WO2018024471A1 - Led-modul - Google Patents

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WO2018024471A1
WO2018024471A1 PCT/EP2017/067941 EP2017067941W WO2018024471A1 WO 2018024471 A1 WO2018024471 A1 WO 2018024471A1 EP 2017067941 W EP2017067941 W EP 2017067941W WO 2018024471 A1 WO2018024471 A1 WO 2018024471A1
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light
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led module
led
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Reiner Windisch
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Osram GmbH
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Osram GmbH
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10W90/00—Package configurations

Definitions

  • the present invention relates to an LED module with a plurality of light emitting diodes and a plurality of substrates.
  • LED modules for example in projectors, endoscopes of medical technology,
  • Stage lighting requires a high luminance with high light intensities in order to keep downstream optical systems as small as possible or even avoid them. Also, small light / dark transitions must be realized via the luminance. It is important that the LED module builds despite the high luminance required overall small and yet has a relatively long life.
  • the maximum possible electric current for operating an LED is ultimately not by the LED chip itself, but by the thermal connection of the LED chip and / or by the thermal capacity of the
  • Luminance by a factor of 5, however, is far from being achieved in practice, since the light is reflected many times within the cube before emission on the cube top. Since the reflectivity of the surfaces is significantly smaller than 100%, this is a big
  • the present invention is based on the problem to provide an LED module, in a simple way, a high luminance is achieved and the LED module is also easy and inexpensive to produce. According to the invention, this problem is solved by an LED module according to claim 1. Further developments and advantageous Embodiments of the LED module can be found in the
  • An embodiment of the LED module comprises a first substrate having at least one first light-emitting diode, which is arranged on a first surface of the first substrate and has a first main light exit surface. Furthermore, the LED module comprises a second substrate with at least one second light-emitting diode which is arranged on a second surface of the second substrate and has a second main light exit surface and a third substrate with a third surface. The first substrate and the second substrate are arranged on the third surface of the third substrate so that the first main light exit surface and the second main light exit surface face each other and the two main light exit surfaces to each other
  • Opening angle in the direction of the main emission of the LED module form.
  • Light emitting diode to be understood a device that by means of a semiconductor device (LED chip) and a
  • Electromagnetic radiation of a first wavelength is called wavelength conversion.
  • Wavelength conversion is used in light emitting diodes for the
  • a conversion element comprises a converter material, also referred to as
  • the conversion element can for
  • Wavelength conversion can be arranged in the light path of a light emitting diode.
  • a light emitting diode may include an InGaN-based blue or UV emitting chip and a conversion element.
  • the present embodiment describes a
  • Light-emitting diodes wherein the two main light exit surfaces of the light emitting diodes face each other and form, for example, an opening angle of about 60 °. This describes a cross section through the two
  • Main light exit surfaces in approximately an equilateral triangle. Two sides of the triangle are formed by the two main light-emitting surfaces of the LEDs. The third side of the triangle forms the effective one
  • Luminance can be achieved.
  • Droop effect is the reason for this.
  • the LED module can be manufactured using standard equipment and standard processes of semiconductor technology
  • the LED module can be designed with SMT-compatible components. It is without
  • Such LED modules by juxtaposing a plurality of LED modules, wherein one or more light-emitting diodes are arranged on the first and second substrate, respectively.
  • Such linear LED arrays are
  • the third surface of the third substrate has electrical
  • the third substrate may comprise an electrically non-conductive base material.
  • the electrical conductors and the electrical contact surfaces are arranged on a surface of the substrate.
  • the third substrate is manufactured in a leadframe technology. In this case, a larger
  • Metal plate structured such that many electrical contact structures are predefined by punching and the spaces generated are filled with a thermoplastic or silicone as insulating material.
  • the electrical conductors and the electrical contact surfaces are formed directly by the leadframe.
  • the first substrate and the second substrate are electrically conductively connected to the electrical contact surfaces of the third substrate.
  • the first and second substrates become central over the electrical contact surfaces of the third
  • Substrate supplied with electrical energy.
  • the first and the second substrate are supplied with electrical energy.
  • the series connection also ensures that the first and the second substrate are supplied with identical current.
  • the reflective surface may be formed of the base material of the first or second substrate, for example, metal. It is also possible that the reflective surface is reflective
  • Coating for example, in a matrix material such as silicone embedded titanium dioxide.
  • reflective surface can contribute to a particularly high efficiency of the LED module, as optical losses are minimized in the LED module.
  • the space between the first substrate and the second substrate in the area to the third substrate is at least partially filled with a reflective body.
  • the reflective body does not touch and / or conceal the
  • the reflective body may be formed of a base material having reflective properties and a specially machined surface, such as polished metal. It is also possible for the reflective body to be a reflective coating, for example in a matrix material such as silicone
  • the reflective body can contribute to a particularly high efficiency of the LED module, since optical losses in the LED module are minimized.
  • the LED module is between the third surface of the third substrate and the first surface opposite the rear side of the first substrate and / or the second surface arranged opposite the back of the second substrate, a heat sink.
  • the heat sink may be formed of a base material of high thermal conductivity, for example metal. Due to the extensive contact of the
  • Heat sink with the respective substrate surfaces ensures that the heat generated during operation of the LED module can be efficiently dissipated.
  • a thermally conductive agent is arranged to improve the thermal conductivity between the surfaces of the heat sink and the respective substrate surfaces.
  • the means for producing the thermal contact is a thermally conductive connecting means which provides a cohesive connection between the heat sink and the substrates.
  • This may in particular be an adhesive, a TIM film (TIM stands for the
  • thermal interface material or a solder act. According to a development of the LED module is the
  • LED is defined, defines the size of the effective emission area of the LED module. With increasing opening angle, the effective increases
  • the LED module Emission area of the LED module and consequently decreases the luminance of the module.
