DE10324909B4

DE10324909B4 - Gehäuse für ein strahlungsemittierendes Bauelement, Verfahren zu dessen Herstellung und strahlungsemittierendes Bauelement

Info

Publication number: DE10324909B4
Application number: DE10324909.5A
Authority: DE
Inventors: Patrick Kromotis; Stefan Grötsch
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2023-05-31
Also published as: US7414269B2; CN100407455C; WO2004109812A2; EP1629538A2; JP2006526280A; DE10324909A1; WO2004109812A3; US20070069227A1; CN1799149A; TWI267999B; KR20060020645A; TW200427114A; KR101164249B1

Abstract

Gehäuse für zumindest zwei strahlungsemittierende Bauelemente, insbesondere LEDs, mit einem Systemträger (1) und einer Reflektoranordnung (2), die auf dem Systemträger (1) angeordnet ist, wobei die Reflektoranordnung eine Anzahl an Reflektorelementen (3) aufweist, die jeweils zur Aufnahme zumindest eines strahlungsemittierenden Bauelements dienen, und die mit einer separat von der Reflektoranordnung gefertigten Haltevorrichtung (4) aneinander befestigt sind, wobei der Systemträger (1) und die Haltevorrichtung (4) aus einem ersten Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die Reflektoranordnung (2) aus einem zweiten Material mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen, und das zweite Material ein Kunststoff ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für zumindest zwei strahlungsemittierende Bauelemente, insbesondere LEDs, mit einem Systemträger und einer Reflektoranordnung.
Bei LED-Arrays, die zu Beleuchtungs- oder Projektionszwecken eingesetzt werden, werden häufig Systemträger aus Metallen, Keramiken oder Halbleitern für die Montage und/oder die Wärmeabfuhr der LEDs eingesetzt. Um eine gerichtete Abstrahlung der LEDs zu erzielen, benötigen diese entweder einzeln oder gruppenweise, wobei jede Gruppe mehrere LEDs aufweist, jeweils einen Reflektor, der häufig aus einem Kunststoff hergestellt wird.
Eine solche, aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung ist in der 1 beispielhaft dargestellt. Das dort dargestellte strahlungsemittierende Bauelement weist beispielhaft zwei LED-Chips 9, auf, die etwas von einander beabstandet auf einem Systemträger 1 angeordnet sind. Dieser besteht, wie einleitend bereits erwähnt, üblicherweise aus einem Metall, einer Keramik oder einem Halbleiter. Zur Richtung der von den LED-Chips 9 abgegebenen Strahlung ist eine Reflektoranordnung 2 vorgesehen, die unmittelbar auf den Systemträger 1 aufgebracht ist. Die Verbindung kann beispielsweise mittels einer Klebung erfolgen. Die Reflektoranordnung 2 weist zwei Reflektoren 3 auf, wobei jeweils ein LED-Chip 9 in einem Reflektor 3 zum Liegen kommt. Die Reflektoranordnung 2 besitzt in etwa die gleiche Ausdehnung wie der Systemträger 1, wodurch eine großflächige Verbindung zwischen diesen beiden Elementen geschaffen ist.
Da die Reflektoranordnung im Gegensatz zu dem Systemträger üblicherweise aus einem Kunststoff besteht, welcher sich auf einfache Weise durch einen Spritzvorgang in die gewünschte Form bringen lässt, existiert eine großflächige Verbindung zwischen zwei Materialien, die stark unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. In dem im Betrieb des strahlungsemittierenden Bauelementes vorkommenden Temperaturbereich kann aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungen des Systemträgers 1 und der Reflektoranordnung 2 eine mechanische Spannung, insbesondere in lateraler Richtung, auftreten und den Verbund bzw. seine Verbindungstechnik zerstören.
Um eine Beschädigung des strahlungsemittierenden Bauelementes zu vermeiden, werden im Stand der Technik Sollbruchstellen in der Reflektoranordnung vorgesehen. Bekannt sind auch solche Anordnungen, bei denen die Reflektoranordnung aus einzelnen Reflektoren besteht, die jeweils auf den Systemträger an dafür vorgesehenen Stellen aufgebracht werden. Nachteilig bei diesen beiden Vorgehensweisen ist die technisch aufwändige Herstellung des strahlungsemittierenden Bauelementes bzw. des Gehäuses für das strahlungsemittierende Bauelement.
Bauelementanordnungen sind beispielsweise aus den folgenden Druckschriften bekannt: JP 2001 085 748 A , US 5 534 718 A und DE 100 14 804 A1 .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Gehäuse für ein strahlungsemittierendes Bauelement und ein strahlungsemittierendes Bauelement anzugeben, das sich auf einfache Weise kostengünstig herstellen lässt und bei dem mechanische Probleme aufgrund unterschiedlicher mechanisch miteinander verbundener Materialien im wesentlichen ausgeschlossen werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Gehäuse mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und durch ein strahlungsemittierendes Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst. Die Merkmale des Patentanspruches 13 geben ein Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Gehäuses an. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweilig abhängigen Ansprüchen.
