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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bestrahlungseinheit mit einer Pumpstrahlungsquelle zur Emission von Pumpstrahlung und einem Konversionselement zur zumindest teilweisen Konversion derselben in eine Konversionsstrahlung.
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Stand der Technik
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Bei Bestrahlungseinheiten der in Rede stehenden Art wird ein Konversionselement, auch als Leuchtstoffelement bezeichnet, mit Pumpstrahlung bestrahlt, die dabei zumindest anteilig in eine Konversionsstrahlung anderer spektraler Zusammensetzung konvertiert wird. Die Pumpstrahlung kann bspw. blaues Licht sein, wobei dann, im Falle einer sogenannten Teilkonversion, anteilig nicht konvertiertes blaues Licht gemeinsam mit gelbem Licht als Konversionsstrahlung in Mischung Weißlicht ergeben kann. Die Pumpstrahlungsquelle, typischerweise ein Laser, und das Konversionselement sind zueinander beabstandet angeordnet, womit sich eine Bestrahlungsvorrichtung hoher Strahl- bzw. Leuchtdichte realisieren lässt.
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Derartige Lichtquellen, die auch als LARP-Anordnung bezeichnet werden (Laser Activated Remote Phosphor, LARP), finden bspw. im Unterhaltungsbereich Verwendung. Aufgrund der hohen Leuchtdichte können typische Anwendungen im Projektions- bzw. Kinoprojektionsbereich liegen. Da sich die Leuchtdichte dabei auch nach der Größe des Bereichs bestimmt, aus dem heraus das Konversionslicht abgegeben wird, und damit letztlich nach der Größe des Pumpstrahlungs-Spots, wird die Pumpstrahlung durch mitunter relativ komplexe Optiken bzw. Linsensysteme auf die Einstrahlfläche des Konversionselements geführt bzw. gebündelt.
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US 2014/0268787 A1 offenbart eine lichtemittierende Vorrichtung mit einem lichtemittierenden Element zur Emission von Laserlicht.
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DE 10 2016 203 844 A1 offenbart eine Leuchtvorrichtung mit einem Leuchtstoffvolumen, das von einer Halbleiterlichtquelle mit Primärlicht (P) bestrahlbar ist und ein zwischen dem Leuchtstoffvolumen und der Halbleiterlichtquelle vorhandenes Lichtumlenkelement zum Umlenken des Primärlichts (P) auf das Leuchtstoffvolumen.
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US 2017/0373455 A1 offenbart eine lichtemittierende Vorrichtung mit einem Basiselement, einem Laserelement, einem Halteelement, einem fluoreszierenden Element und einem Befestigungselement.
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US 2016/0186936 A1 offenbart eine lichtemittierende Vorrichtung mit einem Trägerelement, einem lichtdurchlässigen Element, das ein fluoreszierendes Material enthält und einem lichtemittierenden Element.
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US 2016/0084451 A1 offenbart eine lichtemittierende Vorrichtung mit einem lichtemittierenden Abschnitt, der durch Empfang von Laserlicht Fluoreszenz erzeugt, einem Reflexionsfilm, einer Stablinse und einem Reflexionsspiegel, der das Laserlicht sammelt, in dem lichtemittierenden Abschnitt.
US 2013/0027964 A1 offenbart einen Scheinwerfer mit einem konischen Lichtleiterabschnitt, einem Parabolspiegel und eine optische Faser. Der Lichtleiterabschnitt weist ein empfangendes Endteil, an dem Laserlicht empfangen wird, und ein emittierendes Endteil, an dem Laser Licht emittiert wird, auf.
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Darstellung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine besonders vorteilhafte Bestrahlungseinheit anzugeben.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer Bestrahlungseinheit gemäß Anspruch 1 gelöst. Deren Konversionselement ist an einem Träger angeordnet, und die Pumpstrahlung fällt durch eine Unterbrechung im Träger hindurch auf die Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements. Dabei wird eine Innenwandfläche des Trägers, welche die Unterbrechung zur Seite hin begrenzt, genutzt, um einen randseitigen Teil des Strahlenbündels mit der Pumpstrahlung auf die Einstrahlfläche zu reflektieren. Die Innenwandfläche des Trägers wird also gewissermaßen zur Strahlbündelformung bzw. Bündelung der Pumpstrahlung auf die Einstrahlfläche genutzt. Dazu ist die Innenwandfläche zumindest abschnittsweise schräg angestellt, sie verjüngt sich nämlich zur Einstrahlfläche hin.
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Zusammengefasst wird erfindungsgemäß der Träger, der ohnehin zur mechanischen Befestigung des Konversionselements vorgesehen ist, zugleich genutzt, um das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel bzw. den Pumpstrahlungs-Spot auf der Einstrahlfläche zu formen. Dies kann im Vergleich zu der eingangs genannten Lösung, gemäß welcher für die Strahlbündelformung relativ komplexe Linsensysteme vorgesehen werden, einen vereinfachten und auch räumlich kompakteren Aufbau ergeben. Bevorzugt sind zwischen der Pumpstrahlungsquelle und dem Träger überhaupt keine Linsen vorgesehen (siehe unten im Detail), was einen miniaturisierten Aufbau ermöglicht. Im Idealfall können die Pumpstrahlungsquelle und der Träger bzw. das Konversionselement dann sogar auch gemeinsam gehäust werden, z. B. in einem TO-Gehäuse (wie es zum Häusen von Laserdioden genutzt wird).
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Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs-, Verfahrens- und Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird also bspw. eine für einen bestimmten Betrieb eingerichtete Bestrahlungseinheit beschrieben, ist dies auch als Offenbarung hinsichtlich entsprechender Verfahren bzw. Verwendungen zu lesen, und umgekehrt.
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Die Pumpstrahlungsquelle ist bevorzugt eine Laserquelle, siehe unten im Detail. Dem Konversionselement vorgelagert kann die Pumpstrahlung bspw. Luft als Fluidvolumen durchsetzen, wobei im Allgemeinen aber bspw. auch ein Inertgas (Argon etc.) oder auch ein evakuiertes Gehäuse denkbar ist. Im Allgemeinen könnte die Unterbrechung im Träger, die z. B. konusförmig sein kann (siehe unten im Detail), bspw. auch mit einem transparenten, von der Pumpstrahlung durchstrahlten Material aufgefüllt sein. Es könnte also bspw. ein Träger aus Metall mit einer konusförmigen Unterbrechung vorgesehen sein, in die dann ein komplementärer, transparenter Konus eingesetzt ist, etwa aus Saphir. Bevorzugt ist die Unterbrechung jedoch ein Durchgangsloch, durchstrahlt die Pumpstrahlung dort also dasselbe Fluidvolumen wie dem Träger vorgelagert (eben bspw. Luft bzw. ein Inertgas oder ein Luftgemisch mit erhöhtem Inertgasanteil etc.).
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Das Konversionselement kann bspw. ein Matrixmaterial aufweisen, etwa eine Keramik, Glas oder auch ein Kunststoffmaterial, in dem der Leuchtstoff auf diskrete Bereiche verteilt angeordnet ist, z. B. in Körnern der Keramik oder in Partikelform in das Glas bzw. den Kunststoff eingebettet (zusätzlich können bspw. auch thermische Füllsubstanzen bzw. Partikel zur besseren Wärmeableitung eingebettet sein, etwa Diamant, Silizium, Carbid). Im Allgemeinen ist aber auch ein Konversionselement in z. B. monokristalliner Form denkbar, etwa ein YAG:Ce-Monokristall. Ferner kann das Konversionselement bspw. auch aus agglomerierten Leuchtstoffpartikeln vorgesehen sein, die bspw. in einer Suspension aufgebracht werden, deren Trägerflüssigkeit dann abdampft. Funktional bildet der Leuchtstoff „Konversionszentren“ in dem Konversionselement, dort wird die Pumpstrahlung konvertiert. Auch ist es denkbar, ein Konversionselement in einem 3D-Druckverfahren oder einem Spritzgussverfahren herzustellen.
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3D-Druck kann insoweit von Vorteil sein, als aufgrund der technischen Freiheitsgrade eine gezielte Gestaltung der lokalen Verteilungen (Leuchtstoff, weitere Füllsubstanzen, Matrixmaterial) möglich sein kann. Auch können strahlbegrenzende Elemente mit gedruckt werden (Beam-Confinement), etwa im Falle eines von AlO2-Strukturen umgebenen Leuchtstoffbereichs. Eine Confinement-Struktur kann reflektiv oder zumindest bereichsweise transluzent sein, und sie kann auch einen Reflexions- und/oder Transluzens-Gradienten aufweisen. Die Confinement-struktur kann auch mehrteilig ausgeführt sein
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Der Begriff „Leuchtstoff“ kann sich auch auf eine Mischung mehrerer Einzel-Leuchtstoffe beziehen, die bspw. jeweils Konversionsstrahlung mit unterschiedlichen spektralen Eigenschaften emittieren. Geeignete Leuchtstoffe können bspw. oxidische oder (oxi-)nitridische Materialien, wie Granate, Orthosilikate, Nitrido(alumo)silikate, Nitridoorthosilikate oder Halogenide oder Halophosphate aufweisen. Konkrete Beispiele können dotierte Yttrium-Aluminium-Granate wie YAG:Ce, dotierte Lutetium-Aluminium-Granat wie LuAG:Ce, dotierte Siliziumnitrid-Materialien wie Eu-dotiertes CaAlSiN3 oder dergleichen aufweisen. Dotiermaterialien können generell bspw. Ce, Tb, Eu, Yb, Pr, Tm und/oder Sm sein. Weiterhin sind auch zusätzliche Dotierungen möglich, also Co-Dotierungen.
