DE10392669T5

DE10392669T5 - Lichtemissionsdiodeneinheit und Verfahren zum Herstellen einer Lichtemissionsdiodeneinheit

Info

Publication number: DE10392669T5
Application number: DE10392669T
Authority: DE
Inventors: Kenji Yoneda; Takahiro Amano; Yasuhiko Inagaki
Original assignee: CCS Inc
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; CCS Inc
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2005-07-07
Also published as: US7213945B2; JP3996164B2; US7847480B2; AU2003234815A1; JPWO2003098711A1; US20050174779A1; US20070133211A1; WO2003098711A1

Abstract

Lichtemissionsdiodeneinheit mit einem Lichtemissionselement, einer Basis mit einem Wärmeabführelement, das durch das Lichtemissionselement erzeugte Wärme abführt, und einer ersten Linse mit einem Reflexionselement, das Licht reflektiert, das unter dem vom Lichtemissionselement emittierten Licht außerhalb eines vorbestimmten Winkels läuft, und einem Brechungselement, das Licht, unter dem vom Lichtemissionselement emittierten Licht, das innerhalb des vorbestimmten Winkels läuft, bricht, wobei jedes derselben integral ausgebildet ist, wobei die erste Linse integral an der Basis montiert ist, wodurch durch das Reflexionselement und das Brechungselement dafür gesorgt wird, dass vom Lichtemissionselement emittiertes Licht im Wesentlichen in derselben Richtung läuft.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Lichtemissionsdiodeneinheit, wie sie zur Untersuchung des Aussehens, der Endbearbeitung oder zur Erkennung von Fehlern in einem Produkt verwendet wird.
HINTERGRUNDBILDENDE TECHNIK
Herkömmlicherweise wird bei einer Lichtquelle vom Lichtemissionsdiodentyp, wie sie in einer Beleuchtungseinheit zur Untersuchung oder dergleichen verwendet wird, um die Konvergenzfunktion zu verbessern, eine kugelförmige Linse angebracht, um durch ein Lichtemissionselement emittiertes Licht zu konvergieren, oder es wird ein Reflektor, der Licht nahe dem Lichtemissionselement zur Richtung der Lichtemission reflektiert, nahe am Lichtemissionselement angeordnet.
Jedoch kann bei Lichtemissionsdiodeneinheiten mit dem o.g. Aufbau, da das vom Lichtemissionselement abgestrahlte Licht innerhalb des Linsenteils der Lichtemissionsdiodeneinheit reflektiert wird und läuft, oder da es auf andere Weise in der Richtung der Lichtemission läuft, als dies ausgehend von einer Punktlichtquelle der Fall wäre, das vom Lichtemissionselement emittierte Licht nicht parallel gemacht werden, um in eine bestimmte Richtung zu laufen, und das Licht kann durch z.B. eine herkömmliche Konvergenzlinse nicht konvergiert werden, was zu einem Problem dahingehend führt, dass verhindert ist, dass eine große Lichtmenge auf eine kleine Fläche gestrahlt wird. Außerdem besteht ein Problem dahingehend, dass einiges des vom Lichtemissionselement abgestrahl ten Lichts umsonst in solcher Weise abgestrahlt wird, dass seitlich abgestrahltes Licht nicht genutzt wird. Ferner kann zwar durch Erhöhen des elektrischen Stroms mehr Licht vom Lichtemissionselement erhalten werden, jedoch nimmt dadurch die unerwünschte Freisetzung von Wärmeenergie drastisch zu, was zu einer schnellen Beeinträchtigung des Lichtemissionselements führt.
Nun beabsichtigt die vorliegende, beanspruchte Erfindung hauptsächlich, die o.g. Probleme zu lösen und eine Lichtemissionsdiodeneinheit mit hoher Leistungsfähigkeit zu schaffen, die das vom Lichtemissionselement abgestrahlte Licht verlustfrei konvergieren kann und die leicht eine große Lichtmenge auf eine kleine Fläche abstrahlen kann.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende, beanspruchte Erfindung ist so ausgebildet, dass sie mit Folgendem versehen ist: einem Lichtemissionselement, einer Basis mit einem Wärmeabführelement, das durch das Lichtemissionselement erzeugte Wärme abführt, und einer ersten Linse mit einem Reflexionselement, das Licht reflektiert, das unter dem vom Lichtemissionselement emittierten Licht außerhalb eines vorbestimmten Winkels läuft, und einem Brechungselement, das Licht, unter dem vom Lichtemissionselement emittierten Licht, das innerhalb des vorbestimmten Winkels läuft, bricht, wobei jedes derselben integral ausgebildet ist, wobei die erste Linse integral an der Basis montiert ist, wodurch durch das Reflexionselement und das Brechungselement dafür gesorgt wird, dass vom Lichtemissionselement emittiertes Licht im Wesentlichen in derselben Richtung läuft.
Gemäß dieser Anordnung ist es möglich, das vom Lichtemissionselement, einer Punktlichtquelle, abgestrahlte Licht als parallele Lichtstrahlen abzustrahlen, die in derselben Richtung laufen. Außerdem kann, wenn z.B. eine asphärische Linse oder dergleichen verwendet wird, das so erzeugte parallele Licht auf eine kleine Fläche konvergiert werden, um Lichtemissionsdiodeneinheiten hoher Leistungsfähigkeit zu schaffen, die hinsichtlich der Lichtkonvergenzeigenschaften ultimativ hervorragend sind und die im Konvergenzpunkt Licht hoher Intensität abstrahlen können. Es ist möglich, auf einfache Weise eine derartig aufgebaute Lichtemissionsdiodeneinheit in eine Einrichtung wie Einheiten zur Produktuntersuchung einzubauen und dabei den Konstruktionsfreiheitsgrad zu verbessern.
Außerdem ist es, um das Lichtemissionselement zu schützen, ohne die Intensität des von ihm abgestrahlten Lichts zu schwächen, und um das Licht von ihm effektiv zu nutzen, erforderlich, dass interne Reflexion an einer Fläche des Lichtemissionselements verringert werden kann. Um dies auszuführen, ist es bevorzugt, dass die erste Linse mit einem Elementschutzabschnitt versehen ist, der das Lichtemissionselement aufnimmt, und dass ein transparentes Element aus Harz oder dergleichen, dessen Brechungsindex zwischen demjenigen der ersten Linse und demjenigen des Lichtemissionselements liegt, bevorzugter, dessen Brechungsindex nahe an demjenigen der ersten Linse liegt, den Elementschutzabschnitt ausfüllt.
Ferner ist es, um Licht, das hinsichtlich des abgestrahlten Lichts innerhalb des vorbestimmten Winkels läuft, mit einer kompakten Anordnung effektiv zu konvergieren, bevorzugt, dass das Brechungselement eine Fresnel-Linse ist, die im Linsenzentrum einen konvexen Linsenabschnitt aufweist, um den herum mehrere orbikulare Zonenlinsenabschnitte angeordnet sind.
Wenn versucht wird, vom Lichtemissionselement abgestrahltes Licht durch eine normale brechende Kugellinse oder eine asphärische brechende Linse parallel auszubilden, nimmt die Lichtintensität vom Strahlzentrum weg zu, wie es in der 13 dargestellt ist. Ferner nimmt dann, wenn das Licht erneut konvergiert wird, um paralleles Licht in ein Objekt X einzuführen, um Licht z.B. in eine optische Faser oder eine Stablinse einzuführen, der Winkel zwischen dem äußeren Abschnitt des Lichts und dem Zentrum der optischen Achse LC mit zunehmendem Abstand vom Zentrum zu, was ein effektives Einleiten von Licht in das Objekt X oder eine effiziente Transmission von Licht innerhalb des Objekts X verhindert. Im Ergebnis ist, wie es in der 13 dargestellt ist, paralleles Licht H, dessen Lichtintensität an einer Position weiter entfernt vom Lichtzentrum höher ist, aus dem Gesichtspunkt einer effizienten Einleitung von Licht in eine optische Faser oder eine Stablinse schädlich.
