WO2008110142A1 - Led-modul - Google Patents

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Markus Zeiler
Josef Hüttner
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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein LED-Modul (10) mit einem Träger und einer Mehrzahl von Lichtquellen (1), wobei jede Lichtquelle (1) derart auf dem Träger angeordnet ist, dass das LED-Modul (10) eine Strahlungshomogenität H<SUB>BLU</SUB> aufweist, die kleiner ist als der statistische Mittelwert H* einer Strahlungshomogenitätsverteilung, wobei der Strahlungshomogenitätsverteilung eine Vielzahl von LED-Modulen (10) mit zufälliger Anordnung der Lichtquellen (2) zugrunde liegt. Ferner beschreibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen LED-Moduls.

Description

Beschreibung
LED-Modul
Die Erfindung betrifft ein LED-Modul und ein Verfahren zur Herstellung eines LED-Moduls.
LED-Module werden beispielsweise zur Hinterleuchtung von LCDs verwendet . Hierbei werden viele einzelne LEDs hinter dem Display in einer Ebene angeordnet. Eine Schwierigkeit liegt in diesem Falle darin, zu einer hinreichend homogenen' Hinterleuchtung zu kommen. Diese Homogenitätsprobleme haben zwei unterschiedliche Ursachen: zum einen wäre es selbst dann schwierig, gleichzeitig dünne und homogene Hinterleuchtungseinheiten zu bauen, wenn man völlig identische LEDs zur Verfügung hätte, da es bereits besondere Anstrengungen bei der optischen Konstruktion erfordert, diese "intrinsische" Homogenität zu erreichen, zum anderen sind die LEDs nicht identisch. Man versucht möglichst gleichartige vorsortierte LEDs zu verbauen (so genanntes "binning") .
Aus Gründen der Messgenauigkeit, vor allem aber aus Gründen der ansonsten "kombinatorisch explodierenden" Logistik ist es nicht möglich, die Grenzen beim binning auf LED-Ebene so eng zu setzen, dass die Unterschiedlichkeit von LEDs gleichen Typs keine Schwierigkeiten mehr macht . Besondere Probleme macht es dabei, wenn aufgrund von sequentiellen Herstellungsprozessen oder auch nur aufgrund des Zufalls LEDs mit ähnlichen Abweichungen vom Mittelwert nahe beieinander verbaut werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein LED-Modul mit verbesserter Strahlungshomogenität anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein LED-Modul gemäß Patentanspruch 1 gelöst .
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines LED-Moduls mit verbesserter Farbhomogenität anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des LED- Moduls sowie des Verfahrens zur Herstellung eines derartigen LED-Moduls sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßes LED-Modul umfasst einen Träger und eine Mehrzahl von Lichtquellen mit jeweils einer Leuchtdiode oder einer Mehrzahl von Leuchtdioden, wobei jede Leuchtdiode einen Farbort Fi und eine Helligkeit Hi aufweist und die Lichtquellen in Abhängigkeit von den Farborten Fi und/oder den Helligkeiten Hi in einer vorgegebenen Position auf dem Träger angeordnet sind derart, dass das LED-Modul eine Strahlungshomogenität HBLU aufweist, die kleiner ist als der statistische Mittelwert H* einer
Strahlungshomogenitätsverteilung, die sich bei einer zufälligen Anordnung der Lichtquellen in dem LED-Modul ergibt. Mittels des Laufindizes i werden die LEDs durchnummeriert .
Das erfindungsgemäße LED-Modul ist insbesondere zur Hinterleuchtung oder Beleuchtung vorgesehen. Beispielsweise kann das LED-Modul in einem Flachbildschirm-Fernseher zur Hinterleuchtung verwendet werden oder als Strahlungsquelle zur Allgemeinbeleuchtung. Vorzugsweise wird die Strahlungshomogenität HBLU des LED- Moduls durch eine skalare Gütefunktion bewertet. Die Gütefunktion wird wie folgt berechnet : man nimmt eine Anzahl von Testpunkten auf einer Strahlungsaustrittsfläche und bestimmt den Farbort jedes Testpunkts im CIE-u'v1 -Raum beziehungsweise CIE-L*a*b*-Raum. Dann berechnet man den mittleren Farbort des LED-Moduls und berechnet außerdem den Abstand vom mittleren Farbort für jeden Testpunkt. Die Gütefunktion ist vorzugsweise definiert als das doppelte des maximalen sich so ergebenden Abstands.
