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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leuchtmittels,
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Leuchtmittel, hergestellt in einem solchen Verfahren, und ein Beleuchtungssystem, umfassend mehrere solche Leuchtmittel.
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Aus dem Stand der Technik sind Beleuchtungssysteme mit zumindest einer Lichtquelle mit einer oder mehreren Leuchtmitteln, beispielsweise Leuchtdioden, und mit einem optischen System oder optischen Element, beispielsweise mit einem Lichtleiter, einem lichtleitenden Element, einem Reflektor oder einer Linse, bekannt.
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Bei solchen Beleuchtungssystemen ist eine Position der Lichtquelle in Relation zum Brennpunkt des optischen Systems ein entscheidender Parameter für die Qualität einer von dem Beleuchtungssystem erzeugten Lichtverteilung.
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Bei der Ausführung der Leuchtmittel als Leuchtdiode, beispielsweise als so genannte SMD-Leuchtdiode (SMD = surface mounted device oder oberflächenmontiertes Bauelement), ist eine genaue Positionierung der Leuchtdiode auf einer Leiterplatte entscheidend. Ziel ist dabei, eine möglichst kleine Lage-Toleranz der Leuchtdiode, das heißt einen minimale Abweichung zwischen einer Ist- und einer Soll-Position, zu realisieren. Weiterhin ist eine Ausrichtung der mit einer oder mehreren Leuchtdioden bestückten Leiterplatte zum optischen System entscheidend. Auch hier ist das Ziel, eine möglichst geringe Abweichung einer Relativposition der mit der zumindest einen Leuchtdiode bestückten Leiterplatte zum optischen System zu realisieren.
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Zur Anordnung der Leuchtdiode auf einer Leiterplatte sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt, bei welchen die Leuchtdiode zunächst auf der Leiterplatte platziert und anschließend unter Temperatureinwirkung in einem Ofen aufgelötet wird. Hierbei schwimmt die Leuchtdiode auf einem hierzu verwendeten Lot.
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Anschließend wird mit einer optischen Erfassungseinheit, beispielsweise einer Kamera, eine Ist-Position der Leuchtdiode erkannt.
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Um die auf der Leiterplatte angeordnete Leuchtdiode in das optische System einzupassen, wird auf der Leiterplatte zumindest eine Referenzbohrung erzeugt, durch welche ein Stiftelement des optischen Systems geführt wird. Die Bohrung wird hierbei derart positioniert, dass eine Summe von Abweichungen aller Ist-Positionen der Leuchtdiode zu einer Referenz-Position des optischen Systems minimal sein soll. Die Ist-Position wird von der optischen Erfassungseinheit erfasst und an eine Steuereinheit übermittelt, mittels welcher eine optimale Position der Bohrung bestimmt und ein Bohrer zum Bohren der Referenzbohrung angesteuert wird.
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Die Ausrichtung der mit der zumindest einen Leuchtdiode bestückten Leiterplatte zum optischen System ist dabei abhängig von der Positionierung der Leuchtdiode auf der Leiterplatte und somit einer sich aus Eigenschaften eines Lötstopplackes ergebenden ersten Toleranz. Weiterhin ist die Ausrichtung abhängig von einem Schwimmverhalten der Leuchtdiode im Lot und einer sich daraus ergebenden zweiten Toleranz, einer Genauigkeit bei der Positionierung der Leuchtdiode auf der Leiterplatte und einer sich daraus ergebenden dritten Toleranz sowie einer Genauigkeit bei der Erzeugung der Referenzbohrung und einer sich daraus ergebenden vierten Toleranz.
