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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lumineszenzkonversionselements, ein mit diesem Verfahren herstellbares Lumineszenzkonversionselement, das eine Aussparung aufweist, und ein optoelektronisches Bauteil mit einem derartigen Lumineszenzkonversionselement.
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Die Herstellung von Lumineszenzkonversionselementen mit einer Aussparung, beispielsweise einer Aussparung um Platz für den Anschluss eines Bond-Drahts bereit zu stellen, führt regelmäßig zu größeren Mengen an Ausschuss. Durch die erforderliche mechanische Bearbeitung werden häufig Risse und Defekte im Lumineszenzkonversionselement erzeugt, die zur Unbrauchbarkeit des Konversionselements führen. Zudem können abrasive Bearbeitungsmethoden zu einer unerwünschten Wölbung des keramischen Lumineszenzkonversionselements führen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von keramischen Lumineszenzkonversionselementen, insbesondere keramischen Lumineszenzkonversionselementen mit Aussparungen, und ein mit diesem Verfahren hergestelltes keramisches Lumineszenzkonversionselement sowie ein optoelektronisches Bauteil mit einem derartigen Lumineszenzkonversionselement anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung eines keramischen Lumineszenzkonversionselements, das keramische Lumineszenzkonversionselement und das optoelektronische Bauteil gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche, die nachfolgende Beschreibung und die Zeichnungen lehren vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen hiervon.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines eine Keramik umfassenden Lumineszenzkonversionselements folgende Schritte:
- A) Es wird ein Formkörper, der eine erste und eine zweite Hauptoberfläche und zumindest eine erste laterale Oberfläche aufweist, bereitgestellt. Die zumindest eine erste laterale Oberfläche ist dabei insbesondere angrenzend an die erste und die zweite Hauptoberfläche ausgebildet. Der bereitgestellte Formkörper umfasst dabei ein keramisches Material und einen Lumineszenzkonversionsstoff.
- B) In einem weiteren Schritt wird der Formkörper mittels eines Strukturierungsverfahrens bearbeitet. Dabei wird in der ersten Hauptoberfläche und/oder der zweiten Hauptoberfläche zumindest ein erster bearbeiteter Bereich und zumindest ein unbearbeiteter Bereich gebildet. Insbesondere kann sich der erste bearbeitete Bereich dabei im Wesentlichen parallel zur ersten lateralen Oberfläche erstrecken.
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In einem Schritt C) wird der strukturierte Formkörper zu einer Mehrzahl der keramischen Lumineszenzkonversionselemente vereinzelt. Die Vereinzelung erfolgt dabei derart, dass Schnitte in die bearbeitete Hauptoberfläche des bearbeiteten Formkörpers eingebracht werden, die im Wesentlichen orthogonal zur ersten lateralen Oberfläche verlaufen. Die Schnitte werden dabei so eingebracht, dass ein einzelnes Lumineszenzkonversionselement vollständig vom verbleibenden Rest des bearbeiteten Formkörpers getrennt wird. Hierbei ist der Begriff bearbeiteter Formkörper in Schritt C) so zu verstehen, dass die Schnitte nicht nur in einen Formkörper eingebracht werden können, der im Wesentlichen den Abmessungen entspricht, die der in Schritt A) bereitgestellte Formkörper hat, sondern dass auch Teilkörper, die zum Beispiel in etwaigen weiteren Teilschritten gebildet werden, unter die Formulierung ”bearbeiteter Formkörper” fallen.
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Unter einem eine Keramik umfassenden Lumineszenzkonversionselement (im Rahmen dieser Anmeldung auch ”keramisches Lumineszenzkonversionselement” genannt) ist anmeldungsgemäß ein Lumineszenzkonversionselement zu verstehen, das zum Großteil keramisches Material aufweist. ”Zum Großteil” bedeutet, dass das keramische Material einen Gewichtsanteil von mehr als 50%, insbesondere von mehr als 75% und vorzugsweise von mehr als 90% des Gewichts des Lumineszenzkonversionselements einnimmt. Häufig besteht das Lumineszenzkonversionselement aus dem keramischen Material.
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Unter einem keramischen Material ist hier insbesondere ein oxidhaltiges oder ein nitridhaltiges Material zu verstehen, wobei anmeldungsgemäß auch Materialien, die nur eine Nahordnung und keine Fernordnung aufweisen, auch unter den Begriff ”keramisches Material” fallen. Dementsprechend sind auch anorganische Gläser von der Formulierung ”keramisches Material” umfasst.
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Das anmeldungsgemäße Strukturierungsverfahren gemäß Schritt B) wird insbesondere derart durchgeführt, dass eine Ausnehmung in die jeweilige Hauptoberfläche eingebracht wird, insbesondere eine Ausnehmung nach Art einer Nut oder nach Art eines Falzes (worunter beispielsweise auch eine Hohlkehle verstanden wird). Die dreidimensionale Form der eingebrachten Strukturierung ist dabei nicht auf eckige Körper beschränkt, vielmehr ist jegliche geometrische Form denkbar.