Die Strahlungsaustrittsfläche wird als eine Fläche bestimmt, die sich in einer Ebene in einem Abstand D vom Träger befindet und sich über die gesamte Ausdehnung des LED-Moduls erstreckt .
Vorzugsweise ist die Strahlungshomogenität HBLU des LED-Moduls höchstens halb so groß wie der statistische Mittelwert H* der Strahlungshomogenitätsverteilung .
Vorliegend wird zur Berechnung der Strahlungshomogenität HBLU des LED-Moduls eine vorteilhafte Simulationsmethode verwendet. Hierfür wird der Helligkeitsbeitrag einer LED als parametrisierte Funktion von mehreren Variablen betrachtet.
Die Variablen sind der Ort der LED, der Ort des betrachteten Punktes der Austrittsfläche, sowie eventuell weitere Variablen, die Variationen der LED-Abstrahlcharakteristik verursachen (zum Beispiel die Chip-Positionstoleranz). Der Helligkeitsbeitrag einer LED wird dabei beispielsweise als additive Superposition von mehreren zweidimensionalen Gauß- Funktionen unterschiedlicher Stärke und Breite betrachtet; Randeffekte lassen sich zum Beispiel durch am Rand gespiegelte weitere, gegebenenfalls elliptische Gauß- Funktionen berücksichtigen. Eine kontinuierliche Transferfunktion des Lichts von der einzelnen LED, die sich an einem bestimmten, aber frei wählbaren Ort befindet, zu einem anderen, frei wählbaren Ort auf der Austrittsfläche wird somit durch die Parameter der verwendeten Gauß- Funktionen bestimmt. Die Anpassung dieser Parameter kann entweder durch numerische Optimierung des Tansferfunktionsmodells an Messungen oder raytracing- Simulationen geschehen oder "von Hand" .
Die Gütefunktion ist dann definiert als der maximale sich so ergebende Abstand. Die Gütefunktion der Strahlungshomogenität HBLU kann aus Simulationsergebnissen ermittelt werden.
Man kann in einem ersten Ansatz identische rote, grüne und blaue LEDs zur Simulation verwenden und damit die "intrinsische Strahlungshomogenität" des LED-Moduls bei verschiedenen LED-Abständen untersuchen. In weiterführenden Rechnungen kann man die vom Datenblatt abgelesenen Grenzen der LED-bins verwenden, um zufällige Färb- und Helligkeitswerte der einzelnen LEDs zu erzeugen und so den Einfluss der fertigungsbedingten Helligkeits- und Farbunterschiede von LEDs zu untersuchen.
Mit einer derartigen Simulationsmethode ist es beispielsweise bei einem LED-Modul mit 1000 LEDs und etwa 100 x 100 Testpunkten, also 100 x 100 x 1000 = 107
Funktionsauswertungen der Transferfunktion, möglich, die Strahlungshomogenität HBLU bei einer experimentell ermittelten Zeit von etwa 0.3 μs pro Funktionsauswertung auf einem handelsüblichen PC in rund 3 Sekunden zu ermitteln. Vorteilhafterweise sind die Ergebnisse ohne jedes statistische Rauschen, enthalten aber dafür Modellierungsfehler, deren Größe von der Flexibilität des verwendeten Transferfunktionsmodells und der Genauigkeit der Parameteranpassung abhängen. Der Geschwindigkeitsvorteil liegt darin begründet, das ganze optische Verhalten einer bestimmten Konstruktion des LED-Moduls ein einziges Mal in das Transferfunktionsmodell zu stecken und mit diesem Modell dann eine Vielzahl von LED-Modul-Konfigurationen zu berechnen .
Ausgehend von den LEDs, die in einer Lichtquelle des LED- Moduls verbaut sind, kann man die verschiedenen Strahlungshomogenitätswerte HBLU/ die sich aus den verschiedenen Möglichkeiten der Lichtquellen-Anordnungen im Leucht-Modul ergeben, statistisch untersuchen.
Gemäß einer bevorzugten Variante des LED-Moduls weist jede Lichtquelle eine Leuchtdiode oder eine Mehrzahl von Leuchtdioden auf. Vorliegend ist unter einer Leuchtdiode vorzugsweise ein Strahlung emittierendes Bauelement mit mindestens einem Halbleiterchip zu verstehen. Es kann jedoch auch ein einzelner Strahlung emittierender Halbleiterchip gemeint sein.
Gemäß einer weiter bevorzugten Variante sind die Leuchtdioden auf eine Leiterplatte montiert.
