WO2015036221A1 - Leuchtmodul mit halbleiterlichtquellen und trägerplatte - Google Patents

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WO2015036221A1
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light sources
semiconductor light
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Farhang Ghasemi Afshar
Axel Kaltenbacher
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Osram GmbH
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Definitions

  • Luminous module with semiconductor light sources and carrier plate The invention relates to a lighting module with several
  • Semiconductor light sources in particular LED chips, wherein the lighting module has a support plate.
  • the invention also relates to a method for operating such a lighting module.
  • the invention is particularly applicable to LED lighting modules in CoB ("chip-on-board") technology.
  • Fig.l shows a conventional light module 101 in CoB technology with a support plate 102 made of aluminum, at the reflective front side 103 a plurality of semiconductor light sources in the form of LED chips 104 are applied.
  • the use of such a carrier plate 102 has two advantages, namely a high reflectivity with high
  • the LED chips 104 are by means of a dielectric
  • a first LED chip 104, 104h of the series is connected via a bonding wire 105 to a first terminal contact 106h, which is at a highest electrical
  • a last LED chip 1041 of the series is connected to a second terminal contact 1061, which is at a lowest electrical potential LV.
  • individual LED chips 104 should be connected in a row such that the sum of their forward voltages corresponds to the HV-LV voltage applied in total to this LED row 104h, 1041.
  • the front side 103 of the carrier plate 102 with the LED chips 104 and the bonding wires 105 is encapsulated by means of a transparent potting compound 107, for example silicone or epoxy resin, which may have, for example, filler such as diffuser particles and / or phosphor particles.
  • a transparent potting compound 107 for example silicone or epoxy resin, which may have, for example, filler such as diffuser particles and / or phosphor particles. Since the carrier plate 102 is electrically conductive, it is unsuitable for use of the light module 101 in a high voltage HV-LV applied to the row 104h... 1041 of the LED chips 104 or at a high voltage HV-LV applied to the connection contacts 106h, 1061.
  • the high voltage may eg a peak voltage of a
  • an electrical sub-path P to the LED series circuit is closed.
  • the carrier plate 102 is connected with its rear side 108 via an electrically insulating intermediate layer 109 to a metallic heat sink 110, as shown in FIG.
  • the heat sink 110 is typically electrically connected to ground GND. In this case also occurs a capacitive coupling between the
  • At least two capacitances are present per bonding wire 105 between this bonding wire 105 and the heat sink 110, namely a first capacitance Cws between the bonding wire 105 and the carrier plate 102, which the potting compound 107 as a dielectric, and a second capacitor Csh between the carrier plate 102 and the heat sink 110, which the
  • Intermediate layer 109 has as a dielectric.
  • Capacitance Cws is typically significantly smaller than the second capacitance Csh. As a result, the electric potential applied to the bonding wire 105 drops at the first capacitance Cws significantly. This leads in addition to a strong
  • a known measure to circumvent these problems is to use carrier plates of thermally conductive but electrically insulating ceramic material, e.g. from A1N. This solution is very expensive.
  • a lighting module with a plurality of semiconductor light sources comprising a metallic
  • carrier substrates are arranged, on which carrier substrates in each case at least one
  • Semiconductor light source is arranged.
  • Carrier namely the carrier plate
  • the electric field F between the bonding wires and the support plate can be reduced. This in turn reduces a risk of partial discharge within the lighting module and / or formation of an electrical secondary path.
  • the light module is also simple and inexpensive to implement.
  • Semiconductor light source at least one light emitting diode.
  • the light emitted by the at least one light-emitting diode can also be an infrared light (IR LED) or an ultraviolet light (UV LED).
  • IR LED infrared light
  • UV LED ultraviolet light
  • Several light emitting diodes can produce a mixed light; e.g. a white mixed light.
  • the at least one light-emitting diode can have at least one
  • the wavelength-converting phosphor included conversion LED
  • the phosphor may alternatively or additionally be arranged remotely from the light-emitting diode ("remote phosphor").
  • the at least one light-emitting diode can be in the form of at least one individually housed light-emitting diode or in the form of at least one LED chip. Several LED chips can be mounted on a common substrate (“submount").
  • At least one light emitting diode may be equipped with at least one own and / or common optics for beam guidance, e.g. at least one Fresnel lens, collimator, and so on.
  • at least one own and / or common optics for beam guidance e.g. at least one Fresnel lens, collimator, and so on.
  • OLEDs organic LEDs
  • a wavelength-converting phosphor may also be connected downstream of the at least one diode laser, for example in a LARP (Laser Activated Remote Phosphor) arrangement.
  • LARP Laser Activated Remote Phosphor
  • the metallic carrier plate may in particular comprise or consist of aluminum and / or copper.
  • Carrier plate in particular like a circular disk or
  • the thickness of the carrier plate is in particular considerably smaller than an extent in a plane of the carrier plate.
  • the support plate may be flat or
  • the thickness may be constant but is not limited thereto.
  • the metallic carrier substrates may also be e.g.