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Im Regelfall wird die Tiefe der Strukturierung über die gesamte (longitudinale) Ausdehnung in einem ähnlichen Bereich liegen, d. h. insbesondere, dass die an einem Punkt real gemessene Tiefe nicht mehr als 50%, insbesondere 20%, häufig 10%, nach oben und nach unten um die (durch Bestimmung der jeweiligen Maximaltiefe in longitudinaler Richtung ermittelte) durchschnittliche Tiefe schwanken. Im Extremfall kann die ”Ausnehmung” auch derart ausgebildet sein, dass beide Oberflächen durch das Strukturierungsverfahren bearbeitet werden, dass also ein vollständiger Schnitt durch den Formkörper erfolgt. In diesem Extremfall werden dann in Schritt C) beispielsweise rechteckige oder quadratische Plättchen des Lumineszenzkonversionselements erhalten, die keine Ausnehmung aufweisen. Im Regelfall wird das Verfahren gemäß Schritt B) allerdings so durchgeführt, dass mit dem Strukturierungsverfahren nur eine der beiden Hauptoberflächen bearbeitet wird.
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Grundsätzlich kann der in Schritt B) bearbeitete Formkörper jegliche geometrische Form besitzen, etwa die Form eines Kreiszylinders oder eines Zylinders mit einer elliptischen Grundfläche oder eines geraden Prismas mit einer beliebigen vieleckigen Grundfläche. Häufig wird der Formkörper aber eine im Wesentlichen quaderförmige (beziehungsweise fliesenförmige) oder eine würfelförmige Gestalt besitzen.
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Das Vereinzeln der Lumineszenzkonversionselemente gemäß Schritt C) kann mit einem beliebigen Vereinzelungsverfahren erfolgen, beispielsweise mittels eines Schleif- oder Sägeverfahrens (beispielsweise mittels eines Schneideverfahrens mittels Drahtsägen (wire-dicing), Wasserstrahlschneiden, Innenlochdiametersägen oder auch mittels hochenergetischer Strahlung, etwa mittels Laserschneidens). Entsprechende Verfahren können auch für die Oberflächenbearbeitung in Schritt B) und dem erst nachfolgend beschriebenen Schritt D) verwendet werden.
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Das anmeldungsgemäße Verfahren hat insbesondere folgende Vorteile:
Zum einen kann verhindert werden, dass bei der Herstellung der Lumineszenzkonversionselemente ein ähnlich hoher Ausschuss wie nach dem Stand der Technik anfällt, da keine Strukturierung in ein dünnes Plättchen eingebracht wird, sondern in einen relativ großformatigen Formkörper, der naturgemäß weniger anfällig gegen mechanische Beschädigungen wie zum Beispiel das Entstehen von Rissen ist. Eine besonders geringe Neigung zur Bildung von Rissen ist dabei insbesondere dann zu verzeichnen, wenn bei der Strukturierung keine Kanten gebildet werden (also keine zum Formkörperinneren zeigenden ”Ecken”, wie sie etwa bei einem Falz vorliegen), wenn die Strukturierung beispielsweise nach Art einer Kehle ausgebildet ist.
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Zum anderen kann die erzeugte Sekundärstrahlung des mit dem anmeldungsgemäßen Verfahren hergestellten Lumineszenzkonversionselements wesentlich genauer eingestellt werden, ohne dass zusätzliche Nachbearbeitungsschritte zur Feinjustierung erfolgen müssen. Vor Durchführung des Schritts C) oder gegebenenfalls auch schon vor Durchführung des Schritts B) kann nämlich bezogen auf eine zu konvertierende Primärstrahlung bereits abgeschätzt werden, welches Wellenlängenspektrum der Sekundärstrahlung mit einem Lumineszenzkonversionselement einer bestimmten Dicke erzeugt werden kann (beziehungsweise welches Wellenlängenspektrum die Sekundärstrahlung bezogen auf das Wellenlängenspektrum der Primärstrahlung aufweisen wird). Die im Schritt C) einstellbare Dicke des Lumineszenzkonversionselements kann dann durch entsprechende Steuerung der Schnittsetzung so gewählt werden, dass die gewünschte Sekundärstrahlung beziehungsweise das gewünschte Wellenlängenspektrum an Sekundärstrahlung erzielt wird. Über die Mischung einer gegebenen, von einem strahlungsemittierenden Bauelement emittierten Primärstrahlung und die zumindest Konversion dieser Primärstrahlung durch das Lumineszenzkonversionselement erzeugte Sekundärstrahlung kann also auch der gewünschte Farbort einer aus Primär- und Sekundärstrahlung gebildeten Gesamtstrahlung eingestellt werden.
