EP2269237A2 - Led-modul mit kalottenförmiger farbkonversionsschicht - Google Patents

Led-modul mit kalottenförmiger farbkonversionsschicht

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EP2269237A2
EP2269237A2 EP09737877A EP09737877A EP2269237A2 EP 2269237 A2 EP2269237 A2 EP 2269237A2 EP 09737877 A EP09737877 A EP 09737877A EP 09737877 A EP09737877 A EP 09737877A EP 2269237 A2 EP2269237 A2 EP 2269237A2
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EP
European Patent Office
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led module
led
module according
light
led chip
Prior art date
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Ceased
Application number
EP09737877A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Oberleitner
Krisztian Sasdi
Erwin Baumgartner
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.)
Lumitech Patentverwertung GmbH
Tridonic GmbH and Co KG
Original Assignee
Ledon Lighting Jennersdorf GmbH
Lumitech Produktion und Entwicklung GmbH
Tridonic Jennersdorf GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Ledon Lighting Jennersdorf GmbH, Lumitech Produktion und Entwicklung GmbH, Tridonic Jennersdorf GmbH filed Critical Ledon Lighting Jennersdorf GmbH
Publication of EP2269237A2 publication Critical patent/EP2269237A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates generally to the field of LED modules, i. Modules in which an LED chip ('LED die') is applied to a carrier, generally platform.
  • LED modules i. Modules in which an LED chip ('LED die') is applied to a carrier, generally platform.
  • a transparent layer to the LED chip in such LED modules by known techniques (for example, Stenzeltechnik) ("Dispensing").
  • the LED chip There are different technologies for mounting the LED chip on the platform.
  • COB chip-on-board
  • SMT Surface Mount Technology
  • the chip is usually surrounded with a reflective material to reduce the amount of light that could otherwise be lost by scattering effects.
  • the entirety of the material surrounding the LED chip is referred to as a 'package'.
  • Task of the 'Packages' is, in addition to improving efficiency through Pre-alignment of the emitted light by means of reflective surfaces (ceramic, metal, etc.) in particular to ensure the electrical supply of the LED chip (for example, by vias through the package or bonding wires) and to ensure effective heat dissipation from the LED chip to the environment ,
  • the transparent dispensing material for example, silicone and epoxy resin is known.
  • the transparent dispensing material may optionally contain wavelength-converting substances (hereinafter referred to as phosphors), scattering particles for better mixing of the converted spectrum with the spectrum originally emitted by the LED chip and additives for adapting rheological parameters such as viscosity, storage modulus and loss modulus.
  • phosphors wavelength-converting substances
  • scattering particles for better mixing of the converted spectrum with the spectrum originally emitted by the LED chip
  • additives for adapting rheological parameters such as viscosity, storage modulus and loss modulus.
  • the uncured mixture of the dispensing material with optionally incorporated phosphors ("phosphors"), viscosity additives, etc. is hereinafter also referred to as 'paste'.
  • EP1786045A2 it is known to apply a dispensing layer via an LED chip mounted in a recess of a platform by means of a dispensing process.
  • an LED module comprising:
  • At least one LED chip that emits monochromatic light of a first spectrum
  • a platform onto which the LED chip is applied a reflective wall formed separately or integrated with the platform, the LED chip surrounding on all sides, and
  • the dispensing layer extends in a dome-shaped manner beyond the reflecting wall such that the following equation is satisfied: 0, 1 * bl ⁇ h1 ⁇ 0.5 * bl where h1 is the elevation of the dome-shaped
  • Dispens Mrs measured from the uppermost point of the reflective wall to the apex of the dome, and bl the diameter of the recess formed by the reflective wall, measured as the distance of the center axis of the wall is.
  • the dispensing layer is, for example, a color conversion layer with phosphor particles, which partially convert the first spectrum of the LED chip into light of a second spectrum, wherein the LED module emits a mixed light of the first and the second spectrum.
  • the dispensing layer may have scattering particles.
  • the dispensing layer may have viscosity-increasing substances, such as, for example, silica.
  • the equation satisfies 0.15 * 231 ⁇ hl ⁇ 0.3 * bl or 0.2 "-jbl ⁇ hl ⁇ 0.25 * bl.
  • hl is greater than 200 ⁇ m, preferably greater than 250 ⁇ m, more preferably greater than 300 ⁇ m.
  • the platform can, for example, be manufactured on the basis of silicon.
  • the outer edges of, for example, square or rectangular LED module may have a length in the range of 2mm to 3mm.
  • the maximum diameter b2 of the calotte can be, for example, at most 10%, preferably 5% smaller than the distance bl of the center axis of the wall.
  • the distance from the LED chip to the reflective wall is at most 0.5 mm. Optimally, this is in the range between 0.1 mm and 0.2 mm.
  • the reflective wall may be vertically aligned.
  • the reflective wall may form a frame that surrounds the at least one LED chip.
  • the invention proposes an LED module comprising:
  • At least one LED chip that emits monochromatic light of a first spectrum
  • the distance from the light-emitting diode chip to the reflective wall is a maximum of 0.5 mm, preferably it is in the range between 0.1 mm and 0.2 mm.
  • the dispensing layer is, for example, a color conversion layer with phosphor particles, which partially convert the first spectrum of the LED chip into light of a second spectrum, wherein the LED module emits a mixed light of the first and the second spectrum.
  • the dispensing layer may have scattering particles.
  • the dispensing layer may have viscosity-increasing substances, such as, for example, silica.
  • the dispensing layer preferably has a flat, concave or convex surface on the side facing away from the platform.
  • the assembly consisting of the LED chip, the dispensing layer and the reflective wall may be surrounded by optics formed by a lens.
  • the reflective wall is preferably oriented vertically.
  • the reflective wall forms a frame that surrounds the at least one LED chip.
  • the invention also relates to an LED module arrangement, comprising a plurality of connected to a common platform LED modules of the type mentioned above.
  • the dispensing layers overlap with the reflector walls, adjacent dispensing layers do not run into each other and are spaced from each other on a common reflector wall.
  • the dispensing layer can be applied, for example, with a viscosity of more than 50 PaS, preferably between 60 and 80 PaS.
  • the dispensing layer can be applied at a pressure of more than 10 bar, preferably less than 15 to 20 bar.
  • a higher pressure is advantageous because the flow behavior during dispensing is improved by high pressure in the short term.
  • the storage modulus of the dispensing layer may be between 500-1000, preferably 500-1000 when applied.
  • FIG. 1 shows a lateral sectional arrangement of a first exemplary embodiment of an LED module according to the invention
  • 2 shows a second embodiment of an LED module according to the invention
  • 3a-3c is a diagram for explaining the geometric dimensions of the
  • Color conversion used color conversion material in three different embodiments
  • Fig. 5a u. 5b shows a fourth embodiment of an LED module according to the invention.
  • Fig. 6 is a plan view of an inventive arrangement of LED modules.
  • an LED module 1 has, for example, a wafer-like platform 2, which can be manufactured, for example, on silicon basis. On the top 3 of this platform 2, an LED chip 4 is arranged. However, it is also possible to use several LED chips in the LED module. The use of OLEDs is also conceivable.
  • a SiC 2 layer may be applied.
  • ie electrodes 5, 5 'on the top of the LED chip 4 are by means of bonding wires 6, 6' with metallization pads 7, 7 'on the top of the platform 2 electrically connected.
