DE19938053A1 - Hochstabile optische Einkapselung und Packung für lichtemittierende Dioden - Google Patents

Abstract

Die LED-Komponente ist für eine Lichtemission in dem Wellenlängenbereich von Grün bis nahes UV vorgesehen. Der lichtemittierende Halbleiterchip ist von einer oder mehreren Silikonverbindungen umschlossen, die eine harte äußere Schale, eine innere Gel-förmige oder elastische Schicht oder beides aufweisen. Das Silikonmaterial ist gegenüber Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen und gegenüber dem Ausgesetztsein einer Umgebungs-UV-Strahlung stabil. Als Folge weist die LED-Komponente eine vorteilhafte lange Lebensdauer auf, während der keine "Gelbfärbungs"-Dämpfung auftritt, die die Lichtausgabe im Bereich von Grün bis nahes UV reduzieren würde.

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der LED-Technologie (LED = lichtemittierende Diode). Insbesonde­ re bezieht sich die Erfindung auf eine LED-Packung und -Ein­ kapselung.

Eine LED-Komponente weist im wesentlichen einen LED-Chip (ein Stück eines Halbleitermaterials mit geeigneten Drahtan­ schlußleitungen) und ein Gehäuse auf (typischerweise ein im wesentlichen transparentes Material, das in einer Kuppelform konfiguriert ist, wobei die Kuppel als Linse für das emit­ tierte Licht wirkt).

Das Gehäuse muß zumindest an dessen Außenseite starr genug sein, um der LED-Komponente eine dauerhafte strukturelle Fe­ stigkeit zu geben. An der Innenseite muß das Gehäuse jedoch in der Nähe des LED-Chips weich oder elastisch genug sein, so daß mechanische Beanspruchungen den LED-Chip oder die Drahtanschlußleitungen nicht beschädigen. Das gesamte trans­ parente Material des Gehäuses muß die Lichtdämpfung so nied­ rig wie möglich halten, und darf das Spektrum des Lichts, das von der LED-Komponente emittiert wird, nicht negativ be­ einflussen.

Üblicherweise war es notwendig, einen Kompromiß zwischen diesen unterschiedlichen Aufgaben vorzusehen. Materialien, wie z. B. PMMA (Polymethylmethacrylat: Acryl- oder "Plexi­ glas"), Glas, Polycarbonat, optisches Nylon, Spritzpressepo­ xidharz und Gußepoxidharz, sind für die Einkapselung verwen­ det worden.

Diese Materialien leiden jedoch unter dem Nachteil, daß sich ihre optischen Durchlaßcharakteristika mit der Zeit ver­ schlechtern. Wenn sich die Materialeigenschaften verschlech­ tern, wird das Licht in steigendem Maße absorbiert ("ge­ dämpft"). Insbesondere Licht mit kürzeren Wellenlängen aus­ gehend von dem UV-Bereich bis Gelb wird absorbiert. Das Re­ sultat wird als "Gelbfärbung" bezeichnet, da das Auge das Licht, das zu längeren Wellenlängen tendiert, als gelblich wahrnimmt.

Es ist zu beachten, daß ferner als Begleiterscheinung eine Verschlechterung aufgrund der verringerten Lichtausgabe aus dem LED-Chip selbst auftreten kann.

Unterschiedliche LED = Komponenten sind für spezielle Licht­ wellenlängen konfiguriert. Beispielsweise sind die LED-Tech­ nologien für rotes Licht (≧ 515 nm) und gelbes oder bern­ steinfarbiges Licht (∼580-595 nm) gut entwickelt. Im Ge­ gensatz dazu werfen LEDs für grünes bis blaues Licht (400-­ 570 nm) Entwurfsprobleme auf, die viel schwieriger zu über­ winden waren.

Eine Gelbfärbung des lichtdurchlässigen Einkapselungsmateri­ als stellt für LEDs mit rotem, bernsteinfarbigem oder gelbem Licht mit längerer Wellenlänge kein Problem dar. LEDs mit kürzerer Wellenlänge sind jedoch aufgrund der Gelbfärbung einer Dämpfung besonders ausgesetzt.