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Besonders bevorzugt kann ein Konversionselement mit Cerdotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce) sein, insbesondere mit YAG:Ce als einzigem Leuchtstoff. Mit dessen gelber Konversionsstrahlung kann sich bei einer Teilkonversion in Mischung mit anteilig nicht konvertierter blauer Pumpstrahlung dann Weißlicht ergeben. Ganz allgemein ist die Konversion bevorzugt eine Down-Konversion, hat die Konversionsstrahlung also eine längere Wellenlänge (geringere Energie) als die Pumpstrahlung.
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Unabhängig von dem Leuchtstoff im Einzelnen kann das Konversionselement bevorzugt auch Streuzentren aufweisen. Hierbei kann es sich bspw. um bewusst eingebrachte Schadstellen in dem Matrixmaterial handeln. Eine Streuung kann bspw. an im Material eingeschlossenen Luftporen erfolgen (auch eine Keramik kann entsprechend gesintert werden, mit einer Restporosität, durch welche die Weglänge des Lichts vergrößert wird). Streupartikel und Lufteinschlüsse können zusammenwirken. Auch bei Leuchtstoff in Glas (hochviskos) können gezielt poröse Bereiche (Lufteinschlüsse) eingebracht werden, bevorzugt können Streupartikel sein, etwa Titandioxidpartikel. Ist bspw. Glas als Matrixmaterial vorgesehen, können zusätzlich zu dem Leuchtstoff (und gegebenenfalls den Streupartikeln) bspw. auch Wärmeleitpartikel eingebettet sein, etwa aus Diamant, Saphir und/oder Siliziumcarbid. Es können selbstverständlich auch dieselben Partikel eine Wärmeleit- und zugleich eine Streufunktion übernehmen.
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Als „Einstrahlfläche“ wird vorliegend die gesamte Seitenfläche des Konversionselements betrachtet, auf welche die Pumpstrahlung fällt. Das Konversionselement ist mit seiner Einstrahlfläche dem Träger zugewandt an diesem angeordnet, es ist also in anderen Worten an der bzw. über die Einstrahlfläche am Träger befestigt. Die Unterbrechung im Träger gibt einen Teilbereich der Einstrahlfläche frei, womit umgekehrt die maximale Größe festgelegt ist, die der Pumpstrahlungs-Spot auf der Einstrahlfläche haben kann. Der Pumpstrahlungs-Spot kann, muss aber nicht die gesamte mit der Unterbrechung im Träger auf der Einstrahlfläche definierte Apertur ausfüllen, siehe unten im Detail. Auch die „Abstrahlfläche“ ist die gesamte Seitenfläche des Konversionselements, aus der heraus nur bereichsweise Konversionsstrahlung abgegeben wird (dem Pumpstrahlungs-Spot entsprechend). Generell wird das Konversionselement bevorzugt in Transmission betrieben, liegen also die Einstrahl- und die Abstrahlfläche einander entgegengesetzt.
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Die Innenwandfläche des Trägers verjüngt sich zur Einstrahlfläche hin, und zwar zumindest abschnittsweise. Letzteres bezieht sich auf eine Hauptrichtung des Pumpstrahlungs-Strahlenbündels, entlang welcher also die Pumpstrahlung schwerpunktmäßig auf die Einstrahlfläche fällt. Entlang dieser Hauptrichtung gibt es also zumindest einen Abschnitt, in dem sich die Innenwandfläche verjüngt; sie kann sich einerseits über ihre gesamte Erstreckung verjüngen, andererseits ist aber auch eine abschnittsweise Verjüngung in Verbindung mit einer abschnittsweisen Weitung und/oder abschnittsweise unveränderten, z. B. zylindrischen Erstreckung möglich. Die eben genannte Hauptrichtung ergibt sich als Schwerpunktrichtung des Strahlenbündels, wobei bei dieser Mittelwertbildung jeder Richtungsvektor mit seiner zugehörigen Strahlstärke gewichtet wird.
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Die Innenwandfläche verjüngt sich (zumindest abschnittsweise) zur Einstrahlfläche hin, die von der Innenwandfläche in Ebenen senkrecht zur Hauptrichtung eingeschlossenen Flächen haben also einen zur Einstrahlfläche hin abnehmenden Flächeninhalt. Wenngleich im Allgemeinen bspw. auch eine stufenweise Verjüngung denkbar ist, ist eine kontinuierliche, stufenlose Verjüngung bevorzugt. In anderen Worten nehmen also die von der Innenwandfläche eingeschlossenen Flächeninhalte zur Einstrahlfläche hin stetig ab. Dies kann bspw. hinsichtlich einer möglichst homogenen bzw. gleichmäßigen Strahlbündelformung bzw. Anpassung des Pumpstrahlungs-Spots von Vorteil sein.
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Die Pumpstrahlung wird zumindest anteilig an der Innenwandfläche des Trägers auf die Einstrahlfläche reflektiert, also bspw. zu einem Anteil von mindestens 5 %, 10 %, 15 % bzw. 20 %. Wenngleich im Allgemeinen auch Varianten denkbar sind, bei denen die gesamte Pumpstrahlung über die Innenwandfläche geführt wird (100 %), können bevorzugte Obergrenzen bspw. bei höchstens 60 %, 50 % bzw. 40 % liegen. Soweit im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auf Anteile bzw. Verhältnisse von Strahlung Bezug genommen wird, bezieht sich dies generell auf die Strahlungsleistung.
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Die Pumpstrahlung soll im Betrieb „zumindest zeitweilig“ über die Innenwandfläche geführt werden - wie nachstehend im Einzelnen erläutert, kann es bspw. auch andere Betriebsmodi geben, in denen die Pumpstrahlung nicht über die Innenwandfläche geführt wird. Bevorzugt ist gleichwohl eine statische Anordnung und bleibt der über die Innenwandfläche geführte Anteil im Zeitverlauf unverändert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform gelangt das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel umlenkungs- und brechungsfrei von der Emissionsfläche der Pumpstrahlungsquelle zu dem Träger, konkret dessen Unterbrechung, wird es also an dem Träger dann erstmals reflektiert. In anderen Worten sind zwischen der Pumpstrahlungsquelle und dem Träger keine optischen Elemente angeordnet, durchsetzt das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel also insbesondere keine Linse bzw. kein Linsensystem. Dies ist aufgrund der erfindungsgemäßen Nutzung des Trägers zur Strahlbündel- bzw. Spotformung möglich, und es lassen sich besonders kompakte Aufbauten realisieren (vgl. auch die Anmerkungen eingangs).
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Pumpstrahlungsquelle in Form eines Halbleiter-Chips vorgesehen, bspw. als III-V-Halbleiter, etwa InGaN. Wenngleich im Allgemeinen auch ein Oberflächenemitter denkbar ist, auch als VCSEL bezeichnet (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL), ist ein sogenannter Kantenemitter bevorzugt, siehe unten im Einzelnen. Dessen Emissionsfläche, die auch als Laserfacette bezeichnet wird, liegt an einer Seitenkante des Halbleiter-Chips.
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Auch unabhängig von der Ausgestaltung des Halbleiter-Chips im Einzelnen ist dieser bevorzugt gemeinsam mit dem Träger und dem Leuchtstoffelement gehäust, sind diese Bestandteile also in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Dieses ist bevorzugt hermetisch abgedichtet, sodass die Pumpstrahlung innerhalb eine definierte Gasmischung oder ein Vakuum durchsetzt. Bei dem Gehäuse kann es sich bevorzugt um ein Metallgehäuse handeln, von dem die Anschlusspins vorzugsweise zu einer Seite weggeführt sind. Es kann insbesondere ein sogenanntes TO-Gehäuse vorgesehen sein, bevorzugt in runder Bauform.
