DE19918370B4 - LED-Weißlichtquelle mit Linse - Google Patents
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Abstract
Weißlichtquelle
mit
– mindestens einer LED (2),
– einem Grundkörper (1) mit einer Ausnehmung (1A), in der die LED (2) angeordnet ist,
– eine die LED (2) einbettende Füllung (3) aus einem transparenten Material, in welchem eine Konvertersubstanz zur mindestens teilweisen Wellenlängenkonversion des von der LED (2) emittierten Lichts enthalten ist,
– einer mit der Materialfüllung (3) in Kontakt stehenden vorgefertigten Linse (4),
dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (4) eine konkave Unterseite (4A) aufweist und auf die Materialfüllung (3) aufgebracht ist, und
– daß die Füllung (3) eine konvexe Oberfläche (3A) aufweist, derart, daß die Oberseite der Materialfüllung (3) mit der konkaven Unterseite der Linse formschlüssig ist, und
– daß die Unterseite der Linse derart konkav geformt ist, daß die Weglänge des von der LED emittierten Lichts in der Materialfüllung vereinheitlicht ist.
– mindestens einer LED (2),
– einem Grundkörper (1) mit einer Ausnehmung (1A), in der die LED (2) angeordnet ist,
– eine die LED (2) einbettende Füllung (3) aus einem transparenten Material, in welchem eine Konvertersubstanz zur mindestens teilweisen Wellenlängenkonversion des von der LED (2) emittierten Lichts enthalten ist,
– einer mit der Materialfüllung (3) in Kontakt stehenden vorgefertigten Linse (4),
dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (4) eine konkave Unterseite (4A) aufweist und auf die Materialfüllung (3) aufgebracht ist, und
– daß die Füllung (3) eine konvexe Oberfläche (3A) aufweist, derart, daß die Oberseite der Materialfüllung (3) mit der konkaven Unterseite der Linse formschlüssig ist, und
– daß die Unterseite der Linse derart konkav geformt ist, daß die Weglänge des von der LED emittierten Lichts in der Materialfüllung vereinheitlicht ist.
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 Lichtquellen 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, ultraviolettes Licht einer geeigneten LED in den sichtbaren Spektralbereich zu konvertieren.
- Das Konvertermaterial kann bei beiden Konzepten entweder in dem Halbleitermaterial der LED oder in einem die LED umgebenden Einbettungsmaterial aus Harz oder dergleichen enthalten sein.
- Die Druckschrift
DE 196 38 667 A1 offenbart ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der Strahlung mit einer Wellenlänge λ ≤ 520 nm aussendet, und einem Lumineszenzkonversionselement, das einen Teil dieser Strahlung in Strahlung mit einer größeren Wellenlänge umwandelt, so dass das Halbleiterbauelement mischfarbiges, insbesondere weißes, Licht, aussendet. - Die Druckschrift
US 3,875,456 beschreibt ein Bauelement, das mehrere infrarot emittierende Halbleiterkörper umfasst, deren Strahlung mit Hilfe von jeweils unterschiedlichen Kon versionsmaterialien in sichtbares Licht verschiedener Farbe umgewandelt wird. - Um die Strahlungsintensität des Bauelements in Abstrahlrichtung zu erhöhen, können die LED-Bauelemente mit einer optischen Linse versehen werden, durch welche das Licht fokussiert und gerichtet abgestrahlt wird.
