Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit LEDs und gedruckter Reflektorfläche sowie Leiterplatte, hergestellt nach dem Verfahren
Einfache Leiterplatten bestehen aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial (Basismaterial), auf dem eine oder zwei Kupferschichten aufgebracht sind. Die Schichtstärke beträgt typischerweise 35 μm und für Anwendungen mit höheren Strömen zwischen 70 μm und 140 μm.
Für Spezialanwendungen kommen auch andere Materialien zum Einsatz, wie beispielsweise Teflon oder Keramik in LTCC und HTCC für die Hochfrequenztechnik sowie Polyesterfolie für flexible Leiterplatten. Neueste Entwicklungen setzen auch Glas als Basismaterial ein, für Leiterplatten mit hohen Anforderungen an die Wärmeabführung werden Basismaterialien mit Metallkernen verwendet, z. B. im Bereich der Beleuchtungstechnik mit Hochleistungs-LEDs.
Einige Leiterplatten-Anwendungen, insbesondere mit LEDs bestückte Leiterplatten benötigen Spiegel als Reflektor oder zum Richten des Lichtes. Ebenso ist es in manchen Fällen erwünscht, von einer Leiterplatte eine bestimmte Strahlung - zum Beispiel im sichtbaren Bereich - abzugeben. Es ist bisher bekannt, eine Reflektorfläche von mit LEDs bestückten Leiterplatten mit weißer Farbe, zum Beispiel mit Lötstopp-Paste, zu erzeugen. Eine solche weiße Lötstopp-Paste hat jedoch eine schlechte Reflektivität und ist schwierig auszuformen, wenn eine gebogene Spiegelgeometrie erwünscht ist, um gerichtetes oder fokussiertes Licht zu erzeugen. Überdies ist die spektrale Strahlungsantwort nicht optimal und die Reflektivität im UV- Band ist schlecht.
Wenn Silber für solche Reflexionszwecke verwendet wird, besteht das Problem des unerwünschten Dendrit-Wachstums. Aus diesem Grund wird Silber nicht oft in der Leiterplatten-Industrie verwendet.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen Reflektor auf einer Leiterplatte anzuordnen, der in der Lage ist, gerichtetes Licht mit hohem Wirkungsgrad zu erzeugen. Ebenso hat die Erfindung die Aufgabe ein neuartiges Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit Reflektorschicht vorzuschlagen.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
Wesentlich ist, dass auf der Oberseite einer herkömmlichen Leiterplatte (insbesondere auf einer Lötstopp-Maske oder auf der Oberseite einer FR4- Leiterplatte, bestehend aus Epoxidharz + Glasfasergewebe oder einer Kupferschicht) eine gedruckte Schicht angeordnet ist, die Licht reflektiert.
Um eine besonders glatte Spiegel-Oberfläche zu erhalten, ist es vorgesehen, zunächst eine Basisschicht auf dem Substrat der Leiterplatte aufzudrucken. Eine solche Basisschicht kann auch dreidimensional ausgeformt werden, um zum Bespiel einen Parabolspiegel zu erhalten. Zum Schutz der reflektierenden Schicht ist es weiters vorgesehen, die reflektierende Schicht mit einer transparenten Schutzschicht abzudecken.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist folgendes vorgesehen: Im Laminationsprozess werden durch speziell gestaltete Pressbleche, also mit entsprechenden 3D-Erhöhungen, Prägungen in die Kupferoberfläche ausgebildet. Anschließend kann die Kupferoberfläche galvanisch und/oder elektrochemisch mit der entsprechenden Oberfläche versehen werden. Die Passivierung mittels eines transparenten Polymers ist vorgesehen.
