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Es wird ein Leuchtdiodenmodul angegeben. Darüber hinaus wird ein Kfz-Scheinwerfer mit einem solchen Leuchtdiodenmodul angegeben.
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Die Druckschrift
US 2011/0050071 A1 betrifft ein LED-Gehäuse zur Steigerung eines Farbwiedergabeindexes und zur Helligkeitssteigerung.
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Aus der Druckschrift
US 2011/0215349 A1 ist ein LED-Gehäuse bekannt, in dem mehrere LED-Chips untergebracht sind.
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In der Druckschrift
JP 4 926 303 B1 ist eine LED-Leuchte angegeben, bei der sich mehrere LED-Chips unter einem gemeinsamen Verguss auf einem Träger befinden.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Leuchtdiodenmodul anzugeben, bei dem eine optische Kopplung oder eine optische Isolierung zwischen benachbarten Halbleiterchips gezielt einstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Leuchtdiodenmodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ein erfindungsgemäßer Kfz-Scheinwerfer ist im nebengeordneten Anspruch 15 angegeben.
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Erfindungsgemäß umfasst das Leuchtdiodenmodul
- – einen Träger mit einer Trägeroberseite,
- – mehrere optoelektronischen Halbleiterchips, die an der Trägeroberseite angebracht und die zur Erzeugung einer Primärstrahlung eingerichtet sind,
- – eine strahlungsdurchlässigen ersten Füllung, und
- – eine strahlungsundurchlässigen zweiten Füllung,
wobei
- – die Halbleiterchips zum Teil einen ersten Abstand und zum Teil einen zweiten, größeren Abstand zueinander aufweisen,
- – sich zwischen den im ersten Abstand zueinander angeordneten, benachbarten Halbleiterchips die erste Füllung zu einer optischen Kopplung dieser benachbarten Halbleiterchips miteinander befindet,
- – sich zwischen den im zweiten Abstand zueinander angeordneten, benachbarten Halbleiterchips die zweite Füllung zu einer optischen Isolierung dieser benachbarten Halbleiterchips voneinander befindet,
- – in dem Träger mindestens ein Graben geformt ist, und
- – der Graben wenigstens oder nur zwischen solchen benachbarten Halbleiterchips ausgeformt ist, die in dem größeren, zweiten Abstand zueinander angeordnet sind.
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Es umfasst das Leuchtdiodenmodul einen Träger mit einer Trägeroberseite. Der Träger beinhaltet bevorzugt elektrische Leiterbahnen sowie elektrische Kontaktpunkte zum Betreiben des Leuchtdiodenmoduls. Bevorzugt ist der Träger die das Leuchtdiodenmodul mechanisch tragende und mechanisch stabilisierende Komponente. Bei dem Träger handelt es sich beispielsweise um eine Leiterplatte, eine Metallkernplatine oder um ein Keramiksubstrat.
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Es beinhaltet das Leuchtdiodenmodul mehrere optoelektronische Halbleiterchips. Die Halbleiterchips sind dazu eingerichtet, im Betrieb des Leuchtdiodenmoduls eine Primärstrahlung zu erzeugen. Bei der Primärstrahlung handelt es sich bevorzugt um blaues Licht oder um ultraviolette Strahlung, beispielsweise im Spektralbereich zwischen einschließlich 400 nm und 480 nm, bezogen auf eine Scheitelwellenlänge, englisch peak wavelength. Bevorzugt handelt es sich bei den Halbleiterchips um Leuchtdiodenchips.
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Es sind die Halbleiterchips mittelbar oder unmittelbar an der Trägeroberseite des Trägers angebracht. Beispielsweise sind die Halbleiterchips auf die Trägeroberseite aufgeklebt oder an die Trägeroberseite angelötet. Die Halbleiterchips können matrixartig in einem regelmäßigen Muster an der Trägeroberseite angeordnet sein.
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Es umfasst das Leuchtdiodenmodul eine strahlungsdurchlässige erste Füllung. Strahlungsdurchlässig kann bedeuten, dass die erste Füllung von sichtbarem Licht und/oder von der Primärstrahlung ohne signifikante Absorptionsverluste und/oder ohne signifikante Streuung durchlaufen werden kann.
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Es weist das Leuchtdiodenmodul eine strahlungsundurchlässige zweite Füllung auf. Strahlungsundurchlässig bedeutet, dass die zweite Füllung einen Transmissionsgrad für sichtbares Licht und/oder für die Primärstrahlung von höchstens 10% oder von höchstens 5% oder von höchstens 1% aufweist, insbesondere in Richtung parallel zur Trägeroberseite. Die zweite Füllung kann reflektierend oder absorbierend, insbesondere hinsichtlich der Primärstrahlung, wirken. Die zweite Füllung kann aus mehreren Komponenten, beispielsweise aus verschiedenen Vergussmassen oder aus einer Vergussmasse und einer vorgefertigten Komponente, zusammengesetzt sein.
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Es sind die Halbleiterchips zum Teil in einem ersten Abstand zueinander angeordnet. Weiterhin sind die Halbleiterchips zum Teil in einem zweiten Abstand zueinander angeordnet. Der zweite Abstand ist hierbei größer als der erste Abstand. Mit anderen Worten liegen zwischen benachbarten Halbleiterchips, innerhalb der Anordnung der Halbleiterchips auf der Trägeroberseite, mindestens zwei voneinander verschiedene Abstände vor. Es ist möglich, dass zwischen benachbarten Halbleiterchips in der Anordnung genau zwei voneinander verschiedene Abstände auftreten.
