Isoliertes Metallsubstrat mit wenigstens einer Leuchtdiode, Leuchtdiodenmatrix und Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft ein isoliertes Metallsubstrat mit wenigstens einer Leuchtdiode, eine auf dem Metallsubstrat basierende Leuchtdiodenmatrix sowie ein Verfahren zur Herstellung des Metallsubstrats und der Leuchtdiodenmatrix nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, 9 bzw. 11.
Wie in [1], DE 102 46 892 AI bzw. US .6,498,355 Bl beschrieben, werden Leuchtdioden (LED's), insbesondere LED- Matrizen, mittlerweile in verschiedenen Anwendungsbereichen (Strassenverkehrstechnik, Beleuchtung, Signalisierung) eingesetzt. In diesen Anwendungsbereichen werden daher LED- Matrizen gefordert, die eine hohe spezifische Ausstrahlung, d.h. eine hohe Strahlungsleistung pro Sendefläche aufweisen. Die spezifische Ausstrahlung kann durch Erhöhung der Dichte der in einer LED-Matrix enthaltenen Leuchtdioden sowie durch Erhöhung der Strahlungsleistungen der einzelnen Leuchtdioden erhöht werden. Bei beiden Lösungswegen zur Erhöhung der spezifischen Ausstrahlung, denen natürlich technologische Grenzen gesetzt sind, treten höhere Verlustleistungen auf, die eine Erwärmung der LED-Matrix verursachen. Um eine Zerstörung oder Leistungsbeeinträchtigung der in der LED- Matrix enthaltenen Leuchtdioden zu vermeiden, ist die Verlustwärme daher effizient abzuleiten.
Zur Ableitung der Verlustwärme wird bei der in [2] , US 6,274,924 Bl, offenbarten Lösung eine Vorrichtung mit einer der Aufnahme eines LED-Chips dienenden Kammer verwendet, die mit einem Kühlkörper, einer optischen Linse und einem Reflektor versehen ist. Der LED-Chip ist mittels eines wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Elements auf dem
BESTATIGUNGSKOPIE
Kühlkörper befestigt, so dass dessen Verlustwärme über den Kühlkörper abgeleitet wird. Diese Lösung erlaubt die Verwendung von LED-Chips mit hohen Strahlungsleistungen. Die entsprechenden Vorrichtungen lassen sich jedoch nur mit einer geringen Dichte in eine LED-Matrix integrieren. Zudem resultiert ein relativ hoher Material- und Montageaufwand.
Gemäss [1] ist ferner bekannt, LED-Chips mittels Silber gefülltem Epoxid an der Oberfläche einer konventionellen Leiterplatte zu befestigen. Typischerweise werden die LED- Chips durch Drahtbondstellen, welche die minimale Beabstandung der LED-Chips begrenzen, mit auf der Leiterplatte vorgesehenen Leiterbahnen elektrisch verbunden. Zudem leiten konventionelle Leiterplatten die zugeführte Verlustwärme nicht effizient ab, weshalb die LED-Chips nicht mit maximalem Betriebsstrom und maximaler Strahlungsleistung betrieben werden können.
Zur Vermeidung der genannten Nachteile wird in [1] daher vorgeschlagen, die Leuchtdioden auf einem isolierten Metallsubstrat anzuordnen, auf dem elektrisch leitende Bahnen vorgesehen sind, die durch eine dielektrische Isolationsschicht vom Metallsubstrat getrennt sind. Wie in [3], US 5, 513,072 beschrieben, wird bei einem derartigen isolierten Metallsubstrat (Insulated Metal Substrate IMS) eine stark wärmeabstrahlende und gut wärmeleitende Isolationsschicht verwendet, so dass Verlustwärme über das Metallsubstrat effizient abgeleitet wird. Zur Verbesserung des Wärmetransfers wird in [1] zudem vorgeschlagen, gut wärmeleitende Verbindungen (sogenannte Vias) durch die Isolationsschicht hindurch zu führen. Jeder Leuchtdiode einer LED-Matrix, deren elektrische Anschlussleitungen an Anschlusskontakte mit entsprechendem elektrischem Potential angeschlossen sind, ist dabei ein solcher thermischer Verbindungskontakt zugeordnet. Mit der in [1] offenbarten
Lösung gelingt es daher, die Packungsdichte und, aufgrund der effizienten Ableitung der Verlustwärme, gleichzeitig die Strahlungsleistung zu erhöhen. Zu beachten ist jedoch, dass durch den Einbau der thermischen Verbindungskontakte ein zusätzlicher Fertigungsaufwand resultiert.