Alternativ kann eine edle Metalloberfläche mit einer Oxidschicht und/oder einer Nitridschicht verwendet werden. Diese kann dann mit einem sog. "blauen1 Abziehlack (wird üblicherweise für Goldkontakte verwendet) geschützt werden und nach dem Bestückungsvorgang abgezogen werden.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche
Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Figur 1 : Schnitt durch eine erste Ausführung einer mit einem Reflektor bestückten Leiterplatte
Figur 2: Eine vergrößerte Schnittansicht durch den Reflektor-Aufbau
Figur 3: Eine abgewandelte Ausführung mit einem Reflektor und einer Öffnung für die Aufnahme einer LED
Figur 4: eine Schnittansicht durch den Grundaufbau der Leiterplatte
Figur 5: Längsschnitt durch eine in elektrischer Hinsicht fertig gestellte Leiterplatte vor der Weiterverarbeitung zur Aufnahme von LEDs und
Reflektorflächen
Figur 6: Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 5
Figur 7: die gleiche Darstellung wie Figur 5 mit Darstellung des Druckvorganges mit dem eine Reflektionsschicht aufgebracht wird
Figur 8: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 8
Figur 9: eine gegenüber Figur 7 abgewandelte Ausführungsform, bei der die gedruckte Reflektionsschicht auf. eine Schicht mit Isolations- und Dielektrikumstinte aufgebracht wird
Figur 10: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 9
Figur 11 : ein weiterer Verarbeitungsschritt, der sich an den Verarbeitungsschritt nach Figur 9 anschließt
Figur 12: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 11
Figur 13: der endgültige Verarbeitungsschritt, der auf den Verarbeitungsschritt nach Figur 11 folgt
Figur 14: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 13
Figur 15: eine im Vergleich zu den Figuren 5 bis 14 gleiche Verarbeitung, bei der jedoch schräge Reflektionsflächen angefertigt werden
Figur 16: die Draufsicht auf die Darstellung nach Figur 15
Figur 17: der sich an den Verarbeitungsschritt nach Figur 15 anschließende Verarbeitungsschritt
Figur 18: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 17
Figur 19: der endgültige Verarbeitungsschritt, der die Endbearbeitung der Leiterplatte als Folge des Bearbeitungsschrittes nach Figur 17 zeigt
Figur 20: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 19
Figur 21 : die Bestückung einer nach Figur 19 fertig gestellten Leiterplatte mit einer LED
Figur 22: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 21
Figur 23: die Darstellung der Strahlungsrichtungen der LED gemäß Figur 21
Figur 24: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 23
Figur 25: eine gegenüber den vorherigen Ausführungsformen abgewandelte Ausführung, bei der der Basisdruck, welcher die spiegelnden Reflektionsflächen trägt, mehrfach gedruckt und mit dickerer Schichtstärke ausgeführt ist
Figur 26: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 25
Figur 27: die Montage einer LED in die Anordnung nach Figur 25
Figur 28: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 27
Figur 29: die Lichtführung der nach Figur 27 montierten LED
Figur 30: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 29
Figur 31 : die Lichtführung einer nach Figur 29 montierten LED mit einer abgewandelten Spiegelfläche
Figur 32: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 31
Figur 33: eine gegenüber Figur 5 abgewandelte Ausführungsform eines ersten Bearbeitungsschrittes einer elektrisch leitfähig hergestellten Leiterplatte mit einer im Tauchverfahren aufgebrachten Basisschicht
Figur 34: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 33
Figur 35: der sich an Figur 33 anschließende weitere Verarbeitungsschritt mit
Aufbringung eines Photofilms
Figur 36: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 35
Figur 37: der sich an Figur 35 anschließende Verarbeitungsschritt mit Belichtung des Photofilms
Figur 38: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 37
Figur 39: der sich an Figur 37 anschließende weitere Bearbeitungsschritt
Figur 40: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 39
Figur 41 : der sich an Figur 39 anschließende Verarbeitungsschritt mit einem im
Siebdruck aufgebrachten Reflektor
Figur 42: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 41
Figur 43: der sich an Figur 41 anschließende weitere Verarbeitungsschritt mit der
Montage einer LED
Figur 44: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 43
Figur 45: ein sich an die Verarbeitung nach Figur 43 anschließender Verarbeitungsschritt mit der Überdeckung der LED mit einer Farbkonversionsschicht
Figur 46: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 45
Figur 47: der sich bei Figur 45 ergebende Strahlungsweg der LED
Figur 48: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 47
Figur 49: eine gegenüber Figur 47 abgewandelte Ausführung einer
Reflektorfläche
Figur 50: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 49
Figur 51 : der Schnitt durch eine Leiterplatte mit Reflektorfläche zur Montage mehrerer LEDs
Figur 52: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 51
Figur 53: der sich an Figur 51 anschließende Verarbeitungsschritt, der die Montage zweier LEDs zeigt
Figur 54: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 53
Figur 55: ein gegenüber Figur 53 erweitertes Ausführungsbeispiel, welches die Anordnung nach Figur 53 mit einer zusätzlichen Farbkonversions- schicht zeigt
Figur 56: die Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 55
Figur 57: schematisiert die Darstellung des Prozessflusses zur Herstellung der erfindungsgemäßen Leiterplatte mit Spiegelflächen
Gemäß Figur 1 kann die Basisschicht 2 auf die Oberseite einer Leiterplatte 1 aufgebracht werden, unabhängig davon, ob die Oberseite eine Struktur trägt oder nicht.
In einigen Anwendungsfällen kann eine unten liegende Lötstoppmaske oder eine andere Schicht als Unterlage für die Reflektorschicht 3 verwendet werden. In diesem Fall kann die Basisschicht 2 auch entfallen.