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Dementsprechend kann der Träger senkrecht auf die Abstrahlfläche des Konversionselements blickend vorzugsweise rund ausgeführt sein, auch unabhängig von der Gehäuseform im Einzelnen. Dies ist aber nur eine Möglichkeit, ebenso ist ein rechteckiger, insbesondere quadratischer, oder auch sechs- bzw. achteckiger oder frei geformter Träger möglich. Generell kann der Träger an die Gehäuseform und diese letztlich an die Anwendung angepasst sein.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist an der Einstrahlfläche des Leuchtstoffelements ein wellenlängenabhängiger Spiegel angeordnet, der für die Konversionsstrahlung reflektiv, für die Pumpstrahlung jedoch transmissiv ist (jeweils zumindest überwiegend). Von der im Konversionselement abgegebenen Konversionsstrahlung wird also bspw. bei Betrachtung einer spektralen Intensitätsverteilung jedenfalls der größere Teil reflektiert, also bei einer integralen Betrachtung mehr als 50 %, 60 %, 70 % bzw. 80 %. Aus Effizienzgründen kann eine perfekte Reflexion (100 %) bevorzugt sein, technisch bedingt können aber Obergrenzen bspw. bei höchstens 99 %, 98 % bzw. 95 % liegen. Dies gilt analog für die Transmissivität bezüglich der Pumpstrahlung, wenngleich diese bevorzugt eher schmalbandig und damit der transmittierte Anteil entsprechend höher ist, bspw. bei mindestens 90 % bzw. 95 % liegen kann (mit theoretischen Obergrenzen bei 99,9 % bzw. 99,5 %).
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Der wellenlängenabhängige reflektive Spiegel kann bspw. als Interferenzspiegel, auch als „dichroitischer Spiegel“ bezeichnet, aufgebaut sein, also als Mehrschichtsystem. Dieses kann bspw. aus mindestens zwei dielektrischen Materialien, etwa Al2O3 und SiO2, aufgebaut sein, die sich in ihren Brechungsindices unterscheiden und in dem Mehrschichtsystem abwechselnd aufeinanderfolgen. Unabhängig vom Aufbau im Einzelnen kann der wellenlängenabhängige Spiegel die Effizienz verbessern, nämlich im Konversionselement quasi omnidirektional und damit anteilig auch „nach hinten“ (in Richtung Pumpstrahlungsquelle) abgegebene Konversionsstrahlung „nach vorne“ reflektieren.
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Bevorzugt ist die Einstrahlfläche nur im Bereich der Apertur mit dem wellenlängenabhängigen Spiegel versehen, erstreckt sich dieser also nur im Bereich der Unterbrechung, nicht seitlich außerhalb davon. Generell beziehen sich im Rahmen dieser Offenbarung Angaben wie „zur Seite hin“ bzw. „seitlich“ ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe auf die zur Mittenachse des Pumpstrahlungs-Strahlenbündels senkrechten, davon weg weisenden Richtungen. Die Mittenachse des Strahlenbündels liegt parallel zu dessen Hauptrichtung, mittig im Strahlenbündel. Die nur teilweise Verspieglung der Einstrahlfläche im Bereich der Apertur kann bspw. insoweit von Vorteil sein, als der seitlich außerhalb liegende Bereich der Einstrahlfläche dann auf die Verbindung zum Träger hin optimiert sein kann, bspw. mit einer AuSn-Beschichtung für eine Lötverbindung ausgelegt sein kann. Auch eine solche Beschichtung außerhalb der Apertur kann (zusätzlich) auf eine Reflexion und damit Effizienzverbesserung hin optimiert sein, wobei in diesem Fall eine metallische (wellenlängenunabhängige) Reflexion bevorzugt ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Pumpstrahlungsquelle, vorzugsweise der Halbleiter-Chip, auf einem Kühlkörper angeordnet. Der Halbleiter-Chip kann im Allgemeinen auch direkt auf dem Kühlkörper angeordnet sein, bevorzugt ist der Halbleiter-Chip auf einem sogenannten Submount und ist dieses auf dem Kühlkörper angeordnet. Das Submount kann bspw. aus AlN oder SiC vorgesehen sein; der Kühlkörper ist bevorzugt aus Metall gefasst, etwa Aluminium. Das Submount kann mit dem Kühlkörper verklebt oder verlötet sein, Gleiches gilt für die Montage des Halbleiter-Chips auf dem Submount.
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Auch unabhängig davon im Einzelnen ist bevorzugt der Träger stoffschlüssig mit dem Kühlkörper verbunden. Letzterer dient dann einerseits der Montage bzw. Kühlung der Pumpstrahlungsquelle und zugleich der Befestigung des Trägers relativ dazu. Zudem kann die Anbindung des Konversionselements über den Träger an den Kühlkörper auch thermisch von Vorteil sein, wenn bei der Konversion eine Verlustwärme abfällt. Der Träger kann mit dem Kühlkörper bspw. verklebt sein, auch ein als Keramik auf den Kühlkörper aufgesinterter Träger ist denkbar, bevorzugt sind die beiden miteinander verlötet.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist das Konversionselement stoffschlüssig mit dem Träger verbunden, wenngleich im Allgemeinen bspw. auch ein Verklemmen oder Verspreizen denkbar wäre. Das Konversionselement kann bspw. mit einem metallischen Lot auf den Träger gelötet werden, alternativ ist aber bspw. auch ein Aufsintern bzw. eine Montage mittels Sinterprozessen denkbar. Generell kann diesbezüglich von Vorteil sein, wenn die Prozesstemperaturen begrenzt werden können, weswegen als Verbindungsmaterialien insbesondere eine sogenannte Sintersilberpaste, Nano-Silver- oder Nano-Gold-Systeme infrage kommen. Im Allgemeinen ist auch ein Verkleben denkbar, wenngleich aufgrund der thermischen Anbindung weniger bevorzugt.
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Wie bereits erwähnt, ist die Verwendung eines Kantenemitters bevorzugt, liegt die Emissionsfläche also an der Seitenkante des Halbleiter-Chips. Dies bedeutet umgekehrt, dass sich eine Verbindungsschicht zwischen der Rückseite des Halbleiter-Chips und dem Kühlkörper bzw. diesem und dem Submount einerseits und eine Verbindungsschicht zwischen Kühlkörper und Träger bzw. auch zwischen Träger und Konversionselement andererseits gewinkelt zueinander erstrecken, insbesondere rechtwinklig zueinander liegen. Dies kann bspw. auch hinsichtlich des insgesamt kompakten Aufbaus von Vorteil sein.
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Der Halbleiter-Chip kann bspw. über einen Rückseitenkontakt elektrisch angeschlossen sein, bevorzugt in Verbindung mit einem Vorderseitenanschluss. Letzterer ist vorzugsweise über einen bzw. mehrere Bonddrähte realisiert, welche den Halbleiter-Chip dann mit einem Anschlusspin des Gehäuses verbinden. Auch im Falle des Rückseitenkontakts kann die Verbindung zum Anschlusspin hin mit einem oder mehreren Bonddrähten realisiert sein, der bzw. die dann von dem Kühlkörper bzw. vorzugsweise dem Submount zu dem Anschlusspin reichen.
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Insgesamt weist das Gehäuse dann also mindestens zwei Anschlusspins für den Halbleiter-Chip auf, bevorzugt weist es auch noch einen oder zwei weitere Anschlusspins zur Kontaktierung einer Sicherheitseinrichtung auf. Mit dieser Sicherheitseinrichtung kann die mechanische Integrität bzw. das Vorhandensein des Konversionselements überwacht werden, wozu das Konversionselement bevorzugt mit einer entsprechenden Leiterbahn bzw. Leiterbahnstruktur versehen ist. Diese kann metallisch oder bspw. auch aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) vorgesehen sein. Kommt es zu einem Brechen bzw. Reißen des Konversionselements, wird in der Regel auch die Leiterbahn beschädigt, was messtechnisch erfasst werden kann.
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Eine solche Sicherheitseinrichtung kann bspw. insoweit von Vorteil sein, als in einem entsprechenden Detektions- bzw. Fehlerfall dann die Pumpstrahlungsquelle gedimmt oder vollständig abgeschaltet werden kann. Anderenfalls könnte sich nämlich im Fall eines gerissenen/gebrochenen bzw. abgefallenen Konversionselements die nichtkonvertierte Pumpstrahlung zur Beleuchtungsanwendung hin ausbreiten, was für einen Betrachter dort ein erhebliches fotobiologisches Risiko bedeuten kann, nämlich zu einer Schädigung der Netzhaut und schlimmstenfalls zu einem Sehkraftverlust führen kann. Im Falle der Teilkonversion gelangt zwar auch im Normalbetrieb anteilig nicht konvertierte Pumpstrahlung zur Beleuchtungsanwendung, allerdings wird diese im Konversionselement in der Regel gestreut, also aufgefächert (die Strahldichte ist geringer). Die Überwachung des Konversionselements kann bspw. resistiv und/oder induktiv bzw. auch kapazitiv erfolgen, bevorzugt ist ersteres.
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Generell sind bezüglich der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Kühlkörper und Träger wiederum auch Sinterprozesse denkbar, kann also bspw. eine Sintersilber-Paste, Nano-Silver- oder auch ein Nano-Gold-System Verwendung finden. Bevorzugt ist jedoch ein eutektischer Lötprozess, siehe unten im Detail.
