DE102011087614A1 - Optoelectronic arrangement for use in headlight in vehicle, has planar light conductor for mixing of electromagnetic radiation, arranged downstream to semiconductor chips in radiation pattern and covering gap between semiconductor chips - Google Patents
Optoelectronic arrangement for use in headlight in vehicle, has planar light conductor for mixing of electromagnetic radiation, arranged downstream to semiconductor chips in radiation pattern and covering gap between semiconductor chips Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Anordnung, ein Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Anordnung und eine Leuchtvorrichtung.The present invention relates to an optoelectronic device, a method for producing an optoelectronic device and a lighting device.
Optoelektronische Anordnungen können eine Mehrzahl an Halbleiterchips aufweisen. Die Halbleiterchips können elektromagnetische Strahlung emittieren. Die Halbleiterchips sind üblicherweise auf einem Träger angeordnet. Der Träger ist notwendig zur mechanischen und elektrischen Kontaktierung der Halbleiterchips. Solche optoelektronischen Anordnungen werden auch Multichip Module genannt, die zum Beispiel als sogenannte Frontscheinwerfer (englisch "Headlamp") in Fahrzeugen einsetzbar sind. Aus prozesstechnischen Gründen ist ein Mindestabstand zwischen benachbarten Halbleiterchips notwendig. Je nach Kontaktierungsmethode für die Halbleiterchips liegen die minimal erreichbaren Abstände zwischen benachbarten Halbleiterchips bei bis zu 200 µm. Dies führt zu räumlich inhomogenen Leuchtdichten und Abstrahlcharakteristiken des Lichtes, das von den Multichip Modulen ausgesandt wird.Optoelectronic devices may include a plurality of semiconductor chips. The semiconductor chips can emit electromagnetic radiation. The semiconductor chips are usually arranged on a carrier. The carrier is necessary for the mechanical and electrical contacting of the semiconductor chips. Such optoelectronic arrangements are also called multichip modules, which can be used, for example, as so-called headlamps ("headlamps") in vehicles. For procedural reasons, a minimum distance between adjacent semiconductor chips is necessary. Depending on the contacting method for the semiconductor chips, the minimum achievable distances between adjacent semiconductor chips are up to 200 μm. This results in spatially inhomogeneous luminances and radiation characteristics of the light emitted by the multichip modules.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.An object of the present invention is to improve the prior art.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine optoelektronische Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Anordnung anzugeben, so dass die Leuchtdichte und die Abstrahlcharakteristik der optoelektronischen Anordnung besser homogenisiert sind.A further object of the invention is to specify an optoelectronic device and a method for producing an optoelectronic device, so that the luminance and the radiation characteristic of the optoelectronic device are better homogenized.
Diese Aufgabe wird durch eine optoelektronische Anordnung gemäß dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch 1 und durch ein Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Anordnung gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch 15 gelöst.This object is achieved by an optoelectronic device according to independent device claim 1 and by a method for producing an optoelectronic device according to independent method claim 15.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leuchtvorrichtung aufweisend eine optoelektronische Anordnung anzugeben, so dass die Leuchtdichte und die Abstrahlcharakteristik der Leuchtvorrichtung besser homogenisiert sind.A further object of the invention is to specify a lighting apparatus having an optoelectronic arrangement, so that the luminance and the radiation characteristic of the lighting apparatus are better homogenized.
Diese Aufgabe wird durch eine Leuchtvorrichtung gemäß dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch 14 gelöst.This object is achieved by a lighting device according to independent device claim 14.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der optoelektronischen Anordnung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further developments and advantageous embodiments of the optoelectronic device are specified in the dependent claims.
Beispielhafte AusführungsformenExemplary embodiments
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Anordnung mit mindestens zwei Halbleiterchips, die auf einem Träger angeordnet sind. Die Halbleiterchips sind zur Emission elektromagnetischer Strahlung ausgelegt. Zwischen benachbarten Halbleiterchips ist jeweils eine Lücke ausgebildet. Ein flächiger Lichtleiter ist den Halbleiterchips in Abstrahlrichtung nachgeordnet und überdeckt die jeweilige Lücke. In dem flächigen Lichtleiter wird die elektromagnetische Strahlung durchmischt. Insbesondere erfolgt in dem flächigen Lichtleiter eine räumliche Durchmischung der elektromagnetischen Strahlung. Mit anderen Worten werden durch den flächigen Lichtleiter die Leuchtdichte und die Abstrahlcharakteristik der optoelektronischen Anordnung besser homogenisiert. Die Leuchtdichte wird über der jeweiligen Lücke erhöht. Durch den Einsatz des flächigen Lichtleiters sind insbesondere die Anforderungen an den maximal zulässigen Abstand zwischen benachbarten Halbleiterchips weniger streng. Dies reduziert insbesondere die Anforderungen bezüglich der Platzierungstoleranzen beim Bestücken des Trägers mit Halbleiterchips. Das Homogenisieren der Leuchtdichte über die Ausdehnung der optoelektronischen Anordnung ist vorteilhaft insbesondere zum Einsatz der optoelektronischen Anordnung als Frontscheinwerfer in Fahrzeugen. Mit der erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung kann der Raum vor einem Fahrzeug homogener ausgeleuchtet werden. Im Vergleich zum Stand der Technik treten weniger dunkle Bereiche auf. Besonders