In allen Fällen muss dafür gesorgt werden, dass die die spiegelnde Oberfläche tragende Schicht (Basisschicht 2) eine glatte Oberfläche ausbildet und/oder eine gute Haftung für die darüber angeordnete dreidimensional geformte Reflektorschicht 3 ausbildet.
Die Basisschicht 2 kann durch verschiedene Drucktechniken aufgebracht werden, insbesondere durch Tintenstrahldruck, Siebdruck und alle anderen Druckverfahren, wie Tampondruck, Hoch- oder Tiefdruck und dgl. Bei der Leiterplatten-Fertigung sind insbesondere Vorhanggießen, Roll-Gießen und Laminationsverfahren bekannt, die
eine entsprechende Struktur erzeugen, einschließlich eines fotografischen Belichtungsverfahrens. Alle diese Verfahren werden erfindungsgemäß in Alleinstellung oder in Kombination untereinander für die Herstellung der geformten Basisschicht verwendet und als erfindungswesentlich beansprucht.
Die Reflektorfläche 3 wird für die Erzeugung sichtbaren Lichtes bevorzugt aufgedruckt. Eine solche Reflexionsschicht besteht bevorzugt aus einer metallischen, schnell trocknenden Tintenzusammensetzung, insbesondere Silber, Gold, Aluminium und alle anderen geeigneten Metallen: Ebenso werden nicht-metallische Materialien verwendet, die geeignet sind, Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu reflektieren, wobei auch Wellenlängenbereiche im nicht-sichtbaren Bereich anwendbar sind.
Zur Aufbringung werden insbesondere Druckverfahren, wie der Tintenstrahldruck, Siebdruck, Tampondruck und andere auftragende Druckverfahren verwendet.
Ebenso kann eine Basisschicht 2 als Trägerschicht für einen nachfolgenden
Nassauftragsprozess zur nasschemischen schichtweisen Auftragung der
Reflektorschicht 3 dienen. In einem solchen Fall kann zum Beispiel eine Silberschicht als Keimschicht für den nachfolgenden Auftrag einer galvanischen Beschichtung mit Kupfer verwendet werden.
In einer anderen Ausführung ist die Aufbringung der dreidimensional geformten Reflektorschicht 3 durch eine strukturierende Fotobelichtung vorgesehen.
Falls sich nach der Herstellung der Reflektorschicht 3 eine unerwünschte Rauhigkeit entsteht, kann diese durch Elektropolieren oder durch ein nasschemisches Glätten entfernt werden.
Um den Wirkungsgrad der Reflexion und möglicherweise auch die Haftung zur Basisschicht 2 oder zur oben liegenden Deckschicht 4 herzustellen, ist es vorgesehen, dass die Reflektorschicht 3 aus mehreren Schichten besteht.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den dreidimensional geformten Spiegel vorzufertigen und danach auf die Oberfläche der Leiterplatte aufzukleben.
Die erwähnte Deckschicht 4 über die Reflektorschicht 3 ist optional. Die Basisschicht 2 und die Deckschicht 4 können aus dem gleichen Material sein, dies ist jedoch nicht zwingend. Die Deckschicht 4 kann licht-transparent oder licht-färbend sein und als Farbfilter dienen.
Um die Reflektorschicht 3 gegen Zersetzung oder Beschädigung durch mechanische Stöße, chemische Einflüsse, Gas, Luft oder Wasser zu schützen, ist die Anbringung der schützenden Deckschicht 4 vorgesehen. Die Deckschicht 4 kann durch auftragende Prozesse aufgebracht werden, wie bevorzugt durch Tintenstrahldruck, Siebdruck, Auftragsdruck und alle anderen Druckverfahren. Ebenso kann eine auftragende fotografische Belichtung verwendet werden.
Die Deckschicht 4 kann nur die Reflektorschicht 3 bedecken oder sie kann auch die Reflektorschicht 3 und zusätzlich die Basisschicht 2 oder nur einen Teil der Reflektorschicht 3 bedecken.
Figur 2 zeigt eine Abwandlung des Aufbaus nach Figur 1. Alle anhand der Figur 1 beschriebenen Varianten finden auch hier Anwendung. Die Wölbung der Reflektorschicht 3 kann positiv oder negativ (konvex oder konkav) sein. Die Wölbung kann durch Ausformung einer Grundschicht hergestellt werden. In einer anderen Ausführung kann die Leiterplatte 1 selbst gewölbt werden. Eine solche Wölbung kann durch eine Formdrück- oder Tiefziehverfahren erfolgen.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführung einer mit einer spiegelnden Oberfläche versehenen Leiterplatte 1 , die mit einem LED-Chip in einer Ausnehmung 6 in der Reflektorschicht 3 bestückt ist. Die Wölbung kann entweder durch mechanische Verformung, z. B. durch Formpressen, Prägen, Fräsen oder andere spanabhebende Verfahren erfolgen.