Insbesondere weist jede Lichtquelle mindestens zwei Leuchtdioden auf, die Strahlung verschiedener Wellenlänge emittieren. Beispielsweise kann jede Lichtquelle mindestens eine rote, eine grüne und eine blaue Leuchtdiode aufweisen. Vorzugsweise werden für die Lichtquellen mehrere RGGB-Cluster verwendet, das heißt Cluster, die eine rote, zwei grüne und eine blaue LED umfassen. Alternativ kann jede Lichtquelle mindestens eine Leuchtdiode aufweisen, die weißes Licht emittiert .
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines wie oben beschriebenen LED-Moduls weist folgende Schritte auf :
- Bereitstellung einer Mehrzahl von Lichtquellen,
- Messung des Farbortes Fi und der Helligkeit Hi der einzelnen Leuchtdioden jeder Lichtquelle,
- Berechnung einer optimalen Position für jede Lichtquelle auf dem Träger in Abhängigkeit der Werte des Farbortes Fi und/oder der Helligkeit Hi derart, dass das LED-Modul eine Strahlungshomogenität HBLU aufweist, die kleiner ist als der statistische Mittelwert H* einer
Strahlungshomogenitätsverteilung, die sich bei einer zufälligen Anordnung der Lichtquellen in dem LED-Modul ergibt ,
- Positionierung der Lichtquellen an den berechneten Positionen auf dem Träger.
Weitere Merkmale, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3 erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Draufsicht eines LED-Moduls gemäß der Erfindung,
Figur 2 ein Histogramm darstellend eine Häufigkeitsverteilung W der Strahlungshomogenität HBLU für ein LED-Modul mit zufälliger Anordnung der Lichtquellen, Figur 3 eine schematische Darstellung einer Lichtquellen- Anordnung in einem herkömmlichen und in einem erfindungsgemäßen LED-Modul.
Das in Figur 1 gezeigte LED-Modul 10 weist 1152 LEDs 2 auf. Die LEDs 2 ergeben 48 Lichtquellen 1 mit je 24 LEDs 2 in j e 6 nebeneinander liegenden RGGB-Clustern 3. Die Lichtquellen 1 sind nach Art einer Matrix, die zwölf Zeilen und vier Spalten aufweist, auf einem Träger (nicht dargestellt) angeordnet. Die 48 Lichtquellen 1 gleicher Bauform können grundsätzlich in beliebiger Reihenfolge verbaut werden. Bei 48 Lichtquellen
1 ergeben sich 48! ≤1061 Möglichkeiten, unvorstellbar viel mehr, als man vollständig untersuchen könnte. Aber man kann sich einen Eindruck von der Wahrscheinlichkeitsverteilung verschaffen, indem man eine gewisse Anzahl (zum Beispiel
2000) von Anordnungen zufällig erzeugt und wie oben erwähnt bewertet . Auf diese Weise kann man die Strahlungshomogenitätsverteilung ermitteln und den statistischen Mittelwert H* der
Strahlungshomogenitätsverteilung sowie deren Varianz schätzen. Die Lichtquellen 1 werden dann auf dem Träger derart angeordnet, dass die Strahlungshomogenität HBLU des LED-Moduls 10 kleiner ist als der statistische Mittelwert H*.
Zur Ermittlung der Strahlungshomogenitätsverteilung wird zunächst der Farbort Fi und die Helligkeit Hi der LEDs 2 bestimmt. Aus Gründen der Fertigungskontrolle werden ohnehin der Farbort Fi und die Helligkeit Hi der einzelnen LEDs 2 von jeder fertig bestückten Lichtquelle 1 noch einmal gemessen, obwohl die LEDs 2 typischerweise vor der Bestückung nach Farbort F± und Helligkeit Hi bereits gruppiert werden. Die Messung zum Zwecke der Ermittlung der Strahlungshomogenitätsverteilung stellt also keinen zusätzlichen Aufwand dar. Ferner wird üblicherweise zur Fehler-Nachverfolgbarkeit jede einzelne Lichtquelle 1 markiert, etwa mit einem Strichcode-Aufkleber, so dass jede Lichtquelle 1 identifizierbar ist.
Vorliegend können die so genannten „final-clearancew- Messdaten der einzelnen Lichtquellen 1 beispielsweise zusammen mit dem Strichcode jeder Lichtquelle 2 beim Leiterplattenbestücker in einer Datenbank abgespeichert werden. Während die Lichtquellen 1 in Bausätzen für je ein LED-Modul 10 zusammengepackt und zur Endmontage transportiert werden, kann vorteilhafterweise offline die Optimierungsrechnung stattfinden, die nachfolgend näher beschrieben wird. Deren Ergebnis kann der Endmontage elektronisch übermittelt werden.