  • Opening angle preferably in the order given in the following ranges: 40 ° to 100 °, 40 ° to 80 ° and 40 ° to 60 °.
  • the first light-emitting diode and the second light-emitting diode are as
  • the LED module in the direction of the main emission direction, over the first and the second light-emitting diode, one is at least partially
  • the disk may be made of diffused (i.e., designed for light scattering) or transparent (i.e., clear) material.
  • diffused i.e., designed for light scattering
  • transparent i.e., clear
  • Fig. 1 is a schematic representation of an LED module
  • Fig. 2 is a schematic representation of a sub-module
  • Fig. 3 is a schematic representation of the electrical
  • Fig. 4 is a schematic representation of an LED module
  • Fig. 5 is a schematic representation of an LED module
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an LED module 100 according to a first exemplary embodiment in a sectional illustration.
  • the LED module is
  • Each sub-module comprises a substrate 105, 125 with at least one light emitting diode 110, 130.
  • Light-emitting diode 110, 130 is preferably a surface-emitting light-emitting diode.
  • the two sub-modules are electrically conductive on a substrate 145
  • Wedge-shaped heat sink 180 supports the
  • the two sub-modules 200 can be constructed identically.
  • the space X between the first substrate 105 and the second substrate 125 is in the region of the third substrate 145 with a
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a
  • Submodule 200 according to a first embodiment in a three-dimensional representation.
  • the light-emitting diode 110 is applied to a large-area metal body 205, for example by soldering, gluing or sintering.
  • the surface emitting LED 110 is over its Rear side contact with the metal body 205 electrically connected.
  • Substrate 105 of sub-module 200 includes another, generally smaller, metal body 210, which is the second electrical contact.
  • Metal body 210 is connected via a bonding wire 215 with the corresponding front side contact
  • the substrate 105 is inclined at one side in one
  • Contact surfaces 220, 225 of the metal body 205, 210 lie on the cutting edge. It is advantageous for thermal reasons, if the large-area metal surface extends over as large a portion of the oblique side surface, since this surface is the direct thermal
  • the substrate 105 can be manufactured using leadframe technology.
  • a larger metal plate is structured such that many contact structures are predefined
  • the insulating areas in between are produced by injection molding, for example with a thermoplastic or a silicone as
  • Insulating material 230 After the LED assembly and the LED assembly
  • Drahtbondrea be the components, for example by sawing, isolated.
  • the sloping saw edge can be made by tilting the saw or by using a
  • Saw blade with wedge-shaped cross-section can be generated.
  • the substrate (145, not shown in Fig. 2)
  • the metal plate from which the leadframe is made may be copper whose sawn surface 220, 225 is coated with silver or gold.
  • Leadframe production can be defined and metallized. During further processing, the components then hang together at another, for example, at the opposite edge of the oblique edge.
  • the substrate 105 of the sub-modules 200 may be made of partially metallized ceramic.
  • the inclined surface can already be predefined and pre-metallized.
  • the heat sink 180 shown in FIG. 1 can also be produced using leadframe technology. Of the
  • Wedge-shaped heatsinks 180 may be made of the same material as lead frame technology substrate 105 and may also be coated. Of the
  • the heat sink 180 has a similar width to the large-area metal body 205 of the substrate 105.
  • the heat sink 180 is connected to the rear side of the large-area metal body 205 during assembly so that good thermal contact is produced.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of
  • the carrier substrate 145 of the LED module which may also be made in leadframe technology or ceramic, has contact surfaces 305, 310, 315, on which the oblique side surfaces 220, 225 of the sub-modules 200 are applied electrically and thermally conductive, for example Soldering, sintering or gluing.
  • the two sub-modules 200 are advantageously connected in series, which allows a lower operating current than in a parallel connection. In addition, the series connection ensures that the submodules 200 are supplied with identical current.
  • the contacts 305, 310, 315 are as large as possible designed and performed in addition to the back of the substrate 145 when using a leadframe technology to allow a good thermal connection. By suitable choice of metallization, it is possible to provide SMT-capable components. Via the contact surfaces 305, 310, the LED module 100, with its sub-modules 200 and the associated
  • the light-emitting diodes 110, 130, not shown in FIG. 3 and the contact surface 315 of the carrier substrate 145, are provided with an electrically conductive connection from the contact surface 305 to the contact surface 310.
  • the assembly of the LED module 100 takes place in the
  • the heat sinks 180 are applied to the carrier substrate 145 with a pick-and-place technology, for example by a soldering, gluing or sintering process. They are preferably arranged on the larger contact surfaces 310, 315 and are something
  • the two sub-modules 200 mounted in mutually rotated by 180 ° orientation, where they soldered both with their back to the heatsink 180 and with its oblique edge directly on the contact areas 305, 310, 315 of the carrier substrate 145, glued or
  • the heat sink 180 serve to solidify the connection as a mechanical support and leadership, then they serve the heat dissipation.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an LED module 400 according to a second exemplary embodiment in a sectional illustration.
  • Homogenization of the light exit is in the direction of the main emission direction Z, over the first and the second light-emitting diode 110, 130, one at least partially
  • the heat sink 180 are used, which are designed for it in sufficient height.
  • the module is used for a motor vehicle headlamp, on / in the disc 410 is an absorbent or
  • Shade edge 420 is required for light sources in automotive headlamps to produce a sufficiently high contrast ratio for the low beam function.
  • a side cover ideally made of a highly reflective material, to reduce radiation losses.
