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Die Erfindung betrifft eine Leuchtdiodenanordnung, insbesondere zu Beleuchtungszwecken, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiodenanordnung.
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Leuchtdioden halten zunehmend Einzug in die Beleuchtungstechnik. Wie aus der
JP 2001 237 462 A bekannt werden dabei meist mehrere Licht emittierende Halbleiterelemente auf einem Basisträger zu einem Modul zusammengefasst, wobei die einzelnen Halbleiterelemente zum Schutz gegen Umwelteinflüsse mit einer möglichst dichten Abdeckung versiegelt werden. Dazu kann beispielsweise eine transparente Vergussmasse verwendet werden, die jeweils mehrere LEDs überdeckt. Eine entsprechende Leuchtdiodenanordnung mit Kühlkörper und transparenter Abdeckung zu Beleuchtungszweckenzeigt auch die
DE 10 2006 048 230 A1 . Bei dieser ist die Abdeckung mit dem Kühlkörper verrastet.
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Bei einigen Anwendungsfällen kommt es nicht nur auf die Abdichtung der Halbleiterelemente an. Bei einigen Anwendungsfällen soll die Leuchtdiodenanordnung einen wohldefinierten Lichtkegel mit einem gegebenen Abstrahlwinkel und auch einer gegebenen Lichtverteilung erzeugen. Dazu ist aus der WO 2004/ 070 839 A2 eine Anordnung mit einer Trägerplatte bekannt, auf der eine LED angeordnet ist. Über der LED ist eine Linse angeordnet, die einen sich auf der Trägerplatte abstützenden Rand aufweist. Der Rand umgibt eine Kammer, in der die LED angeordnet ist. Von dem Rand ausgehend erstrecken sich Fortsätze durch Öffnungen der Trägerplatte. Die Linse ist mittels der Fortsätze an der Trägerplatte gehalten. Solche Fälle erfordern den Einsatz optischer Elemente, wie beispielsweise von Linsen. Der Einsatz von sich über die LEDs erstreckender Vergussmasse kann diesem Ziel entgegenstehen.
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Aus der US 2004/ 0 061 120 A1 ist ein Leuchtenmodul bekannt, das ein Lichtauslasselement, einen in dem Lichtauslasselement eingesetzten Saphir und ein Schalen-Profil auf dem Basisträger aufweist. Das durch das Halbleiterelement emittierte Licht wird durch den Saphir und das Lichtauslasselement nach außen gestrahlt. Jedoch ist kein durch das Lichtauslasselement umschlossener Luftraum wie auch kein Lichtkonversionselement als Primäroptik offenbart. Gemäß US 2004/ 0 061 120 A1 dient das Schalen-Profil zur Aufnahme jedes Leuchtdiodenmoduls sowie zur Halterung der Vergussmasse zwischen Leuchtdiodenmodul und Schalenwand. Damit wird das Lichtauslasselement durch Vergussmasse in dem Schalen-Profil versiegelt. Eine spezifische Ausbildung der Außenfläche des Rands des Lichtauslasselements ist aber nicht gegeben, die eine stabile Haftung zwischen Lichtauslasselement und Vergussmasse gewährleisten kann.
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Außerdem ist aus der WO 2006/ 109 113 A2 ein Leuchtdiodenmodul für LED bekannt, das ein Lichtauslasselement z.B. in Gestalt einer Linse, einen Luftraum und ein Befestigungselement aufweist. Das Lichtbündel aus dem Halbleiterelement wird durch verspiegelte und total-reflektierende Flächen in die gewünschte Richtung gelenkt. Das Lichtauslasselement ist dabei durch Befestigungselemente befestigt, die durch Bohrungen auf dem Basisträger greifen.
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Davon ausgehend, ist es Aufgabe der Erfindung, eine abgedichtete Leuchtdiodenanordnung zu schaffen, die gerichtetes Licht abgibt. Insbesondere soll sich die Leuchtdiodenanordnung einfach und prozesssicher fertigen lassen.
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Diese Aufgabe wird mit der Leuchtdiodenanordnung nach Anspruch 1 sowie mit dem Verfahren nach Anspruch 13 gelöst:
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Bei der erfindungsgemäße Leuchtdiodenanordnung sind auf einem Basisträger ein Licht emittierendes Halbleiterelement, das ein oder mehrere Licht emittierende Dioden (LEDs) umfassen kann, und ein Lichtauslasselement angeordnet. Das Lichtauslasselement weist an der dem Basisträger zugewandten Seite einen Rand auf, der sich an dem Basisträger oder dem Halbleiterelement selbst abstützt. Die auf den übrigen Basisträger aufgebrachte Vergussmasse haftet sowohl auf dem Basisträger wie auch an der Außenseite des Randes des Lichtauslasselements. Der Rand ist an dem Lichtauslasselement derart ausgeformt, dass er wenig oder kein Licht erhält, das von der eingeschlossenen Leuchtdiode ausgeht.