  • a carrier substrate may be shaped in particular circular disk-shaped or cuboid.
  • the thickness of a carrier substrate is in particular considerably less than an extent in a plane of the carrier substrate. The thickness may be constant but is not limited thereto.
  • the carrier substrates are
  • the metallic carrier substrates preferably have a reflective surface in order to minimize light losses.
  • a voltage or potential difference HV-LV applied to the semiconductor light sources may be a high voltage.
  • Under a high voltage may be understood in particular a voltage which for an AC voltage
  • DC voltage has a value of at least 120 V.
  • a high voltage may in particular be understood to mean a DC voltage of 230 V or more, in particular of 400 V.
  • the semiconductor light sources can all be connected in a single row, or the semiconductor light sources can be electrically distributed over a plurality of independent operable rows or "strands." The division into several strands may be particularly in the case of differently colored ones
  • Semiconductor light sources make sense, with a strand
  • semiconductor light sources of the same color preferably in a row comprises switched semiconductor light sources of the same color.
  • semiconductor light sources of several strands may therefore be used on a carrier substrate
  • Vc create electrical potential Vc, in particular a
  • the free potential Vc reduces a potential difference between the bonding wires and the supporting substrate. This results in a significantly lower electric field between the bonding wire and the carrier substrate, which in turn reduces a risk of partial discharge within the lighting module.
  • This embodiment can be implemented simply and inexpensively. It works independently of the values of Cws and Csh. It is a particularly easy to implement and effective
  • Carrier substrate corresponds to the average value of the voltage applied to the row of at least one semiconductor light source of this carrier substrate electrical potentials.
  • the electrical potential Vc of the carrier substrate thus corresponds to the mean value of the voltage applied to the first LED chip of the carrier substrate
  • Carrier substrate reaches, namely of absolute maximum (HV LV) / 2 on the bonding wire, which of the first
  • connection contact of the carrier substrate leads. It is a particularly simple implementation of applying the electrical potential Vc to a carrier substrate preferred embodiment that the light emitting module, a voltage divider for providing the electrical potential Vc for the
  • the lighting module is particularly easy to implement, if an equal number of semiconductor light sources is arranged on the carrier substrates.
  • the carrier plate is attached to a heat sink. This improves cooling of the semiconductor light sources.
  • the object is also achieved by a method for operating a lighting module as described above, wherein an electrical potential is applied to at least one carrier substrate. The method can be analogous to the lighting device
  • Voltage divider. 4 shows a luminous module 1 according to the invention in CoB technology with a carrier plate 2 made of aluminum, on the front side 3 of which a plurality of carrier substrates 5 or 5-1, 5-2 and 5-3 of aluminum are laterally spaced over a dielectric layer 4 ,
  • Support substrates 5 are with their back 6 at the
  • Dielectric layer 4 and carry on its front side 7 each have a plurality of LED chips 8, of which only the first LED chips 8h and last LED chips 81 are shown here.
  • n 3
  • the support substrates 5 may in particular have a reflective surface, e.g. in the manner of MIRO or MIRO SILVER of the company Alanod.
  • the first LED chip 8h of the first carrier substrate 5-1 is connected via a bonding wire 105 to a first connection contact (o.
  • Bonding wire 105 a highest electrical potential HV of
  • Luminous module 1 is applied, which also corresponds to the highest potential HV1 of the first carrier substrate 5-1.
  • the highest electrical potential HV or HV1 may be 400 V here for a calculation example.
  • each of the n drops across the row of the LED chips 8
  • the last LRD chip 81 of the third carrier substrate 5-3 is connected via a
  • Light module 1 corresponds. All in all, therefore, there is an (operating) voltage HV-LV of 391.5 V at the row of all LED chips 8.
  • the front side 9 of the support plate 2 is also here with
  • the light module 1 may in turn be connected with its rear side 10 via a dielectric intermediate layer with a heat sink (o. Fig.).
  • FIG. 5 shows the lighting module 1 of Figure 4 now in a variant with a connected voltage divider 11, which is fed by a high-voltage LED driver 12.
  • the voltage divider 11 is electrically between them
  • the total resistance of the voltage divider 11 is thus 3000 kilohms or 3
  • HV1 and HV2 electrical potentials HV1 and HV2. It differs in magnitude only by 65.25 V from HV1 and LV1 and represents the largest potential difference between a bond wire 105 connected to an LED chip 8 of the carrier substrate 5-1 and the carrier substrate 5-1. Consequently, between the bonding wire 105 and the first carrier substrate 5-1 constructed a significantly lower electric field than at otherwise 400 V. Thus, a formation of Crowstrompfaden and / or partial discharges is greatly suppressed, and it can now be to simple and
  • an electrical line 14 branched between the second resistor R2 and the third resistor R3 leads to the second carrier substrate 5-2, so that at the second
  • Carrier substrate 5-2 a free electrical potential
  • two or more than three carrier substrates 5 can be used.
  • Support substrate 5 the lower may be the maximum potential difference between a carrier substrate 5 and an associated bonding wire 105.
