DE102013215987A1

DE102013215987A1 - Energiestrahlgestützte, selektive Sinterung zur Herstellung intrinsisch graduierter Leuchtstoffsubstrate

Info

Publication number: DE102013215987A1
Application number: DE102013215987.0A
Authority: DE
Inventors: Irene Theresia Pricha; Wolfgang Rossner; Carsten Schuh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2015-03-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leuchtdioden, bei denen ein von einem Halbleiterchip (3) emittiertes Licht von einem keramischen Leuchtstoffsubstrat (1) in sichtbares Licht konvertiert und entsprechend emittiert wird, wobei in einem mit einer Diffusionsschicht (7) beschichteten keramischen Leuchtstoffsubstrat (1) mittels selektiver energiestrahl-gesteuerter Sinterung Diffusionszonen (9) erzeugt werden, wobei dadurch optische Eigenschaften der Leuchtdiode gezielt eingestellt werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung weißer Leuchtdioden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von, insbesondere weißes Licht emittierenden, Leuchtdioden gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Weiße Leuchtdioden mit konvertierenden keramischen Leuchtstoffsubstraten weisen in der Regel Unterschiede in der Farbreproduktion auf. Ursache dafür ist, dass sowohl für den Halbleiterchip, als auch für das Leuchtstoffsubstrat prozessbedingt Schwankungen der Lichtemission bezüglich der Emissionswellenlänge und der Intensität auftreten, welche die integral emittierte Lichtfarbe der Diode stark beeinflussen können. Daher müssen die fertig aufgebauten Dioden, bestehend aus Halbleiterchip und konvertierenden keramischen Leuchtstoffsubstraten, einzeln bezüglich ihrer spektralen Eigenschaften spezifiziert, entsprechend klassifiziert und nach Produktspezifikation kombiniert werden.
Herkömmlicherweise erfolgt eine Auswahl von weißen Leuchtdioden mit den geforderten Spezifikationen im sogenannten, prozessnachgeschalteten „Binning“ gemäß der US 7256057 B2 , wobei eine Vermessung aller gefertigten Dioden und deren Klassifizierung ausgeführt werden muss.
Die DE 10 2008 020 882 A1 offenbart ein Verfahren zur Feinabstimmung der Farbreproduktion in Leuchtdioden, wobei eine Feinjustierung der Position zueinander für eine inhomogen texturierte Diode und einem Wellenlängen-Umwandlungselement erfolgt. Dieses besteht in diesem Fall aus einem oder mehreren lumineszierenden Material bzw. Materialien, das beziehungsweise die in einem mindestens teilweise transparenten Matrixmaterial eingebettet ist beziehungsweise sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Leuchtdiode, insbesondere einer weißen Leuchtdiode, insbesondere mit warm-weißem Spektrum, derart bereitzustellen, dass optische, insbesondere spektrale, Eigenschaften der Leuchtdiode entsprechend deren Anforderungen gezielt eingestellt werden können. Eine optische Eigenschaft ist beispielsweise ein integral emittiertes Lichtspektrum, welches die Lichtfarbe und Farbtemperatur der Diode festlegt.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Leuchtdiode gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung von Leuchtdioden vorgeschlagen, welche sichtbares Licht, insbesondere weißes Licht emittieren. In derartigen Leuchtdioden wird eine von einem Halbleiterchip emittierte und ein erstes Spektrum aufweisende Strahlung für die Anregung eines keramischen Leuchtstoffsubstrats genutzt, welches derart angeregt, die Strahlung in sichtbares Licht konvertiert, welches ein zweites Spektrum aufweist, und dieses emittiert. Das Verfahren weist die Schritte Sintern des keramischen Leuchtstoffsubstrats bis zu einer definierten Sinterdichte, Beschichten des keramischen Leuchtstoffsubstrats mit einem mindestens einen ersten Aktivator und/oder einen ersten Dotierungsstoff aufweisenden Pulver, insbesondere Seltenerdoxide, Seltenerdnitride oder seltenerddotierte Verbindungen, zur Erzeugung einer Diffusionsschicht an dem keramischen Leuchtstoffsubstrat, und mittels eines Energiestrahls, insbesondere eines Laserstrahls, ausgeführtes räumlich selektives Nachsintern des keramischen Leuchtstoffsubstrats und Auslösen einer Diffusion des ersten Aktivators und/oder des ersten Dotierungsstoffes in das keramische Leuchtstoffsubstrat und dadurch erfolgendes Erzeugen von Aktivatorgradienten und/oder Diffusionszonen innerhalb des Gefüges des keramischen Leuchtstoffsubstrates auf, wobei dadurch optische Eigenschaften des Leuchtstoffsubstrats und der Leuchtdiode eingestellt werden.