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Das Halbleiterelement ist durch das Lichtauslasselement gegen die Umwelt abgedichtet und vor Umwelteinflüssen geschützt. Das aus dem Halbleiterelement austretende Licht wird nahezu vollständig von dem Lichtauslasselement erfasst und in die gewünschte Richtung abgegeben. Weil sich die Vergussmasse nicht über das Halbleiterelement hinweg erstreckt, werden optische Verluste minimiert. Dieser Effekt ist weitgehend unabhängig von der optischen Qualität der Vergussmasse. Sie kann sowohl durchsichtig als auch undurchsichtig sein. Die optischen Eigenschaften der Vergussmasse haben keinen merklichen Einfluss auf das ausgesandte Licht. Der Abstrahlwinkel und die Farbqualität des Lichts der Halbleiterelemente werden allein von den Halbleitern und den Lichtauslasselementen bestimmt.
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Wenn zwischen dem Rand und dem optischen Teil des Lichtauslasselements eine Stufe ausgebildet ist, so dass der Rand einen abgesetzten Sockel bildet, kann diese Stufe auch genutzt werden, um eine eindeutige Grenze für die Vergussmasse festzulegen. Insbesondere wenn die Vergussmasse das Material des Lichtauslasselements nur wenig benetzt, kann die Stufe bis zu einem gewissen Grad verhindern, dass die ansteigende Vergussmasse, wenn sie auf die Leiterplatte oder den sonstigen Träger gegossen wird, über die Stufe hinaus ansteigt und die Außenumfangsfläche des Lichtauslasselements berührt oder einhüllt. Dies gilt insbesondere bei Benetzungswinkeln (Randwinkeln), die größer als 90° sind.
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Die Höhe der Vergussmasse übersteigt die Höhe des Sockels nicht. Dadurch werden unerwünschte Lichtverluste minimiert.
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Bei dem Lichtauslasselement kann es sich um ein lichtdurchlässiges Fenster, eine Linse mit oder ohne Reflexionsflächen oder ähnliches handeln. Die Linse kann eine Zonenlinse (Fresnel-Linse) sein. Es können auch beugungsoptische Elemente zur Beeinflussung des Strahlengangs des Lichts vorgesehen sein.
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Der Basisträger kann eine Leiterplatte oder auch eine mit einer Isolierschicht versehene Metallplatte sein, um die Ableitung von Verlustwärme und die Kühlung der Halbleiterelemente zu erleichtern.
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Bei dem Halbleiterelement kann es sich sowohl um ein im sichtbaren Spektralbereich leuchtendes Halbleiterelement wie auch um ein zum Beispiel im UV-Bereich leuchtendes Halbleiterelement handeln. In beiden Fällen kann auf dem Halbleiterelement eine Lichtkonversionseinrichtung angeordnet sein. Diese besteht beispielsweise aus einer Leuchtstoff enthaltenden Masse, wobei der Leuchtstoff dazu dient, zumindest einen Teil des von dem Halbleiterelement abgegebenen Lichts in ein Licht anderer Wellenlänge zu verwandeln. Die Lichtkonversionseinrichtung kann beispielsweise unmittelbar auf dem Halbleiterelement angeordnet sein und dieses ganz oder teilweise bedecken. Das Lichtauslasselement weist vorzugsweise eine dem Halbleiterelement zugewandte Kammer auf, die in einer ersten Ausführungsform das Halbleiterelement umgreift und übergreift.
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Die Lichtkonversionseinrichtung ist beim Halbleiterelement vorzugsweise als eine Primäroptik ausgebildet. Das Lichtauslasselement dient als eine Sekundäroptik und umschließt die Primäroptik und einen Luftraum, nämlich die obengenannte Kammer, der Luftraum schafft eine ausreichende Distanz zwischen der Primäroptik und der Sekundäroptik, um mit den verfügbaren Brennweiten der verwendeten optischen Medien die gewünschten Strahlengänge zu erzeugen. Die Vergussmasse haftet nur an der Außenseite des Sockels der Sekundäroptik und auf dem Basisträger. Die Vergussmasse berührt zumindest vorzugsweise nicht irgendwelche Flächen der optisch wirksamen Teile der optischen Elemente. So wird Lichtverlust vermieden, und zwar auch dann, wenn als Vergussmasse dunkles, lichtabsorbierendes Material Verwendung findet.
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Bei einer Ausführungsform ist das Halbleiterelement von dem vorzugsweise mit Luft oder Schutzgas gefüllten Luftraum aufgenommen, wobei dieser Luftraum durch die Vergussmasse luftdicht abgeschlossen ist. Bei einer anderen Ausführungsform sitzt der den Luftraum umgrenzende Rand des Lichtauslasselements auf dem Halbleiterelement. Die Vergussmasse schließt wiederum das Halbleiterelement und den Luftraum gegen die Umgebung ab.