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In bevorzugter Ausgestaltung sind sowohl der Kühlkörper und der Träger als auch der Träger und das Leuchtstoffelement über ein Lot miteinander verbunden, wobei zumindest eines der Lote ein eutektisches Lot ist. Das eutektische Lot kann bspw. ein AuSn-Lot sein, das entweder in Form eines dünnen gestanzten Materialplättchens (auch als Preform bezeichnet) oder in Form eines vorab aufgebrachten Lot-Depots vorliegen kann. Unabhängig davon im Einzelnen kann die Verwendung eines eutektischen Lots vorliegend von besonderem Vorteil sein, weil sich dessen Schmelzpunkt erhöht, wenn das Lot nach dem Löten wieder erkaltet ist. Da es mindestens zwei Lötverbindungen gibt, nämlich zwischen Kühlkörper und Träger sowie zwischen Träger und Konversionselement, und diese Verbindungen aus praktischen Gründen bevorzugt nacheinander hergestellt werden, kann die nach dem ersten Lötprozess erhöhte Schmelztemperatur einem Aufschwimmen des Lots bzw. der Verbindung im darauffolgenden Lötprozess vorgebeugt werden.
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Das Löten erfolgt generell in der Regel in einem sogenannten Reflow-Prozess, bei dem die miteinander zu verbindenden Bauteile insgesamt auf die fragliche Temperatur gebracht werden, bspw. in einem Ofen. Bevorzugt wird zunächst das Konversionselement mit dem Träger verlötet und anschließend der Träger mit dem Kühlkörper. Bevorzugt wird auch im zweiten Lötprozess ein eutektisches Lot verwendet, das nach dem Erkalten eine erhöhte Schmelztemperatur hat. Es können nämlich auch bei der weiteren Verarbeitung zu einem hermetisch abgedichteten Gesamtmodul, insbesondere der Ummantelung mit dem Metallgehäuse, darauffolgend weitere Prozessschritte erforderlich sein, die wiederum ein Aufbringen von Wärme bedingen.
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Auch unabhängig davon im Einzelnen kann, wenn der Träger mit dem Kühlkörper verlötet wird, auf letzterem bevorzugt bereits die Pumpstrahlungsquelle montiert sein, vorzugsweise über ein eutektisches Lot. Im Übrigen wird auch auf die nachstehend angegebenen Verfahrensmerkmale verwiesen, im Allgemeinen ist die Verwendung eines eutektischen Lots nicht zwingend, sondern kann bspw. auch für den ersten Lötschritt ein Lot mit höherer Schmelztemperatur als für den darauffolgenden Lötschritt gewählt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Innenwandfläche des Trägers, welche die Aussparung zur Seite hin begrenzt, verspiegelt. In anderen Worten bildet also eine Spiegelschicht die Innenwandfläche, bspw. eine metallische Spiegelschicht, etwa aus (hochreinem) Silber. Generell kann der Träger im Allgemeinen bspw. auch inhärent reflektierend sein, jedenfalls in gewissem Umfang, etwa im Falle eines metallischen Trägers. Alternativ kann der Träger bspw. aus AlN oder SiC vorgesehen sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Innenwandfläche des Trägers rotationssymmetrisch. Bevorzugt liegt die Rotationsachse dieser Rotationssymmetrie parallel zur Mittenachse des Pumpstrahlungs-Strahlenbündels, besonders bevorzugt fallen die beiden Achsen zusammen.
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In bevorzugter Ausgestaltung hat die sich verjüngende Innenwandfläche in Schnittebenen betrachtet, die jeweils die Mittenachse des Pumpstrahlungs-Strahlenbündels beinhalten, jeweils einen geradlinigen Verlauf. Wenngleich im Allgemeinen bspw. auch ein leicht konkav oder konvex gekrümmter Verlauf denkbar ist, ist diese geradlinige Erstreckung bevorzugt. In Verbindung mit der Rotationssymmetrie hat die sich verjüngende Innenwandfläche dann also eine Konus- bzw. Kegelstumpfform. Bezüglich einer Definition der „Mittenachse“ wird auf die vorstehenden Angaben verwiesen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform schließt die sich verjüngende Innenwandfläche an ihrem dem Konversionselement proximalen (nahen) Ende eine um mindestens 20 %, weiter und besonders bevorzugt mindestens 25 % bzw. 30 %, kleinere Fläche als an ihrem dem Konversionselement distalen (entfernten) Ende ein. Mögliche Obergrenzen können (von den Untergrenzen unabhängig) bspw. bei höchstens 80 %, 70 % bzw. 60 % liegen. Betrachtet wird jeweils die von der Innenwandfläche in einer jeweiligen, zur Mittenachse des Strahlenbündels senkrechten Ebene eingeschlossene Fläche, die bevorzugt jeweils kreisförmig sein kann.
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Die sich verjüngende Innenwandfläche kann bspw. auch einen gekrümmten, etwa parabelförmigen Verlauf haben, also im Falle einer bevorzugten Rotationssymmetrie eine paraboloide Form beschreiben. Auch eine frei geformte Fläche ist denkbar.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform verjüngt sich die Innenwandfläche nur in einem Abschnitt und folgt auf diesen ein weiterer Abschnitt, in dem sich die Innenwandfläche dann in Richtung zum Konversionselement hin weitet. Dieser weitere Abschnitt ist näher am Konversionselement, in Richtung zur Einstrahlfläche hin verjüngt sich die Innenwandfläche also zunächst, dann weitet sie sich. In die Mittenachse des Strahlenbündels beinhaltenden Schnittebenen betrachtet wird mit dem weiteren Abschnitt gewissermaßen eine Aussparung bzw. ein Hohlraum an der Einstrahlfläche geschaffen. Im Bereich dieser Aussparung kann vorteilhafterweise an der Einstrahlfläche des Konversionselements abgegebene bzw. reflektierte Strahlung zurück zum Konversionselement reflektiert werden (also recycelt werden), was einen Effizienzvorteil bieten kann.
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Es wird also unbeabsichtigt „nach hinten“ abgegebene Strahlung nochmals „nach vorne“ geführt und damit zumindest mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit konvertiert oder als Konversionsstrahlung an der Abstrahlfläche abgegeben. Bei der unbeabsichtigt „nach hinten“ abgegebenen Strahlung kann es sich bspw. um anteilig an der Einstrahlfläche reflektierte Pumpstrahlung handeln (Fresnel'sche Reflexe), es kann aber auch anteilig Konversionsstrahlung nach hinten abgegeben werden (selbst im Falle einer wellenlängenabhängigen Verspiegelung der Einstrahlfläche, wenn diese sehr breitbandig und damit bezüglich der Bandkante ungünstig ist). Insbesondere in diesem Abschnitt mit der Aussparung ist die Innenwandfläche bevorzugt hochreflektiv verspiegelt (z. B. metallisch, etwa mit Silber), bevorzugt ist sie insgesamt verspiegelt (siehe vorne).
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In bevorzugter Ausgestaltung hat die sich weitende Innenwandfläche in Schnittebenen betrachtet, die jeweils die Mittenachse des Strahlenbündels beinhalten, jeweils einen konkav gekrümmten Verlauf. Die Aussparung ist also gewissermaßen wannenförmig ausgebildet. Bevorzugt kann in besagten Schnittebenen ein (abschnittsweise) kreisförmiger Verlauf sein, kann die Innenwandfläche also im Bereich der Aussparung insbesondere eine sphärische Form haben (im Falle der bevorzugten Rotationssymmetrie, siehe vorne). Die konkave, insbesondere kreisförmige bzw. sphärische Ausgestaltung, kann hinsichtlich der Recyclingeffizienz von Vorteil sein bzw. die recycelte Strahlung auch auf der Einstrahlfläche bündeln. Im Einzelnen kann sich eine geeignete Größe der Aussparung im Zuge einer Optimierung in Abhängigkeit von der übrigen Geometrie ergeben, etwa mit einer Raytracing-Simulation, wobei ferner auch die Abmessungen des Strahlenbündels bzw. die Streu- und Konversionseigenschaften des Konversionselements berücksichtigt werden können.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen, die ebenfalls auf eine Effizienzverbesserung gerichtet sind, ist die Einstrahlfläche mit Einkoppelelementen zur Erhöhung der Einkoppeleffizienz vorgesehen und/oder ist die Abstrahlfläche mit Auskoppelelementen zur Erhöhung der Auskoppeleffizienz vorgesehen. Die Koppelelemente können bspw. in Form einer strukturierten, also rauen bzw. angerauten Oberfläche vorliegen. Eine entsprechende Strukturierung an der Einstrahl- und/oder Abstrahlfläche kann sich bspw. aus einer korrugierten Oberfläche ergeben, wobei die Strukturen - für sich und zueinander - symmetrisch oder auch asymmetrisch aufgebaut sein können. Es können periodische Muster erkennbar sein, ebenso sind aber auch gänzlich zufallsverteilte (chaotische) Abfolgen möglich. Die Strukturen können senkrecht zur jeweiligen Fläche genommen untereinander dieselbe Höhe und/oder dieselbe Flankensteilheit haben, dies ist aber nicht zwingend. Es sind sich jeweils zweidimensional über die Fläche erstreckende Rinnen bzw. Sicken möglich, ebenso aber auch diskrete Einzelstrukturen. Selbstverständlich sind auch Kombinationen der genannten Varianten möglich.