  • a reflector wall 9 Surrounding the side of the LED chip 4 at a defined distance, a reflector wall 9 is provided, which may likewise consist of silicon.
  • This reflector wall 9 may be integrally formed with the platform 2 (for example, by an etching process), or be placed on the platform 2 as a separate component. In this way, the reflector wall 9 form a frame that surrounds the at least one LED chip 4.
  • at least the inner walls 10 of this reflector wall 9 are inclined at an angle ⁇ .
  • these inner sides 10 are also formed reflective, for example by polishing these surfaces or by coating, for example with a metal layer.
  • the reflector wall may, for example, have a reflector made of Teflon.
  • the top 13 of each reflector wall 9 is preferably flat.
  • a dispensing layer 11 is applied above the LED chip 4, which a dispensing layer 11 is applied.
  • This dispensing layer 11 fills the space defined by the reflector wall 9, which therefore lies partially laterally of the LED chip 4 and partially above it.
  • the dispensing layer 11 extends beyond an elevation hi in the form of a cap beyond the highest point of the reflector wall 9.
  • This highest point of the reflector wall 9 is arranged in Fig. 1 such that it at a height h 2 over the top of the platform 2 is located. More precisely, the height hi denotes the elevation of the vertex 12 of the dome-shaped dispensing layer over the highest point of the reflector wall 9.
  • the width of the base of the dome ie the diameter of the dome at the top of the reflector wall 9 is indicated in Fig. 1 with b 2 .
  • bj denotes the width (i.e., the diameter of round shape) of the highest point of the inclined inner sides 10 of the reflector wall 9.
  • the diameter of the preferably circular reflector wall 9 is designated, measured on the inside at the center line, which divides the upper side 13 of the reflector wall 9 in half.
  • the width bl therefore corresponds to the diameter of the circular reflector wall 9, measured on the vertical axis of symmetry of the reflector wall.
  • the diameter b 2 that is, the diameter of the base of the dome 11 is selected such that it is at most 10%, preferably 5% or even less than the diameter bl.
  • the calottes almost adjoin one another, but without running into one another.
  • the dome-shaped dispensing layers overlap with the upper side 13 of the preferably flat reflector wall.
  • the coupling efficiency of the light can be increased, this effect being higher according to the invention
  • the efficiency gain of the light exit is greater than, for example, for blue or green LEDs, the larger the ratio hl / bl, and
  • the fewer phosphors are contained in the dispensing matrix, i. With the same chip and chip power, the efficiency gain is higher for transparent, monochromatic LEDs (i.e., without converting phosphors) than for corresponding color-converted LEDs.
  • red LEDs 30-40% blue LEDs: 20-30% white LEDs: 6,500 k) 12-17%
  • a dispensing layer with high convexity is achieved by, on the one hand, adding viscosity-increasing substances, for example, to the silicone matrix.
  • These viscosity-increasing substances may be, for example, coated or uncoated silica.
  • the Dispensrea very high shear forces are generated using Dispensnadeln and a high dispensing pressure, whereby a short-term flow of otherwise high-viscosity paste is possible.
  • the high convexity also has a positive effect on the color homogeneity of the light in white light LEDs.
  • homogeneity is understood to mean how much the color temperature changes when viewed in a polar diagram over the different emission angles.
  • the path of light through the highly convex layer at the edge of the dispensing layer is substantially the same as the path at the center of the dispensing layer.
  • the reflector wall 9 does not have to be round or elliptical in plan view, but rather may be square or rectangular.
  • the illustrated in Fig. 2 and provided with the reference numeral 1 LED module shows a further embodiment of the LED module according to the invention.
  • the dispensing layer 11, ie the color conversion material can have a flat surface.
  • a lens 20 is set on the reflector wall 20.
  • the LED module first again at least one - preferably blue light-emitting LED chip 4, which is on a platform 2, ie a base, arranged, which has an insulating layer 22 and an electrically conductive layer with traces 23, wherein leads this bonding wires 6 for contacting the light-emitting diode chip 4 to the top side leads.
  • the base 2 could also be configured in another way. In particular, special measures could be taken which enable effective heat dissipation from the light-emitting diode chip 4.
  • a color conversion material 11 is provided, which surrounds the light-emitting diode chip 4 and has color conversion particles, in particular phosphors, which convert at least part of the light into light of a different wavelength implement.
  • a reflective wall 9 which may be formed for example by a metallic reflector or diffuse reflective and this example, Teflon or barium sulfate.
  • the reflective wall 9 is already mounted at a distance of less than 0.5 mm around the light-emitting diode chip 4, optimally it is approximately 0.1 mm to 0.2 mm from the side surfaces of the light-emitting diodes - Chips 4 removed.
  • the wall 9 in this way again forms a border around the LED chip frame. It is conceivable that such a frame still has a second area. This could be used as a special protection for the bonding wire 6.
  • This means that the region of the conductor track 23, which is electrically contacted with the bonding wire, is bordered by the second frame region and thus protected.
  • the second frame region is filled with a means, for example with silicone, after the bonding wire has been contacted with the conductor track during manufacture of the LED module.
  • the - preferably vertically oriented reflective wall 9 is laterally emitted from the light-emitting diode chip 4 radiated light again and thus initially restricted the size of the light-emitting surface to the upper opening of the reflector 9. Further, light leaking laterally from the light emitting diode chip 4 is partially converted in the surrounding color conversion material 11, or that portion which was not absorbed and reacted upon first passing through the phosphor particles is reflected on the reflection wall 9 is reflected and subsequently returned again until this light has a white spectral distribution and emerges at the top of the color conversion material 11.
  • the arrangement consisting of the LED chip 4, the color conversion material 11 and the reflector 9 is finally surrounded by an optic, which is formed by a lens 20 which encloses the arrangement.
  • the lens 20 is designed such that it only has a curved surface in its upper region in order to image the light emerging at the top of the color conversion material 11 in the desired manner.
  • the lower cylindrical portion of the lens has no optical function, since due to the confinement of the light emitting area by means of the reflector 9 in these areas no light leaks anyway.
  • the reflector 9 thus makes it possible to use a very simple and compact designed lens which, in spite of everything, completely reflects the light emitted by the light-emitting diode chip and if necessary converted by the color conversion material 11.
  • laterally emerging light which has an undesired color mixture and therefore could not be used, is not present in the LED module according to the invention.
  • FIG. 3a shows a part of a third exemplary embodiment of the LED module according to the invention.
  • the distance between the side surface of the light-emitting diode chip 4 and the reflector 9 is denoted by x
  • the distance from the surface of the light-emitting diode chip 4 to the surface of the color conversion material 11 is designated by h.
  • the distance x between the light-emitting diode chip and the reflector 9 is selected to be very small according to the invention and is at most 0.5 mm, preferably only 0.1 mm to 0.2 mm.
  • An upper one Limitation for the height h of the color conversion layer does not exist in principle, since the generation of the mixed light is optimized, the greater the height.
  • the probability of implementing the light emitted by the light-emitting diode chip 4 is proportional to the path length of the light through the color conversion material 11, so that the greatest possible thickness should be sought to achieve a homogeneous light output.
  • an upper limit for the thickness h of 3 mm is preferably selected, since, overall, the aim is also to achieve the most compact and flat possible configuration of the LED module.
