DE102010034913A1 - Strahlung emittierendes Bauelement und Verfahren zur Herstellung des Strahlung emittierenden Bauelements - Google Patents

Strahlung emittierendes Bauelement und Verfahren zur Herstellung des Strahlung emittierenden Bauelements Download PDF

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Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung beschreibt ein Strahlung emittierendes Bauelement (1) umfassend: – eine Halbleitermaterialien enthaltende Strahlungsquelle (10), die im Betrieb eine erste Strahlung erster Wellenlänge emittiert; – einen transparenten Körper (20), der ein Matrixmaterial und einen anorganischen Füllstoff umfasst und der zumindest teilweise im Strahlengang (11) der ersten Strahlung angeordnet ist; und – ein Konvertermaterial (30), das zumindest teilweise im Strahlengang (11) der ersten Strahlung angeordnet ist und die erste Strahlung zumindest teilweise in eine zweite Strahlung mit einer zweiten, längeren Wellenlänge konvertiert. Dabei steht das Konvertermaterial (30) zumindest teilweise in einem thermisch leitenden Kontakt mit zumindest einem Teil des Füllstoffs des transparenten Körpers (20).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Strahlung emittierendes Bauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements.
  • In Strahlung emittierenden Bauelementen mit einer Leuchtdiode (LED) werden häufig Konvertermaterialien verwendet. Das Konvertermaterial konvertiert einen Teil der einfallenden Strahlung in eine Strahlung mit einer veränderten, längeren Wellenlänge, so dass die konvertierte Strahlung eine niedrigere Energie als die einfallende Strahlung aufweist (sogenannte down-conversion). Die Energiedifferenz fällt meistens in Form von Wärmeenergie an, so dass sich das Konvertermaterial dabei stark erwärmt. In der Regel ist die Effizienz des Konvertermaterials temperaturabhängig, insbesondere bei hohen Temperaturen kann die Effizienz des Konvertermaterials stark erniedrigt sein. Der Farbeindruck des vom Bauelement abgegebenen Lichts kann ebenfalls von der Temperatur im Bauelement abhängen.
  • Für Anwendungen sind Strahlung emittierende Bauelemente mit hoher Effizienz, geringem Strahlungsverlust und hoher Farbkonstanz wünschenswert.
  • Eine zu lösende Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Strahlung emittierendes Bauelement mit verbesserten Eigenschaften anzugeben.
  • Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung des Strahlung emittierenden Bauelements anzugeben.
  • Es wird ein Strahlung emittierendes Bauelement angegeben, das eine Halbleitermaterialien enthaltende Strahlungsquelle umfasst, die im Betrieb eine erste Strahlung mit einer ersten Wellenlänge emittiert. Das Strahlung emittierende Bauelement wird im Folgenden auch kurz das ”Bauelement” genannt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Bauelement einen transparenten Körper, der ein Matrixmaterial und einen anorganischen Füllstoff umfasst. Der transparente Körper ist zumindest teilweise im Strahlengang der ersten Strahlung angeordnet. Der anorganische Füllstoff wird im Folgenden auch nur als ”Füllstoff” bezeichnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Bauelement ein Konvertermaterial, das zumindest teilweise im Strahlengang der ersten Strahlung angeordnet ist. Das Konvertermaterial konvertiert zumindest einen Teil der ersten Strahlung in eine zweite Strahlung mit einer zweiten, längeren Wellenlänge. Das heißt, die erste Strahlung besitzt eine höhere Energie als die zweite Strahlung. Die Energiedifferenz kann insbesondere in Form von Wärmeenergie anfallen. Die durch Konversion erzeugte Wärmeenergie wird im Folgenden auch als ”Konversionswärme” bezeichnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform steht das Konvertermaterial zumindest teilweise in einem thermisch leitenden Kontakt mit zumindest einem Teil des Füllstoffs des transparenten Körpers. Dies hat zur Folge, dass zumindest ein Teil der Konversionswärme an den Füllstoff abgegeben beziehungsweise über den Füllstoff vom Konvertermaterial abgeleitet werden kann. Dadurch wird vorteilhafterweise das Konvertermaterial vor Überhitzung geschützt und/oder die Effizienz des Konvertermaterials erhöht. Eine erhöhte Effizienz zeichnet sich dadurch aus, dass ein höherer Anteil der ersten Strahlung in die zweite Strahlung konvertiert wird. Durch die verbesserte Wärmeableitung kann beispielsweise das Bauelement auch mit höheren Strömen betrieben werden als herkömmliche Strahlung emittierende Bauelemente.
  • Der transparente Körper ist vorzugsweise in den Wellenlängenbereichen der ersten und zweiten Strahlung transparent. Bei einer Wellenlänge ”transparent” bedeutet, dass eine Transmission von ≥ 70%, insbesondere ≥ 80%, beispielsweise 86%, bei der entsprechenden Wellenlänge vorliegt.
  • Die Halbleitermaterialien enthaltende Strahlungsquelle ist beispielsweise eine Leuchtdiode (LED) oder Laserdiode. Als Strahlungsquelle können auch mehrere Leuchtdioden und/oder Laserdioden verwendet werden. Das Spektrum der ersten Strahlung wird als erste Wellenlänge bezeichnet. Die erste Wellenlänge kann im sichtbaren Bereich des Spektrums (420 bis 780 nm Wellenlänge), im UV-Bereich (< 420 nm) sowie im IR-Bereich (> 780 nm) liegen. Die erste Strahlung kann insbesondere ein Wellenlängenmaximum unter 600 nm aufweisen. Die Halbleitermaterialien sind in der Erfindung nicht beschränkt, sofern diese zumindest teilweise eine Elektrolumineszenz aufweisen können. Es werden beispielsweise Verbindungen aus Elementen verwendet, die aus Indium, Gallium, Aluminium, Stickstoff, Phosphor, Arsen, Sauerststoff, Silicium, Kohlenstoff oder Kombinationen gewählt sein können, beispielsweise Indium-Gallium-Nitrid (InGaN). Auch andere Elemente oder Zusätze können verwendet werden.
  • Die Wahl der Konvertermaterialien ist erfindungsgemäß nicht begrenzt. Es können mit Seltenerdmetallen und/oder Übergangsmetallen dotierte Keramiken als Leuchtstoff verwendet werden, die zum Beispiel in der WO98/12757 beschrieben sind, deren Inhalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Das Konvertermaterial kann einen Leuchtstoff oder eine Kombination von unterschiedlichen Leuchtstoffen umfassen oder daraus bestehen. Durch den Einsatz der Konvertermaterialien wird der Farbeindruck der emittierten Strahlung modifiziert. Das Bauelement kann beispielsweise Strahlung mit einem weißen Farbeindruck oder einem anderen Farbeindruck emittieren.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform verändern sich der Brechungsindex des Matrixmaterials und der Brechungsindex des anorganischen Füllstoffs mit der Temperatur. Der temperaturabhängige Verlauf des Brechungsindexes ist für das Matrixmaterial und für den Füllstoff in der Regel verschieden.