vorteilhaft ist es, dass die erfindungsgemäße optoelektronische Anordnung einfach und kostengünstig realisierbar ist. Als flächiger Lichtleiter ist beispielsweise ein einfaches Glas- oder Silikon-Plättchen einsetzbar. The present invention relates to an optoelectronic device having at least two semiconductor chips, which are arranged on a carrier. The semiconductor chips are designed for the emission of electromagnetic radiation. Between adjacent semiconductor chips, a gap is formed in each case. A planar light guide is arranged downstream of the semiconductor chips in the emission direction and covers the respective gap. In the planar light guide, the electromagnetic radiation is mixed. In particular, spatial mixing of the electromagnetic radiation takes place in the planar light guide. In other words, the luminance and the radiation characteristic of the optoelectronic device are better homogenized by the planar light guide. The luminance is increased above the respective gap. As a result of the use of the planar light guide, in particular the requirements for the maximum permissible distance between adjacent semiconductor chips are less stringent. This reduces in particular the requirements with regard to the placement tolerances when loading the carrier with semiconductor chips. The homogenization of the luminance over the extent of the optoelectronic arrangement is advantageous in particular for the use of the optoelectronic arrangement as headlights in vehicles. With the optoelectronic arrangement according to the invention, the space in front of a vehicle can be illuminated more homogeneously. Compared to the prior art, less dark areas occur. It is particularly advantageous that the optoelectronic arrangement according to the invention can be implemented simply and inexpensively. As a planar light guide, for example, a simple glass or silicone plate can be used.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Träger eines der folgenden Elemente auf:
- – eine Leiterplatte (PCB),
- – ein Keramiksubstrat,
- – eine Metallkernplatine,
- – einen Leadframe oder
- – ein Kunststofflaminat
- – ein Panel.
- A printed circuit board (PCB),
- A ceramic substrate,
- A metal core board,
- - a leadframe or
- - a plastic laminate
- - a panel.
Insbesondere ist als Träger eine Metallkernplatine vorteilhaft, da Diese einfach und preiswert in der Herstellung ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. In particular, as a carrier, a metal core board is advantageous because it is simple and inexpensive to manufacture and has a high thermal conductivity.
Die Halbleiterchips weisen mindestens eine aktive Zone auf, die elektromagnetische Strahlung emittiert. Die aktiven Zonen können pn-Übergänge, Doppelheterostruktur, Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW), Einfach-Quantentopfstruktur (SQW) sein. Quantentopfstruktur bedeutet: Quantentöpfe (3-dim), Quantendrähte (2-dim) und Quantenpunkte (1-dim).The semiconductor chips have at least one active zone which emits electromagnetic radiation. The active zones may be pn junctions, double heterostructure, multiple quantum well structure (MQW), single quantum well structure (SQW). Quantum well structure means quantum wells (3-dim), quantum wires (2-dim) and quantum dots (1-dim).
In einer bevorzugten Ausführungsform basiert der Halbleiterchip auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. III-V-Verbindungshalbleitermaterialen sind vorteilhaft, da bei der Strahlungserzeugung hohe interne Quanteneffizienzen erzielt werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Halbleiterchip Aluminium Indium Gallium Nitrid (AlxInyGa1-x-yN) aufweisen. Diese Halbleiterchips können elektromagnetische Strahlung vom ultravioletten Spektralbereich über den blauen Spektralbereich bis zum grünen Spektralbereich emittieren. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Halbleiterchip Aluminium Indium Gallium Phosphid (AlxInyGa1-x-yP) aufweisen. Diese Halbleiterchips können elektromagnetische Strahlung vom roten Spektralbereich bis zum gelben Spektralbereich emittieren. Hierbei gilt jeweils 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, insbesondere mit x ≠ 1, y ≠ 1, x ≠ 0 und/oder y ≠ 0.In a preferred embodiment, the semiconductor chip is based on a III-V compound semiconductor material. III-V Compound semiconductor materials are advantageous because high internal quantum efficiencies can be achieved in radiation generation. In a preferred embodiment, the semiconductor chip may comprise aluminum indium gallium nitride (Al x In y Ga 1-xy N). These semiconductor chips can emit electromagnetic radiation from the ultraviolet spectral range over the blue spectral range to the green spectral range. In a further preferred embodiment, the semiconductor chip may comprise aluminum indium gallium phosphide (Al x In y Ga 1-xy P). These semiconductor chips can emit electromagnetic radiation from the red spectral range to the yellow spectral range. In this case, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1 and x + y ≦ 1, in particular with x ≠ 1, y ≠ 1, x ≠ 0 and / or y ≠ 0.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Halbleiterchip als Oberflächenemitter, insbesondere als sogenannter Dünnfilmchip, ausgebildet sein. Bei Dünnfilmchips überwiegt die Abstrahlung in Vorwärtsrichtung. Dies ist z.B. beim Einsatz in einem Frontscheinwerfer vorteilhaft. Der Dünnfilmchip ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