  • this side wall can be integrated as a leadframe package wall.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an LED module 500 according to a third exemplary embodiment in a plan view.
  • the LED module 500 is designed as a linear LED array.
  • the LED module is based on the basic principle as the described LED module 100.
  • Side covers 530 are disposed on the sides of the linear LED array.
  • the linear LED array may be constructed of a plurality of sub-modules arranged side-by-side in series on a large carrier substrate 145. This makes it possible to produce flexible and modularly different sized LED arrays from identical submodules. Such linear arrays are common, for example, for motor vehicle headlights.
  • the lighting device has been designed to illustrate the underlying idea by means of some
  • Embodiments are combined. It is also possible to omit or add in individual embodiments illustrated features or particular embodiments, as far as the general technical teaching is realized.
  • Light-emitting diode module 100 first substrate 105 first light-emitting diode 110 first surface 115 first main light exit surface 120 second substrate 125 second light-emitting diode 130 second surface 135 second main light exit surface 140 third substrate, carrier substrate 145 third surface 155 reflective surface 160 reflective body 165 rear side 170
  • Submodule 200 metal surface 205
  • Light emitting diode module 400 cover plate 410 absorbing or reflecting edge 420

Landscapes

  • Led Device Packages (AREA)

Abstract

Ein Leuchtdiodenmodul (100) umfasst ein erstes Substrat (105) mit mindestens einer ersten Leuchtdiode (110), die auf einer ersten Oberfläche (115) des ersten Substrats (105) angeordnet ist und eine erste Hauptlichtaustrittsfläche (120) aufweist. Weiterhin umfasst das Leuchtdiodenmodul ein zweites Substrat (125) mit mindestens einer zweiten Leuchtdiode (130), die auf einer zweiten Oberfläche (135) des zweiten Substrats (125) angeordnet ist und eine zweite Hauptlichtaustrittsfläche (140) aufweist sowie ein drittes Substrat (145) mit einer dritten Oberfläche (155). Das erste Substrat (105) und das zweite Substrat (125) sind auf der dritten Oberfläche (155) des dritten Substrats (145) so angeordnet, dass die erste Hauptlichtaustrittsfläche (120) und die zweite Hauptlichtaustrittsfläche (140) sich gegenüberstehen und die beiden Hauptlichtaustrittsflächen (120, 140) zueinander einen Öffnungswinkel (a), in Richtung der Hauptabstrahlrichtung (Z) des LED-Moduls, bilden.

Description

LE D - MOD UL
BE S C HRE I B UNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul mit mehreren Leuchtdioden und mehreren Substraten. Viele Anwendungen von LED-Modulen, beispielsweise in Projektoren, Endoskopen der Medizintechnik,
Frontscheinwerfern des Automobilbaus oder
Bühnenbeleuchtungen, benötigen eine hohe Leuchtdichte mit hohen Lichtintensitäten, um nachgeschaltete optische Systeme möglichst klein zu halten oder gar zu vermeiden. Auch müssen über die Leuchtdichte kleine Hell/Dunkel- Übergänge realisiert werden. Dabei ist es wichtig, dass das LED-Modul trotz geforderter hoher Leuchtdichte insgesamt klein baut und dennoch eine vergleichsweise hohe Lebensdauer aufweist.
Die Verwendung von sogenannten Hochleistungs-LEDs für LED-Module führt zwar zu deutlich höheren Leuchtdichten, hat aber das grundsätzliche Problem, Wärme in
ausreichendem Umfang ableiten zu können. Der maximal mögliche elektrische Strom zum Betreiben einer LED ist letztendlich nicht durch den LED-Chip selbst, sondern durch die thermische Anbindung des LED-Chips oder/und durch die thermische Belastbarkeit des
Konversionselements auf dem LED-Chip begrenzt. Infolge dessen weisen derartige LED-Module, beziehungsweise deren LEDs, häufig eine verringerte Lebensdauer auf. Der höhere Betriebsstrom verursacht zusätzlich einen größeren
Aufwand in der Auslegung der elektrischen
Versorgungseinheit, zum Betreiben der LEDs
beziehungsweise des LED-Moduls. Weiterhin ist eine dreidimensionale LED-Anordnung
bekannt, in der sich vier LEDs an den Seitenkanten eines Würfels befinden und optional noch eine weitere LED auf dessen Unterseite. Das Licht wird ins Innere des
würfelförmigen Volumens emittiert und auf dessen
Oberseite abgestrahlt. Hiermit wird die Leuchtdichte von bis zu 5 LEDs auf etwa der Fläche von einer LED
konzentriert, wodurch die Leuchtdichte des Moduls gegenüber der Leuchtdichte einer einzelnen LED deutlich erhöht wird. Die theoretisch mögliche Erhöhung der
Leuchtdichte um einen Faktor 5 wird jedoch in der Praxis bei Weitem nicht erzielt, da das Licht vor der Emission auf der Würfeloberseite viele Male innerhalb des Würfels reflektiert wird. Da die Reflektivität der Oberflächen deutlich kleiner ist als 100%, geht hierbei ein großer
Teil des Lichtes verloren, sodass nur wenig mehr als eine Erhöhung auf die doppelte Leuchtdichte tatsächlich realisiert werden kann. Darüber hinaus ist der
Zusammenbau eines solchen Moduls sehr aufwendig und eine Wärmeableitung ist fast nur mit einem ebenfalls
dreidimensionalen Kühlkörper realisierbar. Somit ist es kaum möglich, mehrere derartige Module nah beieinander zu platzieren, um ein lineares LED-Array, zum Beispiel für einen Autoscheinwerfer, zu realisieren. Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein LED-Modul bereitzustellen, wobei auf einfache Weise eine hohe Leuchtdichte erzielt wird und das LED-Modul darüber hinaus einfach sowie kostengünstig herstellbar ist . Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein LED-Modul nach Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des LED-Moduls finden sich in den
abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung.