  • a difference from the second exemplary embodiment of an LED module illustrated in FIG. 2 in the arrangement in FIG. 3 a is that now the electrical contacting of the light-emitting diode chip 4 no longer takes place via bonding wires. Instead, the chip 4 is arranged in the illustrated embodiment "face down", ie in an inverted manner The contacting takes place in such a case by means of so-called bumps 24, which directly establish a contact between the layer with the conductor tracks 23 and the surface of the chip 4.
  • bumps 24 directly establish a contact between the layer with the conductor tracks 23 and the surface of the chip 4.
  • the bumps 24 can be electrically connected to metallic vias, for example of Au, Al or Ag, which serve to connect the electrodes of the LED chip 4 to the rear side of the platform 2.
  • FIG. 4 A complete arrangement of a light-emitting diode arrangement in which the reflector 9 with the color conversion material 11 and the light-emitting diode chip 4 is then surrounded by a lens arrangement 20 is shown in FIG. 4.
  • 3b and 3c show further embodiments of the color conversion material 11, which is surrounded by the reflection wall 9. This can, as shown in Figure 3b, also have a concave surface. A convex surface is also conceivable, as shown in FIG. 3c. Furthermore, the
  • LED module here two LED chips 4 each. However, it is also possible to use more or less LED chips.
  • FIGS. 5a and 5b now show a further exemplary embodiment of an LED module 1 according to the invention in which a so-called front lens 21, which is arranged at a distance from the surface of the color conversion material 11, is used.
  • the LED module 1 again initially has the same elements as the embodiment of FIG. 4, wherein the same components are provided with the same reference numerals.
  • spacers 25 on the upper side of the attachment lens 21 is arranged.
  • the height of the spacers 25, which may be formed by a further insulating layer, for example, is selected such that the auxiliary lens 21 is separated from the color conversion material 11 via a small air gap 26. This allows a particularly efficient imaging of the light emanating from the top of the color conversion material 11.
  • the light that exits through the surface of the color conversion material 11 is now coupled into the conversion lens 21 via the air gap 26.
  • the light is distributed throughout the air due to the control of the phosphor material and the refractive index transition from the phosphorus matrix material to air, i. the light output is seen in all directions substantially the same size.
  • This effect is shown in Fig. 5b.
  • the light rays must then be e.g. for a 40 ° lens now be deflected by a maximum of 21.8 °, which can be realized without much effort and in particular can be carried out without major losses.
  • the structure shown with the laterally limited by a reflector color conversion material thus offers the possibility of light - with the exception of Fresnel reflections - almost 100%.
  • the useful light component within a desired target range can thus be increased substantially.
  • a more effective color mixing is achieved, which ensures that even with a lens or other conventional optics white mixed light can be effectively homogeneously displayed.
  • LED modules are arranged adjacent to each other to form an LED module assembly.
  • This LED module assembly has a common platform 2.
  • Adjacent Dispens füren (12, 12 ') may overlap a common reflector wall, without running into each other.
  • a distance a which is smaller than the width 13 of the above-planar reflector wall, exists between two adjacent calotte-shaped dispensing layers.
  • additional optics are used, as shown in Fig. 2, then preferably each individual LED module is covered by such optics. It is also conceivable that several LED modules are covered by a common look. If this optic acts as a diffuser, then the emitted light of these LED modules can be mixed.
  • the invention particularly relates to COB and SMT modules with LED chips. These give rise to the following Advantages, in particular for the embodiment of Fig.l:
  • the chip density on the circuit board can be increased.
  • the individual cavities are densely covered on a Si wafer, on which - in 8-inch wafers - up to several thousand
  • Packing density - the height hi, on the other hand - at a given hi - the packing density can be increased.

Landscapes

  • Led Device Packages (AREA)
  • Optical Measuring Cells (AREA)

Abstract

Ein LED-Modul weist mindestens einen LED-Chip (4), der monochromatisches Licht eines ersten Spektrums aussendet, eine Plattform (2), auf die der LED-Chip aufgebracht ist, eine separat oder integriert mit der Plattform ausgebildete, den LED-Chip allseits umgebende reflektierende Wand (9), und eine über dem LED-Chip aufgebrachte Dispensschicht (11) auf. Die Dispensschicht erstreckt sich dabei kalottenförmig über die reflektierende Wand hinaus, derart, dass die folgende Gleichung erfüllt ist: 0,1*b 1 = h 1 = 0,5*b 1 wobei: h 1 die Überhöhung der kalottenförmigen Dispensschicht, gemessen von dem obersten Punkt der reflektierenden Wand bis zum Scheitel der Kalotte, und b 1 der Durchmesser der durch die reflektierende Wand gebildeten Vertiefung, gemessen als Abstand der Mittenachse der Wand, ist.

Description

LED-Modul mit kalottenföπniger Farbkonversionsschicht
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf das Gebiet von LED-Modulen, d.h. Modulen, bei denen ein LED-Chip ('LED die') auf einem Träger, im allgemeinen Plattform, aufgebracht wird. Unter anderem zum mechanischen Schutz beispielsweise von Bonddrähten und auch zur Beeinflussung von optischen Eigenschaften des von dem LED-Chip abgestrahlten Lichts ist es bekannt, bei derartigen LED-Modulen dann eine lichtdurchlässige Schicht durch bekannte Techniken (beispielsweise Stenzeltechnik) über den LED-Chip zu aufzubringen („dispensen") .
Hinsichtlich der Anbringung des LED-Chips auf der Plattform gibt es unterschiedliche Technologien. Bei der sogenannten Chip-On-Board (COB) -Technik wird im Normalfall der lichtemittierende LED-Chip direkt auf eine Leiterplatte aufgesetzt und dann mit dem transparenten Dispensmaterial verkapselt. Bei der Surface-Mount-Technologie (SMT) wird der Chip üblicherweise mit einem reflektierenden Material umgeben, um den Lichtanteil zu verringern, der sonst durch Streueffekte verlorengehen könnte.
Im Folgenden wird die Gesamtheit des den LED-Chip umgebenden Materials (Reflektorwände, Plattform, etc.) als ' Package' bezeichnet. Aufgabe des 'Packages' ist es, neben der Verbesserung der Effizienz durch Vorausrichtung des ausgestrahlten Lichts mittels reflektierender Oberflächen (Keramik, Metall, etc.) insbesondere die elektrische Versorgung des LED-Chips sicherzustellen (beispielsweise durch Durchkontaktierungen 'Vias' durch das Package oder Bonddrähte) sowie eine effektive Wärmeabfuhr vom LED- Chip an die Umgebung zu gewährleisten.
Als transparentes Dispensmaterial ist beispielsweise Silikon und Epoxidharz bekannt. Das transparente Dispensmaterial kann ggf. wellenlängen-konvertierende Substanzen (im Weiteren Leuchtstoffe genannt) , Streupartikel zur besseren Durchmischung des konvertierten Spektrums mit dem ursprünglich von dem LED-Chip ausgestrahlten Spektrum sowie Additive zur Anpassung rheologischer Parameter wie Viskosität, Speichermodul und Verlustmodul enthalten.
Die nicht ausgehärtete Mischung des Dispensmaterials mit fakultativ aufgenommenen Leuchtstoffen (englisch 'phosphors'), Viskositätsadditiven usw. wird im Folgenden auch als 'Paste' bezeichnet.