Ein Gehäuse nach der Erfindung umfasst einen Systemträger und eine Reflektoranordnung, die auf dem Systemträger angeordnet ist, wobei die Reflektoranordnung eine Anzahl an Reflektorelementen aufweist, die jeweils zumindest einem strahlungsemittierenden Bauelement zugeordnet sind und die vermittels einer Haltevorrichtung untereinander zu einem Feld verbunden sind.
Die Reflektoranordnung wird somit in einzelne Reflektorelemente aufgeteilt. Diese werden jedoch nicht, wie beim Stand der Technik einzeln auf den Systemträger aufgebracht, sondern sind in einer Haltevorrichtung untereinander befestigt und in iherer Position zueinander fixiert. Die mit den Reflektoren versehene Haltevorrichtung kann dann auf den Systemträger angeordnet und befestigt werden, wodurch sich ein sehr einfaches Fertigungsverfahren ergibt.
Das Auftrennen der Reflektoranordnung in einzelne Reflektorelemente verringert die Grenzfläche, an der die üblicherweise aus einem Kunststoff bestehenden Reflektorelemente und der beispielsweise aus einem Metall, einer Keramik oder einem Halbleiter bestehende Systemträger aneinander grenzen. Die während des Betriebes auftretenden Temperaturen führen deshalb zu geringeren mechanischen Verspannungen aufgrund von thermischen Ausdehnungen, wodurch sich die Zuverlässigkeit des strahlungsemittierenden Bauelementes deutlich erhöht.
Da die einzelnen Reflektorelemente über die Haltevorrichtung miteinander verbunden sind, ist es vorteilhaft, wenn der Systemträger und die Haltevorrichtung bei Temperaturänderungen ähnliche thermische Ausdehnungen vollziehen, insbesondere aus dem gleichen Material hergestellt sind. Es ist dann unschädlich, wenn die Reflektoranordnung aus einem anderem Material, insbesondere aus Kunststoff mit einem anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Material oder die Materialien der Haltevorrichtung und des Systemträgers besteht.
Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des strahlungsemittierenden Bauelement ist es bereits ausreichend, wenn der Systemträger und die Haltevorrichtung aneinander angepasste oder ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es natürlich, wenn für diese beiden Elemente die gleichen Materialien verwendet werden. Wird für den Systemträger beispielsweise ein Aluminium verwendet, so ist es besonders zweckmäßig, wenn auch die Haltevorrichtung aus Aluminium gefertigt ist.
Eine besonders einfache Fertigung ergibt sich dann, wenn die Haltevorrichtung ein elektrischer Leiterrahmen (Leadframe) ist. Dieses lässt sich mit den bekannten Fertigungsverfahren, insbesondere Stanz- und Biegevorgängen, auf einfache Weise in die gewünschte Form bringen.
Die Haltevorrichtung weist in einer bevorzugten Ausführungsform zumindest eine Aussparung auf, an deren jeweiligen Rand zumindest ein Reflektorelement angeformt ist, um mit diesem eine feste Verbindung einzugehen. Zur Herstellung eines LED-Arrays zu Beleuchtungs- oder Projektionszwecken wird die Haltevorrichtung eine Vielzahl an Aussparungen aufweisen, die beispielsweise in einem vorgegebenen Raster angeordnet sind. Die Aussparungen können auf einfache Weise durch einen Stanzvorgang hergestellt sein. Die Anformung der Reflektoren erfolgt vorzugsweise durch ein Spritzgießverfahren oder ein Spritzpressverfahren wie sie aus der Kunststofftechnologie bekannt sind.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in jeder Aussparung genau ein Reflektorelement angeformt ist. Der Reflektor kann dabei zur Aufnahme einer LED oder auch mehrerer LEDs, die in Form einer Gruppe vorliegen, dienen.
Das Vorsehen der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung ermöglicht auch die Nutzung derselben als Verdrahtungsebene für die strahlungsemittierenden Bauelemente. Die LEDs werden bevorzugt auf dem Systemträger angeordnet, womit der erste elektrische Kontakt hergestellt werden kann. Der zweite Anschluss der LED kann dann über die Haltevorrichtung erfolgen, welche eine geeignete Leitungsführung vorsieht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Haltevorrichtung einen Montagerahmen auf, mittels dem die die Reflektoranordnung tragende Haltevorrichtung auf den Systemträger montierbar ist. Vorzugsweise ist der Montagerahmen um die Reflektoranordnung umlaufend angeordnet und formschlüssig mit dem Systemträger verbunden. Der Montagerahmen schließt damit sämtliche Reflektoren bzw. LEDs ein. Er erlaubt es, die mit den Reflektoren versehene Haltevorrichtung an den Systemträger auf einfache Weise anzumontieren, z. B. mittels einer Schraubverbindung, und ermöglicht darüber hinaus einen Verguss des zwischen dem Montagerahmen, dem Systemträger und der Haltevorrichtung gebildeten Raums mit einer Vergussmasse.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Haltevorrichtung Anschlussstreifen auf, die als Kontakt für eine Oberflächenmontage verwendbar sind. Die Anschlussstreifen, die beispielsweise in Form von Beinchen vorliegen und ebenfalls durch einen Stanzvorgang herstellbar sind, können durch den umlaufenden Montagerahmen geführt werden und dann, gesteckt oder als Surface Mount Technologie(SMT)-Kontakt, mit einer Leiterplatte oder dem Systemträger verbunden werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus den nachfolgend in Verbindung mit den 2 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten und einleitend bereits beschriebenen strahlungsemittierenden Bauelements mit zwei LEDs,
