CN101128942B - Led阵列 - Google Patents
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Abstract
在一种具有多个发射辐射的半导体芯片(2)和对所发射的辐射(4)透明的盖体(8)的LED阵列中，这些半导体芯片分别具有辐射耦合输出面(5)，其中由所述半导体芯片(2)所发射的辐射(4)基本上通过所述辐射耦合输出面(5)耦合输出，透明的盖体(8)在朝着所述半导体芯片(2)的辐射耦合输出面(5)的表面上具有一个或者多个印制导线(9，10)，所述印制导线由对所发射的辐射(4)透明的导电材料构成，并且所述半导体芯片(2)在辐射耦合输出面(5)上分别具有至少一个电接触部(7)，所述电接触部(7)与印制导线(9，10)或者与多个印制导线(9，10)中的至少一个相连。至少一种发光转换材料被包含在所述透明的盖体(8)中和/或在一层(11)中施加到所述盖体(8)上和/或施加到半导体芯片(2)上。
Description
本发明涉及一种LED阵列。
本专利申请要求德国专利申请10 2005 009 059.1和10 2005 019 375.7的优先权，它们的公开内容通过引用结合于此。
LED阵列特色在于高效率、长使用寿命、快速的响应时间及对碰撞和振动比较低的敏感性。出于该原因，LED阵列可以使用在迄今为止经常使用白炽灯的照明设备中，尤其是使用在机动车的前大灯、阅读灯或者手电筒中。由于其高的发光强度，LED阵列现在也适于使用在交通信号设备或者投影光源中。
在对这种照明目的而使用LED阵列的情况下，LED芯片通常以高工作电流工作，以便达到尽可能高的亮度。例如，会出现1A或者更大的工作电流。为了使半导体芯片的电接触能够持续地经受住如此高的电流强度，典型的具有30μm或者更大的直径的接合线被用于接触高功率LED模块中的半导体芯片。然而，使用这种比较厚的接合线导致由LED发射的辐射的一部分受接合线遮蔽。此外，由于接合线而难于将光学元件紧密地安装在半导体芯片的表面之上，因为不允许任意减小其曲率半径以及由此减小在芯片表面上由其所要求的空间。
在使用LED阵列的情况下，尤其是在投影光源的情况下，要求在尽可能窄的立体角范围内的光辐射。由于LED通常具有比较宽的辐射角度范围，所以对此需要光学元件。在此，值得期望的是，将光学元件尽可能紧密地移向半导体芯片，以便达到紧凑的结构并且能够利用半导体芯片发射的辐射的尽可能大的部分。然而，由于与接合线接触而使这变得困难。
从出版物WO 98/12757中公开了一种光电子半导体芯片，其以传统的方式与接合线接触，半导体芯片被嵌入填料中，该填料包含发光转换材料，以便将由半导体芯片发射的辐射中的至少一部分向更大波长转换。以这样的方式，例如利用发射蓝色或者紫外光的半导体芯片可以产生混合色或者白色的光。然而在用比较高的电流强度工作的LED阵列的情况下，将半导体芯片嵌入填料中是有问题的，因为填料使半导体芯片的散热变得困难。
此外，在出版物WO 97/50132中说明了将发光转换层施加到LED壳体的盖板上，其中在壳体中定位了以传统方式与接合线接触的LED芯片。
在出版物DE 19603444中说明了一种LED装置，其中LED借助金属的印制导线来接触，印制导线施加到透明的板上。在这类接触的情况下，由LED发射的辐射的一部分在金属印制导线中被吸收。
本发明的任务在于，说明一种具有改进的电接触的LED阵列，该LED阵列的特色在于由半导体芯片发射的辐射的遮蔽低以及有利的平坦的结构类型，平坦的结构类型能够实现光学元件紧密地定位在半导体芯片的表面上。此外，由半导体芯片发射的辐射的发光转换在距半导体芯片比较小的距离中进行。
在根据本发明的具有多个发射辐射的半导体芯片和对所发射的辐射透明的盖体的LED阵列的情况下，透明的盖体在朝着半导体芯片的辐射耦合输出面的表面上具有一个或者多个由对所发射的辐射透明的、导电的材料构成的印制导线，其中这些半导体芯片分别具有一辐射耦合输出面，其中由半导体芯片所发射的辐射基本上通过辐射耦合输出面耦合输出，并且半导体芯片分别具有至少一个在辐射耦合输出面上的电接触部，该接触部与印制导线或者与多个印制导线中的至少一个相连。
通过借助至少一个施加到盖体上的透明印制导线接触半导体芯片，有利地不需要接合线，接合线会使光学元件难于安装在半导体芯片之上和/或遮蔽由半导体芯片发射的辐射的一部分。使用对所发射的辐射透明的印制导线具有这样的优点，即印制导线尤其是在其厚度和宽度方面可以这样地确定尺寸，使得它们可承受高电流强度，例如1A或者更大的电流强度，而在此不会出现遮蔽发射辐射的半导体芯片。尤其是存在这样的可能性，即一个或者多个透明的印制导线施加到盖体的区域上，由半导体芯片发射的辐射穿透该盖体，而在LED阵列工作的情况下不会出现显著的吸收损耗。这尤其是使LED阵列中的多个发射辐射的半导体芯片容易连接成串联电路或者并联电路。
