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Die vorliegende Erfindung betrifft eine LED-Lichtquelle, bei der mehrere ungehäuste LEDs direkt auf einer Leiterplatte assembliert sind, die LEDs mittels eines hochtransparenten Polymers vergossen sind, um die LEDs vor mechanischer Beschädigung zu schutze, und bei der um Jede LED ein Reflektor, der parabolisch ausgeformt ist, von oben auf die Leiterplatte aufgesetzt ist.
Durch Verarbeitung von LEDs in Chip-On-Board Technologie
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reichbaren Lichtstromwerte sind diese nicht nur als Signalund Hinterbeleuchtungen interessant, sondern können direkt als Leuchtmittel eingesetzt werden.
LED-Arrays in COBT-Technologie, bei denen die LEDs ohne Abbildungsoptik direkt auf der Leiterplatte assembliert sind, besitzen einen breiten Abstrahlwinkel, der durch die Abstrahlcharakteristik des LED-Dies bestimmt ist. Durch Aufbringen einer polymeren Schicht, die zum Schutz vor mechanischen Beschädigung des LED-Arrays aufgebracht wird, wird diese nach Massgabe der Form der Schutzschicht beeinflusst.
LED-Dice im Allgemeinen und solche mit einem transparenten Substrat im Speziellen (wie GaN auf Saphir) weisen eine beträchtliche Emission durch die Seitenfläche des LED-Dice auf.
Ohne Abbildungsoptik geht dieser Anteil des emittierten Lichtes verloren, speziell wie dies bei paralleler Einkapselung der Fall ist. Daher ist es auch bei Anwendungen, wo eine breite Emissionsverteilung gefordert ist, von Vorteil, eine Abbildungsoptik einzusetzen.
Ein wesentlicher Aspekt einer Abbildungsoptik ist daher, dass das Licht, welches von den Seitenflächen, die senkrecht zur Leiterplatte angeordnet sind, emittiert wird, durch die Abbildungsoptik in den Halbraum vor der Leiterplatte abgebildet wird. Hierzu können Spiegel eingesetzt werden.
Eine LED-Lichtquelle der eingangs genannten Art ist aus der US 4603496 A bekannt. Sie hat eine Abbildungsoptik, die diesen Aspekt erfüllt. Es wird bei der Herstellung jeder LED-Die
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zunächst mit einer Schutzschicht vergossen. Der Durchmesser der Schutzschicht ist etwas grösser als der Innendurchmesser des Reflektors, der dann aufgesetzt wird. Der Reflektor liegt daher nicht auf der Platine, sondern auf der Schutzschicht auf. Danach wird auch der Reflektor ausgegossen und in diese Vergussmasse eine etwa kugelförmige Linse hineingedrückt.
Schutzschicht, Vergussmasse und Linse sollen einen möglichst ähnlichen Brechungsindex haben (s. Spalte 3, Z 13-16). Somit ist nur die Oberseite der Linse optisch aktiv.
Nachteilig bei dieser Ausführung ist, dass der Reflektor auf die Schutzschicht aufgesetzt wird. Wenn diese nicht präzise ausgeführt ist, wirkt sich dies auf die Position des Reflektors aus, sodass die Abbildungsgeometrie verändert wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteil zu beseitigen.
Diese, Aufgabe wird durch eine LED-Lichtquelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Durchmesser der Vergussmasse höchstens gleich dem Innendurchmesser des Reflektors ist, sodass der Reflektor direkt auf der Leiterplatte aufliegt, und dass die Oberfläche der Vergussmasse an Luft grenzt, wobei die Grenzfläche konvex ist.
Die Reflektoren sitzen gemäss der vorliegenden Erfindung direkt auf der Platine auf und sind daher in vertikaler Richtung immer exakt positioniert. Die Vergussmasse grenzt an Luft, sodass die Oberfläche eine brechende Fläche ist. Um Verluste durch Reflexion gering zu halten, sollte sie konvex sein.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Vergussmasse ist die Reduktion der internen Reflexionsverluste innerhalb der LED am Ubergang LED-Halbleitermaterial/Vergussmasse/Luft im Vergleich zu einem direkten Übergang LED-Halbleitermaterial/Luft. Dies ist auf Grund der Tatsache möglich, dass die Brechzahl von der Vergussmasse (typisch. n=l, 3-2, 0) nahe an jener des Halbeitermaterials (typisch 2 < n < 4) liegt.
