EP2067180A2 - Optisches element, strahlungsemittierendes bauelement und verfahren zur herstellung eines optischen elements - Google Patents

Optisches element, strahlungsemittierendes bauelement und verfahren zur herstellung eines optischen elements

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Publication number
EP2067180A2
EP2067180A2 EP07817578A EP07817578A EP2067180A2 EP 2067180 A2 EP2067180 A2 EP 2067180A2 EP 07817578 A EP07817578 A EP 07817578A EP 07817578 A EP07817578 A EP 07817578A EP 2067180 A2 EP2067180 A2 EP 2067180A2
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EP
European Patent Office
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optical element
radiation
base body
base
emitting component
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07817578A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan GRÖTSCH
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Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors GmbH filed Critical Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • H01L33/54—Encapsulations having a particular shape

Definitions

  • the invention relates to an optical element and a radiation-emitting component which has an optical element. Furthermore, the invention relates to a method for producing an optical element.
  • the published patent application DE 199 45 675 A1 discloses a surface-mountable LED housing in which an LED chip is arranged. The chip is followed by a lens containing a thermoplastic material.
  • thermal stress which occurs, for example, during a soldering process, involves the risk of deformation of the lens and, moreover, the risk of clouding of the lens. These influences can adversely affect the optical properties of the lens.
  • a further object of the present invention is to provide a radiation-emitting component which, despite thermal stresses, has comparatively stable optical properties. This object is achieved by a radiation-emitting component according to claim 19.
  • Another object is to provide a method by which the optical element can be easily manufactured. This object is achieved by a method according to claim 29.
  • An optical element according to the invention has a base body which contains a base material and a filler body which contains a filler material, wherein the filler body adheres to the base body.
  • the optical element is provided for shaping radiation.
  • the optical element may be an imaging optic.
  • the main body forms an outer region of the optical element, while the filler body forms an inner region of the optical element.
  • the base material is different from the filler. This has the advantage of being dependent on the different requirements made of the main body and the filler are placed, a suitable material can be used.
  • the base body has a cavity, which is filled with the filling material, wherein the shape of the filling body is determined by the cavity.
  • the base body and filler are irreversibly miteinader connected.
  • the optical element has two regions which can differ in their optical properties.
  • the base body has the shape of a rotation body.
  • the filler body may also have the shape of a rotational body.
  • a contour of the optical element may be approximately dome-like.
  • the contour of the basic body can thereby at least partially resemble a spherical or elliptical segment.
  • the base body may be shaped approximately in the manner of a spherical shell segment.
  • the base body may have the shape of a hemispherical shell with an opening region for filling the base body with filling material.
  • the filler then has approximately the shape of a hemisphere inside.
  • the shape of the filling body can approximately correspond to an inverted truncated cone, which is surrounded in a ring-like manner by the basic body.
  • the filler body and the base body have a common axis of symmetry.
  • the opening region preferably also has this axis of symmetry.
  • the opening area forms together with a Opening area surrounding surface of the body a radiation passage area of the optical element.
  • the radiation passage area may have a concavely curved or flat partial area and a convexly curved partial area surrounding the concavely curved partial area at a distance from the optical axis, the optical axis extending through the concavely curved partial area.
  • the opening area may be concavely curved and the surrounding surface convexly curved.
  • the filling material is permeable to the radiation to be formed. This has the advantage that the radiation can pass through the filling body and the filling body can thus contribute to beam shaping.
  • the filler material contains transparent potting compounds or resins.
  • the filling material may contain a silicone material.
  • a silicone gel can be used which proves to be advantageous in terms of cycle stability, heating in the soldering process, aging stability and radiation resistance, especially under thermal or mechanical loads. Under the action of heat, the opening area allows expansion of the filling material. Since the main body forms the optically more critical region of the optical element, a deformation of the filler leads to a negligible change in the optical properties of the optical element.
  • Further suitable filling materials are, for example, hybrid materials such as, for example, mixtures of epoxy resins and silicone resins, since they have the advantages of shorter curing times and better mold release properties over silicone resins and the advantage of increased UV stability over epoxy resins.
  • the base material for the radiation to be formed is permeable.
  • the radiation can pass through the body and the body can thus contribute to the beam shaping.
  • the base material may contain glass.
  • a glass material is used which is stable at temperatures greater than 300 0 C, that is, at these temperatures neither material changes, such as cloudiness or discoloration, nor deformations are to be feared. These temperatures can be several hours.
  • the base material may contain a plastic material.
  • the base material is a thermoplastic.
  • thermoplastics for example, polycarbonates (PC) or polymethacrylmethylimides (PMMI) are suitable.
  • the optical element according to the invention may be a refractive, diffractive or dispersive element.