In einer anderen Ausgestaltung kann die Wölbung durch auftragende Verfahren, wie Tintenstrahldruck oder Tampondruck erfolgen. In diesem Fall können die Basisschichten 2a, 2b, 2c aufeinander geschichtet werden, um die gewünschte Wölbung zu erhalten (siehe Figur 4).
In Figur 3 kann nicht nur eine einzige Ausnehmung 6 für die Aufnahme des LED- Chips angeordnet werden. In einer anderen Ausführung können auch mehrere Ausnehmungen 6 für die Aufnahme von LED-Chips oder Verbindungsdrähten oder anderen Verbindungen vorgesehen werden.
Die Figuren 5 und 6 zeigen eine elektrisch fertig hergestellte Mehrlagen-Leiterplatte, die aus einem schichtweisen Aufbau eines Leiterplattensubstrates 1 besteht, welches in der Regel aus einem isolierenden Kunststoffmaterial, insbesondere einem Harzmaterial besteht.
Im Schichtaufbau des Leiterplattensubstrates sind eine Vielzahl von Leiterbahnen 5 aus Kupfer angeordnet, welche die leitfähigen Verbindungen zwischen den elektrischen Bauteilen herstellen, die auf der Leiterplatte montiert werden.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die oberste Leiterbahn bzw. Leitbahnschicht 5 an bestimmten Stellen Ausnehmungen 6 trägt, so dass darunter das isolierende Leiterplattensubstrat 1 zum Vorschein kommt. Gemäß der Figur 6 wird somit eine Leiterbahnfläche geschaffen, die ringsum von der übrigen Leiterbahn 5 abgetrennt ist und auf der der spätere LED-Chip 8 montiert wird. t
Um die Kontaktierung dieses LED-Chips 8 zu gewährleisten, wird in direkter Nachbarschaft zu dieser Leiterbahnfläche eine weitere Leiterbahnfläche als Bondfläche 9 ausgebildet, die durch die Freistellung in der oberen Leiterbahnschicht 5 von den umgebenden Leiterbahnen freigestellt ist. Diese Bondfläche 9 ist elektrisch leitfähig mit einer Leiterbahn 5a verbunden, die von der übrigen Leiterbahnschicht 5 elektrisch isoliert ist.
Die Leiterbahnschicht 5 ist noch nicht mit einer Lötstoppmaske beschichtet.
In dem darauffolgenden Bearbeitungsschritt nach den Figuren 7 und 8 wird auf die obere Leiterbahnschicht 5 eine Lötstoppmaske 7 in üblicher Weise geschichtet und erfindungsgemäß wird auf diese Lötstoppmaske 7, welche die obere Leiterbahnschicht 5 elektrisch isolierend abdeckt, im Inkjet-Druckverfahren eine reflektierende Reflektionsschicht 3 aus einer flüssigen und aushärtbaren Tinte ausgedruckt.
Zu diesem Zweck wird der Tintendruckkopf 10 in Pfeilrichtung 12 über die Lötstoppmaske 7 geführt und versprüht passergenau die Tintentröpfchen 11 im Randbereich um die spätere Montagefläche für den LED-Chip 8 und die Bondfläche 9 herum.
Wichtig hierbei ist, dass der Druckkopf 10 so genau mit seiner Längsführung und mit seinem digital gesteuertem Druck so geführt ist, dass vermieden wird, dass möglicherweise elektrisch leitfähige Tinte 11 in den Bereich der isolierenden Ausnehmungen 6 gelangt, welche die beiden Flächen 8, 9 umgeben.
Somit gelangt gemäß Figur 8 die Reflektionsschicht 3 nur in den Umgebungsbereich um die Flächen 8, 9 herum, ohne jedoch die elektrisch isolierenden Ausnehmungen 6, die sich rings um die Flächen 8, 9 erstrecken, zu überbrücken.
Die Figuren 9 und 10 zeigen als abweichendes Ausführungsbeispiel, dass es nicht lösungsnotwendig ist, auf eine Lötstoppmaske 7 zu drucken. Stattdessen kann eine eigene Isolationsschicht 13 zunächst im InkJet-Verfahren aufgedruckt werden.
Alternativ kann die Isolationsschicht 13 auch mit einem anderen Beschichtungs- verfahren aufgebracht werden. Auch hier gelten die gleichen Erläuterungen wie sie anhand der Figur 7 und 8 gegeben wurden.
