DE102007015473A1

DE102007015473A1 - LED-Bauelement

Info

Publication number: DE102007015473A1
Application number: DE102007015473A
Authority: DE
Inventors: Robert Kraus
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-09
Also published as: US20080259603A1

Abstract

Bei einem LED-Bauelement mit mindestens einer LED (3) und mindestens einem Treiber (2) für die LED (3) sind der mindestens eine Treiber (2) und die mindestens eine LED (3) derart voneinander beabstandet, dass beim Betrieb der LED (3) ein Wärmeaustausch zwischen dem Treiber (2) und der LED (3) stattfindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein LED-Bauelement mit einer oder mehreren LEDs.
LED-Bauelemente werden in der Regel mit einer Spannungsquelle betrieben, die eine vorgegebene Betriebsspannung für das LED-Bauelement abgibt.
Da die Helligkeit einer LED im Wesentlichen von dem Betriebsstrom abhängt, ist es wünschenswert, mit der Betriebsspannung eine definierte vorgegebene Stromstärke durch die eine oder die mehreren LEDs zu erzeugen, um eine definierte Helligkeit zu erzielen. Zu diesem Zweck kann eine LED oder ein LED-Modul mit einem Treiber betrieben werden. Bei dem Treiber handelt es sich um ein elektronisches Bauelement, das die Betriebsspannung in eine vorgegebene Stromstärke umsetzt. Dabei kann in dem Treiber ein Teil der von dem LED-Bauelement aufgenommenen elektrischen Leistung in Wärme umgesetzt werden.
Trotz der Verwendung eines derartigen Treibers, durch den ereicht wird, dass die LED oder die mehreren LEDs des LED-Bauelements von einer definierten Stromstärke durchflossen werden, hat sich herausgestellt, dass weiterhin noch geringfügige Unterschiede in der Helligkeit und/oder der Farbe gleichartiger LEDs auftreten können.
Eine zu lösende Aufgabe besteht daher darin, ein verbessertes LED-Bauelement anzugeben, das sich insbesondere durch weiter verringerte Helligkeits- und Farbabweichungen gegenüber gleichartigen LED-Bauelementen auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch ein LED-Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einer Ausführungsform eines LED-Bauelements mit mindestens einer LED und mindestens einem Treiber für die LED sind der mindestens eine Treiber und die mindestens eine LED derart voneinander beabstandet, dass beim Betrieb der LED ein Wärmeaustausch zwischen dem Treiber und der LED stattfindet.
Die Erfindung nutzt unter anderem die Erkenntnis, dass bei LEDs, die mittels eines Treibers mit einer vorgegebenen Stromstärke betrieben werden, produktionsbedingt geringfügig verschiedene Vorwärtsspannungen der LEDs auftreten können, so dass auch LEDs gleicher Bauart geringfügig verschiedene Leistungen aufnehmen. Dies kann zu Differenzen in der Betriebstemperatur führen, durch die insbesondere unerwünschte Helligkeits- oder Farbabweichungen auftreten können.
Diesem Effekt wird durch den Wärmeaustausch zwischen dem Treiber und der LED entgegengewirkt. Dies beruht darauf, dass beim Betrieb des LED-Bauelements mit einer vorgegebenen Betriebsspannung bei einer LED mit einer vergleichsweise geringen Vorwärtsspannung ein größerer Anteil der Betriebsspannung an dem Treiber abfällt und somit eine höhere Leistungsaufnahme in dem Treiber stattfindet als bei einer LED mit einer höheren Vorwärtsspannung. Somit tritt bei einer LED, in der wegen einer vergleichsweise geringen Vorwärtsspannung etwas weniger Wärme als in einer LED mit höherer Vorwärtsspannung erzeugt wird, eine stärkere Erwärmung des Treibers auf als bei einer LED mit einer höheren Vorwärtsspannung. Dadurch, dass der Treiber und die LED derart voneinander beabstandet sind, dass beim Betrieb der LED ein Wärmeaustausch zwischen dem Treiber und der LED stattfindet, wird somit einer Differenz in der Betriebstemperatur zwischen gleichartigen LEDs mit produktionsbedingt verschiedener Vorwärtsspannung entgegengewirkt. Durch Differenzen in der Betriebstemperatur bedingte Abweichungen der Farbe und/oder der Helligkeit verschiedener LEDs werden auf diese Weise vermindert.
Dies ist insbesondere vorteilhaft für LED-Bauelemente, die eine Vielzahl von LEDs oder LED-Chips enthalten, die zum Beispiel nebeneinander oder in Form eines Arrays angeordnet sind, und wobei eine gleichmäßige Beleuchtung und geringe Farbabweichungen erwünscht sind. Dies ist zum Beispiel bei Hinterleuchtungen für Displays und LED-Hochleistungslichtquellen der Fall.
