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Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Leuchtdiodenfilamenten angegeben. Darüber hinaus wird ein Leuchtdiodenfilament angegeben.
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Die Druckschrift US 2014 / 0 369 036 A1 betrifft eine LED-Leuchte und ein Filament mit einer solchen Leuchte.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 009 351 A1 betrifft ein Leuchtmittel, bei dem LED-Einheiten auf einem gemeinsamen Träger angebracht sind.
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Die Druckschrift US 2009 / 0 173 954 A1 betrifft eine Halbleiteranordnung, bei der in eine Vielzahl von Halbleiterelementen in einem Matrixmaterial eingebettet sind.
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Die Druckschrift WO 2007 / 149 362 A2 betrifft eine LED-Anordnung, bei der LED-Einheiten in einem elektrisch isolierenden Material eingebettet sind.
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Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem Leuchtdiodenfilamente effizient herstellbar sind.
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Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Mit dem Verfahren wird ein Leuchtdiodenfilament hergestellt. Bei dem Leuchtdiodenfilament handelt es sich insbesondere um einen Leuchtenbestandteil, der einem Glühdraht einer herkömmlichen Glühlampe nachempfunden ist. Bei dem Leuchtdiodenfilament handelt es sich etwa um einen Streifen, der mit mehreren Leuchtdiodenchips versehen ist und im Betrieb weißes, sichtbares Licht emittiert. Das Leuchtdiodenfilament ist bevorzugt dazu eingerichtet, in einer Nachbildung einer Glühlampe eingesetzt zu werden und/oder um einen Glühdraht zu simulieren.
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Das Verfahren umfasst den Schritt des Aufbringens einer Vielzahl von Leuchtdiodenchips auf einen ersten Träger. Die Leuchtdiodenchips werden bevorzugt direkt auf den ersten Träger aufgebracht. Bei dem ersten Träger kann es sich um einen temporären oder um einen dauerhaften Träger für die Leuchtdiodenchips handeln. Die Leuchtdiodenchips können allesamt baugleich sein. Alternativ und bevorzugt werden zumindest zwei oder zumindest drei verschiedene Arten von Leuchtdiodenchips verwendet. Beispielsweise finden blaue Leuchtdiodenchips zur Anregung eines Leuchtstoffs Verwendung in Kombination mit rotes Licht emittierenden Leuchtdiodenchips. Ebenso können erste blau emittierende Leuchtdiodenchips zur Anregung eines Leuchtstoffs, zweite blau emittierende Leuchtdiodenchips zur Emission von blauem Licht aus dem Leuchtdiodenfilament heraus und zusätzlich rotes Licht emittierende Leuchtdiodenchips auf dem Träger aufgebracht werden, insbesondere in einer alternierenden Abfolge.
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Das Verfahren umfasst den Schritt des Abdeckens der Leuchtdiodenchips mit einem zweiten Träger. Bevorzugt handelt es sich bei dem zweiten Träger um einen temporären Träger, der in den fertigen Leuchtdiodenfilamenten nicht mehr vorhanden ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Leuchtdiodenchips in einer zweidimensionalen Anordnung zwischen den beiden Trägern platziert. Die Leuchtdiodenchips sind dabei bevorzugt für eine Vielzahl von Leuchtdiodenfilamenten vorgesehen und nicht nur für ein einziges Leuchtdiodenfilament.
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Die Leuchtdiodenchips werden mit einem Vergusskörper umspritzt. Durch das Umspritzen der Leuchtdiodenchips entsteht ein zusammenhängender Filamentverbund. In dem Filamentverbund sind bevorzugt alle Leuchtdiodenchips mechanisch integriert. Mit anderen Worten können im Rahmen des Herstellungsverfahrens die Leuchtdiodenchips dann als eine mechanische Einheit und auch als eine organisatorische Einheit gehandhabt werden. Der Filamentverbund kann auch als Kunstwafer bezeichnet werden.
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Die beiden Träger, zwischen denen die Leuchtdiodenchips angebracht sind, dienen als Gussform für den Vergusskörper. Mit anderen Worten wird dann eine äußere Gestalt des Vergusskörpers durch eine Grenzfläche zwischen einer Vergussmasse für den Vergusskörper und den Trägern bestimmt. Dabei ist es möglich, dass die Träger beispielsweise Innenwände einer weiteren, äußeren Gussform auskleiden.
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Der Vergusskörper wird direkt an den Leuchtdiodenchips erstellt. Mit anderen Worten umschließt der Vergusskörper die Leuchtdiodenchips unmittelbar und ist an die Leuchtdiodenchips angeformt. Insbesondere wird der Vergusskörper derart an die Leuchtdiodenchips angebracht, dass im bestimmungsgemäßen Gebrauch der fertigen Leuchtdiodenfilamente kein Ablösen des Vergusskörpers von den Leuchtdiodenchips erfolgt.
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Das Verfahren umfasst den Schritt des Entfernens von beiden Trägern. Es möglich, dass erst einer der Träger entfernt wird und erst in einem späteren Verfahrensstadium der zweite Träger.
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Bei dem Verfahren werden elektrische Verbindungen an dem Vergusskörper und zwischen den Leuchtdiodenchips angebracht. Durch die elektrischen Verbindungen werden die Leuchtdiodenchips, zumindest innerhalb eines der späteren, fertigen Leuchtdiodenfilamente, elektrisch verschaltet. Die elektrischen Verbindungen können dabei beispielsweise Anschlussflächen zur externen elektrischen Kontaktierung der fertigen Leuchtdiodenfilamente sowie Leiterbahnen oder elektrische Brücken zwischen benachbarten Leuchtdiodenchips sowie zwischen Leuchtdiodenchips und den externen elektrischen Kontaktflächen beinhalten.
