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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Leuchtdiodenzeile nach der Gattung
des Hauptanspruchs. Bei einer bekannten Leuchtdiodenzeile dieser Art sind die Lichtstreuelemente
diskrete Bauelemente, die in Lichtabstrahlrichtung der Leuchtdiodenchips den Leuchtdiodenchips
unmittelbar nachgeordnet werden.
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Diese diskreten Bauelemente müssen durch besondere Halteelemente auf
der Platine befestigt werden.
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Am einfachsten lassen sich solche Haltelemente als Lichtschachtleisten
ausbilden. Diese Lichtschachtleisten weisen Durchbrüche auf, die jeweils die Leuchtdiodenchips
umgeben und für jeweils ein Leuchtdiodenchip einen Lichtschacht bilden. Die Lichtstreuelemente
sind in der Lichtschachtleiste die Lichtschachtöffnungen abdeckend gehalten.
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Solche Lichtschächte haben eine relativ schlechte seitliche Abstrahlung,
die auch durch die Lichtstreuelemente nicht wesentlich verbessert werden kann.
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Darüberhinaus weisen solche massiven Lichtschachtleisten eine relativ
große Masse auf und erhöhen damit die träge Masse der Platine. Die bei dem rauhen
Kraftfahrzeugbetrieb auftretenden Stöße und Erschütterungen lassen infolge der relativ
großen trägen Masse der Platine mit den Lichtschachtleisten Schwingungskräfte an
den auf der Platine vorzugsweise durch Bonden befestigten Leuchtdiodenchips auftreten,
die zum Abreißen der Leuchtdiodenchips führen können. Darüberhinaus werden diese
Leuchtdiodenchips von den Lichtschöchten fast abstandslos umgeben. Leuchtdiodenzeilen
sind im Kraftfahrzeugbetrieb recht großen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Bei
unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Material der Platine
und dem Material der Lichtschachtleisten können axiale Längenänderungen zwischen
Lichtschachtleiste und Platine von einigen 1/10 mm vor allem im Endbereich der Lichtschachtleisten
auftreten. Die auf der Platine befestigten Leuchtdiodenchips werden dabei durch
die Lichtschachtwände abgeschert und von der Platine abgerissen. Auch die Herstellungskosten
für solche Leuchtdiodenzeilen sind relativ hoch, da sowohl die Lichtstreuelementet
als
auch die Lichtschachtleisten als getrennte Bauteile vorgefertigt und dann in einem
recht diffizilen Verfahren auf der Platine montiert werden müssen.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Leuchtdiodenzeile zeichnet
sich durch eine im Vergleich zum Lichtschacht vor allem zur Seite hin stark verbesserte
Lichtabstrahlung aus.
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Zur Halterung der Lichtstreuelemente sind keinerlei Haltelemente notwendig.
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Sie haften unmittelbar auf der Platine. Lichtschachtleisten mit relativ
großem Gewicht und großer träger Masse entfallen. Dadurch wird die mechanische Belastbarkeit
der Leuchtdiodenzeile wesentlich gesteigert, so daß die Leuchtdiodenzeile mit der
notwendigen Sicherheit den mechanischen Belastungen im Kraftfahrzeug standhält.
Mit Wegfall der Lichtschachtleisten fällt auch das durch diese ausgelöste thermische
Problem bei unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten weg. Die thermische Belastbarkeit
der Leuchtdiodenzeile ist damit spürbar verbessert.
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Die erfindungsgemäße Leuchtdiodenzeile läßt sich mit relativ wenig
Kosten herstellen. Die zu ihrer Herstellung angegebenen Verfahren sind fertigungstechnisch
einfach und wenig personal intensiv.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten erfindungswesentlichen
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Leuchtdiodenzeile möglich. Sie gestatten auf Grundlage der erfindungsgemäßen
Ausbildung der Leuchtdiodenzeile eine weitere Verbesserung der Lichtführung und
eine Erhöhung der Lichtintensität der Leuchtdiodenzeile. Dabei ist besonders Wert
auf eine gute Befestigung der Lichtstreuelemente an der Platine gelegt, so daß die
mechanische und thermische Belastbarkeit der Leuchtdiodenzeile weiter gesteigert
werden kann.