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Es ist die strahlungsdurchlässige erste Füllung zwischen den im ersten Abstand zueinander angeordneten, benachbarten Halbleiterchips angebracht. Die erste Füllung ist zu einer optischen Kopplung dieser benachbarten Halbleiterchips eingerichtet. Mit anderen Worten ist zwischen diesen Halbleiterchips, zwischen denen sich die erste Füllung befindet, eine optische Kopplung bevorzugt gegenüber einem Zustand ohne die erste Füllung erhöht. Es kann von einem dieser benachbarten Halbleiterchips zu dem anderen Halbleiterchip dann mehr Strahlung gelangen, als es ohne die erste Füllung der Fall wäre.
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Es befindet sich zwischen den im zweiten Abstand zueinander angeordneten, benachbarten Halbleiterchips die zweite Füllung. Es ist die zweite Füllung zu einer optischen Isolierung dieser benachbarten Halbleiterchips voneinander eingerichtet. Mit anderen Worten kann von einem dieser benachbarten Halbleiterchips zu den anderen benachbarten Halbleiterchips, insbesondere auf direktem Weg, keine oder nur ein vernachlässigbarer Anteil der im Betrieb erzeugten Strahlung gelangen.
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Es befindet sich zwischen den im ersten Abstand zueinander angeordneten, benachbarten Halbleiterchips die zweite Füllung und zwischen den im zweiten Abstand zueinander angeordneten, benachbarten Halbleiterchips die erste Füllung.
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Durch solche Füllungen ist eine gezielte optische Kopplung oder eine gezielte optische Isolierung zwischen bestimmten Halbleiterchips erzielbar. Hierbei ist eine besonders Platz sparende und dichte Anordnung der Halbleiterchips erreichbar.
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Bei Leuchtdiodenmodulen, die mehrere eng nebeneinander angeordnete Halbleiterchips aufweisen, kann die Problematik bestehen, dass seitlich aus einem Halbleiterchip austretendes Licht an der Stelle eines anderen Halbleiterchips das Modul verlässt oder benachbarte Konversionsmittelschichten zum Leuchten anregt. Dies kann zu einer insbesondere für adaptive Kfz-Scheinwerfer unerwünschten optischen Kopplung benachbarter Halbleiterchips oder benachbarter Gruppen von Halbleiterchips führen, speziell wenn diese Halbleiterchips oder Gruppen elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Andererseits ist es oft auch gewünscht, dass kleinere Untergruppen von Halbleiterchips gemeinsam angesteuert werden und eine möglichst homogene Abstrahlung über diese Halbleiterchips hinweg zu erzielen ist.
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Eine Möglichkeit, eine derartige optische Kopplung und optische Isolierung zu erreichen, besteht darin, mechanische Blenden in Abstrahlrichtung nach den Halbleiterchips einzusetzen. Dies führt allerdings in der Regel zu vergleichsweise großen mechanischen Aufbauten und zu einem Verlust an emittierter Strahlung durch die Blenden. Weiterhin kann eine optische Isolierung oder eine optische Kopplung durch aufwändige Optiken erzielt werden. Dies führt in der Regel aber zu deutlichen Mehrkosten.
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Weiterhin besteht eine Möglichkeit darin, einzelne Leuchtdiodenchips zu verwenden, die jeweils einen eigenen Rahmen zu einer optischen Isolierung mitbringen. Bei solchen Leuchtdiodenchips ist jedoch ein vergleichsweise großer Mindestabstand zwischen benachbarten, Licht emittierenden Bereichen dieser Leuchtdiodenchips erforderlich und ein Aufbau eines insbesondere kompakten, adaptiven Kfz-Scheinwerfers ist nur erschwert möglich. Auch eine homogene Abstrahlung kann bei Verwendung solcher Leuchtdiodenchips im Regelfall nur durch eine aufwändige Optik realisiert werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind alle zur Erzeugung der Primärstrahlung eingerichteten Halbleiterchips im Rahmen der Herstellungstoleranzen gleich. Beispielsweise wird nur eine einzige Sorte von Halbleiterchips verwendet, die nominell im gleichen Spektralbereich und bei der gleichen Scheitelwellenlänge emittieren. Es ist hierbei nicht zwangsläufig ausgeschlossen, dass weitere Halbleiterchips, beispielsweise Dioden zum Schutz vor Schäden gegen elektrostatische Entladungen oder Sensoren, vorhanden sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Leuchtdiodenmodul einen oder mehrere Konversionsmittelkörper auf. Der mindestens eine Konversionsmittelkörper ist zur teilweisen oder vollständigen Umwandlung der Primärstrahlung in eine insbesondere langwelligere Sekundärstrahlung eingerichtet. Es ist möglich, dass