Es ist anzustreben, wenn die Leiterplatte aus thermisch gut leitfähigen Material besteht und wenn die Rückseite der Lei-
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terplatte an einen Kühlkörper angekoppelt ist. Dies ist an sich aus der US 5936353 A bekannt. Dadurch kann die Dichte der LED-Dies und der Strom durch diese relativ hoch gewählt werden.
Damit keine Kurzschlüsse auftreten können, ist es zweckma- ssig, wenn der Reflektor aus einem hochreflektierenden, metallischen Material besteht, das auf der Unterseite isoliert ist, oder wenn der Reflektor aus einem Kunststoff, dessen Innenseite verspiegelt ist, besteht.
Die Anordnung der optischen Komponenten kann entweder in unmittelbarer Umgebung der LED-Dice erfolgen (Einzeloptik), bzw. als eine gemeinsame Optik um mehrere LEDs ausgeführt sein (Gesamtoptik). Vom Standpunkt der Abbildungseffektivität sind beide Ansätze vergleichbar. Sogar die Form ist für die unterschiedlich dimensionierten Optiken identisch. Voraussetzung hierfür ist, dass die geometrischen Verhältnisse zwischen der Ausdehnung der Lichtquelle und der Abbildungsoptik vergleichbar sind. In beiden Fällen ist zu beachten, dass direkt über der LED eine geeignet geformte Vergussmasse aufzubringen ist.
Einen entscheidenden Unterschied stellt allerdings die Baugrösse dar. Während bei der Einzeloptik die Baugrösse im Vergleich zum LED-Array ohne Abbildungsoptik nur unwesentlich erhöht wird, ist bei der Gesamtoptik als Faustregel zu berücksichtigen, dass der minimale innere Durchmesser der Gesamtoptik zumindest doppelt so gross wie der maximale Abstand der LED-Dice auf der Platine sein muss, um Abbildungsverluste zu minimieren.
Bei besonders zweckmässigen Ausführungen sind die LEDs face down montiert und ist jeweils ein Die in jedem Reflektor angeordnet ist, oder aber es sind die LEDs face up montiert und bis zu 4 Dice in jedem Reflektor angeordnet.
Zum leichteren Zusammenbau ist es günstig, wenn eine Reflektorplatte vorgesehen ist, die eine Vielzahl an parabolisch ausgeformten Reflektoren aufweist. Damit braucht nicht jeder Reflektor einzeln exakt positioniert werden.
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Wenn zusätzlich Linsen vorgesehen werden sollen, so ist es zweckmässig, wenn Fresnellinsen oder Gauss'sche Linsen in Form einer Linsenplatte zentrisch über jedem Reflektor positioniert und seitlich verklebt sind. Somit können auch die Linsen einfach montiert werden.
Gemass einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühlkörper einerseits zur Übertragung der Wärme auf ein Gehäuse oder eine Lichtquellenhalterung auf diese thermisch angekoppelt ist und für die elektrische Kontaktierung als Gewinde zum Einschrauben in eine Fassung analog zur Glühlampe ausgebildet ist. Damit kann die LED-Lichtquelle unmittelbar als Ersatz für eine Glühlampe eingesetzt werden. Die Kühlung erfolgt über das Gewinde.
Weiters ist es möglich, dass die LED-Lichtquelle als Ampelmodul ausgebildet ist, wobei die LED-Platine thermisch an das Ampelgehäuse gekoppelt ist und vor der LED-Lichtquelle eine Linsenplatte angeordnet ist. Hier übernimmt also das Ampelgehäuse die Kühlfunktion.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt :
Fig. 1 einen Schnitt durch die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Fig. 2 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Gemäss Fig. 1 sind LED-Dice 1 auf einer Leiterbahn 5 angebracht. Jeder LED-Die 1 ist in eine Vergussmasse 2 eingegossen, die stark konvex (z. B. halbkugelförmig) gekrümmt ist. Um jeden LED-Die 1 bzw. jede Vergussmasse 2 ist ein Reflektor 3 angeordnet, der direkt auf dem Platinengrundkörper 6 aufsitzt und somit exakt positioniert ist. Unterhalb der Leiterbahn 5, die aus thermisch gut leitendem Material besteht, befindet sich der Platinengrundkörper 6 und darunter der Kühlkörper 7.