Um dieses Problem zu lösen und um paralleles Licht zu erhalten, dessen Intensität im Wesentlichen gleichmäßig ist, muss der Abstand zwischen jedem orbikularen Zonenlinsenabschnitt und der Ebene des Lichtemissionselements, parallel zur optischen Achse, für orbikulare Zonenlinsenabschnitte, die näher am Zentrum liegen, zunehmen. "Der Abstand zwischen jedem orbikularen Zonenlinsenabschnitt und der Ebene des Lichtemissionselements parallel zur optischen Achse" ist der Abstand zwischen z.B. dem Zentrum der Brechungsfläche eines orbikularen Zonenlinsenabschnitts und der Ebene des Lichtemissionselements entlang der Richtung der optischen Achse.
Bevorzugter ist die Brechungsfläche jedes orbikularen Zonenlinsenabschnitts asphärisch ausgebildet.
Das Lichtemissionselement fungiert beinahe als Lichtquelle, jedoch es handelt es sich tatsächlich um eine Flächenlicht quelle mit messbarer Lichtemissionsfläche. Um das gesamte vom Lichtemissionselement emittierte Licht durch die Brechungsflächen der orbikularen Zonenlinsenabschnitte zu brechen und es ohne merkliche Verluste nach vorne abzustrahlen, ist es bevorzugt, dass der Winkel zwischen einer Verbindungsfläche zwischen der Brechungsfläche eines orbikularen Zonenlinsenabschnitts und einer Brechungsfläche desjenigen orbikularen Zonenlinsenabschnitts, der den äußeren radialen Nachbarn bildet, und der optischen Achse so eingestellt ist, dass er dem Winkel zwischen dem von einem Ende des Lichtemissionselements zu einem unteren Ende der Verbindungsfläche laufenden Licht und der optischen Achse entspricht oder kleiner als dieser ist.
Um Licht hoher Luminanz abzustrahlen, muss ein großer Strom durch das Lichtemissionselement, eine Punktlichtquelle, geleitet werden, und um das Problem der durch das Lichtemissionselement erzeugten Wärme zu lösen, ist die Basis vorzugsweise so ausgebildet, dass ein Wärmeleitelement, dessen Wärmeleitungskoeffizient größer als derjenige des Wärmeabführelements ist, zwischen diesem und dem Lichtemissionselement angeordnet ist.
Um die Anzahl der das Lichtemissionselement umgebenden Komponenten zu verringern und um einfachen Zusammenbau zu ermöglichen, ist es bevorzugt, dass die Basis ferner über eine Leiterbahnplatte verfügt, die auf einer Fläche des Wärmeabführelements montiert ist, und dass ein Draht, der elektrische Spannung an das Lichtemissionselement anlegt, direkt mit der Leiterbahnplatte verbunden ist.
Ferner ist es bevorzugt, um Licht in eine optische Faser oder eine Stablinse einzuleiten, wie oben angegeben, dass die zweite Linse, die das durch das Lichtemissionselement emittierte Licht konvergiert, an der ersten Linse angebracht ist.
Für ein Lichtemissionselement D1 vom Typ mit superhoher Leuchtstärke (als Leistungs-LED bezeichnet), das einen Strom nicht unter 250 mA leiten kann, ist eine Anordnung bekannt, wie sie in der 10 dargestellt ist, bei der die Grenze zwischen der P-Schicht und der N-Schicht extrem dicht (einige μm) an einer Verbindungsfläche des Leiterbahnmusters C liegt, um die Wärmeabfuhr zu berücksichtigen. In diesem Fall können, wenn ein derartiges Lichtemissionselement D1 auf einer Basis 1 mit einem Wärmeabführelement 12, einem laminierten Isoliermaterial 15, das dieses bedeckt, und einem auf dem Isoliermaterial 15 angeordneten Leiterbahnmuster C angebracht ist, wenn die Anschlussfläche des Lichtemissionselements D1 direkt an das Leiterbahnmuster C gelötet wird, die P-Schicht und die N-Schicht des Lichtemissionselements D1 durch das Lot elektrisch verbunden werden, das um das Lichtemissionselement D1 herum vorsteht, und so können sie kurzgeschlossen werden, obwohl das Isoliermaterial 15 unbeschädigt ist, da der Schmelzpunkt des Lots vergleichsweise niedrig ist. Um dies zu vermeiden, kann, wenn das Leiterbahnmuster C und das Lichtemissionselement D1 unter Verwendung einer Legierung von Gold und Zinn verbunden werden, das Isoliermaterial 15 aufgrund der zum Schmelzen der Legierung beim Verbinden der Teile miteinander erforderlichen hohen Temperatur beschädigt werden, obwohl das Problem eines um das Lichtemissionselement D1 herum vorstehenden Metalls verhindert ist.
Diese Probleme traten mit dem Erscheinen der sogenannten Leistungs-LED auf, und um sie dauerhaft zu beseitigen, ist es bevorzugt, dass das Lichtemissionselement mittels eines Abstandshalters mit vorbestimmter Dicke auf dem Leiterbahnmuster montiert wird. Dies, da es dann möglich ist, ein Durchbrechen des Isoliermaterials zu verhindern, wie es auftreten könnte, wenn der Abstandshalter und das Leiterbahnmuster mit einem Lot mit niedriger Schmelztemperatur verbunden werden, und es ist möglich, dadurch zu verhindern, dass das Lichtemissionselement dadurch kurzgeschlossen wird, dass es und der Abstandshalter unter Verwendung einer Legierung von Gold und Zinn, deren Neigung, gegenüber der Verbindungsstelle vorzustehen, niedrig ist, verbunden werden.
Bei dieser Anordnung können auch die folgenden Effekte erzielt werden.
Genauer gesagt, erfordert es beim Anbonden des Lichtemissionselements durch einen Abstandshalter aus z.B. Kupfer, dessen Wärmekapazität kleiner als die der Basis ist, und dessen Wärmeleitfähigkeit weit höher ist, weniger Zeit, Wärme zuzuführen als dann, wenn das Lichtemissionselement an eine Basis gebondet wird, deren Wärmekapazität größer als die des Abstandshalters ist, wodurch die Möglichkeit einer Beeinträchtigung oder einer Beschädigung des Lichtemissionselements aufgrund der Wärme beim Bondprozess verringert ist. In Zusammenhang damit ist es auch möglich, wenn der Abstandshalter aus einem Material wie Kupfer hergestellt wird, das hinsichtlich der Wärmeleitung hervorragend ist, die Möglichkeit einer Beschädigung des Lichtemissionselements durch Wärme während des Gebrauchs, wenn Licht emittiert wird, zu verringern.
Außerdem wird, wenn es erforderlich wird, die Basis zu verbiegen, die Kraft, die dafür sorgt, die Basis zu verbiegen, nicht direkt an das Lichtemissionselement übertragen, was die Möglichkeit einer Beschädigung desselben verhindert oder verhindert, dass es sich durch eine derartige Kraft und Bewegung ablöst.
Ferner kann, da das Lichtemissionselement um die Höhe des Abstandshalters gegenüber der Basis absteht, ein optisches System auf einfache Weise montiert werden, das, durch Reflexion, die effektive Nutzung des Lichts erleichtern kann, das genau radial vom Lichtemissionselement abgestrahlt wird.
Außerdem muss bei den herkömmlichen Anordnungen, da der das Lichtemissionselement anschließende Abschnitt ein Leiterbahnmuster ist, die gesamte Fläche desselben extrem glatt sein. Jedoch ist bei der Anordnung gemäß der vorliegenden beanspruchten Erfindung nur für die Oberseite des Abstandshalters ein vorbestimmter Glattheitsgrad erforderlich, was den Herstellprozess vereinfacht.
Die Temperatur des Lichtemissionselements, der Basis und des Abstandshalters schwanken alle, wenn der Bondvorgang ausgeführt wird, oder während der Lichtemission, und jedes der Teile erfährt eine individuelle Expansion oder Kontraktion wenn die Temperatur schwankt. Dann werden, wenn die Wärmeexpansionskoeffizienten der jeweiligen Materialien stark differieren, aufgrund von Temperaturschwankungen Spannungen erzeugt, wenn die Teile verbunden werden, wodurch sich Verbindungen lockern können oder das Bauteil ausfallen kann. Um dies zu verhindern und um thermische Spannungen durch den Abstandshalter zu lindern, ist es bevorzugt, dass der Wärmeexpansionskoeffizient des Abstandshalters einen Wert zwischen demjenigen des Lichtemissionselements und demjenigen des Wärmeabführelements aufweist.
