CN103548137B - 混合光源 - Google Patents

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Abstract

提出一种混合光源（1），其具有设为用于产生第一辐射部分的第一半导体器件（21），并且具有设为用于产生与第一辐射部分不同的辐射的第二辐射部分的第二半导体器件（22），其中第一半导体器件借助于第一固定部位（61）固定在具有第一热阻R1的第一冷却体上；第二半导体器件借助于第二固定部位（62）固定在具有第二热阻R2的第二冷却体上；并且热阻R1和R2彼此不同。

Description

混合光源
技术领域
本专利申请涉及一种具有第一半导体器件和第二半导体器件的混合光源。
背景技术
在具有半导体器件的混合光源中，为了产生在不同的光谱范围中的辐射，能够应用基于不同的化合物半导体材料体系的半导体器件。用于不同的半导体器件的所发射的辐射功率的不同强度的温度相关性能够造成总共由混合光源放射的辐射的色度坐标的偏移。
发明内容
本发明的目的是，提出一种混合光源，其中以简单的方式尤其在半导体器件的温度变化方面减小色度坐标的相关性。
所述目的通过一种混合光源来实现，其具有设为用于产生第一辐射部分的第一半导体器件，并且具有设为用于产生与所述第一辐射部分不同的辐射的第二辐射部分的第二半导体器件，其中-所述第一半导体器件借助于第一固定部位固定在具有第一热阻R1的第一冷却体上；-所述第二半导体器件借助于第二固定部位固定在具有第二热阻R2的第二冷却体上；-所述热阻R1和R2彼此不同；并且-所述第一冷却体具有第一热容C1并且所述第二冷却体具有第二热容C2并且适用的关系式为：R1*C1/(R2*C2)＝B，其中0.5≤B≤2。其他的设计方案和适宜方案是本文的主题。
根据一个实施形式，混合光源具有设为用于产生第一辐射部分的第一半导体器件，并且具有设为用于产生不同于第一辐射部分的辐射的第二辐射部分的第二半导体器件。第一半导体器件借助于第一固定部位固定在具有第一热阻R1的第一冷却体上。第二半导体器件借助于第二固定部位固定在具有第二热阻R2的第二冷却体上。热阻R1和R2彼此不同。优选地，第二热阻R2比第一热阻R1至少大20％。
不同于全部半导体器件设置在共同的冷却体上的混合光源，不同的热阻能够引起：在运行时在固定部位上设定彼此不同的温度。优选的是，固定部位的温度相互匹配，使得取决于不同的温度系数的不同强度的放射的变化、例如光通量的变化被补偿。
近似地，随着温度的增加，半导体器件的在运行时所产生的光通量Φ线性地随着温度系数K下降。
在半导体器件运行时，固定部位TBS的温度典型超出环境温度TU的值为ΔT。所述温度差由冷却体的热阻R与半导体器件的损耗功率P的乘积算出。
因此，适用于固定部位上的温度的关系式是TBS＝TU+R*P。换言之，在预设的损耗功率下，热阻确定相对于环境温度的温度变化ΔT。
因此，在预设的环境温度和半导体器件的预设的损耗功率下，冷却体的热阻越高，固定部位的温度就越高。
在一个优选的设计方案中，在运行时第一辐射部分具有光通量Φ1，所述光通量Φ1与具有第一温度系数K1的第一固定部位的温度相关地变化。在运行时第二辐射部分具有光通量Φ2，所述光通量Φ2与具有第二温度系数K2的第二固定部位的温度相关地变化。优选的是，K1>K2并且R1<R2。换言之，具有较大的温度系数的半导体器件设置在具有较小的热阻的冷却体上。
在第一半导体器件运行时产生第一损耗功率P1并且由第二半导体器件产生第二损耗功率P2的情况下，优选适用的关系式是：
(R1*P1)/(R2*P2)＝A*K2/K1，
其中A是匹配系数，其中0.5≤A≤2。