透明的导电的材料优选是透明的导电的氧化物。尤其是，透明的导电的氧化物是铟锡氧化物(ITO)。
此外，在根据本发明的LED阵列中，设置将半导体芯片所发射的辐射的至少一部分向更长的波长的波长转换。对此有利的是，至少一个发光转换材料包含在盖体中和/或在一层中施加到盖体上和/或施加到半导体芯片上。以这样的方式，例如可以利用发射紫外或者蓝色辐射的半导体芯片产生白色光。合适的发光转换材料如YAG:CE(Y3Al5O12:Ce3+)例如在WO98/12757中已公开，其内容通过引用结合于此。
半导体芯片的电接触部优选借助焊料或者导电的粘合剂与至少一个施加到盖体上的印制导线相连。焊料或者导电的粘合剂例如可以是逐点地或者以任意结构施加到半导体芯片的辐射耦合输出面上。
盖体有利地是盖板。优选的是，盖板厚度为100μm或者更小，特别优选为50μm或者更小。在本发明的另一优选的扩展方案中，盖体是透明的盖膜。
从半导体芯片出发来看，在盖体之后可以设置有一个或者多个射束成形的光学元件，光学元件有利地具有仅仅距半导体芯片的辐射耦合输出面比较小的距离，其中辐射从这些辐射耦合输出面耦合输出。特别优选的是，在距半导体芯片的辐射耦合输出面300μm或者更小的距离中设置至少一个光学元件。
在另一种优选的实施形式中，盖体本身构造为射束成形的光学元件。尤其是，盖体的与半导体芯片背离的表面可以成形或者结构化为折射的光学元件，尤其是透镜形式的光学元件。
射束成形的光学元件优选是具有朝着半导体芯片的光入射孔和与光入射孔对置的光出射孔的空心体，其中在空心体的壁上将由半导体芯片发射的辐射朝光出射孔反射。
有利地，通过射束成形光学元件避免了由半导体发射的辐射的发散。射束成形的光学元件的一种有利的实施在于，空心体的横截面从光入射孔朝对置的光出射孔变大。此外，空心体可以具有对称轴，对称轴平行于发射辐射的半导体芯片的主辐射方向。
射束成形的光学元件例如可以是填充有填料的空心体。填料优选可以是UV稳定的材料诸如硅树脂。
空心体的壁优选具有一曲率，以便实现所希望的光学功能。尤其是，空心体的壁可以非球形地、例如抛物线地、椭圆地或者双曲线地弯曲。
射束成形的光学元件例如构造为CPC、CEC或者CHC型聚光器，由此在此以及以下聚光器意为，其反射的侧面至少部分和/或至少尽可能大的程度上具有复合式抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator，CPC)、复合式椭圆聚光器(Compound Elliptic Concentrator，CEC)、复合式双曲线聚光器(Compound Hyperbolic Concentrator，CHC)的形状。在此，盖体的朝半导体芯片的表面是实际的聚光器输出端，使得与通常的用于聚焦的聚光器的应用相比，辐射在相反的方向上穿过聚光器并且因此并未被集中，而是以减小的发散通过对置的表面离开盖体。
盖体优选由这样的材料构成，该材料的热膨胀系数基本上与半导体芯片的半导体材料的热膨胀系数一致。以这样的方式，有利地降低了由于温度变化引起的在半导体芯片和盖体之间的机械张力，否则机械张力会导致连接的损坏或者甚至导致连接的断裂。
在本发明的一种优选的实施形式中，盖体由玻璃、特别优选由硼硅酸盐玻璃构成。
关于发光转换的效率方面，特别有利的是，盖体具有距半导体芯片的设置用于辐射耦合输出的辐射耦合输出面比较小的距离。盖体有利地仅仅通过盖体的焊料或者导电的粘合剂而被间隔。尤其是，盖体可以部分或者甚至完全设置在半导体芯片的辐射耦合输出面上。此外也可能的是，在半导体芯片与盖板之间的间隙填充硅树脂，以便减小半导体芯片与周围介质之间的折射率突变，并且因此改进了来自半导体芯片中的辐射的耦合输出。
半导体芯片优选包含III-V化合物半导体材料，尤其是InxAlyGa1-x -yN、InxAlyGa1-x-yP或者InxAlyGa1-x-y As，其中分别有0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1。在此，该III-V化合物半导体材料并非一定必须具有根据上式的数学上精确的组成。更准确地说，该材料可以具有一种或者多种掺杂材料以及附加的组成成分，它们基本上不改变材料的典型的物理特性。然而出于简单起见，上式仅仅包含晶格的主要组成成分，即使这些组成成分可以部分被少量其它材料代替。