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Noch genauer kann die gewünschte Sekundärstrahlung beziehungsweise die Gesamtstrahlung dadurch eingestellt werden, dass bezogen auf einen Formkörper das jeweils erste vereinzelte Lumineszenzkonversionselement genau vermessen wird und anhand der Wellenlänge oder Farbe der bei der gegebenen Dicke des ersten vereinzelten Lumineszenzkonversionselements erhaltenen Sekundärstrahlung oder der resultierenden Gesamtstrahlung ermittelt wird, wie die Dicke der nachfolgend zu vereinzelnden Lumineszenzkonversionselemente zu wählen ist, um einen spezifisch erwünschten Farbeindruck der Sekundärstrahlung beziehungsweise der Gesamtstrahlung zu erzielen.
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Nach dem Stand der Technik kann die genaue Justierung des Farbeindrucks der Sekundär- beziehungsweise Gesamtstrahlung im Wesentlichen dadurch erfolgen, dass die an sich fertigen Lumineszenzkonversionselemente geschliffen werden, bis eine bestimmte Dicke und damit ein bestimmter Farbeindruck erhalten werden. Mit dem anmeldungsgemäßen Verfahren ist dies nicht erforderlich. Durch die vor der Vereinzelung erfolgende Feinjustierung können problemlos Toleranzen ausgeglichen werden, die sich beispielsweise durch Qualitätsunterschiede des eingesetzten Lumineszenzkonversionsmaterials ergeben, die durch geringfügige Unterschiede beim Durchführen des Sinter- oder Spritzgussverfahrens zur Herstellung der Lumineszenzkonversionselemente (etwa durch die Entstehung von Poren im keramischen Lumineszenzkonversionselement) gebildet werden oder die durch aufsummierten Abweichungen von der mittleren Schichtdicke einer keramischen Grünfolie bei laminierten keramischen Folien zur Herstellung des Lumineszenzkonversionselements entstehen. Die genannte Problematik kann also vollständig dadurch ausgeblendet werden, dass verglichen mit der üblichen ”Herstellungsrichtung” bei der vorbekannten Produktion von keramischen Lumineszenzkonversionselementen gewissermaßen orthogonal gearbeitet wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des anmeldungsgemäßen Verfahrens wird vor oder nach Schritt B) zusätzlich ein Schritt D) durchgeführt. Dieser Schritt D) wird insbesondere immer dann erfolgen, wenn in Schritt B) nur entweder die erste oder die zweite Hauptoberfläche bearbeitet wird. In Schritt D) erfolgt eine Bearbeitung der ersten und der zweiten Hauptoberfläche, sodass aus dem bislang insbesondere einstückigen Formkörper zumindest zwei Teilkörper gebildet werden. Bei der Bearbeitung gemäß Schritt D) wird dabei ein zweiter bearbeiteter Bereich gebildet, der sich im Wesentlichen parallel zur ersten lateralen Oberfläche (und – falls Schritt D) vor Schritt B) durchgeführt wird – damit auch im Wesentlichen parallel zum ersten bearbeiteten Bereich erstreckt).
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Im Wesentlichen parallel bedeutet im Sinn der vorliegenden Anmeldung, dass das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt wird, dass aus ein und demselben Formkörper Lumineszenzkonversionselemente gebildet werden, die im Wesentlichen eine gleiche Gestalt haben. Die Toleranzen hinsichtlich Abmessungen und/oder Flächeninhalt der Oberflächen des Lumineszenzkonversionselements beträgt daher insbesondere maximal 10%. Unabhängig davon beträgt die Toleranz der Flächeninhalte der Aussparung (bezogen auf ein entsprechendes Lumineszenzkonversionselement ohne Aussparung) maximal 50%. Unter Toleranz wird hierbei der durch die Differenz von Maximum und Minimum ermittelte Wert verstanden.
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Mittels Schritt D) kann also aus einem beispielsweise fliesenförmigen Formkörper eine Vielzahl von stabförmigen Teilkörpern gebildet werden. Wird eine Vielzahl von Teilkörpern gebildet, so wird das anmeldungsgemäße Verfahren insbesondere derart durchgeführt, dass jeder der Teilkörper bearbeitete und unbearbeitete Bereiche, die in Schritt B) eingebracht wurden, aufweist. Aus der Vielzahl von beispielsweise stabförmigen Elementen kann dann beispielsweise in einem Verfahrensschritt gleichzeitig jeweils bei jedem Teilformkörper eine Vereinzelung zu dem Lumineszenzkonversionselement erfolgen, sodass bei jedem durchgeführten Schnitt gemäß Schritt C) eine Anzahl von Lumineszenzkonversionselementen erhalten wird, die der der eingesetzten Teilformkörper entspricht. Um vorab die Feinjustierung der Farbe vorzunehmen, kann natürlich anhand eines ersten Lumineszenzkonversionselements, das von einem einzelnen Teilformkörper vereinzelt wurde, die emittierte Sekundär- beziehungsweise die Gesamtstrahlung gemessen werden.
