Hochvolt-LED-Multichip-Modul und Verfahren zur Einstellung eines LED-Multichip-Moduls

Die Erfindung betrifft LED-Multichip-Module , die mit hohen Spannungen betrieben werden können.

Leuchtmittel, in denen lichtemittierende Dioden (LEDs) verwendet werden, können einzelne LED-Chips oder auch mehrere zu einem Modul zusammengeschaltete LED-Chips enthalten. In der US 2010/0006868 AI ist ein LED-Bauelement beschrieben, das Reihen- und Parallelschaltungen von LEDs zum Betrieb mit verschiedenen vorgegebenen WechselSpannungen aufweist.

Zur Anpassung der Netzspannung an die Betriebsspannung eines LED-Multichip-Moduls werden in der Regel Treiberschaltungen eingesetzt, die besonders einfach, kompakt, effizient und kostengünstig ausgelegt werden können, wenn die benötigte Betriebsspannung relativ hoch ist. Eine hohe Betriebsspannung von typisch zum Beispiel 280 V wird durch eine Reihenschaltung von LEDs ermöglicht. Dabei tritt das Problem auf, dass die tatsächliche Betriebsspannung aufgrund der Fertigungstoleranzen der LED schwankt. Es wird daher nach Möglichkeiten gesucht, die Betriebsspannungen der LED-Multichip-Module in einem vorgegebenen engen Toleranzbereich zu halten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, anzugeben, wie eine Eigenschaft eines LED-Multichip-Moduls, insbesondere dessen Betriebsspannung, in zuverlässiger und kostengünstiger Weise auf eine Vorgabe eingestellt werden kann. Diese Aufgabe wird mit dem LED-Multichip-Modul mit den Merkmalen des Anspruches 1 beziehungsweise mit dem Verfahren zur Einstellung eines LED-Multichip-Moduls mit den Merkmalen des Anspruches 7 oder des Anspruches 8 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Das LED-Multichip-Modul weist eine Mehrzahl von LED-Chips auf, die elektrische Anschlüsse besitzen und über elektrische Verbindungen in Reihe geschaltet sind. Es ist mindestens eine Kurzschlussverbindung vorhanden, die zwei der Anschlüsse oder Verbindungen elektrisch leitend miteinander verbindet und mindestens einen der LED-Chips oder einen Widerstand überbrückt, so dass die Betriebsspannung im Bereich zwischen 150 V und 350 V liegt.

Bei einer Ausführungsform des LED-Multichip-Moduls liegt die Betriebsspannung im Bereich zwischen 270 V und 300 V.

Bei einer weiteren Ausführungsform des LED-Multichip-Moduls liegt die Betriebsspannung im Bereich zwischen 250 V und 290 V.

Bei einer weiteren Ausführungsform des LED-Multichip-Moduls ist die Kurzschlussverbindung durch einen Bonddraht bewirkt.

Bei einer weiteren Ausführungsform des LED-Multichip-Moduls ist die Kurzschlussverbindung durch eine Leiterbahn einer strukturierten Metallebene bewirkt.

Bei einer weiteren Ausführungsform des LED-Multichip-Moduls ist ein elektrischer Widerstand in eine der Verbindungen und/oder in die mindestens eine Kurzschlussverbindung

geschaltet, und der Widerstand ist so bemessen, dass er die Betriebsspannung um einen Wert im Bereich zwischen 0,1 V und 3 V, insbesondere im Bereich zwischen 1 V und 3 V, erhöht.

Bei einem Verfahren zur Einstellung eines LED-Multichip- Moduls werden LED-Chips, die elektrische Anschlüsse aufweisen, über elektrische Verbindungen in Reihe geschaltet, und mindestens eine Kurzschlussverbindung wird zwischen den

Anschlüssen oder Verbindungen hergestellt.

Bei einem anderen Verfahren zur Einstellung eines LED-Multi- chip-Moduls werden LED-Chips, die elektrische Anschlüsse aufweisen, über elektrische Verbindungen in Reihe geschaltet. Zwischen den Anschlüssen oder Verbindungen werden diverse Kurzschlussverbindungen hergestellt. Nachträglich wird mindestens eine der Kurzschlussverbindungen unterbrochen.

