DE19945675A1

DE19945675A1 - Oberflächenbefestigbares LED-Gehäuse

Info

Publication number: DE19945675A1
Application number: DE19945675A
Authority: DE
Inventors: Julian A Carey; Iii William D Collins; Ban Poh Loh; Gary D Sasser
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Lumileds Holding BV
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 1999-09-23
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2019-09-24
Also published as: GB2343548A; KR20000035156A; DE19945675B4; US6274924B1; TW441045B; DE19964501B4; KR100505308B1; JP5116909B2; JP2000150967A; GB9925972D0

Abstract

Ein LED-Gehäuse umfaßt ein Wärmesenkengrundelement, das in einen Einsatz-geformten Anschlußleitungsrahmen eingefügt ist. Das Grundelement kann eine optionale Reflektorschale aufweisen. In dieser Schale können die LED und eine wärmeleitende Unterbefestigung befestigt sein. Bonddrähte erstrecken sich von den LEDs zu Metallanschlußleitungen. Die Metallanschlußleitungen sind von dem Grundelement elektrisch und thermisch getrennt. Eine optische Linse kann hinzugefügt werden, indem eine vorgeformte thermoplastische Linse und eine weiche Einkapselung angebracht werden, oder indem ein Epoxidharz gegossen wird, um die LED abzudecken, oder indem eine Gußepoxidharzlinse über einer weichen Einkapselung vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf das Gebiet des Unterbrin gens von lichtemittierenden Dioden in einem Gehäuse gerich tet.

Die meisten lichtemittierenden Bauelemente (LEDs; LED = light emitting devices) emittieren inkohärentes Licht. Ein Leistungsmerkmal einer LED ist der photometrische Wirkungs grad, d. h. die Umwandlung der eingegebenen Energie in sicht bares Licht. Der photometrische Wirkungsgrad ist umgekehrt proportional zu der Sperrschichttemperatur der LED. Ein Hauptaugenmerk von Entwicklern von LED-Gehäusen besteht da her darin, den Chip kühl zu halten, um ein gutes Gesamtver halten zu erreichen.

Für Niederleistungs-LEDs, mit einer Leistung von z. B. weni ger als 200 mW, oder für einen Chip mit einer geringen Flä che 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 abgege ben Lichts. Im Stand der Technik bekannte Gehäuse, z. B. T1-3/4 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 Fig. 1 dargestellt. Der Chip ist an der Basis des optischen Hohl raums angeordnet. Eine harte Einkapselung, z. B. ein starres ungefülltes Epoxidharz, füllt den optischen Hohlraum. Da der Chip, der optische Hohlraum und die Einkapselung unter schiedliche thermische Koeffizienten aufweisen, führen diese Komponenten während des Betriebs Ausdehnungen und Kontrak tionen mit unterschiedlichen Raten durch. Dies führt zu ei ner hohen mechanischen Beanspruchung der LED. Zusätzlich fehlt den im Stand der Technik bekannten Gehäusen eine ther mische Isolation zwischen den elektrischen und den thermi schen Wegen, da die elektrischen Zuleitungen die primären thermischen Wege darstellen. Als Ergebnis ist der in einem Gehäuse untergebrachte Chip aufgrund von Temperaturänderun gen, insbesondere während des Zusammenbaus zum Endprodukt, thermischen Beanspruchungen ausgesetzt.

Diese Probleme verschlimmern sich, wenn sich die Chipfläche oder die Eingangsleistung des Chips erhöht. Da ein Bauele ment 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 Lichtausbeute wirkungsgrad zu liefern, ist ein großer optischer Hohlraum notwendig. Die mechanische Beanspruchung, die an der LED an liegt, erhöht sich mit dem Volumen der Einkapselung. Die Be anspruchung erhöht sich zusätzlich, wenn die in einem Gehäu se untergebrachte LED Temperaturschwankungen und Bedingungen mit hoher Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Die akkumulierten me chanischen Beanspruchungen reduzieren die LED-Gesamtzuver lässigkeit.

Da die im Stand der Technik bekannten Gehäuse ihre elektri schen Zuleitungen als primäre thermische Wege verwenden, er zeugt der hohe thermische Widerstand dieser Wege kombiniert mit dem hohen thermischen Widerstand des externen Systems hohe Sperrschichttemperaturen, wenn sich die Leistungsdissi pation erhöht, z. B. ≧ 200 mW. Eine hohe Sperrschichttempera tur trägt zu einer Beschleunigung des irreversiblen Verlu stes 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 zuverläs sigen, optisch wirksamen Betrieb für Anwendungen, die eine mittlere LED-Eingangsleistung von 0,2 W erreichen, insbeson dere wenn die LED mit einem hohen Tastgrad (< 35%) oder lan gen 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 Anschlußleitungsrahmen eingefügt. Der Einsatz-geformte An schlußleitungsrahmen besteht aus einem strukturierten Me tallteil, über das ein gefülltes Kunststoffmaterial geformt ist, um eine strukturelle Integrität vorzusehen. Das Grund element kann eine optionale Reflektorschale aufweisen. Der LED-Chip ist über eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Unterbefestigung direkt oder indirekt an dem Grund element angebracht. Verbindungs- bzw. Bonddrähte erstrecken sich von der LED zu Metallanschlußleitungen, die von dem Grundelement elektrisch und thermisch getrennt sind. Eine optische Linse kann hinzugefügt werden, indem eine vorge formte, optisch durchlässige, thermoplastische Linse und eine weiche, optisch durchlässige Einkapselung angebracht werden, oder indem ein optisch durchlässiges Epoxidharz, um die LED abzudecken, oder eine optisch durchlässige Epoxid harzlinse über die weiche, optisch durchlässige Einkapselung gegossen wird. Die weiche, optisch durchlässige Einkapselung besteht aus einem weichen Material, das eine niedrige Bean spruchung oder eine mechanische Dämpfung für den LED-Chip liefert.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine im Stand der Technik bekannte LED-Anordnung.