Ebenso ist es möglich, unter der Isolationsschicht 13, die bevorzugt aus einer Isolations- und Dielektrikumstinte besteht, die Lötstoppmaske 7 anzuordnen.
Der balkenförmige Druckkopf 10 fährt jedenfalls von links nach rechts in Pfeilrichtung 12 über die gesamte Anordnung und beschichtet passergenau den Umgebungsbereich der Ausnehmungen 6 und lässt demzufolge die Flächen 8, 9 frei.
Die Figur 11 zeigt den sich an die Figuren 9 und 10 anschließenden Verarbeitungsschritt, wo erkennbar ist, dass auf die obere, im Inkjet-Druckverfahren aufgebrachte Reflektionsschicht 3 eine zusätzliche Schutzschicht 14 aufgebracht wird, die auch mehrfach gedruckt werden kann.
Damit wird die obere, eventuell leitfähige Reflektionsschicht 3 gegen Umwelteinflüsse abgeschützt und abgedeckt. Wenn insbesondere die Reflektionsschicht 3 aus einer aushärtbaren Silbertinte besteht, dient die oben aufgebrachte Schutzschicht 14 zur elektrischen Isolation der Reflektionsschicht 3. Sie ist in der Regel transparent ausgebildet.
Statt einer transparenten Ausbildung kann diese Schutzschicht 14 auch transluszent oder auch in einer anderen Farbe ausgebildet sein, um das an der Reflektions- schicht 3 reflektierte Licht mit einer Farbkomponente zu versehen.
Auch diese Schutzschicht 14 wird bevorzugt im Inkjet-Druckverfahren aufgebracht.
Die Figuren 11 und 13 zeigen, dass die Schutzschicht 14 bevorzugt am gesamten Umfang die Reflektionsschicht 3 umfasst und dementsprechende Kantenabschlüsse 15 bildet, um einen luftdichten, schützenden Anschluss an die Oberfläche der Leiterplatte zu erreichen.
Die Figur 15 zeigt als Alternative zu der Ausführungsform nach Figur 13, dass zunächst eine erste Lage einer Isolationsschicht 13 mit rechtwinklig die Ausnehmung 6 begrenzenden Wänden auf die Oberfläche der Leiterplatte gedruckt wird.
Die darauf folgende, aufgedruckte Reflektionsschicht 3 bildet jedoch zur Ausnehmung 6 schräg gerichtete Wandungen und die darauf aufgedruckte weitere Lage der Isolationsschicht 3 hat wiederum eine abgeschrägte zur Ausnehmung 6 hingewandte Wandung, so dass sich insgesamt geneigte Wandungen 16 eines Spiegelreflektors bilden. Somit ergibt sich durch die geneigten Wandungen 16 ein Fokussierungseffekt, wenn im Bereich der Ausnehmung 6 die LED montiert wird.
Die Figur 17 und 18 zeigen, dass die Reflektionsschicht 3 nun erfindungsgemäß in die schräg verlaufenden Wandungen der Schichten 5, 13 aufgedruckt wird, wobei die schnell aushärtbare Tinte 11 im Bereich der Wandung 16 verfließt und so schräge Reflektorflächen bildet, die einen Fokussierungseffekt einer im Bereich der Ausnehmung 6 montierten LED erreichen.
Die Figuren 19 und 20 zeigen die so hergestellte, fertige Reflektoranordnung mit einem Spiegelreflektor, der von der Licht abgebenden Fläche 8 ausgehende und konisch sich nach außen erweiternde Wandungen 16 aufweist.
Die Figuren 21 und 22 zeigen, dass in dem Bereich der Ausnehmung 6 nun ein LED- Chip 8 montiert wird, der mit seinem Bonddraht 17 auf die Bondfläche 9 geführt ist und dort elektrisch kontaktiert ist.
Die Figur 21 zeigt demzufolge eine fertig bestückte Leiterplatte mit einer einzigen LED und einer Licht fokussierenden Reflektionsschicht 3, wie anhand der Figuren 23 und 24 näher erläutert wird.
Dort ist erkennbar, dass die Licht abgebende LED 8 zunächst direktes Licht in Pfeilrichtung 18 nach oben abgibt und ein Teil des Lichtes gelangt seitlich auf die schräg geneigten Wandungen 16 und wird dort als reflektiertes Licht in Pfeilrichtung
19 abgegeben. Voraussetzung hierfür ist, dass die Licht abgebende LED unterhalb der schräg geneigten Wandungen 16 des Spiegelreflektors angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass seitliches Licht auf die schräg geneigten Wandungen 16 trifft und als reflektiertes Licht nach oben abgegeben wird.
