DE102011078689A1

DE102011078689A1 - Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements und Konversionselement

Info

Publication number: DE102011078689A1
Application number: DE102011078689A
Authority: DE
Inventors: Angela Eberhardt; Christina Wille
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-01-10
Also published as: US20140141205A1; CN103717544A; WO2013004737A1; CN103717544B

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements (10) für ein optisches und/oder optoelektronisches Bauelement vorgeschlagen, wobei dasst: a) Bereitstellen eines transparenten Substrats (1), b) Aufbringen einer Schicht (2), die pulverförmiges Glaslot enthält, c) Verglasen der Schicht (2) durch eine erste Temperaturbehandlung, wodurch das Glaslot der Schicht (2) verglast und dadurch in ein Glasmaterial umgewandelt wird, d) Aufbringen eines leuchtstoffhaltigen Materials auf die Schicht (2) und e) Durchführen einer zweiten Temperaturbehandlung (TB2), wodurch Leuchtstoff (4) des leuchtstoffhaltigen Materials in das Glasmaterial der Schicht (2) einsinkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements und ein Konversionselement. Konversionselemente dienen in Verbindung mit optischen oder optoelektronischen Bauelementen dazu, das Spektrum und somit den wahrgenommenen Farbeindruck der durch das Bauelement abgegebenen elektromagnetischen Strahlung zu verändern. Ein Konversionselement wird dazu vor dem Bauelement, etwa einem lichtemittierenden Halbleiterchip so angebracht, dass die vom Bauelement abgegebene Strahlung durch das Konversionselement hindurchtritt. Leuchtstoffe im Konversionselement stellen dabei den Farbort und die Farbtemperatur ein.
Herkömmlich werden bei der Herstellung eines Konversionselements ein Matrixmaterial und Leuchtstoff miteinander vermischt. Als Matrixmaterial wird herkömmlich Silikon verwendet. Silikon ist ein schlechter Wärmeleiter, weshalb die Leuchtstoffe des Konversionselements während des Betriebs des lichtemittierenden Bauelements einer erhöhten thermischen Belastung ausgesetzt sind und deshalb an Effizienz verlieren. Glas als Matrixmaterial hat den Vorteil der besseren Wärmeleitung, da diese im Vergleich zu Silikon etwa um den Faktor 10 höher ist, wodurch sich die Leuchtstoffe im Betrieb weniger erwärmen und dadurch effizienter sind. Andererseits sind bei der Verwendung von Glas als Matrix hohe Temperaturen zum Einbetten der Leuchtstoffpartikel notwendig, wodurch der Leuchtstoff bei diesem Prozess geschädigt werden und so ebenfalls an Effizienz dauerhaft verlieren kann.
In DE 10 2008 021 438 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements mit Glasmatrix vorgeschlagen, bei dem eine Pulvermischung aus Glas und Leuchtstoff vermischt, verdichtet und versintert wird. Bei diesem Verfahren werden relativ hohe Temperaturen (150 °C oberhalb der Erweichungstemperatur) verwendet. Zudem müssen kostenintensive Formgebungsverfahren eingesetzt werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Konversionselement und ein kostengünstiges Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen, mit denen die Effizienz des Konversionselements verbessert werden und mit denen Gläser auch mit geringerem Risiko einer herstellungsbedingten Schädigung der Leuchtstoffe als Matrixmaterial für ein Konversionselement einsetzbar werden. Gegenüber den handelsüblichen Konversionselementen, die Silikon als Matrixmaterial enthalten, soll eine verbesserte Wärmeableitung während des Betriebs des Konversionselements und dadurch eine verbesserte Effizienz der Leuchtstoffe erreicht werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Konversionselement gemäß Anspruch 10 gelöst. Bei dem Verfahren nach Anspruch 1 wird als Matrix für den Leuchtstoff ein Glasmaterial gewählt, da dieses im Vergleich beispielsweise zu Silikon eine besonders hohe Wärmeableitung gewährleistet. Vor allem aber wird während des Herstellungsverfahrens nicht, wie in DE 10 2008 021 438 A1 beschrieben, die letztendlich verwendete Materialmischung der Temperaturbehandlung unterzogen. Statt dessen werden ein Glaslot sowie ein leuchtstoffhaltiges Material eingesetzt, die nacheinander verschiedenen Temperaturbehandlungsschritten ausgesetzt werden. Zunächst ist vorgesehen, dass ein Glaslotpulver für das Matrixmaterial alleine, d.h. noch ohne Leuchtstoff einer (ersten) Temperaturbehandlung unterzogen wird. Temperatur und Dauer dieses ersten Temperaturbehandlungsschrittes werden so gewählt, dass die Verglasung des leuchtstofffreien Glaslotes stattfindet und somit die Glaslotpulverschicht in eine glasige, vorzugsweise möglichst porenfreie Schicht umgewandelt wird. Im Vergleich zu dem eingangs genannten Sinterverfahren wird der Leuchtstoff dieser ersten Temperaturbehandlung nicht ausgesetzt, sodass die Herstellung der vorzugsweise blasenfreien glasigen Schicht auch bei erhöhten Temperaturen erfolgen kann.
Erst nach dieser Verglasung wird leuchtstoffhaltiges Material (z.B. eine Lösung oder Suspension, die den Leuchtstoff enthält) auf das bereits verglaste Material aufgebracht, insbesondere als weitere Schicht. Diese Schichtenfolge wird dann einer weiteren, zweiten Temperaturbehandlung unterzogen, durch die der Leuchtstoff des leuchtstoffhaltigen Materials in die vorverglaste, d.h. in die zuvor bereits verglaste Schicht einsinkt.
