DE102004001312A1

DE102004001312A1 - Chip-Leuchtdiode und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102004001312A1
Application number: DE102004001312A
Authority: DE
Inventors: Kwan-Young Han; Do-Hyung Kim; Seung-Man Yang; Chung-Hoon Lee; Hong-San Kim; Kwang-Il Park
Original assignee: Seoul Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Seoul Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2004-01-07
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2024-01-08
Also published as: USRE42112E1; TW200505048A; CN1577903A; TWI239660B; DE102004001312B4; CN100382340C; US7042022B2; US20050017259A1; JP2007235182A; JP2005045199A

Abstract

Chip-Leuchtdiode mit einem weiten Abstrahlwinkel und Verfahren zu deren Herstellung. Die Chip-Leuchtdiode hat ein Harzgehäuse, welches einen lichtemittierenden Chip versiegelt und mindestens einen gewölbten vorspringenden Teil hat. Der gewölbte vorspringende Teil hat einen Querschnitt, der im wesentlichen halbkreisförmig oder im wesentlichen oder teilweise elliptisch oder parabolisch ist. Der gewölbte vorspringende Teil hat vorzugsweise einen Querschnitt, der sich aus mehreren geraden Linien zusammensetzt, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind. In Längsrichtung ergibt sich durch diesen Querschnitt eine zylindrische Außenfläche des Harzgehäuses.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

(a) Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Chip-Leuchtdiode und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

(b) Beschreibung des Stands der Technik

Chip-Leuchtdioden (LEDs) werden allgemein als Anzeigevorrichtungen und für die Hintergrundbeleuchtung eingesetzt. In jüngster Zeit wurde das Spektrum ihrer Einsatzmöglichkeiten um verschiedene Anwendungen, zum Beispiel als Lichtquelle für Mobilfunkgeräte und Personal Digital Assistants (PDAs) erweitert.

In 1 ist eine herkömmliche Chip-LED 50 dargestellt, die mit einer Metall-Anschlußfläche 52 und einer Zuleitung 55 auf einer Leiterplatte 51 versehen ist. Ein lichtemittierender Chip 53, welcher auf der Metall-Anschlußfläche 52 befestigt ist, ist über ein Kabel 54 mit der Zuleitung 55 verbunden. Ein Harzgehäuse 56, das aus einer Epoxyformmasse (EMC) geformt wird, versiegelt den Chip 53.

Die herkömmliche Chip-LED 50 hat den Nachteil, daß die Strahlengänge der emittierten Lichtstrahlen begrenzt sind, weil das Harzgehäuse 56 einen rechteckigen Querschnitt hat, wodurch sich ein kleiner Abstrahlwinkel der Chip-LED ergibt. Außerdem konzentriert sich die Verteilung der Lichtstärke des emittierten Lichts an der Position des Chips. Daher sind viele Chip-LEDs erforderlich, um einen bestimmten Bereich auszuleuchten, was bei einigen Anwendungen, wie etwa der Hintergrundbeleuchtung, zu hohen Herstellungskosten führt.

Außerdem konzentriert sich Wärme, die von der herkömmlichen Chip-LED 50 während des Betriebs erzeugt wird, an den Kanten, was zu einer thermischen oder mechanischen Verformung der Diode führt.

