die Oberfläche dieser Kupferschicht 114, 124 höher liegt als die in sie hineinragende Kontaktfläche 112c, 122c der Zone 112b und die erste Kontaktfläche für den LED-Chip 115a bildet.
Auf der ersten Kontaktzone 112a, 122a bzw. der zusätzlichen Kupferschicht 114, 124 ist in der Regel, mindestens teilweise, eine - nicht gezeigte - zusätzliche metallische Kontaktschicht bzw. -schichtfolge vorhanden, die beispielsweise aus Ag oder Ni/Au/Pa besteht und deren Oberfläche den eigentlichen elektrischen Kontakt bildet und die bei einer ganzflächigen Beschichtung beispielsweise als Spiegelfläche wirkt.
Im Beispiel ist der LED-Chip 115a, 125a mit einer ersten Kontaktfläche auf seiner Unterseite direkt auf die hier durch die Zusatzschicht 114, 124 gebildete Kontaktfläche montiert. Das bevorzugte Verfahren hierfür ist löten oder eventuell kleben mit einem, elektrisch und thermisch gut leitenden Klebstoff. Der zweite elektrische Kontakt auf der Oberseite des LED-Chips ist mit einem so genannten Drahtbond 115b, 125b mit der Kontaktfläche 112c, 122c der zweiten Kontaktzone 112b verbunden.
Natürlich kann auch ein LED-Chip zum Einsatz kommen der beide elektrische Kontakte auf seiner Oberseite hat. In diesem Fall wird der erste Kontakt des LED- Chips 115a, 125a durch einen weiteren Drahtbond mit der ersten Kontaktfläche 114 verbunden. Der blenden- oder hohlspiegelartige Körper 116, 126 (auch blenden- oder hohlspiegelartiges Element genannt) ist so gestaltet, dass pro LED-Chip ein solcher vorhanden ist. Vorzugsweise ist er völlig rotationssymmetrisch aufgebaut, so dass er kostengünstig in kleinen Stückzahlen beispielsweise mittels Drehen ab Stange hergestellt werden kann. Selbstverständlich kann für grosse Stückzahlen auch ein anderes Verfahren wie bspw. Spritzguss oder Metall-Injection-Molding (MIM) zum Einsatz kommen.
Vorzugsweise ist der blenden- oder hohlspiegelartige Körper 116, 126 metallisch und unter den Metallen vorzugsweise aus Aluminium. Er kann aber auch aus einem mit Metallpartikeln gefüllten und damit gut wärmeleitenden Kunststoff bestehen.
Weil die Oberfläche der Kupferschicht 114, 124 höher liegt als die in sie hineinragende Kontaktfläche 112c 122c der zweiten Kontaktzone 112b kann der blenden- oder hohlspiegelartige Körper 116, 126 die erste Kontaktfläche 115a vollständig berühren ohne dass ein Kurzschluss mit der zweiten Kontaktfläche 112c, 122c besteht, auch dann, wenn er rotationssysmmetrisch ausgestaltet ist. Der Körper 116, 126 muss daher auch nicht auf die Orientierung der Kontatkzonen ausgerichtet werden.
Das blenden- oder hohlspiegelartige Element 116, 126 besitzt eine innere den gesamten Körper durchdringende, blenden- oder hohlspiegelartige geformte Fläche 158a. Zusätzlich besitzt es an seiner unteren Seite eine Aussparung 158b.
Mindestens im Fall der Verwendung von mit Metall gefülltem Kunststoff, muss die optisch wirksame innere Fläche 158a mit einem Verfahren wie Galvanik oder Bedampfen zusätzlich verspiegelt werden. Der blenden- oder hohlspiegelartige Körper 116, 126 ist direkt auf der hier durch die Kupfer-Zusatzschicht 114, 124 gebildeten ersten Kontaktfläche montiert. Vorzugsweise geschieht dies durch Löten, es kann aber auch mit einem elektrisch und thermisch gut leitenden Klebstoff geschehen.
Kommt Löten zum Einsatz, so muss natürlich darauf geachtet werden, dass das früher erfolgende allfällige Löten des LED-Chip bei höherer Temperatur stattfindet als das nachträglich Löten des blenden- oder hohlspiegelartigen Körpers 116, 126. Dies ist kein Problem, wenn zum Löten des LED-Chips beispielsweise ein Au-Sn Lot verwendet wird, das erst bei ca. 300°C schmilzt. LED-Chip die auf der Unterseite mit einem solchen Lot versehen sind, sind beispielsweise beim Chip- Hersteller Cree erhältlich.
Vorzugsweise ist der blenden- oder hohlspiegelartige Körper 116, 126 auf seiner Unterseite so gestaltet, dass er auf der Innenseite eine gegen unten vorstehende Lippe aufweist, die beim Vorgang der Montage direkt auf der ersten Kontaktfläche 114, 124 zu liegen kommt. Dies hat den Vorteil, dass auch Lichtstrahlen die horizontal oder nahezu horizontal aus dem LED-Chip austreten zuverlässig auf den Spiegel fallen. Der nach aussen vorhandene Spalt zwischen blenden- oder hohlspiegelartigem Körper 116, 126 und erster Kontaktfläche 114, 124 kann das Verbindungsmittel 128 aufnehmen und allenfalls überschüssiges Verbindungsmittel gegen aussen verdrängen.
