DE102010043747A1 - Halbleiteranordnung und mit dieser aufgebaute Funktionseinheit sowie Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem Kühlkörper und mindestens einem an einer Oberfläche des Kühlkörpers angebrachten Halbleiterbauelement, optional in Form mindestens einer Leuchtdiodenanordnung. Der Kühlkörper ist für den Einsatz der Halbleiteranordnung im Außenbereich an seiner der Atmosphäre zuwendbaren Oberfläche mit einer Beschichtung versehen, die im Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung von 8 μm bis 13 μm oder 8 μm bis 10 μm einen Emissionsgrad von mindestens 0,8 und im Bereich unterhalb von 8 μm einen Absorptionsgrad sehr viel kleiner als 0,8 aufweist. Hierdurch lässt sich eine effektive Strahlungskühlung über das atmosphärische Transmissionsfenster erreichen.

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung und eine mindestens eine Halbleiteranordnung enthaltende Funktionseinheit sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung. Das Verfahren und die Vorrichtung erlauben eine Kühlung oder Entwärmung von Halbleiterbauelementen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Halbleiteranordnung und eine unter Verwendung einer oder mehrerer solcher Halbleiteranordnungen aufgebaute Funktionseinheit (Bauteils) wie z. B. eine Straßenleuchte. Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung ist eine passive Entwärmung, d. h. eine Wärmeabfuhr oder Kühlung von Halbleiterbauelementen wie etwa von Leuchtdioden, LED (Light Emitting Devices), organischen Leuchtdioden (OLED), Laser-Dioden, oder Bauelementen der Leistungselektronik, im Außenbereich vorgesehen.
• Stand der Technik
• Die Kühlung von Halbleiterbauelementen kann bekanntlich durch Kühlkörper erfolgen, die mit dem Halbleiterbauelement verbunden sind und die vom Halbleiterbauelement generierte Wärme durch Konvektionskühlung an die Umgebung abgeben. Durch die Verwendung von Kühlkörpern wird eine vergrößerte Oberfläche geboten, über die das Halbleiterbauelement durch vorbeistreichende Luft konvektionsgekühlt wird. Speziell bei Sonneneinstrahlung bei Einsatz des Halbleiterbauelements im Außenbereich kann jedoch die Kühlfläche durch Absorption der Sonnenenergie so stark erwärmt werden, dass z. B. eine aktive Konvektionskühlung mit zusätzlichem Lüftergebläse oder mit Fluidströmung installiert werden muss. Andernfalls sind Hochleistungs-LEDs eventuell nicht einsetzbar. Eine aktive Konvektionskühlung erfordert jedoch erhöhten Aufwand, Bauraum und Wartungsbedarf und führt zudem zu erhöhtem Leistungsbedarf aufgrund der zum Betrieb der aktiven Kühleinrichtung benötigten, in der Regel elektrischen, Energie.
• Darstellung der Erfindung
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halbleiteranordnung sowie ein mit einer oder mehrerer solcher Halbleiteranordnungen ausgestattetes Gerät mit geringem Aufwand und Leistungsbedarf effektiv kühlen zu können, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren anzugeben.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung in Form einer Halbleiteranordnung gelöst, die mit einem Kühlkörper versehen ist, der mit einer selektiven Beschichtung oder mit einem Beschichtsystem zur Strahlungskühlung insbesondere über das atmosphärische Transmissionsfenster versehen ist. Hierdurch lässt sich insbesondere beim Außeneinsatz eine sehr effektive Kühlung mit nur geringem apparativem Aufwand erreichen. Es muss keine Zwangskühlung in Form einer aktiv erzwungenen Konvektion vorgesehen werden. Optional können selbstverständlich je nach Einsatzgebiet auch solche weiteren Kühlmaßnahmen zusätzlich implementiert sein.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Halbleiteranordnung mit einem Kühlkörper und mindestens einem Halbleiterbauelement, das mit dem Kühlkörper in thermisch leitender Verbindung steht und optional in Form mindestens einer Leuchtdiodenanordnung ausgebildet sein kann, für den Einsatz der Halbleiteranordnung im Außenbereich geschaffen. Der Kühlkörper ist an seiner der Atmosphäre zuwendbaren Oberfläche mit einer Beschichtung versehen, die im Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung von 8 μm bis 13 μm oder 8 μm bis 10 μm einen Emissionsgrad von mindestens 0,8 und im Bereich unterhalb von 8 μm einen Absorptionsgrad sehr viel kleiner als 0,8 aufweist.