Räumlich selektiv oder selektiv bedeutet insbesondere, dass lediglich Bereiche eines Leuchtstoffsubstrats, die von einem Energiestrahl oder Laserstrahl getroffen werden, nachgesintert werden und/oder in diese Bereiche ein Aktivator und/oder ein Dotierungsstoff diffundiert wird/werden. Räumlich kann ebenso lokal oder örtlich sein.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf keramische Konverter, die herkömmlicherweise lediglich für kaltweiße Lichtquellen Verwendung finden. Dazu werden blaue Leuchtdioden mit gelbkonvertierenden keramischen Leuchtstoffplättchen kombiniert. Es werden zur Herstellung von Leuchtstoffsubstraten vorgefertigte Pulver mit einem definierten Gehalt von Aktivatoren beziehungsweise Dotierungsstoffen verwendet.
Um Leuchtdioden entsprechend deren Anforderungen gezielt herzustellen, wird ein Verfahren vorgeschlagen, dass eine Modifizierung einer Leuchtstoffsubstrats im Verbund mit einem blaues bis ultraviolettes Licht emittierenden Halbleiterchip ermöglicht, wobei das Leuchtstoffsubstrat das blaue bis ultraviolette Licht absorbiert und in ein anderes Farbspektrum konvertiert und somit als Wellenlängenkonverter wirkt. Als Wellenlängenkonverter werden insbesondere Schichtkomposite verwendet, die keramische Leuchtstoffsubstrate mit einer aktivatorhaltigen Beschichtung aufweisen. Mittels insbesondere laserinduzierter, selektiver Erhitzung werden anschließend Aktivatorgradienten innerhalb deskeramischen Leuchtstoffsubstrats erzeugt, die zur Einstellung der geforderten Emissionsspektren genutzt werden.
Mittels einer selektiven Energiestrahlsinterung bzw. Lasersinterung von beschichteten, keramischen Konvertern bzw. keramischen Leuchtstoffsubstraten für Leuchtdioden kann nachträglich eine Farbanpassung, eine Modifikation genereller Lumineszenzeigenschaften, wie es beispielsweise Absorptionsbanden, Emissionsbanden, Effizienzen, Abklingzeiten sind, eine Anpassung von Lichtdurchlässigkeit, Lichtausbreitung und Lichtstreuung und damit Lichteinkopplung und Lichtauskopplung am Konverter sowie eine Beeinflussung einer Bildung einer Korona für das insbesondere auf einem Halbleiterchip befestigten keramischen Leuchtstoffsubstrat ausgeführt werden.
Winkelabhängige Intensitäts- und Farbschwankungen ergeben sich aufgrund wellenlängenabhängiger Beugung und Streuung des Lichtes und damit veränderter Konversionswirkung längs unterschiedlich langer Lichtpfade im Leuchtstoffsubstrat. Dadurch wird nimmt vorwiegend im Randbereich der Leuchtdiode mit Leuchtstoffsubstrat eine andere Mischung der Wellenlängenintensitäten (Farbmischung) erhalten, so dass am Lichtkegel einer Leuchtdiode optische Erscheinungen insbesondere die winkelabhängigen Intensitäts- und Farbschwankungen entstehen, die eine Korona bewirken.
Innerhalb der nachgesinterten Bereiche können Gradienten der Dichte und des Gefüges des keramischen Leuchtstoffsubstrats erzeugt, und dadurch insbesondere Transluzenz- und Streueigenschaften des keramischen Leuchtstoffsubstrats eingestellt werden.
Eine Modifikation von Konversionseigenschaften erfolgt dabei mittels einer selektiven Eindiffusion insbesondere von Aktivatorionen in das keramische Leuchtstoffsubstrat und einer selektiven Keramisierung von optisch aktiven Oberflächenschichten und einer damit verbundenen Anpassung von Lichtausbreitung und Streuung im so erzeugten Schichtkomposit.