Im COB-Bereich werden üblicherweise zum Dispensen hochviskose Pasten eingesetzt, d.h. Pasten mit einer
Viskosität von mehr als 50 Pa*s, und einem Speichermodul von mehr als 100 und vorzugsweise 500-1000, um eine annähernd halbkugelförmige Oberflächenform sowie mechanische Stabilität und Formstabilität der Dispensschicht zu gewährleisten.
Bei sehr kompakten Packages, wo ggf. mehrere Kavitäten zur Aufnahme von LED-Chips dicht gepackt auf einem Siliziumwaver nebeneinander liegen, kann das Dispensen derartig hochviskoser Pasten indessen aufgrund möglicher Lufteinschlüsse Probleme bereiten. Die Gefahr von Lufteinschlüssen kann durch ein Absenken der Viskosität sowohl zusätzlich durch Erhöhung der Scherkraft während des Dispensprozesses verringert werden. Jedoch erhöht sich in diesem Fall die Gefahr des ZusammenfHeßens des Silikons zwischen zwei und mehreren nebeneinander liegenden Kavitäten.
Aus der EP1786045A2 ist es bekannt, eine Dispensschicht über einen in einer Vertiefung einer Plattform angebrachten LED-Chip durch einen Dispensprozess aufzubringen .
Aus der US 2006/0199293 Al ist es bekannt, über einem LED-Chip ein Epoxidharz mit einer Viskosität von 2000 bis 3000 cP (2 bis 3 PaS) zu dispensen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Gemäß einem ersten Aspekt schlägt die Erfindung ein LED- Modul vor, aufweisend:
- mindestens einen LED-Chip, der monochromatisches Licht eines ersten Spektrums aussendet
- eine Plattform, auf die der LED-Chip aufgebracht ist, - eine separat oder integriert mit der Plattform ausgebildete, den LED-Chip allseits umgebende reflektierende Wand, und
- eine über dem LED-Chip aufgebrachte Dispensschicht. Dabei erstreckt sich die Dispensschicht kalottenförmig über die reflektierende Wand hinaus, derart, dass die folgende Gleichung erfüllt ist: 0,l*bl ≤ hl ≤ 0,5*bl wobei hl die Überhöhung der kalottenförmigen
Dispensschicht, gemessen von dem obersten Punkt der reflektierenden Wand bis zum Scheitel der Kalotte, und bl der Durchmesser der durch die reflektierende Wand gebildeten Vertiefung, gemessen als Abstand der Mittenachse der Wand, ist.
Die stark überhöhte Kalotte weist folgende Vorteile auf:
- Verbesserung der Lichtauskopplungseffizienz
- Verbesserung der Farbhomogenität des über die verschiedenen Winkel abgestrahlten Lichts
- Erhöhung der Packungsdichte am Wafer, am Modul bzw. auf der Leiterplatte
- Erniedrigung des Dispensvolumens
Die Dispensschicht ist bspw. eine Farbkonversionsschicht mit Leuchtstoff-Partikeln, die das erste Spektrum des LED-Chips teilweise in Licht eines zweiten Spektrums umsetzen, wobei das LED-Modul ein Mischlicht des ersten und des zweiten Spektrums emittiert.
Die Dispensschicht kann Streupartikel aufweisen.
Die Dispensschicht kann Viskositätserhöhende Substanzen wie bspw. Kieselsäure aufweisen.
Vorzugsweise ist die Gleichung 0,15*231 ≤ hl ≤ 0,3*bl oder 0,2"-jbl ≤ hl ≤ 0, 25 *bl erfüllt. Vorzugsweise ist hl größer als 200μm, vorzugsweise größer als 250μm, besonders bevorzugt größer als 300μm ist.
Die Plattform kann bspw. auf Grundlage von Silizium gefertigt sein.
Die Außenkanten des bspw. quadratischen oder rechteckigen LED-Moduls können eine Länge im Bereich von 2mm bis 3mm aufweisen.
Der maximale Durchmesser b2 der Kalotte kann bspw. maximal 10%, vorzugsweise 5% kleiner sein als der Abstand bl der Mittenachse der Wand.
Vorzugsweise beträgt der Abstand von dem Leuchtdioden- Chip zu der reflektierenden Wand maximal 0,5 mm. Optimaler Weise liegt dieser im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,2 mm.
Die reflektierende Wand kann vertikal ausgerichtet sein.
Dabei kann die reflektierende Wand einen Rahmen bilden, der den mindestens einen LED-Chip umrandet.
Gemäß einem weiterem Aspekt schlägt die Erfindung ein LED-Modul vor, aufweisend:
- mindestens einen LED-Chip, der monochromatisches Licht eines ersten Spektrums aussendet
- eine Plattform, auf die der LED-Chip aufgebracht ist,
- eine separat oder integriert mit der Plattform ausgebildete, den LED-Chip allseits umgebende reflektierende Wand, und
- eine über dem LED-Chip aufgebrachte Dispensschicht) , Dabei beträgt der Abstand von dem Leuchtdioden-Chip zu der reflektierenden Wand maximal 0,5 mm, vorzugsweise liegt er im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,2 mm.
Die Dispensschicht ist bspw. eine Farbkonversionsschicht mit Leuchtstoff-Partikeln, die das erste Spektrum des LED-Chips teilweise in Licht eines zweiten Spektrums umsetzen, wobei das LED-Modul ein Mischlicht des ersten und des zweiten Spektrums emittiert.
Die Dispensschicht kann Streupartikel aufweisen.
Die Dispensschicht kann viskositätserhöhende Substanzen wie bspw. Kieselsäure aufweisen.
Vorzugsweise weist die Dispensschicht auf der von der Plattform abgewandten Seite eine ebene, konkave oder konvexe Oberfläche auf.
Darüber hinaus kann die Anordnung bestehend aus dem LED- Chip, der Dispensschicht und der reflektierenden Wand von einer Optik umgeben sein, die durch eine Linse gebildet wird.
Die reflektierende Wand sind vorzugsweise vertikal ausgerichtet .
Die reflektierende Wand bildet dabei einen Rahmen, der den mindestens einen LED-Chip umrandet. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine LED- Modulanordnung, aufweisend mehrere mit einer gemeinsamen Plattform verbundene LED-Module der oben genannten Art. Dabei überlappen die Dispensschichten mit den Reflektorwänden, wobei einander angrenzende Dispensschichten nicht ineinander verlaufen und auf einer gemeinsamen Reflektorwand voneinander beabstandet sind.
Die Dispensschicht kann bspw. mit einer Viskosität vom mehr als 50 PaS, vorzugsweise zwischen 60 und 80 PaS aufgebracht wird.
Die Dispensschicht kann mit einem Druck von mehr als 10 bar, vorzugsweise weniger als 15 bis 20 bar aufgebracht werden. Ein höherer Druck ist vorteilhaft, da das Fließverhalten beim Dispensen durch hohen Druck kurzfristig verbessert wird.
Das Speichermodul der Dispensschicht kann beim Aufbringen zwischen 500-1000, vorzugsweise 500-1000 betragen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung sollen nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren der begleitenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 eine seitliche Schnittanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels eineserfindungsgemäßen LED-Moduls, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LED-Moduls,
Fig. 3a-3c ein Schema zur Erläuterung der geometrischen Abmessungen des zur
Farbumsetzung verwendeten Farbkonversions-Materials in drei verschiedenen Ausführungsformen;
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LED-Moduls,
Fig. 5a u. 5b ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LED-Moduls, und
Fig. 6 eine Aufsicht einer erfindungsgemäßen Anordnung von LED-Modulen.