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Das Verfahren umfasst den Schritt des Vereinzelns des Filamentverbunds zu den Leuchtdiodenfilamenten. Bevorzugt handelt es sich bei diesem Verfahrensschritt um einen letzten Verfahrensschritt des Herstellungsverfahrens. Vor einem Vereinzeln kann insbesondere ein Funktionstest der Leuchtdiodenfilamente noch in dem Filamentverbund erfolgen.
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Jedes der fertigen Leuchtdiodenfilamente ist mechanisch selbsttragend. Mit anderen Worten ist es dann nicht erforderlich, dass die Leuchtdiodenfilamente später noch mit einem mechanischen Trägersubstrat versehen werden oder auf ein mechanisches Trägersubstrat aufgebracht werden. Insbesondere können die Leuchtdiodenfilamente somit an zwei elektrischen und/oder thermischen Kontaktpunkten angebracht werden und einen Zwischenraum zwischen diesen Kontaktpunkten ohne weitere Stützung überbrücken oder sich von den Kontaktpunkten weg erstrecken.
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Das Leuchtdiodenfilament umfasst mindestens acht oder zwölf oder 20 der Leuchtdiodenchips. Alternativ oder zusätzlich liegt die Anzahl der Leuchtdiodenchips bei höchstens 100 oder 50 oder 30 oder 25.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das fertige Leuchtdiodenfilament eine längliche Form auf. Ein Verhältnis aus einer Länge zu einer Breite des fertigen Leuchtdiodenfilaments beträgt mindestens 15 oder 25. Alternativ oder zusätzlich liegt dieses Verhältnis aus der Länge zur Breite bei höchstens 80 oder 60 oder 40.
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Das Verfahren ist zur Herstellung von Leuchtdiodenfilamenten eingerichtet und umfasst zumindest die folgenden Schritte, in der angegebenen Reihenfolge:
- A) Aufbringen einer Vielzahl von Leuchtdiodenchips direkt auf einen ersten Träger,
- B) Abdecken der Leuchtdiodenchips mit einem zweiten Träger,
- C) Umspritzen der Leuchtdiodenchips mit einem Vergusskörper zu einem zusammenhängenden Filamentverbund, wobei die beiden Träger als Gussformen oder Teil von Gussformen dienen und wobei der Vergusskörper direkt an die Leuchtdiodenchips angeformt wird,
- D) Entfernen des ersten Trägers oder des zweiten Trägers oder von beiden Trägern von den Leuchtdiodenchips und von dem Vergusskörper,
- E) Anbringen von elektrischen Verbindungen an den Vergusskörper und zwischen den Leuchtdiodenchips, sodass die Leuchtdiodenchips elektrisch verschaltet werden, und
- F) Vereinzeln des Filamentverbunds zu den
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Leuchtdiodenfilamenten, wobei jedes der fertigen Leuchtdiodenfilamente mechanisch selbsttragend ist, mindestens acht der Leuchtdiodenchips umfasst und ein Verhältnis aus einer Länge zu einer Breite von mindestens 15 aufweist.
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In der Allgemeinbeleuchtung werden insbesondere bei der Herstellung von Retrofits, also der Nachbildung von Glühlampen, zunehmend Leuchtdiodenfilamente eingesetzt. Dabei wird eine Vielzahl von Leuchtdiodenchips auf einem linearen, gemeinsamen Substrat angeordnet und mit einem Leuchtstoffmaterial umhüllt. In eingeschaltetem Zustand wirkt eine solche Anordnung wie ein klassisches, glühendes Filament einer Glühlampe auf einen Betrachter und stellt damit auch direkt einen wichtigen Designbestandteil eines entsprechenden Produkts dar.
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Die Herstellung von bisher bekannten Leuchtdiodenfilamenten ist allerdings mit vergleichsweise großem Aufwand verbunden. So werden bisher Leuchtdiodenfilamente üblicherweise dadurch hergestellt, dass Glas oder Saphir zu Leisten gesägt wird. Anschließend wird eine Metall-Glas-Verbindung hergestellt, sodass eine elektrische Verbindung zwischen Kontaktflächen und der Trägerleiste realisiert wird. Dabei wird insbesondere durch mechanisches Umbiegen oder Umklammern eine Art Leiterrahmen, gegebenenfalls mit vorherigem Kleberauftrag, hergestellt. Anschließend werden die Leuchtdiodenchips auf diesem Metall-Glas-Verbund aufgebracht und die Leuchtdiodenchips werden verdrahtet. Nachfolgend wird das Leuchtstoffmaterial für jedes der Filamente aufgebracht.
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Mit dem hier beschriebenen Verfahren ist es dagegen möglich, die Leuchtdiodenfilamente gemeinsam in einem Filamentverbund zu prozessieren. Dabei kann insbesondere auf einen fragilen Glasträger oder Saphirträger verzichtet werden und eine Effizienz des Herstellungsverfahrens ist erhöhbar, ebenso wie eine Ausbeute des Verfahrens.
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Im Verfahrensschritt D) nur einer der Träger entfernt. In einem weiteren Verfahrensschritt E2) unmittelbar vor dem Schritt F) wird der verbleibende Träger entfernt. In den fertigen Leuchtdiodenfilamenten ist damit keiner der Träger, die in den Verfahrensschritten A) und B) angebracht werden, vorhanden.