Folglich besteht ein Bedarf nach einer Einkapselung für LEDs mit einer Lichtemission im nahen UV-, im blauen und im grü­ nen Bereich, die die Nachteile, die einer Gelbfärbung und einer Dämpfung des Einkapselungsmaterials zugeordnet sind, vermeidet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte LED-Komponente mit verbesserten optischen Eigen­ schaften hinsichtlich einer Gelbfärbung und einer Dämpfung des Einkapselungsmaterials zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine LED-Komponente gemäß Anspruch 1 gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine LED-Komponente für Licht mit einer Wellenlänge in dem Wellenlängenbereich von Grün bis nahes UV, d. h. von ungefähr 570 bis 350 nm, ge­ schaffen. Der lichtemittierende Halbleiterchip ist von einer oder mehreren Silikonverbindungen umschlossen, die eine har­ te Außenschale, eine interne Gel-förmige oder elastische Schicht oder beides umfassen. Das Silikonmaterial ist gegen­ über Temperatur- und Feuchtigkeitsbereichen und gegenüber einem Ausgesetzsein der Umgebungs-UV-Strahlung stabil. Als Folge weist die LED-Komponente eine vorteilhafte lange Le­ bensdauer auf, während der keine "Gelbfärbungs"-Dämpfung auftritt, die die Ausgabe von Licht im Bereich von Grün bis nahes UV reduzieren würde.

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

Fig. 1 eine auseinandergezogene Ansicht einer LED gemäß der Erfindung.

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer LED-Komponente gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer LED-Komponente gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer LED-Komponente gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei der folgenden Erörterung wird ein Übereinkommen hin­ sichtlich der Bezeichnungen verwendet, wobei das lichtemit­ tierende Halbleitermaterial als "LED-Chip" oder "LED-Würfel" bezeichnet wird, und das gesamte gepackte LED-Element ein­ schließlich des LED-Chips und der Einkapselung als "LED-Kom­ ponente" bezeichnet wird.

Ferner wird das Verb "einkapseln" und/oder andere Formen des Wortes einschließlich der Substantive in einem breiten all­ gemeinen Sinn verwendet, um eine beliebige Art und Weise des Umschließens des LED-Chips zu bezeichnen, derart, daß die Umschließung den LED-Chip vor schädlichen Umgebungseinwir­ kungen schützt und isoliert, die Lichtausgabe aus dem LED- Chip verbessert und die externen Strahlungsmuster steuert. Ein LED-Chip kann eingekapselt werden, indem eine starre Ab­ deckung über dem Chip plaziert wird, indem ein konformes Ma­ terial um den Chip in einer vorbestimmten Gestalt angeordnet und ausgehärtet wird, indem eine Kombination der beiden Ver­ fahren verwendet oder indem andere Techniken vorgesehen wer­ den, die Fachleuten auf den Gebieten von LEDs und elektri­ schen Komponenten bekannt sein würden.

Die optisch durchlässige Abdeckung wird ferner als "Optik" bezeichnet. Der Ausdruck "Optik" wird allgemein auf ein be­ liebiges, optisch durchlässiges Bauglied angewendet. Eine Optik kann allgemein konfiguriert sein, um Licht zu brechen; das heißt, jede Linse kann als Optik bezeichnet werden. Eine Optik kann jedoch auch nur eine geringfügige oder auch keine Brechung verursachen. Beispielsweise ist auch ein Glasschei­ benfenster eine Optik. Der Ausdruck "Optik" findet bei allen Ausführungsbeispielen der hierin vorgestellten optisch lichtdurchlässigen Abdeckungen und bei anderen Ausführungs­ beispielen der Erfindung Anwendung, die Fachleute unter Ver­ wendung der vorliegenden Offenbarung erkennen würden. Insbe­ sondere findet der Ausdruck "Optik" auf ein hartes Schalen­ material, auf ein weicheres, Gel-förmiges Material und auf Kombinationen dieser Materialien Anwendung.

Es sollte offensichtlich sein, daß eine Optik bzw. eine op­ tische Anordnung "optisch durchlässig" ist. Der Ausdruck "optisch durchlässig" deckt die Ausdrücke Transparenz, Lichtdurchlässigkeit, spezifische Durchlässigkeit mit Dis­ persionsmitteln und weitere Typen optischer Transmissionen breit ab.

Im folgenden wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Fig. 1 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer LED-Komponente. Ein LED- Chip 2 wird mittels eines elektrischen Stroms von Drahtan­ schlußleitungen (nicht gezeigt) angesteuert. Als Antwort auf den Stromfluß emittiert der LED-Chip 2 Licht.

Der LED-Chip 2 ist von einem Gehäuse umschlossen, das im allgemeinen eine Bettanordnung 3, auf der der LED-Chip 2 ruht, und eine optisch durchlässige Abdeckung aufweist, die im allgemeinen eine Linse aufweist. Die in Fig. 1 gezeigte Struktur ist beispielhaft, wobei Fachleuten auf dem Gebiet der LED-Technologie eine große Vielzahl weiterer Strukturen bekannt sein würden.