Wenn die Dicke des Harzgehäuses verringert wird, um die herkömmliche Chip-LED möglichst kompakt zu gestalten, muß ein Metallformwerkzeug für das Harzgehäuse an den Kanten präziser geformt werden, was zu hohen Herstellungskosten führen kann. Bei einer ungleichmäßigen Dicke des Harzgehäuses kann die Belastung an einer Dünnstelle besonders hoch sein, so daß sich die Klebekraft verschlechtert, was eine geringe Zuverlässigkeit der Chip-LED zur Folge hat.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Angesichts des vorbeschriebenen Stands der Technik ist eine Aufgabe der Erfindung eine Chip-Leuchtdiode (LED) mit einem weiten Abstrahlwinkel und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Chip-LED, bei der die Lichtstärke auf beiden Seiten im wesentlichen einheitlich ist, um eine größere Fläche mit hoher Leuchtdichte auszuleuchten.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Chip-LED, bei der die erzeugte Wärme gleichmäßig verteilt wird, um eine thermische und mechanische Verformung zu vermeiden und eine einseitige Konzentration der Belastung zu verhindern.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Chip-LED, bei dem eine einfache Konstruktion des Metallformwerkzeugs verwendet werden kann, um die Herstellungskosten zu senken.

Um diese und weitere Aufgaben zu erfüllen, wie hierin enthalten und allgemein beschrieben, umfaßt eine Chip-Leuchtdiode:
eine Metall-Anschlußfläche und eine Zuleitung, die voneinander beabstandet auf einer Leiterplatte angeordnet sind;
einen lichtemittierenden Chip, der auf der Metall-Anschlußfläche befestigt ist;
ein Kabel, das den lichtemittierenden Chip und die Zuleitung miteinander verbindet; und
ein Harzgehäuse, das den lichtemittierenden Chip und zumindest einen Teil der Metall-Anschlußfläche und der Zuleitung und das Kabel versiegelt und mindestens einen gewölbten vorspringenden Teil hat.

Der gewölbte vorspringende Teil hat einen Querschnitt, der im wesentlichen halbkreisförmig oder im wesentlichen oder teilweise elliptisch oder parabolisch ist. Der gewölbte vorspringende Teil hat vorzugsweise einen Querschnitt, der sich aus mehreren geraden Linien zusammensetzt, wobei benachbarte Linien in einem Winkel zueinander angeordnet sind.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung einer Chip-Leuchtdiode die folgenden Schritte:
Befestigen eines lichtemittierenden Chips auf einer Metall-Anschlußfläche, die auf einer Leiterplatte vorgesehen ist;
Verbinden des lichtemittierenden Chips mit einer Zuleitung, die auf der Leiterplatte vorgesehen ist;
Bereitstellen der Leiterplatte in einem Formwerkzeug mit einem Formnest, wobei das Formnest mindestens einem vorspringenden Teil der Chip-Leuchtdiode entspricht; und
Formen eines Harzgehäuses, welches den lichtemittierenden Chip und zumindest einen Teil der Metall-Anschlußfläche und der Zuleitung versiegelt, indem Harzmaterial in das Formnest gespritzt wird, wobei das Harzgehäuse mindestens einen gewölbten vorspringenden Teil hat.

Sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende nähere Beschreibung sind beispiel haft und dienen dazu, die beanspruchte Erfindung näher zu erläutern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen ermöglichen ein besseres Verständnis der Erfindung und verdeutlichen zusammen mit der näheren Beschreibung die Prinzipien der Erfindung. Es zeigen:
1 – eine perspektivische Darstellung einer herkömmlichen Chip-Leuchtdiode;
2 – eine perspektivische Darstellung einer Chip-Leuchtdiode nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
3 – einen vergrößerten Querschnitt entlang der Linie A-A in 2;
4a und 4b – Abstrahlwinkel-Eigenschaften bei den Chips gemäß 2 bzw. 1;
5 bis 7 – weitere Beispiele des Harzgehäuses bei den Chip-Leuchtdioden gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform;
8 – eine perspektivische Darstellung einer Chip-Leuchtdiode nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
9 – einen Querschnitt entlang der Linie A-A in 8;
10 und 11 – weitere Beispiele des Harzgehäuses bei den Chip-Leuchtdioden gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform und
12 – ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Chip-Leuchtdiode.
NÄHERE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Wie in 2 und 3 dargestellt, umfaßt eine Chip-Leuchtdiode (LED) 100 nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Metall-Anschlußfläche 120 und eine Zuleitung 150 auf einer Leiterplatte 110 sowie einen lichtemittierenden Chip 130, der auf der Metall-Anschlußfläche 120 befestigt ist. Die Metall-Anschlußfläche 120 ist aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, und der Chip 130 kann auf geeignete Weise aus lichtemittierenden Chips mit Wellenlängen von Infrarot bis Ultraviolett ausgewählt werden. Ein Kabel 140 verbindet den lichtemittierenden Chip 130 mit der Zuleitung 150, und ein Harzgehäuse wird so geformt, daß es von der Leiterplatte 110 vorspringt, um den Chip 130 und Teile der Zuleitung 150 und der Metall-Anschlußfläche 120 zu versiegeln.
Das Harzgehäuse 160 hat einen gewölbten vorspringenden Teil 161, welcher einen im wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt hat. In Längsrichtung ergibt sich durch diesen Querschnitt eine zylindrische Außenfläche des Harzgehäuses 160. Ein geeignetes Epoxyharz kann in ein Metallformwerkzeug (nicht abgebildet) mit einem gewölbten Formnest eingespritzt und zum Harzgehäuse 160 geformt werden.
Lichtstrahlen R, die vom Chip 130 emittiert werden, werden an der sanft gewölbten Oberfläche in unterschiedlichen Brechungswinkeln gebrochen. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung der Lichtstärke und ein weiter Abstrahlwinkel erreicht.
Wie in der vergrößerten Querschnittsdarstellung von 3 erkennbar, kann die Oberfläche des Harzgehäuses 130 leichte Striationen haben, um das vom Chip 130 emittierte Licht zu streuen. Die Striationen können dreieckig, sinuswellenförmig oder in einer anderen geeigneten Form ausgebildet sein. Die Periode p der Striationen reicht vorzugsweise von etwa 0,5 μm bis 1,0 μm. Die Striationen können das vom Chip 130 emittierte Licht während der Brechung an der Oberfläche des Harzgehäuses 160 streuen, um den Abstrahlwinkel weiter zu erweitern.
Wie aus 4A und 4B ersichtlich ist, in denen die Abstrahlwinkel der erfindungsgemäßen Chip-LED 100 und der herkömmlichen Chip-LED 50 dargestellt sind, hat die Chip-LED 100 einen Abstrahlwinkel von etwa 160° von H(a) bis H(b), dargestellt mit einer fett gedruckten Linie, während die herkömmliche LED 50 bei ansonsten identischen Versuchsbedingungen einen Abstrahlwinkel von etwa 120° von H(a') bis H(b') hat. Es ist somit festzustellen, daß der Abstrahlwinkel der erfindungsgemäßen Chip-LED 100 gegenüber dem der herkömmlichen Chip-LED 50 um etwa 40° verbessert wird.
Das Harzgehäuse 160 der Chip-LED 100 hat keine scharfe Kante, sondern vielmehr eine sanft gewölbte Oberfläche ohne Beschränkung des Strahlengangs. Dies führt zu einer Verbesserung der Lichtausbeute, wie durch die in TABELLE 1 dargestellten Versuchsergebnisse bestätigt wurde, die von den Erfindern in zahlreichen Versuchen ermittelt wurden. TABELLE 1 zeigt nur Durchschnittswerte der Lichtstärke und Leuchtdichte der Chip-LED 100 und der herkömmlichen Chip-LED 50.