因此，适用于A＝1的匹配系数的理想情况的关系式是ΔT1*K1＝ΔT2*K2。因此，在此情况下，虽然温度系数是不同强度的，用于第一半导体器件的辐射功率和用于第二半导体器件的辐射功率以相同的强度下降。因此，第一辐射部分和第二辐射部分之间的比例的相关性进而混合光源的色度坐标对于A＝1被消除并且对于少许偏离1的值尽可能地被减少。优选适用0.8≤A≤1.2。
在一个优选的设计方案中，第一冷却体和第二冷却体彼此热退耦。在本文中，热退耦尤其意味着：在混合光源运行时能够为第一冷却体和为第二冷却体设定尽可能彼此独立的温度。尤其，第一半导体器件的损耗功率对第二冷却体的温度不具有或至少不具有显著影响，并且第二半导体器件的损耗功率对第一冷却体的温度不具有或至少不具有显著影响。因此，能够简化地实现，在混合光源运行时第一冷却体在第一固定部位的区域中具有不同于第二冷却体在第二固定部位的区域中的温度。第一冷却体和第二冷却体能够机械稳定地彼此连接，然而适当地不能够直接彼此邻接。
在一个优选的改进方案中，在第一冷却体和第二冷却体之间至少局部地构成隔离层。隔离层优选邻接到第一冷却体上并且此外优选邻接到第二冷却体上。优选的是，构成隔离层，使得第一冷却体和第二冷却体不在任何部位上直接彼此邻接。此外，隔离层优选由具有第一冷却体的最多十分之一的热导率的材料制成。
优选地，隔离层具有最高10W/(m*K)的热导率，特别优选最高1W/(m*K)的热导率。
在另一优选的设计方案中，第一冷却体和第二冷却体在混合光源的俯视图中重叠。因此，与并排设置的冷却体相比，尤其与距半导体器件大的间距相比，能够简化地实现混合光源在远场中的关于色度坐标在空间上均匀的放射。
在一个优选的设计方案中，第一半导体器件和第二半导体器件基于彼此不同的化合物半导体材料体系。借助于不同的化合物半导体体系能够以简单的方式实现在不同的光谱范围中的辐射部分。优选的是，所述化合物半导体材料体系是III-V族化合物半导体体系，所述III-V族化合物半导体体系在半导体晶格的占据绝大部分的，即多于50％的V族晶格位置的V族元素的组中彼此不同。
第一半导体器件优选基于磷化物化合物半导体材料。
在本文中“基于磷化物化合物半导体”意味着，半导体器件的半导体本体，尤其是设为用于产生辐射的有源区域优选包括AlnGamIn1-n-mP，其中0≤n≤1，0≤m≤1并且n+m≤1，优选其中n≠0和/或m≠0。在此，所述材料不必强制性地具有根据上式的数学上精确的组成。更确切地说，所述材料能够具有一种或多种掺杂材料以及具有基本上不改变材料的物理特性的附加的组成部分。然而，为了简单性，上式仅包含晶格(Al，Ga，In，P)的主要组成部分，即使所述组成部分能够部分地通过少量其他材料替代时也如此。
此外，第二半导体器件优选基于氮化物化合物半导体材料。
在本文中，“基于氮化物化合物半导体”意味着，半导体器件的半导体本体，尤其是设为用于产生辐射的有源区域包括氮化物III/V族化合物半导体材料，优选包括AlnGamIn1-n-mN，其中0≤n≤1，0≤m≤1并且n+m≤1。在此，所述材料不必强制性地具有根据上式的数学上精确的组成。更确切地说，所述材料能够具有一种或多种掺杂材料以及具有基本上不改变AlnGamIn1-n-mN材料的独特的物理特性的附加的组成部分。然而，为了简单性，上式仅包含晶格(Al，Ga，In，N)的主要组成部分，即使所述组成部分能够部分地通过少量其他材料替代时也如此。
在所述半导体材料体系中不同的温度系数能够通过用于冷却体的不同的热阻来补偿。
在一个设计方案变型中，第一冷却体与第二冷却体在几何形状上不同。在此，几何形状尤其包括冷却体的大小。
替选地或补充地，第一冷却体能够具有不同于第二冷却体的发射率。例如，为了提高发射率能够在冷却体上构成覆层。
在一个替选的设计方案中，第一冷却体是主动的冷却体并且第二冷却体是被动的冷却体。主动的冷却体例如能够经由冷却介质或经由风扇来冷却。