Die Halbleiterchips können durch Drahtbonden kontaktiert sein. Bei Licht emittierenden Halbleiterchips, die eine Schicht mit einer n-Polarität und eine Schicht mit einer p-Polarität aufweisen, kann eine der beiden Schichten über einen Bonddraht kontaktiert werden. In einer alternativen Ausführungsform können beide Schichten mit je einem Bonddraht kontaktiert werden. Der Bonddraht verbindet ein Bondpad auf dem Träger und ein Kontaktpad auf dem Licht emittierenden Halbleiterchip. Der Bonddraht erreicht bei einem minimalen Durchmesser von etwa 15 µm eine absolute Höhe über dem Halbleiterchip von mindestens etwa 70 µm. The semiconductor chips may be contacted by wire bonding. In the case of light-emitting semiconductor chips which have a layer with an n-polarity and a layer with a p-polarity, one of the two layers can be contacted via a bonding wire. In an alternative embodiment, both layers can be contacted with one bonding wire each. The bonding wire connects a bonding pad on the carrier and a contact pad on the light emitting semiconductor chip. The bonding wire reaches an absolute height above the semiconductor chip of at least about 70 μm with a minimum diameter of about 15 μm.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Kontakte der Schicht mit der n-Polarität und der Schicht mit der p-Polarität auf der Seite des Halbleiterchips realisiert, die zum Träger weist. Ein Beispiel für eine solche Ausführungsform ist eine sogenannte Flipchip-Anordnung. Das Fehlen von Kontaktstrukturen auf der Strahlungsemissionsseite des Halbleiterchips ist besonders vorteilhaft, da der flächige Lichtleiter unmittelbar auf der Strahlungsemissionsseite der Halbleiterchips angeordnet werden kann.In a preferred embodiment, the contacts of the n-polarity layer and the p-polarity layer are realized on the side of the semiconductor chip facing the carrier. An example of such an embodiment is a so-called flip-chip arrangement. The lack of contact structures on the radiation emission side of the semiconductor chip is particularly advantageous since the planar light guide can be arranged directly on the radiation emission side of the semiconductor chips.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Strahlungsemissionsseite der Halbleiterchips und dem flächigen Lichtleiter jeweils ein Konversionselement angeordnet. Dies ist besonders vorteilhaft zur Wellenlängenkonversion des vom Halbleiterchip emittierten Lichtes. Das Konversionselement kann eine Dicke zwischen etwa 20 µm und etwa 200 µm aufweisen. Das Konversionselement weist Leuchtstoffpartikel auf. Die Leuchtstoffpartikel wandeln einen Teil der vom Halbleiterchip emittierten kurzwelligen elektromagnetischen Strahlung (z.B. blaues Licht) in längerwellige elektromagnetische Strahlung (z.B. gelbes Licht). Das Mischlicht aus blauem und gelbem Licht kann weißes Licht ergeben.In a preferred embodiment, a conversion element is arranged in each case between the radiation emission side of the semiconductor chips and the planar light guide. This is particularly advantageous for the wavelength conversion of the light emitted by the semiconductor chip. The conversion element may have a thickness of between about 20 μm and about 200 μm. The conversion element has phosphor particles. The phosphor particles convert a portion of the short wavelength electromagnetic radiation (e.g., blue light) emitted by the semiconductor chip into longer wavelength electromagnetic radiation (e.g., yellow light). The mixed light of blue and yellow light can produce white light.
Die Leuchtstoffpartikel weisen wenigstens eines der folgenden Materialien auf:
- – Lanthan dotiertes Yttriumoxid (Y2O3-La2O3),
- – Yttrium Aluminium Granat (Y3Al5O12),
- – Dysprosiumoxid (Dy2O3),
- – Aluminium Oxynitrid (Al23O27N5) oder
- – Aluminium Nitrid (AlN).
- Lanthanum-doped yttrium oxide (Y 2 O 3 -La 2 O 3 ),
- Yttrium aluminum garnet (Y 3 Al 5 O 12 ),
- Dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ),
- Aluminum oxynitride (Al 23 O 27 N 5 ) or
- - Aluminum nitride (AlN).
Das Konversionselement kann als Keramikplättchen mit einer Dicke zwischen etwa 40 µm und etwa 200 µm, vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 100 µm, ausgebildet sein. Alternativ kann das Konversionselement als Silikonplättchen mit einer Dicke zwischen etwa 20 µm und etwa 30 µm ausgebildet sein. Alternativ kann das Konversionselement elektrophoretisch mit einer Dicke zwischen etwa 50 µm und etwa 100 µm abgeschieden werden. Alternativ kann das Konversionselement auf den Halbleiterchip aufgemoldet sein mit Silikon als Moldmaterial in das Leuchtstoffpartikel eingebettet sind. Besonders vorteilhaft sind möglichst dünne Konversionselemente. Je dünner das Konversionselement ist, desto geringer ist die unerwünschte Winkelaufweitung. Je geringer die Winkelaufweitung, desto mehr Licht kann in den flächigen Lichtleiter eingekoppelt werden. The conversion element may be formed as a ceramic plate with a thickness between about 40 microns and about 200 microns, preferably with a thickness of about 100 microns. Alternatively, the conversion element may be formed as a silicon wafer with a thickness between about 20 microns and about 30 microns. Alternatively, the conversion element may be electrophoretically deposited to a thickness of between about 50 μm and about 100 μm. Alternatively, the conversion element can be molded onto the semiconductor chip with silicone as the molding material embedded in the phosphor particle. Particularly advantageous are the thinnest possible conversion elements. The thinner the conversion element, the lower the undesired angular expansion. The smaller the angle widening, the more light can be coupled into the planar light guide.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Lücken zwischen den Halbleiterchips mit einem reflektiven Verguss gefüllt. Zusätzlich kann der reflektive Verguss zwischen den Halbleiterchips und den Rändern der optoelektronischen Anordnung angeordnet sein. Dies überwindet den Nachteil, dass freiliegende Träger von optoelektronischen Anordnungen auftreffende elektromagnetische Strahlung aus dem sichtbaren Spektralbereich zumindest teilweise absorbieren.In a preferred embodiment, the gaps between the semiconductor chips are filled with a reflective potting. In addition, the reflective encapsulation may be arranged between the semiconductor chips and the edges of the optoelectronic device. This overcomes the disadvantage that exposed carriers of optoelectronic devices at least partially absorb incident electromagnetic radiation from the visible spectral range.