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In beiden Fällen ist es zweckmäßig, vor dem Aufbringen der Vergussmasse zunächst den Rand des Lichtauslasselements mit dem Basisträger oder dem Halbleiterelement temporär zu verbinden. Diese temporäre Fixierung des Lichtauslasselements kann durch jedes geeignete Mittel erfolgen, wie beispielsweise durch einen Haftstoff oder einen Klebstoff, der auf der dem Basisträger zugewandten Stirnseite des Randes angeordnet ist. Alternativ kann dort ein Klebeband (doppelseitiges Klebeband) vorgesehen sein. Es ist auch möglich, die Lichtauslasselemente durch andere mechanische Fixierungsmittel temporär bis zum Aufbringen der Vergussmasse an dem gewünschten Ort zu halten.
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Die Halbleiterelemente des Leuchtdiodenmoduls können untereinander gleich oder auch unterschiedlich ausgebildet sein. Z.B. können alle Halbleiterelemente Licht der gleichen Spektralverteilung aussenden. Alternativ können sie Licht mit unterschiedlichen Farben emittieren, um durch additive Farbmischung die gewünschte Spektralverteilung zu erzeugen.
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Der Verguss kann nicht nur in transparent sondern auch in weiß ausgeführt sein oder mit reflektierenden Partikeln versehen sein, um Licht, welches auf den Verguss fällt, möglichst wieder in das optische System hinein zurückzulenken.
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Die genannte Vorgehensweise, die auch Gegenstand des Verfahrensanspruchs ist, gestattet es, vor dem Aufbringen der Vergussmasse die Lichtauslasselemente exakt bezüglich der Lichtaustrittsstelle des Halbleiterelements auszurichten, was das Einhalten gewünschter optischer Eigenschaften sicherstellt. Beispielsweise kann sichergestellt werden, dass die Lichtaustrittsfläche des Halbleiterelements mit gewünschter Präzision auf der optischen Achse des Lichtauslasselements platziert ist. So kann erreicht werden, dass der von der Leuchtdiodenanordnung erzeugte Lichtkegel die gewünschte Form und Lichtverteilung aufweist.
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Das Lichtauslasselement weist einen umlaufenden Sockel auf, der wie oben genannt die Umgebung von dem Halbleiterelement und die z.B. mit Luft gefüllte Kammer luftdicht abschließt und durch Vergussmasse mit dem Basisträger verbunden wird. Der Sockel besitzt vorzugsweise an seiner Außenseite eine Formschlussstruktur, z.B. in Gestalt einer oder mehrerer umlaufender Einkerbungen, Grübchen, einem aufgerauten Bereich oder dergleichen. So kann Vergussmasse an dem Sockel unmittelbar haften und eine feste Verbindung zwischen dem Basisträger und dem Lichtauslasselement schaffen. Die ausgehärtete Vergussmasse und der Sockel bilden eine Verzahnung aus. Dies vergrößert die mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen der Vergussmasse und dem Lichtauslasselement. Außerdem vergrößern sich etwaige Kriechwege für eindringende Feuchtigkeit. Das Zusammenspiel der Vergussmasse mit dem Sockel, dessen Außenfläche durch Vorsprünge, Rillenprofil oder dergleichen speziell strukturiert ist, ergibt eine sehr stabile Fixierung des Leuchtdiodenmoduls an dem Basisträger, ohne Bohrung zur Aufnahme des Befestigungselements realisieren zu müssen.
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Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Sockel abgestuft ausgebildet, um die Bearbeitung des Spritzgießens zu vereinfachen. Diese Stufe (oder Stufen) soll dann ebenfalls verhindern, dass sich die Vergussmasse an dem Sockel hochzieht.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Außenfläche des Sockels mit einer Verzahnungsstruktur versehen, die einen Formschluss zwischen der Vergussmasse und dem Sockel erbringt. Diese Verzahnungsstruktur kann durch ein Rillenprofil oder Vorsprünge gebildet sein. Weiterhin kann das Rillenprofil die Querschnittsform von Dreiecken, konkaven sowie konvexen Bögen, eine Gewindestruktur oder dergleichen aufweisen. Des Weiteren können die Rillen bzw. Rippen nicht nur um den Sockel ringsum verlaufen, sondern auch in der Richtung der optischen Achse bzw. parallel zu dieser verlaufen. Auch damit ergibt sich durch die Vergrößerung der Berührungsfläche im Vergleich zu Sockeln mit ungezahnten Außenflächen eine verbesserte Haftung zwischen dem Sockel und der Vergussmasse. Schließlich kann die Außenfläche des Sockels nach Bedarf mit einer Kombination von mehreren der oben genannten regelmäßig oder unregelmäßig angeordneten Strukturen versehen werden, so dass eine besonders gute Haftung der Vergussmasse gegeben und dadurch eine sehr stabile mechanische Fixierung gewährleistet ist. Auch eine raue Oberfläche mit definierter Rautiefe kann die gewünschte Verzahnungsstruktur bilden.