  • the optical element which is part of a radiation-emitting semiconductor component, for example, at temperatures between 200 0 C and 300 ° C solderable. In this temperature range are neither material changes, such as cloudiness or discoloration, nor deformation to fear. Typically, these temperatures occur for a few minutes.
  • An inventive radiation-emitting component has an optical element as described so far and at least one radiation-emitting semiconductor body which is embedded in the filler.
  • an optical effect but also a protective effect for the semiconductor body can be achieved by means of the filling body.
  • the filler can serve as a potting.
  • the semiconductor body has a semiconductor material based on nitride compound semiconductors.
  • nitride compound semiconductors in the present context means that the active epitaxial layer sequence or at least one layer thereof comprises a nitride III / V compound semiconductor material, preferably AlnGamInx-n-mN, where O ⁇ n ⁇ 1.0 ⁇ ra ⁇ 1 and n + m ⁇ 1.
  • this material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula, but rather it may have one or more dopants as well as additional constituents which have the characteristic physical properties of Al n Ga m Ini_ n - m
  • the above formula contains only the essential components of the crystal lattice (Al, Ga, In, N), even though these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the refractive index of the filling material is based on the refractive indices of the base material and further the Semiconductor material adapted.
  • the filler has a refractive index of 1.3 to 1.7.
  • the semiconductor body is a thin-film light-emitting diode chip.
  • a thin-film light-emitting diode chip is characterized in particular by at least one of the following characteristic features:
  • a reflective layer is applied or formed which reflects back at least part of the electromagnetic radiation generated in the epitaxial layer sequence;
  • the epitaxial layer sequence has a thickness in the range of 20 microns or less, in particular in the range of 10 microns;
  • the epitaxial layer sequence contains at least one semiconductor layer with at least one surface which has a mixing structure which ideally leads to an approximately ergodic distribution of the light in the epitaxial epitaxial layer sequence, i. it has as ergodically stochastic scattering behavior as possible.
  • the radiation-emitting semiconductor body is arranged on a support.
  • the carrier may be a plate containing about a ceramic material.
  • the carrier may have electrical connection regions for the power supply of the semiconductor body.
  • the contour of the base body may comprise two mutually facing "S ⁇ same, which means that the contour line includes two inflection points. Only one edge-side end of the main body rests on the carrier, while the rest of the main body rises above the carrier.
  • the contour of the main body can be identical to two circle segments facing one another, in particular two quarter circles.
  • the basic body is connected by means of the filling material with the carrier.
  • the main body adheres to the carrier by means of the filling material.
  • an adhesive or the application of an adhesive can be saved.
  • the base body has on a side facing the carrier at least one protruding fastening element for fastening the optical element.
  • the fastening element may be formed, for example, in the manner of a pin.
  • the fastening element can serve for anchoring the optical element in the carrier or a further element downstream of the carrier, for example a heat sink.
  • the carrier or the further element has a suitable insertion device for the mechanical anchoring of the fastening element.
  • a spacer can be arranged between the optical element and the carrier, which preferably surrounds the semiconductor body in a ring-like manner.
  • the spacer may prevent excessive heating of the optical element.
  • the ring-like spacer can serve as a filling frame for embedding the semiconductor body in filling material.
  • a heat sink is provided as a further element, which serves for the removal of heat from the component and contains, for example, Al. This reduces the risk of deformations or material changes of the optical element and thus the risk of impairment of the optical properties such as radiation characteristics or coupling-out efficiency.
  • the radiation-emitting component preferably has an SMT (Surface Mounted Technology) design. This allows a comparatively simple installation of the device.
  • SMT Surface Mounted Technology
  • the component has at least three semiconductor bodies, which respectively emit red, green and blue light.
  • the generated light can be mixed by means of the optical element.
  • the radiation-emitting device according to the invention is suitable for backlighting and illumination purposes.
  • the optical element according to the invention can be produced in a simple manner.
  • the base body is initially formed, which has a fillable cavity.
  • the filler material containing, for example, a gel can be filled by means of an opening portion of the base body, whereby the filler body is formed.
  • the main body by means of a
  • Deep drawing process can be molded from a glass material.
  • the optical properties of the optically critical body can be substantially maintained by the thermal stability of the glass material even with strong heat.
  • the main body can be produced by means of an injection molding or transfer molding process from a plastic material.
  • the base body may be made of a thermoplastic material, while the filler body is formed of a silicone material.
  • the filling material When heated, the filling material can advantageously expand in the direction of the opening area.
  • the already manufactured basic body is applied to the carrier.
  • the size of the opening region can be adapted to the number of semiconductor bodies to be mounted in this way be that an assembly of the semiconductor body through the opening area is possible therethrough.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a first exemplary embodiment of a radiation-emitting component according to the invention
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a second embodiment of a radiation-emitting device according to the invention.