Zur Bündelung und Leitung des von den Leuchtdioden emittierten Lichts wird in [11 die Verwendung von Linsen vorgeschlagen, die aus klarem Kunststoff oder Elastomer gefertigt, auf die LED-Chips gegossen oder gepresst werden. Alternativ können hohle, klare Linsen auf die LED-Chips aufgesetzt und verleimt werden. Möglich ist ferner die Verwendung von Elementen aus Silikon oder weiteren Stoffen, die auf die LED-Chips aufgebracht und dann zur Ausbildung einfacher Linsen ausgehärtet werden. Diese Pertigungsprozesse sind wiederum mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Zudem nimmt das Aushärten der Materialien entsprechend Zeit in Anspruch .
Aus [4], US 6,554,451 Bl ist zudem bekannt, dass die Lichtabstrahlung individueller mit Linsen versehenener Leuchtdioden oft nicht gleichmässig ist, weshalb in [4] vorgeschlagen wird, die Leuchtdioden in einer ersten Ebene und die zugehörigen optischen Elemente in einer zweiten Ebene anzuordnen. Auch die Realisierung einer solchen Lösung ist natürlich mit einem entsprechenden Aufwand verbunden. Zudem wird nicht optimal abgestrahltes Licht von den optischen Elementen oft nicht erfasst und verläuft als Streulicht parallel zu der beispielsweise in [1] beschriebenen IMS- Platte. Von den optischen Elementen erfasstes Licht wird hingegen gedämpft .
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese bekannten Vorrichtungen zu verbessern.
Insbesondere ist ein verbessertes isoliertes Metallsubstrat mit wenigstens einer Leuchtdiode anzugeben. Ferner ist eine auf diesem isolierten Metallsubstrat basierende Leuchtdiodenmatrix anzugeben. Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung des mit der wenigstens einen Leuchtdiode versehenen isolierten Metallsubstrats und einer auf diesem Metallsubstrat basierenden Leuchtdiodenmatrix anzugeben.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem isolierten Metallsubstrat mit wenigstens einer Leuchtdiode, einer auf dem Metallsubstrat basierenden Leuchtdiodenmatrix sowie einem Verfahren zur Herstellung des isolierten Metallsubstrats, und der Leuchtdiodenmatrix nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, 9, bzw. 11.
Das isolierte Metallsubstrat besteht aus einem Metallsubstrat vorzugsweise aus Aluminium, Aluminiumlegierungen oder Kupfer, einer Isolationsschicht und auf der Isolationsschicht vorgesehenen elektrischen Bahnen, an die wenigstens eine gegebenenfalls in Chip-Form vorliegende Leuchtdiode angeschlossen ist .
Erfindungsgemass ist das Metallsubstrat mit wenigstens einer Vertiefung versehen, innerhalb der die wenigstens eine Leuchtdiode montiert ist und die unbeschichtet oder mit einer oder mehreren Schichten versehen als Reflektor für die wenigstens eine Leuchtdiode dient .
Anstatt, wie in [1] vorgeschlagen, primär eine hohe spezifische Ausstrahlung, d.h. eine hohe Strahlungsleistung pro Sendefläche anzustreben, wird mittels der Erfindung primär die Strahlstärke in Richtung des Empfängers bzw. die empfangsseitig festgestellte Bestrahlungsstärke wirkungsvoll optimiert. Streulichtverluste, d.h. Verluste von Strahlung, die nicht zum Empfänger gelangt, werden daher weitgehend
vermieden. Besonders wesentlich ist, dass die Bündelung der Strahlung in einer ersten Stufe ohne transmissiv arbeitende optische Elemente erfolgt, so dass eine dadurch resultierende Dämpfung der Strahlung vermieden wird. Sofern in einer zweiten Stufe trotzdem optische Elemente eingesetzt werden, so wird diesen Elementen die Strahlung gebündelt mit optimalem Einfallswinkel zugeführt, so dass die durch die zweite Stufe verursachten Verluste minimiert werden.