AU S FÜHRUNG S FORMEN D E S LE D - MOD UL S
Eine Ausführungsform des LED-Moduls umfasst ein erstes Substrat mit mindestens einer ersten Leuchtdiode, die auf einer ersten Oberfläche des ersten Substrats angeordnet ist und eine erste Hauptlichtaustrittsfläche aufweist. Weiterhin umfasst das LED-Modul ein zweites Substrat mit mindestens einer zweiten Leuchtdiode, die auf einer zweiten Oberfläche des zweiten Substrats angeordnet ist und eine zweite Hauptlichtaustrittsfläche aufweist sowie ein drittes Substrat mit einer dritten Oberfläche. Das erste Substrat und das zweite Substrat sind auf der dritten Oberfläche des dritten Substrats so angeordnet, dass die erste Hauptlichtaustrittsfläche und die zweite Hauptlichtaustrittsfläche sich gegenüberstehen und die beiden Hauptlichtaustrittsflächen zueinander einen
Öffnungswinkel, in Richtung der Hauptabstrahlrichtung des LED-Moduls, bilden.
Im Rahmen dieser Beschreibung kann unter einer
Leuchtdiode ein Bauelement verstanden werden, das mittels eines Halbleiterbauelementes (LED-Chip) und eines
optionalen Konversionselements elektromagnetische
Strahlung emittiert. Das Bilden von elektromagnetischer Strahlung einer zweiten Wellenlänge aus
elektromagnetischer Strahlung einer ersten Wellenlänge (LED-Chip) wird Wellenlängenkonversion genannt.
Wellenlängenkonversion wird in Leuchtdioden für die
Farbumwandlung verwendet, beispielsweise zur
Vereinfachung der Erzeugung von weißem Licht. Dabei wird beispielsweise ein blaues Licht (LED-Chip) in ein gelbes Licht konvertiert. Die Farbmischung aus blauen Licht und gelben Licht bildet weißes Licht. Ein Konversionselement umfasst ein Konvertermaterial, auch bezeichnet als
Leuchtstoff. Das Konversionselement kann zur
Wellenlängenkonversion im Lichtweg einer Leuchtdiode angeordnet sein. So kann beispielsweise eine Leuchtdiode einen InGaN-basierten blau- oder UV-emittierenden Chip und ein Konversionselement umfassen. Die vorliegende Ausführungsform beschreibt eine
dreidimensionale Anordnung von mindestens zwei
Leuchtdioden, wobei die beiden Hauptlichtaustrittsflächen der Leuchtdioden sich gegenüberstehen und zum Beispiel einen Öffnungswinkel von ca. 60° bilden. Damit beschreibt ein Querschnitt durch die beiden
Hauptlichtaustrittsflächen in etwa ein gleichseitiges Dreieck. Zwei Seiten des Dreiecks werden durch die zwei Hauptlichtaustrittsflächen der Leuchtdioden gebildet. Die dritte Seite des Dreiecks bildet die effektive
Emissionsfläche des LED-Moduls. Idealerweise kann
emittiertes Licht der ersten und zweiten
Hauptaustrittsfläche direkt oder nach Reflexion, an der jeweils gegenüberliegenden Hauptaustrittsfläche, durch die effektive Emissionsfläche des LED-Moduls
hindurchtreten. Bei perfekter Reflektivität aller
Oberflächen könnte somit eine Verdopplung der
Leuchtdichte erzielt werden.
In etwa die Hälfte des emittierten Lichts einer jeden LED-Hauptaustrittsfläche tritt ohne Reflexion durch die effektive Emissionsfläche des LED-Moduls hindurch. Nach der ersten Reflexion des verbliebenen emittierten Lichts tritt näherungsweise erneut etwa die Hälfte des
reflektierten Lichts durch die effektive Emissionsfläche des LED-Moduls hindurch. Bei einer Reflektivität von 90%, wie sie realistisch ist, ist damit in dieser Anordnung mit einer Lichtemission von ca. 90% des erzeugten Lichts zu rechnen, was einer Erhöhung der Leuchtdichte um ca. 80% gegenüber einer einzelnen Leuchtdiode entspricht.
Damit ist das System ähnlich effizient wie eine
Leuchtdiode, die mit etwa doppelter Stromstärke betrieben wird. Bei allen InGaN-basierten Chips die mit höhere
Stromdichte betrieben werden, tritt eine Reduzierung der Effizienz in gleicher Größenordnung auf. Grund hierfür ist der sogenannte Droop-Effekt .
Wegen der halbierten Stromdichte ist jedoch die
thermische Belastung des Konversionselements wesentlich geringer. Ebenso sind die Anforderungen an die
elektrische Auslegung der Treiberelektronik, zum
Betreiben des LED-Moduls, niedriger.
Das LED-Modul kann unter Verwendung von Standardequipment und Standardprozessen der Halbleitertechnologie
hergestellt werden. Das LED-Modul kann mit SMT-fähigen Bauteilen ausgestaltet werden. Es ist ohne
Einschränkungen möglich, ein lineares LED-Array
derartiger LED-Module durch Aneinandersetzen mehrerer LED-Module, wobei auf dem ersten bzw. zweiten Substrat eine oder mehrere Leuchtdioden angeordnet sind, zu erzeugen. Derartige lineare LED-Arrays sind
beispielsweise für Kfz-Frontscheinwerfer üblich.
