DE19921684B4

DE19921684B4 - Beleuchtungselement mit Halbleiterchips

Info

Publication number: DE19921684B4
Application number: DE19921684A
Authority: DE
Inventors: Daniel Wustlich
Original assignee: Vossloh Schwabe Lighting Solutions GmbH and Co KG
Current assignee: Vossloh Schwabe Lighting Solutions GmbH and Co KG
Priority date: 1999-05-12
Filing date: 1999-05-12
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2019-05-13
Also published as: DE19921684A1

Abstract

Auf der Basis von über Leiterbahnen verschalteten Halbleiterchips (12) arbeitendes Beleuchtungselement, bei welchem die Halbleiterchips (12) auf einem aus einem leitenden Material gefertigten Stanzgitter angeordnet sind und die der Schaltungsanordnung entsprechende Form des Stanzgitters die Leiterbahnen für die Ansteuerung der an zugewiesenen Stellen auf dem Stanzgitter angeordneten Halbleiterchips (12) ausbildet, wobei das Stanzgitter in definierten Bereichen mit einer die Bondung der Halbleiterchips (12) ermöglichenden Oberfläche versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberfläche des Stanzgitters Vertiefungen (11) als Reflektoren für die in den Vertiefungen (11) angeordneten Halbleiterchips (12) eingeprägt und die Vertiefungen (11) mit dem eingesetzten Halbleiterchip (12) mit einer lichtdurchlässigen Vergussmasse (15) ausgefüllt sind, wobei jede Vertiefung (11) von einer in die Oberfläche des Stanzgitters eingelassenen Kehle (23) umgeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein auf der Basis von über Leiterbahnen verschalteten Halbleiterchips arbeitendes Beleuchtungselement, bei welchem die Halbleiterchips auf einem aus einem leitenden Material gefertigten Stanzgitter angeordnet sind und die der Schaltungsanordnung entsprechende Form des Stanzgitters die Leiterbahnen für die Ansteuerung der an zugewiesenen Stellen auf dem Stanzgitter angeordneten Halbleiterchips ausbildet, wobei das Stanzgitter in definierten Bereichen mit einer die Bondung der Halbleiterchips ermöglichenden Oberfläche versehen ist.

Ein gattungsgemäßes Beleuchtungselement ist in der EP 0 364 806 A2 beschrieben. Hierbei werden die Halbleiterchips auf der ebenen Oberfläche des dazu verwendeten Stanzgitters aufgeklebt und auf in geeigneter Weise ausgebildete Flächen des Stanzgitters gebondet. Anschließend wird das mit den Halbleiterchips ausgerüstete Stanzgitter auf eine Gießform gelegt, und es werden im Wege der Kunststoff-Spritzgusstechnik die Halbleiterchips mit eine gewünschte Form aufweisenden Reflektoren übergossen. Das Stanzgitter ist bereits biegsam derart ausgebildet, dass es als Beleuchtungselement innerhalb eines Leuchtenkörpers mit einer gekrümmten Form Verwendung finden kann.

Mit dem bekannten Beleuchtungselement ist der Nachteil einer aufwendigen Herstellung des Stanzgitters einschließlich Halbleiterchip-Bestückung und Reflektoren verbunden, weil das Stanzgitter mit den in einem ersten Schritt darauf aufgeklebten Halbleiterchips zusätzlich in eine Gießform einzulegen ist, wobei die Gießform exakt auf die Bestückung des Stanzgitters mit Halbleiterchips ausgelegt sein muss.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Beleuchtungselement mit den gattungsgemäßen Merkmalen zur Verfügung zu stellen, welches einfacher herstellbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Anspruch 1; vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung sieht im einzelnen vor, dass in die Oberfläche des Stanzgitters Vertiefungen als Reflektoren für die in den Vertiefungen angeordneten Halbleiterchips eingeprägt und die Vertiefungen mit dem eingesetzten Halbleiterchip mit einer lichtdurchlässigen Vergussmasse ausgefüllt sind, wobei jede Vertiefung von einer in die Oberfläche des Stanzgitters eingelassenen Kehle umgeben ist. Mit der Erfindung ist der Vorteil verbunden, dass neben dem Einbringen der Leuchtiodenchips in die Vertiefungen insbesondere das Ausfüllen der Vertiefungen mit einer entsprechenden lichtdurchlässigen Kunststoffmasse vereinfacht ist, weil mittels eines entsprechenden, vorzugsweise als Roboter ausgebildeten Werkzeuges die einzelnen Vertiefungen gefüllt werden können, womit eine größere Flexibilität in der Herstellung der Leiterplatte verbunden ist. Dabei wirken die die Vertiefung umgebenden Kehlen in vorteilhafter Weise als Fließbremse.

