DE102008057140A1

DE102008057140A1 - Optoelektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102008057140A1
Application number: DE102008057140A
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr. Wirth
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2008-11-13
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2010-05-20
Also published as: WO2010054622A2; JP2012508970A; US20110272713A1; KR20110084307A; WO2010054622A3; EP2316130A2; US8558259B2; CN102217065A; CN102217065B; JP5544369B2

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement (1) angegeben, mit
- einem Anschlussträger (2), auf dem zumindest zwei strahlungsemittierende Halbleiterchips (3) angeordnet sind,
- einem Konversionselement (4), das am Anschlussträger (2) befestigt ist, wobei
- das Konversionselement (4) die Halbleiterchips (3) derart überspannt, dass die Halbleiterchips (3) vom Konversionselement (4) und dem Anschlussträger (2) umgeben sind, und
- zumindest zwei der strahlungsemittierenden Halbleiterchips (3) sich hinsichtlich der Wellenlängen der von ihnen im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung voneinander unterscheiden.

Description

Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, ein optoelektronisches Bauelement anzugeben, das im Betrieb Licht mit einem besonders hohen Farbwiedergabeindex emittiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst das optoelektronische Bauelement einen Anschlussträger, auf dem zumindest zwei strahlungsemittierende Halbleiterchips angeordnet sind.
Bei dem Anschlussträger handelt es sich beispielsweise um eine Leiterplatte, auf welcher oder in welcher elektrische Leiterbahnen und elektrische Anschlussstellen angeordnet sind, die zur elektrischen Kontaktierung und mechanischen Befestigung der strahlungsemittierenden Halbleiterchips dienen. Der Anschlussträger kann nach Art einer Platte im Wesentlichen eben ausgebildet sein. Das heißt, der Anschlussträger weist in diesem Fall keine Kavität auf, in welcher ein strahlungsemittierender Halbleiterchip angeordnet ist. Darüber hinaus ist es möglich, dass es sich bei dem Anschlussträger um einen Trägerrahmen (auch: Leadframe) handelt, auf dem die strahlungsemittierenden Halbleiterchips angeordnet sein können. Insbesondere in diesem Fall ist es auch möglich, dass der Anschlussträger zumindest eine Kavität zur Aufnahme der strahlungsemittierenden Halbleiterchips aufweist.
Bei den strahlungsemittierenden Halbleiterchips handelt es sich vorzugsweise um Lumineszenzdiodenchips, das heißt, um Leuchtdiodenchips oder Laserdiodenchips. Die strahlungsemittierenden Halbleiterchips sind vorzugsweise zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im UV- oder sichtbaren Spektralbereich geeignet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements umfasst das Bauelement ein Konversionselement. Das Konversionselement ist eine Komponente des optoelektronischen Bauelements, welche einen Lumineszenzkonversionsstoff enthält oder aus einem Lumineszenzkonversionsstoff gebildet ist.
Trifft zum Beispiel von zumindest einem der strahlungsemittierenden Halbleiterchips im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung auf das Konversionselement, so kann die elektromagnetische Strahlung vom Lumineszenzkonversionsstoff des Konversionselements vollständig oder teilweise absorbiert werden. Der Lumineszenzkonversionsstoff re-emittiert dann elektromagnetische Strahlung, welche andere, vorzugsweise höhere Wellenlängen umfasst, als die von dem zumindest einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip im Betrieb emittierte elektromagnetische Strahlung. Beispielsweise wird beim Durchtritt durch das Konversionselement ein Teil der von zumindest einem der strahlungsemittierenden Halbleiterchips im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung aus dem blauen Spektralbereich in elektromagnetische Strahlung aus dem gelben Spektralbereich konvertiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements überspannt das Konversionselement die strahlungsemittierenden Halbleiterchips derart, dass alle strahlungsemittierenden Halbleiterchips vom Konversionselement und dem Anschlussträger umgeben sind. Das heißt, das Konversionselement ist beispielsweise nach Art einer Kuppel über die zumindest zwei strahlungsemittierenden Halbleiterchips gespannt. Mit anderen Worten sind die strahlungsemittierenden Halbleiterchips dann zwischen dem Anschlussträger und dem Konversionselement angeordnet. Das Konversionselement bildet zum Beispiel eine Kavität über den Halbleiterchips aus. Mit ihren Montageflächen sind die strahlungsemittierenden Halbleiterchips beispielsweise auf dem Anschlussträger befestigt. An den Seitenflächen der strahlungsemittierenden Halbleiterchips und an den den Montageflächen abgewandten Strahlungsaustrittsflächen der Halbleiterchips sind die Halbleiterchips vom Konversionselement umgeben. Vorzugsweise grenzt das Konversionselement dabei nicht direkt an die Halbleiterchips, sondern die Halbleiterchips und das Konversionselement berühren sich nicht. Das heißt, zumindest die Strahlungsaustrittsflächen der Halbleiterchips sind vorzugsweise entfernt vom Konversionselement und befinden sich nicht in direktem Kontakt mit diesem.
Das Konversionselement kann zum Beispiel ein Matrixmaterial umfassen, in das ein Lumineszenzkonversionsstoff eingebracht ist.
Das Konversionselement ist vorzugsweise mechanisch selbsttragend ausgebildet. Das Konversionselement kann beispielsweise als selbsttragende Kuppel oder Schale ausgebildet sein, welche die strahlungsemittierenden Halbleiterchips überspannt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist das Konversionselement am Anschlussträger befestigt. Das heißt, das Konversionselement weist zum Anschlussträger eine mechanisch feste Verbindung auf. Beispielsweise kann das Konversionselement mittels einer dünnen Klebstoffschicht mit dem Anschlussträger verbunden sein. Darüber hinaus ist es möglich, dass das Konversionselement beispielsweise an den Anschlussträger gebondet oder mittels einer Presspassung mit dem Anschlussträger verbunden ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements unterscheiden sich zumindest zwei der strahlungsemittierenden Halbleiterchips des Bauelements hinsichtlich der Wellenlängen der von ihnen im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung. Mit anderen Worten emittieren zumindest zwei der strahlungsemittierenden Halbleiterchips beispielsweise Licht unterschiedlicher Farbe. Dabei ist es möglich, dass zumindest einer der strahlungsemittierenden Halbleiterchips elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich emittiert, der vom Konversionselement nicht oder kaum konvertiert wird. Diese elektromagnetische Strahlung wird vom Konversionselement dann hauptsächlich gestreut und transmittiert, wodurch sich eine besonders gute Mischung mit der von anderen strahlungsemittierenden Halbleiterchips des optoelektronischen Bauelements und der vom Konversionselement re-emittierten elektromagnetischen Strahlung ergeben kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements umfasst das Bauelement einen Anschlussträger, auf dem zumindest zwei strahlungsemittierende Halbleiterchips angeordnet sind.
Darüber hinaus umfasst das Bauelement ein Konversionselement, das am Anschlussträger befestigt ist, wobei das Konversionselement die Halbleiterchips derart überspannt, dass die Halbleiterchips vom Konversionselement und dem Anschlussträger umgeben sind. Zumindest zwei der strahlungsemittierenden Halbleiterchips des Bauelements unterscheiden sich hinsichtlich der Wellenlänge der von ihnen im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung voneinander.