Bei Ausführungsformen des Verfahrens wird die Betriebsspannung im Bereich zwischen 150 V und 350 V, bei weiteren Ausführungsformen im Bereich zwischen 270 V und 300 V oder im Bereich zwischen 250 V und 290 V eingestellt.

Bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens wird mindestens eine optische Eigenschaft des LED-Multichip-Moduls

eingestellt. Die optische Eigenschaft kann zum Beispiel die Helligkeit der im Betrieb des LED-Multichip-Moduls ausgesandten Strahlung, deren Farbe, deren Farbwiedergabeindex (colour rendering index, CRI) oder deren Abstrahlcharakteristik sein. Um die Einstellung zu ermöglichen, kann der LED- Multichip-Modul insbesondere aus LED-Chips mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufgebaut sein.

Bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens wird ein elektrischer Widerstand vorgesehen, der durch die mindestens eine Kurzschlussverbindung oder durch eine weitere Kurz- schlussverbindung überbrückt wird. Der Widerstand wird zwischen zwei der Anschlüsse oder Verbindungen geschaltet, indem die den Widerstand überbrückende Kurzschlussverbindung unterbrochen wird. Die Betriebsspannung wird durch den

Widerstand um einen Wert im Bereich zwischen 0,1 V und 3 V, insbesondere im Bereich zwischen 1 V und 3 V, erhöht.

Bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens wird einer der LED-Chips mit weiteren elektrischen Verbindungen versehen, so dass die mit einem der Anschlüsse dieses LED-Chips

verbundenen Anschlüsse weiterer LED-Chips auch mit dem jeweils anderen Anschluss dieses LED-Chips verbunden sind. Zwei der weiteren elektrischen Verbindungen werden unterbrochen, so dass jeder Anschluss nur noch mit jeweils einem anderen Anschluss verbunden ist. Mit dieser Ausgestaltung des Verfahrens ist es insbesondere möglich, parallel geschaltete Reihenschaltungen von LEDs aufeinander abzustimmen: Eine in der Anordnung letzte LED wird abhängig von der Auswahl der unterbrochenen weiteren elektrischen Verbindungen an eine der Reihenschaltungen angeschlossen, so dass die betreffende Reihenschaltung dadurch verlängert wird.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des LED- Multichip-Moduls und des Verfahrens anhand der beigefügten Figuren .

Figur 1 zeigt ein Schema einer Anordnung von LED-Chips, die über Bonddrähte verbunden und mit Kurzschlussverbindungen versehen sind.

Figur 2 zeigt die Anordnung gemäß Figur 1 nach dem Auftrennen einer Kurzschlussverbindung. Figur 3 zeigt ein Schema einer Anordnung von LED-Chips, die über Leiterbahnen verbunden und mit Kurzschlussverbindungen versehen sind.

Figur 4 zeigt die Anordnung gemäß Figur 3 nach dem Auftrennen einer Kurzschlussverbindung.

Figur 5 zeigt ein Schema einer Anordnung von LED-Chips, die über Leiterbahnen verbunden und mit überbrückten Widerständen versehen sind.

Figur 6 zeigt die Anordnung gemäß Figur 5 nach dem Auftrennen von Überbrückungen.

Figur 7 zeigt ein Schema einer Anordnung von LED-Chips, die über Leiterbahnen verbunden und mit weiteren elektrischen Verbindungen für die Realisierung unterschiedlicher

Schaltungsanordnungen versehen sind.

Figur 8 zeigt die Anordnung gemäß Figur 7 für ein Beispiel einer Schaltungsanordnung.

Figur 9 zeigt die Anordnung gemäß Figur 7 für ein weiteres Beispiel einer Schaltungsanordnung.

Figur 10 zeigt ein Schema eines LED-Multichip-Moduls in einer Draufsicht .

Figur 11 zeigt eine LED-Treiberschaltung mit Stromregler.