TABELLE 1
Die in TABELLE 1 dargestellten Versuchsergebnisse wurden unter der Voraussetzung gemessen, daß die lichtemittierenden Chips 100, 50 dieselben Abmessungen von 304 μm Breite, 304 μm Tiefe und 100 μm Höhe hatten und ein Eingangsstrom von 5 mA bei der Messung der Lichtstärke und von 15 mA bei der Messung der Leuchtdichte angelegt wurde.
Wie aus TABELLE 1 ersichtlich ist, ist die erfindungsgemäße Chip-LED bei der Lichtstärke durchschnittlich um 6 mcd und bei der Leuchtdichte durchschnittlich um 280 cd/m² besser als die herkömmliche Chip-LED 50. Es ist somit festzustellen, daß die Chip-LED 100 eine bessere Lichtausbeute hat als die herkömmliche.
Der gewölbte vorspringende Teil 161 des Harzgehäuses 160 ist unter Bezugnahme auf 2 und 3 mit einem halbkreisförmigen Querschnitt beschrieben, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Querschnitt des gewölbten vorspringenden Teils 161 kann variabel modifiziert werden. 5 bis 7 zeigen Beispiele von Chip-LEDs mit Harzgehäusen verschiedener Querschnitte.
In 5 ist die Chip-LED 200 mit einem Harzgehäuse 260 dargestellt. Das Harzgehäuse 260 hat einen gewölbten vorspringenden Teil 261, dessen Querschnitt im wesentlichen halbkreisförmig ist, ähnlich dem in 2 oder 3. Weiterhin setzt sich der Querschnitt des gewölbten vorspringenden Teils 261 aus einer Vielzahl von geraden Linien zusammen, wobei benachbarte Linien mit einem Winkel θ zueinander angeordnet sind. Der Winkel θ kann über die gesamte Wölbung identisch sein oder sich abhängig von der Position unterscheiden. In Längsrichtung ergibt sich bei diesem Querschnitt eine zylindrische Außenfläche des Harzgehäuses 260. Das Harzgehäuse 260 kann eine ähnliche Funktion haben wie das Harzgehäuse 160 nach der ersten bevorzugten Ausführungsform.
In 6 ist ein Harzgehäuse 360 einer Chip-LED 300 dargestellt, das einen gestuften Teil 390 entlang der Kanten auf den Längsseiten hat. Das Harzgehäuse 360 hat einen gewölbten vorspringenden Teil 361, der eine ähnliche Funktion hat wie das Harzgehäuse 160 nach der ersten bevorzugten Ausführungsform. Zwar ist in 6 nur ein gestufter Teil auf jeder Seite ausgebildet, aber es ist möglich, nach Bedarf zwei oder mehrere gestufte Teile auf jeder Seite vorzusehen.
Es ist ebenfalls möglich, eine Chip-LED 400, wie in 7 dargestellt, mit einem Harzgehäuse 460 zu versehen, dessen Oberseite gewölbt ist, während seine Seitenflächen glatt sind.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Ein gewölbtes vorspringendes Teil des Harzgehäuses kann einen Querschnitt haben, der teilweise elliptisch, parabolisch oder kreisförmig ist oder in einer beliebigen Modifikation davon gestaltet ist. Eine Oberfläche des Harzgehäuses kann feine Striationen haben, um Licht zu streuen, was zu einer weiteren Erweiterung des Abstrahlwinkels führt.
Das erfindungsgemäße Harzgehäuse kann leicht an Chip-LEDs mit einer zweifachen Oberseitenkonstruktion angepaßt werden.
Unter Bezugnahme auf 8 und 9 wird nachfolgend eine erfindungsgemäße Chip-LED 600 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Die Chip-LED 600 ähnelt der Chip-LED 100 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform, mit Ausnahme der Form eines Harzgehäuses 660.
Das Harzgehäuse 660 der Chip-LED 600 hat zwei gewölbte vorspringende Teile 661, 662. Beide gewölbte vorspringende Teile 661, 662 sind durch ein Zwischenstück 663 in einem Abstand l voneinander beabstandet angeordnet. Der Abstand l kann zwischen dem 0,1- und dem 0,4-fachen der Bodenlänge b des Querschnitts betragen.
Bei der Chip-LED 600 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform werden vom Chip 130 emittierte Licht strahlen übertragen und an den beiden gewölbten Oberflächen der vorspringenden Teile 661 und 662 gebrochen. Die so gebrochenen Strahlen gehen auseinander, so daß sich ein weiter Abstrahlwinkel ergibt. Dies kann die Beleuchtungswirkung beider Seiten über einen definierten Bereich verbessern.