Aus der EP 0 921 568 A2 ist es hierzu bekannt, bei einer Platine mit in deren Schichtaufbau integrierten Leiterbahnen die Halbleiterschicht in entsprechend angeordneten Vertiefungen anzubringen und auch innerhalb der Vertiefungen an die darunter liegenden Leiterbahnen zu bonden, wobei anschließend die Vertiefung mit einem Kunststoffbubble zum Schutz von Halbleiterchip und Bonddraht überspannt wird.

Zur Herstellung eines Beleuchtungselementes kann vorgesehen sein, dass das Stanzgitter vollständig in einem lichtdurchlässigen Kunststoff eingebettet ist, wobei die Einbettung durch Umgießen oder Umspritzen mit einem lichtdurchlässigen, lichtverteilenden, klaren oder diffusen Kunststoff oder durch das Einlegen in ein fertig vorbereitetes Kunststoffelement verwirklicht sein kann. Dabei über wird über das Stanzgitter in vorteilhafter Weise auch die bei Stromdurchfluss erzeugte Wärme abgeleitet.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die in die Vertiefung eingebrachte Vergussmasse die Oberfläche des Stanzgitters unter Ausbildung einer die Vertiefung abdeckenden Kuppel überragt.

Zur Verbesserung der Intensität der Lichtabstrahlung kann nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen sein, dass auf jede Vertiefung des Stanzgitters eine die Vertiefung konvex überspannende Linse aufgesetzt ist. Soweit dabei zunächst vorgesehen ist, jeder einzelnen Vertiefung eine gegossene oder gespritzte einzelne Linse zuzuordnen, kann nach einem Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, dass das Stanzgitter mit einem Linsenteil mit in diesem den in dem Stanzgitter befindlichen Vertiefungen zugeordnet ausgebildeten konvexen Linsen zusammenschließbar ist. Hierbei kann das Stanzgitter zur Ausbildung des Linsenteils unmittelbar umspritzt oder umgossen werden; alternativ ist dabei auch die gesonderte Herstellung eines entsprechenden Linsenteils von der Erfindung umfasst, welches dann auf das Stanzgitter aufsetzbar und mit diesem zu verbinden ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass zur Verbesserung der Anbindung zwischen der als Reflektor wirkenden Vertiefung und der zugehörigen Linse der von der Vertiefung mit dem darin angeordneten Halbleiterchip und von der zugeordneten Linse gemeinsam umschlossene Innenraum mit der lichtdurchlässigen Vergussmasse ausgefüllt ist.

Um die an sich bei Einsatz von verschiedenen Licht in unterschiedlichen Farben emittierenden Halbleiterchips bekannte additive Farbmischung bei dem erfindungsgemäßen Beleuchtungselement zu nutzen, kann vorgesehen sein, daß die einzelnen Vertiefungen mit verschiedenen, jeweils Licht in unterschiedlichen Farben emittierenden Halbleiterchips bestückt sind. Dabei stehen Halbleiterchips für die Farben Blau, Grün, Rot und Gelb zur Verfügung. Es ist dabei auch möglich, in einer jeweiligen Vertiefung mehrere Licht in unterschiedlichen Farben emittierende Halbleiterchips anzuordnen. Hierzu ist die Kantenlänge der Vertiefung entsprechend groß auszulegen.