半导体芯片有利地具有与辐射耦合输出面对置的底面，利用底面半导体芯片安装在支承体上。特别优选的是，LED阵列的半导体芯片安装在共同的支承体上。支承体优选由金属陶瓷例如AlN制造。
特别优选的是，半导体芯片是所谓的薄膜发光二极管芯片，其中功能性的半导体层序列首先外延地生长在生长衬底上，接着新支承体被施加到半导体层序列的与生长衬底对置的表面上，并且随后去除生长衬底。这尤其具有这样的优点，即生长衬底可以重复使用。
薄膜发光二极管芯片的特色还可以是以下典型特点：
-在产生辐射的外延层序列的、朝支承体的第一主面上施加或者构造有反射层，反射层将在外延层序列中所产生的电磁辐射的至少一部分反射回该外延层序列中；
-外延层序列具有在20μm或者更小范围中的厚度，尤其是在10μm范围中的厚度，以及
-外延层序列包含至少一个半导体层，半导体层具有至少一个面，该面具有混匀结构，混匀结构在理想情况下引起光在外延层序列中的近似各态历经的分布，即混匀结构具有尽可能各态历经的随机散射特性。
例如在1993年10月18日I.Schnitzer等人所著的Appl.Phys.Lett.63(16)，2174-2176页中描述了薄膜发光二极管芯片的基本原理，其关于此的公开内容通过引用结合于此。
薄膜发光二极管芯片很好地近似为朗伯(Lambert’scher)表面辐射器，并且因此例如特别良好地适于应用在前大灯中。
在另一种优选的实施形式中，LED阵列包含至少四个发射辐射的半导体芯片。这些半导体芯片优选以至少一个印制导线彼此连接。在LED阵列中，例如多个半导体芯片可以借助至少一个印制导线以串联或者并联电路的形式彼此相连。
根据本发明的LED阵列例如可以是照明设备的一部分，尤其是机动车前大灯或者投影光源的一部分。
以下参照实施例结合附图1和2更为详细地阐述本发明。
其中：
图1示出了通过根据本发明的LED阵列的一个实施例的横截面的示意性图，以及
图2示出了图1中所示的根据本发明的LED阵列的实施例的俯视图的示意性图。
相同或者作用相同的元件在附图中标有相同的参考标记。
在图1中以沿线I-I的横截面和在图2中以俯视图表示的、根据本发明的LED阵列的实施例中，四个发射辐射的半导体芯片2安装在共同的支承体1上。
半导体芯片2具有有源区3，有源区优选包含III-V化合物半导体材料，尤其是InxAlyGa1-x-yN、InxAlyGa1-x-yP或者InxAlyGa1-x-yAs，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1。有源区3可以构造为单异质结构、双异质结构、单量子阱结构或者多量子阱结构。量子阱结构名称在本申请的范围中包括任何这样的结构，其中载流子通过限制(“confinement”)而经历其能量状态的量子化。尤其是，量子阱结构名称不包含对量子化维度的说明。因此，该名称可能尤其是包括量子槽、量子线和量子点以及这些结构的任意组合。
由半导体芯片2发射的辐射4分别基本上通过辐射耦合输出面5耦合输出，辐射耦合输出面与半导体芯片2的底面6对置，利用底面半导体芯片2安装在共同的支承体1上。
在它们的辐射耦合输出面5上，半导体芯片2分别具有至少一个电接触部7，电接触部例如由焊料或者导电的粘合剂构成。半导体芯片2借助电接触部7分别以至少一个印制导线9、10导电地相连，这些印制导线被施加到盖体8的朝半导体芯片2的表面上。
半导体芯片2例如分别具有在底面6上的另一电接触部。可替换地，半导体芯片2在辐射耦合输出面5上不仅可以具有n接触部也可以具有p接触部。
印制导线9、10由透明的可导电的材料，尤其是由透明的导电的氧化物诸如ITO构成。这具有这样的优点：即使当半导体芯片2在它们的主辐射方向上穿过印制导线发射辐射4时，在印制导线9、10中也不会出现对所发射的辐射4的显著吸收。这尤其是当多个半导体芯片2、例如四个或者更多的半导体芯片设置成LED阵列时，使印制导线的导向变得容易。
对由半导体芯片2所发射的辐射4，透明的盖体8优选由玻璃、特别优选是由硼硅酸盐玻璃构成。例如，盖体8是玻璃板。可替换地，盖体8也可以由透明的、优选具有高UV稳定性的塑料构成。尤其是，盖体可以是盖膜。除了作为印制导线9、10的支承体的功能之外，盖体8有利地也保护半导体芯片2免受沾污或者湿气影响。