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Es kann auch eine Beschichtung aus Nanopartikeln die Koppelelemente bilden, womit idealerweise zugleich eine homogenisierende Wirkung (Durchmischung der Strahlung) erzielt werden kann. Die Nanopartikel können bspw. aus SiO2, TiO2, Al2O3, ZnO2, ZrO2 und/oder Y2O3 vorgesehen sein, es sind ausdrücklich auch Mischoxide möglich, ebenso Mischungen aus unterschiedlichen Partikeln. Alternativ oder zusätzlich zu den genannten Oxiden können die Nanopartikel bspw. auch aus einem bzw. mehreren Leuchtstoffen zusammengesetzt sein. Die vorstehend genannte Strukturierung und die Nanopartikel können alternativ oder auch in Kombination miteinander vorgesehen sein. Im Falle einer Kombination können ein strukturierter und ein mit Nanopartikeln versehener Teilbereich zueinander disjunkt sein, sie können aber ebenso einen Überlapp haben, wobei ein gestufter oder auch gradueller Übergang möglich ist; auch ein vollständiger Überlapp ist möglich.
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Unabhängig davon, wie die Ein- bzw. Auskoppelelemente im Einzelnen aufgebaut sind, erhöhen sie die Effizienz. Im Falle der Einkoppelstrukturen gelangt also mehr Pumpstrahlung in das Konversionselement als ohne die Einkoppelstrukturen; im Falle der Auskoppelstrukturen gelangt mehr Konversionsstrahlung (bzw. anteilig nicht konvertierte Pumpstrahlung) aus dem Konversionselement als ohne die Auskoppelstrukturen. Die Ein- bzw. Auskoppelelemente können die jeweilige Fläche einerseits vollständig bedecken, ebenso ist aber auch eine nur teilweise Bedeckung möglich.
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Die im Folgenden beschriebenen Möglichkeiten bezüglich der Anordnung bzw. Strukturierung der Koppelelemente im Falle einer nur teilweisen Flächenbedeckung sollen sowohl hinsichtlich der strukturierten Oberfläche als auch die Nanopartikel betreffend offenbart sein. Ein mit den Koppelelementen bedeckter Teilbereich der Einstrahl- und/oder Abstrahlfläche kann bspw. in sich zusammenhängen oder auch in mehrere diskrete Einzelteilbereiche untergliedert sein. Es ist eine dreh-, insbesondere rotationssymmetrische Geometrie bzw. Anordnung möglich, andererseits aber auch eine auch gänzlich asymmetrische Anordnung. Die Anordnung der Koppelelemente kann insbesondere auch zur Formung bzw. Anpassung der Konversionsstrahlung austrittsseitig genutzt werden.
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Unabhängig davon, ob zusammenhängend oder in Einzelteilbereiche untergliedert, kann der Koppelgrad über die Fläche auch variieren. Hierbei ist ein gestufter Übergang möglich, ebenso kann aber auch ein gradueller Verlauf eingestellt sein. Der Unterschied kann sich aus zumindest einem Parameter ergeben (z. B. Größe der Struktur bzw. der Nanopartikel oder deren Zusammensetzung etc.), ebenso können aber auch über die Fläche hinweg mehrere Parameter verändert werden.
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Sind die Koppelelemente auf mehrere diskrete Einzelteilbereiche verteilt, können diese die gleiche oder auch eine unterschiedliche Größe haben. Sie können jeweils für sich und/oder untereinander symmetrisch oder auch asymmetrisch sein, ebenso können sie sich im Koppelgrad unterscheiden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel dem Träger vorgelagert auf zwei unterschiedlichen, zueinander senkrechten Achsen einen unterschiedlichen Öffnungswinkel. Bevorzugt wird die Pumpstrahlung von einem Kantenemitter emittiert, also an der Seitenkante eines Halbleiter-Chips (siehe vorne), und ergeben sich die unterschiedlichen Öffnungswinkel infolgedessen. Die Achse mit dem größeren Öffnungswinkel liegt in der Regel senkrecht zum Schichtstapel des Halbleiter-Chips und wird als schnelle Achse bezeichnet (fast axis), die Achse mit dem kleineren Öffnungswinkel als langsame Achse (slow axis). Dies resultiert in der Regel aus einer Laserfacette, die in Richtung des Schichtstapels (Dickenrichtung des Halbleiter-Chips) eine deutlich kleinere Erstreckung als in der Fläche, also entlang der Kante hat. Eine typische Laserfacette kann bspw. eine Größe von 1 µm × 30 µm haben.
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Soweit generell im Rahmen dieser Offenbarung Öffnungswinkel betrachtet werden, wird hierbei die Ausdehnung des jeweiligen Strahlenbündels nach der Halbwertsbreite genommen (Full Width Half Maximum, FWHM; alternativ könnte bspw. ein Abfall auf 1/e2 betrachtet werden). Soweit bspw. die Größe des Pumpstrahlungs-Spots auf der Einstrahlfläche oder eines Konversionsstrahlungs-Spots auf der Abstrahlfläche betrachtet wird, bemisst sich deren jeweilige Größe nach der Halbwertsbreite der entsprechenden Bestrahlungsstärkeverteilung. Infolge der unterschiedlichen Öffnungswinkel dem Träger vorgelagert hat das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel in einer zu seiner Mittenachse senkrechten Schnittebene betrachtet entlang einer ersten Hauptachse eine größere Erstreckung als entlang einer zweiten, dazu senkrechten Hauptachse. In besagtem Schnitt betrachtet kann das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel insbesondere eine elliptische Form haben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln betrifft, ist der auf der Einstrahlfläche erzeugte Pumpstrahlungs-Spot zumindest weniger verzerrt als das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel dem Träger vorgelagert. In anderen Worten wird mit der (anteiligen) Reflexion der Pumpstrahlung an der Innenwandfläche der Verzerrung entgegengewirkt, was Ausdruck der Nutzung des Trägers zur Strahlbündelformung ist. Im Allgemeinen könnte eine gewisse Kompensation bspw. auch mit einer Zylinderlinse erreicht werden, bevorzugt durchsetzt die Pumpstrahlung mit Blick auf eine kompakte Bauform dem Träger vorgelagert jedoch kein optisches Element, siehe vorne.
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Konkret zeigt sich die geringere Verzerrung auf der Einstrahlfläche, wenn man die Hauptachsen, entlang welcher das Pumpstrahlungs-Strahlenbündel in der dem Träger vorgelagerten Schnittebene, die unterschiedliche Erstreckung hat, auf die Einstrahlfläche abbildet. Entlang dieser gedanklich auf die Einstrahlfläche abgebildeten Achsen wird dann die Erstreckung des Pumpstrahlungs-Spots genommen. Soweit sich die Erstreckung entlang der beiden Achsen noch unterscheiden, soll der Unterschied zumindest geringer als in der vorgelagerten Schnittebene sein, bspw. um mindestens 50 %, 60 % bzw. 70 %. Besonders bevorzugt kann der Pumpstrahlungs-Spot entlang der beiden Achsen dieselbe Erstreckung haben, es kann aber andererseits auch noch eine kleine Abweichung geben (sodass mögliche Obergrenzen der Verringerung bspw. bei höchstens 90 % bzw. 80 % liegen können).
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Pumpstrahlungsquelle versetzbar gelagert. Dazu kann die Pumpstrahlungsquelle bspw. auf einem Piezoelement montiert sein, was angesichts des insgesamt kompakten Aufbaus von Vorteil sein kann. Im Allgemeinen ist aber selbstverständlich auch ein miniaturisiertes Linearlager etc. denkbar. Generell ist die versetzbare Lagerung bevorzugt mit in das Gehäuse integriert.