Genauer gesagt, ist es bevorzugt, dass die Basis aus Aluminium besteht und der Abstandshalter aus einem elektrisch leitenden Material, z.B. Kupfer, besteht. Wie oben angegeben, wird, da Kupfer über hervorragende Wärmeleitfähigkeit verfügt, die vom Lichtemissionselement erzeugte Wärme schnell an die Basis übertragen, und die Temperaturdifferenz zwischen dem Lichtemissionselement, dem Abstandshalter und der Basis kann innerhalb einer kurzen Zeitperiode ausgeglichen werden, und es können auch thermische Spannungen unterdrückt werden, die sich aus Temperaturdifferenzen zwischen dem Lichtemissionselement, dem Abstandshalter und der Basis ergeben. Außerdem kann ein Teil der Leiterbahn weggelassen werden, da Kupfer elektrisch leitend ist.
Um über einen Abstandshalter zu verfügen, der hinsichtlich des Schützens des Lichtemissionselements vor thermischen Spannungen bevorzugter ist, wird es vorgeschlagen, dass der Wärmeexpansionskoeffizient des Abstandshalters einen Wert zwischen demjenigen des Lichtemissionselements und demjenigen des Wärmeabführelements aufweist und dass der Wert näher am Wärmeexpansionskoeffizient des Lichtemissionselements als an dem des Wärmeabführelements liegt.
Da das Lichtemissionselement extrem klein ist und schwierig zu handhaben ist, ist eine sehr komplizierte und teure Anlage erforderlich, um es zu montieren. Bei herkömmlichen Verfahren zum Montieren eines Lichtemissionselements direkt auf einer Basis sind verschiedene teure Anlagen jedesmal dann erforderlich, wenn Lichtemissionselemente auf einer Basis von anderem Design zu montieren sind, und in ähnlicher Weise ist ein anderes und teures Anlagenteil erforderlich, wenn mehrere Lichtemissionselemente zu montieren sind. Außerdem können derartige Lichtemissionselemente, da sie direkt zu handhaben sind, Beschädigungen erleiden. Ferner müsste, wenn ein beschädigtes Lichtemissionselement fehlerhaft durch ein Verfahren auf einer Basis montiert wird, das es nicht ermöglicht, das Lichtemissionselement abzumontieren, wie dann, wenn eine Legierung von Gold und Zinn verwendet wird, eine derartige Basis, an der ein beschädigtes Lichtemissionselement montiert ist, weggeworfen werden.
Gemäß einem Verfahren zum Herstellen einer Lichtemissions diodeneinheit mit einem Prozess, bei dem der Abstandshalter an der Basis montiert wird, nachdem das Lichtemissionselement am Abstandshalter montiert wurde, kann die Anlage vereinfacht werden, da der Prozess zum Montieren des Lichtemissionselements am Abstandshalter durch eine gemeinsame Anlage ausgeführt werden kann. Außerdem ist es möglich, eine Situation zu vermeiden, bei der die gesamte Basis wegen eines fehlerhaften Lichtemissionselements oder eines solchen weggeworfen werden muss, bei dem das Anbonden an den Abstandshalter oder die Leiterbahnverbindung zu diesem fehlschlug, da derartige fehlerhafte Teile dann weggeworfen werden können, wenn das Lichtemissionselement am Abstandshalter montiert wird. Außerdem kann, wenn ein Abstandshalter ungeeignet mit der Basis verbunden ist (Positionsungenauigkeit), derselbe einfach abmontiert und geeignet neu montiert werden, da er durch Löten verbunden wird.
Ferner kann, da es möglich ist, das Lichtemissionselement an der Basis zu montieren, ohne es zu berühren, da der Abstandshalter selbst erfasst und montiert wird, das Problem vermieden werden, dass Lichtemissionselemente zerstört werden, wenn sie an der Basis montiert werden, wodurch die Herstellausbeute verbessert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine allgemeine Konstruktionsschnittansicht einer Lichtemissionsdiodeneinheit, die ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden beanspruchten Erfindung bildet.
2 ist eine Draufsicht einer Basis gemäß der Ausführungsform.
3 ist ein vergrößerter Längsschnitt, der einen Ab schnitt zeigt, in dem ein Trägerelement gemäß der Ausführungsform montiert ist.
4 ist ein Längsschnitt, der eine erste Linse gemäß der Ausführungsform zeigt.
5 ist ein vergrößerter Längsschnitt, der einen Abschnitt zeigt, in dem ein Trägerelement gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden beanspruchten Erfindung montiert ist.
6 ist ein vergrößerter Längsschnitt, der einen Abschnitt zeigt, in dem ein Trägerelement gemäß noch einer weiteren, anderen Ausführungsform der vorliegenden beanspruchten Erfindung montiert ist.
7 ist eine Draufsicht einer Basis gemäß einer weiteren, verschiedenen Ausführungsform der vorliegenden beanspruchten Erfindung.
8 ist ein Längsschnitt der Basis gemäß der Ausführungsform.
9 ist ein vergrößerter Längsschnitt, der einen Abschnitt zeigt, in dem ein Trägerelement gemäß der Ausführungsform montiert ist.
10 ist ein vergrößerter Längsschnitt, der einen Abschnitt zeigt, in dem ein Trägerelement gemäß einer herkömmlichen Anordnung montiert ist.
11 ist eine allgemeine Konstruktionsschnittansicht einer Lichtemissionsdiodeneinheit gemäß einer weiteren, verschiedenen Ausführungsform der vorliegenden beanspruchten Erfindung.
12 ist ein Längsschnitt eines Hauptabschnitts der ersten Linse gemäß der Ausführungsform.
13 ist ein Längsschnitt des Hauptabschnitts der ersten Linse, und sie zeigt ein Beispiel, bei dem ein Brechungselement gemäß der vorliegenden beanspruchten Erfindung eine asphärische Linse aufweist.
BESTE ARTEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Nun wird eine Ausführungsform der vorliegenden beanspruchten Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 erläutert.
Die 1 ist eine allgemeine Konstruktionsschnittansicht einer Lichtemissionsdiodeneinheit D, die ein System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden beanspruchten Erfindung bildet.
Die Lichtemissionsdiodeneinheit D verfügt über ein Trägerelement D1 als Lichtemissionselement, das z.B. für eine Leistungs-LED zu verwenden ist, eine Basis 1 in einem vorbestimmten Gebiet, wo das Trägerelement D1 anzubringen ist, eine erste Linse 2, die durch die Basis 1 gehalten wird und durch das Trägerelement D1 emittiertes Licht R in im Wesentlichen paralleles Licht H wandelt, das in einer gewünschten Laufrichtung läuft, bei der es sich um eine Strahlungsachse P handelt, und eine zweite Linse 3, die so angeordnet ist, dass sie einen Kontakt entlang einem distalen Endabschnitt 220 der ersten Linse 2 bildet.
Bei dieser Ausführungsform ist die Laufachse des parallelen Lichts H der ersten Linse 2 als "Strahlungsachse" verwendet, und die Richtung, in der das Lichtemissionselement D1 das emittierte Licht R emittiert, ist als "Richtung der Lichtemission" definiert, und die dazu entgegengesetzte Richtung ist als "Richtung entgegengesetzt zur Lichtemission" definiert.
Nun wird jede Komponente detailliert beschrieben.
Das Trägerelement D1 ist, wie es in den 1 bis 3 dargestellt ist, vom Oberflächenmontagetyp mit einer Lichtemissionsfläche D11, die von ihrer Fläche eine vorbestimmte Farbe abstrahlt. Da das Trägerelement D1 in der Draufsicht die Form eines extrem kleinen Rechtecks von ungefähr 1 mm² aufweist, kann es als Punktlichtquelle angesehen werden.
Die Basis 1 ist in der Draufsicht, wie in den 1 bis 3 dargestellt, von im Wesentlichen rechteckiger Form, wobei entlang der Dickenrichtung ein Wärmeleitungselement 14, das durch das Trägerelement D1 erzeugte Wärme direkt empfängt, ein Wärmeabführelement 12, das die vom Wärmeleitelement 14 empfangene Wärme abführt, und eine Leiterbahnplatte 11, die dem Trägerelement D1 elektrische Spannung zuführt, hierarchisch angeordnet sind. Jedes Element ist in Schichten montiert, d.h., dass das Wärmeabführelement 12, das Wärmeleitelement 14 und die Leiterbahnplatte 11 aufeinanderfolgend aus der Richtung entgegengesetzt zur Lichtemission durch einen Klebstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit, ein Elastomer wie Silikon, oder ein Harz, verbunden sind.