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Dem Schritt E) folgt ein Schritt E1) nach. In diesem Schritt wird zumindest ein Leuchtstoffkörper auf den Filamentverbund aufgebracht. Der Leuchtstoffkörper kann einstückig und/oder durchgehend sein und/oder sich zumindest über einige der Filamente erstrecken. Das heißt, der Leuchtstoffkörper kann den Filamentverbund und insbesondere den Vergusskörper größtenteils oder ganzflächig bedecken, in Draufsicht gesehen. Dabei kann der Leuchtstoffkörper als Folie oder als Platte aufgebracht werden oder auch erst durch ein Aufdrucken oder Aufspritzen auf den Vergusskörper und auf den Filamentverbund aus dem Schritt E) gebildet werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die fertigen Leuchtdiodenfilamente je genau eine lineare Anordnung der Leuchtdiodenchips auf. Mit anderen Worten befinden sich dann alle Leuchtdiodenchips des Leuchtdiodenfilaments auf einer gemeinsamen Geraden. Alternativ ist es möglich, dass die Leuchtdiodenchips in zwei Geraden angeordnet sind und beispielsweise U-förmig elektrisch verschaltet sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle Leuchtdiodenchips des fertigen Leuchtdiodenfilaments elektrisch in Serie geschaltet. Alternativ können auch mehrere parallel geschaltete Serienschaltungen innerhalb eines fertigen Leuchtdiodenfilaments vorliegen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in Schritt E1) an beiden Hauptseiten des Filamentverbunds ein durchgehender Leuchtstoffkörper aufgebracht. Mit anderen Worten sind dann beide Hauptseiten des Filamentverbunds mit einem Leuchtstoffkörper bedeckt. Dabei ist es möglich, dass der oder die Leuchtstoffkörper den Filamentverbund vollständig bedecken, mit Ausnahme von elektrischen Kontaktflächen zur externen elektrischen Kontaktierung der fertigen Leuchtdiodenfilamente.
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Die fertigen Leuchtdiodenfilamente an zwei einander gegenüberliegenden Seiten das Licht. Bei dem emittierten Licht handelt es sich bevorzugt um weißes Licht. Im Rahmen der Herstellungstoleranzen emittieren die fertigen Leuchtdiodenfilamente bevorzugt an beiden Seiten gleichfarbiges Licht.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Träger um einen permanenten Träger, der noch in den fertigen Leuchtdiodenfilamenten vorhanden ist. Mit anderen Worten wird im Rahmen des Herstellungsverfahrens dann nur der zweite Träger im Verlauf des Herstellungsverfahrens entfernt. Bei dem ersten, permanenten Träger handelt es sich beispielsweise um eine Wärmesenke, um eine Leuchtstoffschicht oder um eine Optikplatte, beispielsweise mit Linsen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich der erste, bevorzugt permanente Träger in den fertigen Leuchtdiodenfilamenten vollständig über eine Filamentunterseite. Weiterhin bevorzugt ist eine der Filamentunterseite gegenüberliegende Filamentoberseite nur zum Teil von einem Leuchtstoffkörper bedeckt. Insbesondere werden von dem Leuchtstoffkörper nur die externen elektrischen Kontaktflächen freigelassen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die fertigen Leuchtdiodenfilamente mechanisch flexibel. Dies ist erreichbar insbesondere durch den Vergusskörper. Dass die fertigen Leuchtdiodenfilamente mechanisch flexibel sind, kann bedeuten, dass diese im bestimmungsgemäßen Gebrauch einmalig oder mehrmalig mit einem Krümmungsradius von kleiner oder gleich der Länge der fertigen Leuchtdiodenfilamente gebogen werden können. Dabei ist der Vergusskörper bevorzugt aus einem mechanisch flexiblen Kunststoff hergestellt und eine mechanische Verbindung zwischen den einzelnen Leuchtdiodenchips erfolgt mindestens zum Teil über den Vergusskörper.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer Verbiegung ist es auch möglich, dass die fertigen Leuchtdiodenfilamente verdrillt werden können. Beispielsweise liegt dann ein Rotationswinkel entlang einer Längsachse, entlang der die fertigen Leuchtdiodenfilamente einmalig oder mehrmalig zeitweise oder dauerhaft zerstörungsfrei verdrillt werden können, bei mindestens 45° oder 90° oder 120°. Durch derartige verdrillbare Leuchtdiodenfilamente ist es möglich, in einer Nachbildung einer Glühlampe eine besonders gleichmäßige Abstrahlung nach allen Seiten hin zu erzielen. Das Verdrillen der Leuchtdiodenfilamente ist insbesondere ermöglicht durch die Verwendung des Vergusskörpers, im Vergleich zu einem starren Träger, etwa aus Glas oder Saphir.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind in den Leuchtdiodenfilamenten je eine oder je mehrere Wärmesenken integriert. Wärmesenke bedeutet beispielsweise, dass eine thermische Leitfähigkeit eines Materials der Wärmesenke bei mindestens 50 W/m·K liegt oder bei mindestens 100 W/m·K oder 120 W/m·K. Insbesondere ist die Wärmesenke aus einem thermisch leitfähigen Metall wie Aluminium und/oder Kupfer gebildet oder besteht überwiegend hieraus.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Wärmesenke von den elektrischen Verbindungen elektrisch isoliert. Hierdurch ist es möglich, eine thermische Kontaktierung der fertigen Leuchtdiodenfilamente unabhängig von einer elektrischen Kontaktierung durchzuführen. Insbesondere kann das Leuchtdiodenfilament dann großflächig gestaltete thermische Kontaktflächen aufweisen, zum Beispiel mit einer Fläche von je mindestens 5 mm2.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich die Wärmesenke und/oder thermischen Kontaktflächen einerseits und die elektrischen Kontaktflächen zur externen elektrischen Kontaktierung andererseits in den fertigen Leuchtdiodenfilamenten an einander gegenüberliegenden Hauptseiten. Insbesondere liegen die elektrischen Kontaktflächen an der Filamentoberseite und die Wärmesenke und/oder die thermischen Kontaktflächen an der Filamentunterseite.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Wärmesenke durch eine zusammenhängende Schicht gebildet, die sich in einer Ebene unterhalb des Vergusskörpers und der Leuchtdiodenchips befindet. Mit anderen Worten ist die Wärmesenke dann etwa in Form des ersten Trägers an den Leuchtdiodenchips angebracht und die Leuchtdiodenchips liegen dann auf der Wärmesenke auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Wärmesenke eine Lochmaske oder besteht hieraus. Dabei wird bevorzugt in jedes Loch der Lochmaske in Schritt A) einer oder mehrere der Leuchtdiodenchips platziert. Mit anderen Worten liegen dann die Leuchtdiodenchips und die Wärmesenke oder zumindest die Lochmaske in einer gemeinsamen Ebene.