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung dar, d. h. ein LED-Gehäuse (LED = lichtemittierende Diode), das eine entkoppelte optische und strukturelle Funk tionalität aufweist. Ein Wärmesenkengrundelement 10 ist in einem Einsatz-geformten Anschlußleitungsrahmen 12 plaziert. Der Einsatz-geformte Anschlußleitungsrahmen 12 ist ein ge fülltes Kunststoffmaterial, das um einen Metallrahmen ge formt ist, der einen elektrischen Weg liefert. Das Grundele ment 10 kann eine optionale Reflektorschale 14 umfassen. Der LED-Chip 16 ist über eine thermisch leitende Unterbefesti gung 18 direkt oder indirekt an dem Grundelement 10 ange bracht. Bonddrähte erstrecken sich von der LED 16 und der Unterbefestigung 18 zu Metallanschlußleitungen auf dem An schlußleitungsrahmen 12, die von dem Grundelement 10 elek trisch und thermisch getrennt sind. Eine optische Linse 20 kann hinzugefügt werden, indem eine vorgeformte thermopla stische Linse und eine Einkapselung (nicht gezeigt) ange bracht werden, oder indem ein Epoxidharz, um die LED zu be decken, gegossen wird, oder mittels einer Gußepoxidharzlinse über der Einkapselung (nicht gezeigt). Die Einkapselung ist vorzugsweise ein weiches Material, das eine niedrige Bean spruchung oder eine mechanische Dämpfung für den LED-Chip liefert. Da der LED-Chip mit dem Wärmesenkengrundelement thermisch gekoppelt ist, kann der Chip auf einer Sperr schichttemperatur gehalten werden, die niedriger als bei herkömmlichen Gehäusen ist. Aufgrund der niedrigeren Be triebstemperatur wird eine hohe Zuverlässigkeit und ein gu tes Verhalten auch unter Betriebsbedingungen mit hoher Lei stung beibehalten, da der Chip keiner hohen thermischen Be anspruchung ausgesetzt ist.

Das Wärmesenkengrundelement 10 ist von dem Anschlußleitungs rahmen 12 thermisch getrennt. Falls eine isolierende Unter befestigung 18 verwendet wird, ist das Grundelement 10 elek trisch isolierend. Folglich kann das Grundelement 10 an ei ner externen Wärmesenke (nicht gezeigt) mit einem minimalen thermischen Widerstand befestigt werden, um einen Wärmeauf bau in dem Gehäuse zu verhindern. Das massive Grundelement 10 liefert einen Weg mit einem niedrigen thermischen Wider stand, um Wärme von dem LED-Chip 16 abzuführen. Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel ein Kupfergrundelement ver wendet, umfassen andere geeignete Materialien thermisch leitfähige Materialien, wie z. B. Diamant, Silizium, Alumini um, Molybdän, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder Verbund werkstoffe und Legierungen derselben. Alternativ können Ver bundwerkstoffe aus Molybdän-Kupfer und Wolfram-Kupfer ver wendet werden.

Die Unterbefestigung 18 liefert einen Wärmeleitungsweg und einen Wärmeausdehnungspuffer zwischen dem Grundelementmate rial und dem LED-Chip. Dieselbe weist vorzugsweise 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, das eine hohe elektrische Leit fähigkeit jedoch lediglich eine niedrige thermische Leitfä higkeit liefert. Über dem Anschlußleitungsrahmen kann ein Kunststoffstrukturbauteil geformt sein, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine elektrische Isolation liefert. Der isolierende Teil des Anschlußleitungsrahmens ist ein ge fülltes Kunststoffmaterial, das eine strukturelle Integrität liefert. Der starke Kunststoffkörper liefert die strukturel le Integrität des Gehäuses und weist einen Härtegrad in der Größenordnung von "Durometer Shore 50-90 D" auf. Die Tren nung der optischen und strukturellen Funktionen ermöglicht, daß das Gehäuse eine hohe optische Güte beibehält, ohne ei nen Kompromiß mit dessen struktureller Integrität eingehen zu müssen.

Die Einkapselung ist ein weiches, optisch durchlässiges Ma terial mit einem Brechungsindex, der größer als 1,3 ist, wie z. B. Silikon, eine flüssige oder Gelatineartige 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 eine Härte von weniger als "Durometer Shore 10 A" auf.