Genauer gesagt, liegt das Wärmeleitelement 14 mit Rechteckform als dünne Platte vor, bei der eine Trägerelement-Montagefläche 141, auf die das Trägerelement D1 direkt gebondet werden kann, im zentralen Teil ihrer Fläche angeordnet ist, wobei Kontakt zur gesamten Rückseite der Lichtemissionsfläche D11 des Trägerelements D1 besteht. Das Wärmeleitelement 14 ist so ausgebildet, dass es über eine größere Fläche als das Trägerelement D1 verfügt. Das Wärmeleitelement 14 besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie synthetischem Diamant, Aluminiumnitrid, einem geschmolzenen Wärmeabführharz oder einer Flüssigkeramik, so dass die durch das Trägerelement D1 erzeugte Wärme durch schnelle Diffusion zur Oberfläche des Wärmeabführelements 12 übertragen werden kann. Ferner ist auf die Fläche des Wärmeleitelements 14 durch ein Ionenplattierverfahren eine Silberplattierungsbeschichtung M, deren Reflexionskoeffizient groß ist, so dass jede Wellenlänge im Bereich sichtbaren Lichts effektiv reflektiert werden kann, aufgebracht, so dass eine hergestellte Überzugsschicht hervorragende Eigenschaften hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit erzielen kann.
Das Wärmeabführelement 12 liegt mit im Wesentlichen rechteckiger Form aus einem Wärmeabführmetall wie Kupfer oder Aluminium vor, das die durch das Trägerelement D1 erzeugte Wärme effektiv abführen kann.
Die Leiterbahnplatte 11 liegt in Form einer dünnen Platte mit einer Dicke vor, die beinahe mit derjenigen des Trägerelements D1 übereinstimmt, wobei ihre Außenform im Wesentlichen dieselbe wie die des Wärmeabführelements 12 ist, und sie ist an diesem montiert. Auf ihrer Fläche 110 ist ein Leiterbahnmuster C ausgebildet, das elektrische Spannung von außerhalb der Lichtemissionsdiodeneinheit D zuführen kann. Ferner ist das Wärmeabführelement 12 mit einer Vertiefung versehen, an die das Wärmeleitelement 14 angebondet ist, so dass die Fläche des Wärmeleitelements 14 im Wesentlichen flach zu einer Fläche des Wärmeabführelements 12 verläuft, und das Trägerelement D1, das auf der Fläche des Wärmeleitelements 14 angeordnet ist, liegt über eine zylindrische Trägerelement-Freilegebohrung 111 frei, die einen Durchmesser aufweist, der kleiner als eine Seite des Wärmeleitelements 14 ist, mit Anordnung an einer Position der Leiter bahnplatte 11 in Überlappung mit dem Trägerelement D1. Dann ist die Lichtemissionsfläche D11 des Trägerelements D1 an einer Position angeordnet, die im Wesentlichen flach zur Fläche 110 der Leiterbahnplatte 11 verläuft.
Außerdem sind das Leiterbahnmuster C und das Trägerelement D1 über einen Draht W auf solche Weise, dass Elektrizität geleitet werden kann, direkt verbunden, und das Trägerelement D1 emittiert Licht, wenn dem Leiterbahnmuster C elektrische Spannung zugeführt wird.
Bei dieser Ausführungsform sind in Eckabschnitten 123, 124 der Basis 1 Schraublöcher NN ausgebildet, und die Basis 1 kann unter Verwendung derselben an ein Gehäuse oder dergleichen einer Untersuchungseinheit, die in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, angeschraubt werden.
Die erste Linse 2 verfügt, wie es in den 1 und 4 dargestellt ist, über einen Linsen-Hauptelementabschnitt 21, der im Wesentlichen hornförmig ausgebildet ist und dessen distale Endfläche ein Abschnitt großen Durchmessers ist, und einen Vorsprungsabschnitt 212, der von einer proximalen Endfläche 211 des Linsen-Hauptelementabschnitts 21 zur Richtung entgegengesetzt zur Lichtemission vorsteht, wobei hinsichtlich des Linsen-Hauptelementabschnitts 21 und des Vorsprungsabschnitts 212 jeder integral ausgebildet ist. Außerdem ist, in einem Zustand, in dem die erste Linse 2 und die Basis 1 integral zusammengebaut sind, die proximale Endfläche 211 so eingestellt, dass sie in stumpfem Kontakt mit der Fläche 110 der Leiterbahnplatte 11 der Basis 1 steht, und die proximale Endfläche 211 und die Lichtemissionsfläche D11 des Trägerelements D1 befinden sich im Wesentlichen auf derselben Höhe.
Nun wird jede Komponente detailliert beschrieben.
Der Linsen-Hauptelementabschnitt 21 bildet eine Fresnel-Linse F als Brechungselement an der Bodenfläche F1 eines konkaven Abschnitts X mit im Wesentlichen Säulenform, der so angeordnet ist, dass er in einem zentralen Abschnitt einer distalen Endfläche 210 eingedrückt ist, wobei ein Reflexionselement 214, das als Parabellinie dargestellt ist, im Wesentlichen über dem gesamten Gebiet liegt, das sich ausgehend von einer Umfangsendkante 213 der proximalen Endfläche 211 zu einer Umfangsendkante 223 der distalen Endfläche 210 erstreckt.
Genauer gesagt, wird der Brechungsindex der Fresnel-Linse F so eingestellt, dass Fresnel-Einfallslicht R1, das innerhalb eines Einfallswinkels A läuft und in die Fresnel-Linse F eintritt und zum vom Trägerelement D1 emittierten Licht R gehört, so gebrochen wird, dass es parallel zur Strahlungsachse P verläuft und zum distalen Endabschnitt 220 der ersten Linse 2 läuft. Bei dieser Ausführungsform ist die Fresnel-Linse F integral mit dem Linsen-Hauptelementabschnitt 21 ausgebildet, jedoch besteht keine Einschränkung hierauf, sondern die Fresnel-Linse F kann gesondert vom Linsen-Hauptelementabschnitt 21 ausgebildet sein.
Das Reflexionselement 214 bildet eine Reflexionswand 225, die zwischen einem proximalen Ende 222, das auf der Seite der Basis 1 bezogen auf einen Lichtpfad L liegt, wie er zur stärksten Seitenrichtung hinsichtlich des vom Trägerelement D1 emittierten Lichts R abgestrahlt wird, und der Umfangsendkante 223 der distalen Endfläche 210 des Linsen-Hauptelementabschnitts 21 angeordnet ist. Die Reflexionswand 225 ist mit vorbestimmter Form ausgebildet, so dass Fresnel-Nichteinfallslicht R2, das außerhalb des Einfallswinkels A läuft und als emittiertes Licht, das nicht das Fresnel-Einfallslicht R1 ist, unter dem vom Trägerelement D1 emittierten Licht R, in die Fresnel-Linse F eintritt, so reflektiert werden kann, dass es zum distalen Endabschnitt 220 der ersten Linse 2 läuft. Bei dieser Ausführungsform ist beinahe die gesamte Fläche vorbestimmter Form als Parabelform ausgebildet, wobei das Fresnel-Nichteinfallslicht R2 in der Richtung des o.g. parallelen Lichts H laufen kann, wobei jedoch keine Einschränkung hierauf besteht, insoweit dass Fresnel-Nichteinfallslicht R2 in der Richtung des parallelen Lichts H läuft, und die Form kann z.B. durch eine Exponentialfunktion angegeben werden.
Der Vorsprungsabschnitt 212 liegt mit Säulenform vor, und vier Vorsprungsabschnitte 212 sind mit gleichmäßigem Intervall entlang der Innenseite der Umfangsendkante 213 der proximalen Endfläche 212 angeordnet. Jeder der vier Vorsprungsabschnitte 212 wird in eine Durchgangsbohrung 1H eingesetzt, um die Linse jeweils auf der Basis 1 zu montieren, und dann erfolgt ein Schmelzen und Aushärten durch thermisches Verstemmen mit einem Löteisen oder dergleichen, damit die erste Linse 2 und die Basis 1 integral montiert werden. Für das Verfahren zum Montieren der ersten Linse 2 auf der Basis 1 besteht keine Einschränkung auf diese Ausführungsform, sondern es kann eine Schraube verwendet werden.