jedem der Halbleiterchips genau ein Konversionsmittelkörper zugeordnet ist. Weiterhin ist es möglich, dass verschiedenen Halbleiterchips Konversionsmittelkörper zur Erzeugung verschiedener Sekundärstrahlungen zugeordnet sind. Hierdurch können Halbleiterchips oder Gruppen von Halbleiterchips zur Erzeugung von voneinander verschiedenen Strahlungsspektren eingerichtet sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Konversionsmittelkörper oder ist der mindestens eine Konversionsmittelkörper an dem Halbleiterchip oder an den Halbleiterchips mit zumindest einem Kleber verbunden. Bei dem Kleber handelt es sich bevorzugt um einen Kleber auf Silikonbasis. Der Kleber kann mit anderen Worten ein Silikon sein. Bevorzugt ist der Kleber klarsichtig und durchlässig für die Primärstrahlung.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet der Kleber oder ein Material des Klebers teilweise oder vollständig die strahlungsdurchlässige erste Füllung. Insbesondere sind der Kleber und die erste Füllung einstückig ausgebildet. Der Kleber, zusammen mit der ersten Füllung, kann sich dann über mehrere, benachbarte Halbleiterchips hinweg zusammenhängend erstrecken.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Halbleiterchips in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Diese gemeinsame Ebene ist bevorzugt parallel zur Trägeroberseite orientiert. Mit anderen Worten gibt es eine Ebene, insbesondere parallel zur Trägeroberseite, die alle der Halbleiterchips schneidet. Hierbei sind Strahlungshauptseiten der Halbleiterchips bevorzugt parallel zu der Ebene orientiert. Dies kann insbesondere bedeuten, dass Wachstumsrichtungen von epitaktisch erzeugten Halbleiterschichtenfolgen der Halbleiterchips je senkrecht zu dieser gemeinsamen Ebene ausgerichtet sind.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Halbleiterchips in einer oder in mehreren Reihen angeordnet. Die Reihen umfassen beispielsweise genau zwei, genau drei, genau vier, genau fünf oder mehr als fünf Halbleiterchips. Innerhalb einer Reihe können die Halbleiterchips entlang einer geraden Linie angeordnet sein. Weiterhin weisen die Halbleiterchips innerhalb einer Reihe bevorzugt einen gleich bleibenden Abstand zueinander auf. Innerhalb einer der Reihen können benachbarte Halbleiterchips insbesondere jeweils den ersten Abstand zueinander aufweisen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Leuchtdiodenmodul mehrere Reihen auf. Beispielsweise umfasst das Leuchtdiodenmodul genau zwei oder genau drei oder mehr als drei der Reihen. Es ist möglich, dass benachbarte Reihen im zweiten Abstand zueinander angeordnet sind. Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen benachbarten Halbleiterchips innerhalb einer Reihe jeweils die strahlungsdurchlässige erste Füllung. Somit ist es möglich, dass jeweils benachbarte Halbleiterchips innerhalb einer Reihe optisch miteinander gekoppelt sind. Hierdurch kann über eine Reihe hinweg eine besonders gleichmäßige Abstrahlung von Licht erzielt sein. Gleichmäßige Abstrahlung kann bedeuten, dass ein Abstand, insbesondere Full Distance at Half Maximum, kurz FDHM, höchstens 50% oder höchstens 25% des Abstands benachbarter Leuchtdichtemaxima beträgt, in einem Schnitt senkrecht zur Trägeroberseite gesehen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen zumindest zwei benachbarten Reihen oder zwischen allen benachbarten Reihen jeweils die zweite Füllung. Mit anderen Worten ist es möglich, dass mindestens ein Teil benachbarter Reihen voneinander optisch isoliert sind. Es ist also möglich, dass beispielsweise zwei benachbarte Reihen optisch voneinander isoliert sind, zwei andere benachbarte Reihen jedoch optisch miteinander durch die erste Füllung gekoppelt sind. Die miteinander optisch gekoppelten Reihen können im ersten Abstand zueinander angeordnet sein.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist mindestens einer der Reihen oder ist allen Reihen jeweils genau ein einstückiger Konversionsmittelkörper zugeordnet. Der einer Reihe zugeordnete Konversionsmittelkörper erstreckt sich bevorzugt über alle der Halbleiterchips dieser Reihe. Weiterhin erstreckt sich dieser Konversionsmittelkörper bevorzugt nicht über Halbleiterchips, die nicht dieser Reihe angehören. Der Konversionsmittelkörper bedeckt dann bevorzugt die Bereiche zwischen den benachbarten Halbleiterchips innerhalb dieser Reihe, in Draufsicht gesehen.
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Es sind in dem Träger ein oder mehrere Gräben geformt. Der mindestens eine Graben erstreckt sich zwischen zumindest zwei der benachbarten Halbleiterchips.
