DE10220583B4 - Optoelektronisches Bauelement - Google Patents

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Abstract

Optoelektronisches Bauelement
mit einem Trägerkörper (1), auf dem ein optoelektronischer Sender und/oder Empfänger (2) angeordnet ist,
mit einer den Sender und/oder Empfänger (2) verkapselnden strahlungsdurchlässigen Umhüllung (3),
wobei auf der Umhüllung (3) eine strahlungsdurchlässige Deckschicht (4) aufgebracht ist und
der Brechungsindex der Deckschicht (4) zwischen dem Brechungsindex eines Umgebungsmediums des optoelektronischen Bauelements und dem der Umhüllung (3) liegt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Deckschicht (4) so auf der Umhüllung (3) aufgebracht ist, dass einige Bereiche der Oberfläche der Umhüllung (3) mit der Deckschicht (4) bedeckt sind und einige Bereiche nicht bedeckt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein solches Bauelement ist beispielsweise aus dem Artikel von Frank Möllmer und Günter Waitl (in Siemens Components 29 (1991) Heft 4 Seite 147–149) bekannt. Dort ist eine oberflächenmontierbare (SMT) LED beschrieben und abgebildet. Der optoelektronische Sender und/oder Empfänger ist in einer Ausnehmung in dem Trägerkörper montiert und mit einer optisch angepaßten strahlungsdurchlässigen Umhüllung verkapselt. Materialien und Gestaltung der Ausnehmung dienen zur Verbesserung der Lichtauskopplung durch Reflexionen. Für die Umhüllung wird eine strahlungsdurchlässige Vergußmasse verwendet, die optisch und auf das Trägerkörpermaterial abgestimmt ist. Eine andere bekannte Bauform von LED-Bauelementen ist die sogenannte Radial-LED, die auch in dem oben genannten Artikel erwähnt ist.
  • Aus der DE 19755734 A1 ist ein Bauelement der oben genannten Art mit einer über der Umhüllung angeordneten optischen Linse bekannt. Mit Hilfe der Linse wird der Lichteinfall bzw. die Lichtabstrahlung des Bauelementes eingestellt.
  • Nachteilig an dieser Art von Bauelementen sind die erheblichen Lichtauskopplungsverluste durch Reflexion an der Grenzfläche zwischen einem Umgebungsmedium des Bauelements (übli cherweise Luft) und der für die Umhüllung verwendeten Vergußmasse. Diese Auskopplungsverluste werden wesentlich durch den Sprung im Brechungsindex am Übergang von der Vergußmasse auf das Umgebungsmedium verursacht.
  • Die DE 198 30 751 A1 beschreibt eine LED mit einer lichtdurchlässigen Kapselung, die auf der Oberfläche facettiert strukturiert ist. Durch die Facettierung wird eine Phasenversetzung des gebrochenen Lichts an der Oberfläche bewirkt.
  • Die Druckschrift JP 2000-004 050 A offenbart einen lichtemittierenden Körper, der sphärische oder polygonale Erhebungen oder Vertiefungen an seiner Oberfläche aufweist, so dass das emittierte Licht in alle Richtungen gestreut wird.
  • Bisher wird das Problem dadurch vermindert, dass die Umhüllung als eine Schichtenfolge ausgebildet ist, deren Brechungsindex stufenweise mit jeder Schicht oder kontinuierlich von der Lichtquelle nach außen abnimmt. Solche Umhüllungen sind aus der JP 61-096780 A und der JP 2001-203392 A bekannt.
  • Die EP 1 174 931 A2 beschreibt eine LED, bei der ein Halbleiterkörper mit einer ersten Schicht umhüllt ist und zumindest auf der ersten Schicht eine dünne zweite Schicht aufgebracht ist, die Partikel zur Lichtstreuung enthält und die mehrere durch die Partikel entstandene Auswölbungen auf der Oberfläche aufweist. Nachteilig an dieser Art von LED ist das aufwändige Verfahren zur Herstellung der zweiten Schicht. Gemäß den Ausführungen in dieser Druckschrift muss dabei auf die Dicke der zweiten Schicht sehr genau geachtet werden, weil eine zu dicke zweite Schicht nur sehr flache Auswölbungen aufweise, was wiederum eine Verringerung in der Lichtauskopplungs-Effizienz bedeute. Anderseits werde die Haftung der Partikel auf bzw. in der zweiten Schicht erheblich beeinträchtigt, wenn die zweite Schicht zu dünn aufgebracht wird.