Nach vollendeter Montage des blenden- oder hohlspiegelartigen Körpers 116, 126 wird dieser, zumindest teilweise, mit einer geeigneten transparenten Füllung 127 versehen, welche den LED-Chip 115a, 125a und den Drahtbond 115b, 125b gegen Umwelteinflüsse zu schützen hat. Eine vollständige Füllung hat den Vorteil, dass sie einfacher und kostengünstiger herstellbar ist. Eine Füllung mit möglicht geringer Dicke hat die Vorteile, dass erstens der optische Pfad des Lichtes durch die transparente Füllung möglichst kurz ist und damit die optischen Verluste minimiert sind. Zweitens gewährleistet eine geringe Dicke der Füllung auch eine bessere Wärmeabfuhr in dem Sinne dass der Warmeleitpfad kurz ist und dass ein Anteil der inneren Fläche des blenden- oder hohlspiegelartigen Körpers 116, 126 offen ist.
Natürlich kann diese transparente Füllung 127 auch Farbstoffe zur Konversion des vom LED-Chip 115a, 125 a abgegebenen Lichtes hin zu einer andern Wellenlänge beinhalten. Solche Farbstoffe können entweder in homogener oder in inhomogener Verteilung in der transparenten Füllung enthalten sein. Bei inhomogener Verteilung ist eine solche vorzuziehen, bei der Farbstoff in unmittelbarer Umgebung des LED- Chip 115a, 125 a in höherer Konzentration vorhanden ist.
Da der blenden- oder hohlspiegelartige Körper 116, 126 den LED-Chip 115a, 125a, den Drahtbond 115b, 125b und die Füllung 127 schützend umgibt, können als Füllmaterial auch dauerelastische Materialien wie Silikon oder amorphes Teflon zum Einsatz kommen. Diese Materialien weisen unter den transparenten Kunststoffen absolut herausragende Eigenschaften auf, wobei amorphes Teflon den Silikonen noch überlegen ist. Sie schützen gegen Wasser und Wasserdampf und Sauerstoff, sind resistent gegen sehr viel aggressiven Gase, gasen nicht aus, vergilben nicht und dies alles auch bei Dauertemperaturen von über 200°C. Darüber hinaus übertragen sie, dank Dauerelastizität, keine mechanischen Spannungen, die beispielsweise durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, oder durch ein Verbiegen des Paneels entstehen können. Zur Verbesserung der optischen und thermischen Eigenschaften des optisch transparenten Füllmaterials kann dieses beispielsweise mit kleinen Partikel (Durchmesser 1 μm bis 100 μm) eines anorganischen optisch transparenten Materials gefüllt sein, das eine gute Wärmeleitfähigkeit und vorzugsweise einem Brechungsindex > 1.8 aufweist, wie dies beispielsweise bei Diamant oder Titanoxyd der Fall ist.
Zur weiteren Verbesserung der optischen Eigenschaften kann das optisch transparente Füllmaterial auch mit nanostrukturierten - im Durchmesser kleineren als die Wellenlänge sichtbaren Lichtes - Partikeln eines anorganischen optisch transparenten Materials gefüllt sein, das eine gute Wärmeleitfähigkeit und vorzugsweise einem Brechungsindex > 1.8 aufweist, wie dies beispielsweise bei Diamant oder Titanoxyd der Fall ist. Durch eine solche Nanostrukturierung entfällt die für viele Anwendungen nachteilige Tatsache der Streuung an grösseren Partikeln.
Der Ansatz der Figuren 4 und 5 zeigt in Summe einen Aufbau, bei dem in einer Array-Anordnung zum Beispiel 116 LED-Chip 115a, 125a pro cm2 angeordnet sind, wobei jeder LED-Chipll5a, 125a einen schützenden blenden- oder hohlspiegelartige Körper 116, 126 mit temperaturfester, schützender transparenter Füllung besitzt. Dank der beliebig nachträglich auftrennbaren Verbindungsarme und dank der durch den flexprint-artigen Träger gewährleisteten Zerschneidbarkeit in beliebige funktionsfähige Untergruppen realisiert er eine kundenspezifische Einsatz- Flexibilität von hohem Masse.
Da von dem LED-Chip 115a, 125a ein im Wesentlicher metallischer Warmeleitpfad direkt und auf kürzesten Wege (ca. 100 μm) zur Rückseite des gesamten Aufbaus und zusätzlich ein im* Wesentlichen metallischer Warmeleitpfad mit grossem Querschnitt zu dem metallischen blenden- oder hohlspiegelartige Körper 116, 126 und damit zur Vorderseite des gesamten Aufbaus führt, wird eine unübertroffene Temperaturfestigkeit und Wärmeableitung gewährleistet.
Messungen an entsprechenden Aufbauten haben gezeigt, dass ein entsprechender Aufbau über mindestens 2000 Stunden ohne messbaren Verlust an Helligkeit auch noch bei Temperaturen um 100°C mit LED-Strömen betrieben, die ca. das Dreifache der von bekannten Chip- oder LED-Lampen Herstellern angegebenen maximal zulässigen Strömen bei 40°C betragen.
Der Aufbau der Figuren 4 und 5 weist die Eigenschaft auf, dass die erste elektrische Kontaktfläche 114 mittels der darunter liegenden Kupferschicht 112a des Flexprints und der Wärmeableit-Kupferschicht 113 bis an die untere Seite des Aufbaus reicht, während die zweite elektrische Kontaktzone 112b nur auf der oberen Seite vorhanden ist. Dies ist immer dann von Vorteil, wenn eine maximale Wärmeableitung in einen beliebigen eine Montagefläche zur Verfügung stellenden, vorzugsweise metallischen Körper erreicht werden soll. In diesem Falle können die Unterseiten sämtlicher Wärmeableitschichten 113, beispielsweise mittels Löten oder mit einem elektrisch und damit sehr gut wärmeleitenden Klebstoff erfolgen. Der metallische Körper dient dann auch als eine der beiden notwendigen Stromzuleitungen.