Bei der Endmontage von Hand scannt der Arbeiter den Strichcode (das muss er ohnehin tun, wegen der Nachverfolgbarkeit) und bekommt dann den vorgesehenen Platz für die Lichtquelle 1 auf einem Bildschirm angezeigt . Der Platz kann auch durch Markierung der entsprechenden Stelle auf dem Träger mit einer automatisch angesteuerten Lampe angezeigt werden. Die Endmontage kann auch automatisch, beispielsweise mittels eines Roboters, durchgeführt werden. In beiden Fällen (Handmontage oder automatisierte Montage) wird die Summe der Verfahrwege durch das Optimierungsverfahren nicht erhöht.
Die auf Lichtquellenebene zur Verfügung stehenden Informationen werden für die Simulation der
Strahlungshomogenitätsverteilung verwendet. Man kann mit den vorliegenden Informationen versuchen, durch numerische Optimierung eine bestmögliche Anordnung der Lichtquellen 1 zu finden, so dass das fertige LED-Modul eine optimierte Strahlungshomogenität HBLU aufweist.
Das Problem, die bestmögliche Anordnung zu finden, ist verwandt dem klassischen "traveling salesman" -Problem der Optimierungstheorie (in welcher Reihenfolge soll der Handlungsreisende 100 Städte besuchen, sodass seine Gesamtfahrstrecke minimal wird?) . Es ist bekannt, dass dieses Problem NP-vollständig ist. Die Suche nach dem globalen Optimum der mehr als 1061 Möglichkeiten ist damit aussichtslos. Jedoch kann mit dem vorliegend gewählten Verfahren des "simulated annealing" eine sehr gute Lösung gefunden werden. Dieses Verfahren ist inspiriert von der Art und Weise, wie die Anordnung der Kristallite in einem Stück Stahl beim Ausglühen (engl, annealing) ein Minimum der freien Energie findet .
Ausgehend von einer Start-Anordnung wird hierbei eine zufällige Vertauschung einzelner Lichtquellen oder einzelner disjunkter rechteckiger Lichtquellenbereiche gewählt. Die Strahlungshomogenität H dieser geänderten Anordnung wird berechnet. Ergibt sich eine Verbesserung, wird die neue Anordnung auf jeden Fall genommen. Ergibt sich eine Verschlechterung um ΔH, so wird diese neue Anordnung mit einer Wahrscheinlichkeit von exp(-ΔH/T) akzeptiert. Dabei ist T ein Parameter, genannt "Temperatur", der zu Beginn der Rechnung einen so hohen Wert haben soll, dass auch viele Verschlechterungen akzeptiert werden. Im Lauf der Rechnung wird der Parameter T dann allmählich verringert bis fast nur noch echte Verbesserungen gewählt werden.
Vorteilhafterweise wird vorliegend die ohnehin vorhandene Information über den Farbort Fi und die Helligkeit Hi der LEDs genutzt und in eine leicht automatisierbare und nahezu ohne Zusatzaufwand umsetzbare Fertigungsvorschrift übersetzt. Hierbei werden nicht nur schlechte LED-Module vermieden, sondern die Strahlungshomogenität H wird für praktisch alle LED-Module systematisch und erheblich verbessert.
In Figur 2 wird das Ergebnis einer Berechnung gemäß der Erfindung gezeigt. Auf der Abszisse ist die
Strahlungshomogenität H in JNDs (Just Noticeable Differences) aufgetragen. Die Ordinate gibt die Häufigkeit W der Strahlungshomogenität H bei einer vorgegebenen Anzahl zufälliger Anordnungen, in diesem Fall bei 2000 zufälligen Anordnungen, im jeweiligen Intervall an.
Die Histogramm-Verteilung hat im dargestellten Fall einen statistischen Mittelwert H* von rund 4 JNDs und eine Gesamtbreite von rund 3 JNDs. Der beste Wert der 2000 zufälligen Anordnungen liegt bei rund 2.5 JNDs. Der Balken bei 1.5 JNDs zeigt den Wert der durch das Optimierungsverfahren aus insgesamt rund 2000 getesteten Anordnungen ermittelten optimalen Anordnung. Es ist kein Widerspruch, dass das gefundene Optimum weit außerhalb der Histogramm-Verteilung liegt. Dies zeigt nur, dass die tatsächliche Verteilung deutlich breiter ist als man mit nur 2000 zufälligen Versuchen sieht.
