BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LED-Modul, welches beispielsweise in Innen- oder Außenleuchten eingesetzt wird, mit einer optisch hochwertigen Linse aus Silikon. LEDs (worunter alle Halbleiterlichtquellen einschließlich organischer Halbleiterlichtquellen zu verstehen sind) bilden langlebige Lichtquellen, die über Zeiträume von mehr als zehn Jahren in Verbindung mit optischen Elementen, wie Linsenoptiken, die für die gewünschte Lichtverteilung sorgen, eingesetzt werden.

Allerdings sind die kostengünstigen Materialien für Linsenoptiken den Anforderungen an moderne Hochleistungs-LEDs über die langen Zeiträume, über welche die LEDs eingesetzt werden, häu- fig nicht gewachsen. Daher ist es häufig unvermeidbar, für

Hochleistungs-LEDs als Linsenmaterial Silikon vorzusehen. Dieses Material ist im Vergleich zu kostengünstigeren Kunststoffen lichtbeständiger, vergilbt und versprödet nicht und schützt den Halbleiterchip vor Hitze, Kälte und anderen Belas- tungen wie Feuchtigkeit. Der Einsatz von UV-aktivierbarem Silikon bewirkt eine signifikante Helligkeitssteigerung der Leuchte. Diese Eigenschaften sind im Vergleich zu anderen Kunststoffen langzeitbeständiger . Ein Beispiel eines LED- Moduls mit einem Linsenarray aus Silikon ist in WO 2012/031703 AI beschrieben. Allerdings erkauft man diese Vorteile durch wesentlich höhere Kosten. Im Vergleich zu Kunststoffmaterialien wie PMMA oder PC sind die Kosten für Silikon wesentlich höher . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein LED-Modul mit optisch hochwertigen Linsen zur Verfügung zu stellen, welches trotzdem kostengünstig herstellbar ist. Gelöst wird die Aufgabe durch ein LED-Modul nach Anspruch 1 sowie durch ein Herstellungsverfahren für ein LED-Modul nach Anspruch 12.

Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen LED-Module besteht da- rin, dass für die Optik zwei verschiedene Materialien gewählt werden, wobei ein kostengünstigerer kohlenstoffbasierter

Kunststoff als Träger für die Optik wirkt und nur der optisch aktive Teil der Linsenstruktur der LED-Module aus dem hochwertigen und kostenintensiveren Silikon gebildet ist. Die LEDs erstecken sich durch Öffnungen in dem Trägermaterial, so dass sie jeweils einer Silikonlinse zugeordnet sind. Die Silikonlinse kann direkt anschließend an die LED oder mit einem Abstand zu der LED über der Aussparung in dem Träger, in der die LED angeordnet ist, mit dem Träger verbunden sein. Im Unter- schied zu Vorschlägen aus dem Stand der Technik, welche bereits Linsenelemente aus einem Materialmix aus Silikon und einem anderen kostengünstigerem kohlenstoffbasierten Kunststoff vorgeschlagen, werden bei der vorliegenden Erfindung die Materialien nicht einfach gemischt, sondern das kostengünstige Ma- terial kommt nur als Träger zum Einsatz während das Silikon den optisch aktiven Bereich des LED-Moduls bildet. Dadurch ist gewährleistet, dass selbst bei einer altersbedingten Verschlechterung der Materialeigenschaften des Trägers die hochwertigen optischen Eigenschaften, insbesondere die Langzeitbe- ständigkeit, des LED-Moduls, nicht beeinträchtigt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das kohlenstoffbasierte Polymer aus PMMA, PC, PU oder PVC gebildet. Diese Materialien sind kostengünstig und deren optischen Eigenschaften wirken sich aufgrund der Verwendung als Trägermaterial nicht auf die optischen Eigenschaften des LED-Moduls als solches aus .