Aufgrund der optimalen Wärmeableitung unter Verwendung gut warmeleitfahiger Isolationsmedien, der Isolationsschicht oder eines in die Vertiefungen eingefüllten wärmeleitfähigen Mediums, kann ferner auch die Strahlungsleistung der Leuchtdioden maximiert werden. Durch Anordnung mehrerer Leuchtdioden in gegebenenfalls kanalförmigen Vertiefungen kann ferner eine hohe Verteilungsdichte der Leuchtdioden erzielt werden.
Die wenigstens eine Vertiefung wird mittels Prägen, Giessen und/oder einer mechanischen Nachbearbeitung ins Material des Metallsubstrats eingeformt, das unterhalb der Ebene liegt, die durch die mit der wenigstens einen Leuchtdiode zu bestückende Seite des Metallsubstrats gebildet wird. Möglich ist ferner, die Vertiefung mittels Prägen, Giessen und/oder einer mechanischen Nachbearbeitung ins Material des Metallsubstrats einzuformen, das die Ebene überragt, die durch die mit der wenigstens einen Leuchtdiode zu bestückende Seite des Metallsubstrats gebildet wird.
Die Vertiefung wird dabei vorzugsweise in das isolierte Metallsubstrat, d.h. in das beschichtete Metallsubstrat, oder auch in das unbeschichtete Metallsubstrat eingeformt werden.
Sofern das zu formende Metallsubstrat nicht gegossen ist, kann Material des Metallsubstrats mittels eines Stempels
gegen die zu bestückende Seite des Metallsubstrats gedrückt und von der anderen Seite gegengepresst werden, so dass beispielsweise ein die genannte Ebene überragender Parabolspiegel gebildet wird. Sofern die Leuchtdioden mit hoher Dichte zu montieren sind, werden vorzugsweise als Reflektoren dienende Kanäle, beispielsweise mittels Prägen oder Fräsen, in das Metallsubstrat eingeformt, welche in Serie oder parallel geschaltete Leuchtdioden in hoher Zahl aufnehmen können.
Zur einfacheren Montage und Gewährleistung einer optimalen thermischen Kopplung kann in der als Reflektor dienenden Vertiefung ein ebenes Segment vorgesehen sein, auf dem die Leuchtdiode bzw. der LED-Chip montiert wird.
Der LED-Chip kann direkt oder mittels eines wärmeleitfähigen und elektrisch isolierenden Elements, gegebenenfalls eines wärmeleitfähigen Klebers, auf dem Metallsubstrat oder einer darauf liegenden, als Reflektorfläche dienenden Schicht montiert sein.
Die Anschlussleitungen der wenigstens einen Leuchtdiode, die gesondert oder einheitlich mit den elektrisch leitenden
Bahnen auf die Isolationsschicht aufgetragen sind, dienen vorzugsweise als Reflektorfläche.
Die elektrischen Bahnen bestehen daher vorzugsweise aus hochwertigen Metallen, wie Gold, Silber, Kupfer, Nickel oder entsprechenden Legierungen. Sofern Kupfer verwendet wird, kann dieses mit entsprechender Oberflächenbehandlung (beispielsweise durch Beschichtung mit Nickel, Gold, Silber, Palladium oder entsprechenden Legierungen) veredelt werden.
Vorzugsweise wird die gegebenenfalls kanalförmige, mit der Isolationsschicht versehene Vertiefung oder der für die
Vertiefung vorgesehene Bereich des isolierten Metallsubstrats
mit einer Metallschicht überdeckt, aus der mittels Ätzen oder weiterer Oberflächenbehandlung die elektrisch leitenden Bahnen gebildet werden, die in einem weiteren Verfahrensschritt, falls notwendig, mechanisch oder mittels eines Lasers einfach oder mehrfach aufgetrennt werden, so dass voneinander elektrisch getrennte Anschlussleitungen resultieren, an die eine Leuchtdiode oder mehrere Leuchtdioden seriell oder parallel in hoher Dichte anschliessbar sind.