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Um eine Bewegung der Leuchtdiode aus seiner Position unter Temperatureinwirkung im Ofen gering zu halten, ist es bekannt, dass die Leuchtdiode zuvor in ihrer Position mit Klebstoff fixiert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Leuchtmittels, ein verbessertes Leuchtmittel und ein verbessertes Beleuchtungssystem anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, hinsichtlich des Leuchtmittels durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Beleuchtungssystems durch die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Herstellung eines Leuchtmittels wird in einem Lötprozess Lot auf einer Leiterplatte aufgebracht, auf das Lot wird eine Leuchtdiode aufgebracht und ein Rahmenelement wird auf dem Lot derart aufgebracht, dass die Leuchtdiode in einem vom Rahmenelement und dem Lot eingefassten Aufnahmeraum beabstandet zum Rahmenelement angeordnet ist. Anschließend wird die Leiterplatte gemeinsam mit der Leuchtdiode, dem Lot und dem Rahmenelement derart erwärmt, dass die Leuchtdiode auf dem Lot in eine vorgegebene Position im Aufnahmeraum an eine Innenkante des Rahmenelements schwimmt, bevor die Leiterplatte gemeinsam mit der Leuchtdiode, dem Lot und dem Rahmen abgekühlt wird, wenn die Leuchtdiode eine vorgegebene Position auf der Leiterplatte erreicht hat.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, dass gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sehr geringe Toleranzen erreicht werden. Das Rahmenelement ermöglicht dabei eine präzise Vorgabe einer Position der Leuchtdiode, wobei die aus dem Stand der Technik bekannten Toleranzen, welche sich aus der Positionierung der Leuchtdiode auf der Leiterplatte und Eigenschaften eines Lötstopplackes, einem Schwimmverhalten der Leuchtdiode im Lot und einer Genauigkeit bei der Positionierung der Leuchtdiode auf der Leiterplatte ergeben, nicht vorhanden sind. Die Funktion der genauen Positionierung der Leuchtdiode wird dabei durch das Rahmenelement übernommen. Ein Schwimmverhalten der Leuchtdiode ist durch das Rahmenelement begrenzt und beeinflusst somit deren Positionierung nicht. Auch ist die Genauigkeit der vor dem Erwärmen des Lots durchgeführten Positionierung der Leuchtdiode nicht von Belang, da die einzige Voraussetzung für eine präzise Positionierung der Leuchtdiode die Anordnung des Rahmenelements in der Art ist, dass die Leuchtdiode in dem vom Rahmenelement und dem Lot eingefassten Aufnahmeraum beabstandet zum Rahmenelement angeordnet ist. Somit sind mittels des Verfahrens Leuchtmittel mit sehr genau vorgebbaren optischen Eigenschaften und geringen Toleranzen herstellbar, welche besonders in Beleuchtungssystemen mit hohen Anforderungen an eine Qualität der Leuchtmittel einsetzbar sind. Dabei ist das Verfahren mit sehr geringem Aufwand und besonders kostengünstig durchführbar.
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In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird nach dem Lötprozess zumindest ein optisches Element relativ zu dem Rahmenelement referenziert und an diesem angeordnet. Hierdurch wird die aus dem Stand der Technik bekannte, aus der Erzeugung der Referenzbohrung resultierende vierte Toleranz vermindert bzw. diese tritt nicht auf. Das Rahmenelement bildet dabei im Gegensatz zum Stand der Technik einen Startpunkt für eine Referenzkette, da sowohl die Leuchtdiode als auch das optische Element auf das Rahmenelement referenziert und in einer vorgegebenen Position zu diesem angeordnet sind. Auch werden durch die Kombination der Funktionalitäten des Rahmenelements als Positionierreferenz für die Leuchtdiode und als Positionierreferenz für das optische Element eine Teile-, Montage- und Kostenaufwand minimiert.
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Um eine gewünschte körperliche Trennung der Leuchtdiode vom Rahmenelement nach der Positionierung der Leuchtdiode zu realisieren, werden gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens nach dem Lötprozess zumindest Teilbereiche des Rahmenelements von der Leiterplatte entfernt.
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Um dies in besonders einfacher und wirtschaftlicher Weise durchzuführen, wird in einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Verfahrens eine Materialstruktur des Rahmenelements vor dem Aufbringen auf die Leiterplatte zur Abgrenzung der Teilbereiche in Teilabschnitten geschwächt und/oder durchbrochen. Beispielsweise können die zu entfernenden Teilbereiche durch eine Perforation des Rahmenelements einfach und präzise vorgegeben werden.
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Um eine vom Lot eingenommene Fläche auf der Leiterplatte zu begrenzen und gleichzeitig eine Lotmenge zur Verbesserung des Schwimmverhaltens der Leuchtdiode zu erhöhen, wird in einer Weiterbildung des Verfahrens vor dem Aufbringen des Lots auf der Leiterplatte eine Schablone auf die Leiterplatte aufgebracht und das Lot in einen von der Schablone und der Leiterplatte begrenzten Lotraum eingebracht.
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Um weiterhin eine Schwimmrichtung der Leuchtdiode besonders einfach und genau vorgeben zu können, wird gemäß einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens eine Oberfläche der Leiterplatte zumindest im Bereich des aufgebrachten Lots derart ausgebildet, dass diese eine Schwimmrichtung der Leuchtiode vorgibt.