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Auch bei den Verbesserungen des Verfahrens zur Herstellung der Leuchtdiodenzeile
wurde vor allem dem Gesichtspunkt des Senkens von Herstellungskosten Rechnung getragen.
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Zeichnung Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen der Leuchtdiodenzei 1 e näher erläutert. In
allen-Ausführungsbelspielen ist dabei die Leuchtdiodenzeile nur ausschnittsweise
dargestellt und kann beliebig verlängert werden. Im einzelnen zeigen Fig. 1 einen
Längsschnitt der Leuchtdiodenzeile gemäß einem ersten Ausführungsbeisplel, Fig.
2 einen Längsschnitt der Leuchtdiodenzeile gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 einen Löngsschnitt der Leuchtdiodenzeile in Fig. 2 und einer mit dieser verbundenen
Formmatritze, Fig. 4 einen Längsschnitt der Leuchtdiodenzeile gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel, Fig. 5 einen Längsschnitt der Leuchtdiodenzeile gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel, Fig. 6 einen Längsschnitt der Leuchtdiodenzeile gemäß
einem fUnften AusfUhrungsbeispiel, Fig. 7 einen Längsschnitt der Leuchtdiodenzeile
gemäß einem sechsten AusfUhrungsbeispiel, Fig. 8 einen Längsschnitt der Leuchtdiodenzeile
gemäß einem siebenten Ausfuhrungsbeispiel,
Fig. 9 ein Diagramm
der Lichtabstrahlcharakteristik eines in einem tropfenförmigen Gießharzkörper eingeschlossenen
Leuchtdiodenchips der erfindungsgemäßen Leuchtdiodenzeile, Fig. 10 ein Diagramm
der Lichtabstrahlcharakteristikeines von einem Lichtschacht umgebenen Leuchtdiodenchips
einer bekannten Leuchtdiodenzei le.
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Beschreibung der Erfindung Die in den Fig. 1 - 4 dargestellte Leuchtdiodenzeile,
im folgenden LED-Zeile genannt, findet vorzugsweise für Anzeigezwecke Verwendung,
insbesondere für die Frequenzanzeige in Autoradios. Die LED-Zeile weist eine Vielzahl
von Leuchtdiodenchips 10 auf, im folgenden LED-Chips 10 genannt. Diese LED-Chips
10 haben üblicherweise die ungefähre Form eines WUrfels mit einer Kantenlänge von
ca. 0,3 mm. Die LED-Chips 10 sind auf einer Platine 11 befestigt. Vorzugsweise geschieht
diese Befestigung durch sogenanntes Bonden, einem Kaltverschweißen durch Ultraschall.
Die Befestigung der LED-Chips 10 auf der Platine 11 dient gleichzeitig der Kontaktierung
der LED-Chips 10.
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Für den anderen Anschluß der LED-Chips 10 sind Anschlußelemente 12
auf der Platine 11 befestigt. Die Kontaktierung der Anschlußelemente 12 erfolgt.
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durch Drähtchen 13, die jeweils ein LED-Chip 10 mit dem Anschlußelement
12 verbinden ( Fig. 2 ). In den Fig. 1, 3 und 4 sind diese Anschlußelemente 12 und
Anschlußdrähtchen 13 der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Sie sind hier aber
ebenso vorhanden.
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Die LED-Zeile gemäß Fig. 1 - 4 weist noch Eichtstreuelemente 14 auf,
die jeweils einem LED-Chip 10 zugeordnet sind. Diese Lichtstreuelemente 14 werden
von Gießharzkörpern 15 gebildet, die bis zur Platine 11 reichen und mindestens jeweils
ein LED-Chip 10 allseits Uberdecken. Wenn, wie in Fig. 2, die LED-Chips 10 noch
über die Anschlußdrdhtchen 13 mit einem Anschlußelement 12 verbunden sind, so werden
auch die Anschlußelemente 12 und die Anschlußdrähtchen 13 von dem Gießharzkörper
15 überdeckt. Der Gießharzkörper 15 weist eine im wesentlichen konvexe Oberfläche
auf, die jedoch im Detail unterschiedlich ausgestaltet sein kann.