Eine der in dieser Anmeldung ausgenutzten Überlegungen besteht darin, dass das der (zweiten) Temperaturbehandlung zu unterziehende Material nur noch so weit erwärmt werden muss, dass der Leuchtstoff in dieses einsinken kann. Dies führt dazu, dass der Leuchtstoff nicht homogen in der Glasmatrix vorliegt, sondern tendenziell an der gegenüberliegenden Seite zum Substratglas konzentriert ist. Vorzugsweise wird diese Seite dem Chip zugewandt (auch in dem Fall, dass das Konversionselement von diesem beabstandet ist), sodass der Leuchtstoff relativ chipnah und in einer geringeren Schichtdicke als beim Sinterverfahren vorliegt. Dadurch ist eine verbesserte Abstrahlcharakteristik über den Winkel (etwa zur Vermeidung/Reduzierung des sogenannten „gelben Rings“ bei Teilkonversion) gegeben, da diese mitunter von der Dicke der konvertierenden Schicht abhängt (zur Seite austretendes Licht).
Bei dem Sinterverfahren wie in DE 10 2008 021 438 A1 beschrieben erhöhen die schon von Beginn an zugegebenen Leuchtstoffpartikel die Viskosität. Selbst bei niederschmelzenden Gläsern kann die dann erforderliche stärkere Temperatureinwirkung einen Anteil des Leuchtstoffs potenziell schädigen und dauerhaft deaktivieren. Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren jedoch wird die herstellungsbedingte thermische Belastung des Leuchtstoffs durch die Vornahme zweier separater Temperaturbehandlungsschritte (einmal mit und einmal ohne Leuchtstoff) sowie durch die gewählte Reihenfolge der Verfahrensschritte sehr viel geringer als bei einem Sinterverfahren. Eine unbeabsichtigte (teilweise) Deaktivierung von Leuchtstoff ist bei diesem Verfahren daher weniger wahrscheinlich, selbst bei Verwendung bleifreier Glaslote, deren Erweichungstemperaturen höher sind als diejenigen bleihaltiger Glaslote. Dies erhöht die Einsetzbarkeit von Glasmaterialien als Matrixmaterial als Alternative zu Silikon.
Die oben beschriebenen Verfahrensschritte sind in Verbindung mit einem transparenten Substrat vorgesehen, welches als Unterlage für die aufzubringende Glaslotschicht dient und später Bestandteil oder jedenfalls Träger des fertigen Konversionselements ist.
Das Einsinken des Leuchtstoffs aus der leuchtstoffhaltigen Schicht in das Glaslotmaterial darunter erfolgt in Richtung zum (ganz unten liegenden) Substrat hin. Der Einsinkvorgang kann durch Ausnutzung der Erdanziehungskraft und/oder durch mechanisches Pressen unterstützt und beschleunigt werden, jeweils in Verbindung mit der Wärmeeinwirkung während der zweiten Temperaturbehandlung. Das transparente Substrat (etwa aus Glas) besitzt eine höhere Erweichungstemperatur als die aufzubringende Glaslotschicht. Es kann während der Fertigung als Untergrund und Widerlager (bzw. Pressplatte) für die Glaslotschicht verwendet werden und am späteren Konversionselement ferner als einfaches optisches Element dienen. Das eigentliche Konversionselement besteht dann aus den Leuchtstoffpartikeln und dem als Matrixmaterial dienenden Glas.
Die zweite Temperaturbebehandlung kann bei derselben oder einer ähnlichen (um höchstens 100 °C, vorzugsweise höchstens 50 °C abweichenden) Temperatur wie die erste Temperaturbehandlung durchgeführt werden. Vorzugsweise ist die Temperatur der ersten Temperaturbehandlung höher als die der zweiten, da der Leuchtstoff noch nicht mit erhitzt wird. Durch den ersten Temperaturbehandlungsschritt wird das leuchtstofffreie Glaslot bereits verglast, bevor der Leuchtstoff in die vorverglaste Schicht einsedimentiert. Für das anmeldungsgemäße Verfahren können insbesondere Glaslote für Weichgläser und niederschmelzende Gläser (mit Erweichungstemperaturen von zwischen 400 und 800 °C, vorzugsweise zwischen 400 und 600 °C), sogar bleifreie Gläser bzw. Glaslote (mit höheren Erweichungstemperaturen als bleihaltige Gläser) eingesetzt werden. Das leuchtstofffreie Glaslot kann beispielsweise als druckfähige Paste (etwa für Sieb- oder Schablonendruck) aus Glaslotpulver, Medium und/oder Bindemittel gebildet und auf das transparente Substrat aufgetragen werden. Die Temperaturbehandlung kann an der Luft erfolgen.