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Das erfindungsgemäße Konzept gestattet die Verwendung eines Leuchtediodenmoduls mit auf den Halbleiterelementen angeordneten Lichtkonversionselementen als obengenannte Primäroptik und einem sehr flachen Lichtauslasselement als obengenannte Sekundäroptik. Der Sockel des Lichtauslasselements ist durch Vergussmasse mit dem flachen Basisträger luftdicht verbunden bzw. an diesem verankert, um die Primäroptik und eine mit Luft oder einem anderen Gas gefüllte Kammer abzuschließen. Die Strukturierung der Außenfläche des Sockels durch ein Umfangs-Rillenprofil, ein Axial-Rillenprofil oder Vorsprünge, z.B. rechteckige, dreieckige, bogenförmige und stufenartige Rippen oder Noppen, konkave sowie konvexe Strukturen, ergibt eine besonders gute Haftung zwischen der Vergussmasse und dem Sockel.
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Das Konzept gestattet umgekehrt auch die Aufbringung relativ dicker Vergussmasseschichten auf den Basisträger, wobei die verwendeten Lichtauslasselemente mit der Vergussmasse lediglich mit ihren unteren, optisch nicht aktiven Rändern in Berührung stehen. Der optisch aktive Teil der Lichtauslasselemente steht über die Vergussmasse hinaus. Die Außenflächen der über die Vergussmasse hinaus stehenden Partien der Lichtauslasselemente können als Totalreflexionsflächen zur Lichtbündelung genutzt werden, so dass die Vergussmasse die Halbleiter oder Linsen nicht abdeckt und so die Lichtqualität und Lichtausbeute verschlechtern würde. Die Vergussmasse kann dabei eine Dicke haben, die die Dicke der Halbleiterelemente deutlich übersteigt, wobei sie dennoch nicht über die Halbleiterelemente fließt. Auf diese Weise können die zwischen einzelnen Halbleiterelementen vorhandenen sonstigen Elemente und insbesondere auch auf dem Basisträger befindliche Leiterbahnen elektrisch ausreichend isoliert werden. Außerdem sind sie vor Umwelteinflüssen geschützt.
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Die Kombination von Primär- und Sekundäroptik mit dazwischen vorhandenem Luftraum erlaubt die Erzielung gewünschter und optimaler Strahlführungseigenschaften. Außerdem könnte ein zusätzlicher zweiter, z.B. ringförmiger Luftraum zwischen dem ersten Luftraum und dem Lichtauslasselement vorgesehen werden. Damit wird von der LED abgestrahltes Licht besonders wirksam von dem Verguss ferngehalten.
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Die Erfindung schafft die Möglichkeit, die Leuchtdiodenanordnung mit einer lediglich dünnen Vergussschicht zu versehen und die Halbleiterelemente dennoch dicht abzuschließen. Die Vergussschicht kann auf die mit Halbleiterelementen versehene Vorderseite des Basisträgers beschränkt werden. Die Rückseite kann frei bleiben. Dadurch kann der Wärmeübergang von der Rückseite des Basisträgers auf einen Kühlkörper verbessert werden.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung, der Zeichnung oder von Ansprüchen. Die Beschreibung beschränkt sich auf wesentliche Aspekte der Erfindung und sonstiger Gegebenheiten. Die Zeichnung offenbart weitere Einzelheiten und ist ergänzend heranzuziehen. Es zeigen:
- 1 eine Leuchtdiodenanordnung, in schematischer perspektivischer teilweiser geschnittener Ansicht,
- 2 eine Ausführungsform der Leuchtdiodenanordnung mit einem umlaufenden Rand, in schematisierter vergrößerter ausschnittsweiser Querschnittsansicht,
- 2a und 2b verschiedene Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung mit unterschiedlichen Außenflächen des Sockels, jeweils in schematisierter vergrößerter ausschnittsweiser Querschnittsansicht, und
- 3 bis 7 verschiedene Ausführungsformen der Leuchtdiodenanordnung, jeweils in schematisierter vergrößerter ausschnittsweiser Querschnittsansicht.
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In 1 ist eine Leuchtdiodenanordnung 1 veranschaulicht, die zu Beleuchtungszwecken dient. Zu der Leuchtdiodenanordnung 1 gehört im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Kühlkörper 2, der eine flache Ausnehmung zur Aufnahme eines Leuchtdiodenmoduls 3 aufweist. Der Kühlkörper 2 dient der Abfuhr von Verlustwärme. Ist diese gering, kann er entfallen. Zur Aufnahme des Leuchtdiodenmoduls 3 weist er eine flache wannenartige Ausnehmung auf.