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Die Gießharzkörper 15 bestehen aus einer Vergußmasse, die aus einer
farblosen Gießharzgrundsubstanz und mindestens einem Diffusorzusatz zusammengesetzt
ist. Die Gießharzgrundsubstanz kann dabei vorzugsweise aus Epoxidharz oder Silikonharz
bestehen. Als Diffusorzusatz wird vorzugsweise Tonerde verwendet.
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Die Vergußmasse enthält als weiteren Zusatz noch ein Th ixotropi emi
ttel .
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Als Thixotropiemittel wird vorteilhaft pyrogene Kieselsäure verwendet.
Das Thixotropiemittel ist so ausgewählt und in solchen Menge' in der Vergußmasse
enthalten, daß der Gießharzkörper 15 seine Gießform ohne zusätzliche Hilfsmittel
im wesentlichen beibehält. Hierzu ist die Vergußmasse so ausgebildet, daß ihre Viskosität
im noch nicht ausgehärteten Zustand zwischen 150 und 300 Pa.s. liegt. Eine solche,
die vorstehend beschriebenen Eigenschaften aufweisende Vergußmasse besteht aus 100
Gewichtsteilen Silikonharz, 4,5 - 7,0 Gewichtsteilen pyrogene Kieselsäure und 1,0
- 2,0 Gewichtsteilen Tonerde. Die Vergußmasse ist so thixotropiert und so temperaturunabhängig,
daß ein Tropfen aus dieser Vergußmasse auch während des Aushärtens bei 1200 - 1500
C seine Form beibehält. Dieser Vergußmasse kann noch ein Farbzusatz beigemischt
sein, der eine Kontraststeigerung durch Absorption des Umgebungslichtes bewirkt.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten LED-Zeile weisen die Gießharzkörper
15 Tropfenform auf. Eine solche Tropfenform läßt sich bei der vorstehend beschriebenen
Vergußmasse mit einer Viskosität zwischen 150 und 300 Pa.s.
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sehr einfach herstellen. Auf die auf der Platine 11 angeordneten und
durch Bonden befestigten LED-Chips 10, die bereits auch elektrisch verschaltet sind,
tropft man eine genau dosierte Menge der Vergußmasse auf. Die Form der Tropfen wird
ausschließlich durch die Viskosität und die Oberflächenspannung bestimmt.
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In manchen Anwendungsfällen, z.B. bei sehr enger Anordnung der LED-Chips
10, ist eine zusätzliche Beeinflussung. der Tropfenform erforderlich. Ein im Vergleich
zum Durchmesser höherer Tropfen kann nach einer weiteren
Ausgestaltung
dieses Tropfverfahrens dadurch erzielt werden, daß man vor dem Auftropfen der Vergußmasse
die für den Gießharzkörper 15 vorgesehene Grundfläche 16 auf der Platine 11 mit
einer Schicht 17 aus lyophobem Material, vorzugsweise auf Fluorkohlenwasserstoftbasis
umgibt. Dadurch wird ein Auseinanderfließen des Tropfens verhindert und ein Böschungswinkel
von 900 zwischen Tropfenrand und Oberfläche der Platine 11 erzwungen.
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Die Tropfenform kann man auch dadurch beeinflussen, daß man nach einer
weiteren Ausgestaltung des Verfahrens unmittelbar nach dem Auftropfen der Vergußmasse
die tropfenförmigen Gießharzkörper 15 mit einem bei ultravioletter Bestrahlung (
UV- Bestrahlung ) aushärtenden Lack besprüht und einer UV-Bestrahlung aussetzt.
Dadurch kann die unmittelbar beim Austropfen der Vergußmasse auf die einzelnen LED-Chips
10 entstehende Tropfenform bis zum Aushärten der Gießharzkörper 15 konserviert werden.