Die Figur 25 zeigt eine alternative Ausführungsform zur Ausführung nach Figur 23 und 24. Hier ist erkennbar, dass eine Basisschicht 13 als Isolationsschicht mehrfach gedruckt wurde, wobei die Druckvorgänge immer so ablaufen, dass zunächst eine erste Isolationsschicht 13 gedruckt wird, die schnell aushärtet und auf die ausgehärtete Schicht eine weitere Schicht gedruckt wird, um so den Aufbau nach Figur 25 zu erhalten.
Auf die so hergestellten schrägen Wandungen 16 wird dann im vorher beschriebenen Inkjet-Druckverfahren die Reflektionsschicht 3 aufgedruckt.
Wichtig hierbei ist, dass die Reflektionsschicht 3 gemäß Figur 26 den gesamten Bereich 8, 9 umgibt, um so eine möglichst großflächige Spiegelfläche zu erreichen.
Die Figuren 27 und 28 zeigen sich an den Verarbeitungsschritt 25 anschließenden weiteren Verarbeitungsschritt, wobei im Bereich der Ausnehmung 6 nun ein LED- Chip 8 montiert wird, der mit seinem Bonddraht 17 elektrisch leitfähig mit der benachbarten Bondfläche 9 verbunden wird.
Auch bei dieser Ausführungsform wird gemäß Figur 29 und 30 direktes Licht in Pfeilrichtung 18 direkt nach oben abgegeben und ebenso reflektiertes Licht an den schräg geneigten Wandungen 16 in Pfeilrichtung 19 nach oben abgegeben. Die Wandungen 16 müssen nicht notwendigerweise linear geneigt sein. Es kann auch vorgesehen sein, die Wandungen 16 parabelförmig auszubilden, um so einen Parabol-Reflektor zu ermöglichen.
Dank des erfindungsgemäßen Tinten-Druckverfahrens und des Schichtaufbaus der unterhalb der Reflektionsschicht 3 angeordneten Schichten kann somit jede beliebige Kontur einer Spiegelwandung erzielt werden.
Dies zeigt auch die Figur 31 , wo im Vergleich zu Figur 29 erkennbar ist, dass die rechtsseitige Reflektorfläche als ebene Reflektorfläche ausgebildet ist, während die linksseitige Reflektorfläche die vorher beschriebene, schräge Wandung 16 aufweist.
Mit der Anordnung nach Figur 31 ergibt sich somit eine asymmetrische Lichtverteilung, während bei der Figur 29 eine symmetrische Lichtverteilung gegeben ist.
Neben einer ebenen Reflektionsfläche 20 wird somit auch eine geneigte Reflektionsfläche 21 erreicht.
Die Figur 33 und 34 zeigen in Abweichung zu den vorher genannten Ausführungsbeispielen, dass es nicht notwendig ist, die Isolationsschicht 13 im Tintendruckverfahren aufzudrucken.
In dieser Ausführungsform ist eine Basisschicht 22 im Tauchverfahren auf die Oberfläche der Deckschicht 4 der Leiterplatte aufgebracht. Es handelt sich somit um einen aushärtbaren Kunststoff, der die gesamte Leiterplatte umgibt und der die Basisschicht 22 für den späteren Reflektoraufbau bildet.
Gemäß Figur 35 und 36 wird auf diese Basisschicht 22 ein Photofilm 23 aufgeklebt, der passergenau als Maske so aufgeklebt wird, dass die für die späteren Bestückungsvorgänge notwendigen Flächen 8, 9 freigelassen werden.
Gemäß Figuren 37 und 38 wird der Photofilm 23 mit einer UV-Belichtung 24 bestrahlt und gemäß Figur 39 und 40 chemisch entwickelt. Es bildet sich dann ein Fotosubstrat 25, welches passergenau die Flächen 8, 9 im Bereich der Ausnehmung 6 umgibt.
Gemäß Figur 41 und 42 wird nun dieses Fotosubstrat 25 im Siebdruckverfahren mit der Reflektionsschicht 3 bedruckt.
Hierbei ist das Sieb 26 mit einer entsprechenden Siebmaske beschichtet, die ermöglicht, dass das Sieb nur im Umgebungsbereich der Ausnehmungen 6 und Umgebungsbereich der Flächen 8, 9 verschlossen ist, während es im übrigen Randbereich offen ist und für die Beschichtung einer Reflektorfarbe 28 vorgesehen ist, die in Rakelrichtung 29 mit einem Rakel 27 durch die offenen Bereiches des Siebes 26 hindurchgepresst wird. Auf diese Weise wird im Siebdruckverfahren nur der Umgebungsbereich der Ausnehmung 6 und der Flächen 8, 9 mit der Reflektorschicht 3 beschichtet.