Unter dem Begriff ”Halbleiterchip” ist dabei auch ein Halbleiterchip zu verstehen, der einen Halbleiterkörper aufweist, auf dessen Strahlungsaustrittsfläche ein weiteres Konversionselement aufgebracht ist. Das heißt, der Halbleiterchip umfasst dann einen Halbleiterkörper, in dem im Betrieb elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, sowie ein weiteres Konversionselement, das sich in direktem Kontakt mit dem Halbleiterkörper befinden kann und diesem an einer Strahlungsaustrittsfläche nachgeordnet ist. Der Halbleiterchip emittiert dann Mischstrahlung aus primär erzeugter Strahlung und konvertierter Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements besteht das Konversionselement aus einem der folgenden Materialien: einem Keramik-Material, einem Glas-Keramik-Material. Das heißt, das Konversionselement ist nicht durch einen Lumineszenzkonversionsstoff gebildet, der in ein Matrixmaterial wie beispielsweise Silikon oder Epoxidharz gelöst ist, sondern das Konversionselement ist mit einem Keramik-Material oder einem Glas-Keramik-Material gebildet. Dabei ist es möglich, dass es sich bei dem Lumineszenzkonversionsstoff des Konversionselements selbst um ein Keramik-Material handelt und das Konversionselement vollständig aus dem keramischen Lumineszenzkonversionsstoff besteht. Darüber hinaus ist es möglich, dass zumindest ein keramischer Lumineszenzkonversionsstoff in ein Keramik-Material oder in ein Glas-Keramik-Material als Matrixmaterial eingebracht ist und das Konversionselement auf diese Weise gebildet ist.
Geeignete Keramiken zur Bildung eines solchen Konversionselements sind unter anderem in der Druckschrift WO 2007/148253 näher erläutert, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen wird. Geeignete Glas-Keramik-Materialien zur Bildung eines Konversionselements sind beispielsweise in der Druckschrift US 2007/0281851 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen wird.
Das hier beschriebene optoelektronische Bauelement macht dabei unter anderem von den folgenden Erkenntnissen Gebrauch und beruht auf den folgenden Vorteilen: Ein Glas-Keramik-Material oder eine lumineszente Keramik zur Bildung des Konversionselements zeichnen sich durch eine Wärmeleitfähigkeit aus, die deutlich höher ist, als beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit von Silikon. Bevorzugt weist das Konversionselement eine Wärmeleitfähigkeit von ≥ 1,0 W/mK auf.
Aufgrund der Befestigung des Konversionselements an den Anschlussträger ist das Konversionselement darüber hinaus thermisch leitend an den Anschlussträger und damit beispielsweise an einen Kühlkörper, auf welchem der Anschlussträger aufgebracht sein kann, angeschlossen. Bei der Konversion von durchtretender Strahlung im Konversionselement erzeugte Wärme kann auf diese Weise besonders gut abgeführt werden.
Beispielsweise besteht das Konversionselement aus einer YAG:Ce-Keramik. Ein solches Konversionselement zeichnet sich dann durch eine thermische Leitfähigkeit von zirka 14 W/mK aus.
Darüber hinaus bildet ein Konversionselement aus einem Glas-Keramik-Material oder einem Keramik-Material einen mechanisch stabilen Schutz der Halbleiterchips, die vom Konversionselement überspannt werden, vor äußeren Einflüssen. Auf eine zusätzliche Häusung der Halbleiterchips kann daher verzichtet werden.
Ferner erweist sich die Verwendung von strahlungsemittierenden Halbleiterchips mit unterschiedlichen Emissionswellenbereichen als vorteilhaft zur Erzeugung von weißem Mischlicht des optoelektronischen Bauteils, das einen besonders hohen Farbwiedergabeindex aufweist. Zwar wird elektromagnetische Strahlung in Wellenlängenbereichen, die vom Konversionselement nicht oder kaum konvertiert werden, zumindest teilweise vom Konversionselement absorbiert, jedoch wird dieser Nachteil in der Effizienz beispielsweise durch eine besonders gute Lichtmischung durch Streuung der elektromagnetischen Strahlung am Konversionselement ausgeglichen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst das optoelektronische Bauelement zumindest einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung aus einem Wellenlängenbereich emittiert, der vom Konversionselement nicht oder kaum konvertiert wird. Beispielsweise emittiert der Halbleiterchip rotes oder grünes Licht. Darüber hinaus ist es möglich, dass das Bauelement mehrere solche Halbleiterchips, zum Beispiel einen rotes Licht emittierenden Halbleiterchip und einen grünes Licht emittierenden Halbleiterchip umfasst. Das optoelektronische Bauelement umfasst dann zusätzlich zumindest einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip, dessen im Betrieb emittierte elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise vom Konversionselement konvertiert wird. Beispielsweise handelt es sich bei diesem Halbleiterchip um einen blaues Licht emittierenden Halbleiterchip, wobei das blaue Licht vom Konversionselement teilweise zu gelbem Licht konvertiert wird und sich mit diesem gelben Licht zu weißem Licht mischt.
Das Licht eines rot emittierenden, strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird vom Konversionselement teilweise absorbiert. Beispielsweise ergibt sich eine Absorption von wenigstens 10%. Es hat sich nun gezeigt, dass dieser vermeintliche Nachteil der Absorption durch eine besonders gute Mischung des roten Lichts mit von Halbleiterchips anderer Farbe emittierter elektromagnetischer Strahlung und der vom Konversionselement emittierten elektromagnetischen Strahlung mehr als kompensiert wird. Das heißt, das rote Licht wird durch Streuung am kuppelartigen Konversionselement nahezu ideal dem in der Kuppel erzeugten weißen Licht zugemischt. Gleiches gilt auch für das Licht andersfarbiger Halbleiterchips, das vom Konversionselement nicht wellenlängenkonvertiert wird. Mit dem beschriebenen Bauteil sind daher Lichtmischeffizienzen von wenigstens 90% zu erreichen. Solche hohe Effizienzen sind mit alternativen Lösungen zur Lichtmischung wie Lichtboxen und Mikrolinsenarrays nicht realisierbar. Darüber hinaus sind solche alternativen Möglichkeiten zur Lichtmischung im Vergleich mit dem beschriebenen optoelektronischen Bauelement vergleichsweise teuer und nehmen einen größeren Raum ein, sind also größer. Bei vorliegendem optoelektronischen Bauelement kann darüber hinaus eine Sekundäroptik, die dem Konversionselement in Abstrahlrichtung nachgeordnet ist, besonders klein und damit kostengünstig ausgeführt werden. Als Sekundäroptik kommt beispielsweise ein einfacher, zum Beispiel parabolisch ausgestalteter, Reflektor zum Einsatz. Kompliziertere optische Elemente wie Lichtboxen oder Mikrolinsenarrays können entfallen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements emittiert zumindest einer der strahlungsemittierenden Halbleiterchips im Betrieb weißes Licht. Beispielsweise handelt es sich bei diesem Halbleiterchip um einen Halbleiterchip, der einen Halbleiterkörper umfasst, dem an einer Strahlungsaustrittsfläche ein weiteres Konversionselement nachgeordnet ist, welches zumindest einen Teil der im Halbleiterkörper im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung in elektromagnetische Strahlung aus dem Spektralbereich von gelbem Licht umwandelt. Bei dem weiteren Konversionselement handelt es sich zum Beispiel um ein Chiplevel-Konversionselement, bei dem der Konversionsstoff – zum Beispiel eingebracht in ein Matrixmaterial aus Silikon – direkt auf die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht ist. Der Konversionsstoff des weiteren Konversionselements kann dabei mit einem Konversionsstoff des kuppelartigen Konversionselements identisch oder von diesem verschieden sein. Das heißt, es wird hier – entgegen die Intuition – vorgeschlagen, die in einem Halbleiterkörper erzeugte, beispielsweise blaue, elektromagnetische Strahlung mittels des weiteren Konversionselements und dem kuppelartigen Konversionselement sozusagen zwei Mal zu konvertierten. Das heißt, dass von dem weißes Licht emittierenden Halbleiterchip emittiertes Licht wird zwei Mal konvertiert, sodass weitgehend eine Konversion von blauem Licht in gelbes Licht stattfindet.