  • Radiation-emitting component 10 an optical element 1 and two radiation-emitting semiconductor body 4 are shown in cross-section.
  • the semiconductor bodies 4 are embedded in a filling body 3 which has a filling material 7.
  • the filler 3 is only partially surrounded by a base body 2.
  • the main body 2 has an opening region 6.
  • the opening region 6 serves for filling the main body 2 with the filling material 7, which is preferably gel-like during the filling.
  • the main body 2 is dimensionally stable.
  • the main body 2 and the carrier 5 define a cavity which is filled with the filling material 7. As a result, the filling body 3 is formed.
  • the filler 3 is permeable to radiation generated by the semiconductor bodies 4.
  • the filling material 7, which is arranged between the base body 2 and the carrier 5, in this embodiment has adhesion and can thus serve as an adhesive, which holds the base body 2 and the optical element 1 and the carrier 5 together.
  • the filler 7 contains a silicone gel.
  • a radiation passage area of the optical element 10 is composed of a surface of the base body 2 surrounding the opening area 6 and a surface of the filler body 3 arranged within the opening area 6.
  • the base body 2 has in this embodiment a glass material and can be produced by means of a deep-drawing process.
  • the glass material is particularly suitable for the optically critical region, since it is dimensionally stable even at temperatures greater than 300 ° C. These temperatures can occur in the manufacture and assembly of the radiation-emitting component 10 up to several hours.
  • the carrier 5 is a plate, which preferably has a ceramic material with advantageous thermal properties for sufficient cooling of the component 10.
  • the optical element 10 dome-like.
  • the contour of the main body 2 is equal to two mutually facing "S", which means that the contour line has two points of inflection, with only one edge-side end of the main body 2 touching the carrier 5.
  • the carrier 5 may have 4 electrical connection areas for powering the semiconductor body, with which the semiconductor body 4 are electrically connected.
  • the filler body 3 according to this embodiment has a protective effect, and thus can serve as a potting for the semiconductor body 4.
  • FIG. 2 shows a radiation-emitting component 10 with a carrier 5 and an optical element 1, which has fastening elements 11 on a side facing the carrier 5. These are provided for anchoring the optical element 1 in a further element 9.
  • the further element 9 has recesses into which the pin-like shaped fastening elements 11 engage.
  • the fastening elements 11 are integrally formed with the base body 2. The production can be carried out for example by means of injection molding, wherein the base body 2 and the fastening elements 11 are preferably made of a thermoplastic material.
  • thermoplastic material is easier to deform when heated compared to the glass material
  • Radiation-emitting device 10 for dissipating heat with advantage to a heat sink.
  • the further element 9, on which the carrier 5 is arranged is a heat sink.
  • the heat sink can be a plate which preferably contains a metal, for example Al.
  • the optical element 1 may be spaced from the carrier 5 by means of a spacer 12.
  • the optical element 1 can rest on the support 5, in which case the base body 2 surrounds the semiconductor body 4 on the peripheral side.
  • the spacer 12 is filled with the filling material 7 as well as a cavity bounded on the inside by the base body 2.
  • the filler 7 may contain a silicone gel.
  • a protective effect for the semiconductor bodies 4 can be achieved by means of the filling body 3 in which the semiconductor bodies 4 are arranged.
  • the refractive index of the filling material 7 is preferably matched to the refractive index of the base material 13 and to the refractive index of the semiconductor material used for the semiconductor bodies 4.
  • the filling body 3 can extend upward through the opening region 6.

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Abstract

Es wird ein optisches Element (1) mit einem Grundkörper (2), der ein Grundmaterial (13) enthält, und einem Füllkörper (3), der ein Füllmaterial (7) enthält, beschrieben, wobei der Füllkörper an dem Grundkörper (2) haftet. Desweiteren werden ein strahlungsemittierendes Bauelement (10) und ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements (1) beschrieben.

Description

Beschreibung
Optisches Element, Strahlungsemittierendes Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements
Die Erfindung betrifft ein optisches Element und ein Strahlungsemittierendes Bauelement, das ein optisches Element aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102006046301.3, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Aus der Offenlegungsschrift DE 199 45 675 Al ist ein oberflächenmontierbares LED-Gehäuse bekannt, in dem ein LED- Chip angeordnet ist. Dem Chip ist eine Linse nachgeordnet, die ein thermoplastisches Material enthält.