Der reflektive Verguss weist ein Matrixmaterial auf in das Streupartikel eingebracht sind. Die Streupartikel kommen in einer Konzentration von 5 Gewichtsprozent bis 60 Gewichtsprozent vor. Das Matrixmaterial kann Silikon, Epoxydharz oder Hybridmaterialien aufweisen. Die Streupartikel können Titandioxid (TiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumoxid (ZrO) und/oder Bariumfluorid (BaF2) aufweisen. Der reflektive Verguss kann den Träger, die Seitenflächen der Halbleiterchips und die Seitenflächen der Konversionselemente vollständig bedecken. Durch diesen reflektiven Verguss wird erreicht, dass zumindest ein Teil des Lichts, das seitlich aus den Konversionselementen austritt, in die Konversionselemente zurückreflektiert wird. Auch die ungewünschte Absorption des Lichtes durch benachbarte Halbleiterchips oder durch den Träger wird reduziert.The reflective casting has a matrix material in which scattering particles are introduced. The scattering particles occur in a concentration of 5 percent by weight to 60 percent by weight. The matrix material may comprise silicone, epoxy or hybrid materials. The scattering particles may comprise titanium dioxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO) and / or barium fluoride (BaF 2 ). The reflective potting may completely cover the carrier, the side surfaces of the semiconductor chips, and the side surfaces of the conversion elements. By means of this reflective encapsulation, it is achieved that at least part of the light emerging laterally from the conversion elements is reflected back into the conversion elements. Even the unwanted Absorption of the light by adjacent semiconductor chips or by the carrier is reduced.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rand des flächigen Lichtleiters eine oder mehrere Seitenflächen auf. Dies ist vorteilhaft, da durch die Anordnung der mindestens einen Seitenfläche die Lichtauskopplung aus dem flächigen Lichtleiter optimiert werden kann. Die mindestens eine Seitenfläche ist in einem Winkel von größer als 90° zu der den Halbleiterchips zugewandten Seite des flächigen Lichtleiters angeordnet. Dies ist vorteilhaft, da der Anteil der an der mindestens einen Seitenfläche total reflektierten Strahlung gegenüber einer Seitenfläche, die einen Winkel von 90° zu der den Halbleiterchips zugewandten Seite des flächigen Lichtleiters einschließt, zunimmt.In a preferred embodiment, the edge of the planar light guide on one or more side surfaces. This is advantageous because the arrangement of the at least one side surface, the light extraction from the planar light guide can be optimized. The at least one side surface is arranged at an angle of greater than 90 ° to the semiconductor chip side facing the planar light guide. This is advantageous since the proportion of the radiation totally reflected at the at least one side surface increases relative to a side surface which encloses an angle of 90 ° to the side of the planar light guide facing the semiconductor chips.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Rand des flächigen Lichtleiters mit einem Spiegel, insbesondere einem Silberspiegel, versehen sein. Diese Verspiegelung ist in Kombination mit einer geneigten Seitenfläche des Randes des flächigen Lichtleiters besonders vorteilhaft, da besonders viel Licht aus dem flächigen Lichtleiter ausgekoppelt werden kann. Silber ist für elektromagnetische Strahlung aus dem sichtbaren Spektralbereich hoch reflektiv. Silber ist chemisch inert. Silber haftet gut an den zuvor genannten Materialien des flächigen Lichtleiters. In a preferred embodiment, the edge of the planar light guide can be provided with a mirror, in particular a silver mirror. This mirroring is particularly advantageous in combination with an inclined side surface of the edge of the planar light guide, since a particularly large amount of light can be coupled out of the planar light guide. Silver is highly reflective of electromagnetic radiation from the visible spectral range. Silver is chemically inert. Silver adheres well to the aforementioned materials of the planar light guide.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der flächige Lichtleiter eine Dicke von etwa 50 µm bis etwa 200 µm, vorzugsweise von etwa 75 µm bis etwa 175 µm, besonders bevorzugt von etwa 100 µm bis etwa 150 µm auf. Je geringer die Abstände zwischen den Halbleiterchips gewählt sind, desto geringer kann die Dicke des flächigen Lichtleiters gewählt sein, um die gewünschte Lichtmischung und Homogenisierung zu erreichen. Dies ist besonders vorteilhaft, da durch einen dünnen flächigen Lichtleiter die Bauhöhe der erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnung nur unwesentlich erhöht wird.In a preferred embodiment, the planar light guide has a thickness of about 50 microns to about 200 microns, preferably from about 75 microns to about 175 microns, more preferably from about 100 microns to about 150 microns. The smaller the distances between the semiconductor chips are selected, the lower the thickness of the planar light guide can be selected to achieve the desired light mixing and homogenization. This is particularly advantageous since the overall height of the optoelectronic device according to the invention is only marginally increased by a thin planar optical waveguide.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der flächige Lichtleiter wenigstens eines der folgenden Matrixmaterialen
- – Silikon,
- – Glas,
- – Polymethylmethacrylat (PMMA),
- – Polycarbonat (PC) auf.