Die Anbringung der Reflektoren 3 kann entweder einzeln oder in konfektionierten Matrizen erfolgen.
Zur Anbringung der Reflektoren 3 wird folgende Vorgangsweise vorgeschlagen :
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Nachdem die LED-Dice 1 auf der Leiterplatte 5 mittels Dieund Wire Bonding bzw. mittels Flip-Chip Technologie aufgebracht wurden, wird über jeden Die 1 mit einer Bestuckungsanlage ein Reflektor 3 aufgesetzt. Die Unterseite des Reflektors 3 muss nichtleitend sein, da sonst ein Kurzschluss zwischen den Leiterbahnen, über welche der Reflektor aufgesetzt wird, entsteht. Die Innenseite des Reflektors soll hochreflektierend sein. Beispielsweise kann ein auf der Innenseite verspiegelter Kunststoff eingesetzt werden. In einer bevorzugten Variante wird anstatt vieler Einzeloptiken ein Optikarray, das aus Einzelelementen besteht, welches exakt über den LED-Dice 1 positioniert wird, verwendet.
Die Vergussmasse 2 soll die folgenden Eigenschaften erfüllen : hochtransparent, Erweichungspunkt > 100 C, möglichst geringer linearer thermischer Ausdehnungskoeffizienten. Um eine gute Auskoppelung des Lichts, das im LED-Die generiert wird, zu erreichen, muss die Vergussmasse kuppelförmig ausgeführt sein.
Anstelle von Einzelreflektoren kann ein Reflektorarray verwendet werden, welches z. B. aus einer dünnen Kunststoffplatte besteht, in welche definiert geformte und auf der Innenseite verspiegelte parabolische oder trichterförmige Öffnungen eingebracht sind. Ein derartiges Spiegelarray muss speziell auf das jeweilige LED-Array abgestimmt werden und wird in einem Prozessschritt auf dieses aufgesetzt.
Während für LED-Dice, die mittels Flip-Chip Technologie verarbeitet werden, eine Zuordnung einer Einzeloptik zu jedem LED-Arrays sinnvoll erscheint, ist dies bei LEDs, die mittels Die- und Wire Bonding verarbeitet sind, nachteilig :
Der Grund hierfür liegt in den Bonddrähten, die eine typische Länge zwischen 0, 5 und 2 mm besitzen und vom elektrischen Kontakt auf dem LED-Die auf eine Leiterbahn führen. Bei der Assemblierung einer Einzeloptik muss daher etwa der Durchmesser : LED-Radius + 2 x Länge des Bonddrahtes für den Reflektor vorgesehen. werden. (Der LED-Die sollte möglichst in der Mitte des Reflektors sitzen.)
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Aus diesem Grund wird die Packungsdichte bei der Bestückung im Vergleich zur möglichen Dichte deutlich aufgelockert, was für viele Anwendungen nicht erwünscht ist.
Es erweist sich daher bei LED-Dice, verarbeitet mittels Die- und Wirebonding, häufig als günstig, eine Optik für mehrere LED-Dice zu verwenden, da hierdurch eine höhere Packungsdichte erzielt werden kann (siehe Fig. 2). Bevorzugt wird eine Anzahl zwischen 2 und 5 LED-Dice innerhalb einer Optik angeordnet. Dies ist auch für Ampelanwendungen wichtig.
Zur finalen Bestimmung des Lichtaustritts wird über dem Reflektor in einer bevorzugten Variante eine Lichtscheibe (z. B.
Fresnellinse) angeordnet.
Die erfindungsgemässe LED-Lichtquelle hat hohe Lichtstärke, definierte Abstrahlcharakteristik und geringe Bauhöhe
Als Kühlkörper, der bei hochbelasteten LED zu verwenden ist, wird bevorzugt zumindest ein Teil des Gehäuses, in dem das LED-Array befestigt wird, verwendet. Zu diesem Zweck ist dieses zumindest teilweise metallisch ausgeführt. In der Art kann auch das Gehäuse des Reflektors als Kühlkörper verwendet werden.