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Umfasst das anmeldungsgemäße Verfahren einen Schritt D), der nach Schritt B) durchgeführt wird, so kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung die Oberflächenbearbeitung gemäß Schritt B) auch für zwei benachbarte Teilformkörper gleichzeitig erfolgen. Die Breite der in Schritt B) eingebrachten Ausnehmung wird dabei zweckmäßigerweise so gewählt, dass sie sich aus der Summe der gewünschten Breite der Ausnehmung für die gebildeten Lumineszenzkonversionselemente der beiden Teilformkörper und der Schnittbreite des Sägeblatts für die Durchführung von Schritt D) beziehungsweise der Schnittbreite eines alternativ eingesetzten Schneide- beziehungsweise Trennmittels für Schritt D) zusammensetzt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann Schritt B) auch wiederholt erfolgen, etwa um Lumineszenzkonversionselemente zu erzeugen, die mehrere Ausnehmungen (beispielsweise an zwei, drei oder vier Ecken eines quadratischen oder rechteckigen Lumineszenzkonversionselements) aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird der Lumineszenzkonversionsstoff ein dotiertes keramisches Material gebildet. Das keramische Material des in Schritt A) bereitgestellten Formkörpers umfasst also ein keramisches Material, das zumindest teilweise mit einem Dotierstoff dotiert ist. Das keramische Material kann vollständig als mit dem Dotierstoff dotiert sein. Es kann aber auch nur ein Teil, beispielsweise im Bereich einer der Hauptoberflächen, mit dem Dotierstoff dotiert sein.
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Der keramische Formkörper kann dabei einen oder mehrere Dotierstoffe enthalten, beispielsweise ausgewählt aus Cer, Europium, Neodym, Terbium, Erbium oder Praseodym.
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Das keramische Material kann insbesondere aus Granaten der seltenen Erden und der Erdalkalimetalle ausgewählt sein, insbesondere wie beispielsweise in
US 2004-062699 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart. Es seien etwa Cer-dotierte Yttrium-Aluminium-Granate und Cer-dotierte Lutetium-Aluminium-Granate genannt.
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Generell kann aber der Begriff Lumineszenzkonversionsstoff auch weiter gefasst sein und insbesondere gegebenenfalls auch in Kombination mit den vorstehenden Granaten folgende Materialien umfassen:
- – Chlorosilikate, wie beispielsweise in DE 10036940 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart,
- – Orthosilikate, Sulfide, Thiogallate und Vanadate wie beispielsweise in WO 2000/33390 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart,
- – Aluminate, Oxide, Halophosphate, wie beispielsweise in US 6616862 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart, und
- – Nitride, Sione und Sialone wie beispielsweise in DE 10147040 und dem dort beschriebenen Stand der Technik offenbart.
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Das keramische Material bildet dann gewissermaßen nur die Matrix für den Lumineszenzkonversionsstoff und kann ein beliebiges oxidisches oder nitridisches Material – wie oben ausgeführt – sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der keramische Formkörper neben dem Lumineszenzkonversionsmaterial noch weitere, insbesondere anorganische Partikel enthalten, die insbesondere keine wellenlängenkonvertierenden Eigenschaften aufweisen. Als weitere Partikel kommen hierbei beispielsweise Nitride und Oxide der Elemente Aluminium, Bor, Titan, Zirkon und Silizium beziehungsweise Gemische von zwei oder mehreren der vorgenannten Materialien in Betracht.
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Das keramische Material des Formkörpers weist insbesondere Lumineszenzkonversionsstoffpartikel auf, die miteinander und/oder mit weiteren Partikeln zu dem keramischen Material verbunden sind. Die Verbindung der Lumineszenzkonversionsstoffpartikel untereinander und/oder mit den weiteren Partikeln des keramischen Materials ist zumindest teilweise durch Sinterhälse gebildet. Alternativ oder zusätzlich können auch Korngrenzen zwischen benachbarten – und insbesondere flächig aneinandergrenzenden – Partikeln ausgebildet sein. Das keramische Material kann dabei beispielsweise aus den Lumineszenzkonversionsstoffpartikeln bestehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das anmeldungsgemäße Verfahren so durchgeführt werden, dass vor Schritt B), C) oder D) der mindestens eine bearbeitete Formkörper und/oder mindestens einer der bearbeiteten Teilkörper auf einem Hilfsträger befestigt wird.
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Der Hilfsträger kann dabei insbesondere dazu dienen, die später vereinzelten Lumineszenzkonversionselemente zu stabilisieren und in einer geordneten Form einem weiteren Bearbeitungsschritt, zum Beispiel zur Herstellung einer Licht emittierenden Diode, zuzuführen. Ferner kann mittels des Hilfsträgers eine Justierung der Formkörper oder Teilkörper erfolgen, sodass die einzubringende Bearbeitung der Schritte B) und/oder D) und das Vereinzeln gemäß Schritt C) beziehungsweise die ersten und zweiten bearbeiteten Bereiche und die Schnitte möglichst definiert eingebracht werden können.