Zwar wird das Harzgehäuse 660 der Chip-LED 600 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform mit zwei vorspringenden Teile 661, 662 beschrieben, aber es ist ebenfalls möglich, mehr als zwei vorspringende Teile im Harzgehäuse vorzusehen.
10 und 11 zeigen weitere Beispiele des Harzgehäuses. Eine Chip-LED 700, wie in 10 dargestellt, hat ein Harzgehäuse 760 mit zwei vorspringenden Teilen 761, 762, die ohne ein Zwischenstück nebeneinander geformt sind. Eine Chip-LED 800 mit einem Harzgehäuse 860 ist in 11 dargestellt. Hier sind drei vorspringende Teile 861, 862, 863 mit zwei Zwischenstücken 864, 865 geformt.
Vom Chip 130 in der Chip-LED 700 oder 800 emittierte Lichtstrahlen werden übertragen und an den vorspringenden Teilen 761, 762, 861, 862, 863 gebrochen und gehen dann in einem breiten Abstrahlwinkel auseinander. Dies kann die Beleuchtungswirkung im Vergleich zur herkömmlichen LED 50 aus 1 verbessern.
Es ist ebenfalls möglich, daß die Oberfläche des Harzgehäuses gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform feine Striationen aufweist, um Licht zu streuen, was zu einem noch weiteren Abstrahlwinkel führt.
Unter Bezugnahme auf 12 in Verbindung mit 2 wird nun ein Verfahren zur Herstellung einer Chip-LED beschrieben. Zuerst wird die Leiterplatte 110 mit der Metall-Anschlußfläche 120 und der Zuleitung 150 versehen (S1). Der Chip 130 wird auf der Metall-Anschlußfläche 120 befestigt und dann mittels des Kabels 140 mit der Zuleitung 150 verbunden (S2-S3). Als Chip 130 kann ein geeigneter Chip ausgewählt werden, der Licht einer gewünschten Wellenlänge emittiert.
Die Leiterplatte 110 wird dann auf einem Formwerkzeug mit einem Formnest befestigt (S4). Das Formnest entspricht dem oder den vorspringenden Teil(en) in einer der Formen, wie sie für die erste bevorzugte Ausführungsform oder die zweite bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurden.
Als nächstes wird eine feste Epoxyformmasse auf 170–180° erhitzt und in das Formwerkzeug eingespritzt. Das Harzgehäuse 160 wird auf der Leiterplatte 110 in der für die erste oder zweite Ausführungsform beschriebenen Form geformt (S5). Das Harzgehäuse wird so geformt, daß es den lichtemittierenden Chip versiegelt. Es ist möglich, daß das Harzgehäuse so geformt wird, daß es entweder einen Teil der Metall-Anschlußfläche und der Zuleitung oder die gesamte Oberfläche der Metall-Anschlußfläche und der Zuleitung versiegelt.
In der Praxis werden mehrere Chip-LEDs auf einer Leiterplatte vorgesehen, die beispielsweise eine Größe von etwa 80 mm × 50 mm hat. Daher wird jede Chip-LED auf der Leiterplatte einzeln abgeschnitten (S6).
Wie oben beschrieben wurde, gehen bei einer erfindungsgemäßen Chip-LED die Lichtstrahlen, die vom lichtemittierenden Chip emittiert werden, radial und gleichmäßig auseinander, um den Abstrahlwinkel weiter zu erweitern. Die Lichtausbeute der Chip-LED wird ebenfalls verbessert, so daß die Zahl der Chip-LEDs, die bei einer Anwendung zur Hintergrundbeleuchtung einer bestimmten Fläche benötigt werden, verringert wird.
Die Wärme, die von der erfindungsgemäßen Chip-LED erzeugt wird, wird ebenfalls gleichmäßig über die Oberfläche verteilt, wodurch verhindert wird, daß die Chip-LED thermisch oder mechanisch verformt wird. Außerdem wird die Belastung nicht einseitig konzentriert, so daß sich die Haftung zwischen dem Harzgehäuse und der Leiterplatte verbessert, insbesondere bei kompakten Chip-LEDs.
Da ein Formwerkzeug für ein gewölbtes vorstehendes Teil leichter herzustellen ist als eins für ein Harzgehäuse mit einem rechteckigen Querschnitt, verringert eine relativ einfache Konstruktion des Formwerkzeugs für ein Harzgehäuse die Herstellungskosten.
Für den Fachkundigen ist offensichtlich, daß verschiedene Modifikationen und Variationen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich sind, ohne vom Geist und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Erfindung schließt die Modifikationen und Variationen dieser Erfindung ein, sofern sie unter den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche und ihrer Äquivalente fallen.