Bei einem thermoplastischen Material besteht bei thermischer Belastung, die beispielsweise während eines Lötvorgangs auftritt, die Gefahr einer Verformung der Linse und darüber hinaus die Gefahr einer Trübung der Linse. Diese Einflüsse können die optischen Eigenschaften der Linse negativ beeinflussen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Element anzugeben, das trotz thermischer Belastungen vergleichsweise stabile optische Eigenschaften aufweist. Diese Aufgabe wird durch ein optisches Element gemäß Patentanspruch 1 gelöst . Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Strahlungsemittierendes Bauelement anzugeben, das trotz thermischer Belastungen vergleichsweise stabile optische Eigenschaften aufweist. Diese Aufgabe wird durch ein Strahlungsemittierendes Bauelement gemäß Patentanspruch 19 gelöst .
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem das optische Element auf einfache Weise hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 29 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des optischen Elements und des Strahlungsemittierenden Bauelements sowie vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes optisches Element weist einen Grundkörper auf, der ein Grundmaterial enthält, und einen Füllkörper, der ein Füllmaterial enthält, wobei der Füllkörper an dem Grundkörper haftet.
Bevorzugterweise ist das optische Element zur Formung von Strahlung vorgesehen. Beispielsweise kann das optische Element eine abbildende Optik sein.
Besonders bevorzugt bildet der Grundkörper einen Außenbereich des optischen Elements, während der Füllkörper einen Innenbereich des optischen Elements bildet.
Weiter bevorzugt unterscheidet sich das Grundmaterial von dem Füllmaterial. Dies hat den Vorteil, dass abhängig von den unterschiedlichen Anforderungen, die an den Grundkörper und den Füllkörper gestellt werden, ein geeignetes Material verwendet werden kann.
Bei einer besonderen Variante des optischen Elements weist der Grundkörper einen Hohlraum auf, der mit dem Füllmaterial befüllt ist, wobei die Form des Füllkörpers durch den Hohlraum bestimmt ist. Vorteilhafterweise ist es mittels Befüllung des Grundkörpers möglich, ein optisches Element zu schaffen, dessen Grundkörper und Füllkörper irreversibel miteinader verbunden sind. Das optische Element weist mittels des Grund- und Füllkörpers zwei Bereiche auf, die sich durch ihre optischen Eigeschaften unterscheiden können.
Bei einer bevorzugten Variante des optischen Elements weist der Grundkörper die Form eines Rotationskörpers auf . Insbesondere kann auch der Füllkörper die Form eines Rotationskörpers aufweisen. Beispielsweise kann eine Kontur des optischen Elements annähernd kuppelartig sein. Die Kontur des Grundkörpers kann dabei zumindest abschnittsweise einem Kugel- oder Ellipsensegment gleichen. Beispielsweise kann der Grundkörper etwa nach Art eines Kugelschalensegments geformt sein. Insbesondere kann der Grundkörper die Form einer Halbkugelschale mit einem Öffnungsbereich zur Befüllung des Grundkörpers mit Füllmaterial aufweisen. Der Füllkörper hat dann etwa die Form eines Halbkugelinneren. Alternativ kann die Form des Füllkörpers annähernd einem umgekehrten Kegelstumpf entsprechen, der von dem Grundkörper ringartig umgeben ist .
Insbesondere weisen der Füllkörper und der Grundkörper eine gemeinsame Symmetrieachse auf . Vorzugsweise weist auch der Öffnungsbereich diese Symmetrieachse auf. Besonders bevorzugt bildet der Öffnungsbereich zusammen mit einer den Öffnungsbereich umgebenden Oberfläche des Grundkörpers eine Strahlungsdurchtrittsflache des optischen Elements .
Weiterhin kann die Strahlungsdurchtrittsflache einen konkav gekrümmten oder ebenen Teilbereich und einen den konkav gekrümmten Teilbereich in einem Abstand zur optischen Achse zumindest teilweise umgebenden, konvex gekrümmten Teilbereich aufweisen, wobei die optische Achse durch den konkav gekrümmten Teilbereich verläuft. Insbesondere kann der Öffnungsbereich konkav gekrümmt und die umgebende Oberfläche konvex gekrümmt sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Füllmaterial für die zu formende Strahlung durchlässig. Dies hat den Vorteil, dass die Strahlung durch den Füllkörper hindurchtreten und der Füllkörper so zur Strahlformung beitragen kann.