Dieses gelbe Licht kann dazu dienen, auf besonders einfache Weise eine warmweiße Lichtquelle zu bilden.
Es ist dabei auch möglich, dass das kuppelartige Konversionselement und das weitere Konversionselement unterschiedliche Lumineszenzkonversionsstoffe umfassen. So kann das kuppelartige Konversionselement beispielsweise Konversionsstoffe umfassen, die besonders temperaturempfindlich sind, da dieses Konversionselement thermisch besonders gut an den Anschlussträger angeschlossen ist. Für das weitere Konversionselement können andere Lumineszenzkonversionsstoffe zum Einsatz kommen, die besonders gut für die chipnahe Konversion geeignet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements ist auf dem Anschlussträger ein optischer Sensor befestigt, der vom Konversionselement derart überspannt ist, dass der optische Sensor vom Konversionselement und dem Anschlussträger umgeben ist. Das heißt, der optische Sensor ist ebenso wie die strahlungsemittierenden Halbleiterchips unterhalb der Kuppel angeordnet, die durch das Konversionselement gebildet ist. Bei dem optischen Sensor handelt es sich beispielsweise um eine Fotodiode. Der optische Sensor detektiert beispielsweise Streulicht, welches vom Konversionselement in das Innere des vom Konversionselement überspannten Bereichs zurückgestreut wird. Mit dem Sensor können die unterschiedlichen Spektralteile des von den strahlungsemittierenden Halbleiterchips und dem Konversionselement erzeugten Lichts detektiert werden. Beispielsweise können dann mittels einer Ansteuervorrichtung, die ebenfalls auf dem Anschlussträger befestigt sein kann, die strahlungsemittierenden Halbleiterchips derart geregelt werden, dass sich eine gewünschte Farbtemperatur und/oder ein gewünschter Farbort des von dem optoelektronischen Bauelement emittierten Lichts einstellt. Beispielsweise können durch die Ansteuervorrichtung die CX- und CY-Koordinaten des emittierten Lichts des Bauteils auf einen gewünschten Weißpunkt eingestellt werden. Dadurch reduziert sich der Aufwand beim Vorsortieren (so genanntes Binning) der strahlungsemittierenden Halbleiterchips.
Der optische Sensor kann dabei wellenlängenselektiv sein. Der optische Sensor umfasst dann mehrere Facetten mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten. Alternativ ist es möglich, dass die strahlungsemittierenden Halbleiterchips gepulst betrieben werden und es sich bei dem optischen Sensor um einen Sensor mit nur einer einzigen Facette handelt. Dabei wird für ein kurzes Zeitintervall jeder strahlungsemittierende Halbleiterchip einzeln oder nur die strahlungsemittierenden Halbleiterchips gleicher Farbe betrieben, sodass vom Sensor lediglich elektromagnetische Strahlung dieses Halbleiterchips oder Halbleiterchips dieser Farbe detektiert werden kann.
Bei der Ansteuervorrichtung zur Ansteuerung der strahlungsemittierenden Halbleiterchips kann es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller handeln, der auf oder außerhalb des Anschlussträgers angeordnet sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements ist zwischen den Halbleiterchips und dem Konversionselement zumindest ein Zwischenbereich angeordnet, der mit einem Gas befüllt ist. Das heißt, der Raum zwischen den Halbleiterchips und dem Konversionselement kann zumindest stellenweise mit einem Gas gefüllt sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Gas um Luft handeln. Die Halbleiterchips befinden sich also nicht in direktem Kontakt mit dem Konversionselement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements sind die strahlungsemittierenden Halbleiterchips und – falls vorhanden – der optische Sensor in einem gemeinsamen Formkörper eingebettet. Das heißt, die Halbleiterchips sind zumindest stellenweise an ihren freiliegenden Außenflächen formschlüssig von einem Formkörper umhüllt, der sich zumindest stellenweise in direktem Kontakt mit den Halbleiterchips befindet. Der Formkörper kann dabei beispielsweise als Verguss ausgeführt sein. Der Formkörper ist für die von den strahlungsemittierenden Halbleiterchips im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung möglichst vollständig durchlässig. Das heißt, der Formkörper besteht aus einem Material, das kaum oder gar keine elektromagnetische Strahlung der strahlungsemittierenden Halbleiterchips absorbiert.
Beispielsweise ist der Formkörper aus einem Silikon, einem Epoxid, oder aus einem Silikon-Epoxid-Hybridmaterial gebildet. Der Formkörper umschließt die Halbleiterchips an ihren freien Außenflächen formschlüssig und kann beispielsweise eine sphärisch gekrümmte Außenfläche aufweisen.
Der Formkörper ist vorzugsweise von einem Licht streuenden oder strahlungsabsorbierenden Material, wie beispielsweise einem Lumineszenzkonversionsmaterial, frei. Das heißt, der Formkörper weist bis auf höchstens geringe Verunreinigungen keinen Lumineszenzkonversionsstoff oder Diffusorpartikel auf. Der Formkörper ist also vorzugsweise transparent oder klarsichtig ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements erstreckt sich der Zwischenbereich, der mit einem Gas gefüllt ist, zwischen dem Formkörper und dem Konversionselement, wobei der Zwischenbereich unmittelbar an den Formkörper grenzt. Das heißt, der Formkörper weist eine den Halbleiterchips abgewandte Außenfläche auf, an der er an den Zwischenbereich grenzt. Der Zwischenbereich kann sich dabei bis zum Anschlussträger erstrecken. Der Zwischenbereich kann in diesem Fall kuppelartig ausgebildet sein. An seiner dem Formkörper zugewandten Innenfläche folgt er der Form der Außenfläche des Formkörpers. An seiner dem Konversionselement zugewandten Außenfläche kann er dem Verlauf der Innenfläche des Konversionselements folgen.