Die Figuren 43 und 44 zeigen, dass nun die Montage der LED 8 stattfindet und der Bonddraht 17 wird elektrisch leitfähig mit der Bondfläche 9 verbunden.
Die Figuren 45 und 46 zeigen als erweitertes Ausführungsbeispiel gegenüber Figur
43 und 44, dass es zusätzlich möglich ist, dje gesamte Anordnung nach Figur 43 und
44 mit einer Farbkonversionsschicht 30 zu überdecken.
Es handelt sich hierbei um einen transparenten, aushärtbaren Kunststoff, der Farbpigmente enthält, um so das von der LED ausgesendete Licht in eine andere Lichtfarbe umzusetzen.
Es wird hierbei bevorzugt, wenn die Farbkonversionsschicht halbkugelförmig über den Aufbau der LED angeordnet wird, und auch teilweise die spiegelnde Reflektionsschicht 3 überdeckt.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sowohl direktes Licht von der LED als auch von der Reflektionsschicht reflektiertes Licht die Farbkonversionsschicht 30 erreicht und dort zu einer hochwirksamen Änderung der Lichtfarbe beiträgt.
Ein solcher Strahlenverlauf ist in Figur 47 und 48 dargestellt, wo erkennbar ist, dass das von der LED 8 ausgesendete Licht sowohl als direktes Licht in Pfeilrichtung 18 die Farbkonversionsschicht 30 durchsetzt, als auch als reflektiertes Licht 19 zunächst an der Innenseite der Farbkonversionsschicht 30 reflektiert wird, erneut auf die Reflektionsschicht 3 auftrifft und als indirektes Licht in Pfeilrichtung 19 die Farbkonversionsschicht durchsetzt.
Somit gelangt auch durch Streuung in der Farbkonversionsschicht 30 abgelenktes Licht auf die ebenen Reflektionsflächen 20 der Reflektorschicht 3.
Die Figuren 49 und 50 zeigen, dass es neben den vorher dargestellten rechteckförmigen oder quadratischen Spiegelflächen auch jede andere Möglichkeit gibt, die Form der Spiegelfläche zu verändern. Hierbei zeigt die Figur 50, dass eine solche Spiegelfläche (ebene Reflektionsfläche 20) auch elliptisch ausgebildet sein kann.
Auch diese Anordnung kann mit einer Farbkonversionsschicht 30 beschichtet sein.
Die Figuren 51 und 52 betreffen alle vorher genannten Ausführungsbeispiele und zeigen in Ergänzung zu allen vorher genannten Ausführungsbeispielen als zusätzliche Möglichkeit, dass mehrere LEDs in einer solchen Ausnehmung oder gegebenenfalls in mehreren Ausnehmungen 6 auf einer fertig hergestellten Leiterplatte montiert werden können. Dementsprechend wird die Art und Anordnung der Reflektionsschicht 3 verändert, um jeder LED-Fläche 8 eine Bondfläche 9 zuordnen zu können.
Dies istjn den Figuren 53 und 54 dargestellt. Es sind insgesamt zwei LEDs vorgesehen, die getrennt mit ihren Bonddrähten 17 auf einer benachbarten Bondfläche 9 kontaktiert sind. Neben den hier dargestellten Spiegelflächen als ebene Reflektionsflächen 20 können alle vorher genannten Ausführungsformen von Reflektionsflächen verwendet werden.
Ebenso zeigt das Ausführungsbeispiel nach den Figuren 55 und 56, dass auch mehrere LEDs jeweils mit einer getrennten Farbkonversionsschicht 30 überdeckt sein können.
Auf diese Weise werden auf der Reflektionsfläche 20 mehrere LEDs mit gegebenenfalls unterschiedlicher Lichtfarbe angeordnet, die noch zusätzlich jeweils unter einer gemeinsamen oder auch unter einer getrennten Farbkonversionsschicht
30 angeordnet sind. Auf diese Weise kann durch die Anordnung verschiedenfarbiger
LEDs mit zusätzlichen Farbkonversionsschichten eine Weiteeinstellung einer gewünschten Lichtfarbe erfolgen.
Die Figur 57 zeigt schematisiert den Prozessfluss nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren.
In den Prozessschritten 31-33 ist dargestellt, dass beim Herstellen der Leiterplatte diese zunächst nach dem letzten Herstellungsprozess im Prozessschritt 31 im Prozessschritt 32 gereinigt wird, um danach im Prozessschritt 33 den Reflektor im Druckverfahren aufzubringen.
Diese vorbereitete Leiterplatte wird nun gemäß...
