DE19918370A1 - LED-Weißlichtquelle mit Linse - Google Patents

LED-Weißlichtquelle mit Linse

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Abstract

In einer erfindungsgemäßen Weißlichtquelle ist eine vorzugsweise in Oberflächenmontagetechnik gefertigte LED (2) in eine transparente Materialführung (3) eingebettet, in welcher eine Konvertersubstanz zur mindestens teilweisen Wellenlängenkonversion des von der LED emittierten Lichts enthalten ist, und auf die transparente Materialfüllung ist eine Linse (4) aufgeklebt, wobei die Materialfüllung eine konvexe Oberfläche (3A) aufweist und die Linse (4) eine mit der konvexen Oberfläche der Materialfüllung formschlüssige konkave Unterseite (4A) aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Weißlichtquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In jüngster Zeit sind LEDs auf der Basis von GaN entwickelt worden, mit denen blaues oder ultraviolettes Licht erzeugt werden kann. Mithilfe dieser LEDs können Weißlichtquellen auf der Grundlage der Wellenlängenkonversion hergestellt werden. Ein bereits realisiertes Konzept sieht vor, daß ein Teil des von der LED emittierten blauen Lichts durch ein geeignetes Konvertermaterial in gelbes Licht umgewandelt wird, so daß infolge der entstehenden Farbmischung des originären blauen Lichts mit dem konvertierten gelben Licht Weißlicht erzeugt wird. In einem zweiten Konzept wird vorgeschlagen, ultravio­ lettes Licht einer geeigneten LED in den sichtbaren Spektral­ bereich zu konvertieren.
Das Konvertermaterial kann bei beiden Konzepten entweder in dem Halbleitermaterial der LED oder in einem die LED umgeben­ den Einbettungsmaterial aus Harz oder dergleichen enthalten sein.
Um die Strahlungsintensität des Bauelements in Abstrahlrich­ tung zu erhöhen, können die LED-Bauelemente mit einer opti­ schen Linse versehen werden, durch welche das Licht fokus­ siert und gerichtet abgestrahlt wird.
Ein Beispiel für eine derartige Bauform ist in Fig. 1 darge­ stellt. In dieser wird eine LED-Bauform verwendet, wie sie beispielsweise in dem Artikel "SIEMENS SMT-TOPLED für die Oberflächenmontage" von F. Möllmer und G. Waitl in der Zeit­ schrift Siemens Components 29 (1991), Heft 4, S. 147 im Zu­ sammenhang mit Bild 1 beschrieben ist. Diese Form der LED ist äußerst kompakt und erlaubt gegebenenfalls die Anordnung ei­ ner Vielzahl von derartigen LEDs in einer Reihen- oder Ma­ trixanordnung.
Bei einer SMT-TOPLED gemäß der Anordnung der Fig. 1 ist eine LED 2 mit einer ihrer elektrischen Kontaktflächen auf einem Leiterband 5 montiert, das mit einem Pol einer Spannungs­ quelle verbunden ist, während ein gegenüberliegendes, mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbundenes Leiterband 5 durch einen Bonddraht 6 mit der anderen elektrischen Kontakt­ fläche der LED 2 verbunden ist. Die beiden Leiterbänder 5 sind mit einem hochtemperaturfesten Thermoplast umspritzt. Dadurch wird ein Grundkörper 1 im Spritzguß geformt, in dem sich eine Ausnehmung 1A befindet, in die die LED 2 innensei­ tig hineinragt. Der Thermoplast weist vorzugsweise einen ho­ hen diffusen Reflexionsgrad von etwa 90% auf, so daß das von der LED 2 emittierte Licht zusätzlich an den schräggestellten Seitenwänden der Ausnehmung 1A in Richtung auf die Aus­ gangsöffnung reflektiert werden kann. Die Ausnehmung 1A wird mit einem transparenten Harzmaterial 3 wie einem Epoxidharz gefüllt, welches ein Konvertermaterial, beispielsweise einen geeigneten Farbstoff enthält. Das Harzmaterial und der Ther­ moplast sind sorgfältig aufeinander abgestimmt, damit auch thermische Spitzenbelastungen nicht zu mechanischen Störungen führen.
Im Betrieb wird durch die LED 2, die beispielsweise auf GaN- Basis oder auch auf Basis von II-VI-Verbindungen hergestellt sein kann, blaues oder ultraviolettes Licht emittiert. Auf ihrem Weg von der LED 2 zu der Linse 4 wird die relativ kurz­ wellige emittierte Lichtstrahlung in der das Konvertermateri­ al enthaltenden Harzfüllung 3 partiell in langwellige Licht­ strahlung umgewandelt. Insbesondere kann bei Verwendung einer blauen LED ein solches Konvertermaterial verwendet werden, durch welches die blaue Lichtstrahlung mindestens partiell in gelbe Lichtstrahlung umgewandelt wird. Ein Problem dieser Bauform sind jedoch die unterschiedlichen Weglängen der Lichtstrahlen in der mit dem Konvertermaterial gefüllten Harzfüllung 3 von der LED 2 bis zu der Linse 4. Diese führen dazu, daß im Randbereich des Bauelements der gelbe Anteil in der Lichtstrahlung überwiegt, während im Gegensatz dazu in der Mitte der blaue Anteil in der Lichtstrahlung überwiegt. Dieser Effekt führt somit zu einem mit der Abstrahlrichtung oder Betrachtungsrichtung variierenden Farbort der emittier­ ten Lichtstrahlung.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine LED-Weißlichtquelle anzugeben, bei der der Farbort un­ abhängig von der Abstrahlrichtung ist und die Lichtstrahlung in gebündelter Form abgestrahlt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen in den Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeich­ nungen zeigen:
Fig. 1 ein vertikaler Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel für eine LED-Weißlichtquelle mit aufgeklebter Linse;
Fig. 2 ein vertikaler Schnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LED-Weißlichtquelle.
Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt, in der die gleichen Bezugszeichen für gleiche und funktionsgleiche Elemente wie bei der Weißlicht­ quelle der Fig. 1 vergeben sind. Alle in bezug auf die Bauform der Fig. 1 genannten vorteilhaften Merkmale sind auch bei der erfindungsgemäßen Bauform der Fig. 2 verwendbar.
Die erfindungsgemäße Weißlichtquelle der Fig. 2 löst das ge­ nannte Problem dadurch, daß die Weglänge der Lichtstrahlung in der Harzfüllung 3 vereinheitlicht wird. Um dieses zu er­ reichen, wird die Harzfüllung 3 mit einer konvexen Oberfläche 3A hergestellt, die an jedem Punkt im wesentlichen den glei­ chen Abstand von der LED 2 aufweist. Der Volumenanteil des in der Harzfüllung enthaltenen Konvertermaterials wird so einge­ stellt, daß entlang dieser vereinheitlichten Weglänge von der LED 2 bis zu der konvexen Oberfläche 3A der Harzfüllung 3 ein genügend großer Anteil der blauen Lichtstrahlung in gelbe Lichtstrahlung umgewandelt wird, so daß die Strahlung für das menschliche Auge als Weißlichtstrahlung wahrgenommen wird. Somit tritt an jedem Punkt der konvexen Oberfläche 3A auf­ grund der anteilsgleichen blau-gelben Farbmischung weißes Licht in die darüber befindliche Linse 4 ein.
Die beispielsweise aus Polycarbonat gefertigte Linse 4 weist demgegenüber eine konkave Oberfläche 4A auf, die mit der kon­ vexen Oberfläche 3A der Harzfüllung 3 formschlüssig ist.
Die erfindungsgemäße Weißlichtquelle gemäß Fig. 2 kann auf folgende Weise hergestellt werden.
Eine LED 2 wird in der bereits beschriebenen Weise mit Lei­ terbändern 5 elektrisch verbunden und die Leiterbänder 5 wer­ den durch ein thermoplastisches Material derart umspritzt, daß ein Grundkörper 1 gebildet wird und die LED 2 sich in ei­ ner Ausnehmung 1A des Grundkörpers 1 befindet. Insoweit ist das Verfahren bereits in dem genannten Artikel von Möllmer und Waitl beschrieben. Dann wird jedoch das Harzmaterial 3 nicht bis zum Rand der Ausnehmung 1A in diese eingefüllt son­ dern nur bis zu einer genau festgelegten Füllhöhe darunter. Dann wird eine vorgefertigte Linse 4, die die in Fig. 2 darge­ stellte Form mit der konkaven Unterseite 4A aufweist, in das noch flüssige Harzmaterial 3 eingesetzt, wobei sich die Ober­ fläche der Harzfüllung an die konkave Unterseite 4A der Linse 4 anlegt, so daß dadurch die konvexe Oberfläche 3A der Harz­ füllung 3 erzeugt wird. Nach dem Einsetzen der Linsen 4 wird die Harzfüllung ausgehärtet.
Die Füllmenge des in die Ausnehmung 1A eingefüllten Harzmate­ rials 3 muß möglichst genau so eingestellt werden, daß das bis zum Rand der Ausnehmung 1A fehlende Volumen dem Verdrän­ gungsvolumen des die konkave Unterseite 4A bildenden Ab­ schnitts der Linse 4 entspricht.
Die Form der konvexen Oberfläche 3A der Harzfüllung 3 und der konkaven Unterseite 4A der Linse 4 wird bereits bei der Fer­ tigung der Linse 4 festgelegt. Die Bedingung für diese Form ist, daß der Abstand der eigentlichen Lichtquelle, also der aktiven strahlenden Fläche der LED von diesen Oberflächen konstant ist. Zu diesem Zweck kann die aktive strahlende Flä­ che der LED als punktförmig angenommen und in den Mittelpunkt der aktiven strahlenden Fläche gelegt werden.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die in Fig. 2 dargestellte SMT-Bauform beschränkt. Beispielsweise kann der Grundkörper auch durch einen metallischen Block wie einen Kupferblock gebildet sein, der eine Ausnehmung aufweist, auf deren Bodenfläche die LED mit einer ihrer elektrischen Kon­ taktierungsflächen montiert ist, so daß der Kupferblock gleichzeitig Wärmesenke und elektrischer Anschluß ist. Der andere elektrische Anschluß könnte dann auf einer äußeren Oberfläche des Kupferblocks mit einer dazwischenliegenden Isolatorschicht geformt sein, wobei dieser elektrische An­ schluß mit der anderen Kontaktierungsfläche der LED durch ei­ nen Bonddraht vor der Harzverfüllung verbunden wird.
Bezugszeichenliste
1
Grundkörper
1
A Ausnehmung
2
LED
3
Harzmaterial
3
A konvexe Oberfläche
4
Linse
4
A konkave Unterseite
5
Leiterbänder
6
Bonddraht