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Unabhängig davon im Einzelnen kann die Pumpstrahlungsquelle in der versetzbaren Lagerung unterschiedliche Relativpositionen zum Träger einnehmen, unterscheiden sich diese also in unterschiedlichen Betriebsmodi. In zumindest einem der Betriebsmodi wird die Pumpstrahlung zumindest anteilig über die Innenwandfläche des Trägers geführt (dies meint „zumindest zeitweilig“). Mit dem Versetzen der Pumpstrahlungsquelle kann die Position und/oder Form des Pumpstrahlungs-Spots auf der Einstrahlfläche verändert werden, was vorteilhafterweise zur Formung des Konversionsstrahlungs-Spots genutzt werden kann. Es ist zumindest eine Vorformung der Strahlungs- bzw. Lichtverteilung im Fernfeld (alternativ oder auch in Verbindung mit einer nachgelagerten Optik) möglich. Dabei sind auch Betriebsmodi denkbar, in denen keine Pumpstrahlung auf die Innenwandfläche fällt, also die gesamte Pumpstrahlung reflexionsfrei durch die Unterbrechung im Träger hindurch auf die Einstrahlfläche gelangt.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Pumpstrahlungsquelle zur Seite hin versetzbar. Eine Versetzrichtung liegt also zumindest gewinkelt zur Mittenachse des Pumpstrahlungs-Strahlenbündels (anteiliger Versatz zur Seite und zum Konversionselement hin bzw. davon weg), bevorzugt senkrecht dazu (ausschließlich seitlicher Versatz). Im Allgemeinen lässt sich aber auch mit einem Versatz zum Konversionselement hin bzw. davon weg zumindest die Größe des Pumpstrahlungs-Spots verändern.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Bestrahlungseinheit einen Reflektor auf, an dessen Reflexionsfläche zumindest ein Teil der an der Abstrahlfläche des Konversionselements abgegebenen Konversionsstrahlung reflektiert wird. Im Falle der bevorzugten Teilkonversion wird dann vorzugsweise auch die anteilig nicht konvertierte Pumpstrahlung reflektiert, bevorzugt ist ein metallischer (nicht wellenlängenabhängiger) Reflektor. Mit dem nachgelagerten Reflektor kann, zusammenwirkend mit der Strahlformung dem Konversionselement vorgelagert, insbesondere die Verteilung im Fernfeld eingestellt bzw. zumindest voreingestellt werden (auf Modul- bzw. Scheinwerferebene können dem Reflektor noch weitere optische Elemente nachgelagert sein).
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Reflexionsfläche des Reflektors zumindest bereichsweise konkav gekrümmt, bevorzugt insgesamt. Die Reflexionsfläche kann bspw. eine paraboloide Form haben, etwa um die an der Abstrahlfläche abgegebene Strahlung zu kollimieren; andererseits kann bspw. mit einer ellipsoidalen Reflexionsfläche eine Bündelung erreicht werden. Generell ist die Reflexionsfläche bevorzugt derart vorgesehen, dass die an der Abstrahlfläche abgegebene und an der Reflexionsfläche reflektierte Strahlung nicht erneut auf das Konversionselement fällt, sondern dieses passiert bzw. sich davon weg ausbreitet.
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In bevorzugter Ausgestaltung hat die Reflexionsfläche einen Brennpunkt, sie kann bspw. paraboloid oder ellipsoidal vorgesehen sein (siehe vorne). Bevorzugt ist der Reflektor dann derart angeordnet, dass dieser Brennpunkt in einem Konversionsstrahlungs-Spot auf der Abstrahlfläche des Konversionselements liegt. Besonders bevorzugt liegt der Brennpunkt mittig im Konversionsstrahlungs-Spot.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Reflektor zumindest mittelbar an dem Träger befestigt. Im Allgemeinen wäre hingegen bspw. auch ein integral, also monolithisch aus demselben durchgehenden Material mit dem Träger vorgesehener Reflektor denkbar. Bevorzugt sind die beiden zumindest mittelbar (z. B. über das Gehäuse), vorzugsweise unmittelbar aneinander befestigt (von bspw. einer Fügeverbindungsschicht etc. abgesehen).
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In bevorzugter Ausgestaltung ist der Reflektor stoffschlüssig mit dem Träger verbunden, es wird auf die vorstehenden Angaben bezüglich „stoffschlüssig“ etc. verwiesen. Die beiden können bspw. miteinander verklebt oder verlötet sein, auch ein Ansintern ist möglich.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer vorliegend diskutierten Bestrahlungseinheit, wobei das Konversionselement am Träger angeordnet wird, bevorzugt stoffschlüssig befestigt wird. Bezüglich weiterer Verfahrensdetails wird ausdrücklich auf die vorstehende Offenbarung verwiesen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden der Kühlkörper und der Träger in einem Lötschritt miteinander verlötet und das Konversionselement und der Träger in einem anderen Lötschritt, wobei diese Lötschritte nacheinander vorgenommen werden. Dabei wird bevorzugt das zuerst verlötete Lot derart gewählt, dass es jedenfalls in dem darauffolgenden Lötschritt einen höheren Schmelzpunkt als das in diesem darauffolgenden Lötschritt verlötete Lot hat. Der höhere Schmelzpunkt kann sich erst im Zuge des Erkaltens nach dem ersten Lötschritt ergeben (eutektisches Lot, vgl. die Anmerkungen vorstehend), es können aber andererseits auch Lote mit initial unterschiedlichen Schmelztemperaturen gewählt werden. So hat bspw. SnAgCu eine niedrige Schmelztemperatur als AuSn (letzteres wird dann im ersten Lötschritt verlötet).
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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer vorliegend offenbarten Bestrahlungseinheit zur Beleuchtung. Im Allgemeinen sind bspw. auch Anwendungen im Bereich der Unterhaltungs- bzw. Gebäudebeleuchtung, auch Architainment, denkbar, ferner können auch Industrie- bzw. anderweitige Nutzflächen beleuchtet werden, auch im Bereich Horticulture sind Anwendungen möglich. Bevorzugt ist eine Anwendung im Bereich der Beleuchtung, insbesondere Außenbeleuchtung, von Fahrzeugen, im Allgemeinen bspw. auch Luft- bzw. Wasserfahrzeugen (Flugzeuge, Helikopter, Schiffe). Besonders bevorzugt ist eine Anwendung im Bereich der Außenbeleuchtung von Kraftfahrzeugen, etwa Krafträdern, insbesondere aber auch Lastkraftwägen und Personenkraftwägen, besonders bevorzugt kann eine Verwendung in Scheinwerfern sein, insbesondere einem Frontscheinwerfer eines Kraftfahrzeugs.
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Im Kfz-Bereich kann die Bestrahlungseinheit bspw. für ein Fernlicht bzw. Zusatzfernlicht genutzt werden, also jedenfalls zur Fernlichtunterstützung. Es lässt sich aber bspw. auch eine Tagfahrlichtfunktion bzw. ein Abblendlicht oder Frontnebellicht realisieren, auch aufgrund einer definierten Fernlichtverteilung, die sich aus den vorstehend im Einzelnen erläuterten Maßnahmen ergeben kann. Die Bestrahlungseinheit wird bevorzugt in einen Frontscheinwerfer integriert, indem dann bspw. auch noch ein Blinker und dergleichen untergebracht sein kann.
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Für ein Tagfahrlicht können bspw. auch mehrere Bestrahlungseinheiten kombiniert werden (siehe unten), um die Gesamtgröße der lichtemittierenden Fläche zu vergrößern, etwa auf mindestens 25 cm2. Aufgrund der kompakten Baugröße der einzelnen Bestrahlungseinheit lässt sich dies mit einem insgesamt gleichwohl raumoptimierten Aufbau erreichen.
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Für ein Abblendlicht können bspw. rund 1000 Im gefordert sein, was z. B. auch durch Kombination mehrerer Bestrahlungseinheiten erreicht werden kann (mindestens zwei, bspw. auch drei für eine homogenere bzw. gleichmäßigere Lichtverteilung).
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In bevorzugter Ausgestaltung werden mehrere Bestrahlungseinheiten gemeinsam zu einem Modul integriert, also bspw. in einem Relativabstand zueinander von weniger als 10 cm, 5 cm bzw. 2 cm angeordnet (mögliche Untergrenzen können technisch bedingt bspw. bei mindestens 0,1 cm bzw. 0,5 cm liegen). Es werden also bspw. mindestens zwei Bestrahlungseinheiten kombiniert, bspw. genau zwei oder auch drei. Das Kombinieren einer Vielzahl Bestrahlungseinheiten (mindestens drei) kann vorteilhafterweise auch den Aufbau eines Moduls zur adaptiven Straßenausleuchtung ermöglichen; das von der einzelnen Bestrahlungseinheit emittierte Licht wird in eine jeweilige Raumrichtung angegeben, durch ein Hinzu- bzw. Wegschalten der einzelnen Bestrahlungseinheiten können die insgesamt mit Licht versorgten Raumrichtungen eingestellt und kann damit die Lichtverteilung im Fernfeld angepasst werden.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
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Im Einzelnen zeigt
- 1 eine erfindungsgemäße Bestrahlungseinheit in schematischer Darstellung, und zwar zur Veranschaulichung in ungehäustem Zustand;
- 2 eine Detailansicht der Bestrahlungseinheit gemäß 1, und zwar in einer zu deren Zeichenebene senkrechten Schnittebene;
- 3 in einer Detaildarstellung eine weitere Möglichkeit zur Gestaltung einer zur Strahlformung genutzten Unterbrechung in einem Träger, auf welchem ein Konversionselement montiert ist;
- 4a-d verschiedene Möglichkeiten zur Gestaltung einer strukturierten Oberfläche zur Verbesserung der Koppeleffizienz;
- 5a-i verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung von Koppelelementen zur Verbesserung der Koppeleffizienz auf der Einstrahl- oder Abstrahlfläche des Konversionselements;
- 6 einen auf dem Konversionselement einer erfindungsgemäßen Bestrahlungseinheit erzeugten Pumpstrahlungs-Spot in schematischer Darstellung;
- 7 die Anordnung gemäß 1 in einer Aufsicht, von rechts darauf blickend;
- 8 eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Bestrahlungseinheit mit einem zusätzlichen Reflektor;
- 9 eine erfindungsgemäße Bestrahlungseinheit mit versetzbar gelagerter Pumpstrahlungsquelle in schematischer Darstellung;
- 10a-d unterschiedliche Möglichkeiten zur Anordnung von Anschlusspins eines Gehäuses einer erfindungsgemäßen Bestrahlungseinheit.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Bestrahlungseinheit 1 in einer schematischen Darstellung, in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht. Die Bestrahlungseinheit 1 weist eine Pumpstrahlungsquelle 2 zur Emission eines Strahlenbündels 3 mit Pumpstrahlung 4 auf. Die Pumpstrahlungsquelle 2 ist ein Halbleiter-Chip, konkret ein Kantenemitter. Bei der davon in Form des Strahlenbündels 3 emittierten Pumpstrahlung 4 handelt es sich vorliegend um blaues Laserlicht.