Der Zwischenbereich macht dabei unter anderem von der folgenden Erkenntnis Gebrauch: Im Betrieb des optoelektronischen Bauelements kommt es durch die Erwärmung der strahlungsemittierenden Halbleiterchips auch zu einer Erwärmung des Formkörpers, in welchem die Halbleiterchips eingebettet sind. Diese Erwärmung kann, insbesondere wenn der Formkörper ein Silikon enthält, zur thermischen Ausdehnung des Formkörpers führen. Der Zwischenbereich ist nun derart dimensioniert, dass der Formkörper trotz dieser thermischen Ausdehnung nicht in Berührung mit dem Konversionselement gelangt. Das heißt, das Konversionselement und der Formkörper sind vorzugsweise auch in Betrieb des optoelektronischen Bauelements stets durch den Zwischenbereich voneinander getrennt, sodass sich Formkörper und Konversionselement nicht in direktem Kontakt miteinander befinden. Dadurch ist unter anderem verhindert, dass sich aufgrund des sich ausdehnenden Formkörpers bei Temperaturerhöhung ein Anheben des Konversionselements aufgrund des Drucks des Formkörpers auf das Konversionselement ergeben kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst das optoelektronische Bauelement eine Auskoppellinse, welche an die dem Halbleiterchip abgewandte Außenfläche des Konversionselements grenzt. Die Auskoppelfläche kann sich in direktem und unmittelbarem Kontakt mit der Außenfläche des Konversionselements befinden. Die Auskoppellinse kann dabei ein separat gefertigtes Element des optoelektronischen Bauelements darstellen, das beispielsweise gefräst, gedreht oder spritzgegossen ist und in einem Montageschritt über dem Konversionselement befestigt wird.
Darüber hinaus ist es aber auch möglich, dass die Auskoppellinse auf den weiteren Komponenten des optoelektronischen Bauelements gefertigt wird und beispielsweise direkt als Verguss auf das Konversionselement aufgebracht wird.
Die Auskoppellinse ist zumindest im Wesentlichen durchlässig für vom optoelektronischen Bauelement und/oder vom Konversionselement abgestrahlte elektromagnetische Strahlung. Insbesondere ist die Auskoppellinse bevorzugt frei von einem Lumineszenzkonversionsstoff. Das heißt, die Auskoppellinse weist bis auf höchstens geringe Verunreinigungen keinen Lumineszenzkonversionsstoff auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist die Auskoppellinse eine Innenfläche auf, die dem Halbleiterchip zugewandt ist und die von einer inneren Halbkugelfläche mit dem Radius R_Konversion umschlossen ist. Ferner weist die Auskoppellinse eine Außenfläche auf, die den Halbleiterchips abgewandt ist und die eine äußere Halbkugelfläche mit dem Radius R_außen umschließt ist. Dabei folgen die beiden Radien folgender Bedingung: R_außen ≥ R_Konversion × n_Linse/n_Luft·n_Linse und n_Luft sind dabei die Brechungsindices der Auskoppellinse beziehungsweise der Umgebung der Auskoppellinse, typischerweise der von Luft.
Bei den inneren und bei den äußeren Halbkugelflächen kann es sich um rein virtuelle Flächen handeln, die nicht notwendigerweise im Bauelement als gegenständliche Merkmale ausgebildet sind oder auftreten. Insbesondere erfüllt die Auskoppellinse die oben genannte Bedingung, auch unter „Weierstrass”-Bedingung bekannt, wenn die Halbkugelschale, welche durch innere und äußere Halbkugelfläche mit den genannten Radien gebildet ist, in ihrer Gesamtheit innerhalb der Auskoppellinse liegt.
Insbesondere ist es auch möglich, dass die Auskoppellinse als Kugelschale ausgebildet ist, deren innerer Radius durch R_Konversion gegeben ist und deren äußerer Radius durch R_außen gegeben ist. Herstellungsbedingt kann dabei die Form der Auskoppellinse in geringer Weise von der mathematisch exakten Kugelform für Innen- und Außenfläche abweichen.
Mit anderen Worten: Erfüllt die Auskoppellinse die genannte Bedingung, so ist die Auskoppellinse derart geformt und von den Halbleiterchips beabstandet, dass die Außenfläche der Auskoppellinse von jedem Punkt der Halbleiterchips aus gesehen unter einem so kleinen Winkel erscheint, dass keine Totalreflexion an der Außenseite der Auskoppellinse auftritt. Eine Auskoppellinse, die dieser Bedingung gehorcht, weist daher nur sehr geringe Strahlungsverluste aufgrund von Totalreflexion an ihrer Außenfläche auf. Die Auskoppeleffizienz des optoelektronischen Bauelements ist damit vorteilhaft erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist der Formkörper, in welchem die optoelektronische Halbleiterchips eingebettet sind, von einer Halbkugelfläche mit dem Radius R_innen umschlossen. Die Halbleiterchips weisen dabei eine Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche mit dem Flächeninhalt A auf. Die Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche setzt sich dabei aus der Summe der Strahlungsaustrittsflächen der Halbleiterchips zusammen.
Der Flächeninhalt A und der Radius R_innen erfüllen dabei die Bedingung A ≤ ½ × Π × R_innen ². Vorzugsweise ist der Flächeninhalt A dabei ≥ 1/20 × Π × R_innen ². Dabei wird davon ausgegangen, dass ein einziger Formkörper alle strahlungsemittierenden Halbleiterchips des optoelektronischen Bauelements umhüllt. Ein derart kleiner Flächeninhalt der Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche der strahlungsemittierenden Halbleiterchips sorgt dafür, dass beispielsweise vom Konversionselement zu den Halbleiterchips zurückreflektierte oder abgestrahlte elektromagnetische Strahlung mit geringer Wahrscheinlichkeit auf die Halbleiterchips trifft, wo sie beispielsweise durch Absorption verloren gehen könnte.
Beispielsweise ist dabei auf der dem Formkörper zugewandten Seite des Anschlussträgers eine reflektierende Schicht angeordnet, welche zumindest stellenweise direkt an den Formkörper grenzt und sowohl für von den Halbleiterchips als auch vom Konversionselement erzeugte elektromagnetische Strahlung eine Reflektivität von wenigstens 80%, bevorzugt von wenigsten 90% aufweist. Besonders bevorzugt weist die reflektierende Schicht eine Reflektivität von wenigstens 98% auf. Die reflektierende Schicht befindet sich dabei vorzugsweise innerhalb der Halbkugel mit dem Radius R_innen. Auf diese Weise trifft Strahlung mit großer Wahrscheinlichkeit auf die reflektierende Schicht und nicht auf die Strahlungsaustrittsflächen der strahlungsemittierenden Halbleiterchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist zwischen dem Konversionselement und dem Anschlussträger ein Klebstoff angeordnet, der unmittelbar an das Konversionselement und den Anschlussträger grenzt. Der Klebstoff ist dabei vorzugsweise in einer dünnen Schicht aufgebracht, welche eine Dicke von maximal 10 μm, vorzugsweise maximal 6 μm aufweist. Eine solch dünne Klebstoffschicht stellt sicher, dass vom Konversionselement erzeugte Wärme besonders effizient an den Anschlussträger abgegeben werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements enthält das Konversionselement einen Lumineszenzkonversionsstoff oder besteht aus einem Lumineszenzkonversionsstoff, der auf einem der folgenden Materialien basiert: Orthosilikat, Thiogallate, Sulfid, Nitrid, Fluorid, Granat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements ist das Konversionselement mit einem Lumineszenzkonversionsstoff gebildet, der durch zumindest einem der folgenden Dotierstoffe aktiviert ist: Eu3+, Mn2+, Mn4+.