Das leuchtstoffhaltige Material kann als für den Druck geeignete Paste oder alternativ durch Aufsprühen oder Aufstreichen (als Flüssigkeit bzw. Suspension), durch elektrostatisches Abscheiden (als Pulver) oder auf sonstige Weise aufgebracht werden. Das leuchtstoffhaltige Material kann den Leuchtstoff etwa in einem organischen Lösungsmittel (wie Isopropanol) suspendiert enthalten. Die zunächst leuchtstofffreie Glaslotschicht darunter kann beispielsweise ein alkalihaltiges, zinkhaltiges und/oder borhaltiges Phosphat, ein Silikat oder ein Borosilikat sein oder solch ein Material als Hauptbestandteil enthalten. Diese Materialien besitzen keine den Farbort verändernde Eigenfärbung. Vor allem aber reagieren sie, wie sich herausgestellt hat, während der Temperaturbehandlung nicht mit den verschiedenen Leuchtstoffarten (wie etwa Granaten, z.B. YAG:Ce, LuAG usw., Nitride, SiONe oder Orthosilikate), die zur Erzielung der unterschiedlichen Spektralbereiche der Sekundärspektren (etwa für Grün, Rot etc.) eingesetzt werden. Durch Mischen der Leuchtstoffe wird der Farbort eingestellt. Bei der Teilkonversion trägt zusätzlich die Primärstrahlung dazu bei. Warmweißes Licht kann beispielsweise durch Teilkonversion eines blau emittierenden Chips mit einer Mischung aus Granat und Nitrid als auch durch eine Mischung aus Nitrid und Orthosilikat erzeugt werden. Ebenso können andere Lichtfarben durch verschiedene Kombinationen hergestellt werden. Hier erweist es sich als vorteilhaft, wenn alle Leuchtstofftypen in die gleiche Glasmatrix eingebettet werden können, ohne dass sie mit ihr reagieren und dadurch geschädigt werden. Das hier beschriebene Verfahren in Kombination mit den oben genannten bleifreien Glasloten ist deshalb besonders vorteilhaft, weil auch die besonders empfindlichen Nitride und Orthosilikate an Luft und unter Normaldruck eingebettet werden können. Dadurch wird das Verfahren kostengünstiger. Daneben können auch andere bleifreie Glaslote verwendet werden. Bleifreie Glaslote besitzen zwar meist eine höhere Erweichungstemperatur als bleihaltige Glaslote, sind jedoch dank des hier vorgeschlagenen Verfahrens nunmehr mit geringerer Wärmebelastung für die Leuchtstoffe verarbeitbar als im Falle einer Vermengung mit dem Leuchtstoff vor Durchführung der Verglasung. Dies erhöht die praktische Einsetzbarkeit bleifreier, RoHS-konformer Glaslote erheblich.
Gemäß einer Weiterbildung wird eine zusätzliche Streuschicht unmittelbar auf dem transparenten Substrat hergestellt, bevor das zunächst leuchtstofffreie Material der eigentlichen Glaslotschicht aufgebracht wird. Die Paste der Streuschicht kann zunächst unverglast auf dem Substrat belassen und gemeinsam mit dem zunächst leuchtstofffreien Glaslot durch die erste Temperaturbehandlung verglast werden. Alternativ kann auch eine separate Temperaturbehandlung vorab durchgeführt werden, um die Streuschicht zunächst einzeln zu verglasen. Im ersteren Fall sind zwei Temperaturbehandlungen erforderlich, im letzteren Fall drei separate Temperaturbehandlungen.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele für das Konversionselement und seine Herstellung aufgeführt. Dabei werden vorzugsweise bleifreie, aber niederschmelzende Glaslote mit Erweichungstemperaturen zwischen 400 bis 600 °C verwendet. Insbesondere können Alkaliphosphate, Aluminiumphosphate, Zinkphosphate oder Zink-Borosilikate, auch in Kombination miteinander und/oder gemischt mit weiteren Zusätzen für die (zunächst) leuchtstofffreie Schicht verwendet werden. Als Leuchtstoff selbst können beispielsweise YAG (Yttrium-Aluminium-Granat), Nitride oder auch Orthosilikate eingesetzt werden. Zudem können auch mehrere verschiedene Leuchtstoffe in Kombination miteinander verwendet werden, um zwei oder mehr verschiedene Sekundärspektren zu erzeugen. Die oben genannten Matrixmaterialien besitzen keine Eigenfärbung, sodass unabhängig davon, welche Leuchtstoffe in welcher Konzentration oder Mischung hinzugefügt werden sollen, stets dieselbe Zusammensetzung der einbettenden Glasmatrix verwendet werden kann. Allerdings sind Orthosilikate und Nitride chemisch weniger beständig und daher bei der herstellungsbedingten thermischen Behandlung besonders oxidationsanfällig, besonders bei Temperaturen über 600 °C. Selbst bei bleihaltigen Glasloten wie PbO-B₂O₃-SiO₂ wie den Glasloten der Bezeichnungen 10104 und 10012 des Herstellers Ferro wurde mit steigender Einsinktemperatur eine verringerte Anregbarkeit nitridischer und orthosilikatischer Leuchtstoffe beobachtet. Das hier vorgeschlagene Verfahren jedoch ermöglicht es, selbst oxidationsanfällige Leuchtstoffe schonend in eine Glasmatrix einzubringen.
Einige Ausführungsbeispiele werden nachstehend mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Es zeigen:
Die 1A bis 1G verschiedene Verfahrensschritte einer Ausführungsart des hier vorgeschlagenen Verfahrens und
die 2 bis 7 verschiedene Ausführungsbeispiele einer Anordnung mit einem Konversionselement und einem optischen oder optoelektronischen Bauelement.
Die 1A bis 1G verdeutlichen verschiedene Verfahrensschritte einer exemplarischen Ausführungsart des Verfahrens, wobei jeweils eine schematische, teilweise Querschnittsansicht eines transparenten Substrats 1 und der darauf bereits angeordneten weiteren Schichten dargestellt ist. Die Größenverhältnisse, insbesondere Schichtdickenverhältnisse sind nicht maßstäblich. Die Verfahrensschritte gemäß den 1A und 1B sind zudem optional und können somit entfallen; dementsprechend kann auch die Schicht 5 in den 1C bis 1F entfallen. Das eigentliche Verfahren beginnt somit mit 1C, wo eine Schicht aus einem Glaslot 2a, das zunächst noch frei von einem Leuchtstoff ist, abgeschieden oder anderweitig aufgetragen wird – entweder unmittelbar auf ein transparentes Substrat 1 oder (wie dargestellt) auf eine zuvor auf das Substrat 1 aufgebrachte, optionale Streuschicht 5.