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Es ist der Graben wenigstens oder nur zwischen solchen benachbarten Halbleiterchips ausgeformt, die in dem größeren, zweiten Abstand zueinander angeordnet sind. Der Graben kann sich jeweils auch auf einen Bereich erstrecken, der sich nicht zwischen den benachbarten Halbleiterchips befindet, in Draufsicht auf die Trägeroberseite gesehen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform überragt der mindestens eine Graben, in Draufsicht auf die Trägeroberseite gesehen, einen Innenbereich. Der Innenbereich ist derjenige Bereich, der sich, in Draufsicht gesehen, zwischen den benachbarten Halbleiterchips befindet. Der den Innenbereich überragende Bereich des Grabens wird als Außenbereich bezeichnet. In dem Außenbereich ist der Graben beispielsweise fächerartig oder netzartig verzweigt. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Graben in dem Außenbereich eine kleinere mittlere Breite aufweist als in dem Innenbereich.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Volumen des Grabens in dem Außenbereich mindestens so groß wie 5% oder 20% oder 50% oder 100% des Volumens des Klebers, der sich über der Strahlungshauptseite des an diesen Graben angrenzenden Halbleiterchips befindet. Mit anderen Worten liegt das Volumen im Außenbereich des Grabens bevorzugt in derselben Größenordnung wie das Klebervolumen auf einem der Halbleiterchips. Alternativ oder zusätzlich beträgt das Volumen des Grabens in dem Außenbereich höchstens 500% oder höchstens 150% oder höchstens 100% oder höchstens 70% des Volumens des Klebers über dem angrenzenden Halbleiterchip.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Graben in dem Außenbereich, in Draufsicht auf die Trägeroberseite gesehen, eine Randlänge auf, die mindestens einer Kantenlänge des Halbleiterchips oder mindestens der doppelten, der fünffachen, der zehnfachen oder der dreißigfachen Kantenlänge entspricht. Mit anderen Worten ist eine Randlänge des Grabens groß im Vergleich zur Kantenlänge des Halbleiterchips. Da sich entlang des Rands des Grabens ein Meniskus ausbildet, geht auf die Randlänge des Grabens ein erheblicher Anteil des vom Graben aufgenommenen Anteils des Klebers zurück.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen alle an den Halbleiterchip angrenzenden Graben zusammengenommen, oder nur die Außenbereiche dieser Graben, ein Gesamtvolumen auf, das mindestens so groß ist wie das insgesamt auf den Halbleiterchip aufgebrachte Volumen des Klebers, minus des Klebervolumens, das sich zwischen der Strahlungshauptseite und dem Konversionsmittelkörper verbleibt. Es ist der mindestens eine Graben also dann dazu eingerichtet, die gesamte, beim Aufdrücken des Konversionsmittelkörpers von der Strahlungshauptseite herunter laufende Menge des Klebers aufzunehmen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen alle an den Halbleiterchip angrenzenden Gräben zusammengenommen ein Gesamtvolumen auf, das mindestens so groß ist wie ein Volumen, das gleich ist dem Produkt aus einer Kantenlänge des Halbleiterchips, dem ersten oder dem zweiten Abstand, einer Dicke des Halbleiterchips in Richtung senkrecht zur Trägeroberseite und einem Faktor. Der Faktor beträgt 0,5 oder 0,65 oder 0,75.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Kapillarwirkung des Grabens für das Material des Klebers größer als eine Kapillarwirkung der benachbarten Halbleiterchips, zwischen denen der Graben geformt ist. Die Kapillarwirkung des Grabens übersteigt die Kapillarwirkung des Raums zwischen den benachbarten Halbleiterchips um beispielsweise mindestens einen Faktor 1,5 oder um mindestens einen Faktor 2. Mit anderen Worten ist der Graben derart hinsichtlich Breite und Material und Oberflächengeometrie ausgebildet, dass von der Strahlungshauptseite des angrenzenden Halbleiterchips herunterlaufendes Material des Klebers nicht zwischen den benachbarten Halbleiterchips verbleibt, sondern aufgrund der größeren Kapillarwirkung in den Graben gesogen wird.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Abstand zwischen den benachbarten Halbleiterchips, zwischen denen sich der mindestens eine Graben befindet, kleiner als eine maximale oder als eine mittlere Breite des zugehörigen Grabens. Eine größere Kapillarwirkung des Grabens wird dann insbesondere durch Oberflächengeometrie und Oberflächenmaterial des Grabens erzielt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Leuchtdiodenmodul eine oder mehrere Einlegeplatten. Die mindestens eine Einlegeplatte ist bevorzugt strahlungsundurchlässig für die Primärstrahlung und/oder für die Sekundärstrahlung.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform stellt die Einlegeplatte die zweite Füllung teilweise dar. Mit anderen Worten befindet sich dann die Einlegeplatte zumindest zum Teil zwischen benachbarten Halbleiterchips. Die Einlegeplatte kann sich dann, in Draufsicht auf die Trägeroberseite gesehen, in den Innenbereich erstrecken, beispielsweise zwischen benachbarten Reihen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Einlegeplatte, zumindest in dem Innenbereich, eine Dicke von höchstens 200 μm oder von höchstens 150 μm auf. Bevorzugt überragt die Einlegeplatte den Konversionsmittelkörper oder den Kleber oder die Strahlungshauptseite nicht, in Richtung weg von der Trägeroberseite. Bevorzugt ist die Einlegeplatte aus einer Keramik oder aus einem Kunststoff geformt oder besteht hieraus.