DE10057559A1 - Lichterzeugende Anordnung - Google Patents

Abstract

Eine lichterzeugende Anordnung (1) enthält ein Substrat (2), verteilt auf dem Substrat (2) und direkt auf diesem angeordnete lichtemittierende Halbleiterelemente (3) sowie elektrische Zuleitungen (8, 9) zu den Halbleiterelementen (3). Ferner ist eine auf dem Substrat (2) angeordnete Lochmaske (5) vorgesehen, deren durchgehende Löcher (6) Freiräume für die Halbleiterelemente (3) bilden. Der Aufbau der Anordnung (1) wird hierdurch wesentlich vereinfacht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine lichterzeugende Anordnung mit lichtemittierenden Halbleiterkörpern bzw. ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen lichterzeugenden Anordnung.

Lichtemittierende Dioden (LED's) sind seit längerer Zeit bekannt und finden insbesondere in Anzeigevorrichtung sowie als Signallampen umfangreiche Verwendung. Im Laufe der Zeit konnte ihre Lichtausbeute immer weiter erhöht werden, so daß es nunmehr auch möglich ist, sie zu Beleuchtungszwecken einzusetzen.

Eine lichterzeugende Anordnung, welche LED's verwendet, ist beispielsweise aus der CH 689 339 A5 bekannt. Diese Anordnung besteht aus einem durch eine leitende Schicht zur Stromversorgung sowie durch eine Isolationsschicht gebildeten Substrat. An der Oberseite des Substrats ist ferner eine netzartig strukturierte, elektrisch leitende Matrixschicht angeordnet, welche regelmäßig angeordnete Öffnungen oder Löcher aufweist, in denen sich elektrisch leitende Inseln befinden. Diese Inseln sind ebenfalls Bestandteil der Matrixschicht und weisen Vertiefungen auf, in denen jeweils das lichtemittierende Halbleiterelement einer LED, der sog. Die, angeordnet ist.

Die Vertiefungen haben bei der bekannten Anordnung die Form eines Hohlspiegels und tragen eine lokal begrenzte, elektrisch leitende und optisch gut reflektierende Schicht, so daß sie neben ihrer Funktion als Kontaktfläche für das lichtemittierende Halbleiterelement auch als Reflektor dienen. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der einzelnen Halbleiterkörper, d. h., das Verhältnis zwischen dem nutzbaren Lichtstrom des Halbleiterkörpers im oberen Halbraum und dem Gesamtlichtstrom erhöht, da auch Licht, welches die lichtemittierenden Halbleiterkörper seitlich verläßt, durch die Reflektoren in den oberen Halbraum, also in Abstrahlrichtung gelenkt wird.

Um die empfindlichen Halbleiterelemente bei der bekannten Anordnung vor äußeren Einflüssen zu schützen, sind diese ferner jeweils mit einem Tropfen aus einem optisch transparenten, dauerelastischen Material - beipielsweise Silikon - umhüllt. Diese Anordnung ist dann insgesamt nochmals mit einer optisch transparenten, formfesten Schutzschicht überzogen, so daß mit dem dadurch erhaltenen Aufbau mechanische Spannungen effektiv abgeleitet werden können.

Durch die als Reflektor wirkenden Vertiefungen der Inseln der Matrixschicht wird bei der bekannten Anordnung zwar ein definierter, bzw. gerichteter Lichtaustritt bei den einzelnen Halbleiterelementen ermöglicht und damit der Wirkungsgrad der Anordnung erhöht; die Herstellung der Anordnung insgesamt ist allerdings relativ aufwendig. So kann die komplizierte Struktur der Matrixschicht nur durch Ätzen erzeugt werden. Die hohlspiegelartigen Vertiefungen werden anschließend mittels eines Prägevorganges in die Matrixschicht eingeformt und die Halbleiterelemente schließlich in die Vertiefungen eingesetzt und kontaktiert. Insbesondere das Einsetzen der Halbleiterelemente in die Vertiefungen ist fertigungstechnisch nur schwer zu bewerkstelligen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine lichterzeugende Anordnung mit lichtemittierenden Halbleiterkörpern anzugeben, die sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet und eine fertigungstechnisch einfach zu handhabende Lösung darstellt.