- - silicone,
- - Glass,
- Polymethylmethacrylate (PMMA),
- - Polycarbonate (PC) on.
Insbesondere Lichtleiter aus Glas oder Silikon sind vorteilhaft, da sie einfach und kostengünstig herstellbar sind.In particular light guides made of glass or silicone are advantageous because they are simple and inexpensive to produce.
Im Falle von Silikon als Matrixmaterial wird vorzugsweise hartes Silikon mit einem Härtegrad von größer als Shore A 60 eingesetzt. Hartes Silikon gewährleistet die notwendige Kantentreue des Randes des flächigen Lichtleiters. In the case of silicone as a matrix material preferably hard silicone with a hardness greater than Shore A 60 is used. Hard silicone ensures the necessary edge fidelity of the edge of the planar light guide.
Weißes Licht kann erzeugt werden durch eine Mischung von verschieden farbigem Licht. Bei einer optoelektronischen Anordnung, die weißes Licht abstrahlt, kann durch die geringe Dispersion im flächigen Lichtleiter erreicht werden, dass das verschieden farbige Licht auf nahezu gleichen Wegen durch den flächigen Lichtleiter wandert. Dies ist besonders vorteilhaft, da eine ungewünschte Entmischung von Licht verschiedener Wellenlängen im flächigen Lichtleiter weitestgehend vermieden werden kann.White light can be generated by a mixture of differently colored light. In an optoelectronic arrangement which emits white light, it can be achieved by the low dispersion in the planar light guide that the differently colored light travels through the planar light guide in almost the same way. This is particularly advantageous since an undesirable separation of light of different wavelengths in the planar light guide can be largely avoided.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind in den flächigen Lichtleiter Partikel eingebracht, die zur besseren Mischung des Lichts im flächigen Lichtleiter dienen. Die Partikel wirken als Diffusoren. Als Partikel können Streupartikel und/oder total reflektierende Partikel verwendet werden. Die Partikel können in einer Konzentration von 0,001 Gewichtsprozent bis zu 10 Gewichtsprozent vorkommen. Streupartikel weisen einen größeren Brechungsindex als der Brechungsindex des Matrixmaterials des flächigen Lichtleiters auf. Die Streupartikel können Titandioxid (TiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumoxid (ZrO) oder Bariumfluorid (BaF2) aufweisen. Die Streupartikel können vorteilhafter Weise eine Korngröße von etwa 500 nm aufweisen. Damit liegt der Durchmesser der Streupartikel im Bereich der Wellenlänge des Lichtes das gestreut werden soll. Total reflektierende Partikel weisen einen kleineren Brechungsindex als der Brechungsindex des Matrixmaterials des flächigen Lichtleiters auf.In a preferred embodiment, particles are introduced into the planar light guide, which serve to better mix the light in the planar light guide. The particles act as diffusers. As particles scattering particles and / or totally reflecting particles can be used. The particles may be present at a level of from 0.001% to 10% by weight. Scattering particles have a greater refractive index than the refractive index of the matrix material of the planar light guide. The scattering particles may comprise titanium dioxide (TiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO) or barium fluoride (BaF 2 ). The scattering particles may advantageously have a particle size of about 500 nm. Thus, the diameter of the scattering particles is in the range of the wavelength of the light to be scattered. Totally reflecting particles have a smaller refractive index than the refractive index of the matrix material of the planar light guide.
Alternativ oder zusätzlich zu den oben genannten Streupartikeln können SiO2(Glas)-Partikel in den flächigen Lichtleiter eingebracht sein. Die Glaspartikel können Durchmesser zwischen etwa 500 nm bis 5 µm aufweisen. Kleinere Glaspartikel wirken als Streupartikel oder Diffusoren. Größere Glaspartikel wirken als Linsen. Auch durch solche größeren Glaspartikel kann eine Mischung des Lichtes im flächigen Lichtleiter erreicht werden. Glaspartikel sind auch vorteilhaft, da sie eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine gute mechanische Stabilität aufweisen.As an alternative or in addition to the above-mentioned scattering particles, SiO 2 (glass) particles can be introduced into the planar light guide. The glass particles may have diameters between about 500 nm to 5 μm. Smaller glass particles act as scattering particles or diffusers. Larger glass particles act as lenses. Even by such larger glass particles, a mixture of the light in the planar light guide can be achieved. Glass particles are also advantageous because they have good thermal conductivity and good mechanical stability.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der flächige Lichtleiter über sein Volumen örtliche Brechungsindexunterschiede aufweisen. Dies ist vorteilhaft, da auch damit eine Durchmischung der elektromagnetischen Strahlung im flächigen Lichtleiter erreicht werden kann. Für den inneren Bereich des flächigen Lichtleiters kann ein niedrigerer Brechungsindex gewählt werden als für den äußeren Bereich des flächigen Lichtleiters, oder umgekehrt. Der Übergang von einem Bereich mit niedrigem Brechungsindex zu einem Bereich mit hohem Brechungsindex kann stetig oder sprunghaft ausgebildet sein. In a preferred embodiment, the planar light guide can have local refractive index differences over its volume. This is advantageous because it also allows a thorough mixing of the electromagnetic radiation in the planar light guide can be achieved. For the inner region of the planar light guide, a lower refractive index can be selected than for the outer region of the planar light guide, or vice versa. The transition from a low refractive index region to a high refractive index region may be continuous or discontinuous.