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der erste Abstand bei mindestens 20 μm oder bei mindestens 40 μm oder bei mindestens 60 μm. Alternativ oder zusätzlich liegt der erste Abstand bei höchstens 250 μm oder bei höchstens 200 μm oder bei höchstens 150 μm. Weiterhin kann der zweite Abstand alternativ oder zusätzlich bei mindestens 200 μm oder bei mindestens 250 μm und/oder bei höchstens 400 μm oder bei höchstens 300 μm liegen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform überragt die erste Füllung eine Strahlungshauptseite des Halbleiterchips, in Richtung weg von der Trägeroberseite. Ferner kann die erste Füllung eine der Trägeroberseite abgewandte Oberseite des Klebers überragen. Der Konversionsmittelkörper wird bevorzugt von der ersten Füllung nicht überragt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Innenbereich zwischen benachbarten Halbleiterchips, die im zweiten Abstand zueinander angeordnet sind, teilweise mit einem Material der ersten Füllung ausgefüllt. In diesem Innenbereich folgt, in Richtung weg von der Trägeroberseite, die zweite Füllung bevorzugt der ersten Füllung nach. In diesem Innenbereich können die erste und die zweite Füllung in unmittelbarem Kontakt zueinander stehen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Halbleiterchips auf wenigstens einer Metallisierung des Trägers an der Trägeroberseite angebracht, beispielsweise angelötet. Eine Dicke der Metallisierung liegt beispielsweise bei mindestens 5 μm oder bei mindestens 10 μm und/oder bei höchstens 75 μm oder bei höchstens 50 μm.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Metallisierung seitliche Begrenzungsflächen auf. Mindestens eine seitliche Begrenzungsfläche der Metallisierung, die näherungsweise senkrecht zur Trägeroberseite orientiert sein kann, ist bevorzugt scharfkantig ausgeformt und kann mit einer Aufrauung versehen sein. Ein Winkel zwischen der seitlichen Begrenzungsfläche und einer der Trägeroberseite abgewandten Oberseite der Metallisierung ist bevorzugt ein spitzer Winkel. Scharfkantig kann bedeuten, dass die seitliche Begrenzungsfläche, im Querschnitt gesehen, mit Zacken und Spitzen geformt ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform überragt die zweite Füllung die Halbleiterchips und/oder den Kleber und/oder den Konversionsmittelkörper, in Richtung weg von der Trägeroberseite. Eine Oberseite der zweiten Füllung, die der Trägeroberseite abgewandt ist, kann eben, konkav oder auch konvex geformt sein. Der Konversionsmittelkörper ist von der zweiten Füllung bevorzugt nicht überdeckt, ebenso wenig wie von der ersten Füllung, in Draufsicht gesehen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die zweite Füllung ein Matrixmaterial auf. Das Matrixmaterial ist bevorzugt klarsichtig und strahlungsdurchlässig. Bei dem Matrixmaterial kann es sich um ein Silikon oder um ein Silikon-Epoxid-Hybridmaterial handeln. In dieses Matrixmaterial sind bevorzugt Partikel eingebettet. Die Partikel können für die Primärstrahlung und/oder für die Sekundärstrahlung eine reflektierende und/oder absorbierende Wirkung haben. Zum Beispiel handelt es sich bei den Partikeln um Russpartikel, um Titandioxid-Partikel oder um Metallflitter. Bevorzugt ist durch die zweite Füllung keine elektrische Verbindung zwischen den benachbarten Halbleiterchips gegeben.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Halbleiterchips oder einzelne Gruppen von Halbleiterchips elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar und betreibbar. Insbesondere sind solche Halbleiterchips zu einer Gruppe elektrisch zusammengeschaltet, die optisch miteinander gekoppelt sind. Beispielsweise sind die Halbleiterchips innerhalb einer Reihe elektrisch in Serie geschaltet. Ebenso kann beispielsweise der n-te Halbleiterchip einer Reihe mit dem n-ten Halbleiterchip einer anderen Reihe elektrisch parallel oder in Serie geschaltet sein und eine Gruppe bilden. n ist hierbei ein Zählindex in den jeweiligen Reihen entlang einer bestimmten Richtung.
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Darüber hinaus wird ein Kfz-Scheinwerfer mit einem oder mehreren Leuchtdiodenmodulen, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen beschrieben, angegeben. Merkmale des Leuchtdiodenmoduls sind daher auch für den Kfz-Scheinwerfer offenbart und umgekehrt.
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Dem Leuchtdiodenmodul des Kfz-Scheinwerfers kann eine bevorzugt blendenfreie Optik nachgeordnet sein.
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Nachfolgend wird ein hier beschriebenes Leuchtdiodenmodul unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von 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:
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2 bis 9 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Leuchtdiodenmodulen,
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1, 10 bis 18 und 20 schematische Darstellungen von Beispielen zur Erläuterung von weiteren Teilaspekten der Erfindung, und
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19 schematische Darstellungen von elektrischen Verschaltungen von Halbleiterchips für hier beschriebene Leuchtdiodenmodule.
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In 1 ist in einer schematischen Draufsicht eine Abwandlung zur Erläuterung von Teilaspekten eines Leuchtdiodenmoduls 1 gezeigt. Das Leuchtdiodenmodul 1 weist einen Träger 2 mit einer Trägeroberseite 20 auf. An der Trägeroberseite 20 sind mehrere optoelektronische Halbleiterchips 3, bei denen es sich um Leuchtdioden handelt, in zwei geraden Reihen nebeneinander angebracht. Die Halbleiterchips 3 innerhalb einer der Reihen sind jeweils mit einem ersten Abstand D1 zueinander angeordnet. Zwischen den Reihen weisen die Halbleiterchips 3 einen zweiten Abstand D2 auf. Der zweite Abstand D2 ist größer als der erste Abstand D1.
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Entlang der Reihen befindet sich jeweils zwischen zwei benachbarten Halbleiterchips 3 eine erste Füllung 41, durch eine Schraffur in 1 gekennzeichnet. Die erste Füllung 41 ist strahlungsdurchlässig und zu einer optischen Kopplung der benachbarten Halbleiterchips 3, zwischen denen sich die erste Füllung 41 befindet, eingerichtet.
