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Gegenstand der Erfindung ist ein LED-Modul, das für allgemeine Beleuchtungszwecke Anwendung finden kann.
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Aus der
TW M418243 U1 ist eine Lichtquelle bekannt, die aus Basis, Lichtquellen und Abdeckung besteht. Die Abdeckung ist mit der Basis verbunden, wobei wenigstens ein Abschnitt der Abdeckung mit einer Anzahl von Ventilationsöffnungen versehen ist. Diese sind an einander entgegengesetzten Enden der Abdeckung jeweils als Gruppe angeordnet.
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Weiter beschreibt die
CN 202432270 U eine Lichtquelle mit Trägerplatte und darauf angeordneten lichtemittierenden Bauelementen und einer Abdeckung. In der Lichtquelle ist auch die Betriebsschaltung für die lichtemittierenden Bauelemente untergebracht. Es sind Ventilationsöffnungen zur Abfuhr heißer Luft vorgesehen.
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Aus der
WO 2011/025580 A1 ist ein LED-Modul bekannt, das mindestens ein LED-Bauelement aufweist, das auf einer Grundplatte montiert ist. Das LED-Bauelement weist eine eigene Einkapselung auf und ist mit Leiterbahnen der Trägerplatte verlötet. Eine lichtdurchlässige Kappe überwölbt das LED-Bauelement und schließt es gegen die Umgebung ab. Die lichtdurchlässige Kappe ist mittels einer Vergussschicht an der Trägerplatte befestigt.
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Zum Auslass von Schadgasen, die während des Betriebs des LED-Bauelements aus dessen Gehäuse oder Flussmittelresten an den Lötstellen freigesetzt werden können, ist eine Entgasungsvorrichtung vorgesehen. Diese umfasst mindestens einen Kanal, der die Kappe durchsetzt und der mit einem Kunststoff verschlossen ist. Dieser ist so ausgewählt, dass er Schadgase durch ihn hindurch diffundieren lässt, wohingegen er für Wasser und Wasserdampf undurchlässig ist, um ein Eindringen von Wasser zu verhindern. Indem Schadgase aus dem Innenraum der Kappe ausgelassen werden, wird verhindert, dass diese den lichtdurchlässigen Kunststoff der Kappe mit der Zeit vergilben lassen oder sonst wie angreifen.
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Das Auslassen der Schadgase beruht auf Diffusion. Obwohl so eine wirksame Ausgasung erreicht werden kann, treten dennoch gelegentlich Vergilbungsfälle auf.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes LED-Modul zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit dem LED-Modul nach Anspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße LED-Modul weist einen Träger mit mindestens einem LED-Bauelement auf. Das LED-Bauelement ist ein organisches oder anorganisches Halbleiterbauelement, das der Lichterzeugung dient. Vorzugsweise weist es eine Abdeckung auf, durch welche das von dem Halbleiter erzeugte Licht austreten kann. Die Abdeckung kann durch ein Kunststoffgehäuse (Bauelementegehäuse) oder eine Kunststoffeinhüllung (Globtop) gebildet sein. Außerdem ist das LED-Bauelement mit mindestens zwei elektrischen Anschlüssen versehen, die mit Leiterzügen des Trägers verbunden, beispielsweise verlötet sind.
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Das LED-Bauelement wird von einer Licht durchlässigen Kappe überspannt, die einen Innenraum abgrenzt. Die Kappe ist an dem Träger abgedichtet gehalten, beispielsweise durch Klebstoffverguss oder dergleichen.