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Ferner weist die Bestrahlungseinheit 1 ein Konversionselement 5 auf, vorliegend mit einem gelb konvertierenden Leuchtstoff, nämlich Yttrium-Aluminium-Granat (Yag:Ce). Von diesem Leuchtstoff wird die Pumpstrahlung 4 anteilig in eine Konversionsstrahlung 6 umgesetzt, vorliegend in gelbes Licht. Die Pumpstrahlung 4 wird dabei nur zum Teil konvertiert, es verbleibt also dem Konversionselement 5 nachgelagert ein Teil nicht konvertiertes, blaues Licht, welches dann in Mischung mit dem gelben Konversionslicht Weißlicht ergibt. Ergänzend zu 1 wird in der folgenden Darstellung auch auf 2 verwiesen, die eine vergrößerte Detailansicht zeigt (weswegen einige der nachstehend genannten Bezugszeichen nur in 2, nicht aber in 1 vermerkt sind).
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Das Konversionselement 5 wird in Transmission betrieben. Es liegen also eine Einstrahlfläche 5a, auf welche die Pumpstrahlung 4 fällt, und eine Abstrahlfläche 5b, an welcher die Konversionsstrahlung 6 abgegeben wird, einander entgegengesetzt. Zur Erhöhung der Effizienz ist an der Einstrahlfläche 5a ein wellenlängenabhängiger Spiegel 7 angeordnet, der für die Pumpstrahlung 4 transmissiv, für die (im Konversionselement 5 im Prinzip omnidirektional abgegebene) Konversionsstrahlung 6 jedoch reflektiv ist.
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Das Konversionselement 5 ist auf einem Träger 8 angeordnet, der vorliegend aus Siliziumcarbid (SiC) vorgesehen ist (vgl. die Beschreibungseinleitung bezüglich möglicher Alternativen). Eine Besonderheit liegt in der geometrischen Gestaltung des Trägers 8, der mit einer Unterbrechung 9 gefasst ist. Diese bildet eine Apertur, das Konversionselement 5 ist damit fluchtend angeordnet. Eine Innenwandfläche 8a des Trägers begrenzt die Aussparung 9 zur Seite hin. Diese Innenwandfläche 8a verjüngt sich zum Konversionselement 5 hin.
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Der Träger 8 ist an der Innenwandfläche 8a verspiegelt, vorliegend mit einer Silberschicht, welche die Innenwandfläche 8a bildet, der Übersichtlichkeit halber aber nicht im Einzelnen dargestellt ist. Die Funktion erschließt sich insbesondere aus der Detailansicht gemäß 7. Das Strahlenbündel 3 mit der Pumpstrahlung 4 breitet sich von einer Emissionsfläche 2a der Pumpstrahlungsquelle 2 weg divergent zum Konversionselement 5 hin aus. Zur Realisierung einer insgesamt kompakten Bauform ist vorliegend keine Linse bzw. kein Linsensystem zur Strahlbündelformung vorgesehen. Um das Strahlenbündel 3 mit der Pumpstrahlung dennoch so weit möglich auf die Einstrahlfläche 5a des Konversionselements 5 zu führen, wird anteilig Pumpstrahlung 4 an der Innenwandfläche 8a des Trägers 8 reflektiert. Der zur mechanischen Befestigung des Konversionselements 5 vorgesehene Träger wird also vorteilhafterweise zugleich zur Strahlbündelformung genutzt.
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Die 1 und 2 zeigen einen prinzipiell vergleichbaren Schnitt durch den Träger 8 und das Konversionselement 5, im Einzelnen liegt jedoch die Schnittebene gemäß 2 senkrecht zur Zeichenebene in 1. In diesen beiden, zueinander senkrechten Schnittebenen hat das Strahlenbündel 3 einen unterschiedlich großen Öffnungswinkel, was sich infolge der Verwendung eines Kantenemitters ergibt, vgl. auch die Beschreibungseinleitung im Einzelnen. Konkret ist der Öffnungswinkel in dem Schnitt gemäß 1, der parallel zum Schichtstapel des Halbleiter-Chips liegt, kleiner (wird als slow axis bezeichnet) als in dem zum Schichtstapel senkrechten Schnitt gemäß 2 (wird als fast axis bezeichnet). Bei der vorliegend gezeigten Bestrahlungseinheit 1 wird das Strahlenbündel 4 zwar in dem Schnitt gemäß 7 (fast axis), nicht aber in dem Schnitt gemäß 1 (slow axis) an der Innenwandfläche 8a des Trägers 8 reflektiert.
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3 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Gestaltung der Innenwandfläche 8a des Trägers 8 in einem zu 2 vergleichbaren Schnitt (der Übersichtlichkeit halber sind die Pumpstrahlungsquelle und das Strahlenbündel nicht dargestellt). Analog 2 verjüngt sich die Innenwandfläche 8a, allerdings nur in einem Abschnitt 30a. Darauf folgt ein weiterer Abschnitt 30b, in welchem sich die Innenwandfläche 8a wieder weitet (generell beziehen sich diese Angaben auf eine zur Einstrahlfläche 5a des Konversionselements 5 hin weisende Richtung 31).
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In dem weiteren Abschnitt 30b bildet die Innenwandfläche 8a eine Wanne, sie ist in eine Mittenachse 3a des Strahlenbündels 3 beinhaltenden Schnittebenen betrachtet kreisförmig, beschreibt also eine sphärische Form. Generell kann die sich abschnittsweise weitende Innenwandfläche 8a hinsichtlich der Effizienz von Vorteil sein, nämlich an der Einstrahlfläche 5a unbeabsichtigt „nach hinten“ (in Richtung Pumpstrahlungsquelle) abgegebene Strahlung erneut zum Konversionselement 5 führen, vgl. auch die Erläuterungen der Beschreibungseinleitung.
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Wie aus 3 ferner ersichtlich, ist das Konversionselement 5 über ein Lot 35 stoffschlüssig am Träger 8 befestigt, alternativ ist bspw. ein Aufsintern des Konversionselements 5 möglich, vgl. 2 zur Illustration und die Beschreibungseinleitung. Im Folgenden werden weitere Details der Montage mit Verweis auf 1 erläutert.
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Die Pumpstrahlungsquelle 2 (der Halbleiter-Chip) ist auf einem Kühlkörper 10 aus Metall angeordnet. Dabei ist die Pumpstrahlungsquelle 2 nicht direkt auf dem Kühlkörper 10 montiert, sondern über ein Submount 11, das bspw. aus Aluminiumnitrid oder Siliziumcarbid vorgesehen sein kann. In der Herstellung wird zunächst der Halbleiter-Chip auf den Submount 11 geklebt oder gelötet, anschließend der Submount 11 auf den Kühlkörper 10.
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Ferner ist auch der Träger 8 an dem Kühlkörper 10 befestigt, vorliegend über ein Lot 12. In der Montage wird zunächst das Konversionselement 5 am Träger 8 befestigt, vorzugsweise damit verlötet (3), anschließend wird der Träger 8 mit dem Kühlkörper 10 verlötet. Das Lot 35 zwischen Konversionselement 5 und Träger 8 wird hierbei derart gewählt, dass es jedenfalls in dem darauffolgenden Lötschritt, beim Verlöten des Kühlkörpers 10 mit dem Träger 8 eine höhere Schmelztemperatur als das Lot 12 hat, vgl. die Beschreibungseinleitung.
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Der Kühlkörper 10 ist an einem Gehäuseboden 13 befestigt, wie von einem TO-Gehäuse bekannt. Der gesamte Aufbau wird ferner von einer zylindrischen Metallhülse, die auf dem Gehäuseboden 13 aufsitzt, ummantelt, was aber vorliegend der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist.