Die beispielsweise versilberten, mit Ni/Au und/oder Palladium versehenen, gegebenenfalls verzinnten, aus Kupfer bestehenden Anschlussleitungen weisen in dieser vorzugsweisen Ausgestaltung daher zwei Funktionen auf. Einerseits dienen sie der Stromversorgung der Leuchtdioden; andererseits dienen sie als Oberfläche des Reflektors, mittels dessen die von der Leuchtdiode bzw. den Leuchtdioden abgegebene Strahlung gebündelt wird. Das Auftragen der MetallSchicht oder Metallschichten erfordert keinen und das Auftrennen bzw. Ausbilden der Bahnen vorzugsweise mittels Ätzen oder Laserbehandlung ebenfalls keinen oder nur einen minimalen zusätzlichen Aufwand. Vorzugsweise wird daher eine Kupferschicht verwendet, die zumindest im Bereich der Vertiefung mit einem gut reflektierenden Metall beschichtet ist oder wird. Dabei ist bekannt, dass das Reflektionsverhalten von Metallen wellenlängenabhängig ist. Vorzugsweise wird daher ein Metall gewählt, welches das Licht im relevanten Wellenlängenbereich gut reflektiert. Zur Linearisierung des Reflektionsverhaltens werden in einer vorzugsweisen Ausgestaltung daher zwei oder mehrere Metalle (z.B. Gold und Silber und Palladium) auf die
Reflektoroberfläche, gegebenenfalls die Anschlussbahnen aufgetragen (beispielsweise aufgedampft) .
Die wenigstens eine Leuchtdiode bzw. der LED-Chip kann in bekannter Weise, beispielsweise wie die in [1] und [3] beschriebenen Bauelemente montiert und elektrisch verbunden werden. In der Anordnung von [1] , Figur 1 sind die Anschlusskontakte des LED-Chips direkt mit den Leiterbahnen verlötet. In der Anordnung von [1], Figur 3 sind die Anschlusskontakte des LED-Chips mittels Drahtbondstellen mit den Leiterbahnen verbunden.
Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemass Einfor ung von Vertiefungen in das Metallsubstrat auch hinsichtlich der zusätzlichen Verwendung optischer Elemente oder Abdeckelemente. Die Vertiefungen können beispielsweise mittels einer klaren, beispielsweise deckeiförmigen Glaskappe oder eines optischen Elements abgedeckt werden.
Ferner kann ein mit fluoreszierenden Elementen versehenes Medium in die Vertiefungen eingefüllt werden, das wie in [5] , US 6,351,069 Bl beschrieben, den von der Wellenlänge abhängigen Intensitätsverlauf der abgegebenen Strahlung linearisiert . Nebst der Linearisierung des Intensitätsverlaufs bewirkt das in die Vertiefungen eingefüllte Medium zudem eine weiter verbesserte Entsorgung der Verlustwärme.
In einer vorzugsweisen Ausgestaltung sind die in einem Metallsubstrat einer Leuchtdiodenmatrix vorgesehenen Vertiefungen bzw. die dadurch gebildeten Reflektoren derart ausgebildet und die Leuchtdioden derart montiert, dass die Strahlungsachsen einzelner oder aller Leuchtdioden in gewählte Richtungen geneigt sind. Dadurch können ansonsten zur Neigung der Strahlungsachsen notwendige optische Elemente und entsprechende Transmissionsverluste vermieden werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert . Dabei zeigt in Schnittdarstellung :
Figur 1 eine bekannte Anordnung eines LED-Chips 2 auf einem isolierten Metallsubstrat 100,
Figur 2 ein beschichtetes erstes Metallsubstrat 12 mit Material 121, das die zu bestückende Seite des Metallsubstrats 12 überragt und das mit einer Vertiefung 122 versehen ist,
Figur 3 ein nicht beschichtetes zweites Metallsubstrat 12 für ein erfindungsgemässes isoliertes