在另一设计方案变型中，第一冷却体和第二冷却体在所使用的材料方面彼此不同。
在另一优选的设计方案中，第一冷却体具有第一热容C1并且第二冷却体具有第二热容C2，并且适用的关系式为：
R1*C1/(R2*C2)＝B，
其中对于系数B适用：0.5≤B≤2，优选0.8≤B≤1.2。系数B越接近理想值1，混合光源的瞬时特性就越准确，即混合光源在温度变化期间的特性被稳定。
在一个优选的设计方案中，在第一冷却体上设置有多个第一半导体器件并且在第二冷却体上设置有多个第二半导体器件。
在至少一个第一半导体器件和第一冷却体之间和/或在至少一个第二半导体器件和第二冷却体之间优选设置有中间载体，例如电路板，例如印刷电路板(PrintedCircuitBoard，PCB)或金属芯电路板(MetalCorePrintedCircuitBoard，MCPCB)或具有用于半导体器件的电连接导体的陶瓷载体。
附图说明
结合附图，从实施例的下面的说明中得出其他的特征、设计方案和适宜方案。
相同的、同类的或起相同作用的元件在附图中设有相同的附图标记。
附图和在附图中示出的元件彼此间的大小比例不能够视为合乎比例的。更确切地说，为了更好的可示出性和/或为了更好的理解能够夸大地示出个别元件。
附图示出：
图1示出用于混合光源的第一实施例的示意剖视图，
图2示出用于混合光源的第二实施例的示意剖面图，
图3示出用于混合光源的第三实施例的示意立体图，以及
图4示出在混合光源的接通过程中与时间t相关的光通量Φ和温度变化ΔT的分别与常规的混合光源对比的模拟结果。
具体实施方式
根据图1中所示出的第一实施例的混合光源1具有带有第一主面310的第一冷却体31。在第一主面一侧上，在第一冷却体上设置有第一半导体器件21，所述第一半导体器件具有设为用于产生辐射的有源区域210。在混合光源运行时，有源区域210设为用于产生第一辐射部分。第一半导体器件借助于固定层71，例如焊料或导电的胶粘层固定在第一中间载体51上。中间载体例如能够构成为电路板，例如构成为PCB电路板或金属芯电路板。也能够应用具有电连接导体的陶瓷载体。
具有中间载体51的第一半导体器件21借助于第一固定部位61固定在第一冷却体31上。第一固定部位直接邻接于第一冷却体。第一固定部位例如能够由焊料层或导电胶粘层构成。
有源区域210例如能够基于磷化物化合物半导体材料。借助于所述半导体材料能够特别有效地产生在黄色或红色光谱范围中的辐射。第一半导体器件21例如能够设为用于产生在红色光谱范围中的辐射，尤其用于产生具有600nm和660nm之间的峰值波长的辐射，其中包括边界值。
此外，混合光源1包括具有第二主面320的第二冷却体32。如结合第一半导体器件21所描述的，在第二冷却体32上设置有第二半导体器件22，所述第二半导体器件具有设为用于产生第二辐射部分的辐射的有源区域220。第二半导体器件22经由第二固定层72与第二中间载体52连接。具有第二中间载体的第二半导体器件借助于第二固定部位62与第二冷却体32连接。
中间载体51、52能够在所使用的材料方面是同类的或彼此不同的。
第二半导体器件22基于不同于第一半导体器件的化合物半导体材料体系。例如，第二半导体器件22，尤其有源区域220能够基于氮化物化合物半导体材料。氮化物化合物半导体材料尤其适合于产生在蓝色的和紫外的光谱范围中的辐射。第二半导体器件22本身能够设为用于产生混合辐射。例如，在第二半导体器件22上能够构成有转换元件225，所述转换元件至少部分地吸收在有源区域220中所产生的初级辐射并且将其转换为次级辐射。
例如，由第二半导体器件22总共产生的具有初级辐射和次级辐射的第二辐射部分在CIE图表中对于Cx而言具有位于0.2和0.45之间的值，其中包含边界值，对于Cy而言具有位于0.1和0.61之间的值，其中包含边界值。