• Das Halbleiterbauelement kann z. B. direkt an einer Oberfläche des Kühlkörpers angebracht sein oder kann mit dem Kühlkörper indirekt z. B. über eine wärmeleitende Verbindung wie etwa eine Heat-Pipe in thermisch leitender Verbindung stehen.
• Mit der Erfindung wird eine Strahlungskühlung von Halbleiterbauelementen durch IR-selektive Beschichtungen erzielt (IR gleich Infrarot).
• Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und den weiteren unabhängigen Ansprüchen.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
• 1 ein schematisches Schaubild, das die relative Durchlässigkeit der Atmosphäre bezogen auf die Wellenlänge veranschaulicht,
• 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer Außenleuchte, z. B. einer Straßenleuchte, die eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung bzw. eines entsprechenden Halbleiterbauelements enthält,
• 3 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung, und
• 4 bis 9 weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Halbleiteranordnungen.
• Bevorzugte Ausführung der Erfindung
• Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
• In 1 ist ein Schaubild dargestellt, das die relative Durchlässigkeit der Atmosphäre in Bezug zu den Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung veranschaulicht. Im Bereich der Infrarot-Wellenlängen existiert im Wellenlängenbereich von ca. 8 μm bis 13 μm ein sogenanntes Atmosphärisches Fenster AF, in dem die Atmosphäre für diesen Wellenlängenbereich im Wesentlichen transparent ist.
• Die vorliegende Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass typische Kühlkörpertemperaturen bei der Entwärmung von Halbleiterbauelementen, insbesondere LEDs, im Bereich von T_K = 40°C bis 100°C liegen, wobei mit T_K die Kühlkörpertemperatur bezeichnet ist. Aufgrund des Wienschen Verschiebungsgesetzes liegt das Emissionsmaximum bei diesen Temperaturen im Bereich zwischen 8 μm und 10 μm. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die Tatsache ausgenutzt, dass sich dieser Bereich mit dem in 1 gezeigten, im Wellenlängenbereich von 8 μm bis 13 μm liegenden Atmosphärischen Fenster AF überschneidet, in dem die Erdatmosphäre weitestgehend transparent ist und auch wenig Wärmestrahlung emittiert. Damit können im Idealfall Wärmeströme von maximal M = σ(T 4 / K – T 4 / U) = 5.67·10^–8·(T 4 / K –(2,7K)⁴) ≈ 540 W/m² bis 1100 W/m² über Infrarotstrahlung abgeführt werden (T_U bezeichnet die Temperatur des Weltalls). Mit anderen Worten resultieren für T_K-Werte von 40°C (313K) bzw. 100°C (373K) theoretisch Wärmeströme von 1100 W/m² bis 540 W/m². Aufgrund der Luftfeuchtigkeit und der geringen Emission der Atmosphäre können sich diese Maximalwerte auf etwa 150 W/m² reduzieren.
• Die Ausnutzung der Strahlungskühlung wird bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass die Kühlfläche so beschichtet wird, dass die in Richtung Atmosphäre zeigende Oberfläche der Kühlfläche im Wellenlängen-Bereich von 8 μm bis mindestens 10 μm oder ggf. auch bis 13 μm einen Emissionsgrad von mindestens 0,8 und im Bereich unterhalb von 8 μm einen Absorptionsgrad sehr viel kleiner als 0,8 aufweist.