  • Der Brechungsindex, auch Brechzahl genannt, wird mit einem Refraktometer bestimmt, bei dem die Temperatur eingestellt und/oder reguliert werden kann. Es wird als Raumtemperatur eine Temperatur von 20°C angenommen. Die im Folgenden angegebenen Brechungsindizes sind für die Wellenlänge der Natrium-D-Linie bei 589 nm bestimmt worden. Die Angabe eines Brechungsindexes bei Raumtemperatur entspricht in dieser Anmeldung also dem sogenannten nD 20. Die Genauigkeit einer Angabe eines Brechungsindexes beträgt mindestens 0.001 und insbesondere mindestens 0.0005.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das Matrixmaterial und der Füllstoff erfindungsgemäß so gewählt, dass das Matrixmaterial bei Raumtemperatur einen um 0.01 bis 0.05 höheren Brechungsindex als der Füllstoff aufweist. Des Weiteren weist das Matrixmaterial einen höheren thermo-optischen Koeffizienten als der Füllstoff auf, so dass beim Erwärmen auf Betriebstemperatur die Differenz der Brechungsindizes des Matrixmaterials und des Füllstoffs kleiner wird. Bei Betriebstemperatur ist die Differenz der Brechungsindizes ≤ 0.015.
  • Der thermo-optische Koeffizient dn/dT gibt die Änderung des Brechungsindexes n mit der Änderung der Temperatur T an. Das heißt, er beschreibt die Änderung des Brechungsindexes pro °C.
  • Beispielsweise kann der Verlauf des Brechungsindex gegenüber der Temperatur im relevanten Temperaturbereich sowohl für das Matrixmaterial als auch für den Füllstoff näherungsweise durch eine Gerade beschreibbar sein. Diese Geraden können eine unterschiedliche Steigung aufweisen, wobei ein Schnittpunkt der Geraden typischerweise im Bereich der Betriebstemperatur liegt. Diese Temperatur kann bis zu 20°C, insbesondere bis zu 10°C und oft bis zu 5°C höher oder niedriger als die Betriebstemperatur sein oder ihr entsprechen. Der entsprechende thermo-optische Koeffizient gibt dann die Steigung einer solchen Geraden an.
  • Der thermo-optische Koeffizient kann für ein Material durch mehrere Messungen des Brechungsindexes bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Matrixmaterial bei Raumtemperatur einen thermo-optischen Koeffizienten von –5·10–5 bis –5·10–3 1/°C, insbesondere von –1·10–4 bis –1·10–3 1/°C auf.
  • Der thermo-optische Koeffizient des Füllstoffs ist in der Regel kleiner als der thermo-optische Koeffizient des Matrixmaterials. Der Füllstoff weist bei Raumtemperatur einen thermo-optischen Koeffizienten von bis zu –5·10–5 1/°C, beispielsweise –5·10–7 bis –5·10–5 1/°C auf. Das heißt, im relevanten Temperaturbereich ändert sich der Brechungsindex des Füllstoffs meistens weniger als der Brechungsindex des Matrixmaterials.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Brechungsindex des Füllstoffs im Vergleich zum Brechungsindex des Matrixmaterials zumindest im relevanten Temperaturbereich näherungsweise als konstant angesehen werden. Als relevanter Temperaturbereich werden die Temperaturen zwischen Raumtemperatur und Betriebstemperatur verstanden.
  • Wenn das Bauelement in Betrieb genommen wird, entspricht die Temperatur im Bauelement meistens der Umgebungstemperatur, beispielsweise Raumtemperatur. Nach Inbetriebnahme des Bauelements steigt die Temperatur im Bauelement zunächst stark an und erreicht üblicherweise nach einiger Zeit (bei konstantem Strom und konstanter Umgebungstemperatur) einen vergleichsweise konstanten Wert. In der Regel geschieht dies innerhalb von bis zu 30 Minuten. Als Betriebstemperatur wird eine Temperatur im Bauelement verstanden, die zu einem Zeitpunkt von 45 Minuten nach dem Einschalten bei ununterbrochenem Betrieb des Bauelementes vorliegt.
  • Eine Temperatur, die dem Wert der Betriebstemperatur entspricht, kann schon zu einem früheren Zeitpunkt im Bauelement erhalten werden und konstant bleiben. Diese Temperatur wird im Folgenden ebenfalls als ”Betriebstemperatur” bezeichnet. Die Betriebstemperatur gilt als konstant, wenn die Temperatur während des andauernden Betriebs (bei konstantem Strom und konstanter Umgebungstemperatur) um weniger als 5°C, insbesondere weniger als 3°C und oft weniger als 1°C schwankt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Betriebstemperatur des Bauelementes bis zu 200°C. Die Betriebstemperatur liegt insbesondere zwischen 70°C und 150°C, oft zwischen 80°C und 120°C, beispielsweise bei 110°C.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Matrixmaterial einen Brechungsindex auf, der bei Raumtemperatur um 0.01 bis 0.04 und insbesondere um 0.015 bis 0.035 höher als der Brechungsindex des Füllstoffs ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist bei Betriebstemperatur die Differenz der Brechungsindizes des Matrixmaterials und des Füllstoffs ≤ 0.01, insbesondere ≤ 0.0075, beispielsweise ≤ 0.005.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der transparente Körper bei Betriebstemperatur eine Transmission bei einer Wellenlänge von 600 nm von ≥ 90%, insbesondere ≥ 95% und oft ≥ 98% auf. In dieser Angabe sind keine Fresnel-Verluste berücksichtigt, die beim Eintritt und beim Austritt (jeweils ca. 4%) der Strahlung in den transparenten Körper auftreten.
  • Bei Betriebstemperatur kann der Brechungsindex des Matrixmaterials höher oder niedriger als der Brechungsindex des Füllstoffs sein oder diesem entsprechen. Durch die geringe oder gar nicht vorhandene Differenz der Brechungsindizes bei Betriebstemperatur wird die im Bauelement erzeugte Strahlung durch den transparenten Körper so gut wie gar nicht gestreut und/oder absorbiert, wodurch Strahlungsverluste verringert oder vermieden werden. Im Gegensatz dazu wird beim Einschalten des Bauelements ein im Vergleich zur Betriebstemperatur höherer Anteil der emittierten Strahlung gestreut und/oder absorbiert, da die Differenz der Brechungsindizes des Matrixmaterials und des Füllstoffs größer ist als bei der Betriebstemperatur.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann durch eine kleine Differenz der Brechungsindizes des Matrixmaterials und des Füllstoffs, beispielsweise von 0.01, die Abstrahlcharakteristik des Bauelementes verbessert werden. Beispielsweise kann dadurch eine Winkelabhängigkeit der Abstrahlung vermindert beziehungsweise die Farbhomogenität verbessert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der anorganische Füllstoff ein Metallfluorid umfassen oder daraus bestehen. Das Metallfluorid kann beispielsweise aus Magnesiumfluorid (MgF2), Lithiumfluorid (LiF), Calciumfluorid (CaF2), Bariumfluorid (BaF2) oder einer Kombination davon gewählt sein. Das Metallfluorid kann typischerweise einen Brechungsindex bei Raumtemperatur von 1.37 bis 1.50 aufweisen, beispielsweise 1.39 für MgF2, 1.40 für LiF, 1.43 für CaF2 und 1.46 für BaF2. Der Füllstoff kann monokristallin und/oder polykristallin sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der anorganische Füllstoff ein Glas, Quarz, Kieselgel, SiO2-Partikel, insbesondere sphärische SiO2-Partikel, ein Borosilicatglas oder eine Kombination davon umfassen oder daraus bestehen. Beispielsweise weisen SiO2-Partikel einen Brechungsindex bei Raumtemperatur von 1.46, Glas einen von 1.45 bis 2.14, ein Borosilicatglas einen von 1.50 bis 1.55 auf.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst oder besteht der Füllstoff aus einem Silicat, einer Keramik oder einem Aluminiumoxid, beispielsweise Korund.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Matrixmaterial ein Silikon, ein Epoxidharz, ein Acrylharz, ein Polyurethan, ein Polycarbonat oder eine Kombination davon umfassen oder daraus bestehen. Das Matrixmaterial kann auch ein Gemisch unterschiedlicher Kunststoffe und/oder Silikone umfassen oder daraus bestehen. Das Matrixmaterial kann insbesondere ein Silikon, ein Methyl substituiertes Silikon, beispielsweise Poly(dimethylsiloxan) und/oder Polymethylphenylsiloxan, ein Cyclohexyl substituiertes Silikon, zum Beispiel Poly(dicyclohexyl)siloxan, oder eine Kombination davon umfassen oder daraus bestehen.
