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Flexible und kostengünstige Packaging-Methode für Chip-on-Board LEDs mit einstellbarem Abstrahlwinkel (Fleko)
Bei der Chip-on-Board (CoB)-Technologie werden die LED Chips direkt auf die Leiterplatte gesetzt und mittels Bonddrähten kontaktiert. Das Verfahren bietet ein hohes Maß an Flexibilität, beste Positioniergenauigkeit sowie enormes Potential für Miniaturisierung, Thermomanagement und Integration. Neben den LED Chips können zusätzlich Treiber und / oder Auswerteelektronik auf dem Modul integriert werden. Die Chips werden zudem meist durch einen optischen Verguss oder eine Glasabdeckung geschützt. Für viele Anwendungen ist jedoch eine Einschränkung des Abstrahlwinkels der LED notwendig, was mit einer optischen Linse realisiert wird.
Bis heute haben sich drei wesentliche Verfahren zur Herstellung bzw. Befestigung einer solchen Linse etabliert:

1. Einfassung der Linsen in einem Metallgehäuse (TO-Gehäuse) und nachträgliches Aufkleben auf dem Board. Dies hat den Nachteil, dass sich die Klebeverbindung bei hohen Temperaturen (>120°C) auflöst. Zudem ist die Technik teuer und unflexibel.

2. Platzierung der Linsen direkt auf den Chip. Hierzu werden üblicherweise Epoxidharze verwendet, die auf den Chip abgeformt werden. Diese Harze haben den Nachteil, dass sie nicht temperaturbeständig (<85°C) sind und aufgrund ihres Temperaturausdehnungskoeffizienten den Bonddraht beim Erwärmen bzw. Abkühlen vom Chip abreißen können. Ein weiterer Nachteil liegt in der Formbarkeit der Harze. Derzeit ist es nicht möglich, Linsen mit kleinen Abstrahlwinkeln (< 45°) herzustellen. Dafür müsste auf ein TO-Gehäuse zurückgegriffen werden.

3. Die Total-Internal-Reflection (TIR) Linse: Dies ist eine effektive Methode den Abstrahlwinkel zu verkleinern. Sie ist jedoch sehr aufwendig und bedarf komplexer Bauelemente, was sie wiederum sehr teuer und für eine Kleinserienfertigung unbrauchbar macht.  Zudem sind TIR Linsen vergleichsweise groß und für den angestrebten Markt der Sensorik und Medizintechnik, wo der Bauraum meist sehr begrenzt ist nicht geeignet.

Aufgrund dieser Situation ist eine neue, kostengünstige und einfach zu handhabende Packaging-Methode zur Linsenformung und –befestigung für LEDs mit hoher Packungsdichte wünschenswert. Im Projekt soll ein technologisch neuer Ansatz, die Applizierung mittels einer Tropfenmethode, verfolgt werden, wobei die Viskosität der Materialien aber auch die Oberflächenenergie des Substrats eine wichtige Rolle spielen. Die Tropfenmethode hat den Vorteil, dass die Herstellung wesentlich vereinfacht und günstiger wird, da aufwändige Stempel überflüssig sind. Sehr gute Ergebnisse zur Verkleinerung der Abstrahlwinkel konnten bisher mit der PTFE-Beschichtung der Gehäuseoberfläche erzielt werden. Aufgrund der sehr kleinen Oberflächenspannung des PTFEs, bilden die Polymerlinsen sehr große Randwinkel und somit kleine Abstrahlwinkel. Die Beschichtung des Gehäuses mit Graphenoxid wird ebenfalls untersucht.  

COB-LEDs mit Abstrahlcharakteristik
links: COB-LED mit unbehandelter Gehäuseoberfläche, rechts: mit PTFE-Lösung behandelter Gehäuseoberfläche, mitte: die dazugehörigen Abstrahlcharakteristiken


Kooperationspartner:
    AG Photonik, Laser- und Plasmatechnologien   EPIGAP Optronic GmbH  resintec
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