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Zur Abführung von Schadgasen aus dem so abgegrenzten Innenraum und zur Belüftung desselben ist eine Belüftungs- und Entgasungseinrichtung vorgesehen. Diese wird durch eine Gruppe von Mikroperforationslöchern gebildet, die sich zwischen dem Innenraum und der Umgebung erstrecken. Die Mikroperforationslöcher ermöglichen einen Gasaustausch zwischen dem Innenraum und der Umgebung, wobei sie aber das Eindringen von Wasser, insbesondere von Wassertröpfchen, in den Innenraum verhindern. Hingegen ist Luftzutritt ausdrücklich gewünscht und ermöglicht. In den Innenraum eintretende Luft, die gegebenenfalls auch Wasserdampf enthalten kann, bildet eine leicht oxidierende Atmosphäre. Diese kann Schadgase, z.B. Ausdünstungen von Lötmittelrückständen durch Oxidation unschädlich machen, bevor sie aus dem Innenraum ausgelüftet sind. Es zeigt sich, dass so insbesondere die Vergilbung und/oder Eintrübung der LED-Abdeckungen verhindert werden kann. Dies gilt insbesondere, wenn die Abdeckungen als Globtops ausgebildet sind. Diese Kunststoffeinhüllung unterliegt beim Betrieb der LED hoher Lichtstrahlenbelastung und sie erwärmt sich sehr stark. Gerade hier kann eine Zersetzung und Oxidation der aggressiven Schadgase deren Schädlichkeit reduzieren.
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Die Mikroperforationslöcher bieten eine Möglichkeit, die Entgasung und Belüftung optisch unauffällig zu gestalten. Insbesondere können die Mikroperforationslöcher entlang eines linien- oder kreisförmigen Bereichs außerhalb des aus dem LED-Bauelement austretenden Lichtkegels angeordnet sein. Alternativ können die Mikroperforationslöcher in einem oder mehreren Feldern zusammengefasst werden, die ebenfalls vorzugsweise außerhalb des Lichtkegels liegen. In beiden Fällen wird ein großer wirksamer Gesamtquerschnitt erreicht, so dass Schadgase leicht aus dem Innenraum in die Umgebung und Luft in den Innenraum diffundieren können.
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Andererseits wird Wasser, insbesondere Wassertröpfchen, auch in mikroskopisch kleiner Form der Weg in den Innenraum versperrt. Es zeigt sich, dass auch Nebeltröpfchen in den Innenraum nicht vordringen. Dabei liegt der Durchmesser jedes Mikroperforationslochs an seiner engsten Stelle zwischen 20 µm und 40 µm, vorzugsweise beträgt er 20 µm.
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Die Mikroperforationslöcher können bedarfsweise auch in der Nähe der optischen Achse im Lichtkegel des LED-Bauelements angeordnet werden, beispielsweise um eine Lichtstreuung zu bewirken oder den Lichtstrahl in sonstiger Weise zu beeinflussen, z.B. aufzuweiten oder zu konzentrieren.
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Die Mikroperforationslöcher können zylindrisch ausgebildet sein. Vorzugsweise haben sie jedoch zu ihren beiden Enden hin eine Trichterform, wobei typischerweise der Trichter an dem einen Ende einen größeren Durchmesser hat als der Trichter am anderen Ende. Sowohl von ihrer Eintrittseite als auch von ihrer Austrittsseite ausgehend verengen sie sich jeweils zu einer Restriktionsstelle, an der sie ihren minimalen Querschnitt aufweisen. Ihren maximalen Querschnitt weisen sie hingegen bevorzugt an der Innenseite der Kappe oder alternativ an der Außenseite derselben auf. Die Abstände zwischen den Mikroperforationslöchern sind vorzugsweise geringer als das 10fache des jeweiligen größten Durchmessers jedes Mikroperforationslochs.
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Mit dieser Maßnahme lässt sich eine hohe Gasdurchlässigkeit erzielen. Vorzugsweise legt die Anzahl der vorgesehenen Mikroperforationslöcher bei mindestens 5/mm2. Vorzugsweise sind mindestens 50 bis 500 Mikroperforationslöcher (z.B. 100) pro LED vorgesehen.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es zeigen:
- 1 ein LED-Modul, in ausschnittsweiser Querschnittsdarstellung.
- 2 einen Ausschnitt aus der Kappe des LED-Moduls nach 1, in Draufsicht.