In Figur 6 ist ein Spezialfall des Aufbaus der Figuren 4 und 5 skizziert, bei dem elektrische Verbindungen so vorhanden sind, dass jeder einzelne LED-Chip eines gesamten Arrays einzeln angesteuert werden kann.
Zu diesem Zwecke sind erstens alle Verbindungsarme 132d zwischen den Zonen 32a und 132b so aufgetrennt, dass nur jeweils alle in Array-Querrichtung hintereinander liegenden, d.h. in einer Spalte liegenden, Zonen 132b elektrisch miteinander verbunden bleiben. Zusätzlich ist das Array auf seiner Unterseite so mit in Längsrichtung verlaufenden elektrischen Leitern 137 verbunden, dass alle in Längsrichtung hintereinander liegenden, d.h. in einer Zeile liegenden, Zonen 133- 132a-134 elektrisch miteinander verbunden sind.
Bei einem auf diese Weise verschalteten Array können offensichtlich die einzelnen LED-Chip im Sinne eines Bildschirm-Pixels angesprochen werden, indem ein Strom von - nach gewünschter Helligkeit - variabler Grosse beispielsweise Spalte für Spalte und Zeile für Zeile so umgeschaltet wird, dass jeweils ein einziger LED-Chip für kurze Zeit, also beispielsweise für 10 μsec, leuchtet, und so beispielsweise ein variables oder stationäres Bild mit einer Bildfrequenz von beispielsweise 50 bis 100 Hz dargestellt werden kann.
In Figur 7 ist ein anderer Aufbau eines flexprint-artigen Trägers erläutert, der einen maximalen Wärmetransport von einem LED-Chip zu seiner Rückseite und zu metallischen blenden- oder hohlspiegelartigen Elementen erlaubt.
Im Gegensatz zu dem Aufbau der Figuren 4, 5, 6 liegt hier ein Aufbau vor, bei dem beide zur Kontaktierung des gesamten Arrays oder von Ausschnitten des Arrays notwendigen elektrischen Kontaktflächen bis zur Unterseite des Arrays reichen und so eine Kontaktierung im Sinne eines SMD möglich ist. Der Aufbau basiert auf einem Träger mit vorzugsweise drei Lagen, zwei metallischen Lagen und einer dazwischen liegenden elektrisch isolierenden Lage.
Vorzugsweise basiert der Träger auf einem handelsüblichen dreilagigen Flexprint- Material, wie es beispielsweise von der Firma Dupont angeboten wird und das beispielsweise aus einer ersten Lage aus 35 μm dickem Kupfer 141, einer 25 μm dicken Lage aus Kapton 142 und einer zweiten Lage aus 35 μm dickem Kupfer 143 besteht.
Die erste Kupferlage 141 ist so strukturiert, dass pro LED-Chip 145a im Wesentlichen zwei Zonen 141a und 141b vorhanden sind, welche die beiden notwendigen elektrischen Anschlüsse für den- LED-Chip 145a ermöglichen. Der Abstand in dem sich diese Zonen auf dem flexprint-artigen Träger wiederholen beträgt beispielsweise 2.5 mm oder 3.3 mm.
Alle ersten und zweiten Zonen 141a und 141b des gesamten flexprint-artigen Trägers können analog zu Figur 4 zunächst mit armartigen Fortsätzen 141d untereinander verbunden sein, oder es können ebenfalls bestimmte gewünschte seriell / parallel Konfiguration von vornherein vorgesehen sein, oder es können auch gar keine Verbindungsarme existieren.
Die Zone 141b trägt zudem eine kleine Ausbuchtung, die sich der Zone 141a möglichst weit nähert und später als Kontaktzone 141c für den Drahtbond 145b dient.
Die Zone 141a ist so strukturiert, dass sie in ihrem Innern zunächst weitgehend offen ist, d.h. ein Durchgangsloch 141e aufweist. Diese Öffnung 141e der Zone 141a entspricht einer Öffnung 142b der darauf liegenden isolierenden Kapton-Lage 142.
Die zweite Kupferlage 143 ist im Bereich der Öffnung 142b bzw. 141e geschlossen. Durch einen galvanischen Schritt, bei dem das Wachstum an der geschlossen Kupfer-Fläche 143 beginnt, sind die beiden Öffnungen 142b und 141eder Kapton- und der Kupferlage so mit als Wärmeableit-Schicht dienendem Kupfer 144 gefüllt, dass eine elektrische und thermische Verbindung zwischen der zweiten Kupfer-Lage 143 und der ersten Kupferlage 141 entsteht und dass die Unterseiten des galvanischen Kupfers 144 und der ersten Kupfer-Lage 141 im Wesentlichen wieder eine Ebene bilden.
Die zweite Kupferlage 143 ist so strukturiert, dass sie einzelne Inseln bildet, deren Umfang in Form und Grosse im Wesentlichen demjenigen der später zu setzenden Blenden- oder hohlspiegel artigen Elemente 146 entspricht. Zudem weist jede dieser „Inseln" in der Nähe ihrer Mitte eine Öffnung 143b auf.