Bestimmte Farben (z. B. weiss) lassen sich nicht durch eine einzige LED erzeugen, aufgrund der Tatsache, dass LEDs grundsätzlich nur ein schmalbandiges Emissionsspektrum aufweisen.
Möglichkeiten, um weisses Licht zu realisieren, sind z. B. in der US 5851905 A, in der WO 00/02262 A und in der US 5836676 A beschrieben.
Speziell die Erzeugung von weisser Emission ist für die Beleuchtungstechnik von grosser Bedeutung. Neben der weissen Emissionsfarbe ist auch die Farbwiedergabe von grosser Bedeutung. Da bisher keine intrinsisch weiss emittierenden LEDs erzeugt werden können, muss diese Farbe durch eine spezielle Anordnung bzw. durch einen speziellen Aufbau, wie folgt beschrieben, erzeugt werden :
1) Farbkonversion : durch Anordnung zumindest eines Luminophors direkt über dem LED-Dice, der die Emission des Dice absorbiert und nachfolgend Photolumineszenzlicht in einer an-
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deren Emissionsfarbe emittiert. Im Hinblick auf eine optimale Farbwiedergabe werden bevorzugt mehrere Luminophore eingesetzt, die in einem verschiedenen sichtbaren Spektralbereich von grün bis rot emittieren.
Laut Stand der Technik wird der Luminophor schichtförmig über dem LED-Array angeordnet bzw. in die Linse eingemischt. Dieser Ansatz weist den Nachteil auf, dass die Emissionsfarbe nicht konstant über den Abstrahlwinkel ist, da der Weg durch die Farbkonversionsschicht sich mit dem Abstrahlwinkel verändert. Um eine relativ konstante Emissionsfarbe zu erhalten, muss daher der Weg des emittierten Lichtes durch das Farbkonversionsmedium konstant gehalten werden. Dies kann weder durch ein schichtförmiges Medium noch-in der Regel - durch die Form der Linse erreicht werden, sondern muss durch eine kugel-bzw. ellipsen- ähnliche Form realisiert werden.
2) Die, Erzeugung weisser Emission kann durch eine Mischung der Emissionsfarben von geeigneten verschiedenfärbigen LEDs erfolgen. Speziell für LED, verarbeitet in COBT (Chip-OnBoard-Technik), ist dieser Ansatz attraktiv, da die örtlichen Abstände zwischen den LED-Dice sehr gering gewählt werden können. Im Hinblick auf eine gute Farbwiedergabe muss die Farbmischung mittels rot, grün und blau emittierender LEDDice erzeugt werden (Dreibandenweiss). Diese werden in einem speziellen Verhältnis auf einer Platine angeordnet, und die zu erzeugende Emissionsfarbe wird durch definierte Einstellung der Betriebsbedingungen für die jeweilige Die-Sorte eingestellt.
Elektrische Beschaltung :
Die LEDs jeweils gleicher Emissionsfarbe eines Arrays werden in kombinierter Parallel- und Serienschaltung elektrisch verbunden und mit einer Ansteuerungselektronik gemeinsam betrieben. Derart kann die Betriebsspannung des LED-Arrays an die zur Verfügung stehende Spannung angepasst werden. In einer derartigen Anordnung können einerseits optimale Leistungswirkungsgrade erreicht werden, da an der Elektronik nur geringe Spannungen abfallen. Weiters wird hierdurch die Wär-
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mebelastung der Anordnung minimiert. Um diese unabhängig von der Temperaturabhängigkeit der Betriebsspannung der LEDs betreiben zu können und somit möglichst konstante Helligkeiten über den Betriebsstrom zu erhalten, werden diese bevorzugt mit Stromvorgabe betrieben. Weiters sind diese mit einem Verpolungsschutz versehen.
Um eine optimale Anpassung an die zur Verfügung stehende Betriebsspannung zu gewährleisten und somit eine optimale Energieausnützung zu erreichen, wird bevorzugt ein getakteter oder linearer Stromregler für den Betrieb der LEDs vorgesehen.
Es ist zweckmässig, wenn die Ansteuerungselektronik auf einer gesonderten Platine angeordnet und elektrisch mit der LED-Platine verbunden ist.