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in Schritt C) durch das Erstellen des Vergusskörpers eine feste mechanische Verbindung zwischen den Leuchtdiodenchips und der Lochmaske hergestellt. Das heißt, in jedes Loch der Lochmaske mit einem Leuchtdiodenchip kann dann ein Material des Vergusskörpers gefüllt werden, sodass die Leuchtdiodenchips über den Vergusskörper in die Löcher eingepasst und befestigt werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt der Vergusskörper die Wärmesenke und insbesondere die Lochmaske, in Draufsicht gesehen, vollständig. Das heißt, eine Dicke des Vergusskörpers übersteigt dann bevorzugt eine Dicke der Lochmaske. Insbesondere überragt der Vergusskörper die Lochmaske nur an einer Seite und schließt an einer weiteren Seite, bevorzugt an der Filamentunterseite, bündig mit der Lochmaske ab.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Wärmesenke zusätzlich zur Lochmaske eine Bodenplatte. Die Lochmaske ist bevorzugt direkt auf der Bodenplatte angebracht. Es ist möglich, dass die Bodenplatte und die Lochmaske einstückig ausgebildet sind. Die Bodenplatte ist bevorzugt frei von Ausnehmungen oder Durchbrüchen durch die Bodenplatte hindurch, sodass die Bodenplatte eine zusammenhängende, massive und unterbrechungsfreie Schicht bilden kann. Hierbei kann der Vergusskörper die Bodenplatte vollständig bedecken, in Draufsicht gesehen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedecken die Träger oder bedeckt zumindest einer der Träger in Schritt C) die Hauptseiten der Leuchtdiodenchips nur teilweise. Mit anderen Worten liegen die Hauptseiten der Leuchtdiodenchips dann zum Teil frei. Hierdurch ist es möglich, dass der Vergusskörper auch stellenweise an den Hauptseiten der Leuchtdiodenchips ausgebildet wird. Auf diese Weise können Verankerungsstrukturen geformt werden, mittels derer die Leuchtdiodenchips mechanisch besser in den Vergusskörper und/oder den Filamentverbund integrierbar sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Leuchtdiodenchips in Schritt H) alternierend auf dem ersten Träger aufgebracht. Dies kann bedeuten, dass bei den Leuchtdiodenchips abwechselnd eine n-Seite und eine p-Seite oben liegt. Die Leuchtdiodenchips werden somit abwechselnd um 180° gegeneinander verdreht aufgebracht. Alternativ ist es möglich, dass auch eine Verdrehung um nur 90° zwischen benachbarten Leuchtdiodenchips vorliegt, etwa um eine allseitige Emission der fertigen Leuchtdiodenfilamente zu erzielen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die fertigen Leuchtdiodenfilamente eine Länge von mindestens 15 mm oder 20 mm oder 30 mm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Länge der fertigen Leuchtdiodenfilamente bei höchstens 100 mm oder 60 mm oder 45 mm.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Breite oder mittlere Breite der Leuchtdiodenfilamente bei mindestens 0,5 mm oder 0,8 mm oder 1,1 mm. Alternativ oder zusätzlich liegt die Breite bei höchstens 5 mm oder 3 mm oder 2 mm oder 1,8 mm. Die Breite wird dabei bevorzugt bestimmt in Richtung parallel zu Hauptseiten der Träger. Die Breite der fertigen Leuchtdiodenfilamente ist damit insbesondere bestimmt durch das Vereinzeln im Schritt F).
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Leuchtdiodenfilamente eine Dicke von mindestens 0,6 mm oder 0,8 mm oder 1,2 mm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke bei höchstens 3 mm oder 2 mm oder 1,6 mm. Die Dicke wird dabei in Schritt F) bevorzugt nicht oder nicht wesentlich beeinflusst.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Wärmesenke eine Dicke von mindestens 0,15 mm oder 0,2 mm oder 0,3 mm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Wärmesenke bei höchstens 1 mm oder 0,8 mm oder 0,5 mm. Dabei ist ein Hauptbestandteil der Wärmesenke bevorzugt ein Metall wie Kupfer oder Aluminium. Hauptbestandteil bedeutet, dass ein Gewichtsanteil des entsprechenden Stoffs an der Wärmesenke insgesamt bei mindestens 60 % oder 80 % oder 95 % liegt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die fertigen Leuchtdiodenfilamente frei von einem Glasträger oder einem Saphirträger. Dies schließt nicht aus, dass die einzelnen Leuchtdiodenchips etwa über einen Saphirträger verfügen, jedoch erstreckt sich ein solcher Saphirträger nicht über das gesamte Leuchtdiodenfilament und ist etwa für eine mechanische Stabilisierung des Leuchtdiodenfilaments insgesamt nicht oder nicht signifikant ausschlaggebend.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die fertigen Leuchtdiodenfilamente dazu eingerichtet, in eine externe Haltevorrichtung eingesteckt oder eingeklemmt zu werden. Auf diese Weise sind die Leuchtdiodenfilamente elektrisch und/oder thermisch extern kontaktierbar.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Vergusskörper Partikel oder Beimengungen zur Verbesserung einer thermischen Leitfähigkeit. Beispielsweise beinhaltet der Vergusskörper dann Partikel aus einem Metalloxid wie Titandioxid oder Zirkondioxid oder Tantaloxid. Ebenso kann der Vergusskörper Metallpartikel oder beschichtete Metallpartikel aufweisen. Die Partikel können kugelähnlich oder polyedrisch geformt sein oder auch in Form von langgestreckten Fäden vorliegen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Vergusskörper für sichtbares Licht reflektierend. Insbesondere erscheint der Vergusskörper einem Betrachter weiß.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält der Vergusskörper zumindest einen Leuchtstoff. Es ist möglich, dass der Vergusskörper denselben Leuchtstoff enthält wie der Leuchtstoffkörper und/oder die Leuchtstoffschicht. Dadurch ist es möglich, dass seitlich aus den Leuchtdiodenchips austretende Strahlung nicht am Vergusskörper reflektiert wird, sondern wie in dem Leuchtstoffkörper und/oder in der Leuchtstoffschicht konvertiert wird. Für das vom Leuchtstoff erzeugte Licht ist der Vergusskörper bevorzugt klarsichtig oder streuend gestaltet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Vergusskörper für sichtbares Licht durchlässig, insbesondere klarsichtig und transparent. Alternativ kann der Vergusskörper milchigtrüb erscheinen.