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Linsenelemente Freiformlinsen, die Strahlungsaufweitende und strah- lungsbündelnde Eigenschaften kombinieren. Derartige Linsen werden für komplexe Anwendungen der LED-Module in Innen- oder Außenbeleuchtungen gewünscht. Aufgrund der hochwertigen optischen Eigenschaften der Silikon-Linsen lassen sich auch komplizierte Linsenformen mit dem Material realisieren. Vergleichbare Linsenformen aus PMMA oder PC hätten nicht die gleiche optische Eigenschaft, wie die Freiformlinse aus Silikon. Beispielsweise würden PMMA oder PC nicht die gleiche Formbeständigkeit nach dem Herstellen im Spritzgussverfahren haben, abgesehen davon, dass sie schneller als Silikon altern

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Linsenelemente aus Silikon in Bezug auf die optische Achse der jeweils zugeordneten LED nicht rotationssymmetrisch. Vorzugsweise sind die Linsenelemente jedoch spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine Ebene, welche die optische Achse der LED enthält. Derartige Freiformlinsen eignen sich besonders zur Ausgestaltung einer Lichtverteilung, die sich in wenigstens einer Richtung weiter erstreckt als in einer dazu senkrechten Richtung. Beispielsweise kann eine Lichterteilung erzielt werden, die in einer C0/180-Ebene oder einer dazu parallelen Ebene sich weiter erstreckt als in der dazu senkrechten C90/270-Ebene .

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Trägerplatte Öffnungen auf, in welche Silikon eindringt, um die Linsenelemente an der Trägerplatte mechanisch zu halten. Ein derartiger Formschluss zum Halten der Linsen kann direkt beim Herstel- lungsprozess der Linsen auf der Trägerplatte erfolgen. Alter- nativ können die Linsenelemente auch in einem separaten Bearbeitungsschritt an der Trägerplatte befestigt werden. Beispielsweise können sich die Öffnungen in der Trägerplatte in einer Richtung zu der den Linsenelementen entgegengesetzten Seite im Querschnitt erweitern, so dass eine Hinterschneidung gebildet wird. Durch das Einfließen des Silikons von der Seite des Linsenelements zu der entgegengesetzten Seite wird dadurch ein Formschluss gebildet. Alternativ kann auch vorgesehen sein, das Silikon auf der dem Linsenelement gegenüberliegenden Seite durch Heißverstemmen in der Art einer Niete an der Öffnung in der Trägerplatte zu befestigen. Es können auch beide Verfahren kombiniert v/erden. In jedem Fall ist durch diese Befestigungsart ein dauerhafter Halt zwischen dem Linsenelement und der Trägerplatte gewährleistet, der insbesondere auch in unmittelbarer Nähe des Lichtausschnitts für die LED wirkt.