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Die Befestigung des Formkörpers beziehungsweise Teilkörpers auf dem Hilfsträger kann dabei mittels Klebstoffen, Haftvermittlern oder auch anderen Stoffen, die wieder lösbare stoffschlüssige Verbindungen zwischen Hilfsträger und Formkörper beziehungsweise Teilkörper herstellen, erfolgen. Das spätere Lösen der Lumineszenzkonversionselemente oder anderer in Zwischenschritten erhaltener Teilformkörper kann beispielsweise durch Lösungsmittel oder erhöhte Temperatur (zum Beispiel Ausbrand oder Depolymerisation) erfolgen.
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Gemäß einer Variante dieser Ausführungsform wird der bearbeitete Formkörper in einer Ausnehmung des Hilfsträgers befestigt. Die Ausnehmung weist dabei eine Breite auf, die so gewählt ist dass der Formkörper beziehungsweise Teilkörper darin zumindest teilweise ”versenkt” werden kann, wobei die verbleibenden Fugen zwischen Formkörper/Teilkörper und Hilfsträger – um ”Befestigungsmaterial” (also zum Beispiel Klebstoff) zu sparen – möglichst schmal ausfallen sollten.
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Durch einen Hilfsträger mit Ausnehmung kann eine zusätzliche Stabilisierung der vereinzelten Lumineszenzkonversionselemente erfolgen.
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Generell können die Hilfsträger mit oder ohne Ausnehmung auch so gewählt werden, dass bei der Vereinzelung der Hilfsträger nicht vollständig durchtrennt wird, sodass die bei der Vereinzelung gebildeten Lumineszenzkonversionselemente auch nach der Vereinzelung noch alle gemeinsam über die verbleibenden Reste des Hilfsträgers miteinander verbunden sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Hilfsträger aus Glas oder aus einer Keramik gebildet sein. Häufig wird das Material des Hilfsträgers dabei so gebildet sein, dass das Hilfsträgermaterial von den mechanischen Eigenschaften in Bezug auf die verwendeten Säge- oder Schleifverfahren an das Material des Formkörpers angepasst wird, sodass eine einheitliche Beanspruchung der Vereinzelungs- beziehungsweise Bearbeitungsmittel erfolgt. Beispielsweise kann das Material des Hilfsträgers Aluminiumoxid umfassen oder daraus bestehen. Eine besonders gute Anpassung erfolgt beispielsweise bei Lumineszenzkonversionsmaterialien, die auf Granat basieren auf einem Hilfsträger aus Aluminiumoxid.
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Alternativ kann der Hilfsträger auch aus einem Polymer gebildet sein oder dieses umfassen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das anmeldungsgemäße Verfahren so durchgeführt, dass der Abstand der Hauptoberflächen des in Schritt A) bereitgestellten Formkörpers so eingestellt wird, dass er im Wesentlichen dem Abstand gegenüberliegender Seitenflächen des gebildeten Lumineszenzkonversionselements entspricht (wobei unter Seitenflächen die Flächen zu verstehen sind, die sich lateral zwischen den Hauptoberflächen des Lumineszenzkonversionselements befinden). Durch die Dicke des bereitgestellten Formkörpers kann also bereits teilweise die Abmessung des späteren Lumineszenzkonversionselements vorgegeben werden.
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Da, wie vorstehend ausgeführt, beispielsweise bei Sinterverfahren zur Herstellung eines Formkörpers die konkreten Abmessungen eines Formkörpers voneinander abweichen können, können die Hauptoberflächen des Formkörpers (aber auch die erste und alle weiteren lateralen Oberflächen des Formkörpers oder auch erst eines in Schritt D) gebildeten Teilkörpers) mittels Schleifens behandelt werden. Hierdurch kann dann gegebenenfalls nicht nur der Abstand der Hauptoberflächen des bereitgestellten Formkörpers, sondern generell (etwa in Bezug auf die Anzahl später zu erzeugender gleichförmiger Teilformkörper) auch alle Abmessungen bis auf die Dicke des zu erzeugenden Lumineszenzkonversionselements eingestellt werden.