Gemäß einer Weiterbildung des LED-Moduls weist die dritte Oberfläche des dritten Substrats elektrische
Kontaktflächen auf. Das dritte Substrat kann ein elektrisch nicht leitendes Grundmaterial aufweisen. In einem separaten
Arbeitsschritt werden die elektrischen Leiterbahnen und die elektrischen Kontaktflächen auf einer Oberfläche des Substrats angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, dass das dritte Substrat in einer Leadframe-Technologie hergestellt wird. In diesem Fall wird eine größere
Metallplatte derart strukturiert, dass viele elektrische Kontaktstrukturen durch ausstanzen vordefiniert werden und die erzeugten Zwischenräume mit einem Thermoplast oder einem Silikon als Isoliermaterial ausgefüllt werden. Hierbei werden die elektrischen Leiterbahnen und die elektrischen Kontaktflächen direkt durch den Leadframe gebildet . Gemäß einer Weiterbildung des LED-Moduls sind das erste Substrat und das zweite Substrat mit den elektrischen Kontaktflächen des dritten Substrats elektrisch leitend verbunden .
Somit werden das erste und das zweite Substrat zentral, über die elektrischen Kontaktflächen des dritten
Substrats, mit elektrischer Energie versorgt. Dabei werden das erste und das zweite Substrat
vorteilhafterweise seriell verschaltet, was einen
niedrigeren Betriebsstrom als bei einer Parallelschaltung ermöglicht. Durch die Reihenschaltung wird darüber hinaus sichergestellt, dass das erste und das zweite Substrat mit identischem Strom versorgt werden.
Gemäß einer Weiterbildung des LED-Moduls weist die erste Oberfläche des ersten Substrats und/oder die zweite
Oberfläche des zweiten Substrats eine reflektierende Oberfläche auf. Die reflektierende Oberfläche kann aus dem Grundmaterial des ersten oder zweiten Substrats, beispielsweise Metall, ausgebildet sein. Es ist darüber hinaus möglich, dass die reflektierende Oberfläche eine reflektierende
Beschichtung, beispielsweise in ein Matrixmaterial wie Silikon eingebettetes Titandioxid, umfasst. Die
reflektierende Oberfläche kann zu einer besonders hohen Effizienz des LED-Moduls beitragen, da optische Verluste im LED-Modul minimiert sind.
Gemäß einer Weiterbildung des LED-Moduls ist der Raum zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat im Bereich zum dritten Substrat mit einem reflektierenden Körper zumindest teilweise ausgefüllt. Der reflektierende Körper berührt und/oder verdeckt nicht die
Hauptaustrittsflächen der ersten und der zweiten
Leuchtdiode .
Der reflektierende Körper kann aus einem Grundmaterial mit reflektierenden Eigenschaften und einer speziell bearbeiteten Oberfläche, beispielsweise poliertes Metall, ausgebildet sein. Es ist darüber hinaus möglich, dass der reflektierende Körper eine reflektierende Beschichtung, beispielsweise in ein Matrixmaterial wie Silikon
eingebettetes Titandioxid, umfasst. Der reflektierende Körper kann zu einer besonders hohen Effizienz des LED- Moduls beitragen, da optische Verluste im LED-Modul minimiert sind.
Gemäß einer Weiterbildung des LED-Moduls ist zwischen der dritten Oberfläche des dritten Substrats und der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Rückseite des ersten Substrats und/oder der der zweiten Oberfläche gegenüberliegenden Rückseite des zweiten Substrats ein Kühlkörper angeordnet.
Der Kühlkörper kann aus einem Grundmaterial mit hoher thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise Metall, ausgebildet sein. Durch den flächigen Kontakt des
Kühlkörpers mit den jeweiligen Substratoberflächen wird sichergestellt, dass die im Betrieb des LED-Moduls entstehende Wärme effizient abgeführt werden kann.
Es ist eine Ausgestaltung, dass zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit zwischen den Oberflächen des Kühlkörpers und den jeweiligen Substratoberflächen, ein thermisch leitfähiges Mittel angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Mittel zum Herstellen des thermischen Kontakts ein thermisch leitfähiges Verbindungsmittel, das eine Stoffschlüssige Verbindung zwischen Kühlkörper und den Substraten bereitstellt. Dabei kann es sich insbesondere um einen Kleber, eine TIM-Folie (TIM steht für den
Fachbegriff: Thermal Interface Material) oder ein Lot handeln . Gemäß einer Weiterbildung des LED-Moduls liegt der
Öffnungswinkel zwischen 40° und 100°.
Der Öffnungswinkel, der durch die
Hauptlichtaustrittsflächen der ersten und zweiten
Leuchtdiode gebildet wird, definiert die Größe der effektiven Emissionsfläche des LED-Moduls. Mit steigendem Öffnungswinkel vergrößert sich die effektive
Emissionsfläche des LED-Moduls und folglich sinkt die Leuchtdichte des Moduls. Zur Bereitstellung eines LED- Moduls mit optimierter Leuchtdichte, liegt der
Öffnungswinkel bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge in folgenden Bereichen: 40° bis 100°, 40° bis 80° und 40° bis 60 ° .
Gemäß einer Weiterbildung des LED-Moduls sind die erste Leuchtdiode und die zweite Leuchtdiode als
oberflächenemittierende Leuchtdiode ausgebildet.
Oberflächenemittierende Leuchtdioden weisen
typischerweise einen elektrischen Kontakt an ihrer
Oberseite und einen elektrischen Kontakt an ihrer
Unterseite auf. Die in der LED erzeugte Strahlung wird nur über die Hauptlichtaustrittsfläche emittiert. Bei volumenemittierenden Leuchtdioden wird auch ein kleiner Anteil der erzeugten Strahlung über die Seitenflächen der Leuchtdiode emittiert. Somit weisen
oberflächenemittierende Leuchtdioden konstruktionsbedingt eine höhere Leuchtdichte auf als volumenemittierende Leuchtdioden .