  • the carrier substrates can also be designed differently, e.g. different dimensions, e.g. a different diameter.
  • the carrier substrates can also carry a different number of LED chips, in which case the value of the associated resistors can be adapted to them when a voltage divider is present.
  • "on”, “an”, etc. can be understood to mean a singular or a plurality, in particular in the sense of
  • a number may include exactly the specified number as well as a usual tolerance range, as long as this is not explicitly excluded.

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Abstract

Das Leuchtmodul (1) ist mit mehreren Halbleiterlichtquellen (8, 8h, 8I), insbesondere LED-Chips, ausgerüstet und weist eine metallische Trägerplatte (2) auf, wobei auf der Trägerplatte (2) und von dieser elektrisch isoliert mehrere metallische Trägersubstrate (5, 5-1, 5-2, 5-3) angeordnet sind, an welchen Trägersubstraten (5, 5-1, 5-2, 5-3) jeweils mindestens eine Halbleiterlichtquelle (8, 8h, 8I) angeordnet ist und die Trägersubstrate (5, 5-1, 5-2, 5-3) elektrisch in Reihe geschaltet sind. Das Verfahren dient zum Betreiben eines Leuchtmoduls (1), wobei an mindestens ein Trägersubstrat (5, 5-1, 5-2, 5-3) ein elektrisches Potenzial (Vc1, Vc2, Vc3) angelegt wird.

Description

Beschreibung
Leuchtmodul mit Halbleiterlichtquellen und Trägerplatte Die Erfindung betrifft ein Leuchtmodul mit mehreren
Halbleiterlichtquellen, insbesondere LED-Chips, wobei das Leuchtmodul eine Trägerplatte aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Leuchtmoduls. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf LED-Leuchtmodule in CoB („Chip-on-Board" ) -Technologie .
Fig.l zeigt ein herkömmliches Leuchtmodul 101 in CoB- Technologie mit einer Trägerplatte 102 aus Aluminium, an deren spiegelnder Vorderseite 103 mehrere Halbleiterlichtquellen in Form von LED-Chips 104 aufgebracht sind. Die Verwendung einer solchen Trägerplatte 102 weist zwei Vorteile auf, nämlich ein hohes Reflexionsvermögen bei gleichzeitig hoher
Wärmeleitfähigkeit . Die LED-Chips 104 sind mittels eines dielektrischen
Chipsubstrats gegen die Trägerplatte 102 elektrisch isoliert und sind durch Bonddrähte 105 miteinander elektrisch in einer Reihe verschaltet. Ein erster LED-Chip 104, 104h der Reihe ist über einen Bonddraht 105 mit einem ersten Anschlusskontakt 106h verbunden, welcher auf einem höchsten elektrischen
Potenzial HV liegt. Ein letzter LED-Chip 1041 der Reihe ist mit einem zweiten Anschlusskontakt 1061 verbunden, welcher auf einem niedrigsten elektrischen Potenzial LV liegt. Die
einzelnen LED-Chips 104 sollten so in einer Reihe verschaltet sein, dass die Summe ihrer Vorwärtsspannungen der insgesamt an diese LED-Reihe 104h, 1041 angelegten Spannung HV-LV entspricht .
Die Vorderseite 103 der Trägerplatte 102 mit den LED-Chips 104 und den Bonddrähten 105 ist mittels einer lichtdurchlässigen Vergussmasse 107 vergossen, z.B. Silikon oder Epoxidharz, welche beispielsweise Füllstoff wie Diffusorpartikel und/oder Leuchtstoffpartikel aufweisen mag. Da die Trägerplatte 102 elektrisch leitfähig ist, ist sie zum Einsatz des Leuchtmoduls 101 bei einer an die Reihe 104h ... 1041 der LED-Chips 104 bzw. bei einer an die Anschlusskontakte 106h, 1061 angelegten Hochspannung HV-LV wenig geeignet. Die Hochspannung mag z.B. einer Spitzenspannung eines
Wechselspannungssignals entsprechen oder einer Gleichspannung entsprechen . Da die Dicke eines LED-Chips 104 vergleichsweise gering ist
(typischerweise im Bereich von wenigen 100 Mikrometern liegt) , führt das Anlegen einer hohen Spannung HV-LV zu einem starken elektrischen Feld F zwischen dem Bonddraht 105 und dem
Chipsubstrat des LED-Chips 104 durch die Vergussmasse 106 und den restlichen Teil des LED-Chips 104 hindurch, insbesondere im Bereich des ersten LED-Chips 104h. In diesem Fall wird nachteiligerweise ein elektrischer Nebenpfad P zu der LED- Reihenschaltung geschlossen. Ein weiteres Problem tritt auf, falls das die Trägerplatte 102 mit seiner Rückseite 108 über eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 109 mit einem metallischen Kühlkörper 110 verbunden ist, wie in Fig.2 gezeigt. Der Kühlkörper 110 ist typischerweise elektrisch mit Masse GND verbunden. In diesem Fall tritt auch eine kapazitive Kopplung zwischen den
Bonddrähten 105 und dem Kühlkörper 110 auf.