Gemäß einer Weiterbildung wird zunächst diese Streuschicht 5 (1A) unmittelbar auf das (vorzugsweise ebene und planparallele) transparente Substrat 1 der Substrat- bzw. Schichtdicke d1 (von vorzugsweise zwischen 10 µm und 5 mm) abgeschieden. Die Streuschicht 5 besteht vorzugsweise aus einem Glaslotmaterial 5a, das Streupartikel 6 enthält (1A), insbesondere solche mit einem Brechungsindex, der sich deutlich, vorzugsweise um mindestens 0,1 von demjenigen der Glasmatrix unterscheidet, und/oder mit einer Partikelgröße zwischen 380 nm und 5 µm (als mittlerem Partikeldurchmesser). Nach dem Aufbringen der Streuschicht 5 gemäß 1A kann diese entweder gemäß 1B durch eine separate Temperaturbehandlung verglast werden oder alternativ, nach dem Aufbringen einer Glaslotschicht 2 gemäß 1C, anschließend gemeinsam mit dieser Glaslotschicht 2 verglast werden, wie in 1D durch die Temperaturbehandlung TB1 und die Temperatur T1 angedeutet ist. Sofern die Streuschicht 5 zunächst einzeln verglast werden soll, wird gemäß 1B zuerst eine separate Temperaturbehandlung TB0 durchgeführt, deren Temperatur T0 und Zeitdauer noch weiter nachstehend beschrieben werden.
Gemäß 1C wird eine Schicht 2 aus einem Glaslot 2a aufgebracht, die zunächst noch keinen Leuchtstoff enthält. Die Schicht 2 bzw. das mit dieser Schicht (und gegebenenfalls mit der optionalen Streuschicht 5 der Schichtdicke d5) bedeckte transparente Substrat 1 wird gemäß 1D der (ersten) Temperaturbehandlung TB1 unterzogen; die exemplarisch gewählten Werte für Temperatur T1 und Zeitdauer der Temperaturbehandlung TB1 werden noch nachstehend beschrieben. Die Schichtdicke d2 der Schicht 2 nach Durchführung der ersten Temperaturbehandlung TB1 liegt etwa zwischen zwischen 1 µm und 200 µm, insbesondere zwischen 5 µm und 100 µm. Besonders bevorzugt ist eine Schichtdicke d2 zwischen 10 µm und 50 µm.
Schließlich erfolgt gemäß 1E ein Abscheiden oder anderweitiges Aufbringen einer leuchtstoffhaltigen Schicht 3 (einer Schichtdicke d3), deren leuchtstoffhaltiges Material 3a insbesondere einen als Partikel oder in anderer Form verteilten Leuchtstoff 4; 4a, 4b enthält. Das leuchtstoffhaltige Material liegt insbesondere als Leuchststoffpulver vor, wobei die (mittlere) Korngröße beispielsweise zwischen 2 µm und 20 µm betragen kann. Es können wie dargstellt mehrere, beispielsweise zwei Arten von Leuchtstoffpartikeln 4a, 4b vorgesehen sein, etwa aus unterschiedlichen Materialien oder Materialkombinationen, um später aus demselben Primärspektrum des optoelektronischen Bauelements mehrere Sekundärspektren zu erzeugen. Hinsichtlich der Materialien der Schicht 2 aus Glaslot 2a, der leuchtstoffhaltigen Schicht 3 (d.h. des leuchtstoffhaltigen Materials 3a sowie des Leuchtstoffes 4 selbst) und der optionalen Streuschicht 5 werden beispielhafte Materialien noch an späterer Stelle in einigen Ausführungsbeispielen beschrieben.
Gemäß 1F wird nun eine zweite Temperaturbehandlung TB2 durchgeführt, die bewirkt, dass der Leuchtstoff 4 aus der obersten, leuchtstoffhaltigen Schicht 3 in die zuvor noch leuchtstofffreie Schicht 2 einsinkt, wie in 1F anhand der nach unten gerichteten Pfeile dargestellt ist. Das Glaslot 2a der Schicht 2 wurde während der ersten Temperaturbehandlung TB1 gemäß 1D bereits verglast. Somit liegt gemäß 1E und zu Beginn der zweiten Temperaturbehandlung TB2 gemäß 1F die Schicht 2 als verglastes Material vor. Ebenso wie für die 1B und 1D werden auch für die Temperaturbehandlung TB2 gemäß 1F exemplarische Temperaturen T2 und Zeitdauern noch an späterer Stelle beschrieben.
Nach Durchführung der zweiten Temperaturbehandlung TB2 entsteht das in 1G dargestellte Konversionselement 10, das nun eine leuchtstoffhaltige Glasschicht 7 umfasst, die unmittelbar auf oder jedenfalls über dem transparenten Substrat 1 angeordnet ist (die optionale Streuschicht 5 ist in 1G nicht dargestellt, da sie ebenso entfallen kann). Das Konversionselement 10 enthält nun Leuchtstoff 4; 4a, 4b, der einer schonenderen Temperaturbehandlung und insbesondere einem erheblich geringeren thermischen Budget ausgesetzt war, als man bislang bei Verwendung einer Glasmatrix in Kauf nehmen musste. Der Leuchtstoff ist daher beim späteren Gebrauch mit höherer Zuverlässigkeit vollständig aktivierbar.