Gemäß einer Weiterbildung des LED-Moduls ist in Richtung der Hauptabstrahlrichtung, über der ersten und der zweiten Leuchtdiode, eine zumindest teilweise
lichtdurchlässige Scheibe angeordnet.
Die Scheibe kann aus diffusem (d.h. zur Lichtstreuung eingerichtetem) oder transparentem (d.h. klarem) Material bestehen. Bei der Festlegung auf ein klares Material kann die Leuchtdichte des LED-Moduls optimiert werden, während bei der Festlegung auf ein diffuses Material die
Eigenschaft einer gleichmäßigen Abstrahlcharakteristik verbessert wird. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren geben die erste (n) Ziffer (n) eines Bezugszeichens die Figur an, in denen das
Bezugszeichen zuerst verwendet wird. Die gleichen
Bezugszeichen werden für gleichartige oder gleich wirkende Elemente bzw. Eigenschaften in allen Figuren verwendet .
Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines LED-Moduls
100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in
Schnittdarstellung;
Fig. 2 schematische Darstellung eines Teilmoduls
200 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer dreidimensionalen Darstellung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der elektrischen
Kontaktierung der Teilmodule mit dem
Trägersubstrat gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines LED-Moduls
400 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in
Schnittdarstellung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines LED-Moduls
500 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht. AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DES LED-MODULS
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines LED- Moduls 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung. Das LED-Modul ist
zusammengesetzt aus zwei Teilmodulen (Beschreibung siehe Fig. 2) . Jedes Teilmodul umfasst ein Substrat 105, 125 mit mindestens einer Leuchtdiode 110, 130. Bei der
Leuchtdiode 110, 130 handelt es sich bevorzugt um eine oberflächenemittierende Leuchtdiode. Die zwei Teilmodule sind auf einem Substrat 145 elektrisch leitend
aufgebracht. Optional sind sie mechanisch durch
keilförmige Kühlkörper 180 unterstützt, die die
thermische Anbindung der Leuchtdioden 110, 120 an das Substrat 145 verbessern. Die beiden Teilmodule 200 können identisch aufgebaut sein.
Zur Reduzierung von Absorptionsverlusten ist der Raum X zwischen dem ersten Substrat 105 und dem zweiten Substrat 125 im Bereich zum dritten Substrat 145 mit einem
reflektierenden Körper 165, zumindest teilweise,
ausgefüllt. Damit wird verhindert, dass Licht in diesen Raum X eintritt und absorbiert wird.
Zusätzlich ist die Anbringung einer seitlichen Abdeckung, idealerweise aus einem hoch reflektierenden, Material, zur Reduzierung von Strahlungsverlusten, möglich. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines
Teilmoduls 200 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer dreidimensionalen Darstellung. Die Leuchtdiode 110 ist auf einem großflächigen Metallkörper 205 aufgebracht, beispielsweise durch Löten, Kleben oder Sintern. Die oberflächenemittierenden LED 110 ist über ihren Rückseitenkontakt mit dem Metallkörper 205 elektrisch leitend verbunden.
Das Substrat 105 des Teilmoduls 200 beinhaltet einen weiteren, in der Regel kleineren Metallkörper 210, der den zweiten elektrischen Kontakt darstellt. Der
Metallkörper 210 ist über einen Bonddraht 215 mit dem entsprechenden Vorderseitenkontakt der
oberflächenemittierenden LED 110 verbunden.
Weitere Elemente und Kontaktflächen, beispielsweise zur zusätzlichen Integration eines ESD-Chips, sind möglich, können jedoch auch im Substrat (145, in Fig. 2 nicht dargestellt) des LED-Moduls integriert sein.
Das Substrat 105 ist an einer Seite schräg in einem
Winkel von ca. 60° abgeschnitten, wobei beide
Kontaktflächen 220, 225 der Metallkörper 205, 210 auf der Schnittkante liegen. Vorteilhaft ist aus thermischen Gründen, wenn sich die großflächige Metallfläche über einen möglichst großen Teil der schrägen Seitenfläche erstreckt, da diese Fläche den direkten thermischen
Kontakt zum Substrat (145, in Fig. 2 nicht dargestellt) darstellt .
Aufgrund seiner ebenen Form kann das Substrat 105 in Leadframe-Technologie hergestellt werden. In diesem Fall wird eine größere Metallplatte derart strukturiert, dass viele Kontaktstrukturen vordefiniert werden, die
beispielsweise im Bereich der späteren schrägen Kante zusammenhängen. Die isolierenden Bereiche dazwischen werden per Spritzguss-Verfahren erzeugt, beispielsweise mit einem Thermoplast oder einem Silikon als
Isoliermaterial 230. Nach der LED-Montage und dem
Drahtbondprozess werden die Bauteile, beispielsweise durch Sägen, vereinzelt. Die schräge Sägekante kann durch Schrägstellung der Säge oder durch Verwendung eines
Sägeblattes mit keilförmigem Querschnitt erzeugt werden. Um eine spätere Verbindung mit dem Substrat (145, in Fig. 2 nicht dargestellt) zu ermöglichen, ist unter Umständen die entstandene Sägeoberfläche 220, 225 mit einer
Metallisierung zu beschichten. Beispielsweise kann die Metallplatte, aus dem der Leadframe hergestellt wird, aus Kupfer sein, deren gesägte Oberfläche 220, 225 mit Silber oder Gold beschichtet ist.