  • Beispielsweise kann ein Epoxidharz oder ein Acrylharz einen Brechungsindex bei Raumtemperatur von 1.46 bis 1.60, insbesondere von 1.48 bis 1.53 aufweisen. Ein Polycarbonat weist in der Regel einen höheren Brechungsindex, beispielsweise 1.55 bis 1.65, insbesondere 1.58 bis 1.60 auf. Ein Silikon weist einen Brechungsindex von 1.40 bis 1.54 auf.
  • Besonders vorteilhaft ist der Brechungsindex des Matrixmaterials so eingestellt, dass er bei Raumtemperatur höher ist, als der Brechungsindex des Füllstoffs, da häufig der thermo-optische Koeffizient des Matrixmaterials höher ist als der thermo-optische Koeffizient des Füllstoffs, und somit der Brechungsindex des Matrixmaterials mit steigender Temperatur beim Betrieb des Bauelements schneller abnimmt als der Brechungsindex des Füllstoffs.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform richtet sich die Wahl des Matrixmaterials nach dem anorganischen Füllstoff und erfüllt dabei das vorstehende Kriterium, dass das Matrixmaterial einen höheren Brechungsindex bei Raumtemperatur und einen höheren thermo-optischen Koeffizienten aufweist als der Füllstoff. Beispielsweise kann sich für einen Füllstoff aus Borosilicatglas ein Matrixmaterial, das ein Epoxidharz, ein Polycarbonat oder eine Kombination davon umfasst oder daraus besteht, eignen. Beispielsweise kann sich für einen Füllstoff aus Glas oder aus SiO2-Partiken ein Matrixmaterial, das ein Silikon oder ein Acrylharz umfasst oder daraus besteht, eignen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird für einen anorganischen Füllstoff, der ein Metallfluorid umfasst oder daraus besteht, ein Silikon oder eine Kombination von unterschiedlichen Silikonen als Matrixmaterial verwendet. Es kann auch eine Kombination von mindestens einem Silikon mit mindestens einem anderen Kunststoff verwendet werden.
  • Der Brechungsindex eines Silikons richtet sich insbesondere nach den organischen Substituenten R1, R2 und R3 am Siliciumatom sowie nach dem Verzweigungsgrad des Silikons. Endständige Gruppen des Silikons lassen sich mit R1R2R3SiO1/2, lineare Gruppen mit R1R2SiO2/2 und verzweigende Gruppen mit R1SiO3/2 beschreiben. R1 und/oder R2 und/oder R3 können an jedem Siliciumatom unabhängig gewählt sein. R1, R2 und R3 sind dabei aus einer Variation von organischen Substituenten mit einer unterschiedlichen Anzahl von Kohlenstoffatomen gewählt. Die organischen Substituenten können in einem Silikon in einem beliebigen Verhältnis zueinander stehen. In der Regel weist ein Substituent 1 bis 12, insbesondere 1 bis 8, Kohlenstoffatome auf. Beispielsweise sind R1, R2 und R3 aus Methyl, Ethyl, Cyclohexyl oder Phenyl, insbesondere Methyl und Phenyl gewählt.
  • Organische Substituenten mit vielen Kohlenstoffatomen erhöhen in der Regel den Brechungsindex, während kleinere Substituenten zu einem niedrigeren Brechungsindex führen. Beispielsweise kann ein Silikon, das reich an Methylgruppen ist, einen niedrigen Brechungsindex, beispielsweise von 1.40 bis 1.44 aufweisen. Ein Silikon das zum Beispiel reich an Phenylgruppen oder Cyclohexylgruppen ist, kann hingegen einen höheren Brechungsindex aufweisen.
  • Ebenso können bei anderen Matrixmaterialien als Silikone die Brechungsindizes über die Wahl der Substituenten und/oder durch Hybridmaterialien, zum Beispiel Silikonepoxy, eingestellt werden.
  • Beispielsweise kann für einen Füllstoff aus SiO2-Partikeln mit einem Brechungsindex bei Raumtemperatur von 1.46 ein Polymethylphenylsiloxan mit einem Brechungsindex zwischen 1.48 und 1.50, beispielsweise 1.49 eingesetzt werden. Ein Cyclohexyl substituiertes Silikon mit einem Brechungsindex von 1.47 bis 1.49, beispielsweise 1.48, kann ebenfalls für SiO2-Partikel geeignet sein. Typischerweise eignet sich für einen Füllstoff aus Magnesiumfluorid oder Lithiumfluorid ein Silikon das reich an Methylgruppen ist. Beispielsweise kann Poly(dimethylsiloxan) verwendet werden, was vorteilhaft ist, da dieses besonders preisgünstig ist.
  • Weiterhin ist es möglich den Brechungsindex des Matrixmaterials durch Mischen von unterschiedlichen Matrixmaterialien einzustellen. Zum Beispiel kann der Brechungsindex einer Silikonmatrix auch durch Mischen verschiedener Silikone eingestellt werden, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Auf diese Weise kann das Matrixmaterial eine Polymer-Mischung von Silikonen mit unterschiedlichen organischen Substituenten aufweisen oder daraus bestehen. Möglich ist aber auch, dass ein Silikon-Co-Polymer aus verschiedenen Monomeren erzeugt wird, die unterschiedliche organische Substituenten aufweisen, und so der Brechungsindex des Matrixmaterials entsprechend angepasst wird. Es kann auch eine Mischung verschiedener Silikon-Co-Polymere mit verschiedenen Brechungsindizes verwendet werden, um den Brechungsindex des Matrixmaterials einzustellen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der transparente Körper einen Füllstoffgehalt von bis zu 80 Gew-% auf (Gew-% = Gewichtsprozent). Der transparente Körper enthält insbesondere 25 bis 70 Gew-% und oft 30 bis 60 Gew-% Füllstoff, beispielsweise 50 Gew-% Füllstoff.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform bildet der Füllstoff im transparenten Körper zusammenhängende Füllstoffpfade aus. Diese Füllstoffpfade werden auch Perkolationspfade genannt und bilden sich in der Regel statistisch aus. Sie können sich über den gesamten transparenten Körper erstrecken. Typischerweise geschieht dies ab einem Füllstoffgehalt zwischen 28 und 35 Vol-%, in der Regel zwischen 30 und 32 Vol-%, der sogenannten Perkolationsschwelle (Vol-% = Volumenprozent). Vorteilhafterweise wird durch Füllstoffpfade die Wärmeleitfähigkeit des transparenten Körpers erhöht.