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Einsatz von Partikeln und von Brechungsindexunterschieden im flächigen Lichtleiter kombiniert werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da damit eine besonders effiziente räumliche und/oder spektrale Durchmischung des Lichtes erreichbar ist. Durch diese Kombination kann die für die Lichtmischung notwendige Dicke des flächigen Lichtleiters auf ein Minimum von etwa 50 µm reduziert werden. Diese geringe Dicke des flächigen Lichtleiters ist besonders vorteilhaft, da dadurch die Bauhöhe der optoelektronischen Anordnung gering gehalten wird und weniger Material notwendig ist. Die Einsparung von Material reduziert die Kosten.In a preferred embodiment, the use of particles and refractive index differences in the planar light guide can be combined become. This is particularly advantageous because it allows a particularly efficient spatial and / or spectral mixing of the light can be achieved. By this combination, the necessary for the light mixture thickness of the planar light guide can be reduced to a minimum of about 50 microns. This small thickness of the planar light guide is particularly advantageous since the height of the optoelectronic device is kept low and less material is necessary. The saving of material reduces the costs.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die Brechungsindices des flächigen Lichtleiters und des Konversionselements folgende Bedingung erfüllen:
n(Lichtleiter) < n(Konversionselement). In a preferred embodiment, the refractive indices of the planar light guide and of the conversion element can fulfill the following condition:
n (optical fiber) <n (conversion element).
Dies ist vorteilhaft, da ein Teil der elektromagnetischen Strahlung an der Grenzfläche von Konversionselement und flächigem Lichtleiter total reflektiert wird. Ein Teil dieses total reflektierten Lichtes kann den flächigen Lichtleiter oberhalb der Konversionselemente verlassen. Dies führt zu weniger Verlusten durch Absorption im Konversionselement. Dies führt zudem zu einer homogeneren Leuchtdichteverteilung. Der Brechungsindex des Konversionselements ist abhängig vom Matrixmaterial und von der Konzentration der Leuchtstoffpartikel. Er kann zwischen etwa 1,4 und etwa 1,8 variieren. Der Brechungsindex des flächigen Lichtleiters ist ebenfalls abhängig vom Matrixmaterial. Bei Glas als Matrixmaterial kann der Brechungsindex des flächigen Lichtleiters zwischen etwa 1,4 und 1,6 variieren. This is advantageous because a part of the electromagnetic radiation is totally reflected at the interface of the conversion element and the planar light guide. Part of this totally reflected light can leave the planar light guide above the conversion elements. This leads to less losses due to absorption in the conversion element. This also leads to a more homogeneous luminance distribution. The refractive index of the conversion element is dependent on the matrix material and on the concentration of the phosphor particles. It can vary between about 1.4 and about 1.8. The refractive index of the planar light guide is also dependent on the matrix material. For glass as a matrix material, the refractive index of the planar light guide can vary between about 1.4 and 1.6.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der flächige Lichtleiter und das Konversionselement durch eine Klebstoffschicht, insbesondere aus Silikon, verbunden sein. Die Dicke d der Klebstoffschicht kann folgender Bedingung bezüglich der Wellenlänge λ der von den Halbleiterchips emittierten elektromagnetischen Strahlung genügen: d < λ/2. In a preferred embodiment, the planar light guide and the conversion element can be connected by an adhesive layer, in particular made of silicone. The thickness d of the adhesive layer may satisfy the following condition with respect to the wavelength λ of the electromagnetic radiation emitted from the semiconductor chips: d <λ / 2.
Dies ist vorteilhaft, da durch die Klebstoffschicht mit obiger Dicke d kein optisch nachteiliger Effekt auftritt.This is advantageous since no optically disadvantageous effect occurs due to the adhesive layer with the above thickness d.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der flächige Lichtleiter und das Konversionselement durch eine Klebstoffschicht verbunden sein, die folgender Bedingung bezüglich der Brechungsindices genügt:
n(Lichtleiter) < n(Klebstoff) < n(Konversionselement).In a preferred embodiment, the planar light guide and the conversion element can be connected by an adhesive layer that satisfies the following condition with respect to the refractive indices:
n (optical fiber) <n (adhesive) <n (conversion element).
Dies ist vorteilhaft, da durch obige Anpassung der Brechungsindices die Leuchtdichteverluste an den Grenzflächen von Lichtleiter zu Klebstoff bzw. von Klebstoff zu Konversionselement minimiert sind.This is advantageous since the above adaptation of the refractive indices minimizes the luminance losses at the interfaces from optical fiber to adhesive or from adhesive to conversion element.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die vom Träger abgewandte Oberfläche des flächigen Lichtleiters aufgeraut. Dies ist vorteilhaft, da durch die Aufrauung des flächigen Lichtleiters die Auskoppeleffizienz für das Licht erhöht wird. Die Aufrauung des flächigen Lichtleiters kann bei der Herstellung des flächigen Lichtleiters oder nachträglich erzeugt werden. In a preferred embodiment, the surface facing away from the carrier surface of the planar light guide is roughened. This is advantageous because the roughening of the planar light guide increases the coupling-out efficiency for the light. The roughening of the planar light guide can be generated during the production of the planar light guide or subsequently.