Durch diese Öffnung 143b und eine entsprechende Öffnung 142c in der isolierenden Kapton-Lage 142 wird zu einem späteren Zeitpunkt ein Drahtbond 145b hinunter auf die zweite Kontaktfläche 141c geführt.
Die Kontaktzonen 141b, 141c und 143 sind in der Regel, mindestens teilweise, mit mindestens einer - nicht gezeigten - zusätzlichen metallischen Schicht bzw. Schichtfolge versehen, die beispielsweise aus Ag oder Ni/Au/Pa besteht und deren Oberflächen die eigentlichen elektrischen Kontaktflächen bilden und die bei einer ganzflächigen Beschichtung beispielsweise als Spiegelflächen wirken.
Bezüglich der Kontaktierung von LED -Kontaktflächen auf deren Oberseite und eventuell auch auf der Unterseite mittels Löten und/oder Kleben und bezüglich der Ausformung, Montage und Füllung des blenden- oder hohlspiegelartigen Körpers 46 gelten dieselben Erwägungen wie zur vorstehenden Ausführungsform. Auch der Ansatz der Figur 7 zeigt in Summe einen Aufbau, bei dem in einer Array- Anordnung zum Beispiel 16 LED-Chip 145a pro cm2 angeordnet sind, wobei jeder LED-Chip 145a einen schützenden blenden- oder hohlspiegelartige Körper 146 mit temperaturfester, schützender transparenter Füllung besitzt. Dank der beliebig nachträglich auftrennbaren Verbindungsarme 141d und dank der durch den flexprint- artigen Träger gewährleisteten Zerschneidbarkeit in beliebige funktionsfähige Untergruppen realisiert er eine kundenspezifische Einsatz-Flexibilität von hohem Masse.
Da von dem LED-Chip 145a ein im Wesentlicher metallischer Warmeleitpfad direkt und auf kürzesten Wege (ca. 100 μm) zur Rückseite des gesamten Aufbaus und zusätzlich ein im Wesentlichen metallischer Warmeleitpfad mit grossem Querschnitt zu dem metallischen blenden- oder hohlspiegelartige Körper 146 und damit zur Vorderseite des gesamten Aufbaus führt, wird eine unübertroffene Temperaturfestigkeit und Wärmeableitung gewährleistet.
Messungen an entsprechenden Aufbauten haben gezeigt, dass ein entsprechender Aufbau über mindestens 2000 Stunden ohne messbaren Verlust an Helligkeit auch noch bei Temperaturen um 100°C mit LED-Strömen betrieben, die ca. das Dreifache der von bekannten Chip- oder LED-Lampen Herstellern angegebenen maximal zulässigen Strömen bei 40°C betragen.
Der Aufbau der Figur 7 weist die Eigenschaft auf, dass die beide elektrische Kontaktflächen 141a bzw. 144 und 141b bis an die untere Seite des Aufbaus reichen. Dies ist immer dann von Vorteil, wenn das Array in einzelne gehäuste LED-Chip im Sinne einer SMD-LED-Lampe oder in kleine Gruppen von gehäusten LED-Chip zerschnitten werden soll, die dann später - allenfalls zusammen mit Elektronikbauteilen - mittels SMD-Technik auf eine Leiterplatte aufgebracht werden sollen.
Er ist auch dann von Vorteil, wenn ein grosses Array von gehäusten LED-Chips sehr komplex in beispielsweise in einander verschachtelte serielle und/oder parallele Gruppen verschaltet werden soll. In diesem Falle kann das LED-Array nach Figur 4 - bei dem allenfalls keine Verbindungsarme 141d ausgebildet sind - beispielsweise mit einer die gewünschte Verschaltung sicherstellenden Leiterplatte beispielsweise mittels SMD-Technik vereinigt werden.
Figur 8 zeigt das Prinzip des Spezialfalles eines streifenförmigem LED-Arrays, bei zu dessen Herstellung die noch kostengünstigere Lead-Frame-Technik zum Einsatz kommen kann.
Zunächst ist das Prinzip eines metallischen, leadframe-artigen Trägers 151 erläutert, der als sehr langes Band, „ab Rolle, verwendet werden kann.
Vorzugsweise ist der Träger, beispielsweise mittels Stanzen oder Ätzen, aus Kupfer oder aus Aluminium gefertigt.
Die gestrichelten Linien 152a bis 152d sind die Trennlinien entlang derer der Träger 151 zu einem späteren Zeitpunkt zerschnitten werden kann.
Es entstehen innerhalb des durch die Trennlinien 152a bis 152d definierten
Rechtecks offensichtlich zwei elektrisch voneinander unabhängige Zonen, eine grossflächige Zone 152 und eine kleinflächige Zone 153, die natürlich zu dem angesprochenen späteren Zeitpunkt durch zusätzliche, elektrisch isolierende Elemente zusammen gehalten werden.
Die beiden Zonen 152 und 153 sind in der Regel, mindestens teilweise, mit mindestens einer zusätzlichen, nicht gezeigten metallischen Schicht bzw. Schichtfolge versehen, die beispielsweise aus Ag oder Ni/Ag/Pa besteht und deren Oberflächen die eigentlichen elektrischen Kontaktflächen bilden und die bei einer ganzflächigen Beschichtung beispielsweise als Spiegelflächen wirken.
Im Beispiel ist der LED-Chip 56 mit einer Kontaktfläche auf seiner Unterseite direkt auf die Kontaktfläche 155 des grossflächigen Teils 152 des Trägers 151 montiert. Das bevorzugte Verfahren hierfür ist löten oder eventuell kleben mit einem elektrisch und thermisch gut leitenden Klebstoff. Der zweite elektrische Kontakt auf der Oberseite des LED-Chips ist mit einem so genannten Drahtbond 157 mit der Kontaktfläche 154 der Zone 153 verbunden.