2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles im Querschnitt,
3 eine schematische Darstellung einer perspektivische Ansicht einer mit Reflektoren versehenen Haltevorrichtung,
4 eine schematische Darstellung einer weiteren perspektivischen Ansicht der mit den Reflektoren versehenen Haltevorrichtung, welche die Anordnung aus 3 geschnitten zeigt, und
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels mit einem Montagerahmen in einer Querschnittsansicht.
In sämtlichen Ausführungsbeispielen sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das in 2 veranschaulichte Ausführungsbeispiel weist einen Systemträger 1, z. B. aus einem Metall, einer Keramik oder einem Halbleiter, auf. Auf diesem ist eine Reflektoranordnung 2 aufgebracht. Die Reflektoranordnung 2 besteht, lediglich beispielhaft, aus zwei Reflektoren 3, die an eine Haltevorrichtung 4 angeformt sind. Die Reflektoranordnung 2 ist aus einem Kunststoffmaterial gefertigt. Die Haltevorrichtung 4 weist zwei Aussparungen 5 auf, an deren Rand 6 jeweils die Reflektoren 3 angeformt sind. Das Vorsehen der Aussparung und damit das Vorsehen jeweiliger Reflektoren erfolgt an den Stellen, an denen auf dem Systemträger 1 LEDs 9 aufgebracht werden sollen. Neben seiner Haltefunktion zur Verbindung benachbarter Reflektoren 3 kann die Haltevorrichtung 4 auch als weitere Verdrahtungsebene genutzt werden, die elektrische Anschlußbahnen für die LEDs 9 umfaßt.
Die Haltevorrichtung 4 besteht aus dem gleichen Material wie der Systemträger 1. Wird der Systemträger 1 beispielsweise aus Aluminium ausgeführt, so besteht die Haltevorrichtung 4 vorzugsweise ebenfalls aus Aluminium. Bei einem keramischen Systemträger aus z. B. AlN/Al₂O₃ können Eisen-Nickel-Leqierungen als Haltevorrichtung verwendet werden.
Vorzugsweise ist die Haltevorrichtung 4 als Leiterrahmen (Leadframe) aus einem metallichen Material gefertigt. In dieses lassen sich die Aussparungen 5 auf einfache Weise einstanzen. Die mit den Aussparungen 5 versehene Haltevorrichtung 4 kann dann in einem nächsten Schritt in ein Spritzgusswerkzeug gegeben werden, in welchem die im Querschnitt dargestellten Reflektoren 3 an die Ränder 6 jeweiliger Aussparungen 5 angespritzt werden. Das auf diese Weise hergestellte Halbzeug kann somit in einem einzigen Arbeitsgang auf den Systemträger 1 aufgebracht und an diesem befestigt werden.
Das zur Herstellung des erfindungsgemäßen strahlungsemittierenden Bauelements verwendete Halbzeug aus Haltevorrichtung 4 und Reflektoranordnung 2 geht besser aus den 3 und 4 hervor. Aus diesen Figuren wird ohne weiteres ersichtlich, dass die Haltevorrichtung 4 mit einer Vielzahl von angeformten Reflektoren 3 versehen ist. Aus der Querschnittsdarstellung der 4 ist ersichtlich, dass die Reflektoren eine über die Ränder der Aussparungen 5 geringfügig größere Ausdehnung aufweisen, um eine formschlüssige Verbindung mit der Haltevorrichtung 4 einzugehen.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Haltevorrichtung 4 mit einem Montagerahmen 7 versehen ist. Der Montagerahmen 7 kann, wie in der rechten Hälfte der 5 dargestellt, lediglich zwischen Haltevorrichtung 4 und dem Systemträger 1 angeordnet sein. Sie kann jedoch auch, wie in der linken Hälfte dargestellt, beidseitig der Haltevorrichtung 4 angeordnet sein. Der Montagerahmen 7 umläuft vorzugsweise sämtliche in dem strahlungsemittierenden Bauelement vorgesehenen Reflektoren. Dadurch ist es möglich, die zwischen dem Systemträger 1, der Haltevorrichtung 4 und dem Montagerahmen 7 gebildeten Hohlräume mit einer Vergussmasse auszufüllen, wobei der Montagerahmen als eine Art „Dichtungsring” dient. Daneben ermöglicht der Montagerahmen eine besonders einfache Montage der Haltevorrichtung 4 an dem Systemträger 1. Die Verbindung kann, wie häufig, durch Kleben, jedoch auch durch eine Schraub- oder Nietverbindung über den Montagerahmen erfolgen. Der Montagerahmen 7 ermöglicht darüber hinaus den Anschluss an eine weitere Wärmesenke.
Das erfindungsgemäße Vorgehen wirkt dem Problem entgegen, dass die Reflektoren in beiden lateralen Richtungen eines relativ großen LED-Arrays unterschiedliche Längenausdehnungen aufweisen. Mechanische Probleme, die im Verbindungsbereich zwischen den aus Kunststoff bestehenden Reflektoren und den aus einem anderen Material bestehenden Träger auftreten können, werden auf eine relativ kleine Fläche, vergleichbar bei diskreten Bauformen, reduziert. Das erfindungsgemäße Gehäuse lässt sich deshalb besonders vorteilhaft in strahlungsemittierenden Bauelementen mit einer großen Anzahl an LEDs einsetzen.
Neben der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften eröffnet die zusätzliche Haltevorrichtung die Möglichkeit, in dieser weitere elektrische Anschlüsse und Verdrahtungen zu führen. Dabei können sämtliche von Leadframes bekannten Überlegungen angewandt werden.