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Zu dem Leuchtdiodenmodul 3 gehört ein Basisträger 4 zum Beispiel in Gestalt einer ebenen Leiterplatte. Diese besteht aus einem elektrisch nicht leitenden oder elektrisch isolierten Trägermaterial und darauf aufgebrachten Leiterzügen, die zur Kontaktierung der verschiedenen auf ihr angeordneten Halbleiterelemente 5, 6, 7 dienen. Die Halbleiterelemente 5, 6, 7 sind beispielsweise geeignete Halbleiterchips, die elektronische Strukturen, wie beispielsweise pn-Übergänge zur Lichterzeugung enthalten. Ein Halbleiterelement 5 kann z.B. mindestens eine Leuchtdiode und, falls gewünscht, weitere elektronische Strukturen aufweisen, die mit der Leuchtdiode zusammenwirken. Die Halbleiterelemente 5, 6, 7 können Nackt-Chips oder auch gekapselte Bauelemente sein.
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Die Halbleiterelemente 5, 6, 7 sind vorzugsweise unmittelbar auf den Basisträger 4 aufgebracht. Jedem Halbleiterelement 5, 6, 7 ist jeweils ein Lichtauslasselement z.B. in Gestalt einer Linse 8, 9, 10 zugeordnet, die das von dem Halbleiterelement 5, 6, 7 ausgehende Licht in eine gewünschte Richtung leitet und eine gewünschte Lichtverteilung erzeugt. Jede Linse 8, 9, 10 überragt eine aus Vergussmasse 11 bestehende Schicht 12, die ihrerseits den Basisträger 4 bedeckt. Die Vergussmasse 11 schließt dabei die einzelnen Linsen 8, 9, 10 in einem unteren Sockelabschnitt ein und dichtet außerdem an dem Rand 13 des Kühlkörpers 2 ab.
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Die einzelnen Linsen 8, 9, 10 sowie weitere in 1 dargestellte, aber nicht gesondert bezeichnete Linsen sind vorzugsweise untereinander zumindest im Wesentlichen, gleich ausgebildet. Ihre Struktur und Anbringung auf dem Basisträger 4 ist nachstehend am Beispiel der Linse 8 unter Bezugnahme auf 2 erläutert:
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Der Basisträger 4 kann, wie erwähnt, eine Leiterplatte aus einem Kunststoffmaterial sein. Alternativ kann der Basisträger 4 durch eine Metallplatte beispielsweise einer Aluminiumplatte gebildet sein, die an ihrer oberen, die Vergussmasse 11 tragenden Seite mit einer Isolierung versehen ist, die beispielsweise ihrerseits wiederum Leiterbahnen zur Stromversorgung des Halbleiterelements 5 trägt. Das Halbleiterelement 5 ist in wärmeleitender Verbindung auf dem Basisträger 4 befestigt, beispielsweise durch einen Chip-Bonding-Prozess. Der weitere elektrische Anschluss des Halbleiterelements 5 ist in 2 nicht veranschaulicht. Der Basisträger 4 kann mit wärmeleitenden Einlagerungen, z.B. Diamantpulver, Carbon-Nanotubes oder ähnlichem versehen sein.
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An dem Halbleiterelement 5 ist an der von dem Basisträger 4 weg weisenden Seite eine Licht emittierende Zone 14 ausgebildet. Diese sendet beispielsweise sichtbares, z.B. im blauen Spektralbereich liegendes Licht oder auch UV-Licht aus. Um weißes Licht zu erzeugen, kann die Zone 14 von einem Lichtkonversionselement 15 bedeckt sein, das einen oder mehrere Leuchtstoffe enthält. Diese wandeln zumindest einen Teil des von der Licht emittierenden Zone 14 ausgehenden Lichts in Licht einer anderen Wellenlänge um. Das Lichtkonversionselement 15 wird beispielsweise durch einen ausgehärteten Tropfen Kunststoffs gebildet, der den Leuchtstoff enthält. Wegen seiner ausgesprochen geringen Größe kann das Lichtkonversionselement 15 näherungsweise als Punktlichtquelle angesehen werden.
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Die Linse 8 weist einen optisch aktiven oberhalb der Schicht 12 positionierten Teil 16 und einen Abschnitt auf, der einen Sockel 17 bildet. Die Höhe der Vergussmasse ist vorzugsweise höchstens so groß wie die Höhe des Sockels 17. Der Sockel 17 umschließt eine Kammer 18 und ist dem Lichtstrom entzogen. Dies bedeutet, dass kein oder wenigstens kein nennenswerter Teil des von dem Halbleiterelement 5 ausgehenden Lichts die Außenseite des Sockels 17 trifft. Die Verhältnisse sind in 2 veranschaulicht. Selbst ein seitlich aus dem Halbleiterelement austretender Lichtstrahl erreicht nicht die Außenfläche 26 sondern wird in den optisch aktiven Teil 16 der Linse 8 geleitet.
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Die Kammer 18 kann sich allerdings auch in den optischen Teil 16 hinein erstrecken. Um die Kammer 18 herum erstreckt sich ein Rand 19, vorzugsweise ununterbrochen, d.h. lückenlos. Die Stirnfläche 20 des Rands 19 ruht auf dem Basisträger 4. Die Größe der Kammer 18 ist so bemessen, dass das Halbleiterelement 5 mit einigem Spiel in die Kammer 18 passt, ohne dass die Linse 8 das Halbleiterelement 5 oder das Lichtkonversionselement 15 berührt.