Vorzugsweise enthält das Füllmaterial transparente Vergussstoffe oder Harze. Beispielsweise kann das Füllmaterial ein Silikonmaterial enthalten. Weiterhin kann ein Silikongel verwendet werden, das sich im Bezug auf Zyklenbeständigkeit, Erwärmung beim Lötvorgang, Alterungsstabilität und Strahlungsbeständigkeit, insbesondere bei thermischen oder mechanischen Belastungen, als vorteilhaft erweist. Unter Wärmeeinwirkung erlaubt der Öffnungsbereich eine Ausdehnung des Füllmaterials. Da der Grundkörper den optisch kritischeren Bereich des optischen Elements bildet, führt eine Verformung des Füllkörpers zu einer vernachlässigbaren Änderung der optischen Eigenschaften des optischen Elements. Weitere geeigente Füllmaterialien sind beispielsweise Hybridmaterialien wie z.B. Mischungen aus Epoxidharzen und Silikonharzen, da sie gegenüber Silikonharzen die Vorteile kürzerer Aushärtezeiten und besserer Entformbarkeit aufweisen und gegenüber Epoxidharzen den Vorteil gesteigerter UV- Stabilität.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Grundmaterial für die zu formende Strahlung durchlässig. Somit kann die Strahlung durch den Grundkörper hindurchtreten und der Grundkörper kann so zur Strahlformung beitragen. Beispielsweise kann das Grundmaterial Glas enthalten. Vorzugsweise wird ein Glasmaterial verwendet, das bei Temperaturen größer 3000C beständig ist, das heißt, dass bei diesen Temperaturen weder Materialveränderugen, beispielsweise Trübungen oder Verfärbungen, noch Verformungen zu befürchten sind. Diese Temperaturen können mehrere Stunden vorherrschen.
Weiterhin kann das Grundmaterial ein Kunststoffmaterial enthalten. Vorzugsweise ist das Grundmaterial ein Thermoplast. Als Thermoplaste sind beispielsweise Polycarbonate (PC) oder Polymethacrylmethylimide (PMMI) geeignet .
Das optische Element gemäß der Erfindung kann ein refraktives, diffraktives oder dispersives Element sein.
Vorzugsweise ist das optische Element, das beispielsweise Teil eines Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements ist, bei Temperaturen zwischen 2000C und 300° C lötbar. In diesem Temperaturbereich sind weder Materialveränderugen, beispielsweise Trübungen oder Verfärbungen, noch Verformungen zu befürchten. Typischerweise treten diese Temperaturen wenige Minuten lang auf .
Ein erfindungsgemäßes Strahlungsemittierendes Bauelement weist ein optisches Element wie bisher beschrieben und mindestens einen Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper auf, der in den Füllkörper eingebettet ist.
Vorteilhafterweise kann mittels des Füllkörpers nicht nur eine optische Wirkung, sondern darüber hinaus eine Schutzwirkung für den Halbleiterkörper erzielt werden. Der Füllkörper kann als Verguss dienen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist der Halbleiterkörper ein auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierendes Halbleitermaterial auf. „Auf Nitrid- Verbindungshalbleitern basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie-Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid-III/V- Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamlnx-n-mN umfasst, wobei O ≤ n ≤ l, 0 < ra < 1 und n+m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIni_n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Vorzugsweise ist der Brechungsindex des Füllmaterials an die Brechungsindizes des Grundmaterials und weitergehend des Halbleitermaterials angepasst. Insbesondere weist das Füllmaterial einen Brechungsindex von 1.3 bis 1.7 auf.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Halbleiterkörper ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip. Ein Dünnfilm-Leuchtdioden- Chip zeichnet sich insbesondere durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale aus:
- an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche einer Strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;
- die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf; und
- die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al . , Appl . Phys . Lett . 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist in guter Näherung ein Lambert'scher Oberflächenstrahler und eignet sich von daher besonders gut für die Anwendung in einem Scheinwerfer. Zweckmäßigerweise ist bei dem erfindungsgemäßen Strahlungsemittierenden Bauelement der Strahlungsemittierende Halbleiterkörper auf einem Träger angeordnet. Beispielsweise kann der Träger eine Platte sein, die etwa ein Keramikmaterial enthält . Insbesondere kann der Träger elektrische Anschlussbereiche zur Stromversorgung des Halbleiterkörpers aufweisen.
Bei einer bevorzugten Variante des Strahlungsemittierenden Bauelements ist der Grundkörper auf den Träger aufgebracht. Beispielsweise kann die Kontur des Grundkörpers zwei einander zugewandten „SΛΛ gleichen, was heißt, dass die Konturlinie zwei Wendepunkte aufweist. Lediglich ein randseitiges Ende des Grundkörpers liegt dabei auf dem Träger auf, während sich der Restgrundkörper über dem Träger erhebt. Alternativ kann die Kontur des Grundkörpers zwei einander zugewandten Kreissegmenten, insbesondere zwei Viertelkreisen, gleichen.
Bei einer besonders bevorzugten Variante ist der Grundkörper mittels des Füllmaterials mit dem Träger verbunden. Insbesondere haftet der Grundkörper mittels des Füllmaterials auf dem Träger haftet. Vorteilhaftierweise kann hierdurch ein Haftmittel beziehungsweise das Aufbringen eines Haftmittels eingespart werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Grundkörper auf einer dem Träger zugewandten Seite mindestens ein hervorstehendes Befestigungselement zur Befestigung des optischen Elements auf. Das Befestigungselement kann beispielsweise nach Art eines Stiftes ausgebildet sein. Das Befestigungselement kann zur Verankerung des optischen Elements im Träger oder einem dem Träger nachgeordneten weiteren Element, beispielsweise einer Wärmesenke, dienen. Insbesondere weist der Träger beziehungsweise das weitere Element eine geeignete Einsteckvorrichtung zur mechanischen Verankerung des Befestigungselements auf .