- 3 einen Ausschnitt aus der Kappe des LED-Moduls nach 1, im Querschnitt.
- 4 eine Ausschnitt aus der Kappe des LED-Moduls nach 1 mit einem Mikroperforationsloch, im Querschnitt.
- 5 eine abgewandelte Ausführungsform eines LED-Moduls, in ausschnittsweiser Querschnittsdarstellung,
- 6 eine ausschnittsweise stark vergrößerte Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der Kappe mit einem Mikroperforationsloch und
- 7, 8 zwei weitere Ausführungsbeispiele von Kappen mit Perforation, die gleichzeitig als Linsen ausgeprägt sind, im Querschnitt.
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In 1 ist ein LED-Modul 10 veranschaulicht, das mindestens ein LED-Bauelement 11 enthält. Das LED-Bauelement 11 ist vorzugsweise mit einem Gehäuse 12 versehen, aus dem zwei oder mehrere Anschlussfahnen 13, 14 herausführen. Diese sind über Lötstellen 15, 16 oder andere Kontakteinrichtungen mit Leiterzügen 17, 18 verbunden, die auf einer Trägerplatte 19 angeordnet sind. Diese kann wie dargestellt eben ausgebildet oder auch anderweitig geformt sein. Das LED-Bauelement 11 wird von einer Kappe 20 überspannt, die mit ihrem Rand 21 an der Trägerplatte 19 abdichtend gehalten ist. Dazu dient ein Verguss 22, der die Platte 19 bedeckt und den Rand 21 der Kappe 20 einfasst.
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Anstelle eines separat gefertigten LED-Bauelements mit Kunststoffgehäuse, welches z.B. als SMD-Bauteil auf die Trägerplatte 19 montiert wird, kann das LED-Bauelement 11 durch Chip-on-Board-Technologie auch direkt mit der Trägerplatte 19 integriert und dort mit einem Kunststofftropfen 12a versiegelt sein, wie es aus 7 oder 8 ersichtlich ist. Eine solche Versiegelung wird auch als Globtop bezeichnet.
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Während die Trägerplatte 19 und der Verguss 22 aus undurchsichtigem Material gefertigt sein können, ist die Kappe 20 vorzugsweise aus einem durchsichtigen Kunststoff gefertigt. Er kann glasklar oder auch eingefärbt sein, Streupartikel oder Leuchtstoffe enthalten, sowie lichtbrechende Wirkung haben, um ein aus dem LED-Bauelement 11 austretenden Lichtkegel aufzufächern, zu zerstreuen oder auch zu konzentrieren. Die Kappe kann als Linse, z.B. als Sammellinse oder Zerstreuungslinse und insoweit als massive Linse oder als Zonenlinse (Fresnel-Linse) ausgebildet sein. Die Linse besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff, wie z.B. PMMA.
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Die Kappe 20 grenzt einen Innenraum 23 von der Umgebung 24 ab. Diese kann Feuchtigkeit enthalten, die sich zum Beispiel auch als Tau auf der Kappe 20 niederschlagen kann. Der Innenraum 23 hingegen enthält Luft. Es können sich in dem Innenraum 23 aber auch schädliche Gase einfinden, die beispielsweise aus dem Verguss 22, etwaigen nicht weiter veranschaulichten Dichtungsmaterialien, Flussmitteln, Lötstopplack oder dergleichen herrühren. Dichtungsmaterialien können beispielsweise zwischen dem Rand 21 und der Trägerplatte 19 angeordnet sein. Flussmittel oder Flussmittelreste können sich beispielsweise an den Lötstellen 15, 16 befinden. In der Umgebung derselben kann Lötstopplack vorhanden sein. Weitere Schadgase können direkt aus dem LED-Bauelement austreten.