Natürlich kann auch ein LED-Chip zum Einsatz kommen der beide elektrische Kontakte auf seiner Oberseite hat. In diesem Fall wird der erste Kontakt des LED- Chips 156 durch einen weiteren Drahtbond mit der Kontaktfläche 155 der Zone 152 verbunden.
Zusätzlich zu dem metallischen Träger 151, ist ein blenden- oder hohlspiegelartiges Element 158 der bereits beschriebenen Art zu sehen. Dieses ist im Prinzip kubusförmig aufgebaut und besteht vorzugsweise aus einem geeigneten Metall, wie beispielsweise aus Aluminium oder Stahl oder aus einem mit metallischen Partikeln gefüllten Kunststoff. Es kann selbstverständlich auch wie vorstehend bereits gezeigt eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Form aufweisen. Die gestrichelt gezeichneten Pfeile zeigen wie das blenden- oder hohlspiegelartige Element 158 später auf den metallischen Träger 151 zu liegen kommt.
In der gezeichneten und anderen bevorzugten Ausführungsformen kommt der grösste Teil der unteren Fläche des blenden- oder hohlspiegelartigen Elements 158 in direkten Kontakt mit der grossflächigen Zone 152 des metallischen Trägers 151. Die Verbindung zwischen den beiden Elementen 158 und 151 erfolgt vorzugsweise mittels Löten oder Verkleben mit einem, elektrisch und thermisch gut leitenden Klebstoff.
Die blenden- oder hohlspiegelartige innere Fläche 158a umgibt den LED-Chip 156 annähernd vollständig. Die Aussparung 158b sorgt dafür, dass erstens der Drahtbond 157 nicht verletzt wird und dass zweitens die Zone 153 mit der Kontaktfläche 154 nicht in direktem Kontakt mit dem blenden- oder hohlspiegelartigen Element 158 steht.
Nach dem Zusammenfügen der Elemente 151 und 158 wird das blenden- oder hohlspiegelartige geformte innere Volumen 158a des Elementes 158 mindestens teilweise mit einem transparenten Material wie Silikon oder amorphem Fluorpolymer (z.B. Teflon AF) gefüllt. Dies geschieht so, dass die Aussparung 158b und die, die beiden Zonen 152 und 153 trennende Aussparung ebenfalls gefüllt werden. Ein anschliessendes mindestens teilweises Aushärten der Füllung sorgt für einen zuverlässigen Zusammenhalt des gesamten Gehäuses.
Nach dem Zusammenfügen und einem anschliessenden Trenn der gehäusten LED- Chip 56 bilden die Unterseiten der Zonen 152 und 153 des metallischen Trägers 151 die Kontaktflächen zu einem sekundären Träger hin. Die Erfindung kann in mancher Hinsicht abgeändert werden. Beispielsweise ist es nicht ausgeschlossen, dass optisches Element und Trägerelement bis auf eine zweite Kontaktfläche einstückig ausgeformt sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Gehäuse für einen LED-Chip, aufweisend ein hohlspiegelartiges oder blendenartiges optisches Element, wobei von einer Befestigungsfläche für den LED-Chip zu gegen aussen offenen Flächen des optischen Elementes ein durchgängiger Warmeleitpfad besteht, in dem Sinne, dass jedes der diesen Warmeleitpfad konstituierenden Elemente entweder voll metallisch ist oder mit Metall gefüllter Kunststoff ist und die genannten Elemente in Summe einen durchgängigen Kühlkörper für den LED-Chip bilden.
2. Gehäuse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein die Befestigungsfläche aufweisendes Trägerelement zur Befestigung und elektrischen Kontaktierung des LED-Chip.
3. Gehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement mindestens teilweise metallisch ist und dass zwischen einer Befestigungsstelle für den LED-Chip auf einer Vorderseite und mindestens 50% einer offenen Rückseite des Trägerelementes ein durch Metall oder mit Metall gefülltem Kunststoff gebildeter Warmeleitpfad besteht.
4. Gehäuse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement abschnittweise plattenartig ist.
5. Gehäuse nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement vollständig metallisch, vorzugsweise hauptsächlich aus, allenfalls ganz oder lokal mit zusätzlichen Metallen beschichtetem, Kupfer ist
6. Gehäuse nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement in einer Umgebung des LED-Chip so beschichtet ist, dass es eine Spiegelfläche bildet.
Gehäuse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement in einer Umgebung des LED-Chip so ausgeformt und beschichtet ist, dass es eine hohlspiegelartige Zone bildet.
8. Gehäuse nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement in einem Umgebung des LED-Chip so ausgeformt ist, dass der LED-Chip von einer Grundfläche des Trägerelements abgehoben ist.
9. Gehäuse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element bis zur Grundfläche des Trägerelements und damit bis unterhalb des LED-Chip reicht.
10. Gehäuse nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen optischem Element und Trägerelement zu mindestens 50% metallisch ist.
11. Gehäuse nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Trägerelement Leadframe-artig ist und mittels Hinterfüllen entsprechender Öffnungen so mit dem optischen Element verbunden ist, dass nach dem Zerschneiden des Leadframes eine zusammenhängende Einheit vorhanden ist.