Weiterhin kann zwischen dem optischen Element und dem Träger ein Abstandshalter angeordnet sein, der den Halbleiterkörper vorzugsweise ringartig umgibt. Der Abstandshalter kann eine übermäßige Erwärmung des optischen Elements verhindern. Gleichzeitig kann der ringartige Abstandshalter als Befüllrahmen zur Einbettung des Halbleiterkörpers in Füllmaterial dienen.
Vorzugsweise ist als weiteres Element eine Wärmesenke vorgesehen, die zum Abtransport von Wärme aus dem Bauelement dient und beispielsweise Al enthält. Dies reduziert die Gefahr von Verformungen oder Materialveränderungen des optischen Elements und damit die Gefahr der Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften wie Abstrahlcharakteristik oder Auskoppeleffizienz .
Das Strahlungsemittierende Bauelement besitzt vorzugsweise eine SMT (Surface Mounted Technologie) - Bauform. Dies ermöglicht eine vergleichsweise einfache Montage des Bauelements .
Es ist denkbar, dass das Bauelement zumindest drei Halbleiterkörper aufweist, die jeweils rotes, grünes und blaues Licht emittieren. Das erzeugte Licht kann mittels des optischen Elements gemischt werden. Das Strahlungsemittierende Bauelement gemäß der Erfindung ist für Hinterleuchtungs- und Beleuchtungszwecke geeignet.
Das erfindungsgemäße optische Element ist auf einfache Weise herstellbar. Vorzugsweise wird zunächst der Grundkörper geformt, der einen befüllbaren Hohlraum aufweist. In den Hohlraum kann das Füllmaterial, das beispielsweise ein Gel enthält, mittels eines Öffnungsbereichs des Grundkörpers eingefüllt werden, wodurch der Füllkörper gebildet wird.
Beispielsweise kann der Grundkörper mittels eines
Tiefziehverfahrens aus einem Glasmaterial abgeformt werden.
Vorteilhafterweise können die optischen Eigenschaften des optisch kritischen Grundkörpers durch die thermische Stabilität des Glasmaterials auch bei starker Wärmezufuhr im Wesentlichen gewahrt bleiben.
Weiterhin kann der Grundkörper mittels eines Spritzguss- oder Spritzpressverfahrens aus einem Kunststoffmaterial hergestellt werden. Beispielsweise kann der Grundkörper aus einem Thermoplastmaterial hergestellt werden, während der Füllkörper aus einem Silikonmaterial gebildet wird.
Bei Erwärmung kann sich das Füllmaterial vorteilhafterweise in Richtung des Öffnungsbereichs ausdehnen.
Gemäß einer bevorzugten Variante zur Herstellung des erfindungsgemäßen Strahlungsemittierenden Bauelements wird der bereits gefertigte Grundkörper auf den Träger aufgebracht. Die Größe des Öffnungsbereichs kann derart an die Anzahl der zu montierenden Halbleiterkörper angepasst sein, dass eine Montage der Halbleiterkörper durch den Öffnungsbereich hindurch möglich ist.
Weitere bevorzugte Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie Vorteile eines optischen Elements beziehungsweise eines Strahlungsemittierenden Bauelements gemäß der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 näher erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strahlungsemittierenden Bauelements ,
Figur 2 eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strahlungsemittierenden Bauelements .
Bei dem in Figur 1 schematisch dargestellten
Strahlungsemittierenden Bauelement 10 sind im Querschnitt ein optisches Element 1 und zwei Strahlungsemittierende Halbleiterkörper 4 gezeigt. Die Halbleiterkörper 4 sind in einen Füllkörper 3 eingebettet, der ein Füllmaterial 7 aufweist. Der Füllkörper 3 ist nur teilweise von einem Grundkörper 2 umgeben. Im Bereich der Halbleiterkörper 4 weist der Grundkörper 2 einen Öffnungsbereich 6 auf. Dadurch ist es möglich, die Halbleiterkörper 4 nach einer Montage des Grundkörpers 2 durch den Öffnungsbereich 6 hindurch auf einem Träger 5 anzuordnen. Ferner dient der Öffnungsbereich 6 zur Befüllung des Grundkörpers 2 mit dem Füllmaterial 7, das bei der Befüllung vorzugsweise gelartig ist. Der Grundkörper 2 ist dabei formbeständig. Der Grundkörper 2 und der Träger 5 begrenzen einen Hohlraum, der mit dem Füllmaterial 7 ausgefüllt wird. Dadurch wird der Füllkörper 3 gebildet. Der Füllkörper 3 ist für von den Halbleiterkörpern 4 erzeugte Strahlung durchlässig.