Wie in Fig. 1 ersichtlich weist ein erfindungsgemäßes LED-Modul 1 eine beispielsweise wafer-artige Plattform 2 auf, die beispielsweise auf Silizium-Grundlage gefertigt sein kann. Auf der Oberseite 3 dieser Plattform 2 ist ein LED-Chip 4 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich mehrere LED-Chips in das LED-Modul einzusetzen. Auch der Einsatz von OLEDs ist denkbar.
Auf der Oberseite der Plattform 2 kann eine SiC2-Schicht aufgebracht sein.
In dem dargestellten Beispiel liegt eine sogenannte Face-Up (FU) Konfiguration vor, d.h. Elektroden 5, 5' auf der Oberseite des LED-Chips 4 sind mittels Bonddrähten 6, 6' mit Metallisierungs-Pads 7, 7' auf der Oberseite der Plattform 2 elektrisch verbunden. Von den Metallisierung-Pads I1 1' führen metallische Durchkontaktierungen („Vias") 8, 8' beispielsweise aus Au, Al oder Ag auf die Rückseite der Plattform 2, um somit die Elektroden 5, 5' des LED-Chips 4 mit der Rückseite der Plattform 2 zu verbinden.
Seitlich in einem definierten Abstand den LED-Chip 4 umgebend ist eine Reflektorwand 9 vorgesehen, die ebenfalls aus Silizium bestehen kann. Diese Reflektorwand 9 kann einstückig mit der Plattform 2 ausgebildet werden (beispielsweise durch einen Ätzvorgang) , oder aber als separates Bauteil auf die Plattform 2 aufgesetzt sein. Auf diese Weise kann die Reflektorwand 9 einen Rahmen bilden, der den mindestens einen LED-Chip 4 umrandet. Vorzugsweise sind zumindest die Innenwände 10 dieser Reflektorwand 9 mit einem Winkel α geneigt. Vorzugsweise sind diese Innenseiten 10 auch reflektierend ausgebildet, beispielsweise durch Polieren dieser Flächen oder aber durch Beschichten beispielsweise mit einer Metallschicht . Die Reflektorwand kann beispielsweise einen Reflektor aufweisen, der aus Teflon besteht. Die Oberseite 13 einer jeden Reflektorwand 9 ist vorzugsweise eben.
Oberhalb des LED-Chips 4 ist eine Dispensschicht 11 aufgebracht. Diese Dispensschicht 11 füllt den durch die Reflektorwand 9 definierten Raum, der also teilweise seitlich des LED-Chips 4 und teilweise oberhalb von diesem liegt. Darüber hinaus erstreckt sich indessen die Dispensschicht 11 um eine Überhöhung hi in Form einer Kalotte über den höchsten Punkt der Reflektorwand 9 hinaus. Dieser höchste Punkt der Reflektorwand 9 ist in Fig. 1 derart angeordnet, dass er in einer Höhe h2 über der Oberseite der Plattform 2 liegt. Die Höhe hi bezeichnet genauer gesagt die Überhöhung des Scheitels 12 der kalottenförmigen Dispensschicht über den höchsten Punkt der Reflektorwand 9.
Die Breite der Basis der Kalotte, d.h. der Durchmesser der Kalotte an der Oberseite der Reflektorwand 9 ist in Fig. 1 mit b2 bezeichnet.
bj bezeichnet die Breite (d.h. den Durchmesser bei runder Form) des höchsten Punkts der geneigten Innenseiten 10 der Reflektorwand 9.
Mit b2 ist der Durchmesser der vorzugsweise kreisförmigen Reflektorwand 9 bezeichnet, und zwar gemessen an der Innenseite an der Mittellinie, die die Oberseite 13 der Reflektorwand 9 hälftig teilt. Bei der in Fig. 1 gezeigten symmetrischen Ausgestaltung der Reflektorwand 9, bei der diese also jeweils um einen Winkel α geneigte Wände 10 bzw. 14 aufweist, entspricht also die Breite bl dem Durchmesser der kreisförmigen Reflektorwand 9, gemessen an der vertikalen Symmetrieachse der Reflektorwand.
Vorzugsweise ist der Durchmesser b2, d.h. der Durchmesser der Basis der Kalotte 11 derart gewählt, dass er maximal 10%, vorzugsweise 5% oder noch weniger unter dem Durchmesser bl liegt. Dies bedeutet, dass die Kalotten bei einer in der Aufsicht in Fig. 2 dargestellten Anordnung mehrerer LED-Module gemäß Fig. 1 nahezu aneinandergrenzen, ohne indessen ineinander zu verlaufen. Die kalottenförmigen Dispensschichten überlappen mit der Oberseite 13 der vorzugsweise ebenen Reflektorwand.
Erfindungsgemäß wurde nunmehr herausgefunden, dass bei Steigerung der Überhöhung der Dispensschicht, also bei einer besonders konvexen Ausgestaltung der kalottenförmigen Dispensschicht, die
Auskopplungseffizienz des Lichts gesteigert werden kann, wobei dieser Effekt erfindungsgemäß umso höher ist,
je höher die Wellenlänge des Lichtes ist, d.h. beispielsweise ist für rote LEDs bei gleichbleibender Oberflächenform und gleicher Zusammensetzung der Dispensschicht der Effizienzgewinn des Lichtaustritts größer als beispielsweise für blaue oder grüne LEDs, je größer das Verhältnis hl/bl ist, und
je weniger Leuchtstoffe in der Dispensmatrix enthalten sind, d.h. bei gleichem Chip und gleicher Chipleistung ist für transparente, monochromatische LEDs (d.h. ohne konvertierende Leuchtstoffe) der Effizienzgewinn höher als für entsprechend farbkonvertierte LEDs.
Wenn beispielsweise das Verhältnis hl/bl derart gewählt ist, dass folgende Gleichung erfüllt ist:
0,15*61 ≤ hl ≤ 0,25*61
wurde erfindungsgemäß gemessen, dass der Effizienzgewinn bzgl. des Lichtaustritts wie folgt ist:
rote LEDs: 30-40% blaue LEDs: 20-30% weiße LEDs: 6.500 k) 12-17%
Durch einen Linseneffekt der konvexen Dispensschicht, der umso stärker ist, je stärker die Krümmung ist, wird zusätzlich die Abstrahlcharakteristik verändert, d.h. mit steigender Überhöhung deutlich verengt, wobei diese
Veränderung wiederum für monochromatische LEDs stärker ist als für farbkonvertierte. Dieser Unterschied liegt in Streueffekten der Leuchtstoffe begründet.
Erfindungsgemäß wird eine Dispensschicht mit hoher Konvexität dadurch erzielt, dass einerseits viskositätserhöhende Substanzen beispielsweise der Silikonmatrix beigemischt werden. Diese viskositätserhöhenden Substanzen kann beispielsweise beschichtete oder unbeschichtete Kieselsäure sein. Andererseits werden beim Dispensprozess sehr hohe Scherkräfte unter Verwendung von Dispensnadeln und eines hohen Dispensdruckes erzeugt, wodurch ein kurzfristiges Fließen der sonst hochviskosen Paste möglich wird.