Die Bettanordnung 3 trägt den LED-Chip 2 und dessen An­ schlußleitungen. Wie gezeigt, umfaßt die Bettanordnung 3 ein unteres Gehäusebauglied 4, das einen Chip-Plazierungsbereich 6 aufweist. Der Chip-Plazierungsbereich 6 kann im wesentli­ chen flach sein oder, wie gezeigt, als eine Fassung konfigu­ riert sein. Eine reflektierende Oberfläche 8 kann auf dem Chip-Plazierungsbereich 6 vorgesehen sein, um emittiertes Licht nach außen zu richten. Ein Substratbauglied 10 kann innerhalb des Chip-Plazierungsbereichs 6 positioniert sein, um den Chip 2 zu tragen.

Die Bettanordnung 3 umfaßt ferner ein Anschlußleitungstrage­ bauglied 12, das über dem unteren Gehäusebauglied 4 positio­ niert ist. Starke Anschlußleitungen 14, die an der Außensei­ te der LED-Komponente zum Aufnehmen der LED-Komponente in Schaltungen und Systeme vorgesehen sind, sind durch das An­ schlußleitungstragebauglied 12 mit dünnen Anschlußleitungen (nicht gezeigt) gekoppelt, die direkt mit dem LED-Chip 2 ge­ koppelt sind. Das Anschlußleitungstragebauglied 12 umfaßt eine Öffnung 16, durch die das von dem Chip 2 emittierte Licht läuft.

Eine optisch durchlässige Abdeckung 18 ist über der Bettan­ ordnung 3 positioniert, um den LED-Chip 2 und dessen An­ schlußleitungen abzudecken und zu schützen. Die Abdeckung ist aus einem oder mehreren Materialien hergestellt, die entsprechend ihren Lichtdurchlaßeigenschaften und ihrer Sta­ bilität gegenüber den Umgebungsbedingungen, unter denen die LED-Komponente arbeiten soll, ausgewählt sind. Diese Umge­ bungsbedinungen umfassen einen weiten Bereich von Temperatu­ ren (einschließlich einer Joule'schen Erwärmung während des Betriebs) und eine Umgebungs-UV-Strahlung. Es ist in der Praxis allgemein üblich, die Abdeckung 18 als Linse (im all­ gemeinen in einer konvexen Form) zu konfigurieren, um den Lichtfluß auszurichten.

Herkömmlicherweise ist die optisch durchlässige Abdeckung 18 aus harten optischen Materialien hergestellt, wie z. B. PMMA, Glas, Polycarbonat, optischen Nylon, Spritzpreßepoxidharz und zyklischen Olefincopolymer.

Für LED-Chips im Wellenlängenbereich von Infrarot (IR; < 940 nm) bis Gelb-Grün (< 560 nm) sind Silikonmaterialien verwen­ det worden, um für eine Epoxidharzeinkapselung einen Verbin­ dungsüberzug mit niedriger mechanischer Beanspruchung vorzu­ sehen, oder diese Silikonmaterialien sind in Verbindung mit den oben aufgelisteten harten optischen Materialien verwen­ det worden.

Für rote monolithische Anzeige-LEDs ist Silikon ohne hinzu­ gefügte harte Materialien in dem optischen Weg verwendet worden.

Keine dieser herkömmlichen LED-Komponenten erzeugte jedoch Licht im Bereich von UV bis Grün, so daß kein Bedarf be­ stand, das "Gelbfärbungs"-Dämpfungsproblem zu überwinden, das in Verbindung mit LED-Komponenten dieser Wellenlängen oben beschrieben wurde.

Gemäß der Erfindung wird bei der optisch durchlässigen Ab­ deckung einer LED-Komponente, die Licht in dem nahen UV- bis grünen Bereich erzeugt, Silikon verwendet.

Abgesehen von den im folgenden aufgeführten allgemeinen An­ gaben der Härte und Weichheit wird eine Erörterung spezifi­ scher Silikonmischungsformeln weggelassen. Fachleute auf diesem Gebiet werden in der Lage sein, Silikonmischungsfor­ meln, die für ihre speziellen Anforderungen geeignet sind, basierend auf den bekannten Silikonmischungsformeln und Ei­ genschaften auszuwählen. Siehe beispielsweise Jacqueline I. Kraschwitz, Herman F. Mark u. a., "Encyclopedia of Polymer Science and Engineering" (2. Ausgabe), New York: Wiley & Sons (1985), Bd. 15. Das Kapitel "Silikon" in dieser Bezug­ nahme liefert Informationen, die auf die relevanten Aspekte der Erfindung anwendbar sind.