- Ein Beispiel für eine derartige Bauform ist in
1 dargestellt. 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 Zeitschrift Siemens Components 29 (1991), Heft 4, S. 147 im Zusammenhang 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 Matrixanordnung. - Bei einer SMT-TOPLED gemäß der Anordnung der
1 ist eine LED2 mit einer ihrer elektrischen Kontaktflächen auf einem Leiterband5 montiert, das mit einem Pol einer Spannungsquelle verbunden ist, während ein gegenüberliegendes, mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbundenes Leiterband5 durch einen Bonddraht6 mit der anderen elektrischen Kontaktfläche der LED2 verbunden ist. Die beiden Leiterbänder5 sind mit einem hochtemperaturfesten Thermoplast umspritzt. Dadurch wird ein Grundkörper1 im Spritzguß geformt, in dem sich eine Ausnehmung1A befindet, in die die LED2 innenseitig hineinragt. Der Thermoplast weist vorzugsweise einen hohen diffusen Reflexionsgrad von etwa 90% auf, so daß das von der LED2 emittierte Licht zusätzlich an den schräggestellten Seitenwänden der Ausnehmung1A in Richtung auf die Ausgangsöffnung reflektiert werden kann. Die Ausnehmung1A wird mit einem transparenten Harzmaterial3 wie einem Epoxidharz gefüllt, welches ein Konvertermaterial, beispielsweise einen geeigneten Farbstoff enthält. Das Harzmaterial und der Thermoplast 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 LED2 zu der Linse4 wird die relativ kurzwellige emittierte Lichtstrahlung in der das Konvertermaterial enthaltenden Harzfüllung3 partiell in langwellige Lichtstrahlung 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 Harzfüllung3 von der LED2 bis zu der Linse4 . 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 emittierten Lichtstrahlung. - Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine LED-Weißlichtquelle anzugeben, bei der die Weglänge der Strahlung durch das Konvertermaterial im wesentlichen gleich groß ist und die Lichtstrahlung in gebündelter Form abgestrahlt werden kann. Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lichtquelle angegeben werden
- Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 13 gelöst.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
-
1 ein vertikaler Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel für eine LED-Lichtquelle mit aufgeklebter Linse; -
2 ein vertikaler Schnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle. - Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist in
2 dargestellt, in der die gleichen Bezugszeichen für gleiche und funktionsgleiche Elemente wie bei der Lichtquelle der1 vergeben sind. Alle in bezug auf die Bauform der1 genannten vorteilhaften Merkmale sind auch bei der erfindungsgemäßen Bauform der2 verwendbar. - Die erfindungsgemäße Lichtquelle der
2 löst das genannte Problem dadurch, daß die Weglänge der Lichtstrahlung in der Harzfüllung3 vereinheitlicht wird. Um dieses zu erreichen, wird die Harzfüllung3 mit einer konvexen Oberfläche3A hergestellt, die an jedem Punkt im wesentlichen den gleichen Abstand von der LED2 aufweist. Der Volumenanteil des in der Harzfüllung enthaltenen Konvertermaterials wird so eingestellt, daß entlang dieser vereinheitlichten Weglänge von der LED2 bis zu der konvexen Oberfläche3A der Harzfüllung3 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 Oberfläche3A aufgrund der anteilsgleichen blau-gelben Farbmischung weißes Licht in die darüber befindliche Linse4 ein. - Die beispielsweise aus Polycarbonat vorgefertigte Linse
4 weist demgegenüber eine konkave Oberfläche4A auf, die mit der konvexen Oberfläche3A der Harzfüllung3 formschlüssig ist. - Die erfindungsgemäße Lichtquelle gemäß
2 kann auf folgende Weise hergestellt werden. Eine LED2 wird in der bereits beschriebenen Weise mit Leiterbändern5 elektrisch verbunden und die Leiterbänder5 werden durch ein thermoplastisches Material derart umspritzt, daß ein Grundkörper1 gebildet wird und die LED2 sich in einer Ausnehmung1A des Grundkörpers1 befindet. Insoweit ist das Verfahren bereits in dem genannten Artikel von Möllmer und Waitl beschrieben. Dann wird jedoch das Harzmaterial3 nicht bis zum Rand der Ausnehmung1A in diese eingefüllt sondern nur bis zu einer genau festgelegten Füllhöhe darunter. Dann wird eine vorgefertigte Linse4 , die die in2 dargestellte Form mit der konkaven Unterseite4A aufweist, in das noch flüssige Harzmaterial3 eingesetzt, wobei sich die Oberfläche der Harzfüllung an die konkave Unterseite4A der Linse4 anlegt, so daß dadurch die konvexe Oberfläche3A der Harzfüllung3 erzeugt wird. Nach dem Einsetzen der Linsen4 wird die Harzfüllung ausgehärtet. - Die Füllmenge des in die Ausnehmung