Die Erfindung hat nunmehr herausgefunden, dass die hohe Konvexität auch einen positiven Effekt auf die Farbhomogenität des Lichts bei Weißlicht-LEDs hat. Unter Homogenität wird in diesem Sinne verstanden, wie sehr sich die Farbtemperatur bei Betrachtung in einem Polardiagramm über die verschiedenen Abstrahlwinkel verändert. Bei der Erfindung ist der Weg des Lichts durch die stark konvexe Schicht am Rande der Dispensschicht im Wesentlichen gleich der dem Weg bei der Mitte der Dispensschicht. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Reflektorwand 9 in der Aufsicht nicht rund oder elliptisch sein muss, sondern vielmehr auch quadratisch bzw. rechteckig ausgelegt sein kann.
In der folgenden Tabelle sind Standardwerte für die Herstellung bzw. die Auslegung von LED-Modulen mit beispielhaften Werten gemäß der Erfindung verglichen:
Parameter
Stand der
AusführungsTechnik beispiel
bl 2,50 2,50 mm
hl 100-200 >200 μm
Viskosität 10-30 60-80 Pa*s
Speichermodul 30-100 500-1200
Dispensdruck 30 bar
Das in Fig. 2 dargestellte und mit dem Bezugszeichen 1 versehene LED-Modul zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen LED-Moduls. Der wesentliche Unterschied ersten besteht hier darin, dass die Dispensschicht 11, d.h. das Farbkonversionsmaterial eine ebene Oberfläche aufweisen kann. Als zusätzliche Optik ist nämlich eine Linse 20 auf die Reflektorwand 20 gesetzt. Dabei weist das LED-Modul zunächst wiederum mindestens einen - vorzugsweise blaues Licht emittierenden Leuchtdioden-Chip 4 auf, der auf einer Plattform 2, d.h. einer Basis, angeordnet ist, die eine Isolationsschicht 22 sowie eine elektrisch leitfähige Schicht mit Leiterbahnen 23 aufweist, wobei von diesen Leiterbahnen Bonddrähte 6 zur Kontaktierung des Leuchtdioden-Chips 4 zu dessen Oberseite hin führt. Anzumerken ist, dass die Basis 2 auch in anderer Weise ausgestaltet sein könnte. Insbesondere könnten spezielle Maßnahmen getroffen werden, welche eine effektive Wärmeableitung von dem Leuchtdioden-Chip 4 ermöglichen.
Um das von dem Leuchtdioden-Chip 4 emittierte Licht in weißes Mischlicht umzusetzen, ist ein Farbkonversions- Material 11 vorgesehen, welches den Leuchtdioden-Chip 4 umgibt und Farbkonversions-Teilchen, insbesondere Phosphore aufweist, die zumindest einen Teil des Lichts in ein Licht anderer Wellenlänge umsetzen. Erfindungsgemäß sind der Leuchtdioden-Chip 4 und das Farbkonversions- Material 11 von einer reflektierenden Wand 9 umgeben, welche beispielsweise durch einen metallischen Reflektor gebildet oder aber auch diffus reflektierend ausgestaltet sein kann und hierzu beispielsweise aus Teflon oder z.B. Bariumsulfat besteht. Im Gegensatz zu bekannten Leuchtdioden-Anordnungen ist die reflektierende Wand 9 bereits in einer Entfernung von weniger als 0,5 mm um den Leuchtdioden-Chip 4 angebracht, optimalerweise ist sie ca. 0,1 mm bis 0,2 mm von den Seitenflächen des Leuchtdioden- Chips 4 entfernt. Die Wand 9 bildet auf diese Weise erneut einen den LED- Chip umrandenden Rahmen. Denkbar ist nun, dass ein solcher Rahmen noch einen zweiten Bereich aufweist. Dieser könnte als besonderer Schutz für den Bond Draht 6 verwendet werden. Dies bedeutet, dass der Bereich der Leiterbahn 23, der mit dem Bonddraht elektrisch kontaktiert ist, durch den zweiten Rahmenbereich umrandet und somit geschützt wird. Hierfür ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn der zweite Rahmenbereich mit einem Mittel, beispielsweise mit Silikon, gefüllt wird, nachdem der Bonddraht bei Herstellung des LED-Moduls mit der Leiterbahn kontaktiert worden ist.
Durch die - vorzugsweise vertikal ausgerichtete reflektierende Wandung 9 wird von dem Leuchtdioden-Chip 4 seitlich ausgestrahltes Licht wieder umgelenkt und damit zunächst die Größe der lichtemittierenden Fläche auf die obere Öffnung des Reflektors 9 beschränkt. Ferner wird Licht, welches seitlich aus dem Leuchtdioden-Chip 4 austritt, in dem umgebenden Farbkonversions-Material 11 zum Teil umgewandelt bzw. es wird jener Anteil, der beim erstmaligen Durchgang durch die Phosphor-Teilchen nicht absorbiert und umgesetzt wurde, an der ReflexionsWand 9 reflektiert wird und nachfolgend wieder zurückgeleitet, bis auch dieses Licht eine weiße spektrale Verteilung aufweist und an der Oberseite des Farbkonversions- Materials 11 austritt.
Die Anordnung bestehend aus dem LED-Chip 4, dem Farbkonversions-Material 11 und dem Reflektor 9 ist schließlich noch von einer Optik umgeben, die durch eine Linse 20 gebildet wird, welche die Anordnung umschließt. Die Linse 20 ist derart ausgestaltet, dass sie lediglich in ihrem oberen Bereich eine gekrümmte Oberfläche aufweist, um das an der Oberseite des Farbkonversions- Materials 11 austretende Licht in gewünschter Weise abzubilden. Der untere zylinderförmige Bereich der Linse hingegen besitzt keine optische Funktion, da aufgrund der Eingrenzung des lichtemittierenden Bereichs mit Hilfe des Reflektors 9 in diesen Bereichen ohnehin kein Licht austritt. Der Reflektor 9 gestattet es somit, eine sehr einfach und kompakt ausgestaltete Linse einzusetzen, welche trotz allem das von dem Leuchtdioden-Chip emittierte und ggf. durch das Farbkonversions-Material 11 umgesetzte Licht vollständig abbildet. Seitlich austretendes Licht hingegen, welches eine nicht gewünschte Farbmischung aufweist und demzufolge nicht genutzt werden könnte, liegt bei dem erfindungsgemäßen LED-Modul nicht vor.
Die besonderen Abmessungen des erfindungsgemäßen LED- Moduls 1 sind nochmals in Fig. 3a verdeutlicht, welche einen Teil eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen LED-Moduls zeigt. Wie dieser Darstellung entnommen werden kann, ist der Abstand zwischen der Seitenfläche des Leuchtdioden-Chips 4 und dem Reflektor 9 mit x bezeichnet, während hingegen der Abstand von der Oberfläche des Leuchtdioden-Chips 4 zur Oberfläche des Farbkonversions-Materials 11 mit h bezeichnet ist. Wie bereits erwähnt wurde, ist der Abstand x zwischen dem Leuchtdioden-Chip und dem Reflektor 9 erfindungsgemäß sehr klein gewählt und beträgt maximal 0,5 mm, vorzugsweise lediglich 0,1 mm bis 0,2 mm. Die Höhe h der Farbkonversions-Schicht 7 hingegen beträgt mindestens 0,05 mm und wird vorzugsweise derart gewählt, dass für die minimale Höhe gilt hmin = 0,05 mm + x. Eine obere Begrenzung für die Höhe h der Farbkonversions-Schicht besteht im Prinzip nicht, da die Erzeugung des Mischlichts optimiert wird, je größer die Höhe ist. Wie bereits eingangs erwähnt wurde, ist die Wahrscheinlichkeit für die Umsetzung des von dem Leuchtdioden-Chip 4 abgegebenen Lichts proportional zur Weglänge des Lichts durch das Farbkonversions-Material 11, weshalb zum Erzielen einer homogenen Lichtabgabe eine möglichst große Dicke angestrebt werden sollte. Aus fertigungstechnischen Gründen jedoch wird bevorzugt eine Obergrenze für die Dicke h von 3 mm gewählt, da insgesamt gesehen auch eine möglichst kompakte und flache Ausgestaltung des LED-Moduls angestrebt wird.