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Zur Neutralisierung solcher freigesetzter Schadgase dient eine Belüftungs- und Entgasungseinrichtung 25, die in der Kappe 20 ausgebildet ist. Gasende Flussmittelrückstände können z.B. an den Anschlussfahnen 13, 14 oder den benachbarten Teilen haften. Beim Betrieb und der damit einhergehenden Erwärmung können sie aktiv werden und lokal oder über die Freisetzung aggressiver Gase oder sonstiger Fluide schädlich wirken. Insbesondere könnten sie den Kunststoff des Gehäuses 12 (oder eines Globtops 12a) oder der Kappe 20 schädigen. Erfindungsgemäß werden solche Schadgase mittels der Belüftungs- und Entgasungseinrichtung durch zwei Maßnahmen unschädlich gemacht, nämlich erstens durch Auslassen in die Umgebung und zweitens durch Ermöglichung von Sauerstoffzutritt. So werden auch sonstige Schadgase, z.B. organische Lösungsmittelreste oder Reaktionsprodukte unschädlich gemacht, die aus den Dichtungsmaterialien austreten können.
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Die Belüftungs- und Entgasungseinrichtung 25 wird durch eine Gruppe 26 von Mikroperforationslöchern 27 gebildet, die, wie 2 zeigt, über eine Fläche verteilt angeordnet sein können. Innerhalb dieser Fläche können die Mikroperforationslöcher 27 in einem regelmäßigen Gitter angeordnet sein. Die Mikroperforationslöcher 27 verbinden den Innenraum 23 mit der Umgebung 24. sie sind vorzugsweise an einem Abschnitt der Kappe 10 angeordnet, der lediglich eine Dicke von weniger als 2 mm aufweist, beispielsweise 0,5 mm. Wie 1 zeigt, kann dazu an der Belüftungs- und Entgasungseinrichtung 25 an der Innenseite der Kappe 10 oder auch an deren Außenseite eine Vertiefung 28 ausgebildet sein, in der die Mikroperforationslöcher 27 münden. Die Mikroperforationslöcher können in einem Laserperforationsverfahren erzeugt werden. Der Perforationsprozess kann dabei in zwei Schritten ablaufen. Im ersten Schritt wird die Materialdicke durch Abtragen mit dem Laser reduziert. Im zweiten Schritt erfolgt dann das „Durchschießen“, d.h. die eigentliche Perforation und somit die Erzeugung des Mikroperforationslochs 27.
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Wenn zur Erzeugung der Mikroperforationslöcher 27 in diesen beiden Schritten vorgegangen wird und dabei der Trichter mit dem größeren Durchmesser innenliegend erzeugt werden soll, wird die Ausdünnung der Wand idealerweise ebenfalls auf der Innenseite vorgenommen. Das ist aber nicht zwingend. Je nach Werkstück kann mit dem Laser auch zunächst auf der Außenseite die Wandstärke reduziert und dann die verbleibende Wand mit dem Laser von der Innenseite her perforiert werden.
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Eine absolute Feuchtigkeitsbarriere bilden die Mikroperforationslöcher nicht. Das Eindringen von Wassertropfen kann aber verhindert werden. Wasserdampf kann die Perforation aber passieren.
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Die Mikroperforationslöcher 27 sind untereinander vorzugsweise parallel angeordnet. Sie können, wie es 3 zeigt, eine zylindrische Form aufweisen. Bevorzugt wird jedoch eine Formgebung nach 4. An der der Umgebung 24 zugewandten Seite liegt eine Mündung, von der ausgehend sich das Mikroperforationsloch 27 bis zu einer Engstelle 29 verjüngt. An der Engstelle 29 weist das Mikroperforationsloch 27 einen Durchmesser von 20 bis 40 µm auf. An der der Umgebung 24 zugewandten Mündung kann das Mikroperforationsloch einen Durchmesser von z.B. 0,05 mm bis 0,1 mm aufweisen. Auf der dem Innenraum 23 zugewandten Seite kann sich das Mikroperforationsloch ausgehend von der Engstelle 29 wiederum auf einen großen Durchmesser von beispielsweise 0,2 mm aufweisen. Vorzugsweise ist der Durchmesser an der inneren Seite wesentlich größer als auf der äußeren Seite. Mit dieser Konfiguration kann die Wandstärke der Kappe 20 auch größer als 0,5 mm sein und beispielsweise 1 mm bis 2 mm betragen. In anderen Ausführungen kann die Engstelle 29 des Mikroperforationsloch 27 auch an der Innenseite oder Außenseite der Kappe 20 liegen, wie in 4a dargestellt.