因此，连同第一辐射部分21一起，能够由混合光源以高的色彩还原系数放射对于肉眼而言显现为白色的辐射。
在所述实施例中，借助于隔离层4将第一冷却体31和第二冷却体32彼此热退耦。
适合于隔离层4的材料尤其是具有最多为第一冷却体31的热导率的最多十分之一的热导率的材料。尤其适合的是具有最高1W/(m*K)的热导率的材料。隔离层4例如能够包含塑料或由塑料构成。
第一冷却体31具有小于第二冷却体32的热阻R2的热阻R1。热阻确定在环境温度和固定部位61、62上的温度之间的温度差ΔT。因此，能够在固定部位61、62上设定彼此不同的温度。
在示出的实施例中，对于第一冷却体31而言，通过更大地构成第一冷却体来实现相比于第二冷却体32更低的热阻。替选地或补充地，能够为第一冷却体31设有主动的冷却装置，例如借助于风扇、热管或保温底座或借助于水冷装置，而第二冷却体32构成为被动的冷却体。
在第一半导体器件的温度系数K1和预设的损耗功率P1以及第二半导体器件的温度系数K2和预设的损耗功率P2的情况下，热阻R1和R2实现为，使得适用下述关系式：(R1*P1)/(R2*P2)＝A*K2/K1，其中A是匹配系数，其中0.5≤A≤2。
对于A＝1的理想值而言，热阻R1和R2匹配于半导体器件21、22，使得在温度升高时第一半导体器件21的亮度损耗与第二半导体器件22的亮度损耗相同。因此，在随着温度增加而亮度下降时，第一辐射部分与第二辐射部分的比例也保持恒定，使得由混合光源总共放射的辐射的色度坐标不变或至少基本上不变。优选地，对于匹配因子A适合的是下述关系式：0.8≤A≤1.2。
仅为了简化的图示，在图中示出仅一个第一半导体器件21和第二半导体器件22。为了提高由混合光源1总共放射的辐射功率，混合光源也能够具有多个第一半导体器件和多个第二半导体器件，其中第一冷却体31适宜地不具有第二半导体器件22并且第二冷却体32不具有第一半导体器件21。此外，混合光源也能够具有多于两个冷却体，例如三个冷却体。
冷却体31、32分别能够包含金属、例如铜、铝、钼或钨或具有所提到的材料中的一种的合金或者由这些材料构成。用于冷却体的材料的热导率优选为至少40W/(m*K)，尤其优选至少100W/(m*K)。陶瓷也能够应用于冷却体31、32。
在所述实施例中仅示例地示出构成为白光光源的、具有基于磷化物化合物半导体材料的第一半导体器件和基于氮化物化合物半导体材料的第二半导体器件的混合光源。然而，分开的、尤其是彼此热退耦的冷却体的设置方式原则上适合于具有至少两个不同类型的具有不同强度的温度相关性的半导体器件的混合光源。适宜地，具有较大的温度相关性的半导体器件固定在下述冷却体上，在所述冷却体上在运行时在固定部位上设定较低的温度。
为了在温度变化期间，例如在环境温度变化时或在混合光源的接通过程期间也使混合光源的色度坐标稳定，优选也将RC热常量、即冷却体的热阻和热容的乘积相互匹配。优选地适用下述关系式：
R1*C1/(R2*C2)＝B，其中0.5≤B≤2。
系数B越接近于理想值1，冷却体31、32的RC热常量越好地相互匹配。优选地适用：0.8≤B≤1.2。
在图4中示出与在混合光源的接通过程时的温度t相关的温度变化ΔT和光通量Φ的模拟结果。所述模拟计算基于K1＝-0.006K-1和K2＝0.0026K-1的温度系数。
对于热阻的比适用的是R1/R2＝1/3。对于热容适用的是C1/C2＝9/3。因此，第一冷却体和第二冷却体在其RC热常量方面相同。
在图4中，曲线81示出在第一固定部位61上的温度上升ΔT1。曲线82示出在第二固定部位62上的温度上升ΔT2。
与之相比，图91示出在混合光源中第一半导体器件21和第二半导体器件22设置在共同的冷却体上的情况下的温度上升的模拟结果。