• Die Beschichtung kann aus Metalloxiden wie z. B. SiO₂, MgO, TiO₂, Zirkonoxid, oder aus Halbleitermaterialien oder anderen geeigneten Materialien bestehen. Die Beschichtung kann durch Sputtern, Aufdampfen, elektrische Abscheidung, Pulverbeschichtung oder durch Verwendung von Farbe aufgetragen werden. Bei Verwendung von Farbe liegen die selektiven Substanzen, die die vorstehenden Werte hinsichtlich Absorptionsgrad und Emissionsgrad erfüllen, vorzugsweise als Hauptpigment vor, d. h., mit einem Pigmentanteil von mindestens 50%, vorzugsweise von mehr als 80%.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung lassen sich zur Strahlungskühlung anstelle einer aktiven Kühlung in der Außenanwendung einsetzen, beispielsweise bei einer Flugplatzbeleuchtung, einer Straßenbeleuchtung oder sonstigen Außenbeleuchtungen, oder allgemein zur Kühlung von Halbleiterelementen einsetzen.
• Die Verwendung von Kühlkörpern bietet hierbei eine vergrößerte Oberfläche, über die sich die im Halbleiterbauelement erzeugte Wärme primär durch Strahlungstransport in die Umgebung und speziell über das atmosphärische Fenster effektiv nach außen wirkungsvoll abführen lässt.
• In Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Beschichtung nicht schwarz oder dunkel, um passive Aufheizung des Kühlkörpers durch Solareinstrahlung oder Strahlungswechselwirkung mit der Umgebung vermeiden zu können.
• In einigen Ausführungsbeispielen, bei denen die Halbleiteranordnung hauptsächlich bei fehlender Sonneneinstrahlung, beispielsweise nachts, eingesetzt wird, unterliegt der verwendbare Emissionsgrad im Bereich unter 8 μm keiner Beschränkung. Ein Emissionsgrad im Bereich unter 8 μm kleiner als 0.8 ist jedoch bevorzugt.
• In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung in Form einer Leuchte 1 für den Außeneinsatz, beispielsweise in Form einer Straßenleuchte, dargestellt. Die Leuchte 1 weist einen Leuchtenkörper 2 auf, der an einem Tragarm 3 fest montiert ist. Der Tragarm 3 kann z. B. an einer Straße oder in einer Fußgängerzone stehend verankert sein oder beispielsweise auch für hängende Ausführung ausgelegt sein. Der Leuchtenkörper 2 weist einen Kühlkörper 4 auf, an dem ein oder mehrere Halbleiterelemente (Halbleiterbauelemente), optional in Form von Leuchtdioden (LEDs) 5, in thermisch gut leitender Verbindung angebracht sind. Die LEDs können z. B. als Einzel-Chips oder Arrays oder gehauste Module ausgebildet sein.
• Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterelemente 5 so angeordnet, dass sie nach unten strahlen, während der Kühlkörper 4 oberhalb der Halbleiterelemente 5 angebracht ist und mit seiner Oberseite nach oben ins Weltall strahlen kann.
• Der Leuchtenkörper 2 kann weiterhin optional eine Abdeckung 6 zum Schutz gegen Verschmutzung oder Beschädigung enthalten, die optional transparent oder halbtransparent für den Durchtritt der vom Halbleiterbauelement 5, d. h. hier den Leuchtdioden, generierten Strahlung oder Lichtstrahlung ausgelegt sein kann.
• In 3 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung dargestellt, das eine Funktionseinrichtung in Form einer Halbleiteranordnung 10 aufweist. Die Funktionseinrichtung 10 kann dem Kühlkörper 4 mit dem oder den daran montierten Halbleiterbauelementen 5 gemäß 2 entsprechen und optional eine zusätzliche, nicht gezeigte Abdeckung 6 enthalten.
• Bei der in 3 dargestellten Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels der Halbleiteranordnung 10 sind an der Unterseite eines Kühlkörpers 11 ein oder mehrere Halbleiterbauelemente 13 vorhanden, die als Wärmequelle wirken und die bei ihrem Betrieb erzeugte Wärme auf den Kühlkörper 11 durch direkte Wärmeübertragung übertragen.