Ein Beispiel für einen ersten Aktivator ist Ce. Ein Beispiel für einen ersten Dotierungsstoff ist Gd. Die Diffusion von Aktivator und Dotierungsstoff sind grundsätzlich ähnlich. Es ist anzunehmen, dass die Diffusionsgeschwindigkeiten leicht unterschiedlich sind. Die Wirkung von Dotierungsstoff und Aktivator bezüglich Lumineszenz beziehungsweise Lichtemission ist unterschiedlich. Der Aktivator ist optisch aktiv und sorgt selbst für Lichtemission – entweder mehr Emission, wenn er identisch mit dem in dem Leuchtstoffsubstrat bereits enthaltenen Aktivator ist, für Emission falls in der Leuchtstoffkeramik noch keine Aktivator ist oder für eine zusätzliche andere Emission hinsichtlich Farbe und Wellenlängen der Emission, wenn er von dem bereits enthalten Aktivator abweicht. Der Dotierungsstoff ist optisch inaktiv und verändert das Kristall-(Wirts-)-gitter in dem der Aktivator eingebaut ist und verändert die Emissionswellenlänge dieses Aktivators, typischerweise um wenige Prozent.
Optisch aktiv bedeutet hier insbesondere „lumineszierend“, wobei eine optische Strahlung abgegeben wird, die beim Übergang von einem angeregten Zustand zu einem Grundzustand entsteht. Optisch aktiv bedeutet insbesondere Licht emittierend oder reflektierend oder transmittierend.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Diffusionsschicht optisch aktiv sein und mittels der Energiestrahleinbringung ein punktuelles Ansintern der Diffusionsschicht und dadurch ein Fixieren einer optisch aktiven Oberfläche ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Pulver keramisierbar und optisch aktivierbar sein und mittels der Energiestrahleinbringung bzw. des Lasern ein selektives Sintern der Diffusionsschicht und dadurch ein Einprägen einer optisch aktiven keramischen Oberflächenstruktur ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vor dem Auslösen der Diffusion ein Fixieren, insbesondere Kleben, des beschichteten keramischen Leuchtstoffsubstrats an dem Halbleiterchip ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Entfernen der Diffusionsschicht nach Beendigung der Diffusion ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Konzentration der in das keramische Leuchtstoffsubstrat eindiffundierten Aktivatorionen im Bereich einer Symmetrieachse eines Lichtkegels der Leuchtdiode zur Erhöhung der Konversion im Vergleich zu dazu angrenzenden Bereichen des keramischen Leuchtstoffsubstrats größer sein. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Bildung einer Korona wirksam vermieden werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Diffusionsprofil der Diffusionsschicht mittels einer Temperaturzone und Fokussierung des Lasers, einer Laserleistung, einer Bestrahlungsdauer und/oder x-, y-Modulation des Laserstrahls auf einer bestrahlten Oberfläche des keramischen Leuchtstoffsubstrats festgelegt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das keramische Leuchtstoffsubstrat aus mindestens einem Oxid bestehen und einen zweiten Aktivator und/oder einen zweiten Dotierungsstoff, insbesondere mit einem Anteil von 0–0,5 Atom-% aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Oxid Yttrium-Aluminium-Granat YAG sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der zweite Aktivator und/oder der zweite Dotierungsstoff mindestens ein Seltenerdmetall, insbesondere Ce und/oder Gd aufweisen, mit dem das Oxid dotiert wurde.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das keramische Leuchtstoffsubstrat aus mindestens einem Nitrid bestehen, insbesondere entweder nitridisch oder oxinitridisch sein und einen dritten Aktivator, insbesondere mit einem Anteil von 0–1 Atom-% aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Nitrid eine β-Sialon-Struktur oder eine M-α-Sialon-Struktur oder eine M₂Si₅N₈ oder (M¹, M²)₂Si₅N₈-Struktur aufweisen, wobei M ein Element aus der Gruppe der Erdalkalimetalle sein kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der dritte Aktivator mindestens ein Seltenerdmetall, insbesondere Eu²⁺, Ce³⁺ und/oder Gd³⁺, aufweisen, mit dem das Nitrid dotiert wurde.