Die Aufrauung kann eine Pyramidenstruktur aufweisen. Die Pyramiden können durch einen Sputterprozess auf den flächigen Lichtleiter aufgebracht werden.The roughening can have a pyramidal structure. The pyramids can be applied by a sputtering process on the planar light guide.
Alternativ oder zusätzlich kann die Aufrauung eine Mottenaugenstruktur aufweisen. Die Oberfläche der Mottenaugen ist feinstrukturiert. Sie besteht aus konischen Zäpfchen, die kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes. Von Innen nach Außen wird der Noppendurchmesser zudem kleiner. Der Brechungsindex des Lichtes ändert sich damit nicht sprunghaft sondern kontinuierlich. Dadurch ist keine erkennbare Grenzfläche vorhanden. Dadurch wird das Licht beim Übergang vom flächigen Lichtleiter zur Umgebungsluft nicht reflektiert. Alternatively or additionally, the roughening may have a moth-eye structure. The surface of the moth eyes is finely structured. It consists of conical suppositories smaller than the wavelength of visible light. From inside to outside the nub diameter is also smaller. The refractive index of the light does not change abruptly but continuously. As a result, no recognizable interface is present. As a result, the light is not reflected during the transition from the planar light guide to the ambient air.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Leuchtvorrichtung, die eine optoelektronische Anordnung mit einer sekundären Optik kombiniert. Die optoelektronische Anordnung kann gemäß einer der obigen Ausführungsformen ausgebildet sein. Die Kombination von optoelektronischer Anordnung und sekundärer Optik ist vorteilhaft, da damit das von der optoelektronischen Anordnung ausgehende Licht weitergeleitet und/oder abgebildet werden kann.The present invention further relates to a lighting device that combines an opto-electronic device with a secondary optics. The optoelectronic device may be configured according to one of the above embodiments. The combination of optoelectronic arrangement and secondary optics is advantageous since it allows the light emanating from the optoelectronic arrangement to be forwarded and / or imaged.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Leuchtvorrichtung weist die sekundäre Optik wenigstens eines der folgenden Elemente auf:
- – einen Lichtleiter,
- – eine Streuscheibe,
- – eine Linse oder
- – einen Reflektor.
- - a light guide,
- - a diffuser,
- - a lens or
- - a reflector.
Der Einsatz eines Lichtleiters ist vorteilhaft, da dadurch Licht über große Entfernungen nahezu verlustfrei weitergeleitet werden kann. Der Einsatz einer Streuscheibe ist vorteilhaft, da dadurch das von der optoelektronischen Anordnung ausgehende Licht noch stärker durchmischt werden kann. Der Einsatz einer Linse ist vorteilhaft, da dadurch das von der optoelektronischen Anordnung ausgehende Licht gebündelt werden kann. Der Einsatz eines Reflektors ist vorteilhaft, da das von der optoelektronischen Anordnung ausgehende Licht in Vorwärtsrichtung fokussiert werden kann. Insbesondere kann Licht, das in Winkel größer als 90° zum Lot von den optoelektronischen Bauelementen abgestrahlt wird, nach Vorne reflektiert werden und geht damit nicht verloren.The use of a light guide is advantageous because it allows light to be passed on almost without loss over long distances. The use of a diffusing screen is advantageous because it allows the light emanating from the optoelectronic arrangement to be mixed even more. The use of a lens is advantageous because it allows the light emanating from the optoelectronic device to be focused. The use of a reflector is advantageous since the light emanating from the optoelectronic device can be focused in the forward direction. In particular, light which is radiated at angles greater than 90 ° to the solder from the optoelectronic components can be reflected to the front and is thus not lost.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Anordnung mit den folgenden Schritten. Zunächst wird ein Träger bereitgestellt. Auf dem Träger werden mindestens zwei Halbleiterchips zur Emission von elektromagnetischer Strahlung angeordnet. Zwischen jeweils benachbarten Halbleiterchips wird eine Lücke ausgebildet. Ein flächiger Lichtleiter zur Durchmischung der elektromagnetischen Strahlung wird den Halbleiterchips in Abstrahlrichtung nachgeordnet und überdeckt die jeweilige Lücke. Dieses Verfahren ist vorteilhaft, da eine bessere Homogenisierung der Leuchtdichte der optoelektronischen Anordnung erreicht wird, ohne die Bauhöhe der optoelektronischen Anordnung wesentlich zu vergrößern. The present invention further relates to a method for producing an optoelectronic device with the following steps. First, a carrier is provided. At least two semiconductor chips for emission of electromagnetic radiation are arranged on the carrier. Between each adjacent semiconductor chips, a gap is formed. A planar light guide for mixing the electromagnetic radiation is arranged downstream of the semiconductor chips in the emission direction and covers the respective gap. This method is advantageous because a better homogenization of the luminance of the optoelectronic device is achieved without significantly increasing the overall height of the optoelectronic device.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und zum besseren Verständnis übertrieben groß oder verkleinert dargestellt sein.Various embodiments are explained in more detail below with reference to the drawings. The same, similar or equivalent elements are provided in the figures with the same reference numerals. The figures and the proportions of the elements shown in the figures with each other are not to be considered to scale. On the contrary, individual elements can be shown exaggeratedly large or reduced in size for better representability and better understanding.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEEMBODIMENTS
n(Lichtleiter) < n(Konversionselement).
n (optical fiber) <n (conversion element).
n(Lichtleiter) < n(Klebstoff) < n(Konversionselement).
n (optical fiber) <n (adhesive) <n (conversion element).