Dem hier beschriebenen optoelektronischen Bauelement liegt dabei unter anderem die folgende Erkenntnis zugrunde: Durch die beim hier beschriebenen optoelektronischen Bauelement relativ große Entfernung zwischen Halbleiterchips und Konversionselement verteilt sich die von den Halbleiterchips im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung auf eine relativ große Fläche und auf ein relativ großes Volumen. Dadurch ist der Einsatz von langsam abklingenden Leuchtstoffen möglich. Unter langsam abklingenden Leuchtstoffe sind dabei Leuchtstoffe verstanden, die eine Abklingzeit von > 1 μs aufweisen. Darunter zählen beispielsweise mit Eu3+, Mn2+, Mn4+ aktivierten Lumineszenzkonversionsmaterialien. Durch die relativ große Entfernung von den Halbleiterchips, Konversionselement wird auch bei diesen langsam abklingenden Leuchtstoffen ein Sättigungseffekt unwahrscheinlich. Für schnellere Leuchtstoffe, wie beispielsweise YAG:Ce, die eine kürzere Abklingzeit aufweisen, werden Sättigungseffekte beim vorliegenden optoelektronischen Bauelement sogar vollständig vermieden.
Darüber hinaus ist es, aufgrund der Verteilung der elektromagnetischen Strahlung auf eine größere Fläche und auf ein größeres Volumen, möglich, Lumineszenzkonversionsmaterialien einzusetzen, die eine erhöhte Empfindlichkeit für Strahlungsschäden, beispielsweise durch UV-Strahlung, aufweisen. Hier sind zum Beispiel Nitride, wie z. B. Sr2Si5N8:Eu sowie Sulfide, Oxinitride und Fluide zu nennen. Diese Lumineszenzkonversionsmaterialien können beim optoelektronischen Bauelement, wie es hier beschrieben ist, eingesetzt werden.
Aufgrund der Tatsache, dass das Konversionselement gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements aus einer Keramik oder einer Glaskeramik besteht, ist aufgrund der Sinterung der Lumineszenzkonversionsstoffe die effektive Oberfläche des Leuchtstoffs extrem verringert. Dadurch werden aber langsame chemische Reaktionen mit Feuchtigkeit, CO2, Sauerstoff oder anderen atmosphärischen Gasen weitgehend unterbunden, da eine verringerte Reaktionsoberfläche zur Verfügung steht. Dies betrifft insbesondere Lumineszenzkonversionsstoffe, wie Sulfide, Orthosilikate oder Nitride. Aufgrund der Verwendung eines Konversionselements, das aus Keramik oder einer Glaskeramik besteht, ist damit auch die Lebensdauer des Konversionselements und damit des gesamten optoelektronischen Bauelements erhöht.
Aufgrund der Tatsache, dass langsam abklingende Lumineszenzkonversionsmaterialien, wie schmalbandige f-f-Linienemitter (zum Beispiel. Eu3+, Mn4+) in Verbindung mit Halbleiterchips eingesetzt werden können, die UV-Strahlung emittieren, können hohe Farbwiedergabewerte und Effizienzwerte des optoelektronischen Bauelements erreicht werden. Der Nachteil von früh einsetzenden Sättigungseffekten tritt dabei nicht ein.
Darüber hinaus können beim hier beschriebenen Bauelement Lumineszenzkonversionsstoffe mit niedrigen Aktivatorkonzentrationen verwendet werden, mit Konzentration die bis zu 1/100 des bei herkömmlichen Lumineszenzkonversionsstoffen Üblichen betragen.
Das heißt, das hier beschriebene Bauelement ermöglicht auch den Einsatz von Lumineszenzkonversionsstoffen, die sonst aufgrund ihres schlechten thermischen Verhaltens, ihrer Empfindlichkeit gegen atmosphärische Gase oder ihre langsamen Abklingzeit nicht eingesetzt werden können. Darunter fallen zum Beispiel blau-grün bis rot-orange emittierende Orthosilikate, Thiogallate, Sulfide, Nitrid, Fluorid und/oder schmalbandige f-f-Linienemitter.
Im Folgenden wird das hier beschriebene optoelektronische Bauelement anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die 1, 2 und 3 zeigen anhand schematischer Darstellungen unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements.
Die 4 und 5 zeigen anhand schematischer Auftragungen weitere Eigenschaften von hier beschriebenen optoelektronischen Bauelementen.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Die 1A zeigt eine schematische Perspektivdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Bauelements 1. Das Bauelement 1 umfasst einen Anschlussträger 2. Bei dem Anschlussträger 2 handelt es sich vorliegend um eine Metallkernplatine mit einem Grundkörper 21, auf den eine reflektierende Schicht 22 aufgebracht ist, die für von den strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung reflektierend ist. Beispielsweise besteht die reflektierende Schicht 22 aus Aluminium oder Silber.
Auf den Anschlussträger 2 sind vorliegend fünf strahlungsemittierende Halbleiterchips 3 angeordnet. Das optoelektronische Bauelement umfasst dabei vier blaues Licht emittierende, strahlungsemittierende Halbleiterchips 3b sowie einen rotes Licht emittierenden Halbleiterchip 3r.
Die blaues Licht emittierenden, strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3b basieren beispielsweise auf dem InGaN-Halbleitermaterialsystem. Der rotes Licht emittierende Halbleiterchip 3r basiert auf dem InGaAlP-Halbleitermaterialsystem.
Die strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 sind formschlüssig von einem Formkörper 7 umhüllt, der im vorliegenden Fall aus einem klarsichtigen Silikon besteht.
Im Betrieb der strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird von den Halbleiterchips blaues und rotes Licht emittiert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der 1A das optoelektronische Bauelement 1 ohne das Konverterelement 4 dargestellt.
In Verbindung mit der schematischen Perspektivdarstellung der 1B ist das optoelektronische Bauelement des Ausführungsbeispiels der 1A mit dem Konverterelement 4 dargestellt. Das Konverterelement 4 ist – beispielsweise mittels eines Klebstoffs – auf dem Anschlussträger 2 befestigt. Das Konverterelement 4 überspannt den Formkörper 7 sowie die strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 nach Art einer Kuppel. Das Konverterelement 4 besteht aus einem Keramik-Material oder einem Glas-Keramik-Material. Beispielsweise besteht das Konverterelement 4 aus einem keramischen Lumineszenzkonversionsstoff.
Das Konverterelement 4 absorbiert die von den blauen Halbleiterchips 3b erzeugte elektromagnetische Strahlung zum Teil und wandelt sie in elektromagnetische Strahlung aus dem Spektralbereich von gelbem Licht um. Auf diese Weise wird vom Konversionselement 4 weißes Mischlicht emittiert, das sich aus dem blauen nicht-konvertierten und dem gelben konvertierten Licht zusammensetzt.