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Beschichten des keramischen Leuchtstoffsubstrats mit einem Pulver an einer Oberfläche des keramischen Leuchtstoffsubstrats erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Beschichten des keramischen Leuchtstoffsubstrats mit verschiedenen Pulvern an verschiedenen Oberflächenbereichen des keramischen Leuchtstoffsubstrats erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Beschichten des keramischen Leuchtstoffsubstrats frei von Bindern, mit organischen Bindern, insbesondere mittels pasten-basierten Dickschicht-Verfahren, insbesondere Siebdruck, Folienziehen, Laminieren oder Sprüh-Verfahren oder Dünnschicht-Verfahren, insbesondere chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung, ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann bei dem Beschichten mit organischen Bindern ein thermischer Binderausbrand bei Temperaturprofilen mit Maximaltemperaturen von 300–600 °C ausgeführt werden, wobei Heiz- und Kühlraten zwischen 1–5 K/min und eine Haltezeit bei der Maximaltemperatur von mindestens 30 min insbesondere zwischen 1–2 h angewendet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Lasern zum selektiven Nachsintern des keramischen Leuchtstoffsubstrats mittels eines CO₂-Lasers, eines Nd:YAG-Lasers oder eines Faserlasers ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels einer Energiestrahleinbringung, insbesondere Lasern ein zusätzliches selektives Sintern des keramischen Leuchtstoffsubstrats ausgeführt werden, wobei innerhalb der zusätzlich gesinterten Bereiche Gradienten der Aktivatorkonzentration, Gradienten der Dotierungsstoffkonzentration sowie der Dicke, der Dichte und des Gefüges des keramischen Leuchtstoffsubstrats erzeugt werden, und dadurch optische Eigenschaften des keramischen Leuchtstoffsubstrats eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Temperaturzone derart für das selektive Nachsintern eingestellt werden, dass eine lokale Überhitzung des keramischen Leuchtstoffsubstrats vermieden werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das keramische Leuchtstoffsubstrat ein keramisches Konverter-Plättchen sein.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß beschichteten Leuchtstoffsubstrats;
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß gelaserten Leuchtstoffsubstrats;
3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtstoffsubstrats mit Diffusionszonen;
4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß beschichteten keramischen Leuchtstoffsubstrats 1. 1 zeigt eine Diffusionsschicht 7 die auf dem keramischen Leuchtstoffsubstrat 1 aufgebracht worden ist, und zwar auf der einem Halbleiterchip 3 abgewandten Oberfläche. Bezugszeichen 5 stellt das Aufbringen eines Energiestrahls insbesondere eines Laserstrahles dar, mit dem auf die Diffusionsschicht 7 eingewirkt werden kann.
Als Materialien des keramischen Leuchtstoffsubstrats 1 eignen sich keramische Substrate, bestehend aus Oxiden oder Nitriden, die mit einem Pulver beschichtet werden, welches anschließend energiestrahlgestützt bzw. lasergestützt selektiv gesintert wird, um Konvertereigenschaften der Keramik einzustellen. Oxidische keramische Substrate sind in der Regel transparent bis transluzent und bestehen oft aus Yttrium-Aluminium-Granat YAG, das seltenerddotiert sein kann. Dafür eignen sich besonders 0–0,5 % Ce und/oder Gd oder beliebige Mischungen als Aktivator oder Dotierungsstoff für YAG-basierte Leuchtstoffsubstrate. Nitridische Substrate sind transluzent und bestehen aus nitridischen oder oxynitridischen Verbindungen. Wirtsgitter können beispielsweise sein: β-Sialon-Struktur oder eine M-α-Sialon-Struktur oder andere Strukturen, beispielsweise M₂Si₅N₈ sowie (M¹, M²)₂Si₅N₈. „M“ bezeichnet dabei ein Element aus der Gruppe der Erdalkalimetalle. Die genannten nitridbasierten Wirtsgitter können seltenerddotiert