有利地，盖体8掺入有发光转换材料，以便将由半导体芯片2发射的辐射的至少一部分向更大的波长转换。例如在此涉及这样的发光转换材料，该发光转换材料将由半导体芯片2发射的紫外和/或蓝色辐射转换到互补的光谱区域中，尤其是黄色光谱区域中，以便以这样的方式产生白色或者混合色的光。发光转换材料一方面可以掺入构成盖体8的材料中。此外还可考虑的是，将包含发光转换材料的层11施加到盖体8的表面上，该层被由半导体芯片2在主辐射方向上发射的辐射4透射。例如，包含发光转换材料的层11可以被施加到盖体8的、与印制导线9、10背离的表面上。替换地也可能的是，包含发光转换材料的层被施加到盖体8的、朝半导体芯片2的表面上。此外，包含发光转换材料的层还可施加到半导体芯片2的辐射耦合输出面5上。
从半导体芯片2出发来看，在盖体8之后可以有利地设置有一个或者多个光学元件12，光学元件用于由半导体芯片2发射的辐射4的射束导向和/或射束成形。尤其是，可以设置这样的光学元件12，其降低了由半导体芯片2发射的辐射4的发散。例如，光学元件12可以是CPC、CEC或者CHC型的光学聚光器，聚光器优选非常靠近盖板8地设置或者甚至放在盖板上。
替换图1和2中所示的实施例，也可能的是，盖体本身构造为光学元件。
例如，为此将盖体8的、与半导体芯片2背离的表面构造为折射或者衍射的光学元件。尤其是，盖体8的与半导体芯片2背离的表面可以透镜状地向外成拱形。此外，盖体8的侧面也可以具有弯曲的形状和/或与由半导体芯片2发射的辐射4的主辐射方向倾斜地延伸。
本发明并不受参照实施例的说明限制。更准确地说，本发明包括任何新的特征以及这些特征的新的组合，这尤其是包含权利要求中的特征任意组合，即使这些特征或者组合本身并未明确地说明在专利权利要求或者实施例中。
Claims (11)
1.一种发光二极管阵列，具有多个发射辐射的半导体芯片(2)和对所发射的辐射(4)透明的盖体(8)，所述半导体芯片分别具有辐射耦合输出面(5)，其中由所述半导体芯片(2)所发射的辐射(4)通过所述辐射耦合输出面(5)耦合输出，其特征在于，
-所述透明的盖体(8)在朝着所述半导体芯片(2)的辐射耦合输出面(5)的表面上具有一个或者多个印制导线(9，10)，所述印制导线由对所发射的辐射(4)透明的导电材料构成，其中所述半导体芯片(2)在辐射耦合输出面(5)上分别具有至少一个电接触部(7)，所述电接触部与所述印制导线(9，10)或者与所述多个印制导线(9，10)中的至少一个相连，
-至少一种发光转换材料被包含在所述透明的盖体(8)中和/或在一层(11)中施加到所述盖体(8)上和/或施加到半导体芯片(2)上，以及
-所述透明的盖体构建为用于将半导体芯片所发射的辐射射束成形的光学元件。
2.根据权利要求1所述的发光二极管阵列，其特征在于，所述透明的导电材料是透明的导电的氧化物。
3.根据权利要求2所述的发光二极管阵列，其特征在于，所述透明的导电的氧化物是铟锡氧化物。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的发光二极管阵列，其特征在于，所述盖体(8)由玻璃形成。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的发光二极管阵列，其特征在于，所述电接触部(7)由焊料或者导电的粘合剂构成。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的发光二极管阵列，其特征在于，所述半导体芯片(2)具有与所述辐射耦合输出面(5)对置的底面(6)，其中所述半导体芯片(2)以所述底面(6)安装在支承体(1)上。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的发光二极管阵列，其特征在于，所述发光二极管阵列包含至少四个发射辐射的半导体芯片(2)。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的发光二极管阵列，其特征在于，所述光学元件(12)与所述辐射耦合输出面(5)之间的距离为300μm或者更小。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的发光二极管阵列，其特征在于，所述光学元件(12)是复合式抛物面聚光器、复合式椭圆聚光器或者复合式双曲线聚光器型光学聚光器。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的发光二极管阵列，其特征在于，所述半导体芯片(2)包含III-V化合物半导体材料。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的发光二极管阵列，其特征在于，所述半导体芯片(2)为薄膜发光二极管芯片。
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