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Das in dem Verfahren hergestellte Leuchtmittel zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Rahmenelement zumindest ein optisches Element und/oder ein Wärmeleitelement umfasst. Das Leuchtelement weist aufgrund der genauen Anordnung des Rahmenelements hierbei in vorteilhafter Weise eine besonders hohe optische Qualität auf. Dadurch, dass das Rahmenelement zusätzlich zur Funktionalität als Positionierreferenz für die Leuchtdiode als optisches Element und/oder als Wärmeleitelement ausgebildet ist, ist das Leuchtmittel besonders kleinbauend ausgebildet und mit geringem Teile-, Kosten- und Montageaufwand herstellbar.
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In einer möglichen Ausgestaltung ist das optische Element eine Blende oder ein Reflektor und somit zur gezielten Beeinflussung einer mittels der Leuchtdiode erzeugten Lichtverteilung vorgesehen.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist das Wärmeleitelement an der Innenkante im Aufnahmeraum des Rahmenelements zumindest im Berührungsbereich mit der Leuchtdiode angeordnet, beispielsweise verlötet, so dass von der Leuchtdiode erzeugte Verlustwärme effizient abführbar ist.
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Gemäß einer Weiterbildung sind mehrere Leuchtdioden auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet.
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Das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem umfasst zumindest ein erfindungsgemäßes Leuchtmittel oder dessen Ausgestaltungen. Das Beleuchtungssystem zeichnet sich aufgrund der optimierten Eigenschaften des Leuchtmittels durch eine große optische Qualität aus, wobei mittels des Beleuchtungssystems Lichtverteilung sehr präzise erzeugbar sind.
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Dabei ist es möglich, dass das eine Leuchtmittel eine Leiterplatte mit einer Vielzahl an Leuchtdioden umfasst. In dieser möglichen Ausgestaltung zeichnet sich das Beleuchtungssystem durch einen besonders einfachen Aufbau und sehr präzise optische Eigenschaften aus.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Draufsicht auf ein erstes Rahmenelement und eine Leuchtdiode,
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2 schematisch eine Draufsicht auf ein zweites Rahmenelement und eine Leuchtdiode und
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3 schematisch ein erfindungsgemäßes Leuchtmittel.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer Draufsicht ein erstes Rahmenelement 1 und eine Leuchtdiode 2 für ein in 3 näher dargestelltes Leuchtmittel 3.
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Das Leuchtmittel 3 umfasst dabei, wie 3 zeigt, mehrere auf einer Leiterplatte 4, auch als Platine bezeichnet, angeordnete und als so genannte SMD-Leuchtdioden ausgebildete Leuchtdioden 2 und Rahmenelemente 1.
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Zur Herstellung des Leuchtmittels 3 wird in einem Lötprozess Lot 5 auf die Leiterplatte 4 in Bereichen aufgebracht, in welchen die Leuchtioden 2 mit der Leiterplatte 4 kontaktiert werden sollen. Hierzu wird zuvor in dargestellter Weise jeweils eine Schablone auf der Leiterplatte 4 angeordnet, welche gemeinsam mit der Leiterplatte 4 einen Lotraum begrenzt. In diesen Lotraum wird das Lot 5 eingebracht. In einer möglichen Ausgestaltung wird um einen Randbereich des Lots 5 ein so genannter Lötstopplack aufgebracht, welcher ein Fließen des Lots 5 über einen definierten Bereich hinaus vermeidet. Die Schablone ermöglicht dabei eine Erhöhung der aufbringbaren Lotmenge, so dass ein späteres Schwimmen der Leuchtdiode 2 erleichtert und sichergestellt wird.
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Nach dem Aufbringen des Lots 5 wird auf diesem jeweils eine Leuchtdiode 2 aufgebracht und grob positioniert.
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Anschließend wird jeweils ein Rahmenelement 1 auf dem Lot 5 derart aufgebracht, dass die jeweilige Leuchtdiode 2 in einem vom Rahmenelement 1 und dem Lot 5 eingefassten Aufnahmeraum A beabstandet zum Rahmenelement 1 angeordnet ist, so dass keine Berührung mit dem Rahmenelement 1 erfolgt. Das Rahmenelement 1 ist beispielsweise aus Blech gebildet, wobei das Rahmenelement 1 entsprechend einer gewünschten Positionierung und einer Formgebung der Leuchtdiode 2 ausgestaltet ist.
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Darauf folgend wird die Leiterplatte 4 gemeinsam mit der Leuchtdiode 2, dem Lot 5 und dem Rahmenelement 1 derart erwärmt, dass die Leuchtdiode 2 auf dem Lot 5 in eine vorgegebene Position im Aufnahmeraum A an eine Innenkante des Rahmenelements 1 schwimmt. Die Erwärmung erfolgt dabei beispielsweise in einem Ofen. Um eine Schwimmrichtung S der Leuchtdiode 2 auf dem Lot 5 vorzugeben, ist eine Oberfläche oder ein Layout der Leiterplatte 4 zumindest im Bereich des aufgebrachten Lots 5 entsprechend ausgebildet.