  • Durch die gezielte Anpassung der Brechungsindizes des Matrixmaterials an den Füllstoff werden selbst bei einem hohen Füllstoffgehalt von ≥ 30 Vol-%, insbesondere von ≥ 40 Vol-%, Strahlungsverluste beziehungsweise Helligkeitsverluste im transparenten Körper verringert oder vermieden.
  • Des Weiteren wird durch den Füllstoff, insbesondere bei einem hohen Füllstoffgehalt, die Permeabilität des transparenten Körpers im Vergleich zu einer herkömmlichen Matrix aus einem reinen Polymermaterial, insbesondere aus einem Silikon, verringert. Der transparente Körper weist insbesondere eine niedrigere Permeabilität für Feuchtigkeit und/oder schadhafte Gase auf. Dadurch wird insbesondere die Strahlungsquelle geschützt, wodurch die Lebensdauer des Bauelementes erhöht wird.
  • Zudem können durch den Füllstoff auch die mechanischen Eigenschaften des transparenten Körpers verbessert werden. Beispielsweise ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des transparenten Körpers niedriger als der einer herkömmlichen Matrix aus einem reinen Polymermaterial. Hierdurch kann die Lebensdauer des Bauelementes erhöht werden, da zum Beispiel die Gefahr von Rissen im transparenten Körper gesenkt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Füllstoff eine durchschnittliche Korngröße von bis zu 100 μm auf. Die durchschnittliche Korngröße liegt insbesondere bei 5 bis 20 μm. Für einige Anwendungen können auch zumindest teilweise kleinere Partikel, beispielsweise mit einem durchschnittlichen Durchmesser ≤ 1 μm, insbesondere 200 bis 500 nm, verwendet werden, da mit diesen die Strahlung stark gestreut werden kann, was zu einer verbesserten Farbhomogenität führen kann. Als Parameter für die Korngröße wird in der Regel der Durchmesser verwendet. Der Partikeldurchmesser wird über ein Siebverfahren bestimmt.
  • Der Füllstoff kann beispielsweise aus sphärischen oder nahezu sphärenförmigen Partikeln bestehen, so dass der Durchmesser näherungsweise der Korngröße entspricht. Der Füllstoff kann auch andere Partikelformen, beispielsweise kantige, längliche oder amorphe Partikelformen aufweisen. Bei solchen Partikeln wird der gemittelte Durchmesser als Maß für die Korngröße verwendet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Füllstoff eine Korngröße von ≥ 2 μm und insbesondere von ≥ 4 μm auf. Kleinere Partikel können über ein Siebverfahren abgetrennt werden. Da Partikel mit einer Korngröße von < als 2 μm und insbesondere von < 1 μm an ihrer Oberfläche sehr stark Licht streuen können, werden die Strahlungsverluste im transparenten Körper verringert und dadurch insgesamt die Effizienz des Bauelementes erhöht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform besitzt der Füllstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Matrixmaterial. Die Wärmeleitfähigkeit des reinen Matrixmaterials beträgt typischerweise 0.1 bis 0.2 W/mK. Zum Beispiel weist ein Silikon eine Wärmeleitfähigkeit von 0.12 bis 0.18, beispielsweise 0.15 W/mK auf. Der anorganische Füllstoff weist hingegen eine Wärmeleitfähigkeit von ≥ 1.0 W/mK, insbesondere von ≥ 10 W/mK. Beispielsweise weisen sphärische SiO2-Partikel eine Wärmeleitfähigkeit von 1.38 W/mK auf.
  • Vorteilhafterweise weisen Metallfluoride in der Regel eine deutliche höhere Wärmeleitfähigkeit auf, beispielsweise MgF2 eine von 14 W/mK, LiF eine von 11 W/mK, CaF2 eine von 10 W/mK und BaF2 eine von 12 W/mK.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der transparente Körper eine Wärmeleitfähigkeit von ≥ 0.25 W/mK und insbesondere ≥ 0.30 W/mK auf. Die Wärmeleitfähigkeit kann, insbesondere mit Metallfluoriden, ≥ 2 W/mK und oft ≥ 5 W/mK sein. Durch die Kombination des Füllstoffs mit dem Matrixmaterial weist der transparente Körper des erfindungsgemäßen Bauelements vorteilhafterweise eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als eine herkömmliche Matrix aus einem reinen Polymermaterial. Der Wärmetransport durch den transparenten Körper kann dabei insbesondere über ausgebildete Füllstoffpfade erfolgen. Auch wenn der Füllstoffgehalt unterhalb der Perkolationsschwelle liegt, ist die Wärmeleitfähigkeit des transparenten Körpers höher als die eines reinen Matrixmaterials.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Bauelement ein Gehäuse mit einer Ausnehmung auf. Das Gehäuse kann beispielsweise einen Kunststoff, eine Keramik oder eine Kombination davon umfassen oder daraus bestehen. Das Gehäuse kann auch Strahlung reflektierende Materialien, insbesondere an den Seitenwänden der Ausnehmung, umfassen. Die Strahlungsquelle, der transparente Körper und das Konvertermaterial können in der Ausnehmung angeordnet sein. Die Seitenwände der Ausnehmung können insbesondere schräg zum Boden der Ausnehmung ausgeformt sein, sodass die Strahlung reflektiert werden kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlungsquelle am Boden der Ausnehmung angeordnet. Der transparente Körper füllt die Ausnehmung zumindest teilweise aus und kann die Funktion einer Vergussmasse oder eines Streukörpers übernehmen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Bauelement ein Bondpad und einen Bonddraht, der die Strahlungsquelle leitend mit dem Bondpad verbindet. Das Bondpad kann ebenfalls in der Ausnehmung angeordnet sein. Das Bondpad und die Strahlungsquelle sind mit elektrisch leitfähigen Anschlüssen verbunden, die aus dem Gehäuse herausführen können. Die elektrisch leitfähigen Anschlüsse können zumindest ein Teil eines Leiterrahmens (lead frame) sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform steht die Strahlungsquelle in thermisch leitenden Kontakt zu einer Wärmesenke, beispielsweise einem Teil des Leiterrahmens.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen zumindest Teile der Strahlungsquelle, der elektrischen Anschlüsse, und/oder des Leiterrahmens eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und können dazu dienen, Wärme aus dem Bauelement und insbesondere von der Strahlungsquelle abzuleiten. Dabei kann auch Wärme über den transparenten Körper beziehungsweise über die Füllstoffpfade im transparenten Körper abgeleitet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Konvertermaterial zumindest teilweise thermisch leitend über den transparenten Körper beziehungsweise über die Füllstoffpfade im transparenten Körper mit der Strahlungsquelle und/oder mit den elektrisch leitfähigen Anschlüsse und/oder mit dem Leiterrahmen verbunden. Dadurch kann die Konversionswärme vom Konvertermaterial abgeleitet und dann weiter aus dem Bauelement herausgeführt werden. Dadurch wird die Wärmeableitung im Bauelement weiter verbessert.