Ferner ist am proximalen Endabschnitt 20 des Linsen-Hauptelementabschnitts 21 ein Elementschutzabschnitt 215 in Form einer Halbkugelfläche gegenüber der proximalen Endfläche 211 in der Lichtemissionsrichtung eingesenkt. Ein Material mit Wärmebeständigkeit und Transparenz, wie Silikon oder Epoxidharz, füllt den Elementschutzabschnitt 215 aus, um das Trägerelement D1 und den Draht W zu bedecken und zu schützen.
Die zweite Linse 3 verfügt, wie es in der 1 dargestellt ist, über einen asphärischen Linsenabschnitt 31, dessen zentraler Abschnitt 3C so ausgebildet ist, dass er in der Richtung entgegengesetzt zur Lichtemission aufgewölbt ist, und einen zylindrischen Linsenhalteabschnitt 32, der so angeordnet ist, dass er sich ausgehend von einer Umfangsendkante 310 des asphärischen Linsenabschnitts 31 aus erstreckt. Die zweite Linse 3 ist so angeordnet, dass eine Linsenfläche 311 des asphärischen Linsenabschnitts 31 entlang einer Öffnung X1 des konkaven Abschnitts X der ersten Linse 2 in Kontakt steht, wobei eine Innenfläche 321 des Linsenhalteabschnitts 32 über die Umfangsendkante 223 der distalen Endfläche 210 der ersten Linse 2 passt. Die Krümmung des asphärischen Linsenabschnitts 31 ist, wie es in der 1 dargestellt ist, so eingestellt, dass die zweite Linse 3 so angeordnet ist, dass sie entlang der ersten Linse 2 in Kontakt steht, wobei das von der ersten Linse 2 her laufende Licht unter einem Konvergenzwinkel FA auf einen Konvergenzpunkt FF konvergiert wird. Der Konvergenzwinkel FA kann dadurch wahlfrei anders als bei dieser Ausführungsform eingestellt werden, dass die Krümmung des asphärischen Linsenabschnitts 31 verändert wird.
Als Nächstes wird die Betriebsweise der Lichtemissionsdiodeneinheit D mit der obigen Anordnung gemäß der vorliegenden beanspruchten Erfindung erläutert.
Als Erstes emittiert, wenn an das Leiterbahnmuster C elektrische Spannung angelegt wird, das Trägerelement D1, an das die elektrische Spannung angelegt wird, das Emissionslicht R. Das Fresnel-Einfallslicht R1, das unter dem emittierten Licht R in die Fresnel-Linse F eintritt, wird dadurch zu parallelem Licht H parallel zur Strahlungsachse P gemacht, dass es durch die Fresnel-Linse F gebrochen wird, und es läuft zum distalen Endabschnitt 220 der ersten Linse 2. Indessen wird hinsichtlich des Fresnel-Nichteinfallslichts R2, das unter dem emittierten Licht R nicht in die Fresnel-Linse F gelangt, dafür gesorgt, dass es dadurch zu paralle lem Licht H parallel zur Strahlungsachse P wird, dass es durch die Reflexionswand 225 reflektiert wird, und es läuft zum distalen Endabschnitt 220 der ersten Linse 2.
Wie oben angegeben, erreicht das vom Trägerelement D1, der Punktlichtquelle, emittierte Licht R den distalen Endabschnitt 220 der ersten Linse 2 als paralleles Licht H aufgrund der Fresnel-Linse F und der Reflexionswand 225.
Das parallele Licht H, das den distalen Endabschnitt 220 der ersten Linse 2 erreicht, wird durch die asphärische Linse 31 der zweiten Linse 3 auf den Konvergenzpunkt FF konvergiert, um dadurch auf diesem mit kleiner Fläche eine große Lichtmenge zu erhalten.
Wenn das Trägerelement D1 das Emissionslicht R emittiert, erzeugt das Trägerelement D1 Wärme. Die durch das Trägerelement D1 erzeugte Wärme wird unmittelbar durch das Wärmeleitelement 14 diffundiert, das mit dem Trägerelement D1 in Kontakt steht, und sie wird an das Wärmeabführelement 12 übertragen und dann durch dieses freigesetzt. Wie angegeben, ist es möglich, da die durch das Trägerelement D1 erzeugte Wärme effektiv freigesetzt werden kann, eine Beeinträchtigung der Lichtemissionsfunktion oder eine Verkürzung der Lebensdauer aufgrund eines Temperaturanstiegs zu verhindern und auch einen großen elektrischen Strom durchzuschicken.
Wie oben angegeben, ist es, gemäß der vorliegenden beanspruchten Erfindung, möglich, das vom Trägerelement D1, der Punktlichtquelle, emittierte Emissionslicht R verlustfrei als parallele Lichtstrahlen zu konvergieren, die in derselben Richtung laufen. Außerdem kann, wenn z.B. eine asphärische Linse oder dergleichen verwendet wird, das so erzeugte parallele Licht auf einfache Weise auf eine kleine Fläche konvergiert werden, um dadurch Lichtemissionsdiodeneinheiten hoher Leistungsfähigkeit zu ermöglichen, die hinsichtlich der Lichtkonvergiereigenschaften ultimativ hervorragend sind und die Licht hoher Intensität auf den Konvergenzpunkt strahlen können.
Außerdem ist es möglich, da die durch das Lichtemissionselement erzeugte Wärme effektiv freigesetzt werden kann, eine Beeinträchtigung der Lichtemissionsfunktion des Lichtemissionselements oder eine Verkürzung der Lebensdauer desselben zu verhindern.
Ferner kann, da ein Abschnitt zum Konvergieren von Licht, wie eine Linse, und die Basis integral ausgebildet sind, und da der Konvergenzwinkel durch Austauschen der zweiten Linse wahlfrei eingestellt werden kann, der Konstruktionsfreiheitsgrad verbessert werden, so dass die Lichtemissionsdiodeneinheit in verschiedene Anlagen eingebaut werden kann und sie vorzugsweise als Lichtquelle für z.B. eine Produktuntersuchung verwendet werden kann, die eine enge Untersuchung erfordert, wie eine Leiterbahnüberprüfung oder eine Fehlerüberprüfung für jedes Produkt.
Außerdem ist es möglich, eine Lichtemissionsdiodeneinheit zu schaffen, bei der das Lichtemissionselement geschützt werden kann, ohne dass die Intensität des von diesem emittierten Lichts geschwächt würde, die Anzahl der Komponenten um das Lichtemissionselement verringert werden kann, da der Draht W zum Anlegen elektrischer Spannung an das Lichtemissionselement direkt mit dem Leiterbahnmuster C verbunden ist, und ein Prozess zum Verbinden des Lichtemissionselements und des Leiterbahnmusters C, die beide im Wesentlichen in derselben Ebene angeordnet sind, durch einen Draht kann extrem vereinfacht werden.
Bei der obigen Ausführungsform ist eine Fresnel-Linse als Brechungselement F verwendet, jedoch können andere Linsen verwendet werden, insoweit das vom Trägerelement D1 eintretende Einfallslicht R1 so gebrochen wird, dass es als paralleles Licht H emittiert wird. Die andere Linse kann z.B. eine asphärische Linse oder dergleichen sein.
Außerdem ist es möglich, da das emittierte Licht, das unter dem von der Lichtemissionsdiode D1 emittierten Emissionslicht R außerhalb des Lichtpfads L läuft und das nicht verwendet wurde, durch die Reflexionswand 225 reflektiert werden kann, um zum distalen Endabschnitt 220 der ersten Linse 2 zu laufen, wenn das proximale Ende 222 in der Richtung entgegengesetzt zur Lichtemission bewegt wird, möglich, die Lichtkonvergenzeigenschaften der Lichtemissionsdiodeneinheit weiter zu verbessern.