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Darüber hinaus wird ein Leuchtdiodenfilament angegeben. Das Leuchtdiodenfilament wird bevorzugt mit einem Verfahren hergestellt, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben angegebenen Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für das Leuchtdiodenfilament offenbart und umgekehrt.
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In mindestens einer Ausführungsform ist das Leuchtdiodenfilament dazu eingerichtet, in einem Glühbirnenersatz als Nachbildung eines Glühdrahts eingesetzt zu werden. Eine bestimmungsgemäße Betriebsspannung des Leuchtdiodenfilaments liegt dabei bevorzugt bei mindestens 30 V oder 45 V oder 60 V und/oder bei höchstens 400 V oder 240 V oder 115 V oder 90 V oder 80 V.
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Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Verfahren und ein hier beschriebenes Leuchtdiodenfilament unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Beispielen und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
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Es zeigen:
- 1 bis 8 schematische Darstellungen von Beispielen zur Erläuterung von Teilaspekten des hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von hier beschriebenen Leuchtdiodenfilamenten.
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In 1A ist in einer schematischen Schnittdarstellung ein Verfahrensschritt eines hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von Leuchtdiodenfilamenten 10 gezeigt. Auf einem ersten Träger 1 werden mehrere Leuchtdiodenchips 3 angebracht. Bei dem Träger 1 handelt es sich beispielsweise um eine mechanisch flexible Folie oder auch um ein starres Substrat. Die Leuchtdiodenchips 3 weisen je ein Chipsubstrat 33 auf, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge 30 angebracht ist. Gemäß 1A weisen dabei alle n-Seiten 31 hin zu dem ersten Träger 1 und alle p-Seiten 32 weg von dem ersten Träger 1.
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Abweichend von 1A können auch voneinander verschiedenartige Leuchtdiodenchips 3 verwendet werden. Die in 1A gezeigten Leuchtdiodenchips 3 weisen bevorzugt je ein lichtdurchlässiges Chipsubstrat 33 etwa aus Saphir auf und können daher Strahlung auf allen Seiten emittieren. Die Halbleiterschichtenfolge 30 basiert bevorzugt auf AlInGaN, sodass die Leuchtdiodenchips 3 beispielsweise zur Erzeugung von blauem Licht eingerichtet sind.
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Im Verfahrensschritt, wie in 1B gezeigt, wird auf die Leuchtdiodenchips 3 ein zweiter Träger 2 aufgebracht. Durch den zweiten Träger 2, bei dem es sich beispielsweise um eine Folie handelt, erfolgt ein Abdichten eines Volumens, sodass im nachfolgenden Verfahrensschritt ein Vergusskörper 4 erzeugt werden kann.
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In 1C1 ist in einer Schnittdarstellung und in 1C2 in einer schematischen Draufsicht das Erstellen des Vergusskörpers 4 illustriert. Der Vergusskörper 4 wird beispielsweise aus einem Silikon, Epoxid oder Silikon-Epoxid-Hybridmaterial hergestellt. Der Vergusskörper 4 kann eine Beimengung beispielsweise zur Einstellung einer Wärmeleitfähigkeit oder zur Einstellung von optischen Eigenschaften aufweisen. Beim Beispiel der 1 erscheint der Vergusskörper 4 einem Betrachter weiß und ist reflektierend für sichtbares Licht. Alternativ kann der Vergusskörper 4 mit einem Leuchtstoff versehen und ansonsten lichtdurchlässig sein. Durch einen Leuchtstoff im Vergusskörper 4 ist eine seitliche Emission der Leuchtdiodenchips 3, also eine Emission insbesondere entlang der Längsachse des Leuchtdiodenfilaments 10, direkt in Licht einer anderen Wellenlänge umwandelbar.
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In 1C2 ist erkennbar, dass die Leuchtdiodenchips 3 zweidimensional angeordnet sind. Alle Leuchtdiodenchips 3 werden über den Vergusskörper 4 mechanisch verbunden. Dabei sind die Leuchtdiodenchips 3 für eine Vielzahl der Leuchtdiodenfilamenten 10 eingerichtet. Somit wird durch den Vergusskörper 4 auch ein Filamentverbund 40 erzeugt. Bei dem Filamentverbund 40 handelt es sich um einen Kunstwafer, mit dem die späteren, zu vereinzelnden Leuchtdiodenfilamente 10 gemeinsam handhabbar sind.