Ein Unterschied zu dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel eines LED-Moduls besteht bei der Anordnung in Fig. 3a darin, dass nunmehr die elektrische Kontaktierung des Leuchtdioden-Chips 4 nicht mehr über Bonddrähte erfolgt. Stattdessen ist der Chip 4 in der dargestellten Ausführungsform „face down", also verkehrt angeordnet. Die Kontaktierung erfolgt in einem derartigen Fall mittels sogenannter Bumps 24, welche unmittelbar eine Kontaktierung von der Schicht mit den Leiterbahnen 23 zur Oberfläche des Chips 4 herstellen. Diese oftmals auch als Flip-Chip-Technologie bezeichnete Anordnung des Leuchtdioden-Chips 4 auf der Basis 2 bringt u.a. auch Vorteile im Hinblick auf die erzielbare Lichtstärke mit sich, da bei dieser Montagetechnik eine verbesserte Lichtabgabe erzielt werden kann. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass keine Bonddrähte erforderlich sind und damit eine schattenfreie Abstrahlfläche erhalten wird. An Stelle des Einsatzes von Leiterbahnen ist es jedoch auch denkbar, eine Durchkontakierung zu realisieren. Hierfür können die Bumps 24 mit metallischen Durchkontaktierungen („Vias"), beispielsweise aus Au, Al oder Ag, elektrisch verbunden sein. Diese dienen dazu, die Elektroden des LED-Chips 4 mit der Rückseite der Plattform 2 zu verbinden.
Eine vollständige Anordnung einer Leuchtdioden-Anordnung, bei der dann der Reflektor 9 mit dem Farbkonversions- Material 11 und dem Leuchtdioden-Chip 4 wiederum von einer Linsenanordnung 20 umgeben ist, ist in Fig. 4 dargestellt.
Fig. 3b und 3c zeigen weitere Ausführungsbeispiele des Farbkonversions-Materials 11, das von der Reflexionswand 9 umgeben ist. Dieses kann, wie in Fig.3b gezeigt, auch eine konkave Oberfläche aufweisen. Auch eine konvexe Oberfläche ist denkbar, wie dies Fig.3c zeigt. Des Weiteren weist das
LED-Modul hier jeweils zwei LED-Chips 4 auf. Es ist jedoch auch möglich, mehr oder weniger LED-Chips einzusetzen.
Bei dem zuvor besprochenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel in Fig.2 wurden das Farbkonversions- Material 11 und der Reflektor 9 unmittelbar von der die Linse 20 bildenden Optik eingeschlossen. Die Figuren 5a und 5b zeigen nunmehr ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen LED-Moduls 1, bei dem eine sogenannte Vorsatzlinse 21 zum Einsatz kommt, die mit Distanz zu der Oberfläche des Farbkonversions-Materials 11 angeordnet ist. Das LED-Modul 1 weist zunächst wiederum die gleichen Elemente wie das Ausführungsbeispiel von Fig. 4 auf, wobei gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Zusätzlich sind nunmehr allerdings auf der Oberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht mit den Leiterbahnen 23 Abstandhalter 25 angeordnet, an deren Oberseite die Vorsatzlinse 21 angeordnet ist. Die Höhe der Abstandhalter 25, die beispielsweise durch eine weitere Isolationsschicht gebildet sein können, ist derart gewählt, dass die Vorsatzlinse 21 über einen kleinen Luftspalt 26 von dem Farbkonversions-Material 11 getrennt ist. Hierdurch wird eine besonders effiziente Abbildung des von der Oberseite des Farbkonversions-Materials 11 ausgehenden Lichts ermöglicht .
Das Licht nämlich, dass durch die Oberfläche des Farbkonversions-Materials 11 austritt, wird nunmehr über den Luftspalt 26 in die Vorsatzlinse 21 eingekoppelt. Beim Austritt aus dem Farbkonversions-Material 11 ist das Licht aufgrund der Steuerung durch das Phosphormaterial und des Brechzahlübergangs von dem Phosphormatrixmaterial auf Luft lambersch verteilt, d.h. die Lichtabgabe ist in alle Richtungen hin gesehen im wesentlichen gleich groß. Diese Verteilung wiederum wird beim Eintritt in die Vorsatzlinse 21 entsprechend der Brechzahl der Linse auf einen Bereich von beispielsweise ± 41,8° gebündelt, für den Fall, dass die Brechzahl der Vorsatzlinse 2I n = I ,5 beträgt. Dieser Effekt ist in Fig. 5b dargestellt. Beim Austritt aus der Linse 11 müssen die Lichtstrahlen dann z.B. für eine 40°- Linse nunmehr maximal um 21,8° umgelenkt werden, was ohne größeren Aufwand realisiert und insbesondere ohne größere Verluste durchgeführt werden kann.
Der dargestellte Aufbau mit dem durch einen Reflektor seitlich begrenzten Farbkonversions-Material bietet somit die Möglichkeit, Licht - mit Ausnahme der Fresnelreflexionen - zu nahezu 100% abzubilden. Im Vergleich zum Stand der Technik kann damit der Nutzlichtanteil innerhalb eines gewünschten Zielbereichs wesentlich erhöht werden. Gleichzeitig wird eine effektivere Farbdurchmischung erzielt, durch die sichergestellt ist, dass auch mittels einer Linse oder einer anderweitigen konventionellen Optik weißes Mischlicht in effektiver Weise homogen abgebildet werden kann.
Wie in. Fig. 6 ersichtlich, können gemäß der Erfindung zeilen- oder matrixartig, d.h. in einer oder zwei Dimensionen, LED-Module zur Bildung einer LED- Modulanordnung aneinander angrenzend angeordnet werden. Diese LED-Modulanordnung hat eine gemeinsame Plattform 2. aneinander angrenzende Dispensschichten (12, 12') können eine gemeinsame Reflektorwand überlappen, ohne ineinander zu verlaufen. Wie in Fig. 1 ersichtlich besteht zwischen zwei aneinander angrenzenden kalottenförinigen Dispensschichten ein Abstand a, der kleiner ist als die Breite 13 der oben ebenen Reflektorwand. Wenn eine zusätzliche Optik eingesetzt wird, wie die in Fig.2 gezeigt worden ist, dann wird vorzugsweise jedes einzelne LED-Modul durch eine solche Optik bedeckt. Denkbar ist aber auch, dass mehrere LED-Module durch eine gemeinsame Optik abgedeckt werden. Wenn diese Optik als Diffusor wirkt, kann so das ausgestrahlte Licht dieser LED-Module gemischt werden.