Ferner wird als zweite Linse 3 der asphärische Linsenabschnitt 31 verwendet, jedoch besteht keine Einschränkung hierauf, insoweit der Konvergenzwinkel wahlfrei eingestellt werden kann, wie bei einer Fresnel-Linse oder dergleichen. Da dafür gesorgt werden kann, dass das durch die zweite Linse mit einem wahlfreien Konvergenzwinkel konvergierte Licht in eine optische Faser eintritt und als Licht mit demselben Winkel genutzt wird wie dasjenige, das von der entgegengesetzten Richtung her eintritt, kann an die folgende Ausführungsform gedacht werden: das mit dem wahlfreien Konvergenzwinkel auf den Konvergenzpunkt FF konvergierte Licht wird durch die optische Faser an einer getrennten Position eingeführt, und es wird unter einem Emissionswinkel mit demselben Winkel wie dem Konvergenzwinkel abgestrahlt. Außerdem kann, wenn eine so angeordnete optische Faser an mehreren Lichtemissionsdiodeneinheiten montiert wird, eine vergrößerte Lichtintensität erzielt werden.
Bei der obigen Ausführungsform ist an der Basis 1 eine ein zelne Kombination aus dem Trägerelement D1 und der ersten Linse 2 angeordnet, jedoch besteht keine Einschränkung hierauf, sondern an der Basis 1 können mehrere Kombinationen aus einem Trägerelement D1 und einer ersten Linse 2 angeordnet werden.
Ferner ist die Silberplattierungsbeschichtung M auf die Oberfläche des Wärmeleitelements 14 aufgetragen, jedoch kann ein Material aufgetragen werden, dessen Reflexionskoeffizient groß ist und das Licht mit einer anderen Wellenlänge als der im Bereich sichtbaren Lichts reflektiert, wie Nahinfrarotlicht oder Ultraviolettlicht. Außerdem kann die Silberplattierungsbeschichtung M auf die Oberfläche des Wärmeleitelements 14 aufgetragen werden, die auf dem Wärmeabführelement 12 platziert wird, wie es in der 5 dargestellt ist, oder sie kann auf die Oberfläche des Wärmeabführelements 12 aufgetragen werden, wie es in der 6 dargestellt ist.
Die Silberplattierungsbeschichtung M wird durch ein Ionenplattierverfahren hergestellt, jedoch besteht keine Einschränkung hierauf, sondern es kann ein anderes Beschichtungsverfahren oder ein Plattierungsverfahren angewandt werden, insoweit die hergestellte Überzugsschicht hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit hervorragend ist.
Außerdem ist das Wärmeleitelement 14 zwischen dem Wärmeabführelement 12 und der Leiterbahnplatte 11 montiert, jedoch kann dafür gesorgt sein, dass es eine kleinere Fläche als die Trägerelement-Freilegebohrung 111 der Leiterbahnplatte 11 aufweist und in dieser angeordnet ist.
Ferner kann das parallele Licht solches Licht sein, das unter einem Winkel innerhalb von ±5% zur Strahlungsachse P läuft, da das Licht denselben Effekt wie bei der o.g. Aus führungsform erzeugt.
Als Nächstes wird eine weitere, verschiedene Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 7 bis 10 beschrieben, wobei die Aufmerksamkeit auf ein Verfahren zum Herstellen der Lichtemissionsdiodeneinheit gemäß der vorliegenden beanspruchten Erfindung gerichtet wird.
Die Lichtemissionsdiodeneinheit gemäß dieser Ausführungsform verfügt über dieselbe Anordnung wie die Lichtemissionsdiodeneinheit gemäß der vorigen Ausführungsform, mit Ausnahme der Basis 1 und des Trägerelements D1 als Lichtemissionselement. Eine Komponente, die einer solchen der vorigen Ausführungsform entspricht, ist mit demselben Code versehen.
Das Trägerelement D1 liegt in Form eines rechteckigen Blocks vom Oberflächenmontagetyp vor, dessen Unterseite die Kathode bildet, und dessen Oberseite die Anode bildet, wobei auf der Bodenfläche eines P-Halbleiters ein extrem dünner (einige Dutzend μm) N-Halbleiter in laminiertem Zustand angebracht ist. Das Trägerelement D1 wird als sogenannte Leistungs-LED bezeichnet, die einen Strom nicht unter 250 mA führen kann und eine beträchtliche Menge elektrischer Energie verbraucht und im Vergleich zu einer normalen LED eine beträchtliche Menge freigesetzter Wärmeenergie erzeugt. Da die Wärme hauptsächlich von einer Grenze B zwischen der P-Schicht und der N-Schicht erzeugt wird, ist diese Grenze B nahe der Unterseite angeordnet, d.h. einer Verbindungsfläche D1a, die der Basis 1 zugewandt ist, um die Wärme effektiv abzuführen.
Die Basis 1 ist plattenförmig, mit der Form im Wesentlichen eines Kreises in der Draufsicht, und sie besteht hauptsächlich aus dem Wärmeabführelement 12 aus Aluminium, wobei ein laminiertes Isoliermaterial 15 seine Oberseite bedeckt und wobei das Leiterbahnmuster C auf dem Isoliermaterial 15 angeordnet ist. Das Isoliermaterial 15 besteht z.B. aus Polyimidharz oder Epoxidharz, und es liegt als extrem dünne Schicht von einigen Dutzend μm vor, um die Wärmeleitung nicht zu stören. Das Leiterbahnmuster C ist ebenfalls dünn, wobei eine Goldplattierung auf Kupfer aufgebracht ist, und bei dieser Ausführungsform ist ein Paar aus positiven und negativen Leiterbahnmustern C(1), C(2) vorhanden.
Bei dieser Ausführungsform ist dafür gesorgt, dass sich eines der Leiterbahnmuster C(1) beinahe über die gesamte Fläche der Oberfläche mit dem zentralen Abschnitt der Basis 1 erstreckt, und das Trägerelement D1 ist über einen Abstandshalter SP aus einem massiven, rechteckigen Block auf dem Leiterbahnmuster C(1) montiert.
Der Abstandshalter SP ist elektrisch leitend, und er besteht aus einem Material, z.B. Kupfer, dessen Fläche in der Draufsicht größer als die des Trägerelements D1 ist, und er wird durch Löten mit z.B. Sn-Pb als Lot als zweitem Verbindungsmaterial mit dem Leiterbahnmuster C(1) verbunden. Die Dicke des Abstandshalters SP ist so eingestellt, dass sie größer als die Höhe des Lots ist, das um eine Grenze zwischen dem Leiterbahnmuster C und dem Abstandshalter SP vorsteht. Die Unterseite D1a des Trägerelements D1 wird unter Verwendung einer Legierung von Gold und Zinn auf den Abstandshalter SP gebondet.
Nun wird eine Prozedur zum Montieren des Trägerelements D1 auf der Basis 1 erläutert. Als Erstes wird die Unterseite D1a des Trägerelements D1 unter Verwendung einer Legierung von Gold und Zinn an den Abstandshalter SP gebondet. Nachdem das so kombinierte, integrierte Element aus dem Abstandshalter SP und dem Trägerelement D1 hergestellt wurde, wird dieses kombinierte, integrierte Element auf das Leiterbahnmuster C(1) der Basis 1 gebondet. Genauer gesagt, wird Lot creme auf das Leiterbahnmuster C(1) der Basis 1 aufgetragen, das kombinierte, integrierte Element aus dem Abstandshalter SP und dem Trägerelement D1 wird auf der Lotcreme platziert, und dann wird die Unterseite D1a des Trägerelements D1 durch eine Wiederaufschmelzbearbeitung in elektrisch verbundenem Zustand am Leiterbahnmuster C(1) befestigt. Als Nächstes wird die Oberseite des Trägerelements D1, d.h. die Anode, durch einen Draht an das andere Leiterbahnmuster C(2) gebondet.
Gemäß dieser Anordnung werden, da das Trägerelement D1 und der Abstandshalter SP durch die Legierung aus Gold und Zinn verbunden sind, deren überstehender Abschnitt niedrig ist, die P-Schicht und die N-Schicht des Trägerelements D1 nicht durch den vorstehenden Abschnitt der Legierung aus Gold und Zinn verbunden, was es ermöglicht, einen Kurzschluss zu vermeiden. Außerdem besteht keine Möglichkeit einer Zerstörung des Isoliermaterials 15, da der Abstandshalter SP und die Basis 1 unter Verwendung von Sn-Pb-Lot verbunden werden, dessen Schmelztemperatur niedriger als die Wärmebeständigkeitstemperatur des Isoliermaterials 15 ist, nachdem das Trägerelement D1 und der Abstandshalter SP verbunden wurden.