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Zwischen den Reihen und um die Anordnung der Halbleiterchips 3 herum befindet sich eine zweite Füllung 42. Die zweite Füllung 42 ist strahlungsundurchlässig und zu einer optischen Isolierung der beiden Reihen voneinander eingerichtet. Beispielsweise ist die zweite Füllung reflektierend und erscheint einem Betrachter weiß.
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Um die zweite Füllung 42 herum kann sich optional ein Rahmen befinden, in 1 nicht dargestellt. Elektrische Leiterbahnen des Trägers 2 sind in 1 zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet. Die Trägeroberseite 20 ist bevorzugt eben geformt, mindestens in einem Bereich, in der die Anordnung der Halbleiterchips 3 angebracht ist. Anders als dargestellt können auch mehr als zwei Reihen an dem Träger 2 angebracht sein oder auch nur eine Reihe, innerhalb der zwei optisch voneinander isolierte Teilabschnitte im zweiten Abstand D2 zueinander angeordnet sind und innerhalb der Teilabschnitte der erste Abstand D1 und eine optische Kopplung vorliegt.
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In den nachfolgenden 2 bis 14 sind zur Vereinfachung der Darstellung die Füllung 41, 42 nicht oder nur teilweise illustriert. Diese Füllungen 41, 42 sind jedoch auch bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 2 bis 9 und den Abwandlungen der 10 bis 14 vorhanden.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß der Schnittdarstellung in 2 sind die Halbleiterchips 3 jeweils auf einer Metallisierung 8 auf der Trägeroberseite 20 angebracht. An einer dem Träger 2 abgewandten Strahlungshauptseite 30 der Halbleiterchips 3 befindet sich jeweils ein Konversionsmittelkörper 6. Der Konversionsmittelkörper 6 ist mittels eines Klebers 5 an der Strahlungshauptseite 30 angebracht. Über den Konversionsmittelkörper 6 wird ein Teil der in den Halbleiterchips 3 im Betrieb erzeugten Strahlung in eine Strahlung einer anderen Wellenlänge umgewandelt.
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Bei dem Konversionsmittelkörper 6 handelt es sich bevorzugt um einen vorgefertigten, separat von den Halbleiterchips 3 hergestellten Körper. Insbesondere ist der Konversionsmittelkörper 6 mechanisch selbsttragend und mit einer Bestückungsmaschine handhabbar. Der Konversionsmittelkörper 6 wird bevorzugt als Festkörper auf die Halbleiterchips 3 aufgebracht. Beim Aufbringen des Konversionsmittelkörpers 6 weist der Kleber 5 eine flüssige Konsistenz auf. Nach dem Aufbringen des Konversionsmittelkörpers 6 wird der Kleber 5 ausgehärtet.
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In 2 ist zu sehen, dass zwischen den benachbarten Halbleiterchips 3 ein Graben 7 in dem Träger 2 ausgebildet ist. Eine Breite B des Grabens 7 ist kleiner als ein Abstand zwischen den Halbleiterchips 3. Bei diesem Abstand zwischen den Halbleiterchips 3 gemäß 2 kann es sich um den ersten Abstand oder auch um den zweiten Abstand handeln. Die Metallisierung 8 reicht nicht bis an den Graben 7 heran.
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Die Breite B des Grabens 7 ist bevorzugt kleiner als eine Tiefe des Grabens 7. Beispielsweise liegt die Breite B an der Trägeroberseite 20 bei mindestens 30 μm oder bei mindestens 50 μm oder bei mindestens 80 μm. Alternativ oder zusätzlich liegt die Breite B bei höchstens 200 μm oder bei höchstens 150 μm oder bei höchstens 120 μm. Anders als dargestellt kann der Graben 7 auch V-förmig oder U-förmig und nicht rechteckig ausgebildet sein, im Querschnitt gesehen. Beispielsweise wird der Graben 7 mittels Ätzen, mittels Ritzen oder durch Laserablation erzeugt. Die in Verbindung mit 2 für den Graben 7 genannten Eigenschaften können auch für alle anderen Ausführungsbeispiele gelten.
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In 3 ist dargestellt, dass die Metallisierung 8 den Halbleiterchip 3 lateral nicht überragt, anders als gemäß 2. Auch beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist der Graben 7 schmäler als der Abstand zwischen den Halbleiterchips 3.
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Gemäß 4 ist die Breite B des Grabens 7 größer als der Abstand zwischen den Halbleiterchips 3. Die Metallisierung 8, die auch mehrlagig ausgebildet sein kann, reicht bis an den Graben 7 heran.
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Gemäß 5 überdecken sowohl die Metallisierung 8 als auch der Halbleiterchip 3 den Graben 7 zum Teil. Die Metallisierung 8 kann bündig mit dem Halbleiterchip 3 abschließen, in Richtung parallel zur Trägeroberseite 20.
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Der Graben 7 ist dazu eingerichtet, beim Anbringen des Konversionsmittelkörpers 6 überschüssiges, von der Strahlungshauptseite 30 herunterlaufendes Material des Klebers 5 aufgrund relativ hoher Kapillarwirkung aufzunehmen. Hierdurch ist verhinderbar, insbesondere in einem durch den zweiten Abstand D2 definierten Zwischenbereich zwischen den Halbleiterchips 3, dass sich überschüssiges Klebermaterial in zu großem Ausmaß zwischen den Halbleiterchips 3 ansammelt. Es ist möglich, dass überschüssiges Klebermaterial vollständig oder nahezu vollständig durch Kapillarwirkung in den Graben 7 gelangt.