In allen Ausführungsbeispielen kann der flächige Lichtleiter
In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann der flächige Lichtleiter
Im Folgenden werden an Hand der
Bei allen Typen von optoelektronischen Halbleiterchips kann die Strahlungsemissionsseite
Es ist jedoch auch jede andere Art von Halbleiterchip in den erfindungsgemäßen optoelektronischen Anordnungen einsetzbar.However, it is also possible to use any other type of semiconductor chip in the optoelectronic arrangements according to the invention.
In einer nicht gezeigten Weiterbildung des flächigen Lichtleiters
Im Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Anordnung
Das optoelektronische Halbleiterbauteil und das Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterbauteils wurden zur Veranschaulichung des zugrundeliegenden Gedankens anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf bestimmte Merkmalskombinationen beschränkt. Auch wenn einige Merkmale und Ausgestaltungen nur im Zusammenhang mit einem besonderen Ausführungsbeispiel oder einzelnen Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, können sie jeweils mit anderen Merkmalen aus anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Es ist ebenso möglich, in Ausführungsbeispielen einzelne dargestellte Merkmale oder besondere Ausgestaltungen wegzulassen oder hinzuzufügen, soweit die allgemeine technische Lehre realisiert bleibt.The optoelectronic semiconductor device and the method for producing an optoelectronic semiconductor device have been described to illustrate the underlying idea based on some embodiments. The embodiments are not limited to specific feature combinations. Although some features and configurations have been described only in connection with a particular embodiment or individual embodiments, they may each be combined with other features from other embodiments. It is also possible to omit or add in individual embodiments illustrated features or particular embodiments, as far as the general technical teaching is realized.
Auch wenn die Schritte des Verfahrens zum Herstellen eines optoelektronischen Halbleiterbauteils in einer bestimmten Reihenfolge beschrieben sind, so ist es selbstverständlich, dass jedes der in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahren in jeder anderen, sinnvollen Reihenfolge durchgeführt werden kann, wobei auch Verfahrensschritte ausgelassen oder hinzugefügt werden können, soweit nicht von dem Grundgedanken der beschriebenen technischen Lehre abgewichen wird. Although the steps of the method of manufacturing an optoelectronic semiconductor device are described in a particular order, it is to be understood that any of the methods described in this disclosure may be performed in any other meaningful order, including but not limited to, method steps. unless deviated from the basic idea of the technical teaching described.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 102102
- Träger carrier
- 104104
- Halbleiterchip Semiconductor chip
- 104a104a
- Flipchip mit kontaktfreier Abstrahlungsfläche Flip chip with non-contact radiating surface
- 104b104b
- Halbleiterchip mit kontaktfreier Abstrahlungsfläche Semiconductor chip with contact-free radiation surface
- 104c104c
- Halbleiterchip, Draht gebondet Semiconductor chip, wire bonded
- 106106
- Lücke zwischen Halbleiterchips Gap between semiconductor chips
- 107107
- Lot, insbesondere seitlich austretendes Lot, in particular laterally exiting
- 108108
- flächiger Lichtleiter planar light guide
- 109109
- reflektiver Verguss reflective casting
- 110110
- Rand des flächigen Lichtleiters Edge of the planar light guide
- 110a110a
- Seitenfläche side surface
- 112112
- Konversionselement conversion element
- 114114
- Partikel, streuend und/oder total reflektierend Particles, scattering and / or totally reflective
- 116116
- Oberfläche des flächigen Lichtleiters Surface of the planar light guide
- 120120
- Chipkontakt Contact chip
- 122122
- Bondpad auf Träger Bondpad on carrier
- 124124
- Strahlungsemissionsseite eines Halbleiterchips Radiation emission side of a semiconductor chip
- 130130
- Halbleiterchip-Kontaktschicht Semiconductor chip contact layer
- 132132
- Bondpad auf Träger Bondpad on carrier
- 134134
- Kontaktpad auf dem Halbleiterchip Contact pad on the semiconductor chip
- 136136
- Bonddraht bonding wire
- 138138
- Loophöhe loop height
- 140140
- Klebstoffschicht adhesive layer
- αα
- Winkel angle
- 202202
- n-Typ Schicht n-type layer
- 204204
- aktive Zone active zone
- 206206
- p-Typ Schicht p-type layer
- 207207
- Vias vias
- 208208
- Passivierung passivation
- 210210
- Silberspiegel silver mirror
- 212212
- n-Metallisierung n-metallization
- 214214
- Halbleiterchip-Träger The semiconductor die carrier
- 216216
- leitfähiger Kanal conductive channel
- 220220
- n-Pad n-Pad
- 222222
- p-Pad p-Pad
- 300300
- Leuchtvorrichtung lighting device
- 302302
- Sekundäroptik secondary optics
- 402–416402-416
- optoelektronische Anordnung optoelectronic arrangement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2005081319 A1 [0014] WO 2005081319 A1 [0014]
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