Soweit blaues Licht emittierende Halbleiterchips entweder allein oder gemeinsam mit andersfarbiges Licht emittierenden Halbleiterchips zur Anwendung kommen, ist es zur Erzeugung eines Weißlichts vorgesehen, der Vergußmasse ein die blaue Lichtemission transformierendes Konverterpulver zuzusetzen, welches nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aus Yttriumaluminat dotiert mit Cerium besteht. Dabei hat es sich überraschenderweise herausgestellt, daß das in der Vergußmasse enthaltene Konverterpulver die Emission der anderen Farben Grün, Rot und Gelb nicht stört, so daß auch bei einem gemeinsamen Einsatz unterschiedliche Farben emittierender Halbleiterchips eine das Konverterpulver enthaltende Vergußmasse einheitlich über alle Halbleiterchips aufgebracht werden kann. Damit steht für das additive Farbmischen auch ein Weißlicht als Mischfaktor zur Verfügung.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des mit Licht emittierenden Halbleiterchips bestückten Stanzgitters wird aufgrund der damit zur Verfügung gestellten Intensität der Lichtabstrahlung erstmals die Möglichkeit geschaffen, Halbleiterchips auch für die Raumbeleuchtung einzusetzen, und so ist nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß das mit Halbleiterchips bestückte Stanzgitter zur Ausbildung einer für die Raumbeleuchtung einsetzbaren Leuchte in einen mit elektrischen Anschlüssen versehenen Leuchtenkörper mit einer wenigstens teilweise lichtdurchlässigen Wandung eingesetzt ist. Die als Schutz für die mit den Halbleiterchips bestückten Stanzgitter wirkenden Leuchtenkörper können dabei nach Ausführungsbeispielen der Erfindung die Form einer herkömmlichen Glühlampe oder einer röhrenförmigen Leuchtstofflampe aufweisen, wobei zur Herstellung der elektrischen Anschlüsse auf die üblichen Lampenfassungen mit Schraub- oder Bajonettsockel oder auf die bei Leuchtstofflampen üblichen Steckverbindungen zurückgegriffen werden kann. Mit den derart ausgebildeten Beleuchtungselementen in Form von Leuchtenkörpern ist eine Reihe von wesentlichen Vorteilen verbunden. Aufgrund der in die Leuchtenkörper integrierten, mit Halbleiterchips bestückten Stanzgitter sind die Beleuchtungskörper für alle Spannungsbereiche, beispielsweise die Kleinschutzspannungen oder aber auch die Netzspannung von 220 bis 240 V einsetzbar. Es findet keine Wärmeabstrahlung statt, und es ist nur ein geringer Leistungsverbrauch gegeben. Insbesondere enthält das abgestrahlte Licht keine UV- oder Infrarot-Anteile. In vorteilhafter Weise sind die so ausgestalteten Beleuchtungselemente völlig unempfindlich gegen Erschütterungen. Soweit Licht in unterschiedlichen Farben emittierende Halbleiterchips eingesetzt werden, ist eine beliebige Farbmischung durch einfaches Ansteuern der Halbleiterchips möglich, und dabei sind beliebige Farborte einstellbar bzw. festlegbar. Die Rückseite der in die Leuchtenkörper eingesetzten Stanzgitter steht dabei für die Anordnung von IC-Schaltungen beispielsweise für das Dimmen der Beleuchtungselemente zur Verfügung, so daß zusätzliche Steuereinrichtungen nicht erforderlich sind. Die Leuchtenkörper selbst zeichnen sich durch eine einfache Herstellungsmöglichkeit beispielsweise durch Tiefziehen, Extrudieren oder Spritzen aus. Die so hergestellten Beleuchtungselemente erfordern kein Vakuum und keine Gasanteile, und aus diesem Grunde ist auch das Recycling der Beleuchtungselemente unproblematisch. Zur Verbesserung der Lichtabstrahlung ist auch bei derart ausgebildeten Beleuchtungselementen vorgesehen, daß die lichtdurchlässige Wandung des Leuchtenkörpers eine Struktur mit auf ihrer Innenseite angeordneten gegenüber dem Innenraum konvex gewölbten Linsen aufweist.

Da die Halbleiterchips als lichtabstrahlende Elemente keine Wärme produzieren, ist es möglich, die Leuchtenkörper aus Kunststoff herzustellen, und diese Ausbildung gibt gleichzeitig die vorteilhafte Möglichkeit, in die Herstellung der Leuchtenkörper sogleich auch die jeweilige designerische Auslegung eines Lampenkörpers hinzuzunehmen. Soweit also ein Leuchtenkörper mit einem Lampenkörper oder einem Lampenschirm gemeinsam eine Lampe oder Leuchte ausbildet, besteht die Möglichkeit, bei einem erfindungsgemäß ausgestalteten Beleuchtungselement sogleich den Lampenkörper oder den Schirm mit in die Herstellung der Leuchte bzw. des Leuchtenkörpers zu integrieren.

Die vorgenannten Vorteile machen das Beleuchtungselement besonders geeignet für den Einsatz bei der Ausleuchtung von Verkaufstheken für Lebensmittel, da sich herausgestellt hat, daß die heute üblicherweise verwendeten Leuchten wegen der Wärmeabstrahlung sowie wegen der im ausgestrahlten Licht enthaltenen UV- und Infrarot-Anteile schädlichen Einfluß auf die Haltbarkeit der Lebensmittel, insbesondere von Fleisch, Käse oder Backwaren nehmen. So wird festgelegt, daß die Lebensmittel nur in bestimmten und vorgegebenen Farben angestrahlt werden, wie dies für Fleisch in der DIN 10504 bereits geregelt ist. Diese Vorgaben sind aufgrund der einfachen und genau vorzunehmenden Farbmischung bzw. Einstellung eines definierten Farbortes über die Ansteuerung der Halbleiterchips in vorteilhafter Weise einzuhalten, so daß die Verwendung der erfindungsgemäß ausgebildeten Beleuchtungselemente für die Beleuchtung von Lebensmitteln einen besonderen Verwendungsaspekt darstellt.