Figur 12 zeigt eine LED-Treiberschaltung gemäß Figur 11 mit Eingangskondensator . Die Figur 1 zeigt ein Schema einer Reihenschaltung von LED- Chips 1. Die LED-Chips 1 können zum Beispiel auf einem

Substrat aus Saphir hergestellt sein. Für den elektrischen Anschluss der LEDs sind auf Oberseiten der LED-Chips 1

Anschlüsse 2 vorhanden, die über elektrische Verbindungen 3 miteinander verbunden sind. Reihenschaltungen von LEDs können parallel zueinander geschaltet sein und jeweils dieselbe Anzahl oder auch unterschiedliche Anzahlen von LEDs umfassen. Kurzschlussverbindungen 4 stellen elektrische Verbindungen zwischen einigen der Anschlüsse 2 her, die dadurch kurzgeschlossen sind, so dass die betreffenden LED-Chips 1 im Betrieb der Reihenschaltung außer Funktion sind. Die Kurz- schlussverbindungen 4 können wie in dem Beispiel der Figur 1 jeweils zwei Anschlüsse 2 desselben LED-Chips 1 kurzschließen oder statt dessen auch zwischen Anschlüssen 2 verschiedener LED-Chips 1 vorgesehen sein. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 sind die Verbindungen 3 und Kurzschlussverbindungen 4 jeweils Bonddrähte 5.

Die Figur 2 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 1 nach dem Auftrennen eines der Bonddrähte 5, die als Kurzschlussverbindungen 4 vorgesehen waren. Der betreffende LED-Chip 1 ist auf diese Weise aktiviert, das heißt, in die Reihenschaltung einbezogen worden. Durch das Auftrennen geeignet ausgewählter Kurzschlussverbindungen 4 kann die Betriebsspannung der

Reihenschaltung der LED-Chips 1 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Ein Bonddraht 5 kann zum Beispiel durch ein mechanisches Werkzeug oder durch den Einsatz eines Lasers aufgetrennt werden.

Zum Einstellen der Betriebsspannung des LED-Multichip-Moduls werden zunächst LED-Chips 1 der Reihenschaltung wie in der Figur 1 gezeigt durch Kurzschlussverbindungen 4 überbrückt, so dass angenommen werden kann, dass die tatsächliche

Betriebsspannung unter der vorgesehenen Betriebsspannung liegt. Während oder nach einer Messung der Betriebsspannung werden so viele Kurzschlussverbindungen 4 unterbrochen, bis die vorgegebene Betriebsspannung zumindest näherungsweise erreicht ist beziehungsweise innerhalb akzeptierter

Toleranzgrenzen liegt. Eine Feinabstimmung kann nach Bedarf zum Beispiel mittels eines lasertrimmbaren Widerstandes erfolgen. Durch das Unterbrechen ausgewählter Kurzschlussverbindungen 4 können statt oder zusätzlich zu der Betriebsspannung optische Eigenschaften des LED-Multichip-Moduls , wie zum Beispiel Helligkeit, Farbe, Abstrahlcharakteristik oder dergleichen, an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden .

Die Figur 3 zeigt ein Schema einer Reihenschaltung von LED- Chips 1 in einer Draufsicht auf die mit den Anschlüssen 2 versehenen Oberseiten. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 sind die Verbindungen 3 und Kurzschlussverbindungen 4 jeweils Leiterbahnen, die zum Beispiel in einer strukturierten Metallebene gebildet sein können. Eine oder mehrere der Leiterbahnen 6, die als Kurzschlussverbindungen 4 vorgesehen sind, können unterbrochen, zum Beispiel mittels eines Laserstrahls durchtrennt werden, um einen oder mehrere LED-Chips 1 in die Reihenschaltung einzubeziehen .

Die Figur 4 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 3 nach dem Auftrennen einer der Leiterbahnen 6, die als Kurzschlussverbindungen 4 vorgesehen waren. Der betreffende LED-Chip 1 ist auf diese Weise zugeschaltet und in die Reihenschaltung einbezogen. Auch bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 3 und 4 können durch das Unterbrechen ausgewählter Kurzschluss- Verbindungen 4 optische Eigenschaften des LED-Multichip- Moduls verändert oder angepasst werden.