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Wie bereits ausgeführt, kann der Formkörper gemäß Schritt A) mittels jedes beliebigen Verfahrens zur Herstellung von keramischen Bauelementen erzeugt werden, beispielsweise durch ein Spritzgussverfahren oder durch Sintern eines durch tape-casting, Uniaxialpressen, kaltisostatisches Pressen, Heißpressen oder heißisostatisches Pressen hergestellten Grünkörpers.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die in Schritt C) erhaltenen Lumineszenzkonversionselemente jeweils eine Dicke von etwa 50 bis etwa 200 μm auf. Die Abweichung der Dicke innerhalb einer Vielzahl gleichartiger Lumineszenzkonversionselemente liegt dabei im Bereich von einem bis wenigen Mikrometern. Sollte tatsächlich noch eine Nachjustierung der Lumineszenzkonversionselemente hinsichtlich emittierter Sekundärstrahlung beziehungsweise Gesamtstrahlung erforderlich sein, so kann im Einzelfall nochmals eine abrasive Behandlung der Hauptoberflächen der Lumineszenzkonversionselemente erfolgen. Im Regelfall wird dies jedoch nicht nötig sein.
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Anmeldungsgemäß wird ferner ein keramisches Lumineszenzkonversionselement mit einer Aussparung angegeben, welche gemäß einer oder mehreren der vorstehenden Ausführungsformen des Verfahrens erhalten werden kann. Die gebildeten Lumineszenzkonversionselemente unterscheiden sich dabei von anderen keramischen Lumineszenzkonversionselementen gemäß dem Stand der Technik dahingehend, dass an den Hauptoberflächen des Lumineszenzkonversionselements das Einbringen des Schnitts gemäß Verfahrensschritt C) anhand der Säge- beziehungsweise Schleifspuren erkennbar ist. Insbesondere kann aber auch an den lateralen Flächen des Lumineszenzkonversionselements im Bereich der Aussparung die Bearbeitung mit einem mechanischen Strukturierungsverfahren erkannt werden.
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Das keramische Lumineszenzkonversionselement ist insbesondere plättchenförmig. Es kann ferner jede beliebige geometrische Form annehmen und nicht nur eine Aussparung sondern mehrere Aussparungen aufweisen. Dadurch können sich beispielsweise eine L-förmige, T-förmige oder kreuzförmige Gestalt des gebildeten Plättchens beziehungsweise einer anderen gebildeten Form ergeben. Ein kreuzförmiges Plättchen kann beispielsweise dazu dienen, für vier in Quadratform nebeneinander angeordnete Strahlungsquellen, die jeweils über einen Bond-Draht kontaktiert sind, ein gemeinsames Lumineszenzkonversionselement zur Verfügung zu stellen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Lumineszenzkonversionselement zumindest eine Hauptoberfläche aufweisen, die zumindest in Teilbereichen eine Strukturierung aufweist. Mittels einer derartigen Strukturierung kann eine verbesserte Einkopplung und/oder Auskopplung von Strahlung in beziehungsweise aus dem Lumineszenzkonversionselement erfolgen.
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Die Strukturierung kann gemäß einer Ausführungsform durch eine Aufrauung einer der Hauptoberflächen des Lumineszenzkonversionselements gebildet sein, es können aber auch auf der Hauptoberfläche zusätzliche Streuzentren, etwa aus Aluminiumoxid, Titandioxid, Yttrium-Aluminium-Granat und/oder Yttrium-Oxid, gebildet sein.
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Ein optoelektronisches Bauteil mit einem Lumineszenzkonversionselement gemäß einer oder mehrerer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen weist neben dem Lumineszenzkonversionselement noch mindestens einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip auf. Das Lumineszenzkonversionselement konvertiert dabei vom Halbleiterchip emittierte Primärstrahlung zumindest teilweise in eine Sekundärstrahlung, sodass sich eine Gesamtstrahlung ergibt, die beispielsweise für den Betrachter als weißes Licht erscheint. Allerdings kann auch die Erzeugung anderer Farbeindrücke erwünscht sein.
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Der Halbleiterchip kann dabei ein beliebiges Halbleitermaterial zur Emission der Primärstrahlung aufweisen. Beispielsweise kann eine Emission von UV-Strahlung aus dem Bereich von 370 bis 400 nm erfolgen. Der Halbleiterchip kann ferner ein beispielsweise aus Gallium-Indium-Nitrid und/oder Gallium-Nitrid ausgewähltes Halbleitermaterial aufweisen, das bei elektrischer Ansteuerung insbesondere blaue Primärstrahlung (beispielsweise 400 bis 480 nm) emittiert. In Kombination mit einem zu gelber Sekundärstrahlung konvertierenden Lumineszenzkonversionsstoff (zum Beispiel einem Cer-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat) kann hierbei ein weißes Licht emittierendes Bauteil erhalten werden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsformen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Ansicht eines optoelektronischen Bauteils mit einem Lumineszenzkonversionselement,
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2A bis 2D eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der keramischen Lumineszenzkonversionselemente,
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3A und 3B verschiedene Ausführungsformen anmeldungsgemäß herstellbarer Lumineszenzkonversionselemente.
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4 eine fotografische Aufnahme der Oberfläche eines bei der Herstellung der Lumineszenzkonversionselemente aus einem Formkörper erhaltenen Teilkörpers.