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In 6 ist eine Draufsicht auf das Leuchtdiodenmodul 1 gezeigt. Die Gräben 7 überragen, in Draufsicht gesehen, einen Innenbereich 71, der sich zwischen den Halbleiterchips 3 befindet. Mit anderen Worten weisen die Gräben 7 jeweils zwei Außenbereiche 72 neben dem Innenbereich 71 auf, in Draufsicht gesehen. Ein Volumen des Grabens 7, in jedem der Außenbereiche 72 oder in den beiden Außenbereichen 72 eines Grabens 7 zusammengenommen, liegt bevorzugt in derselben Größenordnung wie das Volumen des Klebers 5 über der Strahlungshauptseite des angrenzenden Halbleiterchips 3.
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Gemäß 7 sind die Außenbereiche 72 durch mehrere Teilgräben gebildet, die fächerartig von dem Innenbereich 71 weg verlaufen. Diese Teilgräben in dem Außenbereich 72 weisen eine kleinere mittlere Breite auf und somit eine gesteigerte Kapillarwirkung, insbesondere für ein Material des Klebers.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 8 ist der Graben rasterartig, netzartig oder rahmenartig angeordnet. Anders als in 8 dargestellt ist es möglich, dass der Graben 7 die Halbleiterchips 3 auch entlang der Längsrichtung der Reihe der Halbleiterchips 3 überragt. Senkrecht zur Längsrichtung der Reihe ist der Graben 7 ähnlich gestaltet, wie in Verbindung mit 6 angegeben.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß 9, siehe die schematische Schnittdarstellung in 9A, die Teilansicht in 9B sowie die Draufsicht in 9C, weist die Metallisierung 8 eine seitliche Begrenzungsfläche 80 auf. Die seitliche Begrenzungsfläche 80 ist näherungsweise senkrecht zu der Trägeroberseite 20 orientiert.
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Die seitliche Begrenzungsfläche 80 weist eine Aufrauung mit scharfkantigen Zacken auf. Hierdurch ist eine Kapillarwirkung und Benetzbarkeit an der Begrenzungsfläche 80 steigerbar, hinsichtlich des Materials des Klebers 5. Ein Winkel zwischen einer Oberseite der Metallisierung 8, die der Trägeroberseite 20 abgewandt ist, und der Begrenzungsfläche 80 ist ein spitzer Winkel, siehe 9B.
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Die Metallisierung 8 kann die Halbleiterchips 3 in Richtung senkrecht zu einer Längsrichtung der Reihe weiter überragen als entlang der Längsrichtung der Reihe, siehe 9C. In 9C verläuft die Längsrichtung der Reihe der Halbleiterchips 3 von links nach rechts. Eine Dicke der Metallisierung 8 liegt beispielsweise im Bereich mehrerer zehn Mikrometer.
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Optional ist, neben der aufgerauten Begrenzungsfläche 80, beim Ausführungsbeispiel gemäß 9 auch ein Graben 7 angebracht. Auch die Seitenwände des Grabens 7 können mit einer Aufrauung versehen sein. Ist der Graben 7 nicht vorhanden, so ist die Fläche der Begrenzungsfläche 80 bevorzugt derart groß, um überschüssiges Material des Klebers 5 in hinreichendem Maß binden zu können.
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Gemäß der Abwandlung in 10 umfasst das Leuchtdiodenmodul 1 eine Einlegeplatte 9. Die Einlegeplatte 9 erstreckt sich in den Innenbereich 71 zwischen den Halbleiterchips 3. Eine Dicke der Einlegeplatte 9 ist gemäß 10 kleiner als eine Dicke des Halbleiterchips 3, senkrecht zur Trägeroberseite 20.
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Die Einlegeplatte 9 stellt einen Teil der zweiten, strahlungsundurchlässigen Füllung 42 dar. Beispielsweise ist die Einlegeplatte 9 aus einer weißen, reflektierenden Keramik gebildet. Anders als dargestellt ist es möglich, dass die Einlegeplatte 9 die Metallisierungen 8 berührt und auf den Metallisierungen 8 aufliegt. Eine weitere Komponente der zweiten Füllung 42, in die die Einlegeplatte 9 bevorzugt eingebettet ist, ist in 10 nicht dargestellt.
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Ein Abstand in Richtung parallel zur Trägeroberseite 20 zwischen der Einlegeplatte 9 und den Halbleiterchips 3 liegt bevorzugt je im Bereich weniger Mikrometer, beispielsweise bei mindestens 1 μm oder bei mindestens 2 μm oder bei mindestens 5 μm und/oder bevorzugt bei höchstens 50 μm oder bei höchstens 30 μm oder bei höchstens 15 μm.
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In der Abwandlung in 11 ist dargestellt, dass die Einlegeplatte 9, außerhalb der Anordnung der Halbleiterchips 3 und außerhalb des Innenbereichs 71, einen erhöhten, umlaufenden Rand aufweist. Dieser umlaufende Rand kann die Konversionsmittelkörper 6, in Richtung weg von der Trägeroberseite 20, überragen. In Richtung weg von der Trägeroberseite 20 reicht die Einlegeplatte 9 insbesondere in dem Innenbereich 71 bis auf Höhe des Klebers 4 heran.