In der Zeichnung ist ein auf der Basis einer aus dem Stand der Technik bekannten Leiterplatte aufgebautes Beleuchtungselement beschrieben dessen Merkmale jedoch auch der Erläuterung für die erfindungsgemäße Ausbildung des Stanzgitters als Träger der Halbleiterchips gelten.
1 eine mit Halbleiterchips bestückte Leiterplatte in einer Draufsicht,
2 einen Ausschnitt aus der Leiterplatte gemäß 1 in einer Seitenansicht,
3 eine einzelne als Reflektor wirkende Vertiefung der Leiterplatte in einer Draufsicht,
4 eine Leuchte in Form einer Glühlampe mit einer eingesetzten Leiterplatte,
5 eine Leuchte in Form einer Leuchtstoffröhre mit einer eingesetzten Leiterplatte in Seitenansicht,
6 den Gegenstand der 5 in einer geschnittenen Stirnansicht.
Soweit in den Figuren nicht ein Stanzgitter dargestellt ist, lassen sich Einzelmerkmale der erfindung wie die Vertiefungen, deren Ausfüllung mit der Vergussmasse und die Anordnung der Kehle aus der Darstellung der zum Stand der Technik zählenden Leiterplatte aus den Figuren entnehmen.
So ist die in 1 in Draufsicht dargestellte Leiterplatte 10 mit in ihrer Oberfläche eingebrachten Vertiefungen 11 versehen, die als Reflektoren für die im Tiefsten der Vertiefungen 11 angeordnete Halbleiterchips 12 wirken. Die Vertiefungen 11 sind von einer in die Oberfläche der Leiterplatte 10 eingelassenen Kehle 23 umgeben, die dazu vorgesehen ist, beim Einbringen als Schutz für die Halbleiterchips 12 dienende Vergussmasse 15 das Ausfließen der Vergußmasse 15 zu verhindern und insoweit eine gewünschte Formgebung für die Vergußmasse 15 herzustellen. Der im Tiefsten der Vertiefung 11 angebrachte Halbleiterchip 12 ist über einen Bonddraht 14 an eine auf der Oberfläche der Leiterplatte angeordnete Schaltung angeschlossen (2, linke Hälfte). Wie sich aus 2, rechte Hälfte, entnehmen läßt, ist es auch vorgesehen, eine gesonderte Linse 16 mit einer konvexen Ausbildung die Vertiefung 11 überspannend auf der Leiterplatte aufzubringen.
Wie sich aus 3 entnehmen läßt, können in einer einzigen Vertiefung 11 auch mehrere verschiedenfarbiges Licht emittierende Halbleiterchips angeordnet sein, wobei mit 1 ein blaues Licht abstrahlender Halbleiterchip, mit 2 ein weiterer blaues Licht abstrahlender Halbleiterchip, mit 3 ein grünes Licht abstrahlender Halbleiterchip, mit 4 ein rotes Licht abstrahlender Halbleiterchip und mit 5 ein gelbes Licht abstrahlender Halbleiterchip bezeichnet sind. Wird auf die so bestückte Vertiefung 11 eine Vergußmasse 15 mit einem Konverterpulver aufgebracht, so werden die blauen Lichtanteile in Weißlicht transformiert, und somit steht eine weitere Farbkomponente für das additive Farbmischen und zur Einstellung eines vorgegebenen Farbortes zur Verfügung.
4 ist die Weiterbildung eines Beleuchtungselementes gemäß den 1 bis 3 in Form einer der Raumbeleuchtung dienenden Leuchte dargestellt, wobei die Leuchte der Form einer handelsüblichen Glühlampe 17 nachvollzogen ist. Der so gebildete Leuchtenkörper weist eine übliche Fassung 18 auf, so daß die derart gebildete Leuchte in alle üblichen Beleuchtungskörper einsetzbar ist. An die Fassung 18 anschließend ist eine gemäß 1 bis 3 ausgebildete Leiterplatte 10 eingesetzt, wobei die die Leiterplatte 10 umgebenden Bereiche der Wandung 24 des Leuchtkörpers 17 eine Verspiegelung 19 aufweisen. Die lichtdurchlässigen Wandungsbereiche sind mit einer Linsenstruktur 20, einer Prismenstruktur oder Aufrauhung nach dem Vorbild der in 2, rechte Darstellung, gezeigten Linse 16 versehen, so daß auf die Aufbringung von gesonderten Linsen auf der Leiterplatte 10 im Inneren des Leuchtenkörpers 17 verzichtet werden kann.
Die 5 und 6 zeigen eine entsprechende Integration einer Leiterplatte 10 in einen röhrenförmigen Leuchtenkörper 21, der der Form einer üblichen Leuchtstofflampe nachempfunden ist und hierzu Steckeranschlüsse 22 aufweist.