Die Aufgabe wird durch eine lichterzeugende Anordnung gemäß dem Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zum Herstellen einer lichterzeugenden Anordnung nach Anspruch 15 gelöst.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht zunächst aus einem Substrat, verteilt auf dem Substrat und direkt auf diesem angeordneten lichtemittierenden Halbleiterelementen, sowie aus elektrischen Zuleitungen zu den Halbleiterelementen. Ferner ist auf dem Substrat eine Lochmaske angeordnet, deren durchgehende Löcher Freiräume für die lichtemittierenden Halbleiterelemente bilden.

Im Gegensatz zu der in der CH 689 339 A5 angegebenen Lösungen können bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Inseln mit den darin angeordneten Vertiefungen zur Aufnahme der Halbleiterelemente entfallen. Statt dessen können die Halbleiterelemente direkt auf dem Substrat aufgebracht werden. Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, eine vorgefertigte Lochmaske zu verwenden und diese in einfacher Weise auf dem Substrat anzuordnen, derart, daß die Halbleiterelemente in dem von den Löchern gebildeten Freiraum zu liegen kommen.

Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Lösung auch die Möglichkeit, durch Weiterbildungen die Abstrahlcharakteristik der lichterzeugenden Anordnung sowie deren Wirkungsgrad zu verbessern.

So sind vorzugsweise zumindest die Lochwandungen der Löcher der Lochmaske lichtreflektierend und haben somit die Funktion von die Halbleiterlemente umgebenden Reflektoren. Besonders in dieser Weiterbildung wird der einfache Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung deutlich, da auf die Verwendung von teuer herzustellenden Einzelreflektoren oder das aufwendige Einarbeiten von reflektierenden Vertiefungen in eine Trägerschicht verzichtet werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, auf den Halbleiterelementen transparente Abdeckkörper anzuordnen, welche durch ausgehärtete Tropfen einer lichtdurchlässigen aushärtbaren Masse bestehen, wobei die Tropfen durch die Lochwandungen begrenzt sind.

Um einen definierten, bzw. gerichteten Lichtaustritt bei den einzelnen Halbleiterelementen zu ermöglichen, ist es grundsätzlich bereits bekannt, über den Halbleiterelementen jeweils einen Abdeckkörper in Form einer kleinen Linse anzuordnen, die - wie vorher beschrieben - durch den Tropfen einer lichtdurchlässigen aushärtbaren Masse gebildet wird, der jeweils auf ein Die aufgebracht und anschließend ausgehärtet wird. In der Regel wird hierfür ein glasklarer oder manchmal auch trüber Tropfen Epoxidharz oder Silikon verwendet. Entsprechend der Konsistenz des Harztropfens nimmt dieser während des Aushärtens eine gekrümmte Oberfläche an, welche lichtbündelnde Eigenschaften aufweist. Darüber hinaus dienen die Harztropfen auch dem Schutz der Dice vor äußeren Einflüssen.

Wie oben erwähnt, sind auch bei der bekannten Anordnung nach der CH 689 335 A5 transparente Tropfen über den Halbleiterelementen angeordnet. Diese haben jedoch nur eine stoßschützende Funktion und sind daher aus bleibend elastischem Material. Ihre durch die Tropfenform bedingte optische Wirkung wird durch die darüber befindliche Schutzschicht praktisch neutralisiert.

Der Prozeß des Aushärtens der Harztropfen ist insofern kritisch, weil die Form der Tropfen wesentlich von der Konsistenz des Harzes abhängt. Dies bedeutet, daß beispielsweise bei einer zu geringen Konsistenz eines Tropfens dieser noch vor dem vollständigen Aushärten verlaufen kann und dann nur noch unzureichend die gewünschte Linsenfunktion erfüllt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lochmaske besteht nun darin, daß durch die Löcher jeweils ein definierter Raum gebildet wird, der während des Aushärtens der lichtdurchlässigen Masse für eine gewisse Formstabilität sorgt. Hierdurch kann gewährleistet werden, daß die Abdeckkörper eine ihnen allen gemeinsame Form aufweisen, durch welche das von einem lichtemittierenden Halbleiterelement emittierte Licht zu einem gewissen Grad in die gewünschte Abstrahlrichtung gebündelt wird

Andere Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Lochwandungen können beispielsweise diffus reflektierend sein, bevorzugt weisen sie eine makroporöse Struktur mit einem hohen Reflexionsgrad auf. Bei dem Substrat handelt es sich vorzugsweise um eine elektrische Leiterplatte mit Leiterbahnen, welche die Zuleitungen zu den Halbleiterelementen bilden; die Lochmaske kann beispielsweise durch eine reflektierende Folie gebildet werden. Dabei wird die Lochmaske vorzugsweise auf das Substrat aufgeklebt, da hierdurch Verzugsspannungen zwischen der Lochmaske und dem Substrat durch den Klebefilm zumindest teilweise ausgeglichen werden können.