• Der Kühlkörper 11 kann aus geeignetem wärmeleitendem Material wie beispielsweise Metall bestehen. Das oder die Halbleiterbauelemente 13 können durch direkte Verklebung, Verschraubung oder in sonstiger Weise mit dem Kühlkörper 11 dauerhaft fest verbunden sein, so dass enger körperlicher Kontakt gegeben ist und die generierte Wärme direkt und effektiv auf den Kühlkörper übertragen wird. Das oder die Halbleiterbauelemente 13 können beispielsweise mittig an der Kühlkörper-Unterseite angebracht sein, so dass die generierte Wärme wirkungsvoll verteilt werden kann.
• An der der Atmosphäre zugewandten Oberseite des Kühlkörpers 11 ist eine Beschichtung 12 aufgebracht, die optional so ausgebildet sein kann, dass die auftreffende Sonnenstrahlung 12a reflektiert und demzufolge eine Aufheizung des Kühlkörpers 11 durch einfallende Sonnenstrahlung 12a ganz oder zumindest teilweise verhindert wird. Demgegenüber kann Infrarotstrahlung 12b, insbesondere im Bereich des atmosphärischen Fensters AF im Wellenlängenbereich von 8 bis 10 μm oder 8 bis 13 μm von der Beschichtung 12 emittiert werden, so dass die vom Kühlkörper 11 in diesem Wellenlängenbereich geführte thermische Energie effektiv abgestrahlt werden kann.
• Die Beschichtung 12 besitzt vorzugweise geringen Emissionsgrad bei Wellenlängen λ < 8 μm mit Reflexion und einfallenden Strahlung. Die Beschichtung 12 weist hohes ε, also hohen Emissionsgrad, vorzugsweise von mindestens 0,8 in dem Wellenlängenbereich von 8 μm bis 10 μm, oder im Bereich von 8 μm bis 13 μm oder mehr auf. Im Bereich unterhalb von 8 μm ist der Absorptionsgrad vorzugsweise sehr niedrig und liegt bei Werten sehr viel kleiner als 0,8 (<< 0,8). Die Beschichtung 12 besteht beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 aus einem Metalloxid wie z. B. SiO₂, MgO, Zirkonoxid, oder TiO₂, kann aber auch aus Halbleitermaterialien oder anderen Materialien hergestellt sein.
• Die Beschichtung 12 kann ebenso wie die vorstehend oder nachstehend beschriebenen Beschichtungen optional durch Sputtern, Aufdampfen, elektrische Abscheidung oder Pulverbeschichtung aufgebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Beschichtung auch durch Farbauftrag auf den Kühlkörper 11 aufgebracht werden, beispielsweise in flüssiger Form mit nachfolgender Aushärtung.
• In 4 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung dargestellt, das dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 entsprechen kann und den Kühlkörper 11 mit unterseitigem Halbleiterbauelement 13 mit beispielsweise mittiger Positionierung aufweisen kann. An Stelle der Beschichtung 12 des Ausführungsbeispiels gemäß 3 ist bei der Ausführungsform nach 4 eine Beschichtung 14 vorgesehen, die als lichtselektive Beschichtung mit hohem ε für Anwendungen wie beispielsweise Straßenbeleuchtungen aufgebildet ist, die hauptsächlich nachts betrieben werden. Während die Beschichtung 12 gemäß 3 ein hohes ε, d. h. hohen Emissionsgrad im Bereich von 8 μm < λ < 10 μm aufweist (λ bezeichnet die Wellenlänge der vom Kühlkörper und der Beschichtung emittierten, die Kühlung bewirkenden Strahlung), weist die Beschichtung 14 gemäß 4 keine selektiven Eigenschaften auf und kann hohes ε über den gesamten Bereich zeigen. Der Emissionsgrad im Bereich unter 8 μm unterliegt beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 aufgrund der hauptsächlichen Anwendung bei fehlender Sonneneinstrahlung keiner Beschränkung. Ein Emissionsgrad im Bereich unter 8 μm kleiner als 0.8 ist jedoch bevorzugt.