Das auf einer ersten Hauptfläche 1A (1A bis 1G) hergestellte Konversionselement 10 besitzt eine in lateraler Richtung beispielsweise homogene (oder alternativ auch inhomogene) Leuchtstoffverteilung, die in Richtung senkrecht zur Hauptfläche 1A vorzugsweise inhomogen ist und insbesondere mit zunehmender Nähe zur ersten Hauptfläche 1A abnimmt. Dementsprechend zeigt der in 1G dargestellte Gradient 11 der Leuchtstoffkonzentration (siehe die beiden Pfeile in 1G) von der ersten Hauptfläche 1A weg und zur entgegengesetzten Fläche des Konversionselements 10 hin, das von der anderen Hauptfläche 1B des transparenten Substrats 1 noch weiter entfernt ist. Die Leuchtstoffkonzentration im Konversionselement 10 ist somit nahe der in 1G obenliegend dargestellten Oberfläche des Konversionselements 10 am größten; diese Oberfläche ist später, wenn das Konversionselement samt Substrat verbaut wird, dem optischen bzw. optoelektronischen Bauelement vorzugsweise zugewandt.
Die 2 bis 7 zeigen einige exemplarische Bauformen einer Anordnung 21, die außer dem vorgeschlagenen Konversionselement 10 und dem Substrat 1, das zu seiner Herstellung und Formgebung verwendet wurde, ein Bauelement 20 aufweist, nämlich ein optisches und/oder optoelektronisches Bauelement 20. Das Bauelement 20 ist vorzugsweise ein Halbleiterchip 19, dessen Lichtaustrittsfläche dem Konversionselement 10 zugewandt ist. Das Konversionselement 10 kann mit seiner leuchtstoffhaltigen Seite direkt an der Lichtaustrittsfläche des Halbleiterchips 19 bzw. Bauelements 20 montiert werden. Dabei kann wie in 2 dargestellt das Konversionselement 7; 10 ebenso wie das transparente Substrat 1 planparallel und mit konstanter Schichtdicke geformt sein. Das Substrat dient hier als einfaches optisches Element.
Alternativ kann gemäß 3 das transparente Substrat 1 zugleich als optisches Element, insbesondere als Linse 15 dienen und somit eine über seinen Querschnitt variable Dicke besitzen. Wenn die Leuchtstoffkonzentration 11 im Konversionselement 10 inhomogen ist und mit zunehmendem Abstand von der Hauptfläche 1A des Substrats 1 größer wird, hat dies den Vorteil, dass die vom Bauelement 20 emittierte Strahlung bereits sehr nahe an ihrer Lichtaustrittsfläche auf einem Großteil des Leuchtstoffs im Konversionselement 10 tritt.
Gemäß 4 kann die aus dem transparenten Substrat 1 und dem Konversionselement 10 (bzw. ihrer leuchtstoffhaltigen Glasschicht 7) gebildete Einheit auch beabstandet von dem Bauelement 20 bzw. dem Halbleiterchip 19 verbaut werden. Dazu ist gemäß 4 exemplarisch ein Reflektor 12 vorgesehen, der einen vorgegebenen Abstand zwischen einem den Halbleiterchip 19 tragenden Trägerelement 13 und einem äußeren Rand des transparenten Substrats 1 sicherstellt. Auch hier ist die leuchtstoffhaltige Seite vorzugsweise dem Bauelement 20 zugewandt.
Gemäß 5 kann das transparente Substrat 1 auch dieser Anordnung 21 als optische Linse 15 ausgebildet sein. Während die als Untergrund für die Herstellung des Konversionselements 10 benötigte erste Hauptfläche 1A vorzugsweise eben ist, kann die entgegengesetzte Hauptfläche 1B des transparenten Substrats 1 gekrümmt sein und so die Ausformung des transparenten Substrats 1 als Linse 15 ermöglichen.
Die 6 und 7 zeigen Weiterbildungen, bei denen die leuchtstoffhaltige Glasschicht 7, die durch Einbringen des Leuchtstoffs in die ursprüngliche Schicht 2 entstanden ist, dünner ist (jedenfalls nach der Durchführung sämtlicher Temperaturbehandlungsschritte) als der Partikeldurchmesser des Leuchtstoffs 4. Somit können auch sehr dünne Glaslotschichten während der Herstellung im Rahmen der 1A bis 1G aufgetragen werden, die die Leuchtstoffpartikel 4 nicht mehr ganz umschließen. Obwohl dann die Schichtdicke der verglasten Schicht kleiner ist als der mittlere oder maximale Durchmesser der Leuchtstoffpartikel, ist die Schichtdicke zumindest so groß, dass die Leuchtstoffpartikel 4 fest an dem Substrat 1 haften. Der (in 6 nach unten) überstehende, emporragende Teil der Leuchtstoffpartikel 4 kann dann durch einen (vorzugsweise anorganischen und/oder hochbrechenden) Klebstoff 14 eingeebnet werden und auch unmittelbar mit der Lichtaustrittsfläche des optischen oder optoelektronischen Bauelements 20 verklebt werden. Beim Verkleben kann außerdem eine weitere, dritte Temperaturbehandlung zum Einsatz kommen. Dabei können etwa niederschmelzende Gläser mit einer Erweichungstemperatur unterhalb von 500 °C als anorganischer Kleber zum Einsatz kommen.