Darüber hinaus wird mittels des Konversionselements 4 das rote Licht des strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3r besonders gleichmäßig dem erzeugten weißen Licht beigemischt. Das Konversionselement 4 dient also – neben seinen Eigenschaften als Konverter – auch als Licht streuendes optisches Element, mit dem eine besonders gute Farbmischung erreicht wird.
Insgesamt emittiert das optoelektronische Halbleiterbauelement also weißes Licht mit einem Rotanteil, wobei der Rotanteil nur einen Bruchteil der Gesamtstrahlung beträgt. Obwohl der Konverter zirka lediglich 85% des roten Lichts transmittiert, sinkt die Effizienz des optoelektronischen Bauteils auf nur zirka 96%, da der rote Anteil einen relativ geringen Anteil am erzeugten weißen Mischlicht darstellt.
In Verbindung mit den 2A bis 2C ist anhand schematischer Darstellungen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauteils 1 näher erläutert. Im Unterschied zum in Verbindung mit den 1A und 1B erläuterten Ausführungsbeispiel umfasst das optoelektronische Bauteil in diesem Ausführungsbeispiel neben rot emittierenden Halbleiterchips 3r und blau emittierenden Halbleiterchips 3b zumindest einen weißes Licht emittierenden Halbleiterchip 3g. Der weißes Licht emittierende Halbleiterchip 3g umfasst einen Halbleiterkörper 30, von dem im Betrieb beispielsweise blaues Licht emittiert wird. Auf eine Strahlungsaustrittsfläche 3a des Halbleiterkörpers 30 ist – beispielsweise in einer dünnen Schicht ausgeführt – ein weiteres Konversionselement 9 aufgebracht. Das Konversionselement 9 wandelt einen Teil der im Halbleiterkörperchip 30 erzeugten Strahlung in gelbes Licht um, sodass der weißes Licht emittierende Halbleiterchip 3g insgesamt weißes Mischlicht emittiert. Bei dem weißes Mischlicht emittierenden Halbleiterchip 3g handelt es sich also um einen Halbleiterchip, bei dem auf dem Halbleiterkörper 30 direkt ein Konversionselement 9 aufgebracht ist. Vom kuppelartigen Konversionselement 4 wird der blaue Anteil des weißen Lichts zumindest teilweise weiter zu gelbem Licht konvertiert, sodass das vom weißes Licht emittierenden Halbleiterchip 3g erzeugte Licht das optoelektronische Bauteil insgesamt als größtenteils gelbes oder gelbliches Licht verlässt.
Beispielsweise lassen sich mit der Kombination eines blau emittierenden Halbleiterchips 3b, eines rot emittierenden Halbleiterchips 3r und eines weiß emittierenden Halbleiterchips 3g alle Farborte entlang der Planck'schen Kurve für korrelierte Farbtemperaturen zwischen 2700 K und 6000 K einstellen.
Beispielsweise lassen sich die folgenden Lichtquellen realisieren:

– Ein optoelektronisches Bauelement mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche der blauen Halbleiterchips von 4 mm², mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche der roten Halbleiterchips von 2 mm² und optional mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche der weißen Halbleiterchips von 1 mm²; Dadurch ist eine Warmweiß-Lichtquelle mit einer Farbtemperatur von zirka 3000 K und einem Farbwidergabeindex CRI > 90 realisiert. Der optinale weiße Halbleiterchip wird bei mittleren Strömen betrieben und dient zusammen mit einer Ansteuerelektronik dazu die Farbkoordinaten Cx, Cy exakt auf den gewünschten Weißpunkt einzustellen. Das Binning-Problem wird dadurch eliminiert. Dabei ist zu beachten, dass die Effizienz der Halbleiterchips mit der Stromdichte abnimmt. Werden zum beispiel die blau emittierenden Halbleiterchips 3b konstant mit Stromstärken von 350 mA betrieben, wo wird der weiße Halbleiterchip bei einer mittleren Stromstärke von 175 mA betrieben, wobei die Stormstärke zu Einstellung des Weißpunkts zwischen 0 und 350 mA varierbar ist.
– Ein optoelektronisches Bauelement mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche der blauen Halbleiterchips von 5 mm², mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche der roten Halbleiterchips von 1 mm² und optional mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche der weißen Halbleiterchips von 1 mm²; Dadurch ist eine kaltweiße Lichtquelle mit einer Farbtemperatur von zirka 6000 K und einem Farbwidergabeindex CRI > 90 und einer Effizienz > 100 lm/W realisert. Überlicherweise haben solche kaltweißen Lichtquellen bei dieser Effizienz einen Farbwiedergabeindex von CRI < 70.
– Ein optoelektronisches Bauelement mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche der blauen Halbleiterchips von 2 mm², mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche der roten Halbleiterchips von 2 mm² und mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche der weißen Halbleiterchips von 3 mm²; Dadurch ist eine einstellbare Lichtquelle mit einer Farbtemperatur von zwischen 6000 K und 2700 K, die auf der Planckschen Kurve durchstimmbar ist, und einem Farbwidergabeindex CRI > 90 und einer Effizienz > 90 lm/W für alle Farbtemperaturen realisert.

Eine Lichtmischung der von den verschiedenfarbigen Halbleiterchips 3r, 3b, 3g erzeugten elektromagnetischen Strahlung sowie der vom Konversionselement 4 re-emittierten elektromagnetischen Strahlung erfolgt wiederum über das Konversionselement 4. Auf diese Weise kann auf große optische Elemente wie Lichtboxen oder Mikrolinsenarrays verzichtet werden. Als sekundäre Optik kann den optoelektronischen Halbleiterchips sowie dem Konversionselement 4 daher ein einfacher ausgeführter Reflektor 23 nachgeordnet sein, der beispielsweise parabolisch geformte Innenwände aufweist.
Das optoelektronische Bauteil kann darüber hinaus eine Anschlussleiste 12 aufweisen, die auf dem Anschlussträger 2 angeordnet sein kann, und über die die strahlungsemittierenden Halbleiterchips des Bauteils 1 elektrisch kontaktiert werden können und mit der beispielsweise auch ein Sensor 11 mit einer außerhalb des Bauteils angeordneten Ansteuervorrichtung verbunden sein kann.
Die 2B und 2C zeigen schematisch eine Draufsicht beziehungsweise eine Seitenansicht des in Verbindung mit der 2A perspektivisch dargestellten optoelektronischen Bauelements.
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauteils 1 näher erläutert. In dieser Ausführungsform des Bauteils können Halbleiterchips sowie ein optischer Sensor Verwendung finden, wie dies beispielsweise in Verbindung mit den 1 und 2 näher erläutert ist.
Das optoelektronische Bauelement umfasst einen Anschlussträger 2. Vorliegend handelt es sich bei dem Anschlussträger 2 um eine Leiterplatte. Der Anschlussträger 2 umfasst einen Grundkörper 21, der aus einem elektrisch isolierenden Material, wie einem Keramikmaterial oder einem Kunststoffmaterial gebildet sein kann. Darüber hinaus ist es möglich, dass es sich bei dem Grundkörper 21 um eine Metallkernplatine handelt.