Es ist auch möglich, eine Vergußmasse zu verwenden, die sich zumindest oberflächlich
mittels einer UV-Strahlung aushärten läßt und dabei eine formstabile Haut bildet.
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Bei der LED-Zeile gemäß Fig. 2 haben die Gießharzkörper 15 im wesentlichen
Halbkugelform. Diese Halbkugelform kann man dadurch erzielen, daß man die Gießharzkörper
15 auf der mit den LED-Chips 10 bestückten Platine 11 aus der Vergußmasse abformt.
Dies kann einmal dadurch geschehen, daß man die mit den LED-Chips 10 bestückte Platine
11 auf eine mit Formmulden 18 versehene Formmatritze 19 auflegt, und zwar so, daß
die LED-Chips 10 in jeweils eine der Formmulden 18 hineinragen. Die Formmulden 18
weisen die gewünschte Form der Gießharzkörper 15 auf ( Fig. 3 ). Danach bringt man
die Vergußmasse in die Formmulden 18 ein und läßt sie aushärten. Nach Aushärten
der Gießharzkörper 15 wird die Formmatritze 19 von der Platine 11 abgenommen und
die LED-Zeile gemäß Fig. 2 ist fertig.
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Ein weiteres Verfahren zur Ausformung der halbkugelförmigen Gießharzkörper
15 führt zu der in Fig. 4 dargestellten LED-Zeile. Hier versieht man eine Folie
20 mit Ausformungen 21, die der gewünschten Form der Gießharzkörper 15 entsprechen.
Diese Folie 20 legt man auf die mit den LED-Chips 10 bestUckte Platine 11 derart
auf, daß die LED-Chips 10 in die Ausformungen 21 hineinragen. Die Ausformungen 21,
also die verbleibenden Zwischenräume zwischen
der Platine 11 und
der Folie 20/füllt man mit Vergußmasse aus. Die Folie 20 verbleibt auch nach Aushärten
der Gießharzkörper 15 auf diesen. Die Folie 20 kann eingefärbt und zur Reflexminderung
an der äußeren Oberfläche mattiert sein. Da die auf den Gießharzkörpern 15 verbleibende
Folie 20 diesen eine gewisse Stabilität verleiht, kann hier eine relativ weiche
Vergußmasse verwendet werden.
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Während bei der LED-Zeile gemäß Fig. 1 die LED-Chips 10 unmittelbar
auf der Platine 11 angeordnet sind, sind bei der LED-Zeile gemäß den Ausführungsbeispielen
in Fig. 2 - 4 zwischen den LED-Chips 10und der Oberfläche der. Platine 1 1 noch
ein sogenannter Reflektor 22 vorgesehen.
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Der Grund hierfür liegt darin, daß die LED-Chips 10 in der LED-Zeile
gemäß Fig. 1 eine solche Konfiguration aufweisen, daß sie Licht nur in die von der
Platine 11 wegweisende Richtung abstrahlen. Die in der LED-Zeile gemäß Fig. 2 und
3 bzw. 4 verwendeten LED-Chips 80 hingegen strahlen einen Teil ihres Lichtes zur
Platine 11 hin ab. Letztere LED-Chips 10 haben gegenüber den zuerst genannten eine
wesentlich höhere Strahlungsleistung. Um auch noch das zur Platine 11 hin abgestrahlte
Licht zur Steigerung der Lichtintensität heranzuziehen, weist jedes LED-Chip 10
diesen genannten Reflektor 22 auf. Er,hat meist die Form eines Scheibchens von 1,5
- 2 mm Durchmesser.
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Dieser Reflektor 22 wird von einer auf der Platine 11 haftenden Metallschicht
23 gebildet. Die LED-Chips 10 sind jeweils auf diese Metallschicht 23, vorzugsweise
durch Banden, befestigt. Die M2allschicht 23 besteht vorzugsweise BekofL^r aus Kupfer.
Sie kann zusätzlich mit einem Goldüberzug 24 versehen sein.
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Dieser GoldUberzug 24 erhöht einerseits den Remissionsgrad des Reflektors
23 auf ca. 70 % und erleichtert zum anderen die Kontaktierung.