Die Figur 5 zeigt ein Schema einer Anordnung gemäß der Figur 3 mit zusätzlichen Widerständen 7 und 8. Der in der Figur 5 links eingezeichnete Widerstand 7 ist parallel zu einer der elektrischen Verbindungen 3 zwischen zwei in der Reihenschaltung aufeinander folgenden LED-Chips 1 geschaltet. Der weiter rechts eingezeichnete Widerstand 8 ist parallel zu einer der Kurzschlussverbindungen 4 geschaltet. Durch mehrere Querverbindungen 23 zwischen der Verbindung 3 und dem

Widerstand 7 beziehungsweise mehrere Querverbindungen 24 zwischen der Kurzschlussverbindung 4 und dem Widerstand 8 sind die Widerstände 7, 8 in Abschnitte unterteilt.

Die Figur 6 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 5, nachdem Unterbrechungen 13 der zu dem Widerstand 7 parallelen

Verbindung 3 und Unterbrechungen 14 der zu dem Widerstand 8 parallelen Kurzschlussverbindung 4 hergestellt worden sind. Aufgrund der Unterbrechungen 13 befinden sich Abschnitte des Widerstandes 7 jetzt innerhalb der Reihenschaltung der LED- Chips 1, so dass der gesamte Widerstand der Reihenschaltung geändert ist. Aufgrund der Unterbrechungen 14 sind Abschnitte des Widerstandes 8 parallel zu dem betreffenden LED-Chip 1 geschaltet, so dass ebenfalls der gesamte Widerstand der Reihenschaltung dadurch geändert ist, aber darüber hinaus auch der an diesem jetzt nur noch über einen Widerstand 8 kurzgeschlossenen LED-Chip 1 auftretende Spannungsabfall in Bezug auf die Gesamtspannung geändert ist.

Mit solchen zunächst mittels Kurzschlussverbindungen 4 überbrückten und nachträglich nach Bedarf abschnittsweise zugeschalteten Widerständen 7, 8 kann eine Feinabstimmung der elektrischen Eigenschaften und/oder der optischen Eigenschaften des LED-Moduls vorgenommen werden. Damit lassen sich auch parallel geschaltete Reihen von LEDs aufeinander abstimmen.

Ein lasertrimmbarer Widerstand kann in eine Metallschicht integriert werden, die zur Ausbildung der elektrischen

Verbindungen 3 und der Kurzschlussverbindungen 4 vorgesehen ist. Statt dessen kann der Widerstand in ein Substrat des LED-Multichip-Moduls integriert werden, so dass das Trimmen außerhalb des LED-Arrays erfolgen kann. Der Widerstand kann in diesem Fall zum Beispiel eine Leiterbahn in Mäanderstruktur sein oder in einer Kernplatine aus Metall integriert sein. Zum Beispiel können elektrische Leiter unterschiedlicher Länge zum LED-Array hingeführt werden; alle Leiter werden parallel angeschlossen, und je nach Bedarf werden die jeweils kürzesten Leiter unterbrochen.

Die Figur 7 zeigt ein Schema einer Anordnung gemäß Figur 3 mit weiteren elektrischen Verbindungen 9 zu einem bestimmten LED-Chip 10 an einer Endposition der Schaltung. Ohne die weiteren elektrischen Verbindungen 9 wäre ein Anschluss 11 des besagten LED-Chips 10 über eine der vorgesehenen

elektrischen Verbindungen 3 mit einem Anschluss 21 des in der Reihenschaltung vorhergehenden LED-Chips la und ein weiterer Anschluss 12 des besagten LED-Chips 10 mit einem Anschluss 22 des in der Reihenschaltung folgenden LED-Chips lx verbunden. Durch die weiteren elektrischen Verbindungen 9 ist erreicht, dass beide Anschlüsse 11, 12 des LED-Chips 10 mit dem

Anschluss 21 des vorhergehenden LED-Chips la und mit dem Anschluss 22 des folgenden LED-Chips lx verbunden sind.