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Das LED-Modul 10 arbeitet wie folgt:
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In Ruhe stellen die Mikroperforationslöcher 27 eine druckausgleichende Verbindung zwischen dem Innenraum 23 und der Umgebung 24 her. Sie verhindern aber ein Eindringen von kondensierter Feuchtigkeit und halten somit den Innenraum 23 weitgehend trocken.
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Wird das LED-Bauelement 11 in Betrieb gesetzt, erwärmen sich das LED-Bauelement 11, die Trägerplatte 19 und der Innenraum 23. Es können relativ hohe Temperaturen von z.B. 100°C oder auch mehr entstehen. Dabei können Kunststoffe, Klebstoff, Flussmittelreste oder dergleichen schädliche, Gase, z.B. organische Lösungsmittel oder Verbindungen, freigesetzt werden. Diese gasförmigen oder flüssigen Ausgasungen können z.B. aggressive Radikale freisetzen und bei längerer Einwirkung möglicherweise zur Schädigung optisch durchlässiger Komponenten und häufig zur Eintrübung oder sonstigen Degradation des Gehäuses oder Globtops 12a des LED-Bauelements 11 führen. Jedoch können solche Schadstoffe bei der erfindungsgemäßen Anordnung praktisch ungehindert durch die Mikroperforationslöcher 27 austreten. Sie tun dies insbesondere auch deshalb, weil sie von dem sich in dem Innenraum 23 befindlichen sich ausdehnenden Gasvolumen mitgenommen werden. Durch wärme- und/oder lichtunterstütze Oxidation können aus den Schadstoffen beispielsweise transparente Reaktionsprodukte oder Reaktionsprodukte gebildet werden, die nicht in den Verguss der LED oder die Kappe 20 eingelagert werden.
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Wird das LED-Modul 10 wieder außer Betrieb gesetzt, kühlt es sich ab. Aus der Umgebung 24 kann Luft und somit Sauerstoff in den Innenraum 23 nachströmen. Beim Abkühlen wird er praktisch eingesaugt. Der Sauerstoff kann gegebenenfalls in Verbindung mit dem in der Luft enthaltenen Wasserdampf eine Oxidation der Schadstoffe bewirken, womit diese unschädlich gemacht werden können. Das Eindringen von Feuchtigkeit in Form von Tröpfchen wird jedoch verhindert. Sie können aufgrund ihrer Oberflächenspannung und/oder Größe nicht durch die Mikroperforationslöcher 27 in den Innenraum 23 gelangen. Das Eindringen von Wasser kann wirkungsvoll verhindert werden. Dazu tragen vor allem Adhäsionskräfte zwischen Wassertröpfchen und Kunststoff bei, die verhindern, dass Wasser durch die Mikroperforationslöcher 27 eindringen kann.
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Dieses Grundprinzip kann auch bei einer linearen Anordnung der Mikroperforationslöcher 27 genutzt werden, wie es aus 5 hervorgeht. Die Mikroperforationslöcher 27 können hier beispielsweise am Außenumfang der Kappe 10 knapp oberhalb des Vergusses 22 angeordnet sein, beispielsweise um außerhalb eines Lichtkegels 30 zu liegen, der von dem LED-Bauelement 11 ausgeht. Auch andere Anordnungen der Mikroperforationslöcher 27 sind möglich. Dieser Effekt wird unterstützt, wenn die Länge der Mikroperforationslöcher 27 wenigstens 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm beträgt.