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In der schematischen Draufsicht der Abwandlung gemäß 12 umgibt die Einlegeplatte 9 jeden der Halbleiterchips 3 jeweils rings herum. Im Ausführungsbeispiel gemäß 13 bildet die Einlegeplatte 9 einen Rahmen um die Halbleiterchips 3 insgesamt herum oder, anders als gezeichnet, um jeweils eine Reihe der Halbleiterchips 3 herum.
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Ein Innenbereich 71 zwischen benachbarten Halbleiterchips, die optisch gekoppelt sind und in dem kleineren, ersten Abstand D1 zueinander angeordnet sind, befindet sich die Einlegeplatte bevorzugt nicht.
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In der Draufsicht des Abwandlung des Leuchtdiodenmoduls 1 gemäß 14 sind die Halbleiterchips 3 in zwei Reihen angeordnet. Die Halbleiterchips 3 einer Reihe sind jeweils gemeinsam von einem einstückigen Konversionsmittelkörper 6 überdeckt.
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In den Beispielen zur Erläuterung von Teilaspekten der Erfindung in den 15 bis 18 sind in Schnittdarstellungen jeweils die Füllungen 41, 42 näher illustriert. Füllungen, wie in Verbindung mit diesen Figuren gezeigt, können in allen Ausführungsbeispielen entsprechend Anwendung finden.
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In 15 ist die erste Füllung 41 zwischen den im Abstand D1 angeordneten Halbleiterchips 3 gezeigt. Die erste Füllung 41 ist einstückig mit dem Kleber 5 ausgebildet und aus dem gleichen Material hergestellt. Die erste Füllung 41 reicht, in Richtung weg von der Trägeroberseite 20, bis auf Höhe der Konversionsmittelkörper 6. Es ist die erste Füllung 41 in dem Innenbereich 71 konkav geformt.
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In 16 ist der Innenbereich 71 zwischen im größeren Abstand D2 angeordneten Halbleiterchips 3 zum Teil mit der ersten Füllung 41 ausgefüllt. Eine minimale Höhe der ersten Füllung 41 reicht, in Richtung weg von der Trägeroberseite 20, bevorzugt höchstens bis auf halbe Höhe der Halbleiterchips 3. Der ersten Füllung 41 folgt die konkav geformte zweite Füllung 42 unmittelbar nach.
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Gemäß 17 ist die zweite Füllung 42 mehrkomponentig gestaltet. Beispielsweise ist die erste Komponente 42a reflektierend ausgebildet und die zweite Komponente 42b absorbierend, insbesondere schwarz. Die zweite Füllung ist gemäß 17 konvex geformt und überragt eine der Trägeroberseite 20 abgewandte Seite der Konversionsmittelkörper 6.
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Gemäß 18 ist die zweite Füllung 42 in dem Innenbereich 71 konkav ausgebildet. Anders als in 18 dargestellt kann die zweite Füllung 42 auch eine planare Oberseite, die dann im Wesentlichen parallel zur Trägeroberseite 20 orientiert ist, oder eine konvexe Oberseite aufweisen. Dies kann auch jeweils für die erste Füllung der Fall sein.
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In 19 sind verschiedene Verschaltungsmöglichkeiten der Halbleiterchips 3 für die Ausführungsbeispiele des Leuchtdiodenmoduls 1 illustriert. Die Halbleiterchips 3 sowie Kontaktpunkte 82 und elektrische Leiterbahnen 83 sind jeweils nur schematisch dargestellt. Gemäß der 19A bis 19D und 19F sind die Halbleiterchips 3 jeweils elektrisch einzeln ansteuerbar. Gemäß 19E sind die Halbleiterchips 3 innerhalb einer Reihe elektrisch in Serie geschaltet. In 19F ist eine Matrixschaltung gezeigt, die Kontaktpunkte 82r entlang von Spalten und die Kontaktpunkte 82l entlang von Zeilen sind nur stark vereinfacht illustriert.
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In 20 ist für zwei Ausführungsbeispiele des Leuchtdiodenmoduls 120 in der linken und in der rechten Bildhälfte je eine Leuchtdichte L, normiert auf eine maximale Leuchtdichte L0, in Richtung x längs einer Reihe der Halbleiterchips 3 und senkrecht zur Trägeroberseite 20 gezeigt. Eine Abstrahlcharakteristik über die Reihe hinweg ist hierbei gleichmäßig, wie bevorzugt in allen Ausführungsbeispielen. Gleichmäßig heißt zum Beispiel, dass ein Abstand FDHM der Leuchtdichte L zwischen zwei benachbarten Halbleiterchips 3 einen doppelten Abstand V oder ein Viertel des Abstands V oder ein Achtel des Abstands V zwischen benachbarten Leuchtdichtemaxima nicht überschreitet. Ebenso kann der Abstand FDHM auch gleich Null sein, wie in der linken Bildhälfte von 20 dargestellt. Es ist möglich, dass die minimale Leuchtdichte L zwischen zwei benachbarten Leuchtdichtemaxima mindestens 20% oder mindestens 40% oder mindestens 50% oder mindestens 60% der Leuchtdichte L in den Maxima beträgt.