12. Gehäuse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterfüllung ein optisch transparentes Material oder mit Partikeln einer Grösser kleiner als die Lichtwellenlänge versetztes transparentes Material ist, das so in das hohlspiegelartige oder blendenartige optische Element eingefüllt wird, dass nicht nur die gewünschte Verbindung der Leadframe-Abschnitte, sondern zusätzlich eine optisch aktive Oberfläche innerhalb des hohlspiegelartigen oder blendenartige optische Elementes und ein Schutz des LED-Chip und seiner elektrischen Verbindungen entsteht.
13. Gehäuse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterfüllung des hohlspiegelartigen oder blendenartigen optischen Elementes mit optisch transparentem Material so gemacht ist, dass einerseits die gewollte optische Wirkung und die Schutzfunktion des transparenten Füllmaterials gewährleistet ist, anderseits aber das Füllmaterial eine so geringe Dicke aufweist, dass das hohlspiegelartige oder blendenartige optischen Element nicht vollständig füllt, wodurch erstens der Warmeleitpfad durch das transparente Füllmaterial möglichst kurz ist und zweitens allenfalls die offene Fläche des hohlspiegelartigen oder blendenartigen optischen Elementes maximiert ist.
14. Gehäuse nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Hinterfüllung verwendete optisch transparente Material ein bis zu Dauertemperaturen von mindestens 150°C stabiles, gegen UV-Strahlen unempfindliches und vorzugsweise dauerelastisches Material wie beispielsweise Silikon oder amorphes Teflon AF ist.
15. Gehäuse nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Hinterfüllung verwendete optisch transparente Material ein bis zu Dauertemperaturen von mindestens 150°C stabiles, gegen UV-Strahlen unempfindliches und vorzugsweise dauerelastisches Material wie beispielsweise Silikon oder amorphes Teflon AF ist, das mit kleinen Partikel (Durchmesser 1 μm bis 100 μm) eines anorganischen optisch transparenten Materials gefüllt ist, das eine gute Wärmeleitfähigkeit und vorzugsweise einem Brechungsindex > 1.8 aufweist, wie dies beispielsweise bei Diamant oder Titanoxyd der Fall ist.
16. . Gehäuse nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Hinterfüllung verwendete optisch transparente Material ein bis zu Dauertemperaturen von mindestens 150°C stabiles, gegen UV-Strahlen unempfindliches und vorzugsweise dauerelastisches Material wie beispielsweise Silikon oder amorphes Teflon AF ist, das mit nanostrukturierten - im Durchmesser kleineren als die Wellenlänge sichtbaren Lichtes - Partikeln eines anorganischen optisch transparenten Materials gefüllt ist, das eine gute Wärmeleitfähigkeit und vorzugsweise einem Brechungsindex > 1.8 aufweist, wie dies beispielsweise bei Diamant oder Titanoxyd der Fall ist.
17. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element vollständig metallisch ist
18. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Aussenflächen des optischen Elementes zur Verbesserung des Wärmeübergangs an das umgebende Medium die Oberfläche vergrössernde Elemente, wie beispielsweise Rippen, aufweist.
19. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element als den LED-Chip bezüglich einer Hauptabstrahlrichtung lateral vollständig umgebendes und ihn an Höhe überragendes Element ausgebildet ist.
20. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hohlspiegelartige oder blendenartige optische Element und/oder die optisch wirksame Oberfläche einer optisch transparenten Füllung so gestaltet sind, dass bei einer Licht emittierenden Fläche des LED-Chip von bis ungefähr 0.3 x 0.3 mm, bei einer Grundfläche des fertigen Gehäuses von höchstens 1.5 x 1.5 mm und einer Höhe von höchstens 1-.5 mm ein Lichtaustrittswinkel von höchstens ± 30° entsteht, oder dass bei einer Licht emittierenden Fläche des LED-Chip von bis ungefähr 0.3 x 0.3 mm, bei einer Grundfläche des fertigen Gehäuses von höchstens 2 x 2 mm und einer Höhe des fertigen Gehäuses von höchstens 2 mm ein Lichtaustrittswinkel von höchstens ± 20° entsteht, oder dass bei einer Licht emittierenden Fläche des LED-Chip von bis ungefähr 0.3 x 0.3 mm sowie bei einer Grundfläche des fertigen Gehäuses von höchstens 4 x 4 mm und einer Höhe von höchstens 4 mm ein Lichtaustrittswinkel von höchstens ± 10° entsteht, wobei jeweils der Lichtaustrittswinkel so definiert ist, dass ausserhalb dieses Winkels die auf den hellsten Winkelbereich bezogene Lichtintensität kleiner als 50% ist.
21. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hohlspiegelartige optische Element und/oder die optisch wirksame Oberfläche einer optisch transparenten Füllung so gestaltet sind, dass bei einer Licht emittierenden Fläche des LED-Chip von bis ungefähr l x l mm, bei einer Grundfläche des fertigen Gehäuses von höchstens 4 x 4 mm und einer Höhe von höchstens 3 mm ein Lichtaustrittswinkel von höchstens ± 30°, oder dass bei einer Licht emittierenden Fläche des LED-Chip von bis ungefähr l x l mm bei einer Grundfläche des fertigen Gehäuses von höchstens 7 x 7 mm und einer Höhe von höchstens 6 mm ein Lichtaustrittswinkel von höchstens ± 20°, oder bei einer Licht emittierenden Fläche des LED-Chip von bis ungefähr l x l mm sowie einer Grundfläche des fertigen Gehäuses von höchstens 10 x 10 mm und einer Höhe von höchstens 12 mm ein Lichtaustrittswinkel von höchstens ± 10° entsteht, wobei Lichtaustrittswinkel so definiert ist, dass ausserhalb dieses Winkels die auf den hellsten Winkelbereich bezogene Lichtintensität kleiner als 50% ist.