Wie in dem zu Fig.2 entsprechenden Ersatzschaltbild aus Fig.3 gezeigt, liegen pro Bonddraht 105 mindestens zwei Kapazitäten zwischen diesem Bonddraht 105 und dem Kühlkörper 110 vor, nämlich eine erste Kapazität Cws zwischen dem Bonddraht 105 und der Trägerplatte 102, welche die Vergussmasse 107 als Dielektrikum aufweist, und eine zweite Kapazität Csh zwischen der Trägerplatte 102 und dem Kühlkörper 110, welche die
Zwischenschicht 109 als Dielektrikum aufweist. Die erste
Kapazität Cws ist typischerweise erheblich kleiner als die zweite Kapazität Csh. Dadurch fällt das an dem Bonddraht 105 anliegende elektrische Potenzial an der ersten Kapazität Cws signifikant ab. Dies führt zusätzlich zu einem starken
elektrischen Feld durch die Vergussmasse 107.
Eine bekannte Maßnahme um diese Probleme zu umgehen, besteht in der Verwendung von Trägerplatten aus thermisch leitfähigem, aber elektrisch isolierendem Keramikmaterial, z.B. aus A1N. Diese Lösung ist jedoch sehr teuer.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere auf einfache und kostengünstige Weise eine
Durchbruchsicherheit zwischen einem Bonddraht und dem
Trägersubstrat zu erhöhen bzw. die Gefahr eine Bildung von Nebenpfaden und/oder Teilentladungen zu verringern.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind
insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Leuchtmodul mit mehreren Halbleiterlichtquellen, aufweisend eine metallische
Trägerplatte, wobei auf der Trägerplatte und von dieser elektrisch isoliert mehrere metallische Substrate (im
Folgenden als „Trägersubstrate" bezeichnet) angeordnet sind, an welchen Trägersubstraten jeweils mindestens eine
Halbleiterlichtquelle angeordnet ist. Die
Halbleiterlichtquellen der Trägersubstrate sind vorzugsweise elektrisch in Reihe geschaltet sind. Durch das Verteilen oder „Clustern" der Halbleiterlichtquellen auf n Gruppen oder „Cluster" mit n > 1 wird der elektrische Potenzialunterschied oder „Clusterspannung" AVn = HVn-LVn über die Reihe der an einem gemeinsamen Träger angeordneten
Halbleiterlichtquellen verringert. In anderen Worten wird nun nicht mehr ein für alle Halbleiterlichtquellen gemeinsamer
Träger (nämlich die Trägerplatte) verwendet, sondern ein Satz mehrerer voneinander elektrisch isolierter Träger (nämlich die Trägersubstrate) . So wird es ermöglicht, die zwischen der ersten und der letzten Halbleiterlichtquelle einer Gruppe bzw. eines Trägersubstrats n anliegende Clusterspannung AVn durch eine Wahl der Zahl m (m >= 1) der auf einem Trägersubstrat befindlichen Halbleiterlichtquellen auf einen gewünschten maximalen Wert zu begrenzen. So mag die Clusterspannung AVn für m in Reihe geschaltete Halbleiterlichtquellen mit einer Vorwärtsspannung Vf zu AVg = m-Vf bestimmt werden. Dadurch kann das elektrische Feld F zwischen den Bonddrähten und der Trägerplatte verringert werden. Dadurch wiederum wird eine Gefahr einer Teilentladung innerhalb des Leuchtmoduls und/oder einer Ausbildung eines elektrischen Nebenpfads verringert. Das Leuchtmodul ist zudem einfach und preiswert implementierbar.
Bevorzugterweise umfasst die mindestens eine
Halbleiterlichtquelle mindestens eine Leuchtdiode. Bei
Vorliegen mehrerer Leuchtdioden können diese in der gleichen Farbe oder in verschiedenen Farben leuchten. Eine Farbe kann monochrom (z.B. rot, grün, blau usw.) oder multichrom (z.B. weiß) sein. Auch kann das von der mindestens einen Leuchtdiode abgestrahlte Licht ein infrarotes Licht (IR-LED) oder ein ultraviolettes Licht (UV-LED) sein. Mehrere Leuchtdioden können ein Mischlicht erzeugen; z.B. ein weißes Mischlicht. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mindestens einen
wellenlängenumwandelnden Leuchtstoff enthalten (Konversions- LED) . Der Leuchtstoff kann alternativ oder zusätzlich entfernt von der Leuchtdiode angeordnet sein ("Remote Phosphor") . Die mindestens eine Leuchtdiode kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten Leuchtdiode oder in Form mindestens eines LED-Chips vorliegen. Mehrere LED-Chips können auf einem gemeinsamen Substrat ("Submount") montiert sein. Die
mindestens eine Leuchtdiode kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik zur Strahlführung ausgerüstet sein, z.B. mindestens einer Fresnel-Linse, Kollimator, und so weiter. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen
Leuchtdioden, z.B. auf Basis von InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z.B. Polymer-OLEDs ) einsetzbar. Alternativ kann die mindestens eine
Halbleiterlichtquelle z.B. mindestens einen Diodenlaser aufweisen. Auch dem mindestens einen Diodenlaser mag ein wellenlängenumwandelnder Leuchtstoff nachgeschaltet sein, z.B. in einer LARP („Laser Activated Remote Phosphor" ) -Anordnung . Besonders bevorzugt wird ein LED-Chip, z.B. auf der Basis einer GaN-Struktur, insbesondere mit einem elektrisch
isolierenden Aufsatzbereich oder Bodenbereich.