Dadurch ist eine präzise Positionierung des Linsenelements gegenüber der LED gewährleistet, selbst wenn andere Bereiche der Trägerplatte durch bauliche Toleranzen oder durch thermische Verzerrungen beeinträchtigt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die LEDs auf einem Printed Circuit Board, PCB, gehalten und elektrisch kontaktiert, und das PCB ist auf der den Linsenelementen entgegengesetzten Seite der Trägerplatte flächig mit der Träger- platte verbunden. Beispielsweise kann die Trägerplatte an dem PCB in einer ähnlichen Weise montiert werden, wie vorhergehend in Bezug auf die Linsenelemente und die Trägerplatte beschrieben. Alternativ kann die Trägerplatte auch flächig auf den PCB angeklebt werden. Ein Vorteil dieser Konstruktion ist, dass die Trägerplatte gleichzeitig als elektrische Isolierung und mechanischer Schutz für die Leiterbahnen auf dem PCB dienen kann. Die Verwendung von hochwertigem Silikon für diese Aufgabe wäre demgegenüber eine Verschwendung von Kosten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist auf einer Lichtaustrittsfläche des Linsenelements aus Silikon jeweils eine Schicht aus einem transparenten kohlenstoffbasierten Polymer, insbesondere PMMA, PC, SAN oder PU angeordnet. Diese Schicht kann zum mechanischen Schutz des Linsenelements aus Silikon dienen. Ferner kann diese Schicht auch optische Eigenschaften aufweisen, die zur Gesamtwirkung des Linsenelements beitragen. Im Herstellungsprozess kann die Schicht aus dem transparenten kohlenstoffbasierten Polymer vor einem Spritzgussprozess des Silikons in das Werkzeug eingebracht werden. Alternativ kann die Schicht aus transparentem kohlenstoffbasierten Polymer auch nachträglich auf die bereits vorgeformte Silikon-Linse aufgespritzt werden. Da das transparente kohlenstoffbasierte Polymer auf dem Linsenelement aus Silikon thermisch nicht so stark belastet ist, wie das darunterliegende Silikon des Linsenelements, wird dieser Teil des Linsenelements auch nicht so stark belastet, dass eine vorzeitige Alterung des transparenten kohlenstoffbasierten Polymers zu befürchten ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Abstand der LEDs zum jeweils nächsten Nachbarn mindestens 20 mm, vorzugsweise zwischen 25 mm und 50 mm. Dadurch werden die Lichtstromverluste der einzelnen LEDs in der Matrix durch die thermisch bedingten Effekte auf das Material der Trägerplatte verringert bzw. die Lichtausbeute der einzelnen LEDs erhöht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Trägerplatte zur Positionierung in einem Spritzgusswerkzeug Positionierungsöffnungen, insbesondere Langlöcher, auf. Da es wichtig ist, die Trägerplatte in Bezug auf die auszubildenden Linsenelemente aus Silikon präzise im Spritzgusswerkzeug zu positionieren, damit die Linsenelemente in Bezug auf die Ausschnitte der Trägerplatte richtig angeordnet werden, sind Positionierungsöffnungen hilfreich, die es erlauben, die Trägerplatte in dem Spritzgusswerkzeug auf entsprechende Erhöhungen aufzustecken .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das Herstellungsverfahren eines LED-Moduls, wie vorhergehend beschrieben. Das Herstellungsverfahren umfasst ein Anordnen der Trägerplatte in einem Werkzeug; Einspritzen von Silikonmaterial in das Werkzeug zur Bildung der Linsenelemente und Entformen der Trägerplatte und der Linsenelemente aus dem Werkzeug. Das Herstellen der Linsenelemente in einem Werkzeug, in welchem bereits die Trägerplatte aus dem kohlestoffbasierten Kunststoff angeordnet ist, gewährleistet, dass die Linsenelemente in Bezug auf die Ausschnitte in der Trägerplatte präzise ausgerichtet sind. Das Werkzeug kann Erhöhungen aufweisen, welche im Endprodukt zu Aussparungen in den Linsenelementen führen, in welche die LEDs angeordnet werden. Dadurch ist eine präzise Anordnung der LEDs möglich. Ferner kann zwischen dem Linsenelement und der LED ein Luftspalt gebildet sein, so dass die Lichteintrittsfläche des Linsenelements optisch wirksamer ist. Alternativ kann die Linse auch vollständig in dem Silikonmaterial verklebt sein. Dadurch ist die Linse mechanisch besser geschützt. Alternativ kann das Verfahren auch vorsehen, dass die LEDs ggf. mit einem PCB und die Trägerplatte bereits in dem Werkzeug angeordnet werden und anschließend mit Silikon zur Bildung der Linsenelemente umspritzt werden. Diese Ausführungsform ist insbesondere geeignet für Ausführungsformen von LED-Modulen, in denen die LEDs direkt mit dem Silikon der Linsenelemente gekapselt werden sollen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Herstellungsverfahren einen vorgelagerter Schritt zum Herstellen der Trägerplatte aus dem kohlenstoffbasierten Kunststoff, wobei in der Trägerplatte eine Form erzeugt wird, welche wenigstens teilweise die Form der Linsenelemente, welche in dem nachfol- genden Schritt durch das Einspritzen von Silikonmaterial erzeugt werden, definiert. Dadurch kann das Linsenelement passgenau mit hoher Festigkeit in die Trägerplatte mittels eines einfachen Herstellungsverfahrens integriert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen deutlich, die in Verbindung mit den beigefügten Figuren gegeben wird. In den Figuren ist Folgendes dargestellt:

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Werkzeug mit einer darin angeordneten Trägerplatte beim Einspritzen von Silikon . Figur 2 zeigt einen Querschnitt eines LED-Moduls, welches durch ein Werkzeug nach Figur 1 hergestellt worden ist .

Figur 3 zeigt einen Querschnitt und eine Aufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer Trägerplatte mit

Linsenelementen .