曲线85示出第一半导体器件21的光通量Φ，曲线86示出第二半导体器件86的光通量Φ。与此相比，曲线95和96分别示出第一半导体器件或第二半导体器件在设置在共同的冷却体上的情况下的光通量。
光通量Φ对于所有的曲线而言分别在接通之后对光通量直接进行归一化。
如曲线81、82示出，对于固定部位61、62设定不同的温度。由此补偿半导体器件21、22的不同大的温度系数，使得光通量Φ，如曲线85、86所示出的，对于半导体器件21、22的两个辐射部分而言在整个时间变化内仅略微彼此不同。因此，混合光源的色度坐标在时间t仅略微变化。用于操控半导体器件的相对耗费的调节装置能够被放弃。
在具有共同的冷却体的常规的混合光源中，针对t>60s的光通量对于第二辐射部分(曲线96)而言大致下降17％并且对于第一辐射部分(曲线95)而言下降大约38％，使得混合光源的色度坐标相对大幅地变化。
用于混合光源的第二实施例在图2中以示意剖面图示出。所述第二实施例基本上对应于结合图1所描述的第一实施例。与此不同的是，在第一冷却体31上构成有覆层35。所述覆层35设为，用于提高第一冷却体的发射率进而用于减少在第一固定部位61上的温度。覆层优选具有至少0.8的发射率，特别优选至少0.9的发射率。
与此对比的是，抛光的金属的发射率的值典型为大约0.3并且粗糙的金属的发射率的值为0.5至0.6。因此，在冷却体31、32具有相同的大小和相同的材料时，也能够通过施加覆层相对于第二冷却体大幅减少第一冷却体的热阻，例如以位于1.5和3之间的因子减小，其中包含边界值。
当然，也能够将用于构成具有不同的热阻的冷却体的不同措施相互组合，例如不同大的冷却体组合，其表面以不同程度的比例设有覆层。
在图3中示出用于混合光源的第三实施例的示意立体图。所述第三实施例基本上对应于结合图1所描述的第一实施例。
在所述实施例中，第一冷却体31和第二冷却体32构成为，使得所述冷却体在混合光源的俯视图中，即第一冷却体31的第一主面310的俯视图中，第一冷却体和所述第二冷却体重叠。
第一冷却体31具有下部件31A和与所述下部件连接的上部件31B。尤其，具有下部件和上部件的第一冷却体能够一件式地构成。
在俯视图中，上部件31B具有比下部件31A更小的横截面。在示出的实施例中，下部件和上部件分别构成为具有圆柱形的基本形状，其中圆柱体的轴线共线地伸展。第二冷却体32构成为是环形的并且沿横向方向环绕第一冷却体31的上部件31B。在第一冷却体31和第二冷却体32之间连续地构成有隔离层4，使得冷却体31、32不在任何部位上直接彼此邻接。因此，冷却体31、32借助于隔离层彼此热退耦并且此外经由隔离层彼此机械连接。
当然，第一冷却体31的下部件31A和上部件31B也能够具有与圆柱形的基本形状不同的形状，例如多角的、尤其矩形的基本形状。此外，第一冷却体31也能够构成为，使得上部件31B局部地环绕第二冷却体32，也就是说，上部件31B能够环形地环绕例如圆柱形地构成的第二冷却体32。
借助于不同类型的半导体器件在相应地相关联的、在冷却体的主面的俯视图中重叠的冷却体上的所描述的设置方式，能够简化地实现混合光源，其中以紧凑的方式且彼此热退耦的方式设置有两个分开的冷却体，使得由第一半导体器件21和第二半导体器件22放射的辐射功率在横向方向上具有高的色彩均匀性。
本专利申请要求德国专利申请102011101645.0的优先权，其公开内容通过参引的方式结合于此。
本发明不由于借助于实施例进行的描述而受到限制。更确切地说，本发明包括每个新的特征以及特征的任意组合，这尤其包含在实施例中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合本身并未在实施例中明确说明时也如此。

Claims (15)

1.一种混合光源（1），具有设为用于产生第一辐射部分的第一半导体器件（21），并且具有设为用于产生与所述第一辐射部分不同的辐射的第二辐射部分的第二半导体器件（22），其中