sein. Es eignet sich insbesondere 0–1 Atom-% Eu²⁺ als Aktivator. Aber auch Ce³⁺ ist grundsätzlich möglich, gegebenenfalls in einer äquimolaren Mischung mit Li⁺ zur Ladungskompensation. Die vorstehend definierten keramischen, transluzenten Substrate werden anschließend pulverbeschichtet. Zur Ausbildung der Diffusionsschicht 7 werden Pulver verwendet, welche keramisiert werden können. Insbesondere sollen Seltenerdoxide, Seltenerdnitride oder seltenerddotierte Verbindungen verwendet werden, um über insbesondere laserinduzierte Aktivatordiffusion in das Substrat im Bereich der damit erzielbaren Diffusionslängen, eine Farbanpassung durch zusätzliche Dotierung zu ermöglichen. Die vorstehend genannte Beschichtung mit der Diffusionsschicht 7 kann vorteilhaft flächendeckend ausgeführt werden, sie kann binderfrei oder mit organischen Bindern erfolgen. Es eignen sich insbesondere pasten-basierte Dickschicht-Verfahren, wie Siebdruck, Folienziehen oder Lamination, aber ebenso Sprühverfahren und Dünnschichtverfahren wie chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung können ebenso verwendet werden. Bei Anwendung binderhaltiger Beschichtungsverfahren mittels Pasten kann im Anschluss eine thermische Behandlung zum Binderausbrand erfolgen. Dafür eignen sich Temperaturprofile mit Maximaltemperaturen von 300–600 °C. Heiz- und Kühlraten liegen üblicherweise zwischen 1–5 K/min. Die Haltezeit bei der Maximaltemperatur sollte mindestens 30 min betragen, und liegt idealerweise zwischen 1–2 h. Alternativ können unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Pulvern beschichtet werden, um die Eindiffusion eines Aktivatorgemisches zu ermöglichen und damit die Lumineszenzeigenschaften des Substrates über einen zusätzlichen Freiheitsgrad gradieren zu können. 1 zeigt als keramisches Leuchtstoffsubstrat 1 ein keramisches Konverterplättchen mit einer Diffusionsschicht 7 vor einer selektiven, insbesondere lasergeschützten Wärmebehandlung.
Weiter Ausführungsbeispiele zum Aufbau sind ebenso möglich.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Leuchtstoffsubstrats 1 mit Diffusionszonen 9. Die Diffusionsschicht 7 auf dem keramischen Leuchtstoffsubstrat 1 wird nun im Anschluss nach 1 mittels örtlich selektiven Sintern, insbesondere Lasersintern SLS, strukturiert das keramische Leuchtstoffsubstrat 1 kann dabei bereits auf einem Halbleiterchip 3 der Leuchtdiode befestigt, insbesondere geklebt sein. Geeignete Einrichtungen zur Einbringung eines Energiestrahls sind Lasereinrichtungen zum räumlich selektiven Lasersintern. Es eignen sich insbesondere CO₂-Lasereinrichtungen, Nd:YAG-Lasereinrichtungen oder Faserlasereinrichtungen. Die jeweilige Laserwellenlänge sollte aber innerhalb von Absorptionsbanden für das Leuchtstoffsubstrat bzw. die Konverterbeschichtung bzw. den Konverter liegen, da sonst keine Sinterung bzw. Lasersinterung ausgeführt werden kann. Bei Verwendung aktivatorhaltiger Beschichtungen als Beispiel für ein Diffusionsschicht 7 kann die Strukturierung bedeuten, dass ein Konzentrationsgradient für den Aktivator über die Konverterfläche erzeugt wird.

1. durch, insbesondere zusätzliche, Eindiffusion von einem oder verschiedenen Aktivatorionen in das Wirtsgitter kann die Konversionsfarbe nachträglich angepasst werden, sodass eine Farbanpassung für die fertigen Leuchtdioden erfolgen kann.
2. Durch, insbesondere zusätzliche, Eindiffusionen von einem oder verschiedenen Aktivatorionen in das Zentrum des Konverterplättchens können winkelabhängige Intensitäts- und Farbschwankungen reduziert werden. Ursache für diese Schwankungen liegen in der wellenlängenabhängigen Beugung von Licht. Aufgrund der stärkeren Beugung für größere Wellenlängen wird das konvertierte Licht stärker gebeugt. Dies bewirkt, dass am Lichtkegel der Leuchtdiode eine Korona entsteht. Mittels Erhöhung der Aktivatorkonzentration im Zentrum soll dort die Konversion vergrößert werden, um so der Koronabildung entgegenzuwirken.