Die optionale Reflektorschale 14 ist aus wärmeleitfähigen Materialien hergestellt, die für ein gutes Reflexionsvermö gen plattiert worden sind. Die optionale Reflektorschale 14 kann aus wärmeleitfähigen Materialien hergestellt sein, die für ein gutes Reflexionsvermögen beschichtet worden sind. Wie bei dem Grundelement 10 weisen geeignete wärmeleitfähige Materialien, aus denen die optischen Oberflächen der Reflek torschale zusammengesetzt werden können, wärmeleitfähige Ma terialien auf, wie z. B. Silber, Kupfer, Aluminium, Molybdän, Diamant, Silizium, Alumina, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid und Verbundwerkstoffe derselben. Im Gegensatz zu dem Grund element können die Reflektorschalenwände ebenfalls aus wär meisolierenden Materialien gebildet sein, wie z. B. Kunst stoffmaterialien mit reflektierenden Beschichtungen. Alter nativ können die Wände durch die nicht beschichtete Oberflä che der Ummantelung der optischen Kunststofflinse gebildet sein, die derart angeordnet ist, daß die äußere optische Oberfläche aufgrund des Einfallwinkels der Lichtstrahlen von dem Chip auf die Oberfläche und aufgrund einer Änderung des Brechungsindexsprungs von einem hohen Wert auf einen niedri gen Wert an der Oberfläche eine reflektierende Oberfläche durch eine Totalreflexion (TIR) darstellt. Die Brechungsin dexstufenänderung ist größer oder gleich 0,3.

Bei vielen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Schale mit Silber beschichtet worden. Es können andere Beschichtun gen 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

1. Gehäuse für einen Chip, mit:
einem Anschlußleitungsrahmen (12), der einen Hohlraum aufweist und wirksam ist, um eine strukturelle Integri tät zu liefern;
einem Grundelement (10) aus einem wärmeleitfähigen Ma terial, das an der Basis des Hohlraums positioniert ist; und
einer Linse (20), die in dem Anschlußleitungsrahmen po sitioniert ist und dem Hohlraum gegenüberliegt, und die wirksam ist, um eine optische Funktionalität zu lie fern.

2. Gehäuse gemäß Anspruch 1, das ferner eine Unterbefesti gung (18) aus einem wärmeleitfähigen Material aufweist, die mit dem Grundelement verbunden ist.

3. Gehäuse gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das wärmeleit fähige Material aus einer Gruppe ausgewählt ist, die reine Materialien, Verbindungen und Verbundwerkstoffe aus Silber, Kupfer, Diamant, Silizium, Aluminium, Wolf ram, Molybdän und Berrylliumoxid umfaßt.

4. Gehäuse gemäß Anspruch 1, das ferner folgende Merkmale aufweist:
einen Chip (16), der mit dem Grundelement thermisch verbunden ist; und
ein optisch durchlässiges Material, das den Chip ein kapselt und eine Härte aufweist, die weniger als "Shore 10 A" beträgt.

5. Gehäuse gemäß Anspruch 1, das ferner folgende Merkmale aufweist:
einen Chip (16), der mit dem Grundelement thermisch verbunden ist; und
eine optisch durchlässige Einkapselung, die eine Härte von zumindest Shore 50 D" daufweist.

6. Gehäuse gemäß Anspruch 4, das ferner eine Unterbefesti gung (18) aus einem wärmeleitfähigen Material aufweist, die mit dem Chip und dem Grundelement verbunden ist.

7. Gehäuse gemäß Anspruch 6, bei dem das wärmeleitfähige Material des Grundelements (10) und der Unterbefesti gung (18) aus einer Gruppe ausgewählt sind, die reine Materialien, Verbindungen und Verbundwerkstoffe aus Silber, Kupfer, Diamant, Silizium, Aluminium, Wolfram, Molybdän und Berylliumoxid aufweist.

8. Gehäuse gemäß Anspruch 1, das ferner eine Reflektor schale (14) aufweist, die in der Nähe des Grundelements angeordnet ist und eine reflektierende Oberfläche auf weist.

9. Gehäuse gemäß Anspruch 8, bei der die Reflektorschale (14) in den Anschlußleitungsrahmen integriert ist.

10. Gehäuse gemäß Anspruch 9, bei der die Reflektorschale (14) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Silber, Alu minium, Gold, Silber mit einer dielektrischen Beschich tung, Gold mit einer dielektrischen Beschichtung und Aluminium mit einer dielektrischen Beschichtung auf weist.

11. Gehäuse gemäß Anspruch 10, bei der eine reflektierende Oberfläche der Reflektorschale aus einer Gruppe ausge wählt ist, die Silber, Aluminium, Gold, Silber mit ei ner dielektrischen Beschichtung, Gold mit einer dielek trischen Beschichtung und Aluminium mit einer dielek trischen Beschichtung aufweist.

12. Gehäuse gemäß Anspruch 10, bei der eine reflektierende Oberfläche der Reflektorschale zumindest eine interne Totalreflexionsoberfläche aufweist, die durch Bre chungsindexstufenänderungen, die größer als 0,3 sind, gebildet ist.