7 zeigt eine Weiterbildung, bei der die leuchtstoffhaltige Glasschicht 7 zumindest die Schichtdicke der durchschnittlichen Partikelgröße des Leuchtstoffs 4 besitzt, jedoch zusätzlich eine Schicht aus Klebstoff 14 ähnlich wie in 6 vorgesehen ist. Zusätzlich ist eine Streuschicht 5 vorhanden, die beispielsweise gemäß den 1A und 1B hergestellt wurde. Die Streuschicht 5 dient dazu, eine bessere Homogenität des Farbortes bzw. der Mischfarbe über den lichtaustrittsseitigen Winkelbereich des Konversionselements 10 (bzw. der Einheit aus Substrat und Konversionselement) zu erreichen. In den Ausführungsformen der 2 bis 7 ist vorzugsweise genau ein einziges Baulelement 20 bzw. ein einziger Halbleiterchip 19 verbaut und dem Konversionselement 10 und/oder dem transparenten Substrat 1 zugeordnet. Alternativ kann auch eine Mehrzahl von Bauelementen, beispielsweise eine Mehrzahl von Halbleiterchips mit identischem oder unterschiedlichem Emissionsspektrum verbaut und dem Konversionselement zugeordnet, d.h. unter ihm angeordnet sein.
Der Brechungsindex der Streupartikel der Streuschicht 5 ist vorzugsweise um mindestens 0,1 größer oder kleiner als derjenige des Glasmaterials. Die Korngröße der Streupartikel kann im Bereich der Wellenlänge des sichtbaren Lichts oder darüber liegen, etwa oberhalb von 380 nm und unterhalb von 5 µm. Als Material für die Streupartikel 6 der Streuschicht 5 können beispielsweise Al₂O₃, TiO₂, SrO, BaO, Y₂O₃, ZrO₂, La₂O₃, HfO₂, Ta₂O₃, SnO₂, ZnO, Nb₂O₃, Seltenerdoxide oder beliebige Kombinationen dieser Materialien eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein Aluminiumoxidpulver der Bezeichnung CR1–CR30 des Herstellers Baikowski in einer Menge von zwischen 2 und 10, vorzugsweise von 5 Vol-% im ursprünglichen Glaslotpulver für die Streuschicht 5 enthalten sein.
Nachfolgend werden einige exemplarische Ausführungsformen hinsichtlich der verwendeten Materialien und der Durchführung der Temperaturbehandlungsschritte näher beschrieben. Die nachfolgenden Ausführungsformmen sind mit den in der Beschreibung bis hierhin beschriebenen Ausführungsformen und mit den Ausführungsformen der Zeichnungen und der Patentansprüche jeweils kombinierbar, da sie diese weiter ausgestalten.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird für die Schicht 2 Glaslotpulver der Bezeichnung F010307 des Herstellers Heraeus mit Medium und Binder zu einer sieb- oder schablonendruckfähigen Paste verarbeitet. Beispielsweise kann eine Mischung der fünf Komponenten Alkalioxid – ZnO-Al₂O3-B₂O₃-P₂O₅ als Glaslotpaste verwendet und als Schicht 2 aufgetragen werden, beispielsweise auf einen Objektglasträger (Hersteller Roth) oder ein sonstiges (planparalleles) Glasplättchen. Die Paste wird mit einer Schichtdicke d2 von beispielsweise 30 bis 70 µm, insbesondere von 50 µm aufgetragen und während der ersten Temperaturbehandlung auf eine Temperatur zwischen 400 und 800 °C, vorzugsweise zwischen 500 und 700 °C erhitzt. Die Temperaturbehandlung kann beispielsweise für eine Zeitdauer von 10 bis 60, vorzugsweise 20 bis 40 Minuten durchgeführt werden, entweder an der Luft oder unter Luftabschluss. Dabei findet die Verglasung unter Normaldruck (1013 mbar) statt. Die Schichtdicke d2 der Schicht 2 kann jedoch auch abweichend gewählt werden; sie kann nach Durchführung der ersten Temperaturbehandlung TB1 etwa zwischen zwischen 1 µm und 200 µm, insbesondere zwischen 5 µm und 100 µm (und besonders bevorzugt zwischen 10 µm und 50 µm) betragen.
Anschließend kann als Leuchtstoff beispielsweise Granat wie etwa YAG:Ce, LuAG usw., ein Nitrid, SiONe oder ein Orthosilikat aufgetragen werden, etwa durch Aufpinseln einer entsprechenden Leuchtstoffsuspension in Isopropanol oder einem sonstigen Medium. Dann wird zum Einsinken bzw. Einsedimentieren des Leuchtstoffs eine zweite Temperaturbehandlung ebenfalls zwischen 400 und 800 °C, vorzugsweise zwischen 500 und 700 °C (idealerweise unterhalb von 600 °C) durchgeführt, wiederum für 10 bis 60, vorzugsweise 20 bis 40 Minuten (beispielsweise an der Luft). Die bereits verglaste Schicht wird während der zweiten Temperaturbehandlung so weich, dass der Leuchtstoff in diese einsinken kann. Das vorgeschlagene Verfahren liefert somit ein Konversionselement, dessen Leuchtstoffe nach Fertigstellung des Konversionselements mit höherer Wahrscheinlichkeit vollständig aktivierbar sind.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel wird Glaslotpulver der Bezeichnung 106038D des Herstellers Ferro (eine Glaslotverbindung des Systems ZnO-B₂O₃-SiO₂, d.h. zinkhaltiges Borosilikat) als Paste auf das transparente Glassubstrat aufgebracht und zunächst bei einer Temperatur zwischen 500 und 800 °C, vorzugsweise zwischen 550 und 650 °C für eine Zeitdauer von 10 bis 60, vorzugsweise 20 bis 40 Minuten an der Luft erhitzt. Nach dieser Verglasung wird der Leuchtstoff wie im ersten Ausführungsbeispiel aufgebracht, bevor zum Einsinken die zweite Temperaturbehandlung bei einer Temperatur ebenfalls zwischen 500 und 800 °C, vorzugsweise zwischen 550 und 650 °C (idealerweise unterhalb von 620 °C) für 10 bis 60, vorzugsweise 20 bis 40 Minuten (etwa an der Luft unter Normaldruck von 1013 mbar) durchgeführt wird.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel wird Glaslotpulver der Bezeichnung 8474 des Herstellers Schott (ein Alkaliphosphat-Glaslot) ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel aufgetragen und zunächst auf eine Temperatur zwischen 400 und 600 °C, vorzugsweise zwischen 450 und 550 °C während einer Zeitdauer von 10 bis 60, vorzugsweise 20 bis 40 Minuten an der Luft erhitzt. Nach dieser Verglasung wird wie im ersten Ausführungsbeispiel Leuchtstoff zugegeben, bevor der Einsinkvorgang durch die zweite Temperaturbehandlung bei Temperaturen ebenfalls zwischen 400 und 600 °C, vorzugsweise zwischen 450 und 550 °C (idealerweise unterhalb von 500 °C) während einer Zeitdauer von 10 bis 60, vorzugsweise 20 bis 40 Minuten in Luft unter Normaldruck (1013 mbar) veranlasst wird.