  • Konvertermaterialien und insbesondere Konvertermaterialien, die im roten Bereich des Spektrums emittieren und mit einer kurzwelligen Strahlung, beispielsweise im blauen Bereich des Spektrums, angeregt werden, erzeugen viel Konversionswärme und laufen Gefahr zu überhitzen. Des Weiteren kann ihre Effizienz bei Erwärmen auf Betriebstemperatur stark sinken, beispielsweise um bis zu 50%. Dadurch kann sich beim Erwärmen der Farbeindruck der vom Bauelement emittierten Strahlung ändern. Durch die verbesserte Wärmeleitfähigkeit des transparenten Körpers im Vergleich zu einer herkömmlichen Matrix aus einem reinen Polymermaterial ohne einen Wärme leitenden Füllstoff wird die Effizienz des Konvertermaterials erhöht. Nach zumindest einer Ausführungsform der Erfindung kann die Temperatur am Konvertermaterial, das im thermisch leitenden Kontakt mit dem Füllstoff im transparenten Körper steht, um bis zu 40% im Vergleich zu einem herkömmlichen Bauelement ähnlicher Bauart ohne Füllstoff gesenkt werden. Beispielsweise können mit 40 bis 50 Gew-% SiO2-Partikel im transparenten Körper die Temperatur am Konvertermaterial um 15 bis 30%, insbesondere 22 bis 30% und häufig 25 bis 30%, gesenkt werden. Mit einem Füllstoff aus Metallfluorid kann die Temperatur bei 40 bis 60 Gew-% Füllstoffgehalt um 20 bis 40%, insbesondere um 30 bis 40% und häufig 35 bis 40%, gesenkt werden. Somit wird auch eine Überhitzung des Konvertermaterials vermieden oder zumindest die Wahrscheinlichkeit dafür gesenkt. Zudem weist die vom Bauelement emittierte Strahlung typischerweise einen konstanteren Farbeindruck auf.
  • Die sinkende Effizienz des Konvertermaterials beim Erwärmen von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur kann bei einigen Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Bauelementen zumindest teilweise durch die sinkende Streuung und/oder Absorption der Strahlung im transparenten Körper kompensiert werden, wenn die Bauelemente ein Matrixmaterial aufweisen dessen Brechungsindex, wie weiter oben beschrieben, an den Brechungsindex des Füllstoffs so angepasst ist, dass sich die Differenz der Brechungsindizes des Matrixmaterials und des Füllstoffs bei Betriebstemperatur verringert. Vorteilhafterweise wird dadurch ein konstanterer Farbeindruck für die vom Bauelement emittierte Strahlung erhalten.
  • Bei einem Konvertermaterial kann sich zudem mit der Temperatur auch die Wellenlänge der konvertierten Strahlung ändern, so dass es zu einer Verschiebung des Farborts der konvertierten Strahlung im CIE-Diagramm kommt. Diese temperaturabhängige Verschiebung des Farbeindruckes der konvertierten Strahlung wird auch als Farbortshift bezeichnet. Ein solcher Farbortshift ist im Allgemeinen bei einem großen Abstrahlwinkel θ (θ = Theta) zur Hauptabstrahlrichtung (θ = 0°) der Strahlungsquelle besonders ausgeprägt. In dem erfindungsgemäßen Bauelement wird ein solcher Farbortshift im Vergleich zu herkömmlichen Strahlung emittierenden Bauelementen reduziert, da die Konversionswärme effizient über den transparenten Körper beziehungsweise über die Füllstoffpfade im transparenten Körper vom Konvertermaterial abgeführt wird. Dadurch wird vorteilhafterweise eine höhere Farbkonstanz erzielt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der transparente Körper mit Partikeln versetzt, die ein Konvertermaterial umfassen oder daraus bestehen. Diese Partikel können homogen im transparenten Körper verteilt sein. Der transparente Körper kann beispielsweise zusammen mit den Partikeln eine Vergussmasse ausbilden, die die Ausnehmung des Bauelementes ganz oder teilweise ausfüllt. Das in den Partikeln enthaltene Konvertermaterial steht dabei zumindest teilweise in thermisch leitenden Kontakt mit dem Füllstoff.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform stehen die Partikel in einem thermisch leitenden Kontakt zu mindestens einem Füllstoffpfad. Ein Füllstoffpfad kann durch einen solchen Partikel unterbrochen werden und dennoch seine normale Wärmeleitfähigkeit besitzen. Ein solcher unterbrochener Füllstoffpfad kann auch als zwei separate Füllstoffpfade, die von dem Partikel aus dem transparenten Körper herausführen, aufgefasst werden. Beispielsweise können die Partikel mit dem Füllstoff auch zusammenhängende Pfade beziehungsweise Perkolationspfade ausbilden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Partikel, die das Konvertermaterial umfassen oder daraus bestehen, in der Regel eine Größe von bis zu 60 μm, insbesondere von 5 bis 40 μm und häufig von 10 bis 30 μm, auf.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Bauelement ein Konversionselement. Das Konversionselement umfasst das Konvertermaterial, es kann auch weitere Materialien wie beispielsweise Bindemittel enthalten. Das Konversionselement kann als diskretes Element ausgebildet sein, das heißt, dass das Konversionselement durch optische Verfahren, beispielsweise per Lichtmikroskopie, eindeutig von seiner Umgebung oder anderen Teilen des Bauelementes unterschieden werden kann. Das Konversionselement kann selbsttragend sein, so dass es mit einer Pinzette oder einem anderen Werkzeug handhabbar ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform bildet der transparente Körper mit Partikeln, die das Konvertermaterial enthalten oder daraus bestehen, ein Konversionselement aus. Das Konversionselement kann weitere Materialien beispielsweise Bindemittel, umfassen. Das Konversionselement kann diskret und/oder selbsttragend ausgebildet sein. Durch den thermisch leitenden Kontakt des Konvertermaterials mit dem Füllstoff wird die Konversionswärme zumindest teilweise an den Rand des Konversionselements abgeführt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Konversionselement, das das Konvertermaterial enthält und den transparenten Körper umfassen kann, von der Strahlungsquelle beabstandet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Konversionselement durch eine Vergussmasse von der Strahlungsquelle beabstandet. Diese Vergussmasse kann eine herkömmliche Vergussmasse aus einem Polymermaterial sein. Insbesondere kann die Vergussmasse einen transparenten Körper umfassen oder daraus bestehen. Die Konversionswärme wird zumindest teilweise über den transparenten Körper beziehungsweise über die Füllstoffpfade von dem Konversionselement abgeführt. Insbesondere wird dadurch die Wärme vom Konversionselement zumindest teilweise weiter an die Strahlungsquelle und/oder an die elektrisch leitfähigen Anschlüsse und/oder an den Leiterrahmen abgeführt. Das Bauelement kann ein Konversionselement, das einen transparenten Körper umfasst, und auch eine Vergussmasse umfassen, die einen transparenten Körper enthält oder daraus besteht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Abstand zwischen dem Konversionselement und der Strahlungsquelle ≤ 200 μm, und insbesondere ≤ 50 μm, so dass die Konversion nahe der Strahlungsquelle erfolgt (sogenannte chip-level conversion). Das Konversionselement weist dabei bevorzugt eine Plättchen- oder eine Chipform auf. Andere Formen können ebenfalls verwendet werden. Das Konversionselement ist dabei beispielsweise stoffschlüssig durch eine Vergussmasse mit der Strahlungsquelle verbunden. Das Bauelement kann eine weitere Vergussmasse umfassen, die beispielsweise die restliche Ausnehmung ganz oder teilweise ausfüllt. Zumindest eine der Vergussmassen umfasst einen transparenten Körper oder besteht aus einem transparenten Körper. Die beiden Vergussmassen können auch identisch sein.