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Gemäß der Schnittdarstellung in 1D1 und der Draufsicht in 1D2 sind die beiden Träger 1, 2 entfernt. An den Enden der späteren, fertigen Leuchtdiodenfilamente 10 wird jeweils streifenförmig eine externe elektrische Kontaktfläche 55 erzeugt. Die Kontaktfläche 55 wird beispielsweise durch ein Aufkleben einer Leiterplattenfolie, durch Siebdruck, durch Pastendruck, durch Jetting oder durch Galvanisierung erzeugt.
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Anders als dargestellt ist es nicht erforderlich, dass die Kontaktfläche 55 sich als zusammenhängender Streifen über mehrere der späteren Leuchtdiodenfilamente 10 hinweg erstreckt. Beim Verfahrensschritt, wie in den 1E1 und 1E2 dargestellt, werden die Leuchtdiodenchips 3 hin zu den Kontaktflächen 55 und untereinander über elektrische Verbindungen 5 elektrisch verschaltet. Bei den elektrischen Verbindungen 5 handelt es sich um Bonddrähte. Anstelle von Bonddrähten können auch planare Verbindungen wie Leiterbahnen, etwa mittels Fototechnik oder Siebdruck oder Jetten, aufgebracht werden. Auch ein Aufdampfen von entsprechenden elektrischen Verbindungen 5 ist möglich.
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Wie in der Schnittdarstellung in 1F1 und in der Draufsicht in 1F2 dargestellt, werden sowohl an einer Filamentunterseite 11 als auch an einer Filamentoberseite 12, an der sich die elektrischen Verbindungen 5 und die Kontaktflächen 55 befinden, jeweils Leuchtstoffkörper 8 aufgebracht. Die Leuchtstoffkörper 8 lassen bevorzugt je einen Randbereich an den Kontaktflächen 55 frei, sowohl an der Filamentunterseite 11 als auch an der Filamentoberseite 12.
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Bei dem Leuchtstoffkörper 8 an der Filamentunterseite 11 handelt es sich beispielsweise um eine Silikonfolie oder auch um eine Glasplatte, der ein Leuchtstoff oder eine Leuchtstoffmischung beigegeben ist. Dies kann auch für den Leuchtstoffkörper 8 an der Filamentoberseite 12 gelten. Alternativ ist der Leuchtstoffkörper 8 an der Filamentoberseite 12 durch ein Aufdrucken oder ein Spritzpressen oder ein Spritzgießen erzeugt, analog zum Vergusskörper 4.
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Weiterhin ist es möglich, dass die beiden Leuchtstoffkörper 8 durch einen einzigen, nicht gezeichneten Leuchtstoffüberzug ersetzt werden. Ein solcher Leuchtstoffüberzug, der auch in allen anderen Beispielen alternativ oder zusätzlich zu dem Leuchtstoffkörper 8 oder zu der Leuchtstoffschicht 7 vorhanden sein kann, ist beispielsweise durch ein Eintauchen des Filaments in ein Bad aus Konvertermaterial oder durch Dispensen herstellbar. Mit solch einem Leuchtstoffüberzug lassen sich zylindrische oder nahezu zylindrische Leuchtdiodenfilamente 10, insbesondere mit einer gleichmäßigen Abstrahlung in alle Richtungen quer zu einer Längsachse des Leuchtdiodenfilaments 10, realisieren.
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Wie auch in allen anderen Beispielen ist es möglich, anstelle des oder der Leuchtstoffkörper 8 eine oder mehrere transparente Schutzschichten vorzusehen, die dann keine wellenlängenändernden Eigenschaften aufweisen.
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Die Vereinzelung hin zu den fertigen Leuchtdiodenfilamenten 10 ist in der Schnittdarstellung in 1G1 und in der Draufsicht in 1G2 veranschaulicht. Die resultierenden Leuchtdiodenfilamente 10 sind mechanisch selbsttragend und können mechanisch flexibel oder auch starr sein. Das Vereinzeln zu den Leuchtdiodenfilamenten 10 erfolgt beispielsweise durch ein Sägen, durch ein Ritzen zusammen mit Brechen, durch Stanzen oder durch ein Lasertrennverfahren.
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Mit diesem Verfahren sind die Leuchtdiodenchips 3 in den Filamentverbund 40 integrierbar, wobei der Filamentverbund 40 ein Kunstwafer ist, in dem die Prozessierung effizient auf Panelebene erfolgen kann. Ein derartiger Vergusskörper 4 für den Filamentverbund 40 ist kosteneffizient herstellbar und hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften durch geeignete Wahl des Materials für den Vergusskörper 4 einstellbar. Insbesondere aufgrund des Vergusskörpers 4 sind vergleichsweise zeitaufwändige, teure und bruchanfällige Prozessschritte wie Glas sägen und das Herstellen von Metall-Glas-Kontakten bei herkömmlichen Leuchtdiodenfilamenten entbehrbar. Weiterhin sind eine hohe mechanische Stabilität und eine hohe Maßgenauigkeit während der Prozessierung erreichbar, im Vergleich zu bisher üblichen, fragilen Metall-Glas-Leiterrahmenverbünden. Auch ist die Aufbringung des Leuchtstoffkörpers 8 noch im Filamentverbund 40 möglich.
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In 2 ist in Schnittdarstellungen ein weiteres Beispiel des Herstellungsverfahrens illustriert. Abweichend von 1 werden die Leuchtdiodenchips 3 abwechselnd mit einer n-Seite 31 und einer p-Seite 32 auf den ersten Träger 1 angebracht. Hierdurch ist in den späteren, fertigen Leuchtdiodenfilamenten 10 eine bidirektionale oder omnidirektionale Abstrahlung ähnlich einem Glühdraht in einer Glühlampe realisierbar. Gemäß 2B wird der zweite Träger 2 angebracht und gemäß 2C der Vergusskörper 4 sowie der Filamentverbund 40 erzeugt.