Figur 3 zeigt im Vergleich links ein herkömmliches LED-Modul 10 mit einer Strahlungshomogenität H = 4.6 JNDs und rechts ein erfindungsgemäßes LED-Modul 10 mit einer optimierten Strahlungshomogenität HBLu = 1.5 JNDs. Bei dem herkömmlichen LED-Modul 10 werden rote, grüne und blaue LEDs in bins nach Helligkeit und Farbort vorsortiert und „bin-rein" auf Leiterplatten montiert, wobei eine Lichtquelle 1 aus 24 LEDs hergestellt wird. Die Lichtquellen 1 werden in zufälliger Anordnung auf dem Träger montiert . Das erfindungsgemäße LED- Modul 10 unterscheidet sich in der Anordnung der Lichtquellen 1 von dem herkömmlichen LED-Modul 10, wie aufgrund der Bezifferung der Lichtquellen 10 zu erkennen ist. Bei einer zufälligen Anordnung der Lichtquellen ist es sehr unwahrscheinlich, dass die optimierte Strahlungshomogenität HBLU erzielt wird (vgl. Figur 2 H = 4.6 JNDs ist wahrscheinlicher als HBLU = 1-5 JNDs) .
Ausdrücklich sei angemerkt, dass das Verfahren ohne weiteres auf andere Bewertungsfunktionen übertragen werden kann, die neben dem Farbort und/oder der Helligkeit auch den Gradienten bewerten .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102007011988.9, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

Patentansprüche
1. LED-Modul (10) mit einem Träger und einer Mehrzahl von Lichtquellen (1) , die jeweils eine Leuchtdiode (2) oder eine Mehrzahl von Leuchtdioden (2) umfassen, wobei jede Leuchtdiode (2) einen Farbort Fi und eine Helligkeit Hi aufweist und die Lichtquellen (1) in Abhängigkeit von den Farborten F1 und/oder den Helligkeiten Hi in einer vorgegebenen Position auf dem Träger angeordnet sind derart, dass das LED-Modul (10) eine Strahlungshomogenität HBLU aufweist, die kleiner ist als der statistische Mittelwert H* einer Strahlungshomogenitätsverteilung, die sich bei einer zufälligen Anordnung der Lichtquellen (1) in dem LED-Modul (10) ergibt.
2. LED-Modul (10) nach Anspruch 1, wobei die Strahlungshomogenität HBLU des LED-Moduls (10) höchstens halb so groß ist wie der statistische Mittelwert H* der Strahlungshomogenitätsverteilung .
3. LED-Modul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leuchtdioden (2) auf eine Leiterplatte montiert sind.
4. LED-Modul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Lichtquelle (1) mindestens zwei Leuchtdioden (2) aufweist, die Strahlung verschiedener Wellenlänge emittieren.
5. LED-Modul (10) nach Anspruch 4, wobei jede Lichtquelle (1) mindestens eine rote, eine grüne und eine blaue Leuchtdiode (2) aufweist.
6. LED-Modul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Lichtquelle (1) mindestens eine Leuchtdiode (2) aufweist, die weißes Licht emittiert.
7. LED-Modul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Lichtquelle (1) vierundzwanzig Leuchtdioden (2) aufweist .
8. LED-Modul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquellen (1) nach Art einer Matrix auf dem Träger angeordnet sind.
9. LED-Modul (10) nach Anspruch 8, wobei die Matrix zwölf Zeilen und vier Spalten aufweist.
10. LED-Modul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zur Hinterleuchtung oder Beleuchtung vorgesehen ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines LED-Moduls (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 mit folgenden Schritten:
- Bereitstellung einer Mehrzahl von Lichtquellen (1) ,
- Messung des Farbortes Fi und der Helligkeit Hi der einzelnen Leuchtdioden (2) jeder Lichtquelle (1) ,
- Berechnung einer optimalen Position- für jede Lichtquelle (1) auf dem Träger in Abhängigkeit der Werte des Farbortes Fi und/oder der Helligkeit Hi derart, dass das LED-Modul (10) eine Strahlungshomogenität HBLU aufweist, die kleiner ist als der statistische Mittelwert H* einer Strahlungshomogenitätsverteilung, die sich bei einer zufälligen Anordnung der Lichtquellen (1) in dem LED-Modul (10) ergibt,
- Positionierung der Lichtquellen (1) an den berechneten Positionen auf dem Träger.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Berechnung der optimalen Position mittels „simulated annealing" erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei mehrere Leiterplatten mit jeweils einer Mehrzahl von Leuchtdioden (2) zur Herstellung der Lichtquellen (1) bestückt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Leuchtdioden (2) vor der Bestückung nach Farbort Fi und Helligkeit Hi gruppiert werden.
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