DE19945675B4 - Oberflächenbefestigbares LED-Gehäuse - Google Patents

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Abstract

Oberflächenbefestigbares LED-Gehäuse mit einem LED-Chip, mit:
– einem Hohlraum bildenden Anschlussleitungsrahmen (12), der ein Metallteil in Form von rahmenförmigen Anschlussleitungen aufweist, wobei der Anschlussleitungsrahmen (12) ein Kunststoffmaterial aufweist, das um das Metallteil geformt ist, um einen Körper des LED-Gehäuses zu bilden;
– einem Grundelement (10) aus einem wärmeleitfähigen Material, das an der Basis des Hohlraums in den Anschlussleitungsrahmen (12) eingefügt ist derart, dass das Grundelement (10) elektrisch von dem Metallteil isoliert ist und im Wesentlichen von dem Metallteil durch das Kunststoffmaterial thermisch isoliert ist;
– einer optisch durchlässigen Linse (20), die in dem Anschlussleitungsrahmen positioniert ist und dem Hohlraum gegenüberliegt, die eine optische Funktionalität liefert;
– einem Leuchtdioden Chip (16), der im Hohlraum an dem Grundelement angebracht ist und mit dem Grundelement (10) thermisch verbunden ist, wobei der LED-Chip elektrisch mit dem Metallteil verbunden ist; und
– einem optisch durchlässigen elastischen Material, das den Chip...

Description

  • Die vorliegende Erfindung ist auf das Gebiet des Unterbringens von lichtemittierenden Dioden in einem Gehäuse gerichtet.
  • Die meisten lichtemittierenden Bauelemente (LEDs; LED = light emitting devices) emittieren inkohärentes Licht. Ein Leistungsmerkmal einer LED ist der photometrische Wirkungsgrad, d. h. die Umwandlung der eingegebenen Energie in sichtbares Licht. Der photometrische Wirkungsgrad ist umgekehrt proportional zu der Sperrschichttemperatur der LED. Ein Hauptaugenmerk von Entwicklern von LED-Gehäusen besteht daher darin, den Chip kühl zu halten, um ein gutes Gesamtverhalten zu erreichen.
  • Für Niederleistungs-LEDs, mit einer Leistung von z. B. weniger als 200 mW, oder für einen Chip mit einer geringen Fläche begrenzt ein groß-dimensionierter optischer Hohlraum die Fähigkeit, die gewünschten Zuverlässigkeitsbedingungen zu erfüllen. Ein Hohlraum dagegen, dessen Größe kleiner als die optimale Größe ist, reduziert den Lichtausbeutewirkungsgrad, d. h. die Menge des erzeugten und von dem Bauelement abgegeben Lichts. Im Stand der Technik bekannte Gehäuse, z. B. Tl-3/4 und SnapLED, verwenden ein Gußepoxidharz als die harte Einkapselung. Das Gußepoxidharz liefert sowohl eine optische als auch eine strukturelle Funktionalität. Ein im Stand der Technik bekannter Gehäuseentwurf für eine LED ist in 1 dargestellt und so ähnlich aus der US 5786665 (1) bekannt. Der Chip ist an der Basis des optischen Hohlraums angeordnet. Eine harte Einkapselung, z. B. ein starres ungefülltes Epoxidharz, füllt den optischen Hohlraum. Da der Chip, der optische Hohlraum und die Einkapselung unterschiedliche thermische Koeffizienten aufweisen, führen diese Komponenten während des Betriebs Ausdehnungen und Kontraktionen mit unterschiedlichen Raten durch. Dies führt zu einer hohen mechanischen Beanspruchung der LED.
  • Aus der US 4,727,457 ist bereits ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement bekannt, das einen Grundkörper, einen auf dem Grundkörper angeordneten LED-Chip und eine Linse aufweist. Der Chip steht mit dem Grundkörper in wärmeleitender Verbindung. Der Zwischenraum zwischen dem Chip und der Linse ist mit einem optisch durchlässigen Material in Form eines elastomeren Klebers aufgefüllt. Die Materialien des Grundkörpers, eines ringförmigen Abstandshalters und der Linse sind so gewählt, dass sie jeweils übereinstimmende thermische Ausdehnungskoeffizienten haben.
  • Aus der DE 3019239 C2 ist ebenfalls ein LED-Gehäuse bekannt, dessen Hohlraum aufgefüllt ist durch eine weiche durchsichtige Masse.