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In den 2D und 2E ist die elektrische Verschaltung der Leuchtdiodenchips 3 gezeigt. Dabei werden, siehe 2E, zwei Reihenschaltungen realisiert. In einer Reihenschaltung befinden sich alle Leuchtdiodenchips 3 mit der p-Seite 32 nach oben und in einer zweiten Reihenschaltung alle Leuchtdiodenchips 3 mit der p-Seite 32 nach unten. Jeweils in einer Reihenschaltung nicht angesprochene, dazwischenliegende Leuchtdiodenchips 3 werden mit den elektrischen Verbindungen 5a, die als Leiterbahnen ausgestaltet sein können, überbrückt. Dies ist dadurch möglich, dass die Chipsubstrate 33 aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet sind oder elektrisch isolierend beschichtet sind. Dabei bedecken die elektrischen Verbindungen 5a die zugehörigen Leuchtdiodenchips 3 bevorzugt vollständig, in Draufsicht gesehen.
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Anders als in 2E dargestellt ist es möglich, dass an einem Ende des Leuchtdiodenfilaments 10 eine Durchkontaktierung durch den Vergusskörper 4 hindurch vorgesehen ist. Hierdurch kann die Reihenschaltung an der Filamentoberseite 12 mit der Reihenschaltung an der Filamentunterseite 11 elektrisch in Serie geschaltet werden, sodass sich dann die Kontaktflächen 55 an einem einzigen Ende des Leuchtdiodenfilaments 10 befinden können, wobei eine der in diesem Fall nur zwei externen elektrischen Kontaktflächen dann an der Filamentunterseite 11 und eine weitere der Kontaktflächen 55 an der Filamentoberseite 12 angebracht ist.
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Analog zur 1 werden die Leuchtdiodenchips 3 jeweils mit einem einzigen, zusammenhängenden Leuchtstoffkörper 8 an der Filamentunterseite 11 als auch an der Filamentoberseite 12 versehen.
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Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen und Beispielen weist der zumindest eine Leuchtstoffkörper 8 bevorzugt eine homogene Materialzusammensetzung und eine gleichmäßige Dicke auf. Abweichend ist es möglich, dass der Leuchtstoffkörper 8 in alternierenden Dicken aufgebracht wird, sodass sich beispielsweise zwischen benachbarten Leuchtdiodenchips 3 dünnere Bereiche des Leuchtstoffkörpers 8 befinden. Alternativ kann zumindest einer der Leuchtstoffkörper 8 oder können beide Leuchtstoffkörper 8 bereichsweise linsenförmig gestaltet sein, wobei dann bevorzugt jedem der Leuchtdiodenchips 3 ein Linsenabschnitt zugeordnet ist.
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In 3 ist ein weiteres Beispiel dargestellt. Die Verfahrensschritte der 3A bis 3D sind dabei analog zur 1. Im Verfahrensschritt der 3F wird ganzflächig auf die Filamentunterseite 11 eine Wärmesenke 6 aufgebracht. Die Wärmesenke 6 ist beispielsweise aus Aluminium gebildet und weist bevorzugt eine Dicke von mindestens 150 µm auf. Ebenso kann die Wärmesenke 6 als Spiegel für in den Leuchtdiodenchips 3 erzeugte Strahlung fungieren. In diesem Fall emittiert das fertige Leuchtdiodenfilament 10 Strahlung nur an der Filamentoberseite 12 und nicht an der Filamentunterseite 11. Die weiteren Verfahrensschritte der 3F und 3G sind analog zu 1.
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Durch eine solche Wärmesenke 6 ist eine verbesserte Entwärmung und Kühlung der Leuchtdiodenchips 3 realisierbar. Weiterhin kann eine solche Wärmesenke 6 zumindest punktweise an eine externe Kühlplatte thermisch angeschlossen werden.
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Gemäß 3 befindet sich die Wärmesenke 6 unterhalb des Vergusskörpers 4. Im Beispiel, wie in 4 illustriert, ist die Wärmesenke 6 als Lochmaske 61 ausgebildet. Gemäß 4A wird in den Bereichen für die Leuchtdiodenfilamente 10 jeweils in jedes Loch der Lochmaske 61 einer der Leuchtdiodenchips 3 platziert.
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Im nächsten Schritt, siehe 4B, werden die Löcher mit dem Vergusskörper 4 ausgefüllt, sodass der Filamentverbund 40 entsteht. Dabei schließt die Wärmesenke 6 an der Filamentunterseite 11, nicht gezeichnet, bündig mit der Lochmaske 61 ab. An der Filamentoberseite 12 schließt der Vergusskörper 4, wie auch in den anderen Beispielen, bündig mit einer Hauptseite der Leuchtdiodenchips 3 ab und überragt somit die Lochmaske 61. Dies gilt bevorzugt nicht an einem Rand der späteren, fertigen Leuchtdiodenfilamente 10, sodass an diesem Rand die fertigen Leuchtdiodenfilamente 10 über die Lochmaske 6 thermisch kontaktierbar sind.
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Im nächsten Verfahrensschritt, siehe 4C, werden die elektrischen Kontaktflächen 55 angebracht. Dabei befinden sich die Kontaktflächen 55 bevorzugt jeweils zwischen zwei benachbarten Bereichen der Wärmesenke 6 an dem Rand. Die Kontaktflächen 55 können weiter in Richtung hin zu den Leuchtdiodenchips 3 ragen als die freiliegenden Bereiche der Wärmesenke 6.
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In 4D ist gezeigt, dass die Leuchtdiodenchips 3 mit den Verbindungsmitteln 5 elektrisch verschaltet werden. Gemäß 4E wird der Leuchtstoffkörper 8 erzeugt. Gemäß 4F1 erfolgt das Vereinzeln. Das resultierende Leuchtdiodenfilament 10 ist in 1F2 in einer Draufsicht gezeigt.