Die Erfindung betrifft insbesondere COB- und SMT-Module mit LED-Chips. Bei diesen ergeben sich die folgenden Vorteile, insbesondere für das Ausführungsbeispiel aus Fig.l:
Durch die hohe Viskosität und den hohen Speichermodul beim Dispensvorgang kann eine verstärkte konvexe Krümmung der Oberfläche der Silikonverkapselung erzielt werden
(Erhöhung des Verhältnisses hl/bl) . Dadurch wird einerseits die Auskopplungseffizienz des Lichts verbessert wird, da Totalreflexionseffekte und Lichtleitereffekte verringert werden. Andererseits können bei vorgegebener Höhe der Dispensschicht (hl, siehe Fig.l) das Dispensvolumen verringert und die Packungsdichte erhöht werden (da das Silikon zwischen Dispens- und Aushärteprozess wenig bis gar nicht verläuft) .
Im Falle von COB kann die Chipdichte auf der Leiterplatte erhöht werden.
Bei SMT, beispielsweise bei Silizium-Plattformen, liegen die einzelnen Kavitäten dicht geplackt auf einem Si-Wafer, auf welchem - bei 8-Zoll Wafern - bis zu mehreren Tausend
Kavitäten Platz finden. Bei entprechender Rheologie der
Dispenspaste kann einerseits - bei konstanter
Packungsdichte - die Höhe hi, andererseits - bei vorgegebener hi - die Packungsdichte erhöht werden.
Es ergeben sich auch Vorteile hinsichtlich der Farbhomogenität. Normalerweise ist bei niedriger konvexer Silikonverkapselung in COB bzw. bei SMT die durchschnittliche Weglänge eines Photons vom LED-Chip zur Silikonoberfläche entlang der optischen Achse geringer als anderswo, wobei die durchschnittliche Weglänge umso länger wird, je weiter man sich von der optischen Achse wegbewegt. Durch Erhöhung des Verhältnisses hi/bi (siehe Fig.l) wird die maximale Differenz der durchschnittlichen Weglängen verringert, d.h. bei farbkonvertierten Weißlicht-LEDs wird der farbliche Eindruck der Oberfläche bei einer bestromten LED homogener.
Bezugszeichenliste :
1 LED-Modul
2 Plattform / Basis 3 Oberseite der Plattform
4 LED-Chip
5 Elektroden
6 Bonddraht
7 Metallisierungspad 8 Durchkontaktierung
9 Reflektorwand
10 Innenseiten der Reflektorwand
11 Dispensschicht / Farbkonversionsmittel
12 Scheitels der kalottenförmigen Dispensschicht 13 Oberseite der Reflektorwand
14 Wand
20 Linse
21 Vorsatzlinse
22 Isolationsschicht 23 Leiterbahnen
24 Bumps
25 Abstandhalter
26 Luftspalt

Claims

Ansprüche :
LED-Modul, aufweisend:
- mindestens einen LED-Chip (4), der monochromatisches Licht eines ersten Spektrums aussendet
- eine Plattform (2), auf die der LED-Chip aufgebracht ist,
- eine separat oder integriert mit der Plattform ausgebildete, den LED-Chip allseits umgebende reflektierende Wand (9), und
- eine über dem LED-Chip aufgebrachte Dispensschicht (11) dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dispensschicht kalottenförmig über die reflektierende Wand hinaus erstreckt, derart, dass die folgende Gleichung erfüllt ist: 0 , 1 *bχ ≤ In ≤ 0 , 5 *bχ wobei: hl die Überhöhung der kalottenförmigen Dispensschicht, gemessen von dem obersten Punkt der reflektierenden Wand bis zum Scheitel der Kalotte, und bl der Durchmesser der durch die reflektierende Wand gebildeten Vertiefung, gemessen als Abstand der Mittenachse der Wand, ist.
2. LED-Modul nach Anspruch 1, wobei die Dispensschicht eine Farbkonversionsschicht mit Leuchtstoff-Partikeln ist, die das erste Spektrum des LED-Chips teilweise in Licht eines zweiten Spektrums umsetzen, wobei das LED-Modul ein Mischlicht des ersten und des zweiten Spektrums emittiert.
3. LED-Modul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dispensschicht Streupartikel aufweist.
4. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dispensschicht Viskositätserhöhende Substanzen wie bspw. Kieselsäure aufweist.
5. LED-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Gleichung
0, 15 *bi ≤ Ii1 ≤ 0,3*2?! erfüllt ist.
6. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei hl größer als 200μm, vorzugsweise größer als 250μm, besonders bevorzugt größer als 300μm und die Kantenlänge der Kavität 2-3mm ist.
7. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Plattform auf Grundlage von Silizium gefertigt ist.
8. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Außenkanten eine Länge im Bereich von 2mm bis 3mm aufweisen.
9. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand (x) von dem Leuchtdioden-Chip (4) zu der reflektierenden Wand (9) maximal 0,5 mm beträgt, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,2 mm, liegt.
10. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die reflektierende Wand vertikal ausgerichtet ist.
11. LED-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die reflektierende Wand einen Rahmen bildet, der den mindestens einen LED-Chip umrandet.
12. LED-Modul, aufweisend:
- mindestens einen LED-Chip (4), der monochromatisches Licht eines ersten Spektrums aussendet
- eine Plattform (2) , auf die der LED-Chip aufgebracht ist,
- eine separat oder integriert mit der Plattform ausgebildete, den LED-Chip allseits umgebende reflektierende Wand (9), und
- eine über dem LED-Chip aufgebrachte Dispensschicht (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (x) von dem Leuchtdioden-Chip (4) zu der reflektierenden Wand (9) maximal 0,5 mm beträgt, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,2 mm, liegt.
13. LED-Modul nach Anspruch 12, wobei die Dispensschicht eine Farbkonversionsschicht mit Leuchtstoff-Partikeln ist, die das erste Spektrum des LED-Chips teilweise in Licht eines zweiten Spektrums umsetzen, wobei das LED-Modul ein Mischlicht des ersten und des zweiten Spektrums emittiert.
14. LED-Modul nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Dispensschicht Streupartikel aufweist.
15. LED-Modul nach den Ansprüchen 12 bis 14, bei dem die Dispensschicht Viskositätserhöhende Substanzen wie bspw. Kieselsäure aufweist.
16. LED-Modul nach den Ansprüchen 12 bis 15, bei dem die Dispensschicht auf der von der Plattform abgewandten Seite eine ebene, konkave oder konvexe Oberfläche aufweist.
17. LED-Modul nach den Ansprüchen 12 bis 16, bei dem die Anordnung bestehend aus dem LED-Chip (4), der Dispensschicht (11) und der reflektierenden Wand (9) von einer Optik umgeben ist, die durch eine Linse (20) gebildet wird.
18. LED-Modul nach den Ansprüchen 12 bis 17, wobei die reflektierende Wand vertikal ausgerichtet ist.
19. LED-Modul nach den Ansprüchen 12 bis 18, wobei die reflektierende Wand einen Rahmen bildet, der den mindestens einen LED-Chip umrandet.
20. LED-Modulanordnung, aufweisend mehrere mit einer gemeinsamen Plattform verbundene LED-Module nach einem der vorhergehenden
Ansprüchen, wobei einander angrenzende Dispensschichten nicht ineinander verlaufen und durch eine gemeinsame
Reflektorwand voneinander beabstandet sind.
21. LED-Modulanordnung, nach Anspruch 20, wobei die Dispensschichten mit den Reflektorwänden überlappen, und auf einer gemeinsamen Reflektorwand voneinander beabstandet sind.
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