Figur 4 zeigt ein LED-Modul, welches die Trägerplatte mit den

Linsenelementen ähnlich der Figur 3 aufweist.

Bezug nehmend auf die Figur 1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines LED-Moduls gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Eine Trägerplatte 1 z.B. aus PMMA oder PC wird in einer Kavität eines Werkzeugs 2 angeordnet. Nach dem Schließen des Werkzeugs 2 wird in die Kavität des Werkzeugs Silikon 3 eingespritzt. Das Werkzeug weist in der Kavität Erhöhungen 4 auf, die sich durch Ausschnitte in der Trägerplatte 1 erstrecken. Diese Erhöhungen bilden Vertiefungen in den durch das Silikon gebildeten Linsenelementen 9 auf der Trägerplatte 1. Diese Ausschnitte dienen dazu, in einem späteren Verfahrensschritt LEDs 5 anzuordnen.

Das Werkzeug 1 weist ferner durchgehende Kanäle 6 auf, durch welche eine Flüssigkeit zum Temperieren des Werkzeugs während des Spritzgussverfahrens durchgeleitet werden kann.

Wie im Querschnitt der Figur 1 dargestellt ist, weist die Trägerplatte 1 ferner Öffnungen 6 auf, die in der gezeigten Aus- führungsform etwa T-förmig in dem Querschnitt der Trägerplatte 1 gebildet sind. In diese Öffnungen 6 tritt beim Spritzguss- prozess etwas des Silikons 3 ein. Aufgrund des sich von einer Seite, auf der das Linsenelement gebildet wird, zur entgegengesetzten Seite der Trägerplatte 1 erweiternden Querschnitts der Öffnung 6 wird ein Formschluss gebildet, der dafür sorgt, dass das Linsenelement 9 an der Trägerplatte 1 nach dem Entformen der Anordnung gehalten wird. Dabei ist zu beachten, dass die Öffnungen 6 in unmittelbarer Nähe der die Aussparung für die LEDs bildenden Erhöhungen 4 angeordnet sind. Dadurch werden die Linsenelemente unmittelbar dort an der Trägerplatte gehalten, wo auch die LEDs angeordnet sind. Etwaige thermische Verschiebungen oder bauliche Toleranzen wirken sich daher in Bezug auf die Anordnung der LED 5 zu dem jeweiligen Linsenelement 9 nur in geringem Maße aus.

Ferner ist in Figur 1 dargestellt, dass in der unteren Hälfte des Werkzeugs 2 bereits Vertiefungen vorgesehen sind, die dazu dienen, Positionierungselemente 7 der Trägerplatte 1 aufzunehmen. Diese Positionierungselemente können zum Befestigen der Trägerplatte 2 auf einem PCB 8 verwendet werden, wie nachfolgend ausgeführt.

Nach dem Spritzgussprozess und dem Aushärten des Silikons 3 kann die Anordnung aus der Trägerplatte 1 und dem Silikon 3 entformt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Angussbereich des Silikons 3 entfernt. Dazu können beispielsweise spanende Verfahren verwendet werden. Das Fertigprodukt aus der Trägerplatte 1 und dem erhärteten

Silikon, welches die Linsenelemente 9 bildet, wird auf ein PCB 8 aufgesetzt, welches bereits montierte und elektrisch kontaktierte LEDs 5 aufweist. Dabei wird jeweils eine LED 5 in eine Aussparung 10 des Linsenelements 9 eingefügt, welche durch die Erhebung 4 in dem Werkzeug gebildet worden ist.

Die Positionierungselemente 7 werden in Öffnungen des PCB 8 eingefügt und von der Rückseite des PCBs, d.h. auf der den LEDs 5 entgegengesetzten Seite, heißverstemmt . Dadurch wird die Trägerplatte 1 durch einen Formschluss auf dem PCB 8 gehalten .

Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das gesamte PCB 8 einschließlich der LEDs 5 bei dem Sprit zgussprozess bereits in dem Werkzeug 2 angeordnet wird, bevor das Silikon 3 eingespritzt wird. In dieser Ausführungsform werden die LEDs vollständig in dem Linsenelement 9 mit Silikon umspritzt. Außerdem kann die mechanische Verbindung des PCB mit der Trägerplatte auch im Rahmen des gleichen Spritzgussprozesses erfolgen. In diesem Fall würde das Silikon 3 durch die Öffnungen in der

Trägerplatte und in dem PCB gespritzt werden, um die Elemente durch einen Formschluss miteinander zu verbinden.