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Konversionselement einen Abstand von > 200 μm, insbesondere von ≥ 750 μm und oft von ≥ 900 μm zur Strahlungsquelle auf, so dass die Konversion in einem großen Abstand zur Strahlungsquelle erfolgt (remote phosphor conversion). Das Konversionselement kann über eine Vergussmasse von der Strahlungsquelle beabstandet sein. Diese Vergussmasse kann einen transparenten Körper umfassen oder daraus bestehen. Das Konversionselement kann, wie oben bereits beschrieben, ebenfalls einen transparenten Körper umfassen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Konversionselement in der Öffnung der Ausnehmung angeordnet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Konversionselement oder eine Vergussmasse eine Linse ausbilden. Die Linse kann beispielsweise die Öffnung der Ausnehmung ausfüllen oder in dieser angeordnet sein. Die Linse kann einen Hohlraum ausweisen, der mit einem weiteren Material gefüllt sein kann. Dieses Material kann beispielsweise ein Gas, ein Gasgemisch, ein Kunststoff- oder ein Polymermaterial, ein Glas oder ein anderes Material oder eine Kombination von mehreren Materialien umfassen oder daraus bestehen.
  • Im Allgemeinen wird in einem Bauelement mit chip-level conversion die Konversionswärme besser vom Konvertermaterial abgeführt, da die Distanz beispielsweise zur Strahlungsquelle und/oder zu den elektrisch leitfähigen Anschlüssen und/oder zum Leiterrahmen kurz ist. Jedoch kann bei einem Bauelement mit remote phosphor conversion das Konvertermaterial baulich bedingt eine höhere Effizienz als das gleiche Konvertermaterial bei chip-level conversion aufweisen. Dies gilt für Bauelemente in denen Partikel, die das Konvertermatermaterial enthalten oder daraus bestehen, mit einer Vergussmasse vermischt sind. Durch den größeren Abstand zur Strahlungsquelle kann die Konversionswärme häufig nur unzureichend vom Konvertermaterial abgeführt werden. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements kann der Wärmetransport zumindest teilweise über den transparenten Körper beziehungsweise über die Füllstoffpfade im transparenten Körper erfolgen. Dadurch wird insbesondere in Bauelementen mit remote phosphor conversion oder mit einer Vergussmasse mit einem transparenten Körper, der mit Partikeln vermischt ist, die das Konvertermaterial enthalten oder daraus bestehen, die Effizienz des Konvertermaterials erhöht und eine Überhitzung des Konvertermaterials vermieden.
  • Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann der Brechungsindex des Matrixmaterials bei Raumtemperatur gleich oder bis zu 0.04 kleiner als der Brechungsindex des Füllstoffs sein. Beim Erwärmen auf Betriebstemperatur kann sich diese Differenz vergrößern, zum Beispiel auf 0.04 bis 0.08, wodurch die Strahlung stärker gestreut wird, was erwünscht sein kann, um die Farbhomogenität zu verbessern.
  • Als weiterer Aspekt einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Strahlung emittierenden Bauelementes angegeben, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
    • (a) Bereitstellen einer Halbleitermaterialien enthaltenden Strahlungsquelle, die im Betrieb eine erste Strahlung erster Wellenlänge emittiert;
    • (b) Erzeugen eines transparenten Körpers, der ein Matrixmaterial und einen anorganischen Füllstoff umfasst;
    • (c) Anordnen des transparenten Körpers im Strahlengang der ersten Strahlung; und
    • (d) Anordnen von Konvertermaterial im Strahlengang der ersten Strahlung, so dass zumindest ein Teil des Konvertermaterials im thermisch leitenden Kontakt mit zumindest einem Teil des Füllstoff des transparenten Körpers steht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird im Verfahrensschritt (b) das Matrixmaterial so auf den Füllstoff abgestimmt, dass es bei Raumtemperatur einen um 0.01 bis 0.05 höheren Brechungsindex als der Füllstoff aufweist. Des Weiteren wird das Matrixmaterial so gewählt, dass bei Betriebstemperatur des Bauelementes die Differenz der Brechungsindizes des Matrixmaterials und des Füllstoffs ≤ 0.015 ist. Dies kann insbesondere unter Berücksichtigung der unterschiedlichen thermo-optischen Koeffizienten des Matrixmaterials und des Füllstoffs geschehen. Insbesondere ist der Brechungsindex des Matrixmaterials bei Raumtemperatur 0.01 bis 0.04, oft 0.015 bis 0.035 höher als der des Füllstoffs.
  • Insbesondere ist die Differenz der Brechungsindizes bei Betriebstemperatur ≤ 0.01, oft ≤ 0.075, beispielsweise ≤ 0.005.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird im Verfahrensschritt (b) als Matrixmaterial zumindest ein Silikon mit organischen Substituenten an den Siliciumatomen verwendet. Der Brechungsindex des Silikons bei Raumtemperatur in einem Bereich von 1.40 bis 1.54 kann über Variation und Verhältnis der organischen Substituenten, die eine unterschiedliche Anzahl von Kohlenstoffatomen aufweisen, wie oben beschrieben, eingestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Brechungsindex des Matrixmaterials zumindest teilweise durch eine Kombination von unterschiedlichen Kunststoffen und/oder unterschiedlichen Silikonen eingestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden im Verfahrensschritt (b) folgende Teilverfahrensschritte durchgeführt:
    • 1. Bestimmung des Brechungsindexes des Füllstoffs bei Raumtemperatur und/oder Betriebstemperatur des Bauelementes.
    • 2. Einstellung des Brechungsindexes des Matrixmaterials unter Berücksichtigung des thermo-optischen Koeffizienten des Matrixmaterials, so dass eine Differenz der Brechungsindizes des Matrixmaterials und des Füllstoffs bei Betriebstemperatur des Bauelements von ≤ 0.015 resultiert. Insbesondere ist die Differenz der Brechungsindizes bei Betriebstemperatur ≤ 0.01, oft ≤ 0.0075, beispielsweise ≤ 0.005.
    • 3. Erzeugen des transparenten Körpers.