Die metallische Trägerplatte mag insbesondere Aluminium und/oder Kupfer aufweisen oder daraus bestehen. Die
Trägerplatte mag insbesondere kreisscheibenförmig oder
quaderförmig geformt sein. Die Dicke der Trägerplatte ist insbesondere erheblich geringer als eine Ausdehnung in einer Ebene der Trägerplatte. Die Trägerplatte mag plan oder
gekrümmt sein. Die Dicke mag konstant sein, ist aber nicht darauf beschränkt.
Die metallischen Trägersubstrate mögen ebenfalls z.B.
Aluminium und/oder Kupfer aufweisen oder daraus bestehen. Auch mag ein Trägersubstrat insbesondere kreisscheibenförmig oder quaderförmig geformt sein. Die Dicke eines Trägersubstrats ist insbesondere erheblich geringer als eine Ausdehnung in einer Ebene des Trägersubstrats. Die Dicke mag konstant sein, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Trägersubstrate sind
bevorzugt an einer Seite der Trägerplatte angeordnet. Die metallischen Trägersubstrate weisen bevorzugt eine spiegelnde Oberfläche auf, um Lichtverluste gering zu halten.
Eine an die Halbleiterlichtquellen angelegte Spannung oder Potenzialdifferenz HV-LV mag insbesondere eine Hochspannung sein. Unter einer Hochspannung mag insbesondere eine Spannung verstanden werden, welche für eine Wechselspannung einen
Effektivwert von mindestens 50 V aufweist und für eine
Gleichspannung einen Wert von mindestens 120 V aufweist. Unter einer Hochspannung mag insbesondere eine Gleichspannung von 230 V oder mehr, insbesondere von 400 V, verstanden werden.
Dass die Halbleiterlichtquellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, bedeutet in einer Ausgestaltung insbesondere, dass alle Halbleiterlichtquellen elektrisch in Reihe verschaltet sind. Dabei können die Halbleiterlichtquellen alle in einer einzigen Reihe verschaltet sein, oder die Halbleiterlichtquellen können elektrisch auf mehrere unabhängige betreibbare Reihen oder „Stränge" verteilt sein. Die Aufteilung auf mehrere Stränge mag insbesondere bei unterschiedlich farbigen
Halbleiterlichtquellen sinnvoll sein, wobei ein Strang
bevorzugt in einer Reihe geschaltete Halbleiterlichtquellen gleicher Farbe umfasst. Auf einem Trägersubstrat mögen also in einer Variante Halbleiterlichtquellen mehrerer Stränge
angeordnet sein.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das Leuchtmodul dazu
eingerichtet ist, an mindestens ein Trägersubstrat ein
elektrisches Potenzial Vc anzulegen, insbesondere ein
jeweiliges elektrisches Potenzial Vc an alle Trägersubstrate. Das freie Potenzial Vc verringert eine Potenzialdifferenz zwischen den Bonddrähten und dem Trägersubstrat. Dies führt zu einem erheblich geringeren elektrischen Feld zwischen dem Bonddraht und dem Trägersubstrat, was wiederum ein Risiko einer Teilentladung innerhalb des Leuchtmoduls verringert. Diese Ausgestaltung ist einfach und preiswert implementierbar. Sie funktioniert unabhängig von den Werten von Cws und Csh. Es ist eine besonders einfach umsetzbare und effektive
Ausgestaltung, dass das elektrische Potenzial Vc des
Trägersubstrats dem Mittelwert der an der Reihe der mindestens einen Halbleiterlichtquelle dieses Trägersubstrats anliegenden elektrischen Potenziale entspricht. Das elektrische Potenzial Vc des Trägersubstrats entspricht also dem Mittelwert des an dem ersten LED-Chip des Trägersubstrats anliegenden
elektrischen Potenzials HV und des an dem letzten LED-Chip des Trägersubstrats anliegenden elektrischen Potenzials LV, also Vc = (HV+LV)/2. Dadurch wird eine besonders geringe
Potenzialdifferenz zwischen einem Bonddraht und dem
Trägersubstrat erreicht, nämlich von betragsmäßig maximal (HV- LV)/2 an dem Bonddraht, welcher von dem ersten
Anschlusskontakt des Trägersubstrats zu dem ersten LED-Chip des Trägersubstrats führt, oder an dem Bonddraht, welcher von dem letzten LED-Chip des Trägersubstrats zu dem zweiten
Anschlusskontakt des Trägersubstrats führt. Es ist eine zur besonders einfachen Umsetzung des Anlegens des elektrischen Potenzials Vc an ein Trägersubstrat bevorzugte Ausgestaltung, dass das Leuchtmodul einen Spannungsteiler zum Bereitstellen des elektrischen Potenzials Vc für das
mindestens eine Trägersubstrat aufweist oder damit verbunden ist.