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Bei der Wärmesenke der 4 ist sowohl eine gute Entwärmung als auch eine zweiseitige oder omnidirektionale Abstrahlung erzielbar. Ferner sind die elektrischen Kontakte und die thermischen externen Kontakte voneinander getrennt.
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In 5 sind schematisch verschiedene Ausgestaltungen der Lochmaske 61 gezeigt, wie in Verbindung mit 4 verwendbar. Gemäß der Schnittdarstellung in 5A weist die Lochmaske 61 eine geringere Dicke auf als die Leuchtdiodenchips 3 und, im Rahmen der Herstellungstoleranzen, ist die Lochmaske 61 mit senkrechten Seitenwänden versehen. Der Vergusskörper 4 ist in diesem Fall bevorzugt reflektierend und weiß gestaltet.
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Beim Beispiel der Schnittdarstellung in 5B sind die Seitenwände der Lochmaske 61 geneigt zu Seitenflächen der Leuchtdiodenchips 3 angeordnet. Im Falle eines strahlungsdurchlässigen, klarsichtigen Vergusskörpers 4 können die Seitenwände der Lochmaske 61 als Reflektoren dienen, um eine gerichtetere Abstrahlung des Lichts zu ermöglichen.
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In der Schnittdarstellung gemäß 5C ist gezeigt, dass die Wärmesenke 6 die Lochmaske 61 sowie zusätzlich eine Bodenplatte 62 aufweist. Die Leuchtdiodenchips 3 sitzen auf der Bodenplatte 62 auf. Hierdurch ist eine besonders effiziente Entwärmung realisierbar. Die mechanischen Eigenschaften des Leuchtdiodenfilaments 10 sind dann im Wesentlichen durch die Wärmesenke 6 bestimmt. Beispielsweise im Fall einer mechanisch flexiblen, selbsttragenden Folie für die Wärmesenke 6 ist auch das zugehörige Leuchtdiodenfilament 10 mechanisch flexibel realisierbar.
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In der Draufsicht in 5D ist dargestellt, dass in Bereichen zwischen benachbarten Leuchtdiodenfilamenten 10 Vereinzelungsschlitze 69 vorhanden sein können. Entlang dieser Vereinzelungsschlitze 69 erfolgt dann bevorzugt ein Zerteilen und Vereinzeln hin zu den Leuchtdiodenfilamenten 10. Die Vereinzelungsschlitze 69 können verschiedene Formen aufweisen, in Draufsicht gesehen, wie in 5D illustriert.
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In den 4 und 5 sind die Löcher in der Lochmaske 61 in Draufsicht gesehen jeweils quadratisch oder rechteckig geformt. Abweichend hiervon können auch runde Löcher verwendet werden, in Draufsicht gesehen. Dies ist insbesondere bei reflektorartigen Gestaltungen analog zu 5B vorteilhaft.
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Beim Beispiel des Verfahrens, wie in den Schnittdarstellungen der 6 gezeigt, wird als erster Träger 1 die Wärmesenke 6 verwendet. Somit verbleibt der erste Träger 1 dauerhaft in dem Leuchtdiodenfilament 10. Die verbleibenden Verfahrensschritte werden beispielsweise analog zu 1 durchgeführt.
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Im Beispiel der 7 dient als erster Träger 1 der Leuchtstoffkörper 8, der ebenso dauerhaft an den Leuchtdiodenchips 3 verbleibt. Bei dem Leuchtstoffkörper 8 handelt es sich in diesem Fall zum Beispiel um eine mit dem Leuchtstoff versetzte Glasplatte oder Kunststoffplatte. Auch beim Verfahren gemäß 7 werden die übrigen Verfahrensschritte bevorzugt analog zu 1 durchgeführt.
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Bei diesem Verfahren, wie in den 6 und 7 illustriert, ist ein temporärer Zwischenträger entbehrbar und nur noch insgesamt ein zeitweiliger Träger 2 zur Abdichtung bei der Erzeugung des Vergusskörpers 4 erforderlich. Insbesondere ist auch eine bessere optische und/oder thermische Ankopplung des ersten Trägers 1 an die Leuchtdiodenchips 3 realisierbar.
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Beim Verfahren, wie in den Schnittdarstellungen der 8 gezeigt, wird eine Gussform 9 verwendet. Durch diese Gussform 9 werden die beiden Träger 1, 2 nicht ganzflächig auf die Leuchtdiodenchips 3 aufgebracht. Hierdurch werden, siehe 8C, die Hauptseiten der Leuchtdiodenchips 3 teilweise von dem Vergusskörper 4 bedeckt. Dadurch werden an Kanten der Leuchtdiodenchips 3 Verankerungsstrukturen 43 ausgebildet. Über diese Verankerungsstrukturen 43 ist eine verbesserte mechanische Verankerung der Leuchtdiodenchips 3 im Vergleich zu den Beispielen der 1 bis 7 realisierbar. Es können entsprechende Verankerungsstrukturen 43 auch in allen anderen Beispielen vorhanden sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Träger
- 2
- zweiter Träger
- 3
- Leuchtdiodenchip
- 30
- Halbleiterschichtenfolge
- 31
- n-Seite
- 32
- p-Seite
- 33
- Chipsubstrat
- 4
- Vergusskörper
- 40
- Filamentverbund
- 43
- Verankerungsstruktur
- 5
- elektrische Verbindung
- 55
- elektrische Kontaktfläche
- 6
- Wärmesenke
- 61
- Lochmaske
- 62
- Bodenplatte
- 69
- Vereinzelungsschlitz
- 7
- Leuchtstoffschicht
- 8
- Leuchtstoffkörper
- 9
- Gussform
- 10
- Leuchtdiodenfilament
- 11
- Filamentunterseite
- 12
- Filamentoberseite