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Bei der LED-Zeile gemäß Fig. 5 ist jeweils ein LED-Chip 10 auf einem
im wesentlichen zentral im Reflektor 22 angeordneten, aus der Metallschicht 23 hervortretenden
Stempel 25 befestigt. Die verbleibende, den Reflektor 22 bildende Fläche der Metallschicht
23, ist mit einer weißen Farbschicht 26
Uberzogen. Dadurch wird
ebenfalls der Remissionsgrad des Reflektors 22 gesteigert. Die Anordnung der LED-Chips
10 am Reflektor 22 mittels des Stempels 25 auf einer Art Podest vermeidet, daß die
seitliche Lichtabstrahlung der LED-Chips 10 durch die Farbschichten 26 behindert
wird.
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Die LED-Zeilen gemäß Fig. 2 - 8, die allesamt solche den einzelnen
LED-Chips 10 zugeordnete Reflektoren 22 aufweisen, lassen sich nach einem ersten
hier vorgeschlagenen Verfahren wie folgt herstellen: Zunächst Uberzieht man die
Platine 11 mit der Metallschicht 23. Dies kann durch Aufpressen oder Bedampfen erfolgen.
Danach ätzt man die Metallschicht 23 bis auf die Bereiche der Reflektoren 22 weg
und bondet die LED-Chips 10 auf die verbleibenden, die Reflektoren 22 bildenden
Metallschichten auf. Danach werden in der eingangs beschriebenen Weise die Gießharzkörper
15 auf die Platine 11 aufgebracht.
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Bei einem anderen Verfahren bringt man die Metallschicht 23 im Bereich
der Reflektoren 22 mittels Siebdruck auf und bondet dann ebenfalls die LED-Chips
10 auf diese Metallschicht auf. Dieses Verfahren eignet sich besonders fUr die LED-Zeile
gemäß Fig. 5, bei welcher die LED-Chips 10 auf den Stempeln 25 im Zentrum der Reflektoren
22 aufsitzen.
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Bei den LED-Zeilen gemäß Fig. 6 - 8 sind die die Reflektoren 22 bildenden
Metallschichten 23 nach Art von Hohlspiegeln gekrümmt. Diese Krümmung der Reflektoren
22 läßt sich nach verschiedenen Verfahren erreichen, von denen hier die drei vorteilhaftesten
Verfahren anhand der Fig. 6 - 8 erläutert werden sollen.
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Bei dem ersten Verfahren, dessen Ergebnis in Fig. 6 dargestellt ist,
wölbt man die mit der Metallschicht 23 vollständig überzogene Platine 11 im Bereich
der Reflektoren 22 mittels metallschichtseitiger Druckeinwirkung aus.
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Hierzu ist notwendig, daß das Material der Platine nicht zu hart oder
spröde ist. Geeignet sind fUr dieses Verfahren Platinen aus Phenolharz-Hartpapier
oder
Epoxidharz-Hartpapier. Auch mit einer Isolierschicht bedecktes Metallblech kann
als Platinenmaterial verwendet werden.
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Bei dem zweiten Verfahren, aus dem die LED-Zeile gemäß Fig. 7 hervorgeht,
versieht man die Platine 11 vor Aufbringen der Metallschicht 23 im Bereich der Reflektoren
22 mit Durchbrüchen 27. Danach preßt man die Metallschicht 23 vorzugsweise unter
Verwendung eines Klebers und mittels einer elastischen Zwischenlage auf die gesamte
Oberfläche der Platine 11 auf. Die Zwischenlage befindet sich dabei zwischen einem
hierzu zu verwendenden Druckstempel und der Metallschicht 23.
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Durch die elastische Zwischenlage wird im Bereich der Durchbrüche
27 die Metallschicht 23 ausgewölbt. Danach füllt man die Durchbrüche 27 in der Platine
11 mit einer Vergußmasse 28 aus, um die Festigkeit der Platine 11 nicht zu beeinträchtigen.
Bei diesem Verfahren können harte, stabile Platinen 11 verwendet werden. Als Kleber
findet vorzugsweise ein durapl asti sches Kunstharzsystem Verwendung.