Metallsubstrat 1 (IMS) mit einer Vertiefung 123, durch die ein als Reflektor 5 dienender
Parabolspiegel gebildet wird,
Figur 4 ein nicht beschichtetes drittes Metallsubstrat 12 für ein erfindungsgemässes isoliertes
Metallsubstrat 1, mit einer gegebenenfalls kanalförmigen Vertiefung 124, 125, in der ein ebenes, der Montage eines LED-Chips 2 dienendes Segment 1241, 1251 vorgesehen ist,
Figur 5 ein erfindungsgemässes isoliertes Metallsubstrat 1 mit einem in einer Vertiefung 124 montierten LED- Chip 2, dessen Anschlussleitungen 101, 102 einen Reflektor 5 bilden,
Figur 6 ein zur Bildung einer LED-Matrix dienendes isoliertes Metallsubstrat 1 mit mehreren
Vertiefungen 124, in denen die mittels Ätzen oder
Laserbehandlung gefertigten Anschlussleitungen 101,
102 der LED-Chips 2 Reflektoren 5 bilden,
Figur 7 ein zur Bildung einer LED-Matrix dienendes isoliertes Metallsubstrat 1 mit einer ersten kanalförmigen, einen Reflektor 5 bildenden Vertiefung 125, enthaltend in Serie geschaltete LED-Chips 2 und mit einer zweiten kanalförmigen, einen Reflektor 5 bildenden Vertiefung 125 enthaltend parallel geschaltete LED-Chips 2,
Figur 8 ein viertes Metallsubstrat 12 für ein erfindungsgemässes isoliertes Metallsubstrat 1, mit Material 121 das die eine Ebene des Metallsubstrats
12 überragt und mittels eines ringförmigen Stempels ausgestossen wurde, wobei die linke Seite beschichtet und die rechte Seite unbeschichtet dargestellt ist,
Figur 9 ein erfindungsgemässes isoliertes Metallsubstrat 1 mit einem in einer Vertiefung 125 montierten LED- Chip 2, der mittels eines Klebers 13 direkt mit dem Metallsubstrat 12 verbunden ist und dessen Anschlusskontakte 101, 102 mittels Bonddrahtsteilen 104 mit den Anschlussleitungen 101, 102 verbunden sind,
Figur 10 ein erfindungsgemässes isoliertes Metallsubstrat 1 mit einem in einer Vertiefung 124' montierten LED- Chip 2, dessen Anschlussleitungen 101, 102 eine Reflektoroberfläche bilden, wobei die
Strahlungsachse x der Leuchtdiode 2 aufgrund entsprechender Ausgestaltung der Vertiefung 124' geneigt ist, und
Figur 11 das isolierte Metallsubstrat 1 von Figur 5 mit einem in die Vertiefung 124 eingefüllten wärmeleitfähigen Medium 6, in dem fluoreszierende
Elemente enthalten sind und in dessen Oberfläche optische Elemente 61 eingearbeitet sind.
Figur 1 zeigt eine beispielsweise aus [1] bekannte Anordnung eines LED-Chips 2 auf einem isolierten Metallsubstrat 100. Das isolierte Metallsubstrat 100 besteht aus einem Metallsubstrat 12 aus Kupfer oder Aluminium, einer dielektrischen Isolationsschicht 11 und auf der Isolationsschicht 11 vorgesehenen elektrischen Bahnen 10 aus hochwertigen Metallen wie Gold, Silber, Kupfer, Nickel oder entsprechenden Legierungen, an die ein auf einem wärmeleitenden Element 13 ruhender LED-Chip 2 angeschlossen ist. Gezeigt sind ferner die mittels eines Lötmittels 4 verbundenen Anschlusskontakte 21, 22 des LED-Chips 2 sowie eine Lackmaske 15 als Löt und Oberflächenschutz.
Die Figuren 2, 3, 4 und 8 zeigen mit Vertiefungen 122, 123, 124, 125 versehene Metallplatten bzw. Metallsubstrate 12, mittels denen erfindungsgemässe isolierte Metallsubstrate 1 herstellbar sind. Wie in den weiteren Figuren 5, 6, 7, 9, 10 und 11 gezeigt, dienen die Vertiefungen 122, 123, 124, 125 der Aufnahme wenigstens eines LED-Chips 2 und der Bildung eines Reflektors 5, mittels dessen die vom LED-Chip 2 abgegebene Strahlung in Richtung zum Empfänger gebündelt wird.