Alternativ kann die schräge Fläche bereits bei der
Leadframe-Herstellung definiert und metallisiert werden. Während der Weiterverarbeitung hängen die Bauteile dann an einer anderen, beispielsweise an der der schrägen Kante gegenüberliegenden Kante zusammen.
Alternativ kann das Substrat 105 der Teilmodule 200 aus teilweise metallisierter Keramik hergestellt sein. Dabei kann die schräge Fläche bereits vordefiniert und vorab metallisiert werden.
Der in Fig. 1 dargestellte Kühlkörper 180 kann ebenfalls in Leadframe-Technologie hergestellt werden. Der
keilförmige Kühlkörper 180 kann aus dem gleichen Material wie das in Leadframe-Technologie hergestellte Substrat 105 bestehen und ebenfalls beschichtet sein. Der
Kühlkörper 180 weist eine ähnliche Breite auf wie der großflächige Metallkörper 205 des Substrats 105. Der Kühlkörper 180 wird während des Zusammenbaus mit der Rückseite des großflächigen Metallkörpers 205 verbunden, sodass ein guter thermischer Kontakt hergestellt wird. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der
elektrischen Kontaktierung der Teilmodule 200 mit dem Trägersubstrat 145 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht.
Das Trägersubstrat 145 des LED-Moduls, das ebenfalls in Leadframe-Technologie oder aus Keramik hergestellt sein kann, weist Kontaktflächen 305, 310, 315 auf, auf denen die schrägen Seitenflächen 220, 225 der Teilmodule 200 elektrisch und thermisch leitfähig aufgebracht werden, beispielsweise durch Löten, Sintern oder Kleben. Dabei werden die beiden Teilmodule 200 vorteilhafterweise seriell verschaltet, was einen niedrigeren Betriebsstrom als bei einer Parallelschaltung ermöglicht. Durch die Reihenschaltung wird darüber hinaus sichergestellt, dass die Teilmodule 200 mit identischem Strom versorgt werden.
Die Kontakte 305, 310, 315 sind möglichst großflächig gestaltet und bei Verwendung einer Leadframe-Technologie zusätzlich zur Rückseite des Substrates 145 durchgeführt, um eine gute thermische Anbindung zu ermöglichen. Durch geeignete Wahl der Metallisierung ist es möglich, SMT- fähige Bauteile bereitzustellen. Über die Kontaktflächen 305, 310 wird das LED-Modul 100, mit seinen Teilmodulen 200 und den zugehörigen
Kontaktflächen 220, 225, mit elektrischer Energie
versorgt. Durch die auf den Teilmodulen 200 angeordneten Leuchtdioden 110, 130, in Fig. 3 nicht dargestellt und der Kontaktfläche 315 des Trägersubstrats 145, wird eine elektrisch leitfähige Verbindung von der Kontaktfläche 305 zur Kontaktfläche 310 bereitgestellt.
Der Zusammenbau des LED-Moduls 100 erfolgt in den
folgenden Arbeitsschritten. Zuerst werden die Kühlkörper 180 auf das Trägersubstrat 145 mit einer Pick-and-Place- Technologie aufgebracht, z.B. durch einen Löt-, Klebe- oder Sinterprozess . Sie werden bevorzugt auf den größeren Kontaktflächen 310, 315 angeordnet und sind etwas
schmäler als die Teilmodule 200. Dadurch wird ein
elektrischer Kurzschluss zwischen den Kontaktflächen 305 und 315 bzw. 310 und 315 verhindert. Anschließend werden die beiden Teilmodule 200 in gegeneinander um 180° verdrehter Orientierung montiert, wobei sie sowohl mit ihrer Rückseite an die Kühlkörper 180 als auch mit ihrer schrägen Kante direkt auf die Kontaktbereiche 305, 310, 315 des Trägersubstrats 145 gelötet, geklebt oder
gesintert werden. Die Kühlkörper 180 dienen dabei bis zur Verfestigung der Verbindung als mechanische Unterstützung und Führung, danach dienen sie der Wärmeabfuhr.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines LED- Moduls 400 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung.
Zum Zweck des mechanischen Schutzes oder zur
Homogenisierung des Lichtaustritts ist in Richtung der Hauptabstrahlrichtung Z, über der ersten und der zweiten Leuchtdiode 110, 130, eine zumindest teilweise
lichtdurchlässige Scheibe 410 angeordnet. Zur Befestigung der Scheibe 410 werden die Kühlkörper 180 verwendet werden, die dafür in ausreichender Höhe ausgebildet sind.
Wird das Modul für einen Kfz-Scheinwerfer verwendet, ist an/in der Scheibe 410 eine absorbierende oder
reflektierende Kante 420 integriert. Eine solche
Abschattungskante 420 ist für Lichtquellen in Kfz- Scheinwerfern erforderlich, um ein ausreichend hohes Kontrastverhältnis für die Abblendlichtfunktion zu erzeugen. Zusätzlich ist die Anbringung einer seitlichen Abdeckung, idealerweise aus einem hoch reflektierenden, Material, zur Reduzierung von Strahlungsverlusten, möglich.
Prinzipiell kann bei Verwendung einer Leadframe- Technologie für das Substrat 145 diese Seitenwand als Leadframe-Packagewand integriert werden.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines LED- Moduls 500 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht. Das LED-Modul 500 ist als lineares LED-Array ausgebildet. Das LED-Modul ist vom Grundprinzip wie das beschriebene LED-Modul 100 aufgebaut. Auf dem ersten Substrat 105 und dem zweiten Substrat 125 sind mehrere Leuchtdioden 510, 520 angeordnet. An den Seiten des linearen LED-Arrays sind seitliche Abdeckungen 530 angeordnet.