  • Jedoch fehlt den im o. g. Stand der Technik bekannten Gehäusen eine thermische Isolation zwischen den elektrischen und den thermischen Wegen, da die elektrischen Zuleitungen die primären thermischen Wege darstellen. Als Ergebnis ist der in einem Gehäuse untergebrachte Chip aufgrund von Temperaturänderungen, insbesondere während des Zusammenbaus zum Endprodukt, thermischen Beanspruchungen ausgesetzt.
  • Diese Probleme vergrößern sich, wenn sich die Chipfläche oder die Eingangsleistung des Chips erhöht. Da ein Bauelement mit einer größeren Sperrschichtfläche, z. B. > 0,25 mm2, ein größeres optisches Element als ein kleiner Chip, z. B. << 0,25 mm2, benötigt, um einen vergleichbaren Lichtausbeutewirkungsgrad zu liefern, ist ein großer optischer Hohlraum notwendig. Die mechanische Beanspruchung, die an der LED anliegt, erhöht sich mit dem Volumen der Einkapselung. Die Beanspruchung erhöht sich zusätzlich, wenn die in einem Gehäuse untergebrachte LED Temperaturschwankungen und Bedingungen mit hoher Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Die akkumulierten mechanischen Beanspruchungen reduzieren die LED-Gesamtzuverlässigkeit.
  • Da die im Stand der Technik bekannten Gehäuse ihre elektrischen Zuleitungen als primäre thermische Wege verwenden, erzeugt der hohe thermische Widerstand dieser Wege kombiniert mit dem hohen thermischen Widerstand des externen Systems hohe Sperrschichttemperaturen, wenn sich die Leistungsdissipation erhöht, z. B. ≥ 200 mW. Eine hohe Sperrschichttemperatur trägt zu einer Beschleunigung des irreversiblen Verlustes des photometrischen Wirkungsgrades in dem LED-Chip bei, und beschleunigt ferner die Prozesse, die zum Versagen der mechanischen Integrität des LED-Gehäuses beitragen.
  • Keines der erhältlichen LED-Gehäuse liefert einen zuverlässigen, optisch wirksamen Betrieb für Anwendungen, die eine mittlere LED-Eingangsleistung von 0,2 W erreichen, insbesondere wenn die LED mit einem hohen Tastgrad (> 35%) oder langen Pulsbreiten (> 1 Sekunde) betrieben wird.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Gehäuse für einen LED-Chip zu schaffen, um die Betriebszuverlässigkeit einer LED zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Gehäuse für einen Chip gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Gehäuse, das eine getrennte optische und strukturelle Funktionalität aufweist. Ein Wärmesenkengrundelement ist in einen Einsatz-geformten (insert-molded) Anschlußleitungsrahmen eingefügt und thermisch von ihm getrennt. Der Einsatz-geformte Anschlußleitungsrahmen besteht aus einem strukturierten Metallteil, über das ein gefülltes Kunststoffmaterial geformt ist, um eine strukturelle Einheit vorzusehen. Das Grundelement umfaßt eine optionale Schale z. B. eine Reflektorschale. Der LED-Chip ist über eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Unterbefestigung direkt oder indirekt an dem Grundelement angebracht. Verbindungs- bzw. Bonddrähte erstrecken sich von der LED zu Metallanschlußleitungen, die von dem Grundelement elektrisch und thermisch getrennt sind. Eine optische Linse wird hinzugefügt, indem z. B. eine vorgeformte, optisch durchlässige, thermoplastische Linse und eine weiche, optisch durchlässige Einkapselung angebracht werden, oder eine optisch durchlässige Epoxidharzlinse über die weiche, optisch durchlässige Einkapselung gegossen wird. Die weiche, optisch durchlässige Einkapselung besteht aus einem weichen Material, das eine niedrige Beanspruchung oder eine mechanische Dämpfung für den LED-Chip liefert.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine im Stand der Technik bekannte LED-Anordnung.