Bei der Darstellung von Fig. 1 ist die Abdeckung 18 in einer vereinfachten Form dargestellt. Beachtenswerte Merkmale von Abdeckungen, wie z. B. der Abdeckung 18, werden jedoch de­ tailliert im folgenden in Verbindung mit den Ausführungsbei­ spielen der Erfindung beschrieben. Die meisten anderen De­ tails der LED-Komponentenstruktur, die üblicherweise wie oben beschrieben ausgeführt sind, werden aus den Beschrei­ bungen der Ausführungsbeispiele der Erfindung weggelassen.

Die Silikoneinkapselung weist vorteilhafte stabile optische Transmissionseigenschaften in dem blauen bis grünen Ab­ schnitt des sichtbaren Spektrums (400-570 nm) auf. Auf­ grund dieser Stabilität stellt die Lichtdämpfung, die auf­ grund von Änderungen der Lichtabsorptionseigenschaften des Materials hervorgerufen wird, kein Problem dar.

Es hat sich herausgestellt, daß die LED-Komponenten gemäß der Erfindung über eine lange Lebensdauer, d. h. weit über 1.000 Stunden, stabil sind. Die Stabilität wurde gemessen, indem die Komponenten niedrigen (-55°C) bis hohen Temperatu­ ren (über 100°C) und einem Betrieb mit einer niedrigen bis hohen Feuchtigkeit (0-85% relative Feuchtigkeit) ausge­ setzt wurden. Die Stabilität wurde ferner gemessen, indem die LED-Komponenten einer hohen internen und externen Strah­ lung von UV bis Grün ausgesetzt wurden, die beispielsweise während des Betriebs im Freien auftritt.

Ferner weist Silikon einen hohen Brechungsindex (ungefähr 1,4 bis 1,7) auf, der Silikon für optische Brechungsstruktu­ ren, wie z. B. LED-Kuppellinsen, sehr geeignet macht.

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer optisch durchläs­ sigen LED-Abdeckungsstruktur gemäß einem ersten Ausführungs­ beispiel der Erfindung.

Da es allgemein üblich ist, daß LED-Abdeckungen als Linsen ausgeführt sind, ist die Form als konvexe Kuppel vorgegeben. Fachleuten auf diesem Gebiet werden jedoch weitere Formen bekannt sein. Ferner ist die Position des LED-Chips angege­ ben, wobei es jedoch offensichtlich sein sollte, daß auch Anschlußleitungen und eine geeignete Bettanordnung vorgese­ hen sind.

Fig. 2 zeigt eine LED-Abdeckung, die gemäß einem ersten be­ vorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung konfiguriert ist. Eine harte Außenschale 20 ist geeignet geformt, z. B. als Linse. Die Schale kann aus jedem geeigneten, optisch durchlässigen Material, vorzugsweise einem stabilen Materi­ al, wie z. B. zyklischen Olefincopolymeren oder anderen opti­ schen Kunststoffen, Glasmaterialien, Keramikmaterialien oder anderen transparenten Materialien, wie z. B. Aluminiumoxid, hergestellt sein.

Innerhalb der Schale 20 ist eine Menge eines weicheren, ela­ stischen Materials 22 vorgesehen. Gemäß der Erfindung ist das Material 22 eine Silikonverbindung.

Innerhalb des Silikonmaterials 22 befindet sich ein Raum 24, der ein Hohlraum oder einfach ein Bereich im Inneren des Si­ likonmaterials 22 sein kann. Der Raum 24 ist durch einen LED-Chip 26 belegt. Gemäß der Erfindung erzeugt der Chip Licht in dem Wellenlängenbereich von Grün bis kurzes UV, und ist folglich einer Lichtdämpfung ausgesetzt, die durch eine Gelbfärbung des umgebenden Materials hervorgerufen wird. Ge­ mäß der Erfindung ist der Chip jedoch von dem Silikonmateri­ al 22 umgeben, und nicht von einem Material, das für eine Gelbfärbung anfällig ist. Folglich findet keine Gelbfärbung statt, und die LED-Komponente der Erfindung leidet vorteil­ hafterweise nicht unter einer Dämpfung.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 3 dargestellt ist, ist ein LED-Chip 26 (für Licht in dem Wellenlängenbereich von Grün bis nahes UV), wie vorher beschrieben, innerhalb eines Raums 24 angeordnet. Eine Struktur, die eine harte Außenschale und ein weicheres Inne­ res aufweist, umgibt den LED-Chip 26. Das Innere ist wieder eine Menge eines Silikonmaterials 28, wie z. B. ein Gel, das dem Material 22 von Fig. 2 entspricht.