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Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Größen der Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
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Das optoelektronische Bauteil gemäß 1 weist einen Leiterrahmen 7 auf. Auf einem ersten Teilbereich des Leiterrahmens 7 ist ein strahlungsemittierender Halbleiterchip 6 befestigt. Auf diesem strahlungsemittierenden Halbleiterchip 6 ist ein L-förmiges, plättchenförmiges Lumineszenzkonversionselement 4 angeordnet. Das Lumineszenzkonversionselement 4 kann beispielsweise auf den Halbleiterchip 6 geklebt sein; der Einfachheit halber wurde aber auf die Darstellung einer Klebstoffschicht verzichtet. Zwischen der dem Halbleiterchip 6 zugewandten Hauptoberfläche des Lumineszenzkonversionselements 4 und der nach oben zeigenden, dem Betrachter der erzeugten Strahlung zugewandten Hauptoberfläche des Lumineszenzkonversionselements 4 ist dabei die Seitenfläche 40 des Lumineszenzkonversionselements 4 zu erkennen. Das Lumineszenzkonversionselement 4 weist eine Aussparung 5 auf, durch die man die dem Lumineszenzkonversionselement 4 zugewandte, freiliegende Seite des Halbleiterchips 6 erkennt. Dieser freiliegende Eckbereich des Halbleiterchips 6 weist auf der dem Leiterrahmen 7 abgewandten Fläche eine elektrische Anschlussfläche 60 auf, die insbesondere ein Bondpad sein kann. Ein Bond-Draht 8 verbindet das Bondpad 60 mit einem zweiten Teilbereich des elektrischen Leiterrahmens 7, der von dem ersten Teilbereich des Leiterrahmens 7 elektrisch isoliert ist. Üblicherweise wird die Montage des Lumineszenzkonversionselements 4 mit der Aussparung 5 vor oder nach dem elektrischen Kontaktieren des Halbleiterchips 6 mittels des Bond-Drahts 8 erfolgen.
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Das optoelektronische Bauteil, bei dem es sich beispielsweise um einen Leuchtdiodenbauelement handeln kann, weist bei einer Ausgestaltung eine Reflektorwanne auf, die beispielsweise aus einem Kunststoff oder Keramik-Material geformt ist, mit welchem der Leiterrahmen umspritzt ist. Die Reflektorwanne ist vorliegend zur vereinfachten Darstellung weggelassen.
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2A bis 2D zeigen ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Lumineszenzkonversionselementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung.
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2A zeigt einen Formkörper aus einem Lumineszenzkonversionsmaterial, beispielsweise einem Cer-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat, der beispielsweise eine Abmessung von 20 × 20 mm und eine Dicke von 1 mm aufweisen kann. Mittels zweier Anschläge 20 wird die Lage des Formkörpers 10 auf einer Unterlage 25 so justiert beziehungsweise fixiert, dass eine Bearbeitung gemäß den Schritten B) und D) und/oder eine Einbringung von Schnitten gemäß Schritt C) möglich ist.
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2B zeigt den Zustand, nachdem aus dem Formkörper 10 zwei Teilformkörper 11, 11' gebildet sind. In 2B ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der Verfahrensschritt D) vor Verfahrensschritt B) durchgeführt wird. Hierbei wird die erste Hauptoberfläche 12 des Formkörpers 10 so bearbeitet, dass ein zur ersten lateralen Oberfläche 13 des Formkörpers 10 paralleler Schnitt 14 eingebracht wird, sodass im Bereich der Schnittflächen jeweils ein zweiter bearbeiteter Bereich 16 (in 2B verdeckt) entsteht.
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Erfolgt die Bearbeitung der Teilkörper mittels einer Schleifscheibe, so kann die Schleifscheibe eine wesentlich größere Dicke aufweisen als die einzubringende beispielsweise falzförmige Strukturierung. So kann die falzförmige Strukturierung beispielsweise 150 bis 250 μm breit sein, die Dicke der Schleifscheibe aber vier bis fünf Mal so dick. Hinsichtlich der Abmessungen der Schleif- beziehungsweise Säge-Werkzeuge erfolgt durch anmeldungsgemäße Verfahren also weder in Schritt B) noch in Schritt C) oder D) eine Einschränkung.
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Aus einem 20 × 20 mm großen Formkörper können dabei beispielsweise 14 stäbchenförmige, gleichartige Teilkörper 11 gebildet werden.
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2C zeigt den Zustand, nachdem auch Verfahrensschritt B) durchgeführt wurde. Auch zur Durchführung des Verfahrensschritts B) dienen die Anschläge 20 zur Justierung, sodass eine definierte Bearbeitung und eine definierte Einbringung der Strukturierung erfolgen kann. In 2C ist nur ein Teilkörper 11 gezeigt, grundsätzlich können aber auch mehrere Teilkörper 11 (mit gleichen, aber auch mit unterschiedlichen geometrischen Formen) gleichzeitig in Verfahrensschritt B) bearbeitet werden. In die erste Hauptoberfläche 12 wird dabei eine Strukturierung beziehungsweise ein erster bearbeiteter Bereich 15 nach Art eines Falzes eingebracht, beispielsweise mittels eines Schleifverfahrens. Die Strukturierung verläuft hierbei wieder im Wesentlichen parallel zu der ehemals vorhandenen ersten lateralen Oberfläche 13 beziehungsweise dem in Schritt D) gebildeten zweiten bearbeiteten Bereich 16.