• In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das wiederum den Kühlkörper 11 aufweist, der das mindestens eine Halbleiterbauelement 13 auf einer Seite, beispielsweise der Unterseite trägt. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist auf der dem Halbleiterbauelement 13 gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers 11 eine Beschichtung 15 vorgesehen, die aus dem gleichen Material wie bei den anderen Ausführungsbeispielen bestehen kann, jedoch noch zusätzlich eine mikrostrukturierte Oberfläche zur Erhöhung des Emissionsgrads ε aufweist. Die Oberfläche kann, wie gezeigt, beispielsweise wellenförmigen oder aufgerauten Verlauf besitzen, so dass sich insgesamt vergrößerte Oberfläche und damit verbesserte Wärmeabstrahlung ergibt.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist auf der Halbleiteranordnung gemäß 5 noch eine zusätzliche transparente Schutzbeschichtung 16 aufgebracht, so dass sich eine flache, verschmutzungsunanfällige Außenfläche ergibt, die aufgrund ihrer Transparenz die Wärmeabstrahlung nicht beeinträchtigt. Die Schutzbeschichtung 16 kann aus transparentem Kunststoff bestehen, aber auch aus anderen geeigneten Materialien bestehen.
• Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ist auf dem Kühlkörper 11 mit unterseitigem, mindestens einem Halbleiterbauelement 13 oberseitig eine aus mindestens zwei Schichten 17, 18 bestehende Beschichtung aufgebracht, so dass die zur Atmosphäre zeigende Kühlfläche, d. h. die zur Atmosphäre weisende Oberfläche des Kühlkörpers 11, mit mindestens zwei Schichten 17, 18 beschichtet ist. Dabei ist die äußere Schicht 18 vorzugsweise so beschaffen, dass sie einfallende Sonnenstrahlung 12a streut oder reflektiert und gleichzeitig für Infrarotstrahlung im Bereich von 8 μm bis mindestens 10 μm oder 13 μm weitestgehend transparent ist. Unter weitestgehend wird hier eine Durchlässigkeit von mindestens 70 bezeichnet. Die Schicht 18 kann streuende Partikel 18a enthalten oder die Sonnenstrahlung reflektierend ausgelegt sein. Die Schicht 18 ist eine für Infrarotstrahlung transparente Schicht, die die einfallende Sonnenstrahlung streut und/oder reflektiert. Für die Schicht 18 sind MgO, TiO₂, Zirkonoxid, oder reflektierende Metallpartikel verwendet. Optional können auch andere streuende oder reflektierende Materialien 18a eingesetzt werden. Als Matrix oder Trägermaterial zur Aufnahme der streuenden Partikel 18a werden für Infrarotstrahlung transparente Materialien, z. B. Polyethylen, verwendet. Die Dichte der Partikel und die Schichtdicke der Schicht 18 sind so gewählt, dass die Schicht 18 wietestgehend transparent bleibt.
• Die Schicht 17 des Ausführungsbeispiels gemäß 7 kann hinsichtlich ihrer Eigenschaften und verwendeten Materialien der Schicht 12 des Ausführungsbeispiels gemäß 3, alternativ aber auch den Schichten 15 oder 16, entsprechen.
• Durch die Ausgestaltung gemäß 7 lässt sich eine effektive Ausnützung der Strahlungskühlung realisieren.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 besteht die innere Schicht 17 aus einem Material mit einem Emissionsgrad von mindestens 0,8 im Wellenlängenbereich von 8 μm bis 10 μm.
• In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung dargestellt, das eine Kombination der Ausführungsbeispiele gemäß den 5 und 7 darstellt. Die auf dem Kühlkörper 11 aufgebrachte Beschichtung ist hier als Schichtsystem ausgebildet, das zwei Schichten 20 und 21 umfasst. Die außenseitige (obere) Schicht 20 ist gleichartig aufgebaut wie die Schicht 18 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 7. Die zwischen dem Kühlkörper 11 und der oberen Schicht 20 befindliche innere Schicht 21 ist gleichartig wie die Schicht 15 der 5 ausgebildet. Die vorstehenden Beschreibungen zu diesen Schichten treffen in gleicher Weise auch für das Ausführungsbeispiel gemäß 8 zu.