Claims (10)

1. Weißlichtquelle, mit
  • - mindestens einer LED (2),
gekennzeichnet durch
  • - einen Grundkörper (1) mit einer Ausnehmung (1A), in der die LED (2) angeordnet ist,
  • - eine die LED (2) einbettende Füllung (3) aus einem trans­ parenten Material, in welchem eine Konvertersubstanz zur mindestens teilweisen Wellenlängenkonversion des von der LED (2) emittierten Lichts enthalten ist,
  • - eine auf die transparente Materialfüllung (3) aufgebrachte Linse (4), wobei
  • - die Materialfüllung (3) eine konvexe Oberfläche (3A) auf­ weist und die Linse (4) eine mit der konvexen Oberfläche (3A) der Materialfüllung (3) formschlüssige konkave Unter­ seite (4A) aufweist.
2. Weißlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die konvexe Oberfläche (3A) der Materialfüllung (3) und die Unterseite (4A) der Linse (4) derart geformt sind, daß sie einen im wesentlichen gleichbleibenden Abstand von der LED (2), insbesondere von dem geometrischen Mittelpunkt ihrer aktiven strahlenden Fläche aufweisen.
3. Weißlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die LED (2) eine blau oder UV emittierende LED auf GaN-Ba­ sis ist und die Konvertersubstanz für die Konversion von Lichtstrahlung im blauen Spektralbereich in Lichtstrahlung im gelben Spektralbereich ausgelegt ist.
4. Weißlichtquelle nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - der Abstand der konvexen Oberfläche (3A) von der LED (2), insbesondere von dem geometrischen Mittelpunkt ihrer akti­ ven strahlenden Fläche derart gewählt ist, daß entlang der optischen Weglänge der Lichtstrahlung der Konversionsgrad im wesentlichen 50% beträgt.
5. Weißlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Weißlichtquelle in Oberflächenmontagetechnik herge­ stellt ist.
6. Weißlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Materialfüllung (3) ein Harzmaterial, insbesondere ein Epoxidharz enthält.
7. Weißlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - der Grundkörper (1) ein thermoplastisches Material ent­ hält.
8. Weißlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die LED (2) mit einer ihrer elektrischen Kontaktierungs­ flächen auf einer ersten Leiterbahn (5) montiert ist,
  • - und ihre andere elektrische Kontaktierungsfläche durch ei­ nen Bonddraht (6) mit einer zweiten Leiterbahn (5) verbun­ den ist, und
  • - der Grundkörper (1) durch Spritzguß um die Leiterbänder (5) hergestellt ist.
9. Weißlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Seitenwände der Ausnehmung (1A) schräggestellt und re­ flektierend sind.
10. Verfahren zur Herstellung einer Weißlichtquelle nach ei­ nem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Verfahrensschritten
  • - Formen einer Ausnehmung mit ebener Bodenfläche in einen metallischen Grundkörper,
  • - Montieren einer LED auf der Bodenfläche,
  • - Einfüllen einer definierten Menge eines ein Konvertermate­ rial enthaltenden transparenten Materials, wie eines Harz­ materials in die Ausnehmung,
  • - Bereitstellen einer Linse, die mit einer konvexen Obersei­ te und einer konkaven Unterseite vorgefertigt wurde,
  • - Einsetzen der Linse mit ihrer konkaven Unterseite in das noch flüssige transparente Material, und
  • - Aushärten des transparenten Materials.
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