Claims

Gehäuse für zumindest zwei strahlungsemittierende Bauelemente, insbesondere LEDs, mit einem Systemträger (1) und einer Reflektoranordnung (2), die auf dem Systemträger (1) angeordnet ist, wobei die Reflektoranordnung eine Anzahl an Reflektorelementen (3) aufweist, die jeweils zur Aufnahme zumindest eines strahlungsemittierenden Bauelements dienen, und die mit einer separat von der Reflektoranordnung gefertigten Haltevorrichtung (4) aneinander befestigt sind, wobei der Systemträger (1) und die Haltevorrichtung (4) aus einem ersten Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die Reflektoranordnung (2) aus einem zweiten Material mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen, und das zweite Material ein Kunststoff ist.
Gehäuse nach dem obigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein Metall, eine Keramik oder ein Halbleiter ist.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (4) als Leiterrahmen (Leadframe) für die strahlungsemittierenden Bauelemente fungiert.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (4) zumindest zwei Aussparungen (5) aufweist, in denen jeweils zumindest ein Reflektorelement (3) an die Haltevorrichtung (4) angeformt, insbesondere angespritzt oder angepresst, ist.
Gehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Aussparung (5) genau ein Reflektorelement (3) angeformt ist.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (4) elektrische Leiter umfasst, die zum elektrischen Anschliessen der strahlungsemittierenden Bauelemente (1) nutzbar sind.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (4) einen Montagerahmen (7) aufweist, mittels dem die die Reflektoranordnung (2) tragende Haltevorrichtung (4) auf den Systemträger (1) montierbar ist.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Montagerahmen (7) um die Reflektoranordnung umlaufend angeordnet ist und mit dem Systemträger (1) verbunden ist.
Gehäuse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem Montagerahmen (7), dem Systemträger (1) und der Haltevorrichtung (4) gebildete Raum mit einer Vergussmasse (8) ausgefüllt ist.
Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (4) Anschlussstreifen aufweist, die als oberflächenmontierbare Kontakte verwendbar sind.
Strahlungsemittierendes Bauelement, insbesondere LED-Array, mit zumindest zwei LEDs, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs (9) auf dem Systemträger (1) montiert sind.
Verfahren zum Herstellen eines Gehäuses für ein strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an eine Haltevorrichtung (4) aus einem ersten Material eine Anzahl an Reflektorelementen (3) angeformt wird, wobei benachbarte Reflektoren über die Haltevorrichtung mechanisch verbunden sind, und die mit den Reflektoren (3) versehene Haltevorrichtung (4) auf einem Systemträger (1) angeordnet und befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (4) mit Aussparungen versehen wird, in denen an diese die Reflektorelemente (3) angeformt werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorelemente (3) mittels eines Spritzgießverfahrens oder mittels eines Spritzpressverfahrens an die Haltevorrichtung (4) angeformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Haltevorrichtung (4) mit dem Systemträger (1) über einen Montagerahmen (7) erfolgt.