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6 veranschaulicht ein Mikroperforationsloch 27, das von einer ihm individuell zugeordneten Vertiefung 31 ausgeht. Am Boden dieser Vertiefung ist die Wandstärke der Kappe 10 reduziert. Sie liegt beispielsweise im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm. Solche Mikroperforationslöcher sind vorzugsweise außerhalb des Lichtkegels 30 angeordnet. Sie können aber auch auch ganz bewusst im Bereich des Lichtkegels 30 angeordnet sein. In letzterem Fall können sie zur Beeinflussung des Lichtkegels 30, d.h. zur Bündelung oder zur Aufweitung desselben herangezogen werden. Die Mikroperforationslöcher 27 können als Streuelemente dienen.
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Eine abgewandelte Ausführungsform des LED-Moduls 10 ist in 7 veranschaulicht. Das LED-Bauelement kann mittel Chip-on-Board-Technologie direkt auf der Trägerplatte 19 angeordnet werden und weist eine Globtop-Versiegelung 12a auf. Der Chip 11a sitzt direkt auf der Trägerplatte 19 und ist über Bonddrähte 11b kontaktiert. Alternativ kann auch ein separat gefertigtes LED-Bauelement (z.B. in SMD-Bauform) auf der Trägerplatte 19 montiert sein. Der Innenraum 23 wird über Mikroperforationslöcher 27 belüftet, die außerhalb des optischen Strahlengangs angeordnet sind. Die Kappe 20 ist als optische Linse ausgebildet. Die Mikroperforationslöcher sind in einer Vertiefung 28 angeordnet, die von außen her in die Kappe 20 führt. Ansonsten gilt die vorstehende Beschreibung unter Zugrundelegung der eingeführten Bezugszeichen und Maßangaben entsprechend.
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Eine weiter abgewandelte Ausführungsform des LED-Moduls 10 ist in 8 veranschaulicht. Das LED-Bauelement weist wiederum eine Globtop-Versiegelung 12a auf. Der Innenraum 23 wird über Mikroperforationslöcher 27 belüftet, die außerhalb des optischen Strahlengangs an einem sich von der zentralen Linse weg erstreckenden Rand 21 angeordnet sind. Die Kappe 20 ist als optische Linse ausgebildet. Die Mikroperforationslöcher sind in einer Vertiefung 28 angeordnet, die von dem Innenraum 23 ausgeht. Ansonsten gilt die vorstehende Beschreibung unter Zugrundelegung der eingeführten Bezugszeichen und Maßangaben entsprechend. Die Ausführungsform gemäß 8 zeigt die Mirkoperforationslöcher 27 in einem Bereich der Kappe 20, die von beiden Seiten für die Bearbeitung, z.B. durch einen Laser, gut zugänglich ist.
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Das erfindungsgemäße LED-Modul 10 weist eine optisch durchlässige Kappe 20 auf, die ein LED-Bauelement 11 abdeckt und einen Innenraum 23 abgrenzt. Zur Be- und Entlüftung desselben sind Mikroperforationslöcher 27 vorgesehen, deren Durchmesser an ihrer jeweiligen engsten Stelle zwischen 20 µm und 40 µm liegt, um einen Gasaustausch zu ermöglichen, Feuchtigkeitszutritt jedoch zu verhindern.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- LED-Modul
- 11
- LED-Bauelement
- 11a
- LED-Chip
- 11b
- Bond-Draht
- 12
- Gehäuse
- 12a
- Globtop
- 13, 14
- Anschlussfahnen
- 15, 16
- Lötstellen
- 17, 18
- Leiterzüge
- 19
- Trägerplatte
- 20
- Kappe
- 21
- Rand
- 22
- Verguss
- 23
- Innenraum
- 24
- Umgebung
- 25
- Belüftungs- und Entgasungseinrichtung
- 26
- Gruppe
- 27
- Mikroperforationslöcher
- 28
- Vertiefung
- 29
- Engstelle
- 30
- Lichtkegel
- 31
- Vertiefung