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Bei dem dritten Verfahren, das zur Herstellung der LED-Zeile gemäß
Fig. 8 führt, wölbt man die Platine 11 bei Aufbringen der Metallschicht 23 im Bereich
der Reflektoren 22 einseitig ein. Hierzu verwendet man fUr die Platine 11 vorzugsweise
Prepegs aus Epoxidharzmaterial und drUckt die Einwölbungen beim Verspressen von
Metallschicht 23 und Prepeglagen ein.
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Bei allen drei vorstehend beschriebenen Verfahren wird dann anschließend
die Metallschicht 23 bis auf den Bereich der Reflektoren 22 von der Oberfläche der
Platine 11 weggeätzt. Danach werden die LED-Chips 10 auf den verbleibenden, die
Reflektoren 22 bildenden Metallschichten 23 aufgebondet.
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Danach können nach dem weiteren, eingangs beschriebenen Verfahren
die Gießharzkörper 15 gemäß Fig. 1 oder 2 aufgebracht werden.
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Der Forderung nach hoher mechanischer und thermischer Belastbarkeit
der erfindungsgemäßen LED-Zei lewird dadurch Rechnung getragen, daß diese keine
massiven Lichtschachtleisten wie die bekannten LED-Zeilen aufweist, sondern einzelne
Gießharzkörper 15. Zwischen den unmittelbar auf der Platine 11 haftenden Gießharzkörpern
15 und der Platine 11 können kaum Ausdehnungsdifferenzen bei starken Temperaturschwankungen
auftreten. Ein Abscheren oder Abreißen der LED-Chips 10, wie sie bei LED-Zeilen
mit Lichtschachtleisten auftreten, ist nicht möglich. Die weiche Vergußmasse, aus
der die Gießharzkörper 15 bestehen, läßt keine thernischen Spannungen aufkommen
und dämpft die Vibrationen an den LED-Chips 10. Die Gießharzkörper 15 haften fest
auf der Platine 11 und weisen relativ wenig Masse auf.
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Auch dies vergößert die mechanische Belastbarkeit der erfindungsgemäßen
LED-Zeile.
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Die erfindungsgemäße LED-Zeile weist durch die vorstehend beschriebenen
Gießharzkö.rper 15 im Vergleich zu einer LED-Zeile mit Lichtschacht eine vor allem
zur Seite hin stark verbesserte Lichtabsfrahlung auf.
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In Fig. 9 ist die Lichtabstrahlcharakteristik eines in einem tropfenförmigen
Gießharzkörper 15 eingeschlossenen LED-ChipslO in einem Diagramm dargestellt. Jeweils
über dem Abstrahlwinkel ist die relative Leuchtdichte aufgetragen. In Fig. 10 ist
die gleiche Darstellung für die Lichtabstrahlcharakteristik eines in einem Lichftchacht
angeordneten gleichen LED-Chips,wie bei bekannten LED-Zeilen Ublich, gewählt. Ein
Vergleich zeigt, daß die seitliche Lichtabstrahlung bei der erfindungsgemäßen LED-Zeile
wesentlich verbessert ist. Die Lichtabstrahicharakteristik nähert sich bereits sehr
stark der fUr Anzeigezwecke, insbesondere in Autoradios, erwunschten Halbkugelform.
Dadurch hat die erfindungsgemäße LED-Zeile den großen Vorteil, daß die von ihr beleuchtete
Anzeigefläche von dem Betrachter in einem großen Betrachtungswinkel bereich gleichbleibend
wahrgenommen wird.
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Im Gegensatz hierzu nimmt die Helligkeit einer von den bekannten LED-Zeilen
bestrahlten Fläche, die in Lichtschächten angeordnete LED-Chips aufweisen, bei Abweichung
des Betrachtungswinkels von der Senkrechten
zur beleuchtenden Fläche
für den Betrachter merklich ab und verschwindet praktisch bei einer beidseitigen
Abweichung von der Senkrechten um mehr als 400 ( Fig. 10 ).