  • Bisher sind keine Maßnahmen bekannt, die die Lichtauskopplung an dieser Stelle verbessern und die massenfertigungstechnisch sinnvoll sind.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optoelektronisches Bauelement der eingangs genannten Art zu entwickeln, das eine verbesserte Lichtausbeute aufweist und das ohne großen technischen Aufwand reproduzierbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Ansprüchen 2 bis 15 hervor.
  • Ein optoelektronisches Bauelement gemäß der Erfindung weist eine strahlungsdurchlässige Deckschicht auf der Umhüllung des Bauelements auf, deren Brechungsindex zwischen dem Brechungsindex eines Umgebungsmediums und dem der Umhüllung liegt.
  • Das Aufbringen einer solchen Deckschicht auf der Umhüllung führt dazu, dass der Sprung zwischen den Brechungsindices an der Grenzfläche Deckschicht/Umgebungsmedium sowie an der Grenzfläche Vergußmasse/Deckschicht verkleinert ist. Dies führt zu einer Verkleinerung des Brechungsindexgradienten des Übergangs Vergußmasse/Umgebungsmedium und verbessert die Lichtauskopplung und damit die Energieeffizienz des Bauelements.
  • Die Deckschicht ist dabei so auf der Umhüllung aufgebracht, dass einige Bereiche der Oberfläche der Umhüllung mit der Deckschicht bedeckt sind und einige Bereiche nicht bedeckt sind. Damit lassen sich spezielle Leuchtbilder und Abstrahlcharakteristiken erzeugen.
  • Vorzugsweise wird als Deckschicht ein Material mit einem Brechungsindex zwischen 1,0 und 1,55 eingesetzt. Dies entspricht den üblichen Anwendungsbedingungen mit Luft als Umgebungsmedium (Brechungsindex 1,0) und Epoxidharz als Vergußmasse (Brechungsindex 1,55).
  • Eine bevorzugte Ausführungsform ist die Verwendung einer dünnen Deckschicht aus Teflon®, das heißt Polytetrafluorethylen, und/oder Silikon oder aus einem Material, das auf Teflon® und/oder Silikon basiert, d.h. dessen Eigenschaften wesentlich von Teflon® und/oder Silikon bestimmt oder mitbestimmt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die Deckschicht durch eine Schichtenfolge ersetzt. Die Brechungsindices jeder Schicht der Schichtenfolge sind so abgestuft, dass die an der Umhüllung liegende Schicht den größten Brechungsindex hat und die mit dem Umgebungsmedium in Kontakt stehende Schicht den kleinsten Brechungsindex hat, wobei die Schichten so dünn sein können, dass ein quasi-glatter Brechungsindexübergang erzeugt ist.
  • Vorteilhafterweise ist die Deckschicht zusätzlich dreidimensional strukturiert, um die Ein- und Auskopplung des Lichtes an der Grenzfläche zwischen Deckschicht und Umgebung zu verbessern. Eine solche strukturierte Oberfläche kann die Lichtausbeute um ungefähr 5 bis 10% erhöhen.
    •
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 bis 3 näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelements,
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelements und
  • 3 eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Bauelements.
  • Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Ein Trägerkörper 1 des in 1 dargestellten Bauelements weist in der Mitte eine Ausnehmung auf, in der der optische Sender oder/und Empfänger 2, beispielsweise ein LED-Chip, angeordnet und mit einem Leiterband 5 elektrisch verbunden ist. Die Ausnehmung ist befüllt mit einer strahlungsdurchlässigen Vergußmasse 3. Auf dieser Vergußmasse ist eine dünne Deckschicht 4 aufgebracht, die zur Verkleinerung des Brechungsindexgradienten beim Übergang von Deckschicht 4 zu Umgebungsmedium 6 dient. Die Deckschicht besteht beispielsweise aus Teflon® oder Silikon und die Vergußmasse ist beispielsweise ein strahlungsdurchlässiges Epoxidharz. Der Trägerkörper ist beispielsweise aus Thermoplastmaterial gefertigt.
  • Vorzugsweise ist der Rand der Deckschicht 4 oder die gesamte von der Vergußmasse abgewandte Oberfläche der Deckschicht 4 gekrümmt.
  • Das Ausführungsbeispiel nach 1 zeigt eine Deckschicht 4, die lediglich auf den Randbereichen der Umhüllung 3 aufgebracht wird. Durch die stärkere Fokussierung des abgestrahlten Lichtes am Rand des Bauelements wird ein räumlich homogeneres Leuchtbild erhalten. Beispielsweise stellt diese Deckschicht 4 eine ringförmige Schicht dar, sie kann aber auch andere Formen aufweisen. Ebenso kann diese Deckschicht zusätzlich dreidimensional strukturiert sein.