In diesem Fall gibt es jedoch eine Außenschale 30, die aus einem Silikonmaterial hergestellt ist. Vorzugsweise weist die Außenschale 30 eine härtere, starrere Silikonmischungs­ formel als das Material 28 auf, um die gewünschte Steifig­ keit und strukturelle Integrität für die LED-Komponente vor­ zusehen.

Da die optisch durchlässige Abdeckung von Fig. 2 vollständig Silikonmaterial ist, liefert dieselbe eine weitere vorteil­ hafte Verbesserung gegenüber einer Gelbfärbungsdämpfung.

Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt die optisch durchlässige Abdeckung lediglich eine einzige Materialschicht.

Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, umgibt eine Abdeckung, die aus einer einzigen, dicken Silikonschicht 32 hergestellt ist, einen Hohlraum 34, in dem ein LED-Chip 36 angeordnet ist.

Es können beispielsweise optische Dispersionsmittel, wie z. B. Streuteilchen, in der optisch durchlässigen Abdeckung eingebettet sein, so daß die LED-Komponente als ganzes ein gleichmäßigeres Licht liefert. Solche Dispersionsmittel kön­ nen in das Silikon-Gel von Fig. 2 und 3 gemischt oder können in den harten Schalen von Fig. 2, 3 bzw. 4 gebildet werden.

Entsprechend können Teilchen eines lichtemittierenden Mate­ rials, wie z. B. Phosphor, in die optisch durchlässige Ab­ deckung eingebettet sein. Abhängig von dem Typ der verwende­ ten, optisch durchlässigen Abdeckung (d. h. von den verschie­ denen oben erörterten Ausführungsbeispielen) können die Teilchen entweder in der harten Schale oder in dem weicheren inneren Silikonmaterial eingebettet sein. Als Reaktion auf die Anregung durch die Strahlung von dem LED-Chip emittieren diese Teilchen Licht mit einer Wellenlänge, die sich von der Strahlung des LED-Chips unterscheidet.

Zusammenfassend wird festgestellt, daß die Erfindung LED- Komponenten in dem Wellenlängenbereich von Grün bis nahes UV liefert, die vorteilhafterweise keine Lichtdämpfung aufgrund einer Gelbfärbung oder andere Formen einer Beeinträchtigung der optisch durchlässigen Linse und Abdeckung aufweisen.

Claims (7)

1. LED-Komponente mit einer emittierten Lichtwellenlänge in dem grünen bis blauen Bereich von 400 Nanometer (nm) bis 570 nm, wobei die LED-Komponente folgendes Merkmal aufweist:
ein Gehäuse (3) mit einer Silikon-Optik (18).

2. LED-Komponente gemäß Anspruch 1, die ferner einen LED-Chip (2) mit einer Lichtemissionswellenlänge in dem grünen bis blauen Bereich von 400 Nanometer (nm) bis 570 nm aufweist.

3. LED-Komponente gemäß Anspruch 1, ferner mit folgenden Merkmalen:
einem LED-Chip (2) mit einer Lichtemission bei einer vorbestimmten Wellenlänge; und
einer lichtemittierenden Substanz, die in einer Sili­ koneinkapselung eingebettet ist, wobei die lichtemit­ tierende Substanz als Antwort auf die Erregung durch Licht der vorbestimmten Wellenlänge Licht emittiert, wobei das von der Substanz emittierte Licht eine Wel­ lenlänge in dem grünen bis blauen Bereich von 400 Na­ nometer (nm) bis 570 nm aufweist.

4. LED-Komponente gemäß Anspruch 1, bei der das Gehäuse folgende Merkmale aufweist:
eine äußere, optisch durchlässige Schale (20, 30) aus einem starren Material; und
eine Menge eines elastischen, optisch durchlässigen Materials (22, 28) innerhalb der Schale (20).

5. LED-Komponente gemäß Anspruch 4, bei der das elasti­ sche, optisch durchlässige Material ein Silikonmate­ rial (28) aufweist.

6. LED-Komponente gemäß Anspruch 4, bei der die Schale (30) ein Silikonmaterial aufweist.

7. LED-Komponente gemäß Anspruch 1, bei der:
das Gehäuse eine optisch durchlässige Schale (32) aus einem starren Material aufweist, wobei die Schale ei­ nen Hohlraum (34) in sich aufweist; und
die LED-Komponente ferner einen LED-Chip (36) auf­ weist, der innerhalb des Hohlraums angeordnet ist.