Claims

Chip-Leuchtdiode, umfassend eine Metall-Anschlußfläche und eine Zuleitung, die voneinander beabstandet auf einer Leiterplatte angeordnet sind; einen lichtemittierenden Chip, der auf der Metall-Anschlußfläche befestigt ist; ein Kabel, das den lichtemittierenden Chip und die Zuleitung miteinander verbindet; und ein Harzgehäuse, das den lichtemittierenden Chip und zumindest einen Teil der Metall-Anschlußfläche und der Zuleitung und das Kabel versiegelt und mindestens einen gewölbten vorspringenden Teil hat.
Chip-Leuchtdiode gemäß Anspruch 1, bei der der gewölbte vorspringende Teil einen Querschnitt hat, der im wesentlichen halbkreisförmig oder im wesentlichen oder teilweise elliptisch oder parabolisch ist.
Chip-Leuchtdiode gemäß Anspruch 1, bei der der gewölbte vorspringende Teil einen Querschnitt hat, der sich aus mehreren geraden Linien zusammensetzt, wobei benachbarte Linien in einem Winkel zueinander angeordnet sind.
Chip-Leuchtdiode gemäß Anspruch 1, bei der an einer äußeren Kante des Harzgehäuses mindestens ein gestufter Teil geformt ist.
Chip-Leuchtdiode gemäß Anspruch 1, bei der die Oberfläche des Harzgehäuses feine Striationen hat, um das vom lichtemittierenden Chip emittierte Licht zu streuen.
Chip-Leuchtdiode gemäß Anspruch 1, bei der das Harzgehäuse einen vorspringenden Teil hat.
Chip-Leuchtdiode gemäß Anspruch 1, bei der das Harzgehäuse zwei vorspringende Teile hat, die in einem definierten Abstand voneinander angeordnet sind, wobei der definierte Abstand zwischen dem 0,1- und dem 0,4-fachen einer Bodenlänge des Harzgehäuses liegt.
Verfahren zur Herstellung einer Chip-Leuchtdiode, umfassend die folgenden Schritte: Befestigen eines lichtemittierenden Chips auf einer Metall-Anschlußfläche, die auf einer Leiterplatte vorgesehen ist; Verbinden des lichtemittierenden Chips mit einer Zuleitung, die auf der Leiterplatte vorgesehen ist; Bereitstellen der Leiterplatte in einem Formwerkzeug mit einem Formnest, wobei das Formnest mindestens einem vorspringenden Teil der Chip-Leuchtdiode entspricht; und Formen eines Harzgehäuses, welches den lichtemittierenden Chip und zumindest einen Teil der Metall-Anschlußfläche und der Zuleitung versiegelt, indem Harzmaterial in das Formnest gespritzt wird, wobei das Harzgehäuse mindestens einen gewölbten vorspringenden Teil hat.