Auf die Oberseite des Anschlussträgers ist eine reflektierende Schicht 22 aufgebracht. Die reflektierende Schicht 22 bildet eine Verspiegelung des Anschlussträgers 2. Beispielsweise ist die reflektierende Schicht 22 aus einem reflektierenden Metall wie Gold, Silber oder Aluminium gebildet. Darüber hinaus ist es möglich, dass es sich bei der reflektierenden Schicht 22 um einen Bragg-Spiegel handelt.
Auf den Anschlussträger 2 sind die Halbleiterchips 3 aufgebracht. Bei den strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 handelt es sich um Leuchtdiodenchips. Die strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 sind auf dem Anschlussträger 2 befestigt und elektrisch angeschlossen.
Die strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 sind von einem Formkörper 7 umhüllt. Der Formkörper 7 besteht vorliegend aus Silikon. Der Formkörper 7 ist beispielsweise nach Art einer Halbkugel ausgebildet. Die strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 sind an ihrer nicht dem Anschlussträger 2 zugewandten Außenflächen formschlüssig vom Formkörper 7 umhüllt. Der Formkörper 7 ist frei von einem Lumineszenzkonversionsstoff.
Der Formkörper 7 ist innerhalb einer Halbkugelfläche mit dem Radius R_innen angeordnet. Der Radius R_innen ist dabei derart gewählt, dass der Flächeninhalt der Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche 33a des strahlungsemittierenden Halbleiterchips zwischen 1/20 × Π × B × R_innen ² und ½ × Π × R_innen ² liegt. Auf diese Weise ist die Wahrscheinlichkeit, dass beispielsweise vom Konversionselement 4 zurückreflektierte oder emittierte elektromagnetische Strahlung nicht auf die relativ schlecht reflektierenden Strahlungsaustrittsflächen 3a der strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 trifft, sondern auf die reflektierende Beschichtung 22, von der sie wieder in Richtung der Umgebung des optoelektronischen Bauelements 1 abgestrahlt werden kann, reduziert.
Zwischen Formkörper 7 und Konversionselement 4 ist ein Zwischenraum 6 angeordnet. Der Zwischenraum 6 ist mit Luft gefüllt. Der Zwischenraum 6 grenzt beim Ausführungsbeispiel der 1 unmittelbar an den Formkörper 7 und an das Konversionselement 4. Der Zwischenraum 6 dient unter anderem als Puffer, für den Fall, dass sich der Formkörper 7 aufgrund von Erwärmung im Betrieb der strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 ausdehnt. Aufgrund des Zwischenraums 6 ist es beim optoelektronischen Bauelement 1 gewährleistet, dass der Formkörper 7 nicht gegen das Konversionselement 4 drückt, was beispielsweise zum Ablösen des Konversionselements 4 vom Anschlussträger 2 und damit zu einer verschlechterten Wärmeleitfähigkeit vom Konversionselement 4 zum Anschlussträger 2 führen könnte.
Das Konversionselement 4 überspannt die strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 kuppelartig. Das Konversionselement 4 ist nach Art einer Halbkugelschale ausgebildet. Das Konversionselement 4 umfasst eine Außenfläche 4a und eine Innenfläche 4b, welche dem Halbleiterchip 3 zugewandt ist. Es besteht aus einer Keramik, beispielsweise YAG:Ce oder einer gesinterten Glaskeramik, bei der ein keramischer Lumineszenzkonversionsstoff in ein Glas eingebracht ist. Das Konversionselement 4 ist dabei selbsttragend ausgebildet, das heißt es handelt sich beim Konversionselement 4 um eine mechanisch tragfähige Struktur, welche zum Erhalt der kuppelartigen Form keiner weiteren Unterstützungselemente bedarf. Das Konversionselement 4 ist auf dem Anschlussträger 2 befestigt. Vorliegend ist das Konversionselement 4 mittels einer Klebstoffschicht aus einem Klebstoff 5, welcher unmittelbar an den Anschlussträger und das Konversionselement grenzt, am Anschlussträger 2 befestigt.
Bei dem Klebstoff 5 handelt es sich vorzugsweise um einen Klebstoff, der mit Expoxidharz und/oder Silikon gebildet ist. Der Klebstoff 5 kann dabei aus einem der genannten Materialien bestehen oder eines der genannten Materialien enthalten.
Beispielsweise ist es auch möglich, dass eines der genannten Materialien ein Matrixmaterial des Klebstoffs 5 bildet, in welchem metallische Partikel, wie zum Beispiel Partikel aus Silber, Gold oder Nickel, enthalten sind. Ein derartiger Klebstoff 5 zeichnet sich dann durch eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit aus.
Vorzugsweise wird das Konversionselement 4 mittels einer dünnen Klebstoffschicht aus dem Klebstoff 5 am Anschlussträger 2 befestigt. Die Klebstoffschicht weist dabei eine – im Rahmen der Herstellungstoleranz – gleichmäßige Dicke auf. Die Dicke der Klebstoffschicht aus dem Klebstoff 5 beträgt vorzugsweise zwischen 1 μm und 10 μm, besonders bevorzugt zwischen 4 μm und 6 μm, beispielsweise 5 μm.
Eine solch dünne Klebstoffschicht aus dem Klebstoff 5 trägt zur verbesserten Wärmeableitung vom Konversionselement 4 zum Anschlussträger 2 bei.
Im Betrieb der strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird elektromagnetische Strahlung in Richtung des Konversionselements 4 abgestrahlt. Das Konversionselement 4 enthält oder besteht aus einem Lumineszenzkonversionsstoff, welcher zumindest einen Teil dieser Strahlung in elektromagnetischer Strahlung einer anderen Wellenlänge oder eines anderen Wellenlängenbereichs umwandelt. Dabei entsteht Wärme, welche vom Konversionselement 4 an der Anschlussträger 2 abgegeben wird. Das Konversionselement 4 zeichnet sich dabei unter anderem durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1,0 W/mK aus.
Dem Konversionselement 4 folgt von den strahlungsemittierenden Halbleiterchips in Außenrichtung gesehen eine Außenkoppellinse 8 nach. Die Auskoppellinse 8 kann aus Glas oder einem Kunststoffmaterial wie beispielsweise Silikon, Epoxid oder Epoxid-Silikon-Hybridmaterial gebildet sein. Die Auskoppellinse 8 ist transparent zumindest für Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und insbesondere frei von einem Lumineszenzkonversionsstoff.
Die Auskoppellinse 8 weist eine halbkugelförmige Innenfläche 8b auf, die einen Radius R_Konversion aufweist. Ferner weist die Auskoppellinse 8 eine Außenfläche 8a auf, welche durch eine Halbkugelfläche mit Radius R_außen gebildet ist. Sämtliche Radien sind dabei vom Punkt M aus gebildet, der durch den Schnittpunkt der Mittel-Achse 10 mit der Montagefläche des Anschlussträgers 2 gebildet ist. Die Mittel-Achse 10 ist dabei vorzugsweise die Mittelachse durch die Strahlungsaustrittsfläche 3a des zentral angeordneten strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3, welche – im Rahmen der Herstellungstoleranz – senkrecht auf epitaktisch gewachsenen Schichten des strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 steht. Die Radien für die Innenfläche 8b und die Außenfläche 8a der Auskoppellinse 8 folgen dabei folgender Bedingung: R_außen ≥ R_Konversion·n_Linse/n_Luft, wobei n_Linse der Brechungsindex der Auskoppellinse 8 und n_Luft der Brechungsindex der Umgebung der Auskoppellinse ist.