-所述第一半导体器件借助于第一固定部位（61）固定在具有第一热阻R1的第一冷却体（31）上；
-所述第二半导体器件借助于第二固定部位（62）固定在具有第二热阻R2的第二冷却体（32）上；
-所述热阻R1和R2彼此不同；并且
-所述第一冷却体具有第一热容C1并且所述第二冷却体具有第二热容C2并且适用的关系式为：
R1*C1/（R2*C2）=B，
其中0.5≤B≤2。
2.根据权利要求1所述的混合光源，
其中
-在运行时所述第一辐射部分具有光通量Φ1，所述光通量Φ1与具有第一温度系数K1的所述第一固定部位的温度相关地变化；
-在运行时所述第二辐射部分具有光通量Φ2，所述光通量Φ2与具有第二温度系数K2的所述第二固定部位的温度相关地变化；
-K1大于K2；并且
-R1小于R2。
3.根据权利要求2所述的混合光源，
其中在运行时所述第一半导体器件产生第一损耗功率P1并且所述第二半导体器件产生第二损耗功率P2并且适用的关系式为：
（R1*P1）/（R2*P2）=A*K2/K1，
其中A是匹配系数，其中0.5≤A≤2。
4.根据权利要求3所述的混合光源，
其中适用0.8≤A≤1.2。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合光源，
其中所述第一冷却体和所述第二冷却体彼此热退耦。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合光源，
其中
-在所述第一冷却体和所述第二冷却体之间局部地构成有隔离层（4）；
-所述隔离层邻接到所述第一冷却体上并且邻接到所述第二冷却体上；并且
-所述隔离层由具有所述第一冷却体的最多十分之一的热导率的材料制成。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合光源，
其中所述第一冷却体和所述第二冷却体在所述混合光源的俯视图中重叠。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合光源，
其中所述第一半导体器件和所述第二半导体器件基于彼此不同的化合物半导体材料体系。
9.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合光源，
其中在几何形状方面所述第一冷却体与所述第二冷却体不同。
10.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合光源，
其中所述第一冷却体具有不同于所述第二冷却体的发射率。
11.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合光源，
其中所述第一冷却体是主动的冷却体并且所述第二冷却体是被动的冷却体。
12.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合光源，
其中所述第一冷却体和所述第二冷却体关于材料方面彼此不同。
13.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合光源，
其中0.8≤B≤1.2。
14.根据权利要求1至4中的任一项所述的混合光源，
其中所述第一冷却体（31）具有下部件（31a）和与所述下部件（31a）连接的上部件（31b），并且所述第二冷却体（32）沿横向方向环绕所述第一冷却体的所述上部件或者反之亦然。
15.根据权利要求14所述的混合光源，
其中具有所述下部件和所述上部件的所述第一冷却体一件式地构成。
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