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Die Kammer 18 kann wie dargestellt als flacher, zylindrischer Raum oder auch als kegelstumpfförmiger Raum ausgebildet sein. In dem Ausführungsbeispiel nach 2 wird die Kammer 18 an ihrem Umfang von einer kegelstumpfförmigen Lichteintrittsfläche 21 und an ihrer Oberseite von einer ebenen oder auch gewölbten Lichteintrittsfläche 22 begrenzt. Die Lichteintrittsflächen 21, 22 können nach optischen Gesichtspunkten gestaltet werden, um an dem Austritt der Linse 8 eine gewünschte Lichtkegelform und eine gewünschte Lichtverteilung zu erreichen. Der Außenumfang des optisch aktiven Teils 16 der Linse 8 wird durch eine Umfangsfläche 23 definiert, die beispielsweise als Totalreflexionsfläche dient und oberhalb der Schicht 12 steht. In 2 kennzeichnet ein Pfeil 24 den Weg eines Lichtstrahls durch die Lichteintrittsfläche 21 und die Linse 8 bis zu einer beispielsweise ebenen Lichtaustrittsfläche 25 und darüber hinaus. Wie ersichtlich, ist der Rand 19 insoweit optisch zumindest teilweise aktiv, indem er als Lichtleiter wirkt. Jedoch sind seine Höhe und seine Breite so bemessen, das auch das nahezu parallel zu der Oberfläche des Halbleiterelements 5 emittierte Licht nicht auf eine Außenfläche 26 des Rands 19, sondern auf die Umfangsfläche 23 trifft.
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Zur Herstellung dieser Anordnung ist die Linse 8 vor Aufbringung der Schicht 12 zunächst mit einem geeigneten Haftmittel 27 auf dem Basisträger 4 befestigt. Das Haftmittel 27 ist beispielsweise ein aushärtender Klebstoff, ein nicht aushärtender Klebstoff, wie er beispielsweise an Klebebändern anzutreffen ist, oder dergleichen. Mit diesem Haftmittel 27 wird die Linse 8 vorzugsweise zunächst temporär an dem Basisträger 4 fixiert und dabei so ausgerichtet, dass die optische Achse 28 der Linse 8 eine gewünschte Position relativ zu der Licht emittierenden Zone 14 hat.
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Sind alle Linsen wie die Linse 8 an dem Basisträger 4 befestigt und ausgerichtet, kann die Vergussmasse 11 zur Ausbildung der Schicht 12 aufgebracht werden. Die Menge wird dabei so bemessen, dass sich die in 2 veranschaulichte Schichtdicke der Schicht 12 einstellt. Die Schichtdicke ist dabei vorzugsweise so, dass die Außenfläche 26 des Rands 19 ganz von der Schicht 12 eingehüllt, der optisch aktive Teil 16 der Linse 8 aber freigelassen wird. Die Vergussmasse 11 ist ein sich dauerhaft mit der Außenfläche 26 und dem Basisträger 4 verbindendes Material. Beispielsweise kann es sich um ein aushärtendes Epoxydharz handeln. Die Linse 8 kann aus Kunststoff oder einem Mineralglas bestehen.
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Bei der insoweit beschriebenen Leuchtdiodenanordnung 1 ist die Kammer 18 mit Luft gefüllt. Alternativ kann der Herstellungsprozess unter Schutzgas ausgeführt werden, so dass die Kammer 18 mit einem von Luft verschiedenen Gas, beispielsweise einem Inertgas (Stickstoff, Argon oder ähnliches) gefüllt ist.
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Die Vergussmasse 11 schließt die einzelnen Halbleiterelemente 5, 6, 7 ein. Die aus der Vergussmasse 12 herausragenden Linsen 8, 9, 10 sorgen für die gewünschte Lichtverteilung und die hohe optische Qualität des Leuchtdiodenmoduls 3.
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2a veranschaulicht eine Ausführungsform der Außenfläche des Sockels 17 des Lichtauslasselements 8. Die Außenfläche ist mit einer Verzahnungsstruktur versehen, die hier beispielsweise in Gestalt eines Rillenprofils 26a ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform ist die Außenfläche mit zwei Rillen mit verschiedenen Breiten und Tiefen versehen. Des Weiteren kann die Außenfläche mit einer einzigen Rille, mehreren Rillen oder ähnlicher Strukturen versehen werden. Alternativ kann die Ausbildung der Außenfläche des Sockels mit im Querschnitt dreieckigen oder bogenförmigen Strukturen versehen sein.