Ist diese Bedingung erfüllt, so ist sowohl für von den strahlungsemittierenden Halbleiterchips im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung, für vom Konversionselement re-emittierte Strahlung und für von der reflektierenden Schicht 22 reflektierte Strahlung die Bedingung für Totalreflexion an der Außenfläche 8a der Auskoppellinse 8 nicht erfüllt.
Dieses optische Konzept ist – für ein andersartiges optoelektronisches Bauelement – auch in der Druckschrift DE 10 2007 049 799.9 erläutert, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen wird.
In Verbindung mit der schematischen Auftragung der 4 ist gezeigt, dass mittels einem hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements 1 eine Lichtquelle angegeben werden kann, die weißes Licht einer korrelierten Farbtemperatur (CCT) in einem Bereich zwischen 2700 K und 6000 K mit hoher Effizienz und relativ hohem Farbwiedergabeindex (CRI) erzeugen kann. Die Effizienz beträgt dabei für alle Farbtemperaturen über 100 lm/W, der Farbwiedergabeindex ist größer als 90. Dabei kommen blaue strahlungsemittierende Halbleiterchips 3b und weißes Licht emittierende Halbleiterchips 3g unter dem Konversionselement 4 zum Einsatz.
In Verbindung mit der 5 ist eine warmweiße Lichtquelle bei einer Farbtemperatur von 3000 K beschrieben, die zusätzlich zu einem hohen Farbwiedergabeindex CRI größer 90 einen verbesserten Farbwiedergabeindex R9 für die Darstellung von rotem Licht aufweist. Dazu enthält das optoelektronische Bauelement zumindest einen tief rotes Licht emittierenden Halbleiterchip mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche von 1 mm². Ferner enthält das optoelektronische Bauelement zumindest einen blaues Licht emittierenden Halbleiterchip 3b mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche von 4 mm². Weiter enthält das optoelektronische Bauelement zumindest einen rotes Licht emittierenden Halbleiterchip 3r mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche von 2 mm².
Die 5A bis 5C zeigen anhand schematischer Darstellungen die Spektren von hier beschriebenen Lichtquellen für Werte von R9 = 63, 90 und 98. Die 5D zeigt anhand von Balkendiagrammen den Farbwiedergabeindex CRI, den Farbwiedergabeindex R9 sowie die Effizienz in lm/W für diese drei Lichtquellen. Dabei ist zu sehen, dass der Verlust an Effizienz für einen Wert von R9 = 90 nur etwa 10% beträgt. Für einen Wert von R9 = 98 beträgt der Verlust an Effizienz lediglich 16%.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/148253 [0017]
- US 2007/0281851 [0017]
- DE 102007049799 [0091]

Claims

Optoelektronisches Bauelement (1) mit – einem Anschlussträger (2), auf dem zumindest zwei strahlungsemittierende Halbleiterchips (3) angeordnet sind, – einem Konversionselement (4), das am Anschlussträger (2) befestigt ist, wobei – das Konversionselement (4) die Halbleiterchips (3) derart überspannt, dass die Halbleiterchips (3) vom Konversionselement (4) und dem Anschlussträger (2) umgeben sind, und – zumindest zwei der strahlungsemittierenden Halbleiterchips (3) sich hinsichtlich der Wellenlängen der von ihnen im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung voneinander unterscheiden.
Optoelektronisches Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Konversionselement (4) aus einem Keramik-Material oder einem Glas-Keramik-Material besteht.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zumindest einer der strahlungsemittierenden Halbleiterchips (3) im Betrieb elektromagnetische Strahlung aus dem Spektralbereich von rotem Licht oder von weißem Licht emittiert.
Optoelektronisches Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der weißes Licht emittierende Halbleiterchip (3) einen Halbleiterkörper (30) umfasst, dem an einer Strahlungsaustrittfläche ein weiteres Konversionselement (9) nachgeordnet ist, welches zumindest einen Teil der im Halbleiterkörper (30) im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung in elektromagnetische Strahlung aus dem Spektralbereich von gelbem Licht umwandelt.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem auf dem Anschlussträger (2) ein optischer Sensor (11) befestigt ist, der vom Konversionselement (4) derart überspannt ist, dass der optische Sensor (11) vom Konversionselement (4) und dem Anschlussträger (2) umgeben ist, wobei der optische Sensor (11) eingerichtet ist im Betrieb die von den strahlungsemittierenden Halbleiterchips (3) im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung zu detektieren.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zwischen den Halbleiterchips (3) und dem Konversionselement (4) zumindest ein Zwischenbereich (6) angeordnet ist, der mit einem Gas befüllt ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Halbleiterchips (3) und gegebenenfalls der optische Sensor (11) in einem Formkörper (7) eingebettet sind.
Optoelektronisches Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem sich der Zwischenbereich (6) zwischen dem Formkörper (7) und dem Konversionselement (4) erstreckt, wobei der Zwischenbereich (7) unmittelbar an den Formköper (7) grenzt.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine Auskoppellinse (8) an die den Halbleiterchips (3) abgewandte Außenfläche (4a) des Konversionselements grenzt.
Optoelektronisches Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Auskoppellinse (8) aufweist: – eine Innenfläche (8b), die den Halbleiterchips (3) zugewandt ist, und die von einer inneren Halbkugelfläche mit dem Radius R_Konversion umschlossen ist, und – eine Außenfläche (8a), die den Halbleiterchips (3) abgewandt ist und die eine äußere Halbkugelfläche mit dem Radius R_außen umschließt, wobei – die Radien R_Konversion und R_außen, folgende Bedingung erfüllen: R_außen ≥ R_Konversion·n_Linse/n_Luft, wobei n_Linse der Brechungsindex der Auskoppellinse (8) und n_Luft der Brechungsindex der Umgebung der Auskoppellinse (8) ist.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem – der Formkörper (7) von einer Halbkugelfläche mit dem Radius R_innen umschlossen ist, – die Halbleiterchips (3) eine Gesamt-Strahlungsaustrittsfläche (33a) mit dem Flächeninhalt A aufweisen, und – der Flächeninhalt A und der Radius R_innen die Bedingung A ≤ 1/2·Pi·R_innen ² erfüllen.
Optoelektronisches Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Flächeninhalt A und der Radius R_innen die Bedingung A ≥ 1/20·Pi·R_innen ² erfüllen.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zwischen dem Konversionselement (4) und dem Anschlussträger (2) ein Klebstoff (5) angeordnet ist, der unmittelbar an das Konversionselement (4) und den Anschlussträger (2) grenzt.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Konversionselement (4) einen Lumineszenzkonversionsstoff enthält oder aus einem Lumineszenzkonversionsstoff besteht, der auf einem der folgenden Materialien basiert: Orthosilikat, Thiogallate, Sulfid, Nitrid, Fluorid, Granat.
Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Konversionselement (4) einen Lumineszenzkonversionsstoff enthält oder aus einem Lumineszenzkonversionsstoff besteht, der mit einem der folgenden Dotierstoffe aktiviert ist: Eu3+, Mn2+, Mn4+.