1A eingefüllten Harzmaterials3 muß möglichst genau so eingestellt werden, daß das bis zum Rand der Ausnehmung1A fehlende Volumen dem Verdrängungsvolumen des die konkave Unterseite4A bildenden Abschnitts der Linse4 entspricht. - Die Form der konvexen Oberfläche
3A der Harzfüllung3 und der konkaven Unterseite4A der Linse4 wird bereits bei der Fertigung der Linse4 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 Fläche der LED als punktförmig angenommen und in den Mittelpunkt der aktiven strahlenden Fläche gelegt werden. - Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die in
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 Kontaktierungsflächen 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 Anschluß mit der anderen Kontaktierungsfläche der LED durch einen Bonddraht vor der Harzverfüllung verbunden wird. -
- 1
- Grundkörper
- 1A
- Ausnehmung
- 2
- LED
- 3
- Harzmaterial
- 3A
- konvexe Oberfläche
- 4
- Linse
- 4A
- konkave Unterseite
- 5
- Leiterbänder
- 6
- Bonddraht
Claims (13)
- Weißlichtquelle mit – mindestens einer LED (
2 ), – einem Grundkörper (1 ) mit einer Ausnehmung (1A ), in der die LED (2 ) angeordnet ist, – eine die LED (2 ) einbettende Füllung (3 ) aus einem transparenten Material, in welchem eine Konvertersubstanz zur mindestens teilweisen Wellenlängenkonversion des von der LED (2 ) emittierten Lichts enthalten ist, – einer mit der Materialfüllung (3 ) in Kontakt stehenden vorgefertigten Linse (4 ), dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (4 ) eine konkave Unterseite (4A ) aufweist und auf die Materialfüllung (3 ) aufgebracht ist, und – daß die Füllung (3 ) eine konvexe Oberfläche (3A ) aufweist, derart, daß die Oberseite der Materialfüllung (3 ) mit der konkaven Unterseite der Linse formschlüssig ist, und – daß die Unterseite der Linse derart konkav geformt ist, daß die Weglänge des von der LED emittierten Lichts in der Materialfüllung vereinheitlicht ist. - LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Materialfüllung (
3 ) kleiner ist als das freie Volumen der Ausnehmung (1A ) mit der darin angeordneten LED (2 ). - LED-Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, 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 ) aufweisen. - LED-Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, 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 dem geometrischen Mittelpunkt ihrer aktiven strahlenden Fläche aufweisen. - LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß – die LED (
2 ) eine blau emittierende LED auf GaN-Basis ist und die Konvertersubstanz für die Konversion von Lichtstrahlung im blauen Spektralbereich in Lichtstrahlung im gelben Spektralbereich ausgelegt ist. - LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die LED (
2 ) eine UV emitierende LED ist und die Konvertersubstanz das UV-Licht in den sichtbaren Spektralbereich konvertiert. - LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß – der Abstand der konvexen Oberfläche (
3A ) von der LED (2 ), insbesondere von dem geometrischen Mittelpunkt ihrer aktiven strahlenden Fläche derart gewählt ist, daß entlang der optischen Weglänge der Lichtstrahlung der Konversionsgrad im wesentlichen 50% beträgt. - LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß – die Lichtquelle für Oberflächenmontagetechnik hergestellt ist.
- LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß – die Materialfüllung (
3 ) ein Harzmaterial, insbesondere ein Epoxidharz enthält. - LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß – der Grundkörper (
1 ) ein thermoplastisches Material enthält. - LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß – die LED (
2 ) mit einer ihrer elektrischen Kontaktierungsflächen auf einer ersten Leiterbahn (5 ) montiert ist, – und ihre andere elektrische Kontaktierungsfläche durch einen Bonddraht (6 ) mit einer zweiten Leiterbahn (5 ) verbunden ist, und – der Grundkörper (1 ) durch Spritzguß um die Leiterbänder (5 ) hergestellt ist. - LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß – die Seitenwände der Ausnehmung (
1A ) schräggestellt und reflektierend sind. - Verfahren zur Herstellung einer LED-Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Verfahrensschritten – Formen einer Ausnehmung mit ebener Bodenfläche in einen Grundkörper, – Montieren einer LED auf der Bodenfläche, – Einfüllen einer definierten Menge eines ein Konvertermaterial enthaltenden transparenten Materials, wie eines Harzmaterials in die Ausnehmung, – Bereitstellen einer Linse, die mit einer konvexen Oberseite 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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