Das Leuchtmodul ist besonders einfach umsetzbar, falls an den Trägersubstraten eine gleiche Zahl von Halbleiterlichtquellen angeordnet ist.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Trägerplatte an einem Kühlkörper befestigt ist. Dies verbessert eine Kühlung der Halbleiterlichtquellen. Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Leuchtmoduls wie oben beschrieben, wobei an mindestens ein Trägersubstrat ein elektrisches Potenzial angelegt wird. Das Verfahren kann analog zu der Leuchtvorrichtung
ausgestaltet werden und ergibt die gleichen Vorteile.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im
Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen
Bezugszeichen versehen sein. Fig.4 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht ein erfindungsgemäßes Leuchtmodul; und
Fig.5 zeigt das Leuchtmodul aus Fig.4 mit angeschlossenem
Spannungsteiler . Fig.4 zeigt ein erfindungsgemäßes Leuchtmodul 1 in CoB- Technologie mit einer Trägerplatte 2 aus Aluminium, an deren Vorderseite 3 über eine dielektrische Schicht 4 seitlich beabstandet mehrere Trägersubstrate 5 bzw. 5-1, 5-2 und 5-3 aus Aluminium aufgebracht sind. Die plattenartigen
Trägersubstrate 5 liegen mit ihrer Rückseite 6 an der
dielektrischen Schicht 4 auf und tragen an ihrer Vorderseite 7 jeweils mehrere LED-Chips 8, von denen hier nur die jeweils ersten LED-Chips 8h und letzten LED-Chips 81 gezeigt sind. Rein beispielshaft seien hier drei (n = 3) gleichartige
Trägersubstrate 5 mit jeweils einer gleichen Zahl m gleicher LED-Chips 8 vorhanden, z.B. mit jeweils m = 45. Das
Leuchtmodul 1 weist also insgesamt 3m = 135 LED-Chips 8 auf. Alle LED-Chips 8 sind elektrisch in einer einzigen Reihe verschaltet. Die Trägersubstrate 5 mögen insbesondere eine spiegelnde Oberfläche aufweisen, z.B. nach Art von MIRO oder MIRO SILVER der Fa. Alanod. Der erste LED-Chip 8h des ersten Trägersubstrats 5-1 ist über einen Bonddraht 105 mit einem ersten Anschlusskontakt (o.
Abb.) des Leuchtmoduls 1 verbunden, so dass an diesem
Bonddraht 105 ein höchstes elektrisches Potenzial HV des
Leuchtmoduls 1 anliegt, welches auch dem höchsten Potenzial HV1 des ersten Trägersubstrats 5-1 entspricht. Das höchste elektrische Potenzial HV bzw. HV1 mag für ein Rechenbeispiel hier bei 400 V liegen.
Bei einer angenommenen Vorwärtsspannung Vf der LED-Chips 8 von 2,9 V fällt über die Reihe der LED-Chips 8 jedes der n
Trägersubstrate 5 eine Clusterspannung AVn = 45 · 2,9 V = 130,5 V ab. An dem Bonddraht 105, welcher den elektrischen Übergang zwischen dem ersten Trägersubstrat 5-1 und dem zweiten Trägersubstrat 5-2 bildet, liegt somit ein niedrigstes Potenzial LVl des ersten Trägersubstrats 5-1 von LVl = 400 V - 130,5 V = 269,5 V an. Dies entspricht dem höchsten
elektrischen Potenzial HV2 des zweiten Trägersubstrats 5-2, also LVl = HV2. Analog liegt an dem Bonddraht 105, welcher den elektrischen Übergang zwischen dem zweiten Trägersubstrat 5-2 und dem dritten Trägersubstrat 5-3 bildet, ein niedrigstes Potenzial LV2 des zweiten Trägersubstrats 5-2 von 139 V an. Dies entspricht dem höchsten elektrischen Potenzial HV3 des dritten Trägersubstrats 5-3, also LV2 = HV3. Der letzte LRD- Chip 81 des dritten Trägersubstrats 5-3 ist über einen
Bonddraht 105 mit einem zweiten Anschlusskontakt (o. Abb.) des Leuchtmoduls 1 verbunden, und zwar auf einem niedrigsten elektrischen Potenzial LV3 des dritten Trägersubstrats 5-3 von 139 V - 130,5 V = 8,5 V, was dem niedrigsten elektrischen Potenzial LV der Gesamtheit der m=135 LED-Chips 8 des
Leuchtmoduls 1 entspricht. Insgesamt liegt also an der Reihe aller LED-Chips 8 eine (Betriebs- ) Spannung HV-LV von 391,5 V an .