• Die mikrostrukturierte Schicht 21 ist durch die obere Schicht 20 abgedeckt und geschützt. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 8 ist die obere Schicht 20 so ausgeführt, dass sie wie die äußere Schicht 18 gemäß 7 wirkt. Die darunter befindliche Fläche oder Schicht 21 ist durch Mikrostrukturierung so behandelt, dass sie einen insgesamt erhöhten Emissionsgrad aufweist.
• In 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das ein Schichtensystem mit zwei Schichten 22, 23 aufweist, das auf dem Kühlkörper 11 auf der dem Halbleiterbauelement 13 gegenüberliegenden Kühlkörperoberseite aufgebracht ist. Die obere Schicht 23 ist so ausgeführt, dass sie wie die äußere Schicht 18 in 7 wirken und ausgebildet sein kann. Die darunter befindliche Fläche oder Schicht 23 ist mit einem Material mit hohem Emissionsgrad, nahe am schwarzen Körper und dessen Emissionseigenschaften, beschichtet. Die Schicht 22 kann wie die in 4 dargestellte Schicht 14 ausgebildet und ausgeführt sein.
• Als Beispiel kann die Schicht 22 durch schwarze matte Farbe, schwarzes Eloxat, schwarzer Kunststoff oder dergleichen gefertigt sein.
• Bei strukturierten Oberflächen wird im allgemeinen der Emissionsgrad umso größer, je größer das Verhältnis der Strukturtiefe zu ihrer Breite ist. Erzeugt man beispielsweise eine gleichmäßige Verteilung von Löchern, so ist ein Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser von mindestens 2:1 vorteilhaft. Ein Verhältnis von 5:1 oder in diesem Bereich zeigt sehr gute Ergebnisse.
• Neben den beschriebenen Schichtsystemen mit einer hoch emittierenden Schicht unter der transparenten Schicht (mit oder ohne Streupartikel) besteht auch gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, einen selektiven Strahler mit zwei Schichten zu erzeugen, und zwar durch Aufbringen eines selektiv transparenten Materials auf eine stark reflektierende Schicht. Optional kann hier zum Beispiel SiO oder MgO auf Aluminium verwendet werden. Alternativ kann auch Glas auf Aluminium benutzt werden.
• Allgemein wird bei einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele eine Strahlungskühlung von Halbleiterbauelementen durch infrarotselektive Beschichtung oder Beschichtungen erzielt. Es ist eine passive Entwärmung eines oder mehrerer Halbleiterbauelemente, z. B. des Halbleiterbauelements 13, insbesondere von LEDs, im Außenbereich durch Strahlungskühlung unter Verwendung von Strahlungsselektiven Beschichtungen oder Schichtsystemen implementiert. Dies erlaubt die Erzielung sehr guter Kühlungsergebnisse unter anderem in Anwendungsbereichen mit hoher Umgebungstemperatur und Sonneneinstrahlung bei mangelhafter Konvektionskühlung. Ausführungsbeispiele können als Flugfeldbeleuchtung, Autoscheinwerfer, Tagfahrlicht und/oder Straßenbeleuchtung oder in sonstigen Anwendungsfällen angewendet werden.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung bieten die Möglichkeit des Betriebs von Hochleistungs-LEDs im Außenbereich insbesondere auch unter Sonneneinstrahlung unter Vermeidung aktiver Kühlung. Die rein passive Kühlung gemäß Ausführungsbeispielen ist sehr effektiv und benötigt keinerlei aktive Kühlungsenergiezufuhr.
• Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, wodurch jeweils eigenständige neue Ausführungsbeispiele geschaffen werden. Im Rahmen vorliegender Erfindung liegen auch Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen gemäß den vorstehenden Ausführungsbeispielen, bei denen auf einem Kühlkörper auf der einen Seite ein oder mehrere Halbleiterbauelemente aufgebracht werden und auf der gegenüberliegenden Kühlkörperoberfläche eine oder mehrere Schichten aufgebracht werden, die eine direkte Abstrahlung über das atmosphärische Fenster zur effizienten Strahlungskühlung ermöglichen. Weiterhin werden mit der Erfindung Ausführungsformen geschaffen, bei denen ein oder mehrere Halbleiteranordnungen gemäß den vorstehenden Erläuterungen in Halbleitermodule oder Leuchten eingebaut sind.