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Es sind insgesamt vier Anschlusspins 14 vorgesehen, wobei zwei Anschlusspins 14aa,ab der elektrischen Kontaktierung der Pumpstrahlungsquelle 2, also des Halbleiter-Chips dienen. Dazu ist jeder der Anschlusspins 14aa,ab jeweils über eine Mehrzahl Bonddrähte 15aa, 15ab mit dem entsprechenden Kontakt des Halbleiter-Chips verbunden (einmal vorderseitig, einmal über einen Rückseitenanschluss). Die weiteren Anschlusspins 14ba,bb dienen der elektrischen Kontaktierung einer Überwachungsstruktur des Konversionselements 5, vgl. auch die 5 und 7 zur Illustration. Die Anschlusspins 14ba,bb durchsetzen dazu jeweils den Träger 8, siehe die 1 und 7 in Zusammenschau.
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Die 4a-d zeigen in schematischer Darstellung einen Ausschnitt einer strukturierten Oberfläche des Konversionselements 5, wobei es sich um die Einstrahlfläche 5a oder die Abstrahlfläche 5b handeln kann. Die Oberfläche ist mit einer erhöhten Rauigkeit gefasst, es ist also bspw. eine Zacken- oder Rillenstruktur eingebracht. Die Strukturierung kann periodisch (4a,d) oder zufallsverteilt sein bzw. einem stochastischen Verlauf folgen, vgl. insbesondere 4c. Es sind Strukturen derselben Höhe (4d) oder auch mit unterschiedlichen Höhen möglich (4a-c). Aufgrund der mikroskopisch erhöhten Rauigkeit, also der korrugierten Oberfläche, lassen sich bspw. Fresnel-Reflexionen verringern, kann also die Koppeleffizienz erhöht werden. An der Einstrahlfläche 5a kann somit mehr Pumpstrahlung 4 eingekoppelt werden, an der Abstrahlfläche 5b mehr Konversionsstrahlung 6 ausgekoppelt.
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Die 5a-i zeigen jeweils ein Konversionselement 5 in Aufsicht, wobei zunächst die vorstehend genannte Überwachungsstruktur 50 zu erkennen ist. Dabei handelt es sich um eine umlaufende Leiterbahn, die ein Brechen bzw. Reißen oder Abfallen des Konversionselements 5 anzeigen kann, vgl. die Beschreibungseinleitung im Einzelnen. Gezeigt ist jeweils eine Aufsicht auf die Abstrahlfläche 5b, wobei sich die 5a-i dann im Einzelnen in der Anordnung bzw. Ausgestaltung der Auskoppelstrukturen 51 unterscheiden. Diese können ringförmig (5a) bzw. unterbrochen (5b) oder kreisförmig (5c) vorgesehen sein, es sind aber auch beliebig andere Muster bzw. geometrische Formen möglich (5d-g). Die Auskoppelstrukturen können insbesondere auch in Teilbereiche 51a,b untergliedert sein (5h,i), die sich in den Auskoppeleigenschaften unterscheiden, also bspw. in der Rauigkeit. Alternativ bzw. auch zusätzlich zu einer Oberflächenstrukturierung ist auch eine Beschichtung mit Nanopartikeln möglich, auch insoweit wird ausdrücklich auf die Angaben in der Beschreibungseinleitung verwiesen. Die Auskoppelstrukturen 51a, 51b können bspw. so ausgelegt werden, dass sich aufgrund der dann erhöhten Auskoppeleffizienz eine andere Winkelverteilung der emittierten Strahlung ergibt, womit eine örtliche Intensitätsvariation und/oder eine örtliche spektrale Zusammensetzung des Nutzlichts verändert bzw. eingestellt und mittels einer Sekundäroptik (Reflektor, Linse) auf die Nutzfläche (Straße, Raum) projiziert werden kann.
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6 zeigt eine schematische Aufsicht auf das Konversionselement 5 zur Veranschaulichung der Anpassung des Pumpstrahlungs-Spots 60 mittels der Reflexion an der Innenwandfläche 8a des Trägers 8. Zur Illustration ist auch ein Querschnitt 61 gezeigt, den das Strahlenbündel 4 dem Träger 8 vorgelagert hat. Aufgrund der unterschiedlichen Divergenz auf den beiden Achsen ist dieser Querschnitt 61 verzerrt. Mit der Reflexion an der Innenwandfläche 8a, und zwar in der Schnittebene der fast axis (größerer Öffnungswinkel), wird diese Verzerrung zumindest verringert, der Pumpstrahlungs-Spot ist im Idealfall näherungsweise kreisförmig.
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7 zeigt die Bestrahlungseinheit 1 in einer Aufsicht, und zwar bezogen auf 1 von rechts auf den Träger 8 blickend. Dabei ist einerseits das auf dem Träger 8 montierte Konversionselement 5 mit der Überwachungsstruktur 50 zu erkennen. Diese ist über Bonddrähte 70a,b mit den Anschlusspins 14ba,bb verbunden, die sich durch Durchgangslöcher im Träger 8 hindurch erstrecken, vgl. auch 1 zur Illustration.
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8 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Bestrahlungseinheit 1, wobei an dem Träger 8 ein Reflektor 80 angeordnet ist. Dieser ist vorliegend in einem Schnitt gezeigt, in der Praxis bildet dieser bspw. eine ellipsoidale oder paraboloide Reflexionsfläche 80a. An dieser wird die an der Abstrahlfläche 5b des Konversionselements 5 abgegebene Konversionsstrahlung 6 (in Mischung mit der anteilig nicht konvertierten Pumpstrahlung 4) reflektiert und geformt. Mit einer ellipsoidalen Reflexionsfläche 80a kann bspw. eine Bündelung erreicht werden, mit einer paraboloiden Reflexionsfläche 80a eine Kollimation. In beiden Fällen liegt dazu ein Brennpunkt 80aa der Reflexionsfläche 80a in der Abstrahlfläche 5b des Konversionselements 5. Der Reflektor 80 wird bevorzugt stoffschlüssig mit dem Träger 8 verbunden, bspw. aufgelötet.
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9 zeigt einen Ausschnitt einer Bestrahlungseinheit 1, bei welcher die Pumpstrahlungsquelle 2 versetzbar gelagert ist, und zwar senkrecht zur Mittenachse 3a des Strahlenbündels 3. Dazu kann der Halbleiter-Chip bspw. auf einem Piezoelement montiert werden, siehe die Beschreibungseinleitung im Einzelnen. Es gibt jedenfalls unterschiedliche Versatzpositionen, die sich in der Anordnung bzw. auch Form des Pumpstrahlungs-Spots 60 unterscheiden. In der ersten Position fällt jedenfalls in dieser Schnittebene die gesamte Pumpstrahlung 4 direkt auf die Einstrahlfläche 5a, in der zweiten Versatzposition (strichlierte Linie) wird die Pumpstrahlung 4 anteilig auch an der Innenwandfläche 8a reflektiert.
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Die 10a-d zeigen jeweils den Gehäuseboden 13 in einer Aufsicht (in der Anordnung gemäß 1 von rechts darauf blickend). Aus diesen Figuren ist zu erkennen, dass die Anschlusspins 14 unterschiedlich angeordnet werden können, bspw. auch in Abhängigkeit von den Anforderungen anwendungsseitig, also bspw. den Anschlussmöglichkeiten auf einer Platine, mit welcher mehrere Bestrahlungseinheiten 1 zu einem Modul kombiniert werden können. Die Anschlusspins 14 können in einer Reihe (10a) oder in einer Rechteck- (10b) bzw. Trapezform ( 10d) oder auch in einer beliebig anderen Form angeordnet werden (10c). In Abhängigkeit von der Anordnung der Anschlusspins 14 kann dann auch die Form des Kühlkörpers 10 bedarfsweise angepasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bestrahlungseinheit
- 2
- Pumpstrahlungsquelle
- 2a
- Emissionsfläche
- 3
- Strahlenbündel
- 3a
- Mittenachse
- 4
- Pumpstrahlung
- 5
- Konversionselement
- 5a
- Einstrahlfläche
- 5b
- Abstrahlfläche
- 6
- Konversionsstrahlung
- 7
- Spiegel (wellenlängenabhängig)
- 8
- Träger
- 8a
- Innenwandfläche
- 9
- Unterbrechung
- 10
- Kühlkörper
- 11
- Submount
- 12
- Lot (Kühlkörper/Träger)
- 31
- Richtung (zu Einstrahlfläche hin)
- 35
- Lot (Konversionselement/Träger)
- 13
- Gehäuseboden
- 14
- Anschlusspins
- 14aa
- Anschlusspin
- 14ab
- Anschlusspin
- 14ba
- Anschlusspin
- 14bb
- Anschlusspin
- 15
- Bonddrähte
- 15aa
- Bonddraht
- 15ab
- Bonddraht
- 30a
- Abschnitt (in dem sich Innenwandfläche verjüngt)
- 30b
- Weiterer Abschnitt
- 50
- Überwachungsstruktur
- 51
- Auskoppelstrukturen
- 51a,b
- Teilbereiche
- 60
- Pumpstrahlungs-Spot
- 61
- Querschnitt
- 80
- Reflektor
- 80a
- Reflexionsfläche
- 80aa
- Brennpunkt