3. Wenn die Beschichtung selbst ein lumineszierendes Material ist, welches in Leuchtdioden eingesetzt werden kann, so besteht die Möglichkeit die Beschichtung lediglich punktuell am Substrat anzusintern. Dies bewirkt eine Fixierung der Schicht und soll darüber hinaus eine Wärmeübertragung bzw. Wärmeableitung über die Diode verbessern, ohne die Beschichtung in ihren Eigenschaften zu verändern. Eine Ausdehnung der Kontaktierung soll deshalb bezogen auf eine Konverterfläche vernachlässigbar kleingehalten werden. Ein Diffusionsprofil bzw. ein Ausbilden von Diffusionszonen 9, für den Aktivator kann einfach festgelegt werden über die Temperaturzone des Lasers, der Laserleistung, der Behandlungsdauer, und zwar Verweildauer mit dem Laserstrahl auf einer Fläche und der X-Y-Modulation des Laserstrahls auf der Oberfläche. Mittels Anpassung der Temperaturzone für die Sinterung, insbesondere Lasersinterung, ist eine lokal selektive Erhitzung des Konvertermaterials möglich, sodass eine thermisch induzierte Schädigung des Halbleiterchips 3 vermieden werden kann.

Eine erfindungsgemäße Modifikation von Konvertereigenschaften erfolgt mittels einer insbesondere örtlich selektiven

1. Eindiffusion von Aktivatorionen in das keramische Wirtsgitter und damit Änderung der Lumineszenzeigenschaften der Substratmatrix und
2. Keramisierung von lumineszenden Oberflächenschichten, oder eine Kombination hiervon.

Im Unterschied zu der DE 10 2008 020 882 A1 erfolgt eine Farbanpassung, obwohl die Position von Halbleiterchip 3 und Wellenlängenkonverter 1 zueinander fest definiert ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Farbanpassung von keramischen Konvertern. Die DE 10 2008 020 882 A1 verwendet als Wellenlängenkonverter lumineszierende Materialien in Matrixeinbettung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhaft die Farbanpassung von Konversions-Leuchtdioden mit keramischen Wellenlängen-Wandlern, wobei der Wellenlängenwandler bereits fest mit dem Halbleiterchip 3 verbunden ist. Die Farbanpassung erfolgt insbesondere mittels laserinduzierter Eindiffusion von zusätzlichen Aktivatorionen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhaft die gezielte Beeinflussung, beispielsweise Elimination, der Koronabildung, wobei eine, den Anforderungen entsprechend homogene oder inhomogene, radiale Farbverteilung im Abstrahlspektrum erzeugt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhaft eine große Anzahl an möglichen Gradientenprofilen, in dem beispielsweise variiert wird, an welchen Stellen der Beschichtung überhaupt lasergesintert wird, und zwar beispielsweise über eine komplette Fläche hinweg, punktuell, entlang Linien, entlang Gitterlinien, oder entlang sonstiger Muster. Mittels einer Pulsintensität und Verweildauer kann gezielt gesteuert werden, wie viel und wie tief der Aktivator in das keramische Leuchtstoffsubstrat 1 eindiffundiert.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Schichtaufbau nach der örtlich selektiven, insbesondere lasergestützen, Wärmebehandlung. Unterhalb von verbliebenen Diffusionsschichtbereichen 7 sind Diffusionszonen 9 ausgebildet worden. Grundsätzlich ist eine Vielzahl von Ausführungsformen möglich.