Ferner kann, da der Abstandshalter SP aus Kupfer besteht, dessen Wärmeleitung hervorragend ist, und da auch das Leiterbahnmuster C(1) so hergestellt ist, dass es ausreichend groß ist, um die Wärmeleitung nicht zu stören, die durch das Trägerelement D1 aufgrund der Lichtemission erzeugte Wärme schnell an das Wärmeabführelement 12 übertragen werden, was es ermöglicht, die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des Trägerelements D1 aufgrund der Wärme zu verringern.
Außerdem wird, wenn es erforderlich ist, die Basis 1 umzubiegen, die Kraft, die dafür sorgt, dass die Basis 1 umgebogen wird, nicht direkt an das Trägerelement D1 übertragen, wodurch die Möglichkeit einer Beschädigung des Trägerelements D1 oder einer Ablösung aufgrund einer derartigen Kraft und Bewegung verhindert wird.
Ferner kann, da das Trägerelement D1 um die Höhe des Abstandshalters SP gegenüber der Basis 1 hochsteht, ein optisches System einfach montiert werden, das, durch Reflexion, die effektive Nutzung von Licht erleichtern kann, das genau radial vom Trägerelement D1 abgestrahlt wird.
Außerdem ist ein vorbestimmter Glattheitsgrad nur für die Oberseite des Abstandshalters SP erforderlich, die mit dem Trägerelement D1 verbunden ist, so dass sich der Herstellprozess vereinfacht.
Die Temperaturen des Trägerelements D1, der Basis 1 und des Abstandshalters SP schwanken alle, wenn ein Bondvorgang ausgeführt wird oder Licht emittiert wird, und jedes dieser Teile zeigt eine individuelle Expansion oder Kontraktion wenn die Temperatur variiert. Da jedoch der Wärmeexpansionskoeffizient des Abstandshalters SP zwischen demjenigen des Trägerelements D1 und demjenigen des Wärmeabführelements 12 liegt, können thermische Spannungen unterdrückt werden, die sich aus einem Unterschied der kubischen Expansion ergeben. Bei dieser Ausführungsform besteht der Abstandshalter SP aus Kupfer, dessen Wärmeexpansionskoeffizient ungefähr 16×10^–6/K beträgt, das Wärmeabführelement 12 besteht aus Aluminium, dessen Wärmeexpansionskoeffizient ungefähr 23,7×10^–6/K beträgt, und das Trägerelement D1 besteht aus Siliciumcarbid, dessen Wärmeexpansionskoeffizient ungefähr 4,2×10^–6/K beträgt.
Außerdem wird, da der Abstandshalter SP aus Kupfer besteht, das hervorragende Wärmeleitfähigkeit zeigt, die vom Trägerelement D1 erzeugte Wärme schnell an die Basis 1 übertragen, und eine Temperaturdifferenz zwischen dem Trägerelement D1, dem Abstandshalter SP und der Basis 1 kann innerhalb einer kurzen Zeitperiode ausgeglichen werden, und es können auch thermische Spannungen unterdrückt werden, die sich aus Temperaturdifferenzen zwischen dem Trägerelement D1, dem Abstandshalter SP und der Basis 1 ergeben.
Ferner kann, da der Abstandshalter SP auf der Basis 1 montiert wird nachdem das Trägerelement D1 auf ihm montiert wurde, ein schwieriger Prozess zum Montieren des Trägerelements D1 am Abstandshalter SP mit einer üblichen Anlage selbst dann ausgeführt werden, wenn verschiedene Basen 1 verwendet werden. Im Ergebnis kann die Anlage gemeinsam genutzt werden, und es ist möglich, eine Situation zu vermeiden, bei der die gesamte Basis wegen eines mangelhaften Trägerelements D1 weggeworfen werden muss oder ein Trägerelement D1, dessen Bond- oder Verdrahtungsvorgang zum Abstandshalter SP fehlgeschlagen ist, weggeworfen werden muss, da derartige fehlerhafte Teile dann weggeworfen werden können, wenn das am Abstandshalter SP montierte Trägerelement D1 einen Fehler zeigt.
Außerdem kann ein Abstandshalter SP selbst dann, wenn er ungeeignet mit der Basis 1 verbunden ist (Positionsungenauigkeit), einfach abmontiert und geeignet neu montiert werden, da er durch Löten verbunden wird.
Ferner kann, da es möglich ist, das Trägerelement D1 an der Basis 1 zu montieren, ohne es zu berühren, da der Abstandshalter SP als solcher erfasst und montiert wird, ein Problem dahingehend vermieden werden, dass das Trägerelement D1 zerstört wird, wenn es an der Basis 1 montiert wird, so dass die Qualität verbessert wird.
Für den Abstandshalter besteht keine Einschränkung auf ein elektrisch leitendes Material wie Kupfer. Z.B. kann als Isoliermaterial Aluminiumnitrid angegeben werden. Der Wärmeexpansionskoeffizient des Aluminiumnitrids weist einen Wert zwischen dem des Silicium-Trägerelements und demjenigen des Wärmeabführelements auf, und der Wert liegt näher am Wärmeexpansionskoeffizient des Trägerelements als an dem des Wärmeabführelements. Im Ergebnis entstehen nur schwer thermische Spannungen zwischen dem Abstandshalter aus Aluminiumnitrid und dem Trägerelement, obwohl Aluminiumnitrid hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit etwas schlechter als Kupfer ist, so dass das Trägerelement effektiv geschützt werden kann. Im Fall von Aluminiumnitrid sind zwei Drähte erforderlich. Außerdem ist es ferner bevorzugt, dass jede Fläche, die der Basis und dem Lichtemissionselement zugewandt ist, wegen der Verbindung metallisiert wird.
Wie oben angegeben, können, gemäß dieser Ausführungsform, neu entstehende Probleme, die sich aus einem Montageprozess oder Wärmeabfuhr aufgrund des Erscheinens von Leistungs-LEDs ergeben haben, effektiv gelöst werden.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf die 11 und 12 eine andere Ausführungsform des Brechungselements beschrieben.
Das Brechungselement ist eine Fresnel-Linse F mit einem konvexen Linsenabschnitt F1, der im Linsenzentrum angeordnet ist, und mehreren orbikularen Zonenlinsenabschnitten F2, die konzentrisch um den konvexen Linsenabschnitt F1 herum angeordnet sind, und insbesondere bei dieser Ausführungsform ist die Einstellung dergestalt, dass der Abstand zwischen einer vorbestimmten Position (z.B. der Zentrumsposition) der Brechungsfläche F21 und dem Trägerelement D1 entlang der Richtung der optischen Achse P mit einem Weg näher zum Zentrum hin zunimmt. Genauer gesagt, wird die zentrale Position jeder Brechungsfläche F21 so eingestellt, dass sie in einer Schnittansicht auf einem vorbestimmten Bogen liegt, und die Intensität von Licht H, das durch die Fresnel-Linse F durch Brechung parallel gemacht wird, wird so stark wie möglich vergleichmäßigt.
Anders gesagt, nimmt die Lichtintensität vom Zentrum des Strahls aus zu, wie es in der 13 dargestellt ist, wenn versucht wird, vom Trägerelement D1 emittiertes Licht R1 durch eine normale brechende Kugellinse oder eine asphärische, brechende Linse F parallel auszubilden. Ferner nimmt dann, wenn Licht erneut konvergiert wird, um das parallele Licht H in ein Objekt X einzuführen, z.B., um Licht in eine optische Faser oder in eine Stablinse einzuführen, der Winkel zwischen dem Außenabschnitt des Lichts und dem Zentrum der optischen Achse mit dem Abstand vom Zentrum aus zu, was ein effizientes Einführen des Lichts in das Objekt X oder eine effiziente Transmission des Lichts im Objekt X verhindert. Im Ergebnis ist, wie es in der 13 dargestellt ist, paralleles Licht H, dessen Lichtdichte an einer Position näher nach außen hin höher ist, angesichts der Effizienz des Einführens des Lichts in das Objekt X nicht bevorzugt.
Jedoch ist es gemäß dieser Ausführungsform, wie es in der 11 dargestellt ist, da der Effekt gelindert ist, dass die Intensität des parallelen Lichts H nach außen hin abweicht, und da sie vergleichmäßigt werden kann, möglich, das Licht im Vergleich mit einer normalen brechenden Kugellinse effektiv in das Objekt X einzuführen.
Die Brechungsfläche F21 jedes orbikularen Zonenlinsenabschnitts F2 ist asphärisch gemacht.