Bei Figur 2 wurde die Vertiefung 122 in ein beschichtetes Metallsubstrat 12 eingeformt, indem Material 128 des Metallsubstrats 12 im Bereich der Vertiefung 122 mittels eines ersten Werkzeugs 82 gegen die zu bestückende Seite 129 des Metallsubstrats 12 verschoben wurde. In das auf der zu bestückenden Seite 129 hervortretende Material 121 wurde mittels eines zweiten Werkzeugs 81 eine Vertiefung 122 eingeformt, welche einen zur Aufnahme eines LED-Chips 2 und zur Bündelung der vom LED-Chip 2 abgegebenen Strahlung
dienenden Parabolspiegel bildet (siehe [6] , G. Schröder, Technische Optik, Vogel-Verlag, Würzburg 1974, Seite 112, Bild 6.4p). Durch die Wahl des zweiten Werkzeugs 81 können verschiedene, durch den Anwender bevorzugte Reflektorformen 122' in das Metallsubstrat 12 eingeprägt werden. Wie in Figur 8 gezeigt, kann anstelle eines zylinderförmigen ersten Werkzeugs 82 auch ein ringförmiges erstes Werkzeug 82' verwendet werden, durch das vor allem Material im Bereich der Ränder der zu bildenden Vertiefung gegen die zu bestückende Seite des Metallsubstrats 12 verschoben wird, wodurch die Vertiefung 122' mit reduziertem Kraftaufwand geformt werden kann.
In Figur 8 ist ferner gezeigt, dass die Vertiefungen in das unbeschichtete Metallsubstrat 12 (siehe linke Seite) oder in das beschichtete Metallsubstrat 12 bzw. in das vorzugsweise mit den strukturierten Metallbahnen 19 versehene isolierte Metallsubstrat 1 eingeformt werden können. In zweiten Fall sind die Isolationsschicht 11 und die zur Bildung der Bahnen 10 dienende Metallschicht in Dicken aufzutragen, die die erforderlichen Materialdehnungen erlauben.
Figur 3 zeigt ein unbeschichtetes zweites Metallsubstrat 12 mit einer Vertiefung 123, durch die ein Parabolspiegel gebildet wird. Die Vertiefung 123 wurde mittels des zweiten Werkzeugs 81 eingeformt, wobei Material seitlich oder nach unten verdrängt wurde.
Figur 4 zeigt ein unbeschichtetes drittes Metallsubstrat 12 für ein erfindungsgemässes isoliertes Metallsubstrat 1, mit einer runden oder kanalförmigen Vertiefung 124, 125, in der ein ebenes Segment 1241, 1251 vorgesehen ist, auf dem der LED-Chip 2 derart positioniert werden kann, dass ein guter
Wärmeübergang zum Metallsubstrat 12 gewährleistet wird.
Anstelle der beschriebenen Prägeverfahren, können natürlich auch Giessverfahren oder weitere mechanische Bearbeitungsverfahren angewendet werden, um das mit Vertiefungen versehene Metallsubstrat 12 zu fertigen.
Die vom Anwender zu bestimmende Formung der Vertiefungen ist von den Anforderungen abhängig, die an die optischen Eigenschaften des zu bildenden Reflektors 5 gestellt werden. Ferner sind natürlich auch die die Abmessungen des LED-Chips 2 zu beachten, dessen Emissionszone vorzugsweise im Brennpunkt eines Parabolspiegels liegt.
Bei erfindungsgemass ausgestalteten LED-Matrizen werden die Strahlungsachsen x der einzelnen LED-Chips 2 vorzugsweise derart ausgerichtet, dass empfangsseitig die gewünschte Bestrahlungsstärke resultiert (siehe Figur 10) . Dies geschieht vorzugsweise durch entsprechende Formung der Vertiefungen 122, wobei beispielsweise die Symmetrieachse des Parabolspiegels hin zur gewünschten Strahlungsachse x geneigt wird. Dadurch können die Verwendung der in [4] beschriebenen optischen Elemente und entsprechende Transmissionsverluste vermieden werden.