In allen drei Ausführungsbeispielen sind die eingesunkenen Leuchtstoffe nach der (zweiten) Temperaturbehandlung noch vollständig aktivierbar. Der Leuchtstoff kann jeweils statt als Paste auch in organischen Lösungsmitteln wie Isopropanol suspendiert aufgebracht werden. Die leuchtstoffhaltige Seite des fertigen Konversionselements 10 ist bei der späteren Montage vorzugsweise der Lichtaustrittsfläche des optoelektronischen Elements 20 bzw. des Halbleiterchips 19 zugewandt. Sofern der Leuchtstoff als Paste (in Verbindung mit einem Binder und einem Lösungsmittel) aufgebracht wird, kann diese Paste Nitrozellulosen, Acrylate oder Ethylzellulosen enthalten. Das leuchtstoffhaltige Material kann außer durch Aufdrucken (insbesondere durch Sieb- oder Schablonendruck) auch durch Aufsprühen, Aufpinseln oder elektrostatisches Abscheiden aufgebracht werden.
Für die Schicht 2 aus Glaslot können Glaslote mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α beispielsweise zwischen 6 x 10^–6/K und 20 x 10^–6/K (bezogen auf den Temperaturbereich zwischen 20 und 300 °C) verwendet werden.
Die Durchführung der hier vorgeschlagenen Verfahren bei Einsink-Temperaturen unterhalb von 700, vorzugsweise unterhalb von 600 °C unter Normaldruck ermöglicht eine Einbettung selbst empfindlicher Leuchtstofftypen wie den Nitriden oder (Ortho-)Silikaten, selbst in Gegenwart von Luft. Die zweite Temperaturbehandlung oder wahlweise auch beide Temperaturbehandlungen können ebenso im Vakuum, in einem Schutzgas oder in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt werden, die aber das Herstellungsverfahren verteuern.
Gemäß einem weiteren, vierten Ausführungsbeispiel ist zunächst die Abscheidung einer Streuschicht 5 vorgesehen. Diese kann neben einem Glaslotpulver (etwa der Bezeichnung F010307 des Herstellers Heraeus) zusätzlich ein Pulver aus hochbrechenden Partikeln, vorzugsweise mit Korngrößen oberhalb von 380 nm enthalten. Beispielsweise kann ein Aluminiumoxidpulver (Al₂O₃), etwa der Bezeichnung CR1–CR30 des Herstellers Baikowski dem Glaslotpulver beigegeben und damit vermischt werden. Die dann homogene Pulvermischung wird mit Medium und Binder zu einer druckfähigen Paste verarbeitet und auf das transparente Substrat aufgebracht. Nach der ersten Temperaturbehandlung ergibt sich hierfür eine Schichtdicke d5 von zwischen 1 µm und 70 µm, vorzugsweise von 50 µm.