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Nachdem die Leuchtdiode 2 oder alle Leuchtdioden 2 ihre Zielposition bzw. Zielpositionen erreicht hat bzw. haben, wird die Leiterplatte 4 gemeinsam mit der oder den Leuchtdioden 2, dem Lot 5 und dem Rahmen 1 abgekühlt, so dass sich das Lot 5 verfestigt und eine elektrische Verbindung zwischen der zumindest einen Leuchtdiode 2 und der Leiterplatte 4 hergestellt ist.
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Nach diesem Lötprozess wird zumindest ein ebenfalls in 3 näher dargestelltes optisches Element 6, 7 relativ zu dem Rahmenelement 1 referenziert und an diesem angeordnet. Dies erfolgt beispielsweise anhand von miteinander korrespondierenden Befestigungsmitteln, beispielsweise einer Kombination von Bohrungen im Rahmenelement 1 und dazu korrespondierenden Stiftelementen an der Leuchtdiode 2. Somit stellen aus dem Stand der Technik bekannte Toleranzen des Lötstopplacks, einer Bohrgenauigkeit bei der Erzeugung einer Referenzierung der Leuchtdioden 2 zur Leiterplatte 4 und das Schwimmverhalten der Leuchtdioden 2 keine Störfaktoren für die Platzierungsgenauigkeit der Leuchtdioden 2 mehr dar. Vielmehr bildet das Rahmenelement 1 die entsprechende Referenz, an welcher sowohl die Leuchtdiode 2 als auch das optische Element 6, 7 ausgerichtet werden.
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Somit ergibt sich eine Toleranzkette von einem Licht emittierenden Halbleiterchip der Leuchtdiode 2 über einen Randbereich dieser zu dem Rahmenelement 1.
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Das Rahmenelement 1 umfasst dabei gleichzeitig ein optisches Element und ein Wärmeleitelement. Das optische Element kann dabei eine Blende oder ein Reflektor sein. Das Wärmeleitelement ist insbesondere an der Innenkante im Aufnahmeraum A des Rahmenelements 1 zumindest im Berührungsbereich mit der Leuchtdiode 2 angeordnet.
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In 2 sind in einer Draufsicht ein zweites Rahmenelement 1 und die Leuchtdiode 2 für das Leuchtmittel 3 dargestellt.
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Wenn eine Berührung der Leuchtdiode 2 und des Rahmenelements 1 nach der Verfestigung des Lots 5 nicht gewünscht sind, werden nach dem Lötprozess, insbesondere vor einer vollständigen Verfestigung des Lots 5, Teilbereiche 1.1 des Rahmenelements 1 von der Leiterplatte 4 entfernt.
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Um diesen Prozess zu vereinfachen, wird eine Materialstruktur des Rahmenelements 1 vor dem Aufbringen auf die Leiterplatte 4 zur Abgrenzung der Teilbereiche 1.1 in Teilabschnitten geschwächt oder durchbrochen. Hierzu erfolgt beispielsweise eine Perforation des Rahmenelements 1 in den entsprechenden Abschnitten.
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3 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels 3 mit einer Leiterplatte 4, mehreren mittels Rahmenelementen 1 ausgerichteten Leuchtdioden 2 und den Leuchtdioden 2 zugeordneten optischen Elementen 6, 7. Die Rahmenelemente 1 sind dabei zusätzlich selbst als optisches Element und Wärmeleitelement ausgebildet oder umfassen diese.
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Zusätzlich ist in der Leiterplatte 4 eine Bohrung 8 eingebracht, mittels welcher das Leuchtmittel 3 auf ein nicht gezeigtes Beleuchtungssystem, welches ein oder mehrere der Leuchtmittel 3 umfasst, referenziert werden kann. Bei dem Beleuchtungssystem handelt es sich beispielweise um einen Fahrzeugscheinwerfer.
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In nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann eine abweichende Anordnung der einzelnen Leuchtdioden 2 und Rahmenelemente 1 vorgesehen sein. Auch kann eine abweichende Anzahl an Leuchtdioden 2 und Rahmenelementen 1 vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rahmenelement
- 1.1
- Teilbereich
- 2
- Leuchtdiode
- 3
- Leuchtmittel
- 4
- Leiterplatte
- 5
- Lot
- 6
- optisches Element
- 7
- optisches Element
- 8
- Bohrung
- A
- Aufnahmeraum
- S
- Schwimmrichtung