Das Füllmaterial 7, das zwischen dem Grundkörper 2 und dem Träger 5 angeordnet ist, weist bei dieser Ausführungsform Haftwirkung auf und kann somit als Haftmittel dienen, das den Grundkörper 2 beziehungsweise das optische Elment 1 und den Träger 5 zusammenhält/.
Vorzugsweise enthält das Füllmaterial 7 ein Silikongel.
Eine Strahlungsdurchtrittsflache des optischen Elements 10 setzt sich aus einer den Öffnungsbereich 6 umgebenden Oberfläche des Grundkörpers 2 und einer innerhalb des Öffnungsbereichs 6 angeordneten Oberfläche des Füllkörpers 3 zusammen.
Der Grundkörper 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Glasmaterial auf und kann mittels eines Tiefziehverfahrens hergestellt werden. Das Glasmaterial ist für den optisch kritischen Bereich besonders geeignet, da es selbst bei Temperaturen größer als 3000C form- und materialbeständig ist. Diese Temperaturen können bei der Herstellung und Montage des Strahlungsemittierenden Bauelements 10 bis zu mehreren Stunden auftreten.
Der Träger 5 ist im dargestellten Fall eine Platte, die vorzugsweise ein Keramikmaterial mit vorteilhaften thermischen Eigenschaften zur ausreichenden Kühlung des Bauelements 10 aufweist. Über dem Träger 5 erhebt sich das optische Element 10 kuppelartig. Insbesondere gleicht die Kontur des Grundkörpers 2 zwei einander zugewandten „S", was heißt, dass die Konturlinie zwei Wendepunkte aufweist. Lediglich ein randseitiges Ende des Grundkörpers 2 berührt den Träger 5.
Der Träger 5 kann zur Stromversorgung der Halbleiterkörper 4 elektrische Anschlussbereiche aufweisen, mit welchen die Halbleiterkörper 4 elektrisch leitend verbunden sind.
Mit Vorteil weist der Füllkörper 3 gemäß dieses Ausführungsbeispiels eine Schutzwirkung auf, und kann somit als Verguss für die Halbleiterkörper 4 dienen.
Figur 2 zeigt ein Strahlungsemittierendes Bauelement 10 mit , einem Träger 5 und einem optischen Element 1, das auf einer dem Träger 5 zugewandten Seite Befestigungselemente 11 aufweist. Diese sind zur Verankerung des optischen Elements 1 in einem weiteren Element 9 vorgesehen. Das weitere Element 9 weist Vertiefungen auf, in welche die stiftartig geformten Befestigungselemente 11 eingreifen. Vorzugsweise sind die Befestigungselemente 11 mit dem Grundkörper 2 einstückig ausgebildet. Die Herstellung kann beispielsweise mittels Spritzguss erfolgen, wobei der Grundkörper 2 und die Befestigungselemente 11 vorzugsweise aus einem Thermoplastmaterial hergestellt werden.
Da das Thermoplastmaterial im Vergleich zum Glasmaterial bei Erwärmung leichter verformbar ist, weist das
Strahlungsemittierende Bauelement 10 zur Abführung von Wärme mit Vorteil eine Wärmesenke auf . Insbesondere ist das weitere Elment 9, auf welchem der Träger 5 angeordnet ist, eine Wärmesenke. Wie dargestellt kann die Wärmesenke eine Platte sein, die vorzugsweise ein Metall, beispielsweise Al, enthält .
Das optische Element 1 kann mittels eines Abstandshalters 12 zum Träger 5 beabstandet sein. Alternativ kann das optische Element 1 auf dem Träger 5 aufsitzen, wobei dann der Grundkörper 2 die Halbleiterkörper 4 umfangseitig umgibt. Der Abstandshalter 12 ist ebenso wie ein vom Grundkörper 2 innenseitig begrenzter Hohlraum mit dem Füllmaterial 7 ausgefüllt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Füllmaterial 7 ein Silikongel enthalten. Neben der optischen Wirkung kann mittels des Füllkörpers 3, in welchem die Halbleiterkörper 4 angeordnet sind, eine Schutzwirkung für die Halbleiterkörper 4 erzielt werden.
Vorzugsweise ist der Brechungsindex des Füllmaterials 7 an den Brechungsindex des Grundmaterials 13 und an den Brechungsindex des für die Halbleiterkörper 4 verwendeten Halbleitermaterials angepasst.