  • 2 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 2 stellt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, d. h. ein LED-Gehäuse (LED = lichtemittierende Diode), das eine entkoppelte optische und strukturelle Funktionalität aufweist. Ein Wärmesenkengrundelement 10 ist in einem Einsatz-geformten Anschlußleitungsrahmen 12 plaziert. Der Einsatz-geformte Anschlußleitungsrahmen 12 ist ein gefülltes Kunststoffmaterial, das um einen Metallrahmen geformt ist, der einen elektrischen Weg liefert. Das Grundelement 10 umfaßt eine optionale Reflektorschale 14. Der LED-Chip 16 ist über eine thermisch leitende Unterbefestigung 18 direkt oder indirket an dem Grundelement 10 angebracht. Bonddrähte erstrecken sich von der LED 16 und der Unterbefestigung 18 zu Metallanschlußleitungen auf dem Anschlußleitungsrahmen 12, die von dem Grundelement 10 elektrisch und thermisch getrennt sind. Eine optische Linse 20 wird hinzugefügt, indem eine vorgeformte thermoplastische Linse und eine Einkapselung (nicht gezeigt) angebracht werden, oder indem eine Linse aus Epoxidharz über der Einkapselung (nicht gezeigt) gegossen wird. Die Einkapselung ist ein weiches Material, das eine niedrige Beanspruchung oder eine mechanische Dämpfung für den LED-Chip liefert. Da der LED-Chip mit dem Wärmesenkengrundelement thermisch gekoppelt ist, kann der Chip auf einer Sperrschichttemperatur gehalten werden, die niedriger als bei herkömmlichen Gehäusen ist. Aufgrund der niedrigeren Betriebstemperatur wird eine hohe Zuverlässigkeit und ein gutes Verhalten auch unter Betriebsbedingungen mit hoher Leistung beibehalten, da der Chip keiner hohen thermischen Beanspruchung ausgesetzt ist.
  • Das Wärmesenkengrundelement 10 ist von den Metallanschlussleitungen 12 thermisch getrennt. Falls eine isolierende Unterbefestigung 18 verwendet wird, ist das Grundelement 10 elektrisch isolierend. Folglich kann das Grundelement 10 an einer externen Wärmesenke (nicht gezeigt) mit einem minimalen thermischen Widerstand befestigt werden, um einen Wärmeaufbau in dem Gehäuse zu verhindern. Das massive Grundelement 10 liefert einen Weg mit einem niedrigen thermischen Widerstand, um Wärme von dem LED-Chip 16 abzuführen. Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel ein Kupfergrundelement verwendet, umfassen andere geeignete Materialien thermisch leitfähige Materialien, wie z. B. Diamant, Silizium Aluminium, Molybdän, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder Verbundwerkstoffe und Legierungen derselben. Alternativ können Verbundwerkstoffe aus Molybdän-Kupfer und Wolfram-Kupfer verwendet werden.
  • Die Unterbefestigung 18 liefert einen Wärmeleitungsweg und einen Wärmeausdehnungspuffer zwischen dem Grundelementmaterial und dem LED-Chip. Dieselbe weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der mit dem des LED-Chips vergleichbar ist. Die Unterbefestigung 18 kann elektrisch leitend oder isolierend sein.
  • Der Einsatz-geformte Anschlußleitungsrahmen 12 ist ein strukturiertes Metallteil mit Einsatz, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit, jedoch lediglich eine niedrige thermische Leitfähigkeit liefert. Über das Metallteil mit Einsatz ist ein Kunststoffstrukturbauteil geformt (insertmolded), z. B. das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine elektrische Isolation liefert. Der isolierende Teil des Anschlußleitungsrahmens ist ein gefülltes Kunststoffmaterial, das eine strukturelle Einheit liefert. Der starke Kunststoffkörper liefert die strukturelle Einheit des Gehäuses und weist einen Härtegrad in der Größenordnung von "Durometer Shore 50–90 D" auf. Die Trennung der optischen und strukturellen Funktionen ermöglicht, daß das Gehäuse eine hohe optische Güte beibehält ohne einen Kompromiß mit dessen struktureller Einheit eingehen zu müssen.
  • Die Einkapselung ist ein weiches, optisch durchlässiges Material mit einem Brechungsindex, der größer als 1,3 ist, wie z. B. Silikon, eine flüssige oder Gelatine-artige optische Verbindung, und füllt den optischen Weg zwischen einem LED-Chip 16 und der optischen Linse 20. Das weiche, optisch durchlässige Material schützt den LED-Chip 16. Die weiche Einkapselung weist nach Härteprüfung eine Härte von weniger als "Durometer Shore 10 A" auf. (Shore A Härteprüfung ist in der DIN-Norm 7868 genau festgelegt).
  • Die optionale Reflektorschale 14 ist aus wärmeleitfähigen Materialien hergestellt, die für ein gutes Reflexionsvermögen plattiert worden sind. Die optionale Reflektorschale 14 kann aus wärmeleitfähigen Materialien hergestellt sein, die für ein gutes Reflexionsvermögen beschichtet worden sind. Wie bei der Basis des Grundelementes 10 weisen geeignete wärmeleitfähige Materialien, aus denen die optischen Oberflächen der Reflektorschale zusammengesetzt werden können, wärmeleitfähige Materialien auf, wie z. B. Silber, Kupfer, Aluminium, Molybdän, Diamant, Silizium, Alumina, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid und Verbundwerkstoffe derselben. Im Gegensatz zur Basis des Grundelementes können die Reflektorschalenwände ebenfalls aus wärmeisolierenden Materialien gebildet sein, wie z. B. Kunststoffmaterialien mit reflektierenden Beschichtungen.