Ferner ist bei dieser Ausführungsform, wie es in der 12 dargestellt ist, ein Winkel zwischen einer Verbindungsfläche F22 zwischen der Brechungsfläche F21 eines orbikularen Zonenlinsenabschnitts F2 und einer Brechungsfläche F21 desjenigen orbikularen Zonenlinsenabschnitts F2, der der äußere radiale Nachbar ist, und der optischen Achse LC so eingestellt, dass er mit dem Winkel zwischen dem von einem Ende des Trägerelements D1 zum unteren Ende der Verbindungsfläche F22 laufenden Lichts R1 und der optischen Achse LC übereinstimmt oder kleiner als dieser ist.
Als Ergebnis hiervon ist es möglich, alles vom Trägerelement D1, das tatsächlich über eine messbare Lichtemissionsfläche verfügt, emittierte Licht in die Brechungsfläche F21 des orbikularen Zonenlinsenabschnitts F2 einzuführen und es effektiv und ohne merkliche Verluste nach vorne zu brechen.
Der andere Aufbau kann auf verschiedene Arten modifiziert werden, ohne dass vom Grundgedanken der Erfindung abgewichen würde.
MÖGLICHE ANWENDUNGEN IN DER INDUSTRIE
Wie oben angegeben, ist es gemäß der vorliegenden beanspruchten Erfindung möglich, da das vom Lichtemissionselement, einer Punktlichtquelle, emittierte Licht als paralleles Licht, das in derselben Richtung läuft, ohne merkliche Verluste konvergiert werden kann, und da das parallele Licht einfach auf eine kleine Fläche konvergiert werden kann, wenn z.B. eine asphärische Linse verwendet wird, eine Lichtemissionsdiodeneinheit mit hoher Leistungsfähigkeit zu schaffen, die hinsichtlich der Lichtkonvergenzeigenschaften extrem hervorragend ist und die Licht mit hoher Intensität auf den Konvergenzpunkt strahlen kann. Die Lichtemissionsdiodeneinheit verfügt über große mögliche Anwendungen insbesondere auf dem Beleuchtungsgebiet, wie bei der Oberflächenuntersuchung, der Bildverarbeitung oder bei medizinischen Anwendungen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Lichtemissionsdiodeneinheit ist mit Folgendem versehen: einem Lichtemissionselement D1, einer Basis 1 mit einem Wärmeabführelement 12, das durch das Lichtemissionselement D1 erzeugte Wärme abführt, und einer ersten Linse 2 mit einem Reflexionselement 214, das Licht R2 reflektiert, das unter dem vom Lichtemissionselement D1 emittierten Licht R außerhalb eines vorbestimmten Winkels läuft, und einem Brechungselement F, das Licht R1, unter dem vom Lichtemissionselement D1 emittierten Licht R, das innerhalb des vorbestimmten Winkels läuft, bricht, wobei jedes derselben integral ausgebildet ist, wobei die erste Linse 2 integral an der Basis 1 montiert ist, wodurch durch das Reflexionselement 214 und das Brechungselement F dafür gesorgt wird, dass vom Lichtemissionselement D1 emittiertes Licht R im Wesentlichen in derselben Richtung läuft.
(1)

Claims

Lichtemissionsdiodeneinheit mit einem Lichtemissionselement, einer Basis mit einem Wärmeabführelement, das durch das Lichtemissionselement erzeugte Wärme abführt, und einer ersten Linse mit einem Reflexionselement, das Licht reflektiert, das unter dem vom Lichtemissionselement emittierten Licht außerhalb eines vorbestimmten Winkels läuft, und einem Brechungselement, das Licht, unter dem vom Lichtemissionselement emittierten Licht, das innerhalb des vorbestimmten Winkels läuft, bricht, wobei jedes derselben integral ausgebildet ist, wobei die erste Linse integral an der Basis montiert ist, wodurch durch das Reflexionselement und das Brechungselement dafür gesorgt wird, dass vom Lichtemissionselement emittiertes Licht im Wesentlichen in derselben Richtung läuft.
Lichtemissionsdiodeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linse mit einem Elementschutzabschnitt versehen ist, der das Lichtemissionselement aufnimmt, und dass ein transparentes Element aus Harz den Elementschutzabschnitt ausfüllt.
Lichtemissionsdiodeneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brechungselement eine Fresnel-Linse ist, die im Linsenzentrum einen konvexen Linsenabschnitt aufweist, um den herum mehrere orbikulare Zonenlinsenabschnitte angeordnet sind.
Lichtemissionsdiodeneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen jedem orbikularen Zonenlinsenabschnitt und der Ebene des Lichtemissionselements, parallel zur optischen Achse, so eingestellt ist, dass er für die orbikularen Zonenlinsenabschnitte zunimmt, die näher am Zentrum liegen.
Lichtemissionsdiodeneinheit nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Brechungsfläche jedes orbikularen Zonenlinsenabschnitts asphärisch ausgebildet ist.
Lichtemissionsdiodeneinheit nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei der ein Winkel zwischen einer Verbindungsfläche zwischen der Brechungsfläche eines orbikularen Zonenlinsenabschnitts und einer Brechungsfläche desjenigen orbikularen Zonenlinsenabschnitts, der den äußeren radialen Nachbarn bildet, und der optischen Achse so eingestellt ist, dass er dem Winkel zwischen dem von einem Ende des Lichtemissionselements zu einem unteren Ende der Verbindungsfläche laufenden Licht und der optischen Achse entspricht oder kleiner als dieser ist.
Lichtemissionsdiodeneinheit nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis so ausgebildet ist, dass ein Wärmeleitelement, dessen Wärmeleitungskoeffizient größer als derjenige des Wärmeabführelements ist, zwischen diesem und dem Lichtemissionselement angeordnet ist.
Lichtemissionsdiodeneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis ferner über eine Leiterbahnplatte verfügt, die auf einer Fläche des Wärmeabführelements montiert ist, und dass ein Draht, der elektrische Spannung an das Lichtemissionselement anlegt, direkt mit der Leiterbahnplatte verbunden ist.
Lichtemissionsdiodeneinheit nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis das Wärmeabführelement, ein laminiertes Isoliermaterial, das dieses bedeckt, und ein auf dem Isoliermaterial angeordnetes Leiterbahnmuster aufweist, dass das Lichtemissionselement vom Typ mit super hoher Leuchtstärke ist, das einen elektrischen Strom von nicht unter 250 mA führen kann, wobei die Grenze zwischen der P-Schicht und der N-Schicht des Lichtemissionselements extrem dicht an einer Verbindungsfläche zum Leiterbahnmuster liegt, und dass das Lichtemissionselement über einen Abstandshalter mit vorbestimmter Dicke auf dem Leiterbahnmuster montiert ist.
Lichtemissionsdiodeneinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter elektrisch leitend ist.
Lichtemissionsdiodeneinheit nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeexpansionskoeffizient des Abstandshalters einen Wert zwischen demjenigen des Lichtemissionselements und demjenigen des Wärmeabführelements aufweist.
Lichtemissionsdiodeneinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeexpansionskoeffizient des Abstandshalters einen Wert zwischen demjenigen des Lichtemissionselements und demjenigen des Wärmeabführelements aufweist, wobei der Wert näher am Wärmeexpansionskoeffizient des Lichtemissionselements als an demjenigen des Wärmeabführelements liegt.
Lichtemissionsdiodeneinheit nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Linse eine zweite Linse montiert ist, die das Licht konvergiert, das im Wesentlichen in derselben Richtung läuft.
Verfahren zum Herstellen der im Anspruch 9, 10, 11 oder 12 beschriebenen Lichtemissionsdiodeneinheit, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter auf der Basis montiert wird, nachdem das Lichtemissionselement auf ihm montiert wurde.
Verfahren zum Herstellen der im Anspruch 14 beschriebenen Lichtemissionsdiodeneinheit, bei dem das Lichtemissionselement unter Verwendung eines Verbindungsmaterials auf den Abstandshalter gebondet wird und der Abstandshalter unter Verwendung eines zweiten Verbindungsmaterials, das vom Verbindungsmaterial verschieden ist, auf die Basis gebondet wird.
Verfahren zum Herstellen der im Anspruch 15 beschriebenen Lichtemissionsdiodeneinheit, bei dem das Verbindungsmaterial eine Legierung aus Gold und Zinn ist und das zweite Verbindungsmaterial ein Lot ist.