    Es können bei 2. auch zunächst die Brechungsindizes mehrerer unterschiedlicher Kunststoffe und/oder unterschiedlicher Silikone bestimmt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Schritte (b) und (c) zusammen ausgeführt werden. Das Matrixmaterial kann bei Raumtemperatur mit dem Füllstoff vermengt werden oder hierzu etwas erwärmt werden. Das Vermengen erfolgt in der Regel bei einer Temperatur ≤ 70°C, insbesondere ≤ 60°C. Weitere Materialien können zugegeben werden. Diese Mischung kann beispielsweise in eine Ausnehmung des Bauelementes eingefüllt werden und den transparenten Körper im Strahlengang der ersten Strahlung ausbilden. Zum Aushärten des transparenten Körpers kann auf höhere Temperaturen erhitzt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Schritte (b), (c) und (d) zusammengefasst. Beispielsweise kann das Matrixmaterial bei Raumtemperatur oder wie oben beschreiben bei ≤ 70°C, insbesondere ≤ 60°C, mit dem Füllstoff sowie Partikeln, die das Konvertermaterial umfassen oder daraus bestehen, vermengt werden. Weitere Materialien können zugegeben werden. Diese Mischung kann beispielsweise in die Ausnehmung des Bauelementes eingefüllt werden und einen transparenten Körper, der mit den Partikeln vermischt ist, im Strahlengang der ersten Strahlung ausbilden. Zum Aushärten kann gegebenenfalls erhitzt werden. Dadurch kann auch ein Konversionselement ausgebildet werden.
  • In weiteren Verfahrensschritten, bei denen keine bestimmte Reihenfolge vorgegeben ist, können weitere Bestandteile eines Bauelementes bereitgestellt respektive angeordnet werden. Es können auch weitere Verfahrensschritte mit bereits genannten Verfahrensschritten zusammen ausgeführt werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen insbesondere anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei geben gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis vergrößert und/oder schematisch dargestellt sein.
  • Es zeigen
  • 1 ein Ausführungsbeispiel des Bauelements,
  • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Bauelements mit einem beabstandeten Konversionselement (remote phosphor conversion),
  • 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Konversionselement nahe der Strahlungsquelle (chip-level conversion),
  • 4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit eines transparenten Körpers vom Füllstoffgehalt zeigt,
  • 5 ein Diagramm, das den verringerten Farbortshift in einem erfindungsgemäßen Bauelement im Vergleich zu einem herkömmlichen Bauelement zeigt.
  • 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Strahlung emittierenden Bauelements 1 gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Bauelement 1 besitzt ein Gehäuse 5, mit einer Ausnehmung 6, in der ein Halbleiterchip, eine LED, als Strahlungsquelle 10 am Boden der Ausnehmung 6 angeordnet ist. Am Boden der Ausnehmung 6 ist ein Bondpad 15 angeordnet, das über einem Bonddraht 16 mit dem Halbleiterchip 10 leitend verbunden ist. Der Halbleiterchip 10 sowie das Bondpad 15 sind mit elektrisch leitfähigen Anschlüssen 17a, 17b verbunden, die aus dem Gehäuse 5 des Bauelements 1 hinausführen können und zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen sind. Die elektrisch leitfähigen Anschlüsse 17a, 17b können ein Teil des Leiterrahmens sein. Die Seitenwände 7 der Ausnehmung 6 können ein reflektierendes Material wie beispielsweise TiO2 oder eine Metallbeschichtung aufweisen.
  • Die Ausnehmung 6 ist mit einer Vergussmasse ausgefüllt. Die Vergussmasse besteht aus dem transparenten Körper 20 sowie aus Partikeln, die mindestens ein Konvertermaterial 30 enthalten oder daraus bestehen. Die Vergussmasse kann 4 bis 12 Gew-%, insbesondere 5 bis 10 Gew-% Konvertermaterial 30 enthalten. Die Vergussmasse kann auch weitere Materialien enthalten. Der transparente Körper 20 und das Konvertermaterial 30 sind also zumindest teilweise im Strahlengang 11, hier als gestrichelter Pfeil dargestellt, angeordnet. Als Strahlengang 11 ist hier der Übersichtlichkeit halber die Hauptabstrahlrichtung angegeben. Die Strahlung kann auch in einem Winkel θ zur Hauptabstrahlrichtung emittiert werden. In dieser Ausführungsform kann die Vergussmasse an dem oberen Ende der Ausnehmung 6 eine Linse 40 ausbilden.
  • Der Füllstoff im transparenten Körper 20 ist der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. Der Füllstoff kann Füllstoffpfade ausbilden, die das Konvertermaterial 30 zumindest teilweise thermisch leitend mit der Strahlungsquelle 10 und/oder den elektrisch leitfähigen Anschlüssen 17a, 17b und/oder dem Leiterrahmen verbinden. Dadurch wir im Betrieb die Konversionswärme vom Konvertermaterial 30 abgeführt. Der transparente Körper 20 enthält beispielsweise ein Cyclohexyl substituiertes Silikon als Matrixmaterial mit einem Brechungsindex von 1.47 bis 1.49, zum Beispiel 1.48, sowie 40 bis 50 Gew-% SiO2-Partikel als Füllstoff. Bei Raumtemperatur wird die Strahlung durch den transparenten Körper gestreut, bei 100°C hingegen ist der transparente Körper transparent mit einer Transmission von ≥ 95%, insbesondere ≥ 98%, bei einer Wellenlänge von 600 nm. Die Temperatur am Konvertermaterial ist im Vergleich zu einem herkömmlichen Bauelement mit einer Vergussmasse aus Silikon um 15 bis 30% gesenkt, wodurch die Effizienz des Konvertermaterials erhöht wird.
  • In 2 ist ein schematischer Querschnitt durch ein Bauelement 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Bereich der Öffnung der Ausnehmung 6 erstreckt sich ein Konversionselement 31, das mindestens ein Konvertermaterial 30 enthält. Der Gehalt an Konvertermaterial 30 kann beispielsweise 10 bis 30 Gew-%, insbesondere 15 bis 25 Gew-%, im Konversionselement 31 betragen. Das Konversionselement 31 kann auch einen transparenten Körper enthalten 20. Der Abstand zur Strahlungsquelle 10 ist dabei > 200 μm, insbesondere ≥ 750 μm (remote phosphor conversion). In diesem Ausführungsbeispiel bildet das Konversionselement 31 eine Linse 40 aus. Das Konversionselement 31 ist von der Strahlungsquelle 10 durch eine Vergussmasse beabstandet, die aus einem transparenten Körper 20 bestehen kann. Insbesondere können sowohl das Konversionselement 31 als auch die Vergussmasse einen transparenten Körper enthalten beziehungsweise letztere daraus bestehen.
  • Im Betrieb wird die Konversionswärme über einen transparenten Körper 20 beziehungsweise über die Füllstoffpfade im transparenten Körper 20 vom Konvertermaterial 30 abgeführt und dadurch die Effizienz des Konvertermaterials 30 erhöht.