Mit Bezug auf die Figuren 3 und 4 werden weitere alternative Ausführungsformen beschrieben.

Figur 3 zeigt im unteren Bereich eine Aufsicht auf eine Trägerplatte 1 mit darauf befindlichen Linsenelementen 9. Der obere Bereich der Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch die Trägerplatte 1 entlang der Linie A-A im unteren Bereich der Figur 3.

In dieser Ausführungsform sind die Linsenelemente 9 in größe- ren Ausschnitten in die Trägerplatte 1 integriert. Ferner sind durch den Spritzgussprozess Aussparungen 10 in den Linsenelementen 9 gebildet, wie vorhergehend beschrieben, um darin LEDs 5 auf einem PCB 8, wie in Figur 4 dargestellt, anzuordnen. Eine Besonderheit der Ausführungsform nach Figur 3 und 4 besteht darin, dass auf den Linsenelementen 9 noch eine weitere Schicht 11 aus einem transparenten kohlenstoffbasierten Kunststoff, insbesondere z.B. aus PMMA oder PC, aufgebracht ist. Diese Schicht dient zum Schutz der Silikon-Linse 9 und kann ferner optische Eigenschaften hervorbringen. Insbesondere kann das Material der Schicht 11 aus dem gleichen Material gebildet sein, wie die Trägerplatte 1. Die Schicht 11 kann beispielsweise gemeinsam mit der Trägerplatte 1 ausgebildet sein, wobei beim Sprit zgussprozess das Silikon zur Bildung der Linsen 9 in Öffnungen zwischen den Schichten 11 und der Platte 1 eingespritzt wird. Alternativ können die Schichten 11 auch in einem nachträglichen Bearbeitungsprozess auf die Silikon-Linsen 9 aufgespritzt oder aufgeklebt werden. Die Figur 3 zeigt ferner in der Aufsicht noch Langlöcher 12 in seitlichen Bereichen der Trägerplatte 1. Diese Langlöcher dient dazu, um die Trägerplatte in dem Werkzeug präzise zu positionieren. Ferner ist in der Ausführungsform nach Figur 3 noch ein Bereich 13 auf der Trägerplatte vorgesehen, welcher in besonderer Wiese bearbeitet, insbesondere poliert ist, um eine Saugfläche für ein Robotersystem, welches zum Entformen mit der Trägerplatte und/oder zum Anordnen des LED-Moduls in einer Leuchte die Trägerplatte ergreift. Dabei ist insbesondere berücksichtigt, dass der Roboter das LED-Modul an der Saug- fläche 13 angreift, die von den optisch wirksamen Bereichen des LED-Moduls, d.h. insbesondere der Linsenelemente 9, beabstandet ist. Dadurch kann eine Beschädigung der optisch wirksamen Oberflächen beim Herstellungsprozess des LED-Moduls bzw. der Leuchte vermieden werden.

Ferner ist in dem Querschnitt im oberen Bereich der Figur 3 zu sehen, dass das Linsenelement 9 in einen Ausschnitt der Trägerplatte 1 integriert ist. Ein Teil der Umfangsform der Sili- konlinse wird daher durch einen Ausschnitt in dem Trägerelement 1 definiert. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass das Linsenelement 9 besonders fest in das Trägerelement 1 integriert werden kann. Die Figur 4 zeigt eine Ausführungsform eines vollständigen

LED-Moduls einschließlich der LED 5 und dem PCB 8. Die Ausführungsform der Linsenelemente 9 ist ähnlich zu der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform, jedoch sind die Ausschnitte in der Trägerplatte zur Aufnahme zur LED 5 bzw. eines Teils des Lin- senelements 9 im Vergleich zur Figur 3 kleiner.

BEZUGSZEICHENLISTE Trägerplatte

Werkzeug

Silikon

Erhöhung

LED

Öffnung

Positionierungselement

PCB

Linsenelement

Aussparung für LED

Transparente Schicht

Langloch

Saugfläche