Die nun so fertig hergestellte Leiterplatte, die bereits schon den fertigen Reflektor trägt, wird zum Kunden transportiert und dort im Prozessschritt 34 gereinigt.
In den Prozessschritten 35 bis 37 erfolgt das Bestücken mit LEDs, das Löten von Bauelementen und das Bonden.
Gegebenenfalls kann sich an den Prozessschritt 37 noch der Prozessschritt 38 mit Aufbringung der Farbkonversionsschicht 30 anschließen. Die Prozessschritte 39, 40 dienen der weiteren Verarbeitung der Leiterplatte beim Kunden.
Anstatt eines LED-Chips kann auch eine Foto-Diode zur Lichterfassung verwendet werden. In diesem Anwendungsfall kann der gewölbte Spiegel zur Fokussierung des Lichts auf die Foto-Diode verwendet werden.
Zusammenfassend wird festgestellt, dass ein hochwirksamer Spiegel direkt auf die Oberfläche einer herkömmlichen Leiterplatte appliziert wird. Entsprechend der Strukturierung der Basisschicht kann demzufolge ein Planspiegel oder ein gewölbter Spiegel zur Lichtlenkung oder Fokussierung erstellt werden. Durch die Verwendung einer schützenden Deckschicht 4 können Umwelteinflüsse oder die Gefahr der Ausblühung oder Zersetzung der Reflektorschicht 3 vermieden werden.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft demzufolge Standard-Leiterplatten und Leiterplatten, bei denen ein Sensor, z. B. eine Fotodiode montiert ist. Ebenso kann eine Laserdiode verwendet werden, um die ausgesandten Strahl in eine bestimmte Richtung zu richten oder zu fokussieren.
Zusammenfassend werden die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Leiterplatte dargestellt:
1. alle (zumindest 3) Schichten 2, 3 , 4 müssen lötbeständig sein.
2. die Basisschicht 2 oder die Mehrzahl der Basisschichten 2a-2c zur Ausbildung eines dreidimensionalen Reflektors können auch ein Epoxidharz sein.
3. Die spätere Spiegel-Schicht 3 kann bekeimt werden (Palladium, etc.) und dann elektrochemisch oder galvanisch verspiegelt werden. Dann wäre eine Deckschicht 4 zwingend erforderlich.
4. Diese Deckschicht 4 muss hoch transparent trotz Lötbad bleiben - das könnte natürlich ein transparenter Lötstopplack sein, z.B. Probimer
5. Für einen Parabol-Reflektor ist der LED-Emitter annähernd genau im Brennpunkt zu positionieren.
6. Weiters kann ein Reflektormaterial der Reflektorschicht 3 auch eine Farbkonversion bzw. Farbänderung bewirken, da Reflektoren i. A. eine wellenlängenspezifische Reflektion haben.
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Reflektivität einer Leiterplatte an den LED-umgebenden Bereichen wesentlich verbessert wird. Während mit den herkömmlichen weißen Lötstoppmasken lediglich Reflektionsgrade von 20 bis 60% erreicht werden konnten, ergeben sich mit der technischen Lehre der Erfindung r Reflektionsgrade von 90 bis 95%.
Der Reflektionsgrad hängt im Übrigen von der Wellenlänge des von der LED abgegebenen Lichtes ab.
Mit der technischen Lehre der Erfindung wird somit die Lichtausbeute und Leuchtdichte herkömmlicher, auf Leiterplatten montierter LEDs in wesentlichem Maß gesteigert.
Zeichnungslegende
1 Leiterplattensubstrat 25 22 Basisschicht
2 Basisschicht, 2a, 2b, 2c (Tauchverfahren)
3 Reflektorschicht 23 Photofilm
4 Deckschicht 24 UV-Belichtung
5 Leiterbahn 25 Fotosubstrat
6 Ausnehmung 30 26 Sieb
7 Lötstoppmaske 27 Rakel
8 LED-Chip 28 Reflektorfarbe
9 Bondfläche 29 Rakelrichtung
10 Druckkopf 30 Farbkonversionsschicht
11 Tinte 35 31 Prozessschritt
12 Druckrichtung 32 Prozessschritt
13 Isolationsschicht 33 Prozessschritt
14 Schutzschicht 34 Prozessschritt ,
15 Kantenabschluss 35 Prozessschritt
16 Wandung (geneigt) 40 36 Prozessschritt
17 Bonddraht 37 Prozessschritt
18 Pfeilrichtung (direkt) 38 Prozessschritt
19 Pfeilrichtung (reflektiert) 39 Prozessschritt
20 ebene Reflexionsfläche 40 Prozessschritt
21 geneigte Reflexionsfläche