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2D zeigt den Zustand nach Vereinzelung der Lumineszenzkonversionselemente 4. Man erkennt, dass die mittels Schritt B) strukturierten stäbchenförmigen Teilkörper 11 auf einem Hilfsträger 17 angeordnet wurden. Der Übersichtlichkeit halber wurde hierbei eine Darstellung gewählt, bei der der Hilfsträger 17 keine Ausnehmungen zum ”Versenken” der Teilkörper 11 aufweist. Ein derartiger Hilfsträger 17 könnte beispielsweise Ausnehmungen in Form paralleler Gräben aufweisen, in denen die stäbchenförmigen Teilkörper 11 beispielsweise zur Hälfte ihrer Höhe versenkt sind. Auch ein Fixierungsmittel zum Fixieren der Teilkörper 11 auf dem Hilfsträger 17 ist der Einfachheit halber nicht dargestellt.
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In 2D ist nun zu erkennen, dass sieben gleichartige stäbchenförmige Teilkörper 11 parallel zueinander nebeneinander angeordnet auf dem Hilfsträger 17 angeordnet sind und jeweils eine Strukturierung 15 in Form eines Falzes aufweisen. Durch die Vereinzelung gemäß Schritt C) sind am vorderen Ende der Teilkörper 11 Schnitte 18 eingebracht, die sich auch teilweise in den Hilfsträger 17 erstrecken. Mittels dieser Schnitte 18 wurde eine Vielzahl von Lumineszenzkonversionselementen 4 erzeugt, bei denen eine Aussparung 5 zu sehen ist, die mittels der Schnitte aus der falzförmigen Strukturierung 15 gebildet wurden und die noch über den Hilfsträger 17 miteinander verbunden sind.
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Das Einbringen der Strukturierung beziehungsweise der Schnitte gemäß den 2B bis 2D kann beispielsweise mittels einer Präzisionssäge (etwa einer CNC-Säge) erfolgen. Wird beispielsweise ein Yttrium-Aluminium-Granat-Formkörper aus einem Aluminiumoxid-Träger gesägt, so ergibt sich ein in etwa gleicher Verschleiß durch beide Materialien.
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Aus einem 20 × 20 mm großen Formkörper können wie erwähnt 14 Teilkörper 11 erhalten werden, woraus im Verfahrensschritt D) etwa 1300 Plättchen erhalten werden können. Die Abweichung der Dicke der Plättchen beträgt dabei 5 bis 7 μm; die Abweichung einer beispielsweise 190 × 190 μm großen Aussparung beträgt hierbei 6 bis 8 μm (pro 190 μm). Die Abweichung der Abmessungen des Konverters von 1000 × 1000 μm beträgt dabei 5 bis 6 μm.
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3A zeigt Aufsicht auf die Hauptoberfläche eines plättchenförmigen Lumineszenzkonversionselements 4 mit mehreren Aussparungen 5 für 8 Halbleiterchips 6, die jeweils mittels eines Bond-Drahts kontaktiert sind.
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Lumineszenzkonversionselemente mit mehreren Aussparungen können beispielsweise für eine Array-artige Anordnung von Lumineszenzdiodenchips verwendet werden. Anwendungen derartiger Arrays können beispielsweise Fahrzeugscheinwerfer oder Projektor-Lichtquellen sein. Um ein derartiges Lumineszenzkonversionselement zu erzeugen, muss mindestens zwei Mal ein Schritt B) erfolgen, d. h. es muss sowohl die erste als auch die zweite Hauptoberfläche des Formkörpers mit insbesondere nut-förmigen beziehungsweise falz-förmigen Strukturierungen versehen werden.
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3B zeigt eine entsprechende Anordnung eines Lumineszenzkonversionselements mit vier Aussparungen, also für ein Array von vier LEDs, die jeweils mittels eines Bond-Drahts kontaktiert sind.
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4 zeigt eine fotografische Aufnahme der Oberfläche zweier stäbchenförmiger Teilkörper 11, auf der deutlich die Spuren der Strukturierung mittels mechanischer Bearbeitung gemäß Schritt B) bzw. Schritt D) zu erkennen sind.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst sie jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination in den Ausführungsbeispielen oder Patentansprüchen nicht explizit angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2004-062699 [0024]
- DE 10036940 [0025]
- WO 2000/33390 [0025]
- US 6616862 [0025]
- DE 10147040 [0025]