Unter dem Treiber wird ein elektronisches Bauelement verstanden, dass dazu geeignet ist, unter Ausnutzung einer Betriebsspannung eine vorgegebene Stromstärke durch die eine oder die mehreren LEDs des LED-Bauelements einzustellen. Bei dem Treiber für die LED kann es sich beispielsweise um einen elektrischen Widerstand, insbesondere um einen Ohmschen Widerstand, handeln. Alternativ kann der Treiber auch eine elektrische Schaltung umfassen, die beispielsweise einen oder mehrere Transistoren enthält. Der Treiber kann beispielsweise in einen Chip integriert sein.
Bei der mindestens einen LED handelt es sich bevorzugt um einen LED-Chip, der kein LED-Gehäuse aufweist. Dies ist vorteilhaft für den Wärmeaustausch zwischen dem Treiber und der LED. Alternativ kann der LED-Chip aber auch in einem LED- Gehäuse, vorzugsweise einem LED-Gehäuse mit guter thermischer Leitfähigkeit, untergebracht sein.
Um einen guten Wärmeaustausch zwischen der LED und dem Treiber zu erzielen, sind die LED und der Treiber bevorzugt in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind die LED und der Treiber weniger als 1 cm voneinander beabstandet. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand zwischen der LED und dem Treiber weniger als 0,5 cm.
Gemäß einer Ausführungsform sind die mindestens eine LED und der mindestens eine Treiber auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Das Substrat weist vorteilhaft eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 10 Wm^–1K^–1 auf. Auf diese Weise wird ein guter Wärmeaustausch zwischen dem Treiber und der LED, insbesondere durch Wärmeleitung in dem Substrat, erzielt.
Das LED-Bauelement kann mehrere LEDs enthalten, insbesondere mehrere LED-Chips, die beispielsweise auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Dabei kann jede der mehreren LEDs einen separaten Treiber aufweisen.
Die mehreren LEDs können auch in einer oder mehreren Gruppen angeordnet sein, wobei jeder Gruppe von LEDs ein gemeinsamer Treiber zugeordnet ist. In diesem Fall ist jede der LEDs einer Gruppe derart von dem gemeinsamen Treiber beabstandet, dass beim Betrieb der mehreren LEDs ein Wärmeaustausch zwischen dem gemeinsamen Treiber und den mehreren LEDs stattfindet. Insbesondere können auch alle LEDs des LED-Bauelements einen gemeinsamen Treiber aufweisen.
Vorzugsweise weisen die mehreren LEDs einer Gruppe jeweils den gleichen Abstand vom gemeinsamen Treiber auf. Dies hat den Vorteil, dass bei dem Wärmeaustausch zwischen dem Treiber und den LEDs die Wärme gleichmäßig auf die LEDs übertragen wird, wodurch Abweichungen der Betriebstemperaturen zwischen den mehreren LEDs vermindert oder sogar ganz eliminiert werden. Insbesondere können die mehreren LEDs beispielsweise ringförmig um den gemeinsamen Treiber angeordnet sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die mindestens eine LED und der mindestens eine Treiber auf gegenüberliegenden Seiten eines thermisch leitfähigen Substrats angeordnet. In diesem Fall erfolgt der Wärmaustausch zwischen der LED und dem Treiber im Wesentlichen durch die Wärmeleitung durch das Substrat. Dabei ist vorteilhaft, wenn das Substrat eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 10 Wm^–1K^–1 aufweist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Substrat weniger als 2 mm dick ist.
Auch bei dieser Ausführung kann dass LED-Bauelement mehrere LEDs umfassen. Beispielsweise ist jeder der mehreren LEDs ein separater Treiber zugeordnet, wobei die jeweilige LED und der ihr zugeordnete Treiber jeweils einander gegenüberliegen. Zum Beispiel sind die mehreren LEDs auf einer ersten Hauptfläche des Substrats angeordnet, und die Treiber auf der gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche des Substrats angeordnet, wobei die LEDs und der der jeweiligen LED zugeordnete Treiber in lateraler Richtung nicht voneinander beabstandet sind.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von vier Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 4 näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines LED-Bauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines LED-Bauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein LED-Bauelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
4 eine schematische Darstellung eines LED-Bauelements gemäß einem viertem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
Das in 1 dargestellte LED-Bauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel enthält eine LED 3 und einen Treiber 2. Der Treiber 2 und die LED 3 sind über Stromleitungen 5 mit einer Spannungsquelle 1 verbunden. Der Treiber 2 ist ein zur Einstellung einer definierten Stromstärke durch die LED 3 geeignetes Mittel, wobei der Treiber 2 und die LED 3 zum Beispiel in Reihe geschaltet sind. Beispielsweise kann es sich bei dem Treiber 2 um einen elektrischen Widerstand, insbesondere um einen ohmschen Widerstand handeln. Weiterhin kann es sich bei dem Treiber 2 aber auch um eine elektrische Schaltung handeln, die beispielsweise einen oder mehrere Transistoren enthält. Insbesondere kann es sich bei dem Treiber 2 um eine in einen Chip integrierte Schaltung handeln.