Die Abstrahlcharakteristik der gesamten lichterzeugenden Anordnung wird durch die Form der Löcher, die Stärke der Lochmaske, sowie ggf. durch den Reflexionsgrad der Lochwandungen sowie die Form der Abdeckkörper beeinflußt. Vorzugsweise sind die Löcher der Lochmaske kreisförmig und weisen einen Durchmesser zwischen 1 mm und 3 mm auf. Um die Umlenkung des von den Halbleiterelementen emittierten Lichts in Abstrahlrichtung weiter zu verbessern, kann vorgesehen sein, daß der Querschnitt der Löcher in Abstrahlrichtung erweitert ist und daß sie insbesondere konisch geformt sind. Für die Lochmaske kann eine Stärke zwischen 0,5 mm und 3 mm vorgesehen sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer lichterzeugenden Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß zunächst auf bekannte Weise ein Vorprodukt in Form eines Substrates mit verteilt darauf angeordneten lichtemittierenden Halbleiterelementen und elektrischen Zuleitungen zu diesen erstellt wird. Anschließend wird eine vorgefertigte Lochmaske auf das Substrat aufgebracht, derart, daß sich die lichtemittierenden Halbleiterelemente innerhalb der Löcher befinden. Hierdurch kann eine zur Anordnung der CH 689 339 A5 vergleichbare Anordnung erstellt werden, wobei allerdings das nachträgliche Aufbringen der Lochmaske deutlich einfacher zu handhaben ist, als das Erzeugen von Vertiefungen in den Inseln und das anschließende Anordnen der Halbleiterlemente in diesen Vertiefungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch weitergebildet werden, daß auf jedes lichtemittierende Halbleiterelement ein Tropfen einer lichtdurchlässigen aushärtbaren Masse aufgebracht wird, der nach dem Aushärten einen transparenten Abdeckkörper bildet. Dabei wird durch die Löcher der Lochmaske für die Tropfen jeweils ein definierter Raum gebildet, der für Formstabilität während des Aushärtens sorgt, so daß alle Abdeckkörper im wesentlichen die gleiche Form annehmen. Als Ausgangsmaterial für die Abdeckkörper wird vorzugsweise Harz, insbesondere Kunstharz verwendet. Die Lochmaske wird vorzugsweise auf das Substrat aufgeklebt.

Insgesamt wird somit eine technische einfach zu handhabende Lösung zur Herstellung einer lichterzeugenden Anordnung mit einer gleichmäßigen Abstrahlcharakteristik angegeben.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen lichterzeugenden Anordnung in Aufsicht;

Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte lichterzeugende Anordnung im seitlichen Schnitt; und

Fig. 3a-d unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung in vergrößerter Darstellung.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße lichterzeugende Anordnung 1 wird durch ein plattenförmiges Substrat in Form einer quadratischen elektrischen Leiterplatte 2 gebildet, auf der in einem regelmäßigen Raster lichtemittierende Halbleiterelemente angeordnet sind. Die Halbleiterelemente können alle gleicher Art sein und dementsprechend Licht in der gleichen Farbe emittieren. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, daß unterschiedliche Halbleiterelemente, welche Licht in verschiedenen Farben emittieren, gemeinsam auf dem Substrat angeordnet sind, so daß eine gewünschte Mischfarbe erzielt wird. Es besteht dann darüber hinaus die Möglichkeit, die einzelnen Farben in ihrer Intensität zu verändern, so daß mit einer einzigen Anordnung mehrere unterschiedliche Farbtöne erzielt werden können. Ferner kann anstelle des regelmäßigen Rasters eine beliebige Anordnung für die Halbleiterelemente gewählt werden.

An der Oberseite der Leiterplatte 2 ist eine aus einer reflektierenden Folie bestehende vorgefertigte Lochmaske 5 angeordnet, welche den Positionen der Halbleiterelemente entsprechende und damit ebenfalls in einem Raster angeordnete Löcher 6 aufweist. Die Lochmaske 5 ist auf die Leiterplatte 1 aufgeklebt, da dies den Vorteil hat, daß Verzugsspannungen zwischen der Lochmaske 5 und der Leiterplatte 2 durch den Klebefilm ausgeglichen werden. Die Lochmaske 5 weist eine Stärke von ca. 0,5 mm bis 3 mm auf, wobei die die Halbleiterelemente umschließenden Lochwandungen als Reflektoren wirken. Der Lochdurchmesser beträgt ca. 1 mm bis 3 mm. Die lichtemittierenden Halbleiterelemente sind von transparenten Abdeckkörpern 4 bedeckt. Die Abdeckkörper 4 bieten den Halbleiterelementen zum einen einen gewissen Schutz vor äußeren Einflüssen und haben zum anderen die Funktion von lichtbündelnden Linsen. Dies soll im folgenden näher mit Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3a-d erläutert werden.

Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 dargestellte lichterzeugende Anordnung 1 im seitlichen Schnitt, wobei mehrere Halbleiterelemente 3 gleichzeitig dargestellt sind, während die vergrößerten Ausschnitte der Fig. 3a-d lediglich ein einziges Halbleiterelement 3 zeigen.

Wie der vergrößerten Darstellung in Fig. 3a zu entnehmen ist, sind auf der Oberseite der Leiterplatte 2 elektrische Zuleitungen 8 und 9 in Form von Leiterbahnen zu den Halbleiterelementen 3 vorgesehen, durch welche diese gezielt angesteuert werden können. Auf die Ansteuerung der Halbleiterelemente 3, die in bekannter Weise erfolgt, soll hier allerdings nicht weiter eingegangen werden.

Die kreisförmigen Löcher 6 der Lochmaske 5 sind im dargestellten Beispiel konisch geformt, wobei ihr Querschnitt in Abstrahlrichtung erweitert ist. Hierdurch wird die Umlenkung des von dem Halbleiterelement 3 emittierten Lichts in Abstrahlrichtung verbessert. Die Lochwandungen 7 weisen eine makroporöse Struktur mit einem extrem hohen Reflexionsgrad auf. Da die Lochmaske 5 eine gewisse Stärke besitzt, wird durch die als Reflektor wirkenden Lochwandungen 7 verhindert, daß von den Halbleiterelementen 3 emittiertes Licht die lichterzeugende Anordnung 1 unter einem sehr hohen Austrittswinkel seitlich verläßt, wodurch der Wirkungsgrad der gesamten Anordnung herabgesetzt wird. Statt dessen erfolgt durch die Lochwandungen 7 eine erste Bündelung des Lichts in eine Abstrahlrichtung senkrecht zur Ebene der Leiterplatte 2.

Eine zweite Bündelung des Lichts erfolgt dann durch die - im vorliegenden Beispiel - aus einem ausgehärteten Tropfen Epoxidharz bestehenden und auf ihrer den Halbleiterelementen 3 abgewandten Seite eine Linsenform aufweisenden Abdeckkörper 4. Hierdurch wird nochmals der Anteil des in der gewünschten Abstrahlrichtung emittierten Lichts erhöht, so daß die Anordnung insgesamt einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweist. Anstelle von Epoxidharz kann allerdings auch eine andere lichtdurchlässige Masse, die zu einem Abdeckkörper 4 aushärtbar ist, verwendet werden, beispielsweise Silikon.

Die linsenförmige Struktur der Abdeckkörper 4 ergibt sich durch die Konsistenz der Harztropfen, welche nach dem Aufbringen und während dem Aushärten die dargestellte Form annehmen. Da vor dem Aufbringen der Harztropfen die Lochmaske 5 auf die Leiterplatte 2 aufgebracht wird, werden durch die Löcher 6 definierte Räume für die auszuhärtenden Harztropfen gebildet, welche während dem Aushärten für eine gewisse Formstabilität sorgen. Hierdurch wird auf einfache Weise gewährleistet, daß sämtliche Abdeckkörper 4 im wesentlichen die gleiche Form annehmen und somit die gleiche optische Wirkung auf das von den Halbleiterelementen 3 emittierte Licht haben.