Claims

Auf der Basis von über Leiterbahnen verschalteten Halbleiterchips (12) arbeitendes Beleuchtungselement, bei welchem die Halbleiterchips (12) auf einem aus einem leitenden Material gefertigten Stanzgitter angeordnet sind und die der Schaltungsanordnung entsprechende Form des Stanzgitters die Leiterbahnen für die Ansteuerung der an zugewiesenen Stellen auf dem Stanzgitter angeordneten Halbleiterchips (12) ausbildet, wobei das Stanzgitter in definierten Bereichen mit einer die Bondung der Halbleiterchips (12) ermöglichenden Oberfläche versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberfläche des Stanzgitters Vertiefungen (11) als Reflektoren für die in den Vertiefungen (11) angeordneten Halbleiterchips (12) eingeprägt und die Vertiefungen (11) mit dem eingesetzten Halbleiterchip (12) mit einer lichtdurchlässigen Vergussmasse (15) ausgefüllt sind, wobei jede Vertiefung (11) von einer in die Oberfläche des Stanzgitters eingelassenen Kehle (23) umgeben ist.
Beleuchtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stanzgitter in ein lichtdurchlässiges Kunststoffmaterial eingebettet sind.
Beleuchtungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (15) die Oberfläche des Stanzgitters unter Ausbildung einer die Vertiefung (1 1) abdeckenden Kuppel überragt.
Beleuchtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf jede Vertiefung (11) des Stanzgitters eine die Vertiefung (11) konvex überspannende Linse (16) aufgesetzt ist.
Beleuchtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stanzgitter mit einem Linsenteil mit in diesem den in dem Stanzgitter befindlichen Vertiefungen (11) zugeordnet ausgebildeten konvexen Linsen zusammenschließbar ist.
Beleuchtungselement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Vertiefung (11) mit dem darin angeordneten Halbleiterchip (12) und von der zugeordneten Linse (16) gemeinsam umschlossene Innenraum mit einer lichtdurchlässigen Vergussmasse (15) ausgefüllt ist.
Beleuchtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Vertiefungen (11) mit verschiedenen, jeweils Licht in unterschiedlichen Farben emittierenden Halbleiterchips (12) bestückt sind.
Beleuchtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Vertiefung (11) jeweils mehrere Licht in unterschiedlichen Farben emittierende Halbleiterchips (12) angeordnet sind.
Beleuchtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebrachte Vergussmasse (15) ein die farbige Lichtemission transformierendes Konverterpulver enthält.
Beleuchtungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Konverterpulver aus einem Yttriumaluminat dotiert mit Cerium besteht.
Beleuchtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Halbleiterchips (12) bestückte Stanzgitter zur Ausbildung einer für die Raumbeleuchtung einsetzbaren Leuchte in eine mit elektrischen Anschlüssen versehenen Leuchtenkörper (17, 21) mit einer wenigstens teilweise lichtdurchlässigen Wandung (24) eingesetzt ist.
Beleuchtungselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtenkörper die äußere Form einer Glühlampe (17) mit zugehöriger Fassung (18) aufweist.
Beleuchtungselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtenkörper die äußere Form einer Leuchtstofflampe (21) aufweist.
Beleuchtungselement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtdurchlässige Wandung (24) des Leuchtenkörpers (17, 21) eine Struktur mit auf ihrer Innenseite angeordneten gegenüber dem Innenraum konvex gewölbten Linsen aufweist.
Beleuchtungselement nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtenkörper aus Kunststoff besteht und einstückig mit dem ein vorgegebenes Design aufweisenden, aus Kunststoff bestehenden Lampenkörper ausgebildet ist.
Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit einer in einen Leuchtenkörper integrierten, mit Halbleiterchips bestückten Stanzgitter ausgebildeten Beleuchtungselement für die Ausleuchtung von Verkaufstheken für Lebensmittel.