Die Vorderseite 9 der Trägerplatte 2 ist auch hier mit
Vergussmasse 107 vergossen, und zwar einschließlich der
Trägersubstrate 5, der LED-Chips 8 und der diese verbindenden Bonddrähte 105. Das Leuchtmodul 1 mag wiederum mit seiner Rückseite 10 über eine dielektrische Zwischenschicht mit einem Kühlkörper verbunden sein (o. Abb.) .
Fig.5 zeigt das Leuchtmodul 1 aus Fig.4 nun in einer Variante mit einem angeschlossenen Spannungsteiler 11, welcher über einen Hochspannungs-LED-Treiber 12 bespeist wird. Der
Hochspannungs-LED-Treiber 12 gibt auch die Betriebsspannung HV-LV an die Reihe der m=135 LED-Chips 8 aus und ist dazu einerseits über einen Bonddraht 105, der auf dem höchsten Potenzial HV liegt, mit dem ersten LED-Chip 8h des ersten Treibersubstrats 5-1 und andererseits über einen Bonddraht 105, der auf dem niedrigsten Potenzial LV liegt, mit dem letzten LED-Chip 81 des dritten Treibersubstrats 5-3
verbunden . Der Spannungsteiler 11 ist elektrisch zwischen diesen
Anschlüssen HV, LV des Hochspannungs-LED-Treibers 12
angeordnet und weist hier vier in Reihe geschaltete ohmsche Widerstände Rl, R2, R3 und R4 auf, welche einen Widerstandswert von R, 2R, 2R bzw. R aufweisen, wobei R hier einen Wert von 500 Kiloohm besitzt. Der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers 11 beträgt folglich 3000 Kiloohm oder 3
Megaohm. Bei einer Betriebsspannung HV-LV von 391,5 V fließt somit ein Strom I von 130,5 Mikroampere durch den
Spannungsteiler 11.
Eine zwischen dem ersten Widerstand Rl und dem zweiten
Widerstand R2 abzweigende elektrische Leitung 13 führt zu dem ersten Trägersubstrat 5-1, so dass an dem Trägersubstrat 5-1 ein freies elektrisches Potenzial Vcl = (5/6) · (HV-LV) +LV = (HVl+LVl)/2 = 334,75 V anliegt. Dieses Potenzial Vcl
entspricht also dem Mittelwert (HVl+LVl)/2 der an der Reihe LED-Chips 8 des ersten Trägersubstrats 5-1 anliegenden
elektrischen Potenziale HV1 und HV2. Es unterscheidet sich betragsmäßig nur um 65,25 V von HV1 und LV1 und stellt die größte Potenzialdifferenz zwischen einem mit einem LED-Chip 8 des Trägersubstrats 5-1 verbundenen Bonddraht 105 und dem Trägersubstrat 5-1 dar. Folglich wird zwischen dem Bonddraht 105 und dem ersten Trägersubstrat 5-1 ein erheblich geringeres elektrisches Feld aufgebaut als bei sonst 400 V. Dadurch wird eine Bildung von Nebenstrompfaden und/oder Teilentladungen stark unterdrückt, und es können nun auf einfache und
preiswerte Weise auch metallische Träger 2, 5 zum
Hochspannungsbetrieb von LED-Chips 8 eingesetzt werden.
Analog führt eine zwischen dem zweiten Widerstand R2 und dem dritten Widerstand R3 abzweigende elektrische Leitung 14 zu dem zweiten Trägersubstrat 5-2, so dass an dem zweiten
Trägersubstrat 5-2 ein freies elektrisches Potenzial
Vc2 = (3/6) · (HV-LV) +LV = (HV2+LV2)/2 = 204, 25 V anliegt.
Dieses Potenzial Vc2 unterscheidet sich betragsmäßig nur um 65,25 V von HV2 und LV2. Ferner führt auch eine zwischen dem dritten Widerstand R3 und dem vierten Widerstand R4 abzweigende elektrische Leitung 15 zu dem dritten Trägersubstrat 5-3, so dass an dem dritten Trägersubstrat 5-3 ein freies elektrisches Potenzial Vc3 = (5/6) · (HV-LV) +LV = (HV3+LV3)/2 = 73, 25 V anliegt. Dieses Potenzial Vc3 unterscheidet sich betragsmäßig nur um 65,25 V von HV3 und LV3. Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten
Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
So können auch zwei oder mehr als drei Trägersubstrate 5 verwendet werden. Je größer die Zahl n der Trägersubstrate 5 ist und je geringer also die Zahl n der LED-Chips 8 pro
Trägersubstrat 5 sein kann, desto geringer mag der maximale Potenzialunterschied zwischen einem Trägersubstrat 5 und einem zugehörigen Bonddraht 105 sein.