Die LED 3 ist vorzugsweise ein LED-Chip ohne Gehäuse. Alternativ kann es sich aber auch um einen LED-Chip in einem LED-Gehäuse handeln.
Die LED 3 und der Treiber 2 sind derart voneinander beabstandet, dass beim Betrieb der LED 3 ein Wärmeaustausch zwischen dem Treiber 2 und der LED 3 stattfindet. Dies bedeutet, dass zumindest ein Teil der von der LED 3 emittierten Wärme auf den Treiber 2 übertragen wird, und dass zumindest ein Teil der von dem Treiber 2 emittierten Wärme auf die LED 3 übertragen wird, wie durch die Pfeile 4 angedeutet wird. Der Abstand zwischen dem Treiber 2 und der LED 3 beträgt vorteilhaft weniger als 1 cm, bevorzugt weniger als 0,5 cm.
Um einen guten Wärmeaustausch zwischen dem Treiber 2 und der LED 3 zu erzielen, sind der Treiber 2 und die LED 3 bevorzugt auf einem gemeinsamen Substrat 6 angeordnet. Bei dem Substrat 6 handelt es sich bevorzugt um ein thermisch leitfähiges Substrat. Insbesondere kann das Substrat 6 ein Metall oder eine Metalllegierung wie beispielsweise Al, Cu oder AlNi enthalten. Zum Beispiel kann das Substrat eine Metallkernplatine, eine gedruckte Leiterplatte (Printed Circuit Board) oder ein aus einem Metall oder Metalllegierung bestehendes Metallsubstrat sein.
Insbesondere bei Hochleistungs-LEDs oder LED-Arrays ist es vorteilhaft, wenn das wärmeleitende Substrat 6 eine aktive Kühlung aufweist, zum Beispiel mittels einer Kühlflüssigkeit. Dazu können zum Beispiel in dem Substrat Mikrokanäle ausgebildet sein, die von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden.
Dadurch, dass der Treiber 2 und die LED 3 derart angeordnet sind, dass zwischen ihnen während des Betriebs des LED-Bauelements ein Wärmeaustausch stattfindet, wird die Betriebstemperatur der LED unter anderem durch die von dem Treiber freigesetzte Wärme beeinflusst. Bei der in 1 dargestellten Reihenschaltung des Treibers 2 und der LED 3 fällt bei einer LED 3, die im Vergleich zu anderen LEDs eine vergleichsweise geringe Vorwärtsspannung hat und daher nur eine geringe Menge Wärme erzeugt, ein höherer Anteil der von der Spannungsquelle 1 erzeugten Spannung an dem Treiber 2 ab, so dass in dem Treiber 2 eine größere elektrische Leistung in Wärme umgesetzt wird als bei einer LED, die eine größere Vorwärtsspannung aufweist.
Der Wärmeaustausch zwischen dem Treiber 2 und der LED 3 bewirkt somit eine Erhöhung der Betriebstemperatur der LED, so dass eine Differenz in der Betriebstemperatur zu einer vergleichbaren LED mit größerer Vorwärtsspannung verringert oder sogar ganz kompensiert wird. Der Wärmeaustausch zwischen dem Treiber 2 und der LED 3 vermindert also Unterschiede in den Betriebstemperaturen von LEDs, die produktionsbedingt geringfügig verschiedene Vorwärtsspannungen aufweisen. Auf diese Weise werden Unterschiede in der Helligkeit und/oder der Farbe des emittierten Lichts der LEDs vermindert.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines LED-Bauelements enthält mehrere LED-Chips 3. Die mehreren LED-Chips 3 weisen einen gemeinsamen Treiber 2 auf, der mit den LED-Chips 3 auf einem gemeinsamen Substrat 6 angeordnet ist. Der Treiber 2 ist beispielsweise in einen Chip integriert. Zur Stromversorgung ist der Treiber 2 mittels Stromleitungen 5 an eine Spannungsquelle 1 angeschlossen. Die LEDs 3 sind derart um den gemeinsamen Treiber 2 gruppiert, dass zwischen jeder der LED-Chips 3 und dem gemeinsamen Treiber 2 ein Wärmeaustausch während des Betriebs des LED-Bauelements stattfindet. Die LED-Chips 3 sind ringförmig um den gemeinsamen Treiber 2 herum angeordnet. Alternativ wäre es auch möglich, die LEDs in einer Gruppe zum Beispiel mittig auf dem Substrat anzuordnen und den Treiber in Form einer elektronischen Schaltung um die LEDs herum anzuordnen (nicht dargestellt).