Figur 5 zeigt ein erfindungsgemässes isoliertes Metallsubstrat 1 mit einem in einer Vertiefung 124 montierten LED-Chip 2. Das Metallsubstrat 12 ist vollständig mit der Isolationsschicht 11 bedeckt, die auch in die Vertiefung 124 hineingezogen ist. Ebenfalls in die Vertiefung 124 hineingezogen ist die der Bildung der elektrisch leitenden Bahnen 10 dienende Metallschicht. Etwa in der Mitte der Vertiefung 124 ist diese Metallschicht durch eine Aussparung 91 aufgetrennt, so dass zwei voneinander elektrisch getrennte Anschlussleitungen 101, 102 innerhalb der Vertiefung 124 vorliegen und diese, abgesehen von der Aussparung 91 vollständig bedecken. Durch die aus einem hochwertigen und
optisch gut reflektierenden Metall bestehenden Anschlussleitungen 101, 102 wird innerhalb der Vertiefung 124 daher ein Reflektor 5 gebildet. Lediglich zur besseren Darstellung sind die durch einen Ätzvorgang und/oder Laserbehandlung gefertigten Anschlussleitungen 101, 102 unterschiedlich schraffiert und die Aussparung in grösseren Abmessungen gezeigt. Die Anschlussleitungen 101, 102 oder die zur Fertigung der Bahnen 10 dienende Metallschicht bestehen beispielsweise aus hochwertigen Metallen, wie Gold, Silber, Kupfer, Nickel oder entsprechenden Legierungen. Sofern die zur Fertigung der Bahnen 10 dienende Metallschicht aus Kupfer besteht, kann dieses mit entsprechender Oberflächenbehandlung (beispielsweise durch Beschichtung mit Nickel, Gold, Silber, Palladium oder entsprechenden Legierungen) veredelt werden.
Die in Figur 5 gezeigte Aussparung wird vorzugsweise geätzt oder mittels eines Laserstrahls geschaffen, der nach dem Auftrag der entsprechenden Metallbahnen 10 durch die Vertiefung 124 oder durch die für die Fertigung der Vertiefung 124 vorgesehene Zone des isolierten Metallsubstrats 1 hindurch geführt wird und dadurch die
Metallbahn 10 im Bereich der Aussparung 91 aufschmelzt. Die Aussparung 91 ist in Wirklichkeit natürlich viel schmaler und hat auf das Verhalten des durch die Anschlussleitungen 101, 102 gebildeten Reflektors 5 praktisch keinen Einfluss.
Figur 6 zeigt ein zur Bildung einer LED-Matrix dienendes isoliertes Metallsubstrat 1, das mit mehreren Vertiefungen 122, 123 oder 124 versehen ist, die mit Metallbahnen 10 überdeckt sind. Mittels Ätztechnik oder Laserbehandlung werden die Metallbahnen 10 segmentiert, so dass wiederum die die Reflektorflächen bildenden Anschlussleitungen 101, 102 geschaffen werden. In der oberen Reihe sind die Metallbahnen 10 durch vertikal verlaufende Laserschnitte 91 aufgetrennt, wodurch Anschlussleitungen 101, 102 geschaffen wurden, an die
die LED-Chips 2 in Serieschaltung anschliessbar sind. In der unteren Reihe sind die Metallbahnen 10 durch einen horizontal verlaufenden, durch Ätztechnik oder Laserbehandlung gefertigten Schnitt 91 aufgetrennt, wodurch Anschlussleitungen 101, 102 geschaffen wurden, an die die LED-Chips 2 in Parallelschaltung anschliessbar sind.
Es ist leicht ersichtlich, dass eine ganze Reihe von Vertiefungen 122, 123 oder 124 eines zur Bildung einer LED- Matrix vorgesehenen isolierten Metallsubstrats 1 jeweils mit nur einem horizontal oder vertikal verlaufenden durch Ätztechnik oder Laserbehandlung gefertigten Schnitt 91 versehen werden kann, so dass die Fertigung erfindungsgemässer isolierter Metallsubstrat 1 mit geringem oder keinem zusätzlichen Aufwand verbunden ist. Die Bestückung des isolierten Metallsubstrats 1 mit den LED-Chips 2 oder weiteren Bauteilen 200 (siehe Figur 9) kann daher einheitlich mit SMD-Technik durchgeführt werden.