Beispielsweise kann eine YAG-Keramik als keramisches Leuchtstoffsubstrat 1 auf Endmaß mit Ceroxid CeO₂ besputtert werden. Die entsprechend beschichtete Keramik wird auf einen Halbleiterchip 3 geklebt. Mittels selektives Lasersintern, beispielsweise in reduzierender Atmosphäre, wird die Diffusion von Cer in das YAG-Wirtsgitter induziert und die Reduktion von Ce⁴⁺ zum Lumineszenz-aktivem Ce³⁺ bewirkt, sodass eine kaltweiße Diode nach den geforderten Spezifikationen generiert wird. Insbesondere im Plättchenzentrum erfolgt eine vorgeschlagene intensivere Lasersinterung, um dort größere Cer-Konzentrationen zu erreichen und so eine Leuchtdiodenkorona zu kompensieren.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines bearbeiteten keramischen Leuchtstoffsubstrats 1. Bei Verwendung aktivatorhaltiger Beschichtungen bzw. Diffusionsschichten 7 kann nach einer erfolgten Strukturierung und Eindiffusion der Aktivatoren in die Substratmatrix die verbleibende Oberflächenschicht optional wieder entfernt werden. Dies zeigt 3, bei der die verbliebende Diffusionsschicht 7 wieder entfernt worden ist. 3 zeigt die erzeugten Diffusionszonen 9 des Aktivators oder eines Dotierungsstoffes in dem keramischen Leuchtstoffsubstrat 1, dass als keramisches Konverterplättchen erzeugt wurde und an dessen unteren Seite an einen Halbleiterchip 3 fixiert worden ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine YAG-Keramik mit einer Ceroxid-Paste bedruckt. Es folgt ein Entbinderungsschritt der Pastenschicht. Die so beschichtete Keramik bzw. das so beschichtete keramische Leuchtstoffsubstrat 1 wird auf Endmaß gesägt und auf den Halbleiterchip 3 geklebt. Entsprechend dem Beispiel gemäß 2 wird nun mit der selektiven Lasersinterung weiterverfahren. Zum Schluss können die nicht thermisch modifizierten Ceroxid-Schichtanteile anschließend mittels Waschprozesse entfernt werden. Auf diese Weise kann zu einem bereits vorhandenen zweiten Aktivator zusätzlich ein erster Aktivator in das keramische Leuchtstoffsubstrat 1 eindiffundiert werden.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit einem ersten Schritt S1 wird ein keramisches Leuchtstoffsubstrat mittels Sintern erzeugt. Dabei ist grundsätzlich jede beliebige Sinterdichteverteilung möglich. Besonders vorteilhaft jedoch ist eine homogene Sinterdichte über das gesamte keramische Leuchtstoffsubstrat hinweg. Mit einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Beschichten des keramischen Leuchtstoffsubstrats mit einem mindestens einen ersten Aktivator und/oder einen ersten Dotierungsstoff aufweisenden Pulver und ein dadurch erfolgendes Erzeugen einer Diffusionsschicht 7 an dem keramischen Leuchtstoffsubstrat. Mit einem dritten Schritt S3 wird das beschichtete keramische Leuchtstoffsubstrat an einem Halbleiterchip 3 fixiert, insbesondere geklebt. Mit einem Schritt S4 erfolgt mittels eines Energiestrahls, insbesondere eines Laserstrahls, ein selektives Diffundieren des ersten Aktivators und/oder des ersten Dotierungsstoffes in das keramische Leuchtstoffsubstrat und ein dadurch erfolgendes Erzeugen von Diffusionszonen in dem keramischen Leuchtstoffsubstrat, wobei dadurch optische Eigenschaften der Leuchtdiode gezielt eingestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7256057 B2 [0003]
DE 102008020882 A1 [0004, 0048, 0048]

Claims

Verfahren zur Herstellung von sichtbares Licht, insbesondere weißes Licht, emittierenden Leuchtdioden, bei denen eine von einem Halbleiterchip (3) emittierte und ein erstes Spektrum aufweisende Strahlung ein keramisches Leuchtstoffsubstrat (1) derart anregt, dass dieses die Strahlung in ein zweites Spektrum aufweisendes sichtbares Licht konvertiert, und dieses emittiert; gekennzeichnet durch – Sintern (S1) des keramischen Leuchtstoffsubstrats auf eine Sinterdichte; – Beschichten (S2) des keramischen Leuchtstoffsubstrats mit einem mindestens einen ersten Aktivator und/oder einen ersten Dotierungsstoff aufweisenden Pulver, insbesondere Seltenerdoxide, Seltenerdnitride oder Seltenerd-dotierte Verbindungen aufweisend, und dadurch erfolgendes Erzeugen einer Diffusionsschicht (7) an dem keramischen Leuchtstoffsubstrat; – mittels eines Energiestrahls, insbesondere eines Lasers (5), ausgeführtes räumlich selektives Nachsintern des keramischen Leuchtstoffsubstrats (1) und räumlich selektives Diffundieren (S4) des ersten Aktivators und/oder des ersten Dotierungsstoffes in das keramische Leuchtstoffsubstrat und dadurch erfolgendes Erzeugen von Aktivatorgradienten und/oder Diffusionszonen (9) innerhalb des Gefüges des keramischen Leuchtstoffsubstrats, wobei dadurch optische Eigenschaften der Leuchtdiode eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsschicht optisch aktiv ist und mittels des Lasern ein punktuelles Ansintern der Diffusionsschicht und dadurch ein Fixieren einer optisch aktiven Oberfläche ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver keramisierbar und optisch aktivierbar ist und mittels des Lasern ein selektives Sintern der Diffusionsschicht und dadurch ein Einprägen einer optisch aktiven keramischen Oberflächenstruktur ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch vor dem Auslösen der Diffusion ausgeführtes Fixieren (S3), insbesondere Kleben, des beschichteten keramischen Leuchtstoffsubstrats (1) an dem Halbleiterchip (3).