  • Die Deckschicht 4, 4' des in 2 dargestellten Bauelements besteht aus mehreren voneinander abgetrennten Teilen, die unterschiedliche Brechungsindices aufweisen. Die Deckschicht 4 ist beispielsweise eine ringförmige Schicht, die am Rand der Umhüllung aufgebracht ist und einen Brechungsindex n2 hat. Die Deckschicht 4' ist beispielsweise auch eine ringförmige Schicht, die sich innerhalb der ersten ringförmigen Schicht befindet und einen Brechungsindex n3 hat. Der Brechungsindex der Umhüllung n1 ist größer als die Brechungsindices n2 und n3. Um einen Fresnel-Linsen-Effekt zu erreichen, können die Brechungsindices der Umhüllung und Deckschicht so ausgesucht werden, dass n1>n2>n3>n4 gilt, wobei n4 den Brechungsindex der Umgebung darstellt. Es können auch mehr als zwei ringförmige Deckschichten vorgesehen sein.
  • Die Deckschicht 4 des in 2 dargestellten Bauelements weist an der Oberseite eine oder mehrere dreidimensionale Struktureinheiten, hier wabenförmige Struktureinheiten, auf. Diese Struktureinheiten können beispielsweise wabenförmig, gerippt, kegelstumpfförmig oder gitterartig sein, sind aber nicht auf diese Formen eingeschränkt. Andere Formen sind auch denkbar.
  • Das in 3 dargestellte Bauelement weist eine Deckschicht 4 auf, die lediglich auf den mittleren Bereichen der Umhüllung 3 aufgebracht ist. Dies erzeugt eine stärkere Fokussierung des Lichtes in der Mitte. Beispielsweise ist diese Deckschicht 4 kreisförmig.

Claims (15)

  1. Optoelektronisches Bauelement mit einem Trägerkörper (1), auf dem ein optoelektronischer Sender und/oder Empfänger (2) angeordnet ist, mit einer den Sender und/oder Empfänger (2) verkapselnden strahlungsdurchlässigen Umhüllung (3), wobei auf der Umhüllung (3) eine strahlungsdurchlässige Deckschicht (4) aufgebracht ist und der Brechungsindex der Deckschicht (4) zwischen dem Brechungsindex eines Umgebungsmediums des optoelektronischen Bauelements und dem der Umhüllung (3) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (4) so auf der Umhüllung (3) aufgebracht ist, dass einige Bereiche der Oberfläche der Umhüllung (3) mit der Deckschicht (4) bedeckt sind und einige Bereiche nicht bedeckt sind.
  2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Deckschicht (4) lediglich auf den Randbereichen der Umhüllung (3) aufgebracht ist.
  3. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Deckschicht (4) auf dem Mittelbereich der Umhüllung (3) aufgebracht ist und einen Randbereich der Umhüllung (3) freiläßt.
  4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Deckschicht (4) eine oder mehrere ineinander liegende ringförmige Schichten aufweist.
  5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Deckschicht (4) Bereiche mit unterschiedlichen Brechungsindices aufweist.
  6. Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Brechungsindex der Deckschicht (4) zwischen 1,0 und 1,55 liegt.
  7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Deckschicht (4) aus Silikon, einem Material auf Silikon-Basis, Polytetrafluorethylen und/oder einem Material auf Basis von Polytetrafluorethylen besteht.
  8. Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Deckschicht (4) durch eine Schichtenfolge mit einer Mehrzahl von Schichten gebildet ist, die unterschiedliche Brechungsindices aufweisen.
  9. Bauelement nach Anspruch 8, bei dem die Brechungsindices jeder Schicht der Schichtenfolge abgestuft sind, wobei die an der Umhüllung (3) liegende Schicht den größten Brechungsindex hat und die mit dem Umgebungsmedium in Kontakt stehende Schicht den kleinsten Brechungsindex hat.
  10. Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Randbereich oder die gesamte von der Vergußmasse abgewandte Oberfläche der Deckschicht (4) gekrümmt ist.
  11. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Deckschicht (4) dreidimensional strukturiert ist und mehrere dreidimensionale Struktureinheiten (7) aufweist.
  12. Bauelement nach dem Anspruche 11, bei dem die Struktureinheiten (7) gitterförmig sind.
  13. Bauelement nach dem Anspruch 11, bei dem die Struktureinheiten (7) wabenförmig sind.
  14. Bauelement nach dem Anspruch 11, bei dem die Struktureinheiten (7) gerippt sind.
  15. Bauelement nach dem Anspruch 11, bei dem die Struktureinheiten (7) kegelstumpfförmig sind.
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