Figur 7 zeigt ein zur Bildung einer LED-Matrix dienendes isoliertes Metallsubstrat 1 mit zwei kanalförmigen Vertiefungen 125, in die LED-Chips 2 mit hoher Packungsdichte montierbar sind. In der oberen kanalförmigen Vertiefung 125 wurde die zur Bildung der Metallbahnen 10 dienende Metallschicht durch vertikal verlaufende Schnitte 91 segmentiert, so dass Re lektorflächen bildende Anschluss- leitungen 101, 102 geschaffen wurden, mittels denen die montierten LED-Chips 2 seriell schaltbar sind. In der unteren kanalförmigen Vertiefung 125 wurde die zur Bildung der Metallbahnen 10 dienende Metallschicht durch einen horizontal verlaufenden Schnitt 91 aufgetrennt, so dass zwei Reflektorflächen bildende Anschlussleitungen 101, 102 geschaffen wurden, an die die LED-Chips 2 parallel zuschaltbar sind.
Die untere kanalförmige Vertiefung 125 ist ferner mit einem Medium 6 gefüllt, das fluoreszierende Elemente 62 enthält. Mittels dieses Mediums 6 wird, wie in [5] beschrieben, der von der Wellenlänge abhängige Intensitätsverlauf der abgegebenen Strahlung linearisiert . Nebst der Linearisierung des Intensitätsverlaufs bewirkt das in die Vertiefungen 122, ... eingefüllte vorzugsweise gut wärmeleitende Medium 6 zudem eine weiter verbesserte Entsorgung der Verlustwärme.
Figur 9 zeigt ein erfindungsgemässes isoliertes Metallsubstrat 1 mit einem in einer Vertiefung 125 montierten LED-Chip 2, der mittels eines Klebers 13 mit dem Metallsubstrat 12 verbunden ist und dessen Anschlusskontakte 101, 102 mittels Bonddrahtstellen 104 mit den Anschlussleitungen 101, 102 verbunden sind. Die Kontakte 21, 22 sind an der Oberseite des LED-Chips 2 vorgesehen. Oft ist einer der Kontakte 21, 22 auch der Unterseite des LED-Chips 2 vorgesehen, so dass der Bonddraht nach unten zu ziehen ist. Bei dieser Ausgestaltung dient die Oberfläche des Metallsubstrats 1 innerhalb der Vertiefung 124 als Reflektor 5. Die erfindungsgemässe Lösung erlaubt daher die einfache Realisierung verschiedener Ausgestaltungen des Metallsubstrats 12, der Anschlussleitungen 101, 102 oder einer weiteren Metallschicht als Reflektor 5. Dargestellt wurde lediglich der prinzipielle Aufbau von erfindungsgemässen isolierten Metallsubstraten 1. Ausgehend von der erfindungsgemässen Lehre sind natürlich verschiedene Schichtaufbauten mit verschiedenen Materialien wählbar, wobei die Eigenschaften der LED-Chips 2 und das gewünschte Reflexionsverhalten zu berücksichtigen sind.
Figur 10 zeigt, wie oben beschrieben, ein erfindungsgemässes isoliertes Metallsubstrat 1 einer LED-Matrix mit einem in einer Vertiefung 124' montierten LED-Chip 2, dessen Anschlussleitungen 101, 102 einen Reflektor 5 bilden, wobei
die Strahlungsachse x der Leuchtdiode 2 aufgrund entsprechender Ausgestaltung der Vertiefung 124' geneigt ist.
Figur 11 zeigt das isolierte Metallsubstrat 1 von Figur 5 mit einem in die Vertiefung 124 eingefüllten wärmeleitfähigen Medium 6, in dem fluoreszierende Elemente enthalten sind. In die Oberfläche des Mediums 6 sind, beispielsweise mittels eines Schleif-, Präge oder Giessverfahrens, optische Elemente 61 eingearbeitet, die eine Fresnellinse bilden (siehe [6] , Seite 112, Bild 6.4t). Möglich ist ferner das Aufsetzen einer Linse 31 oder einer Glaskappe 3. Die Vertiefung 124 erlaubt dabei eine vorteilhafte Integration und einfache Montage des LED-Chips 2 und der gegebenenfalls verwendeten optischen Elemente 3, 31, 6, 61.
Literaturverzeichnis
[1] DE 102 46 892 AI bzw. US 6,498,355 Bl
[2] US 6,274,924 Bl
[3] US 5, 513,072
[4] US 6,554,451 Bl
[5] US 6,351,069 Bl
[6] G. Schröder, Technische Optik, Vogel-Verlag, Würzburg 1974