Trotz Kühlung des Bauelements 10 kann bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Verformung des optischen Elments 1 auftreten. Mit Vorteil kann sich der Füllkörper 3 durch den Öffnungsbereich 6 hindurch nach oben ausdehnen .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Optisches Element (1) mit einem Grundkörper (2) , der ein Grundmaterial (13) enthält, und einem Füllkörper (3) , der ein Füllmaterial (7) enthält, wobei der Füllkörper an dem Grundkörper (2) haftet.
2. Optisches Element (1) nach Anspruch 1, wobei das optische Element (1) zur Formung von Strahlung vorgesehen ist.
3. Optisches Element (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich das Grundmaterial (13) von dem Füllmaterial (7) unterscheidet .
4. Optisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (2) einen Hohlraum aufweist, der mit dem Füllmaterial (7) befüllt ist, wobei die Form des Füllkörpers (3) durch den Hohlraum bestimmt ist.
5. Optisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (2) die Form eines Rotationskörpers aufweist.
6. Optisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllkörper (3) die Form eines Rotationskörpers aufweist.
7. Optisches Element (1) nach Anspruch 5 und 6, wobei der Füllkörper (3) und der Grundkörper (3) eine gemeinsame Symmetrieachse aufweisen.
8. Optisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (2) zur Befüllung mit dem Füllmaterial (7) einen Öffnungsbereich (6) aufweist, der zusammen mit einer den Öffnungsbereich (6) umgebenden Oberfläche des Grundkörpers (2) eine Strahlungsdurchtrittsflache (8) des optischen Elements (1) bildet.
9. Optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Füllmaterial (7) für die zu formende Strahlung durchlässig ist.
10. Optisches Element (1) nach Anspruch 9, wobei das Füllmaterial (7) ein Silikonmaterial enthält.
11. Optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei das Grundmaterial (13) für die zu formende Strahlung durchlässig ist.
12. Optisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Grundmaterial (13) Glas enthält.
13. Optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Grundmaterial (13) ein Kunststoffmaterial enthält.
14. Optisches Element (1) nach Anspruch 13, wobei das Grundmaterial (13) ein Thermoplastmaterial enthält.
15. Optisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (2) nach Art eines Kugelschalensegments ausgebildet ist.
16. Optisches Element (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Grundkörper (2) ringartig ausgebildet ist.
17. Optisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , das ein refraktives, diffraktives oder dispersives Element ist.
18. Optisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , das bei Temperaturen zwischen 200°C und 300°C lötbar ist.
19. Strahlungsemittierendes Bauelement (10), das ein optisches Element (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 und mindestens einen Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper (4) aufweist.
20. Strahlungsemittierendes Bauelement (10) nach Anspruch 19, wobei der Strahlungsemittierende Halbleiterkörper (4) in den Füllkörper (3) eingebettet ist.
21. Strahlungsemittierendes Bauelement (10) nach Anspruch 19 oder 20, wobei der Brechungsindex des Füllmaterials (7) an den Brechungsindex des Grundmaterials (13) angepasst ist.
22. Strahlungsemittierendes Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei der Brechungsindex des Füllmaterials (7) an den
Brechungsindex eines für den Halbleiterkörper (4) verwendeten
Halbleitermaterials angepasst ist.
23. Strahlungsemittierendes Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei der Strahlungsemittierende Halbleiterkörper (4) auf einem Träger (5) angeordnet ist.
24. Strahlungsemittierendes Bauelement (10) nach Anspruch 23, wobei der Grundkörper (2) auf den Träger (5) aufgebracht ist.
25. Strahlungsemittierendes Bauelement (10) nach Anspruch 24, wobei der Grundkörper (2) mittels des Füllmaterials (7) mit dem Träger (5) verbunden ist.
26. Strahlungsetnittierendes Bauelement (10) nach Anspruch 24 oder 25, wobei der Grundkörper (2) mittels des Füllmaterials (7) auf dem Träger (5) haftet.
27. Strahlungsemittierendes Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei der Grundkörper (2) auf einer dem Träger (5) zugewandten Seite mindestens ein hervorstehendes Befestigungselement (11) aufweist .
28. Strahlungsemittierendes Bauelement (10) nach Anspruch 27, wobei das Befestigungselement (11) zur Verbindung des optischen Elements (1) mit dem Träger (5) oder einem dem Träger (5) nachgeordneten weiteren Element (9) vorgesehen ist.
29. Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, das folgende Schritte aufweist :
- Ausbilden des Grundkörpers (2) ,
- Einfüllen des Füllmaterials (7) in den Grundkörper (2) , wodurch der Füllkörper (3) gebildet wird.
30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Grundkörper (2) aus dem Grundmaterial (13) mittels eines Tiefziehverfahrens hergestellt wird.
31. Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Grundkörper (2) aus dem Grundmaterial (13) mittels Spritzguss hergestellt wird.
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