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2b veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Außenfläche des Sockels 17 in Gestalt eines Rillenprofils 26b. In dieser Ausführungsform ist die Außenfläche durch einen rechteckigen Vorsprung und einen konvexen Bogen strukturiert. Des Weiteren könnte die Außenfläche mit einem einzigen Vorsprung sowie mehreren Vorsprüngen oder dergleichen verschiedenen Strukturen versehen werden. Alternativ kann die Außenfläche des Sockels mit verschiedenen im Querschnitt dreieckigen, mehreckigen oder bogenförmig gekrümmten Strukturen versehen sein.
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3 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung in Gestalt eines Leuchtdiodenmoduls 3a. Soweit der Aufbau und/oder die Funktion der zugehörigen Teile mit dem Aufbau und/oder der Funktion der vorstehend beschriebenen Teile übereinstimmen, gilt die vorstehende Beschreibung unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen entsprechend.
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Im Unterschied zu den Leuchtdiodenmodul 3 ist die Linse 8 bei dem Leuchtdiodenmodul 3a nicht auf den Basisträger 4, sondern auf das Halbleiterelement 5 aufgesetzt. Die Linse 8 ist dort mit ihrer Stirnfläche 20 mittels eines geeigneten Haft- oder Klebstoffs befestigt. Das Halbleiterelement 5 schließt die Kammer 18 nach unten ab. Der Rand 19 dient dazu, das Eindringen von Vergussmasse 11 in die Kammer 18 zu verhindern. Die Schicht 12 schließt dicht an die Außenfläche 26 und den äußeren Rand des Halbleiterelements 5 an und versiegelt die Kammer 18.
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4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Leuchtdiodenmoduls 3b, das weitgehend an das Leuchtdiodenmodul 3 nach 2 angelehnt ist. Die im Zusammenhang mit der 2 gegebene Beschreibung gilt deshalb unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen entsprechend für das Leuchtdiodenmodul 3b nach 4. Abweichend davon ist die Lichteintrittsfläche 22 kuppelartig gewölbt ausgebildet. Außerdem kann die Außenfläche 26c konkav ausgebildet sein, um mit der Schicht 12 eine formschlüssige Verankerung zu bilden. Auch kann die Lichtaustrittsfläche 25 gewölbt ausgebildet sein.
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5 veranschaulicht ein Leuchtdiodenmodul 3c, bei dem die Linse 8 wie im Zusammenhang mit 2 beschrieben ausgebildet ist. Als Haftmittel 27 zur wenigstens temporären Befestigung der Linse 8 auf dem Basisträger 4 dient ein doppelseitiges Klebeband 29. Dieses kann die gesamte Stirnfläche 20 oder Teile davon bedecken. Letzteres ist ausreichend, weil, auch wenn ein Restspalt zwischen der Stirnfläche 20 und dem Basisträger 4 verbleibt, keine Vergussmasse 11 in die Kammer 18 eindringen kann. Die dort vorhandene Luft oder Gasfüllung verhindert das Ansteigen von Vergussmasse 11. Die optisch aktive Oberseite des Halbleiterelements 5 und auch die Linse 8 bleiben deshalb wie bei allen anderen Ausführungsformen von Vergussmasse frei.
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Eine weitere abgewandelte Ausführungsform des Leuchtdiodenmoduls ist der 6 in Gestalt des Leuchtdiodenmoduls 3d zu entnehmen. Die Besonderheit besteht hier in der Ausführung der Linse in Gestalt der Linse 8a. Ihr Sockel 17 erstreckt sich als rohrförmiger Fortsatz von dem oberen Rand 30 der Linse 8a ausgehend zu dem Basisträger 4 und endet dort in einem als ringsum laufender Fuß dienenden Radialflansch 31, der von der Schicht 12 bedeckt wird. Der Radialflansch 31 ist wiederum mittels eines geeigneten Haftmittels 27 beispielsweise in Gestalt des Klebebands 29 befestigt.
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Der optisch aktive Teil 16 der Linse 8a erstreckt sich als sich verjüngender Kegelstumpf zu dem Halbleiterelement 5 hin und definiert an seiner Unterseite die Kammer 18 mit den Lichteintrittsflächen 21, 22. Letztere stimmen mit den Lichteintrittsflächen 21, 22 der Leuchtdiodenmodule 3, 3a und 3c überein. Die Umfangsfläche 23 des optisch aktiven Teils 16 wird hier von dem Sockel 17 umfasst. Neben der Kammer 18 ist somit eine weitere Kammer 18a abgegrenzt und nach außen abgedichtet. Damit wird auch die Umfangsfläche 23 von Witterungseinflüssen, Verschmutzungen und dergleichen freigehalten, so dass die an ihr stattfindende Totalreflexion nicht beeinträchtigt werden kann. Im Übrigen gilt die Beschreibung zu 2 unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen entsprechend.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist 7 zu entnehmen. Das dort dargestellte Leuchtdiodenmodul 3e ist wiederum auf einen Basisträger 4 aufgebaut, der das Halbleiterelement 5 trägt. Dieses ist von der Linse 8b übergriffen, deren Kammer 18 in ihrer Form an das Halbleiterelement 5 und das darauf eventuell angeordnete Lichtkonversionselement 15 angepasst ist. Die Kammer 18 kann als doppelt abgestufter Kegelstumpf ausgebildet sein. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der Nähe der Lichteintrittsflächen 21, 22 zu der eigentlichen Lichtquelle, nämlich dem Lichtkonversionselement 15. Die Lichtaustrittsfläche 25 kann ein- oder mehrfach gestuft ausgebildet sein und aus verschiedenen konkaven oder konvexen Pyramidenflächen oder Pyramidenstumpfflächen bestehen. Der Sockel 17 kann wie bei allen anderen Ausführungsformen optional auch mit einem als Fuß dienenden Flansch 31 versehen sein. Ansonsten gilt die vorige Beschreibung unter Zugrundelegung der jeweiligen in 7 angezogenen Bezugszeichen entsprechend.