Erst nach dem Auftragen dieser Streuschicht folgen die weiteren Bearbeitungsschritte wie in den ersten drei Ausführungsbeispielen, nämlich das Aufbringen des eigentlichen, zunächst leuchtstofffreien Glaslotes, die erste Temperaturbehandlung, das Aufbringen des leuchtstoffhaltigen Materials und die zweite Temperaturbehandlung. Während der ersten Temperaturbehandlung werden dann die Streuschicht und die zunächst leuchtstofffreie Glaslotschicht gemeinsam vorverglast. Alternativ kann auch die Streuschicht auf dem Substrat zunächst alleine vorverglast werden. Dabei können die Temperatur T0 und/oder die Zeitdauer ähnlich wie für die nachfolgenden Temperaturbehandlungen TB1 und/oder TB2 oder auch abweichend davon gewählt werden. Der separate Heizprozess für die Streuschicht erfordert dann allerdings drei Temperaturbehandlungen für das Herstellungsverfahren insgesamt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008021438 A1 [0003, 0005, 0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements (10) für ein optisches und/oder optoelektronisches Bauelement (20), wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines transparenten Substrats (1), b) Aufbringen einer Schicht (2), die pulverförmiges Glaslot (2a) enthält, c) Verglasen der Schicht (2) durch eine erste Temperaturbehandlung (TB1), wodurch das Glaslot (2a) der Schicht (2) verglast und dadurch in ein Glasmaterial (2b) umgewandelt wird, d) Aufbringen eines leuchtstoffhaltigen Materials (3a) auf die Schicht (2) und e) Durchführen einer zweiten Temperaturbehandlung (TB2), wodurch Leuchtstoff (4) des leuchtstoffhaltigen Materials (3a) in das Glasmaterial (2b) der Schicht (2) einsinkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperaturbehandlung (TB2) bei einer Temperatur (T2) durchgeführt wird, die höchstens 50 °C von einer Temperatur (T1), bei der die erste Temperaturbehandlung (TB1) durchgeführt wird, abweicht oder identisch mit der Temperatur (T1) der ersten Temperaturbehandlung (TB1) ist, wobei die jeweilige Temperatur (T1, T2) jeweils zwischen 400 und 800 °C, vorzugsweise zwischen 450 und 650 °C liegt und wobei die Dauer der ersten (TB1) und zweiten Temperaturbehandlung (TB2) jeweils zwischen 5 und 90 Minuten, vorzugsweise zwischen 20 und 60 Minuten beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das leuchtstoffhaltige Material (3a) einen Leuchtstoff (4) oder eine Mischung verschiedener Leuchtstoffe (4; 4a, 4b) aufweist, die homogen in dem leuchtstoffhaltigen Material (3a) verteilt sind, und dass das leuchtstoffhaltige Material (3a) in Schritt d) auf die gesamte Fläche der Schicht (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) als Glaslot (2a) ein bleifreies, aber niederschmelzendes Glaslot (2a), das eine Erweichungstemperatur von zwischen 400 und 600 °C besitzt, insbesondere ein zinkhaltiges Borosilikat-Glas, Zink-Wismut-Borosilikat-Glas, Aluminiumphosphat-Glas, Aluminium-Zink-Phosphat-Glas oder ein Alkaliphosphat-Glas aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt a) ein Glaslotmaterial (5a), welches Streupartikel (6), vorzugsweise solche Streupartikel (6) mit einem Partikeldurchmesser zwischen 380 nm und 5 µm und/oder mit einem optischen Brechungsindex, der sich um mindestens 0,1 von dem Brechungsindex der Glasmatrix unterscheidet, enthält, als Streuschicht (5) unmittelbar auf das transparente Substrat (1) aufgebracht wird, bevor der Schritt b) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuschicht (5) aus dem die Streupartikel (6) enthaltenden Glaslotmaterial (5a) in Schritt c) gemeinsam mit der in Schritt b) aufgebrachten Schicht (2) erhitzt und dabei verglast wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuschicht (5) aus dem die Streupartikel (6) enthaltenden Glaslotmaterial (5a) bereits vor dem Schritt b) durch eine separate Temperaturbehandlung (TB0) verglast wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) als leuchtstoffhaltiges Material (3b) pulverförmiger Leuchtstoff (4; 4a, 4b) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das leuchtstoffhaltige Material (3a) in Schritt d) durch Aufsprühen oder Aufstreichen, durch elektrostatisches Abscheiden oder durch Aufdrucken als Paste, insbesondere durch Siebdruck oder Schablonendruck aufgebracht wird.
Konversionselement (10) für ein optisches und/oder optoelektronisches Bauelement (20), wobei das Konversionselement (10) zumindest folgendes aufweist: – ein transparentes Substrat (1), – eine Schicht (2) aus einem Glasmaterial (2b), wobei die Schicht (2) auf oder über einer Hauptfläche (1A) des transparenten Substrats (1) angeordnet ist und mit dem transparenten Substrat (1) fest verbunden ist, – wobei die Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) Leuchtstoff (4; 4a, 4b) enthält, – wobei die Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) die eine Hauptfläche (1A) des transparenten Substrats (1) vollständig oder nahezu vollständig bedeckt, wohingegen eine andere, entgegengesetzte Hauptfläche (1B) des transparenten Substrats (1) freiliegt, – wobei der Leuchtstoff (4) über die gesamte Ausdehnung der Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) in dieser Schicht (2) verteilt ist und – wobei die Konzentration des Leuchtstoffs (4) in der Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) über die Schichtdicke (d2) dieser Schicht (2) variiert und in Richtung zum transparenten Substrat (1) hin abnimmt.
Konversionselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) und dem transparenten Substrat (1) eine Streuschicht (5) angeordnet ist, die Streupartikel (6), vorzugsweise solche Streupartikel (6) mit einem Partikeldurchmesser zwischen 380 nm und 5 µm und/oder mit einem Brechungsindex, der sich um mindestens 0,1 von dem Brechungsindex der Glasmatrix unterscheidet, enthält.
Konversionselement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) als Hauptbestandteil ein bleifreies, aber niederschmelzendes Glas mit einer Erweichungstemperatur zwischen 400 und 600 °C, vorzugsweise ein zinkhaltiges Borosilikat-Glas, Zink-Wismut-Borosilikat-Glas, Aluminiumphosphat-Glas, Aluminium-Zink-Phosphat-Glas oder ein Alkaliphosphat-Glas enthält.
Konversionselement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass – das Konversionselement (10) an einem optischen und/oder optoelektronischen Bauelement (20), insbesondere einem Halbleiterbauelement (19) montiert ist, – wobei die den Leuchtstoff (4) enthaltende Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) entweder an dem Bauelement (20) befestigt, insbesondere angeklebt, oder von dem Bauelement (20) beabstandet montiert ist und – wobei die den Leuchtstoff (4) enthaltende Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) dem Bauelement (20) zugewandt ist.
Konversionselement nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial (2b) einen oder mehrere der Leuchtstofftypen Granat, Nitrid und Orthosilikat enthält.
Konversionselement nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Substrat (1) so geformt ist, dass es entweder planparallel und mit konstanter Schichtdicke (d1) ausgebildet ist oder alternativ als Linse (15) mit variierender Dicke geformt ist.