Claims (15)

1. Halbleiteranordnung mit einem Kühlkörper (11) und mindestens einem Halbleiterbauelement (13), optional in Form mindestens einer Leuchtdiodenanordnung, das Halbleiterbauelement (13) mit dem Kühlkörper in thermisch leitender Verbindung steht, wobei der Kühlkörper (11) für den Einsatz der Halbleiteranordnung im Außenbereich an seiner anderen, der Atmosphäre zuwendbaren Oberfläche mit einer Beschichtung (12) versehen ist, die im Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung von 8 μm bis 134 μm oder 8 μm bis 10 μm einen Emissionsgrad von mindestens 0,8 und im Bereich unterhalb von 8 μm einen Absorptionsgrad sehr viel kleiner als 0,8 aufweist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, bei der die Beschichtung (12) aus Metalloxiden wie z. B. SiO₂, MgO, TiO₂, Zirkonoxid, oder aus Halbleitermaterial besteht.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Beschichtung durch Sputtern, Aufdampfen, elektrische Abscheidung, Pulverbeschichtung oder durch Verwendung von Farbe aufgetragen ist.
4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, bei der bei Verwendung von Farbe die selektiven Substanzen, die die in Anspruch 1 angegebenen Werte hinsichtlich Absorptionsgrad und Emissionsgrad erfüllen, als Hauptpigment vorliegen, d. h. mit einem Pigmentanteil von mindestens 50%, vorzugsweise von mehr als 80%.
5. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die der Atmosphäre zugewandte Beschichtung reflektierend ausgebildet ist, so dass sie auftreffende Sonnenstrahlung reflektiert.
6. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Beschichtung eine mikrostrukturierte Oberfläche zur Erhöhung des Emissionsgrads ε aufweist.
7. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine zusätzliche transparente Schutzbeschichtung (16) aufgebracht ist, so dass sich eine flache, verschmutzungsunanfällige Außenfläche ergibt.
8. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die auf dem Kühlkörper (11) oberseitig aufgebrachte Beschichtung aus mindestens zwei Schichten (17, 18) besteht, wobei die äußere Schicht (18) optional so beschaffen ist, dass einfallende Sonnenstrahlung (12a) gestreut oder reflektiert wird.
9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, bei der die äußere Schicht (18) MgO, TiO₂, Zirkonoxid, oder reflektierende Metallpartikel enthält, und/oder die innere Schicht (17) aus einem Material mit einem Emissionsgrad von mindestens 0,8 im Wellenlängenbereich von 8 μm bis 10 μm besteht.
10. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die auf dem Kühlkörper (11) aufgebrachte Beschichtung als Schichtsystem ausgebildet ist, das zwei Schichten (20, 21) umfasst, wobei die innere Schicht (21) als mikrostrukturierte Schicht ausgebildet ist, die durch die außenseitige obere Schicht (20) abgedeckt ist.
11. Halbleiterbauelement (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Halbleiterbauelement direkt auf dem Kühlkörper (11) aufgebracht ist oder mit dem Kühlkörper über eine wärmeleitende Verbindung, z. B. in Form eines Wärmeleitungsrohr, in thermisch leitender Verbindung steht,
12. Funktionseinheit, insbesondere Leuchte, mit einer Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11, bei dem ein oder mehrere Halbleiterbauelemente (13) mit einem Kühlkörper (11) in thermisch leitende Verbindung gebracht werden und auf mindestens einer Kühlkörperoberfläche eine oder mehrere Schichten (12) aufgebracht werden, die eine direkte Abstrahlung über das atmosphärische Transmissionsfenster zur effizienten Strahlungskühlung ermöglichen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem ein Schichtsystem mit einer hoch emittierenden Schicht unter einer transparenten Schicht mit oder ohne Streupartikel ausgebildet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem ein selektiver Strahler mit zwei Schichten durch Aufbringen eines selektiv transparenten Materials auf eine stark reflektierende Schicht erzeugt wird, wobei optional zum Beispiel SiO oder MgO auf Aluminium, oder Glas auf Aluminium benutzt werden.

Images