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Bei allen vorgenannten und vorbeschriebenen Ausführungsformen ist es möglich, an dem Leuchtdiodenmodul 3, 3a, 3b, 3c, 3d, 3e an den Halbleiterelementen gleiche oder bedarfsweise auch unterschiedliche Linsen 8 vorzusehen. Es ist möglich, alle Linsen mit ihren optischen Achsen 28 konzentrisch zu den Halbleiterbauelementen 5 auszurichten. Es ist alternativ auch möglich, mit einem gezielten seitlichen Versatz zwischen der optischen Achse 28 und dem Halbleiterbauelement gewünschte optische Wirkungen zu erzielen. Beispielsweise können die einzelnen Linsen der einzelnen Halbleiterelemente mit unterschiedlichen seitlichen Versatzen angeordnet werden, um die Lichtkegel der einzelnen Linsen unterschiedlich auszurichten, um insgesamt eine gewünschte Lichtverteilung der Leuchtdiodenanordnung 1 zu erreichen.
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Bei allen vorgenannten und vorbeschriebenen Ausführungsformen können anstelle von sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rippen- oder Rillenstrukturen Rippen oder Rillen vorgesehen werden, die sich schräg oder in Axialrichtung, d.h. parallel zu der optischen Achse des Lichtauslasselements 8 erstrecken. Zwar wird dadurch kein Formschluss zwischen der Vergussmasse und dem Sockel erreicht. Dennoch verbessert sich die Festigkeit der Verbindung zwischen der Vergussmasse und dem Sockel, infolge der Vergrößerung der Oberfläche des Sockels, d.h. der Vergrößerung der Berührungsfläche zwischen der Vergussmasse und dem Sockel. Auch können an der Sockelaußenfläche anstelle von Vorsprüngen Vertiefungen, z.B. Grübchen wie an einem Golfball, ausgebildet sein.
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Eine erfindungsgemäße Leuchtdiodenanordnung 1 weist einen Basisträger 4 mit zumindest einem Licht emittierenden Halbleiterelement 5 auf. Über diesem ist eine Linse 8 oder ein sonstiges Lichtauslasselement angeordnet, das die optische Austrittsfläche des Halbleiterelements 5 komplett umschließt. Das Lichtauslasselement ist so gestaltet, dass seine optische Austrittsfläche 25 von einer auf dem Basisträger 4 aufgebrachten Schicht 12 aus Vergussmasse 11 nicht gedeckt ist. Werden optische Flächen des Lichtauslasselements, wie beispielsweise seine Umfangsfläche 23, zur inneren Totalreflexion genutzt (sogenannten TIR-Linsen), werden diese Flächen nicht von der Vergussmasse 11 benetzt. Dies wird erreicht, indem eine solche Fläche 23 oberhalb der Vergussmasseschicht 12 oder innerhalb einer von dem Linsenbauelement umschlossenen Kammer 18a angeordnet ist. Alternativ kann eine solche Fläche mit einer spiegelnden Metallisierung versehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leuchtdiodenanordnung
- 2
- Kühlkörper
- 3
- Leuchtdiodenmodul
- 4
- Basisträger
- 5, 6, 7
- Halbleiterelemente
- 8, 8a, 9, 10
- Linse oder sonstiges Lichtauslasselement
- 11
- Vergussmasse
- 12
- Schicht
- 13
- Rand
- 14
- Licht emittierende Zone
- 15
- Lichtkonversionselement
- 16
- optisch aktiver Teil der Linse 8
- 17
- Sockel
- 18, 18a
- Kammer
- 19
- Rand
- 20
- Stirnfläche
- 21, 22
- Lichteintrittsflächen
- 23
- Umfangsfläche
- 24
- Pfeil
- 25
- Lichtaustrittsfläche
- 26
- Außenfläche
- 26a
- Außenfläche mit Rillenprofil
- 26b
- Außenfläche mit Vorsprung und konvexem Bogen
- 26c
- Außenfläche mit bogenförmiger Rille
- 27
- Haftmittel
- 28
- Optische Achse
- 29
- doppelseitiges Klebeband
- 30
- Rand
- 31
- Flansch