Grundsätzlich können die Trägersubstrate auch unterschiedlich ausgebildet sein, z.B. unterschiedliche Maße, z.B. einen unterschiedlichen Durchmesser, aufweisen. Auch können die Trägersubstrate eine unterschiedliche Zahl von LED-Chips tragen, wobei dann bei Vorliegen eines Spannungsteilers der Wert der zugehörigen Widerstände daran angepasst werden kann. Allgemein kann unter "ein", "eine" usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von
"mindestens ein" oder "ein oder mehrere" usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck "genau ein" usw.
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist. Bezugs zeichen
1 Leuchtmodul
2 Trägerplatte
3 Vorderseite der Trägerplatte
4 dielektrische Schicht
5 Trägersubstrat
5-1 erstes Trägersubstrat
5-2 zweites Trägersubstrat
5-3 drittes Trägersubstrat
6 Rückseite des Trägersubstrats
7 Vorderseite des Trägersubstrats
8 LED-Chip
8h erster LED-Chip eines Trägersubstrats 5
81 letzter LED-Chip eines Trägersubstrats 5
9 Vorderseite der Trägerplatte
10 Rückseite des Leuchtmoduls
11 Spannungsteiler
12 Hochspannungs-LED-Treiber
101 Leuchtmodul
102 Trägerplatte
103 Vorderseite der Trägerplatte
104 LED-Chip
104h erster LED-Chip der Trägerplatte
1041 letzter LED-Chip der Trägerplatte
105 Bonddraht
106h erster Anschlusskontakt
1061 zweiter Anschlusskontakt
107 Vergussmasse
108 Rückseite
109 elektrisch isolierende Zwischenschicht
110 Kühlkörper
Cws erste Kapazität
Csh zweite Kapazität
F elektrisches Feld
HV höchstes elektrisches Potenzial
HV1 höchstes elektrisches Potenzial des ersten
TrägerSubstrats HV2 höchstes elektrisches Potenzial des zweiten
TrägerSubstrats
HV3 höchstes elektrisches Potenzial des dritten
TrägerSubstrats
GND Masse
LV niedrigstes elektrisches Potenzial
LV1 niedrigstes elektrisches Potenzial des ersten
TrägerSubstrats
LV2 niedrigstes elektrisches Potenzial des zweiten
Trägersubstrats
LV3 niedrigstes elektrisches Potenzial des dritten
TrägerSubstrats
P elektrischer Nebenpfad
R Widerstandswert
R1-R4 ohmscher Widerstand

Claims

Patentansprüche
1. Leuchtmodul (1) mit mehreren Halbleiterlichtquellen (8, 8h, 81) , insbesondere LED-Chips, aufweisend
- eine metallische Trägerplatte (2),
wobei
- auf der Trägerplatte (2) und von dieser elektrisch
isoliert mehrere metallische Trägersubstrate (5, 5-1, 5-2, 5-3) angeordnet sind,
- an welchen Trägersubstraten (5, 5-1, 5-2, 5-3) jeweils mindestens eine Halbleiterlichtquelle (8, 8h, 81) angeordnet ist und
- die Trägersubstrate (5, 5-1, 5-2, 5-3) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
2. Leuchtmodul (1) nach Anspruch 1, wobei das Leuchtmodul (1) dazu eingerichtet ist, an mindestens ein
Trägersubstrat (5, 5-1, 5-2, 5-3) ein elektrisches
Potenzial (Vcl, Vc2, Vc3) anzulegen.
3. Leuchtmodul (1) nach Anspruch 2, wobei das Leuchtmodul (1) dazu eingerichtet ist, an alle Trägersubstrate (5, 5- 1, 5-2, 5-3) ein elektrisches Potenzial (Vcl, Vc2, Vc3) anzulegen .
4. Leuchtmodul (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das elektrische Potenzial (Vcl, Vc2, Vc3) des
Trägersubstrats (5, 5-1, 5-2, 5-3) dem Mittelwert der an der Reihe der mindestens einen Halbleiterlichtquelle (8, 8h, 81) dieses Trägersubstrats (5, 5-1, 5-2, 5-3)
anliegenden elektrischen Potenziale (HV1, LV1, HV2, LV2, HV3, LV3) entspricht.
5. Leuchtmodul (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Leuchtmodul einen Spannungsteiler (11) zum
Bereitstellen des elektrischen Potenzials (Vcl, Vc2, Vc3) für das mindestens eine Trägersubstrat (5, 5-1, 5-2, 5-3) aufweist oder damit verbunden ist.
6. Leuchtmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an den Trägersubstraten (5, 5-1, 5-2, 5-3) eine gleiche Zahl von Halbleiterlichtquellen (8, 8h, 81) angeordnet ist.
7. Leuchtmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Halbleiterlichtquellen (8, 8h, 81) elektrisch in Reihe verschaltet sind.
8. Leuchtmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerplatte (2) an einem Kühlkörper befestigt ist .
9. Verfahren zum Betreiben eines Leuchtmoduls (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an mindestens ein Trägersubstrat (5, 5-1, 5-2, 5-3) ein elektrisches
Potenzial (Vcl, Vc2, Vc3) angelegt wird.
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