Die Figur 8 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 7, nachdem zwei der weiteren elektrischen Verbindungen 9 aufgetrennt worden sind. Durch die Unterbrechungen 15 ist erreicht, dass der Anschluss 11 des LED-Chips 10 mit dem Anschluss 22 des folgenden LED-Chips lx verbunden ist und der Anschluss 12 des LED-Chips 10 mit dem Anschluss 21 des vorhergehenden LED- Chips la verbunden ist. Wenn der Anschluss 12 als ein

Anschluss der Betriebsspannung fungiert, ist der LED-Chip 10 über seinen Anschluss 11 mit der Reihe von LED-Chips lx, ly, lz usw., die in den Figuren 7 und 8 in der unteren Reihe eingezeichnet sind, in Reihe geschaltet, und diese Reihe ist parallel zu der oberen Reihe der LED-Chips la, lb, lc usw. geschaltet .

Die Figur 9 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 7, nachdem zwei andere der weiteren elektrischen Verbindungen 9

aufgetrennt worden sind. Durch die Unterbrechungen 15 ist in diesem Fall im Unterschied zu der Anordnung gemäß der Figur 8 erreicht, dass der Anschluss 11 des LED-Chips 10 mit dem Anschluss 21 des vorhergehenden LED-Chips la verbunden ist und der Anschluss 12 des LED-Chips 10 mit dem Anschluss 22 des folgenden LED-Chips lx verbunden ist. Wenn der Anschluss 12 als ein Anschluss der Betriebsspannung fungiert, ist der LED-Chip 10 über seinen Anschluss 11 mit der oberen Reihe von LED-Chips la, lb, lc usw. in Reihe geschaltet, und die obere Reihe ist auch hierbei parallel zu der unteren Reihe der LED- Chips lx, ly, lz usw. geschaltet.

Mit den weiteren elektrischen Verbindungen 9 ist eine LED derart an die übrigen LEDs angeschlossen, dass sie nach

Bedarf an die eine Reihe oder die andere Reihe von LEDs angeschlossen werden kann, indem die entsprechenden

Kurzschlussbrücken unterbrochen werden. Parallel zueinander geschaltete Reihen von LEDs können auf diese Weise aufeinander abgestimmt werden. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel eine elektrische oder optische Eigenschaft gemessen und aufgrund dieser Messung diejenige Reihe bestimmt werden, die durch Zuschalten der letzten LED verlängert werden muss, um ihren Messwert an die Messwerte der anderen Reihen anzugleichen.

Die Figur 10 zeigt ein Schema eines LED-Multichip-Moduls in einer Draufsicht. Die LED-Chips 1 sind mittels elektrischer Verbindungen 3 in Reihe geschaltet. Mit einem Bonddraht 5 ist eine Kurzschlussverbindung hergestellt worden, mit der eine Anzahl von LEDs (in dem gezeigten Beispiel vier LEDs)

kurzgeschlossen worden sind und eine elektrische und/oder optische Eigenschaft des LED-Multichip-Moduls nachträglich in gewünschter Weise eingestellt worden ist. Es können mehrere solcher Kurzschlussverbindungen angebracht werden. Die LEDs brauchen nicht alle in Reihe geschaltet zu sein; statt dessen kann eine Parallelschaltung von Reihen von LEDs in dem LED- Multichip-Modul vorhanden sein.

Die Figur 11 zeigt eine für das LED-Multichip-Modul geeignete lineare Treiberschaltung mit einem Widerstand 16, der mit den LED-Chips 1 in Reihe geschaltet ist, mit einer aus Dioden 17 aufgebauten eingangsseitigen Brückenschaltung, mit einem Kondensator 18 und mit einem Stromregler 19, der im einfachsten Fall ein Widerstand sein kann.

Die Figur 12 zeigt die Treiberschaltung gemäß der Figur 11 mit einem Eingangskondensator 20 zur Steigerung der Effizienz. Diese Treiberschaltung ist für einen LED-Strom bis etwa 20 mA geeignet.