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Entfernen der Diffusionsschicht nach Beendigung der Diffusion.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Konzentration der in das keramische Leuchtstoffsubstrat eindiffundierten Aktivatorionen im Bereich einer Symmetrieachse eines Lichtkegels der Leuchtdiode zur Erhöhung der Konversion im Vergleich zu dazu angrenzenden Bereichen des keramischen Leuchtstoffsubstrats größer ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Diffusionsprofil der Diffusionsschicht mittels einer Temperaturzone oder Fokussierung des Lasers, einer Laserleistung, einer Bestrahlungsdauer und/oder einer x-, y-Modulation des Laserstrahls auf einer bestrahlten Oberfläche des keramischen Leuchtstoffsubstrats festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Leuchtstoffsubstrat aus mindestens einem Oxid besteht und einen zweiten Aktivator und/oder einen zweiten Dotierungsstoff, insbesondere mit einem Anteil von 0 bis 0,5 Atom-% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Aktivator und/oder der zweite Dotierungsstoff mindestens ein Seltenerdmetall, insbesondere Ce und/oder Gd, aufweist, mit dem das Oxid dotiert wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Leuchtstoffsubstrat aus mindestens einem Nitrid besteht, insbesondere entweder nitridisch oder oxinitridisch ist, und einen dritten Aktivator, insbesondere mit einem Anteil von 0 bis 1 Atom-% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nitrid eine β-Sialon-Struktur oder eine M-α-Sialon-Struktur oder eine M₂Si₅N₈ oder (M¹, M²)₂Si₅N₈-Struktur aufweist, wobei M ein Element aus der Gruppe der Erdalkalimetalle ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Aktivator mindestens ein Seltenerdmetall, insbesondere Eu²⁺, Ce³⁺ und/oder Gd³⁺, aufweist, mit dem das Nitrid dotiert wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten des keramischen Leuchtstoffsubstrats mit einem Pulver an einer Oberfläche des keramischen Leuchtstoffsubstrats erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten des keramischen Leuchtstoffsubstrats mit verschiedenen Pulvern an verschiedenen Oberflächenbereichen des keramischen Leuchtstoffsubstrats erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten des keramischen Leuchtstoffsubstrats frei von Bindern, mit organischen Bindern, insbesondere mittels pasten-basierten Dickschicht-Verfahren, insbesondere Siebdruck, Folienziehen, Laminieren, oder Sprüh-Verfahren oder Dünnschicht-Verfahren, insbesondere chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Beschichten mit organischen Bindern ein thermischer Binderausbrand bei Temperaturprofilen mit Maximaltemperaturen von 300–600°C ausgeführt wird, wobei Heiz- und Kühlraten zwischen 1–5K/min und eine Haltezeit bei der Maximaltemperatur von mindestens 30min insbesondere zwischen 1–2h angewendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Lasern ausgeführtes zusätzliches selektives Sintern des keramischen Leuchtstoffsubstrats, wobei innerhalb der zusätzlich gesinterten Bereiche Gradienten der Aktivatorkonzentration, Gradienten der Dotierungsstoffkonzentration sowie Dicke, der Dichte und/oder des Gefüges des keramischen Leuchtstoffsubstrats erzeugt werden, und dadurch optische Eigenschaften des keramischen Leuchtstoffsubstrats eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturzone derart für das selektive Nachsintern eingestellt wird, dass eine lokale Überhitzung des keramischen Leuchtstoffsubstrats vermieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Leuchtstoffsubstrat ein keramisches Konverter-Plättchen ist.
Leuchtdioden zum Emittieren von sichtbarem Licht, insbesondere weißem Licht, bei denen eine von einem Halbleiterchip emittierte und ein erstes Spektrum aufweisende Strahlung ein keramisches Leuchtstoffsubstrat derart anregt, dass dieses die Strahlung in sichtbares Licht eines zweiten Spektrums konvertiert, und dieses emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdioden mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wurden.