Anstelle der in Fig. 3a dargestellten Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Anordnung allerdings beispielsweise auch wie in den Fig. 3b-d dargestellt ausgestaltet sein. So ist es nicht zwingend notwendig, daß die Abdeckkörper 4 die Löcher 6 vollständig ausfüllen und über die Oberseite der Lochmaske 5 hervorragen. Wie in Fig. 3b dargestellt ist, können die Abdeckkörper 4 auch kleiner oder bündig, bzw. gleich hoch zur Stärke der Lochmaske 5 sein. Die Halbleiterelemente 3 selbst können andererseits auch gleich hoch oder sogar höher als die Lochmaske 5 sein, wie die Ausführungsbeispiele der Fig. 3c und 3d zeigen. Dabei können die Löcher 6 die Halbleiterelemente 3 sowohl bündig als auch mit Abstand umschließen. Schließlich wäre für die Löcher 6 auch eine andere Form als die dargestellte Kreisform denkbar.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich somit durch einen hohen Wirkungsgrad aus, da durch die als Reflektoren wirkenden Lochwandungen 7 eine erste Umlenkung des Lichts in die gewünschte Abstrahlrichtung erzielt wird. Darüber hinaus kann eine weitere Bündelung des Lichts durch die linsenförmigen Abdeckkörper 4 erfolgen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung auf einfache aber zuverlässige Weise in einer gemeinsamen Form hergestellt werden können. Ferner kann durch eine Veränderung der Form der Löcher, der Stärke der Folie sowie des Reflexionsgrads der Folie in Verbindung mit der Ausformung der Abdeckkörper 4 eine gewünschte Abstrahlcharakteristik bzw. Lichtlenkung erzielt werden.

Claims (18)

1. Lichterzeugende Anordnung, mit folgenden Merkmalen:

• - einem Substrat (2),
• - verteilt auf dem Substrat (2) und direkt auf diesem angeordneten lichtemittierenden Halbleiterelementen (3),
• - elektrischen Zuleitungen (8, 9) zu den Halbleiterelementen (3), und
• - einer auf dem Substrat (2) angeordneten Lochmaske (5), deren durchgehende Löcher (6) Freiräume für die lichtemittierenden Halbleiterelemente (3) bilden.

2. Lichterzeugende Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Lochwandungen (7) der Löcher (6) der Lochmaske (5) lichtreflektierend sind.

3. Lichterzeugende Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch auf den Halbleiterelementen (3) angeordneten transparenten Abdeckkörpern (4), welche durch ausgehärtete Tropfen einer lichtdurchlässigen aushärtbaren Masse gebildet sind, wobei die Tropfen durch die Lochwandungen (7) begrenzt sind.

4. Lichterzeugende Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckkörper (4) aus einem ausgehärteten Tropfen Harz, insbesondere Epoxidharz oder Silikon bestehen.

5. Lichterzeugende Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckkörper (4) auf ihrer dem lichtemittierenden Halbleiterelement (3) abgewandten Seite eine Form aufweisen, durch welche das von dem Halbleiterelement (3) emittierte Licht gebündelt wird.

6. Lichterzeugende Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckkörper (4) auf der dem Halbleiterelement (3) abgewandten Seite linsenförmig sind.

7. Lichterzeugende Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Löcher (6) der Lochmaske (5) in Abstrahlrichtung erweitert ist.

8. Lichterzeugende Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (6) der Lochmaske (5) im Schnitt kreisförmig sind.

9. Lichterzeugende Anordnung nach Anspruch 7 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (6) der Lochmaske (5) konisch geformt sind.

10. Lichterzeugende Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine elektrische Leiterplatte (2) ist, wobei die Leiterbahnen (8, 9) die Zuleitungen zu den Halbleiterelementen (3) bilden.

11. Lichterzeugende Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochwandungen (7) diffus reflektierend sind.

12. Lichterzeugende Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochwandungen (7) eine makroporöse Struktur aufweisen.

13. Lichterzeugende Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochmaske (5) durch eine reflektierende Folie (5) gebildet wird.

14. Lichterzeugende Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochmaske (5) auf das Substrat (2) aufgeklebt ist.

15. Verfahren zum Herstellen einer lichterzeugenden Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Herstellen eines Vorproduktes in Form eines Substrates (2) mit verteilt darauf angeordneten lichtemittierenden Halbleiterelementen (3) und elektrischen Zuleitungen (8, 9) zu diesen,
• b) Aufbringen einer vorgefertigte Lochmaske (5) auf das Substrat (2), derart, daß sich die lichtemittierenden Halbleiterelemente (3) innerhalb der Löcher (6) befinden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der Lochmaske (5) auf jedes lichtemittierende Halbleiterelement (3) jeweils ein Tropfen einer lichtdurchlässigen aushärtbaren Masse aufgebracht wird, der nach Aushärtung einen transparenten Abdeckkörper (4) bildet.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Tropfen Harz, insbesondere Epoxidharz oder Silikon auf die lichtemittierenden Halbleiterelemente (3) aufgebracht wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochmaske (5) auf das Substrat (2) aufgeklebt wird.