Die mehreren LED-Chips 3 weisen vorteilhaft jeweils den gleichen Abstand vom gemeinsamen Treiber 2 auf. Der Abstand der LED-Chips 3 vom gemeinsamen Treiber 2 beträgt bevorzugt weniger als 1 cm, besonders bevorzugt weniger als 0,5 cm.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines LED-Bauelements sind mehrere LEDs 3 auf einem gemeinsamen Substrat 6 angeordnet. Im Gegensatz zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die LEDs 3 keinen gemeinsamen Treiber, sondern jeweils separate Treiber 2 auf. Dabei ist jeder LED 3 ein Treiber 2 zugeordnet. Die Treiber 2 sind auf der den LEDs 3 gegenüberliegenden Seite des Substrats angeordnet. Dabei liegt jeder LED 3 der ihr zugeordnete Treiber 2 gegenüber, dass heißt, die LED 3 und der ihr zugeordnete Treiber 2 sind nicht in lateraler Richtung, sondern nur durch das Substrat 6 voneinander beabstandet. Der Wärmeaustausch zwischen den LEDs 3 und den ihnen zugeordneten Treibern 2 findet im Wesentlichen durch Wärmeleitung durch das thermisch leitfähige Substrat 6 statt. Bevorzugt weist das thermisch leitfähige Substrat 6 eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 10 Wm^–1K^–1 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel eines LED-Bauelements ist es vorteilhaft, wenn das Substrat vergleichsweise dünn ist. Vorteilhaft beträgt die Dicke des Substrats weniger als 2 mm.
Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel eines LED-Bauelements enthält mehrere LEDs 3, wobei jede LED 3 mit einem ihr zugeordneten Treiber 2 auf einem separaten Substrat 6 angeordnet ist. Die LEDs 3 sind mittels. Stromleitungen 5 parallel geschaltet. Bei dem LED-Bauelement kann es sich beispielsweise um eine Lichterkette handeln. Dadurch, dass bei jeder LED 3 des LED-Bauelements ein Wärmeaustausch zwischen der LED 3 und dem ihr zugeordneten Treiber 2 stattfindet, werden Helligkeits- und Farbunterschiede der einzelnen LEDs 3, die ansonsten durch unterschiedliche Betriebstemperaturen auftreten könnten, vermindert oder sogar vollständig eliminiert.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

LED-Bauelement mit mindestens einer LED (3) und mindestens einem Treiber (2) für die LED (3), wobei der mindestens eine Treiber (2) und die mindestens eine LED (3) derart voneinander beabstandet sind, dass beim Betrieb der LED (3) ein Wärmeaustausch zwischen dem Treiber (2) und der LED (3) stattfindet.
LED-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die LED (3) und der Treiber (2) weniger als 1 cm voneinander beabstandet sind.
LED-Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die LED (3) und der Treiber (2) weniger als 0,5 cm voneinander beabstandet sind.
LED-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine LED (3) und der mindestens eine Treiber (2) auf einem gemeinsamen Substrat (6) angeordnet sind.
LED-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Bauelement mehrere LEDs (3) umfasst.
LED-Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren LEDs (3) in einer oder mehreren Gruppen angeordnet sind, wobei die LEDs (3) einer Gruppe einen gemeinsamen Treiber (2) aufweisen.
LED-Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs (3) einer Gruppe derart um den gemeinsamen Treiber (2) angeordnet sind, dass sie jeweils den gleichen Abstand vom Treiber (2) aufweisen.
LED-Bauelement nach Anspruch 6 oder 7, durch gekennzeichnet, dass die mehreren LEDs (3) einer Gruppe ringförmig um den gemeinsamen Treiber (2) angeordnet sind.
LED-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine LED (3) und der mindestens eine Treiber (2) auf gegenüberliegenden Seiten eines thermisch leitfähigen Substrats (6) angeordnet sind.
LED-Bauelement nach Anspruch 4 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (6) eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 10 Wm^–1K^–1 auf aufweist.
LED-Bauelement nach Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (6) weniger als 2 mm dick ist.
LED-Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das LED-Bauelement mehrere LEDs (3) umfasst.
LED-Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der mehreren LEDs (3) ein separater Treiber (2) zugeordnet ist, wobei die jeweilige LED (3) und der ihr zugeordnete Treiber (2) jeweils einander gegenüberliegen.
LED-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine LED (3) ein LED-Chip ohne LED-Gehäuse ist.