  • 3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Bauelementes 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Ein Konversionselement 31 mit dem Konvertermaterial 30 ist über einen transparenten Körper 20, der die hier die Funktion eines Klebers übernehmen kann, mit dem Halbleiterchip 10 stoffschlüssig verbunden. Das Konversionselement 31 kann beispielsweise 20 bis 70 Gew-%, insbesondere 30 bis 60 Gew-%, Konvertermaterial 30 enthalten. Der Abstand zur Strahlungsquelle 10 ist ≤ 200 μm, insbesondere ≤ 50 μm (chip-level conversion). Das Konversionselement 31 kann einen transparenten Körper enthalten (nicht eingezeichnet). Das Konversionselement 31 besitzt die Form eines Plättchens; es können auch andere Formen für das Konversionselement 31 verwendet werden. Die Ausnehmung 6 ist mit einer Vergussmasse, die aus einem transparenten Körper 20 bestehen kann, ausgefüllt. Bei dieser Ausführungsform kann die Vergussmasse eine Linse 40 ausbilden.
  • In 4 ist gezeigt die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit in W/mK (y-Achse) vom Füllstoffgehalt in Gew-% (x-Achse) einer Vergussmasse, die einen transparenten Körper 20, der aus Poly(dimethylsiloxan) als Matrixmaterial sowie einem variablen Prozentsatz an sphärischen SiO2-Partikeln als Füllstoff besteht und mit 7 Gew-% Partikeln aus einem mit Cer dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce) vermischt ist. Ohne Füllstoffpartikel besitzt die Vergussmasse eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0.15 W/mK. Mit 30 Gew-% SiO2-Partikel wird bei der Vergussmasse eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0.23 W/mK und mit 50 Gew-% SiO2-Partikel eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0.35 W/mK beobachtet.
  • In 5 ist ein Diagramm wiedergegeben, das die verbesserte Farbkonstanz des Bauelements nach einer Ausführungsform der Erfindung 100 im Vergleich zu einem herkömmlichen Bauelement 200 zeigt. Das Bauelemente nach einer Ausführungsform der Erfindung weist eine zu einer Linse 40 ausgebildete Vergussmasse aus einem transparenten Körper 20 auf, der aus Poly(dimethylsiloxan) und 50 Gew-% sphärischen SiO2-Partikeln besteht und der mit 7 Gew-% Partikeln aus YAG:Ce vermischt ist. Die Vergussmasse des herkömmlichen Bauelementes besteht nur aus Poly(dimethylsiloxan) und 7 Gew-% Partikeln aus YAG:Ce. Der Cx-Wert ist auf der y-Achse aufgetragen, der Winkel θ zur Hauptabstrahlrichtung (θ = 0°) ist auf der x-Achse aufgetragen. Gemessen wurde bei Raumtemperatur unmittelbar nach Inbetriebnahme des Bauelements. Der Farbortshift im erfindungsgemäßen Bauelement 100 ist deutlich geringer als der des herkömmlichen Bauelementes 200.
  • Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmale 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 98/12757 [0012]

Claims (15)

  1. Strahlung emittierendes Bauelement (1) umfassend: eine Halbleitermaterialien enthaltende Strahlungsquelle (10), die im Betrieb eine erste Strahlung erster Wellenlänge emittiert; einen transparenten Körper (20), der ein Matrixmaterial und einen anorganischen Füllstoff umfasst und der zumindest teilweise im Strahlengang (11) der ersten Strahlung angeordnet ist; ein Konvertermaterial (30), das zumindest teilweise im Strahlengang (11) der ersten Strahlung angeordnet ist und die erste Strahlung zumindest teilweise in eine zweite Strahlung mit einer zweiten, längeren Wellenlänge konvertiert; wobei das Konvertermaterial (30) zumindest teilweise in einem thermisch leitenden Kontakt mit zumindest einem Teil des Füllstoffs des transparenten Körpers (20) steht.
  2. Bauelement (1) nach Anspruch 1, wobei das Matrixmaterial bei Raumtemperatur einen um 0.01 bis 0.05 höheren Brechungsindex und einen höheren thermo-optischen Koeffizienten als der Füllstoff aufweist, so dass bei einer Betriebstemperatur des Bauelements (1) eine Differenz der Brechungsindizes ≤ 0.015 ist.
  3. Bauelement (1) nach Anspruch 2, wobei das Matrixmaterial einen Brechungsindex aufweist, der bei Raumtemperatur um 0.01 bis 0.04 und insbesondere um 0.015 bis 0.035 höher als der Brechungsindex des Füllstoffes ist.
  4. Bauelement (1) nach Anspruch 2, wobei bei Betriebstemperatur die Differenz der Brechungsindizes ≤ 0.01 und insbesondere ≤ 0.0075 ist.
  5. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Füllstoff ein Metallfluorid, insbesondere MgF2, LiF, CaF2, BaF2 oder eine Kombination davon, umfasst.
  6. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Füllstoff Glas, Quarz, sphärische SiO2-Partikel, ein Borosilicatglas oder eine Kombination davon umfasst.
  7. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Füllstoff im transparenten Körper (20) zusammenhängende Füllstoffpfade ausbildet.
  8. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Füllstoff eine Korngröße ≥ 2 μm und insbesondere ≥ 4 μm aufweist.
  9. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der transparente Körper (20) eine Wärmeleitfähigkeit von ≥ 0.25 W/mK und insbesondere ≥ 0.30 W/mK aufweist.
  10. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der transparente Körper (20) mit Partikeln versetzt ist, die das Konvertermaterial (30) umfassen.
  11. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bauelement (1) ein Konversionselement (31) umfasst, das den transparenten Körper (20) und das Konvertermaterial (30) umfasst und das von der Strahlungsquelle (10) beabstandet ist.
  12. Bauelement (1) nach Anspruch 11, wobei das Konversionselement (31) von der Strahlungsquelle (10) durch eine Vergussmasse beabstandet ist, die einen transparenten Körper (20) umfasst.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Strahlung emittierenden Bauelements (1) nach den Ansprüchen 1 bis 12, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst: (a) Bereitstellen einer Halbleitermaterialien enthaltenden Strahlungsquelle (10), die im Betrieb eine erste Strahlung erster Wellenlänge emittiert; (b) Erzeugen eines transparenten Körpers (20), der ein Matrixmaterial und einen anorganischen Füllstoff umfasst; (c) Anordnen des transparenten Körpers (20) im Strahlengang (11) der ersten Strahlung; und (d) Anordnen von Konvertermaterial (30) im Strahlengang (11) der ersten Strahlung, so dass zumindest ein Teil des Konvertermaterials (30) in einem thermisch leitenden Kontakt mit zumindest einem Teil des Füllstoff des transparenten Körpers (20) steht.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei im Verfahrensschritt (b) das Matrixmaterial so auf den Füllstoff abgestimmt wird, dass es bei Raumtemperatur einen um 0.01 bis 0.05 höheren Brechungsindex aufweist und bei Betriebstemperatur des Bauelements (1) die Differenz der Brechungsindizes ≤ 0.015 ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei im Verfahrensschritt (b) als Matrixmaterial zumindest ein Silikon mit organischen Substituenten an den Siliciumatomen verwendet wird, und der Brechungsindex des mindestens einen Silikons bei Raumtemperatur in einem Bereich von 1.40 bis 1.54 über Variation und Verhältnis der organischen Substituenten mit einer unterschiedlichen Anzahl von Kohlenstoffatomen eingestellt wird.
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