Alternativ dazu kann das lineare LED-Array aus mehreren Teilmodulen, die nebeneinander in Reihe auf einem großen Trägersubstrat 145 angeordnet sind, aufgebaut werden. Damit lassen sich aus lauter identischen Teilmodulen flexible und modular unterschiedlich große LED-Arrays herstellen. Derartige lineare Arrays sind beispielsweise für Kfz-Frontscheinwerfer üblich.
ABSCHLIESSENDE FESTSTELLUNG Die Beleuchtungsvorrichtung wurde zur Veranschaulichung des zugrundeliegenden Gedankens anhand einiger
Ausführungsbeispiele beschrieben. Die
Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf bestimmte
Merkmalskombinationen beschränkt. Auch wenn einige
Merkmale und Ausgestaltungen nur im Zusammenhang mit einem besonderen Ausführungsbeispiel oder einzelnen Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, können sie jeweils mit anderen Merkmalen aus anderen
Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Es ist ebenso möglich, in Ausführungsbeispielen einzelne dargestellte Merkmale oder besondere Ausgestaltungen wegzulassen oder hinzuzufügen, soweit die allgemeine technische Lehre realisiert bleibt.
BE Z UG S Z E I C HENL I S T E
Leuchtdiodenmodul 100 erstes Substrat 105 erste Leuchtdiode 110 erste Oberfläche 115 erste Hauptlichtaustrittsflache 120 zweites Substrat 125 zweite Leuchtdiode 130 zweite Oberfläche 135 zweite Hauptlichtaustrittsfläche 140 drittes Substrat, Trägersubstrat 145 dritte Oberfläche 155 reflektierende Oberfläche 160 reflektierenden Körper 165 Rückseite 170
Rückseite 175
Kühlkörper 180 effektive Emissionsfläche 185
Teilmodul 200 Metallfläche 205
Metallfläche 210
Bonddraht 215 elektrische Kontaktfläche 220 elektrische Kontaktfläche 225 isolierender Bereich 230
Kontaktfläche, N-Kontakt 305
Kontaktfläche, P-Kontakt 310
Kontaktfläche 315
Leuchtdiodenmodul 400 Deckscheibe 410 absorbierende oder reflektierende Kante 420
Leuchtdiodenmodul 500
Leuchtdiode 510 Leuchtdiode seitliche Abdeckung
Öffnungswinkel
Raum
Hauptabstrahlrichtun elektrische Kontaktflächen

Claims

PAT E NTAN S PRÜC HE
Leuchtdiodenmodul (100), umfassend
- ein erstes Substrat (105) mit mindestens einer ersten Leuchtdiode (110), die auf einer ersten Oberfläche (115) des ersten Substrats (105)
angeordnet ist und eine erste
Hauptlichtaustrittsflache (120) aufweist,
- ein zweites Substrat (125) mit mindestens einer zweiten Leuchtdiode (130), die auf einer zweiten Oberfläche (135) des zweiten Substrats (125) angeordnet ist und eine zweite
Hauptlichtaustrittsfläche (140) aufweist,
- ein drittes Substrat (145) mit einer dritten Oberfläche (155), wobei
- das erste Substrat (105) und das zweite Substrat (125) auf der dritten Oberfläche (155) des dritten Substrats (145) angeordnet sind, und
- die erste Hauptlichtaustrittsfläche (120) und die zweite Hauptlichtaustrittsfläche (140)
gegenüberstehend angeordnet sind und die
Hauptlichtaustrittsflächen (120, 140) zueinander einen Öffnungswinkel ( ) , in Richtung der
Hauptabstrahlrichtung (Z) des Leuchtdiodenmoduls, bilden .
2.) Leuchtdiodenmodul (105) nach Anspruch 1, wobei die dritte Oberfläche (155) des dritten Substrats (145) elektrische Kontaktflächen (x) aufweist.
3. ) Leuchtdiodenmodul (105) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (105) und das zweite Substrat (125) mit den
elektrischen Kontaktflächen (x) des dritten
Substrats (145) elektrisch leitend verbunden sind.
Leuchtdiodenmodul (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste
Oberfläche (115) des ersten Substrats und/oder die zweite Oberfläche (125) des zweiten Substrats eine reflektierende Oberfläche (160) aufweisen.
Leuchtdiodenmodul (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei der Raum (X)
zwischen dem ersten Substrat (105) und dem zweiten Substrat (125) im Bereich zum dritten Substrat (145) mit einem reflektierenden Körper (165) zumindest teilweise ausgefüllt ist und der reflektierende Körper (165) die Hauptaustrittsflächen (120, 140) der ersten und der zweiten Leuchtdiode (110, 130) nicht berührt und/oder verdeckt.
Leuchtdiodenmodul (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der dritten Oberfläche (155) des dritten Substrats (145) und der der ersten Oberfläche (115) gegenüberliegenden
Rückseite (170) des ersten Substrats (105) und/oder der der zweiten Oberfläche (135) gegenüberliegenden Rückseite (175) des zweiten Substrats (125) ein Kühlkörper (180) angeordnet ist. 7.) Leuchtdiodenmodul (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei der Öffnungswinkel ( ) zwischen 40° und 100° liegt.
Leuchtdiodenmodul (100) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste
Leuchtdiode (110) und die zweite Leuchtdiode (130) als oberflächenemittierende Leuchtdioden ausgebildet sind .
Leuchtdiodenmodul (400) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei in Richtung der Hauptabstrahlrichtung (Z) , über der ersten und der zweiten Leuchtdiode (110, 130), eine zumindest teilweise lichtdurchlässige Scheibe (410) angeordnet ist .
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