22. Gehäuse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlspiegel des optischen Elementes durch eine spiegelnde, den LED- Chip umgebende Fläche gebildet wird, wobei die spiegelnde Fläche vorzugsweise rotationssymmetrisch ist, und wobei eine Symmetrieachse des Hohlspiegels vorzugsweise senkrecht zur Befestigungsfläche ist.
23. Gehäuste LED, aufweisend einen mit elektrischen Kontakten versehenen LED- Chip und ein Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 22.
24. Gehäuste LED nach Anspruch 23, wobei das Gehäuse ein Trägerelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen LED-Chip und Trägerelement voll metallisch, also beispielsweise gelötet ist.
25. Gehäuste LED, aufweisend einen LED-Chip und ein optisches Element zum Kollimieren oder Fokussieren von vom LED-Chip ausgesandtem Licht, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element einen den LED bezüglich einer Hauptabstahlrichtung lateral umgebenden Hohlspiegel aufweist.
26. Gehäuste LED nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element mindestens teilweise metallisch ist und den LED-Chip an Höhe überragt.
27. Gehäuste LED nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass sein Gehäuse das kennzeichnende Merkmal eines der Ansprüche 2 bis 22 aufweist.
28. Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von gehäusten LEDs, welche je ein Trägerelement zur Befestigung und elektrischen Kontaktierung eines LED- Chip aufweisen, wobei ein grossflächiger oder langer Träger vorstrukturiert wird, wobei LED-Chips am Träger befestigt und elektrisch kontaktiert werden, und wobei der träger anschliessend mit einer Vielzahl von blenden- oder hohlspiegelartigen optischen Elementen versehen und in einzelne Trägerelemente zertrennt wird, wobei das Zertrennen vor oder nach dem Anbringen der hohlspiegelartigen optischen Elemente geschehen kann.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass anschliessend an das Aufbringen der optischen Elemente Öffnungen in diesem mit transparentem Material oder mit Teilchen der Grosse von weniger als einer Wellenlänge versetztem transparentem Material hinterfüllt werden.
30. Lichtquelle, aufweisend ein Trägerelement und ein auf Befestigungsflächen des Trägerelements vorhandenes Array von elektrisch kontaktierten LED- Chips und pro LED-Chip bzw. Einheit von mehreren LED-Chips ein hohlspiegelartiges oder blendenartiges optisches Element, wobei von einer Befestigungsfläche des bzw. der LED-Chips zu gegen aussen offenen Flächen des optischen Elementes ein durchgängiger Warmeleitpfad besteht, in dem Sinne, dass jedes der diesen Warmeleitpfad konstituierenden Elemente entweder voll metallisch ist oder mit Metall gefüllter Kunststoff ist und die genannten Elemente in Summe einen durchgängigen Kühlkörper für den LED- Chip bilden.
31. Lichtquelle nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement mindestens teilweise metallisch ist und dass zwischen einer Befestigungsstelle für den LED-Chip bzw. die LED-Chips auf einer Vorderseite und mindestens 50% einer offenen Rückseite des Trägerelementes ein durch Metall oder mit Metall gefülltem Kunststoff gebildeter Warmeleitpfad besteht.
32. Lichtquelle nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement abschnittweise plattenartig, im Sinne eines flächigen Flex-Prints oder eines streifenförmigen Leadframes, ist.
33. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 30-32, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement im Wesentlichen metallisch in dem Sinne ist, dass es mindestens eine - vorzugsweise hauptsächlich aus, allenfalls ganz oder lokal mit zusätzlichen Metallen beschichtetem, Kupfer bestehende - Metalllage aufweist, welche am Ort des bzw. der LED-Chips eventuell vorhandene nicht metallische Lagen, so durchdringt, dass die Fläche der Durchdringung mindestens der Chip-Fläche entspricht und dass Metall auf beiden Seiten des Trägerelementes an die Oberfläche tritt.
34. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 30-33, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement in einer Umgebung des LED-Chip so beschichtet ist, dass es eine Spiegelfläche bildet.
35. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 30-34, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen optischem Element und Trägerelement zu mindestens 50% metallisch ist, indem sie beispielsweise gelötet ist.
36. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 30-35, dadurch gekennzeichnet, dass eine Füllung des hohlspiegelartigen oder blendenartigen optischen Elementes mit optisch mindestens teilweise transparentem Material vorhanden ist, die entweder das hohlspiegelartige oder blendenartige optische Element ganz ausfüllt, oder vorzugsweise eine so geringe Dicke aufweist, dass sie das hohlspiegelartige oder blendenartige optischen Element nicht vollständig füllt.
37. Lichtquelle nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu Dauertemperaturen von mindestens 150°C stabil, dauerelastisch und vorzugsweise gegen UV-Strahlen unempfindlich ist beispielsweise Silikon oder amorphes Teflon AF.
38. Lichtquelle nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch transparente Material mit kleinen Partikeln mit einem Durchmesser 1 μm bis 100 μm eines anorganischen optisch transparenten Materials gefüllt ist, das beispielsweise eine gute Wärmeleitfähigkeit und/oder vorzugsweise einen Brechungsindex > 1.8 aufweist, wie dies beispielsweise bei Diamant oder Titanoxyd der Fall ist.
39. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 36 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch transparente Material mit nanostrukturierten, das heisst im Durchmesser kleineren als die Wellenlänge sichtbaren Lichtes, Partikeln eines anorganischen optisch transparenten Materials gefüllt ist, das vorzugsweise eine gute Wärmeleitfähigkeit und einem Brechungsindex > 1.8 aufweist, wie dies beispielsweise bei Diamant oder Titanoxyd der Fall ist.
40. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 30-39, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element vollständig metallisch ist.
41. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 30-40, dadurch gekennzeichnet, dass Aussenf lachen des optischen Elementes zur Verbesserung des Wärmeübergangs an das umgebende Medium die Oberfläche vergrössernde Elemente, wie beispielsweise Rippen, aufweisen.
42. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 30-41, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element als den LED-Chip bzw. die Einheit von LED-Chips bezüglich einer Hauptabstrahlrichtung lateral vollständig umgebendes und ihn an Höhe überragendes Element ausgebildet ist.
43. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 30-42, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlspiegel des optischen Elementes durch eine spiegelnde, den LED-Chip bzw. die Einheit von LED-Chips umgebende Fläche gebildet wird, wobei die spiegelnde Fläche vorzugsweise rotationssymmetrisch ist, und wobei eine Symmetrieachse des Hohlspiegels vorzugsweise senkrecht zur Befestigungsfläche ist.
44. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 30-43, gekennzeichnet durch erste und zweite Kontaktzonen zur elektrischen Kontaktierung der LED-Chips, wobei mindestens von den ersten Kontaktzonen ein durchgehend metallischer Warmeleitpfad zu einer Rückseite des Trägerelements besteht.
45. Lichtquelle nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass auch von den zweiten Kontaktzonen zu der Rückseite des Trägerelements eine elektrische Verbindung besteht.
46. Lichtquelle, insbesondere nach einem der Ansprüche 30-45, aufweisend ein Trägerelement und darauf aufgebracht ein Array von LED-Chips, wobei das Trägerelement in Trägerelement-Bereiche unterteilbar ist und jedem LED-Chip bzw. jeder Einheit von mehreren nebeneinander angeordneten, beispielsweise in verschiedenen Spektralbereichen emittierenden LED-Chips genau ein Trägerelement-Bereich zugeordnet ist und wobei ein Trägerelement-Bereich eine erste und eine zweite Kontaktzone zur elektrischen Kontaktierung der LED-Chips aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Kontaktzone miteinander elektrisch verbunden sind
47. Lichtquelle nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Kontaktzone durch Abtrennen des Trägerelement-Bereichs vom Rest des Leuchpaneels voneinander elektrisch isolierbar sind..
48. Gehäusung für eine Lichtquelle nach einem der Ansprüche 30-47 mit einem Trägerelement mit Befestigungsflächen für ein Array von LED-Chips oder Einheiten von je mehreren LED Chips und pro LED-Chip bzw. Einheit ein hohlspiegelartiges oder blendenartiges optisches Element, wobei von einer Befestigungsfläche des bzw. der LED-Chips zu gegen aussen offenen Flächen des optischen Elementes ein durchgängiger Warmeleitpfad besteht, in dem Sinne, dass jedes der diesen Warmeleitpfad konstituierenden Elemente entweder voll metallisch ist oder mit Metall gefüllter Kunststoff ist und die genannten Elemente in Summe einen durchgängigen Kühlkörper für den LED- Chip bilden.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202011104223U1 (de) 2011-05-13 2011-11-02 Ledwell S.R.O. Leuchte, insbesondere Reflektor, mit ausgerichtetem Lichtfluss

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007147278A2 (de) * 2006-06-21 2007-12-27 Gerhard Staufert Led-lichtquelle und verfahren
DE102008045653B4 (de) 2008-09-03 2020-03-26 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronisches Bauteil
DE102009055765A1 (de) * 2009-09-30 2011-03-31 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optisches oder optoelektronisches Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung
US10340432B2 (en) 2014-12-30 2019-07-02 Lumileds Llc LED package with integrated features for gas or liquid cooling

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59207674A (ja) * 1983-05-10 1984-11-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 送光装置
AU2002218797A1 (en) * 2000-07-12 2002-01-21 Hella Fahrzeugteile Austria Gmbh & Co Kg Lamp with an led light source
EP1187226B1 (de) * 2000-09-01 2012-12-26 Citizen Electronics Co., Ltd. Oberflächenmontierbare LED und Herstellungsverfahren dafür
US6874910B2 (en) * 2001-04-12 2005-04-05 Matsushita Electric Works, Ltd. Light source device using LED, and method of producing same
CN1464953A (zh) * 2001-08-09 2003-12-31 松下电器产业株式会社 Led照明装置和卡型led照明光源
JP2005502214A (ja) * 2001-09-13 2005-01-20 ルーツェア・アクチェンゲゼルシャフト 発光パネルおよび搬送プレート
JP3768864B2 (ja) * 2001-11-26 2006-04-19 シチズン電子株式会社 表面実装型発光ダイオード及びその製造方法
GB0203588D0 (en) * 2002-02-14 2002-04-03 Enfis Ltd A light system
AU2003297588A1 (en) * 2002-12-02 2004-06-23 3M Innovative Properties Company Illumination system using a plurality of light sources

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2005101489A3 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202011104223U1 (de) 2011-05-13 2011-11-02 Ledwell S.R.O. Leuchte, insbesondere Reflektor, mit ausgerichtetem Lichtfluss

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