  • Bei vielen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Schale 14 mit Silber beschichtet worden. Es können andere Beschichtungen aus reflektierenden Materialien, wie z. B. Aluminium, Gold, Platin, dielektrische beschichtete Metalle, wie z. B. Aluminium, Silber, Gold oder reine dielektrische Stapel, verwendet werden.

Claims (11)

  1. Oberflächenbefestigbares LED-Gehäuse mit einem LED-Chip, mit: – einem Hohlraum bildenden Anschlussleitungsrahmen (12), der ein Metallteil in Form von rahmenförmigen Anschlussleitungen aufweist, wobei der Anschlussleitungsrahmen (12) ein Kunststoffmaterial aufweist, das um das Metallteil geformt ist, um einen Körper des LED-Gehäuses zu bilden; – einem Grundelement (10) aus einem wärmeleitfähigen Material, das an der Basis des Hohlraums in den Anschlussleitungsrahmen (12) eingefügt ist derart, dass das Grundelement (10) elektrisch von dem Metallteil isoliert ist und im Wesentlichen von dem Metallteil durch das Kunststoffmaterial thermisch isoliert ist; – einer optisch durchlässigen Linse (20), die in dem Anschlussleitungsrahmen positioniert ist und dem Hohlraum gegenüberliegt, die eine optische Funktionalität liefert; – einem Leuchtdioden Chip (16), der im Hohlraum an dem Grundelement angebracht ist und mit dem Grundelement (10) thermisch verbunden ist, wobei der LED-Chip elektrisch mit dem Metallteil verbunden ist; und – einem optisch durchlässigen elastischen Material, das den Chip einkapselt und eine Härte aufweist, die erheblich geringer ist als die Härte der darüber liegenden Linse (20).
  2. Gehäuse gemäß Anspruch 1, das ferner eine Unterbefestigung (18) aus einem wärmeleitfähigen Material aufweist, die mit dem Grundelement verbunden ist.
  3. Gehäuse gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das wärmeleitfähige Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die reine Materialien, Verbindungen und Verbundwerkstoffe aus Silber, Kupfer, Diamant, Silizium, Aluminium, Wolfram, Molybdän und Berrylliumoxid umfaßt.
  4. Gehäuse gemäß Anspruch 1, bei dem das optisch durchlässige elastische Material eine Härte aufweist, die geringer ist als „Shore 10A".
  5. Gehäuse gemäß Anspruch 1, das ferner eine Unterbefestigung (18) aus einem wärmeleitfähigen Material aufweist, die mit dem Chip und dem Grundelement verbunden ist.
  6. Gehäuse gemäß Anspruch 5, bei dem das wärmeleitfähige Material des Grundelements (10) und der Unterbefestigung (18) aus einer Gruppe ausgewählt sind, die reine Materialien, Verbindungen und Verbundwerkstoffe aus Silber, Kupfer, Diamant, Silizium, Aluminium, Wolfram, Molybdän und Berylliumoxid aufweist.
  7. Gehäuse gemäß Anspruch 1, das ferner eine Reflektorschale (14) aufweist, die auf der Basis des Grundelementes angeordnet ist und eine reflektierende Oberfläche aufweist.
  8. Gehäuse gemäß Anspruch 7, bei der die Reflektorschale (14) in den Anschlussleitungsrahmen eingefügt ist.
  9. Gehäuse gemäß Anspruch 8, bei der die Reflektorschale (14) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Silber, Aluminium, Gold, Silber mit einer dielektrischen Beschichtung, Gold mit einer dielektrischen Beschichtung und Aluminium mit einer dielektrischen Beschichtung aufweist.
  10. Gehäuse gemäß Anspruch 9, bei der eine reflektierende Oberfläche der Reflektorschale aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Silber, Aluminium, Gold, Silber mit einer dielektrischen Beschichtung, Gold mit einer dielektrischen Beschichtung und Aluminium mit einer dielektrischen Beschichtung aufweist.
  11. Gehäuse gemäß Anspruch 9, bei der eine reflektierende Oberfläche der Reflektorschale zumindest eine interne Totalreflexionsoberfläche aufweist, die durch Brechungsindexstufenänderungen, die größer als 0,3 sind, gebildet ist.
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