WO2010054622A2 - Optoelektronisches bauelement - Google Patents

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Definitions

  • An optoelectronic component is specified.
  • One of the objects to be solved is, inter alia, to specify an optoelectronic component which emits light with a particularly high color rendering index during operation.
  • the optoelectronic component comprises a connection carrier on which at least two radiation-emitting semiconductor chips are arranged.
  • connection carrier is, for example, a printed circuit board on which or in which electrical conductor tracks and electrical connection points are arranged, which serve for the electrical contacting and mechanical fastening of the radiation-emitting semiconductor chips.
  • the connection carrier may be formed substantially flat in the manner of a plate. That is, the connection carrier in this case has no cavity in which a radiation-emitting semiconductor chip is arranged.
  • the connection carrier it is possible for the connection carrier to be a carrier frame (also: leadframe) on which the radiation-emitting semiconductor chips can be arranged.
  • the connection carrier has at least one cavity for receiving the radiation-emitting semiconductor chips.
  • the radiation-correcting semiconductor chips are preferably luminescence diode chips, that is to say light-emitting diode chips or laser diode chips.
  • Radiation-emitting semiconductor chips are preferably suitable for generating electromagnetic radiation in the UV or visible spectral range.
  • the component comprises a conversion element.
  • the conversion element is a
  • Component of the optoelectronic component which contains a luminescence conversion substance or is formed from a luminescence conversion substance.
  • the electromagnetic radiation from the luminescence conversion of the conversion element can be completely or partially absorbed.
  • the luminescence conversion substance then re-emits electromagnetic radiation which comprises other, preferably higher wavelengths than the electromagnetic radiation emitted by the at least one radiation-emitting semiconductor chip during operation. For example, when
  • a part of the electromagnetic radiation generated by at least one of the radiation-emitting semiconductor chips during operation is converted from the blue spectral range into electromagnetic radiation from the yellow spectral range.
  • the conversion element spans the Radiation-emitting semiconductor chips such that all radiation-emitting semiconductor chips from
  • Conversion element and the connection carrier are surrounded. That is, the conversion element is stretched over the at least two radiation-emitting semiconductor chips, for example in the manner of a dome. In other words, the radiation-emitting semiconductor chips are then arranged between the connection carrier and the conversion element.
  • the conversion element forms, for example, a cavity over the semiconductor chips. With their mounting surfaces, the radiation-emitting semiconductor chips are fastened, for example, on the connection carrier. On the side surfaces of the radiation-emitting semiconductor chips and on the surfaces facing away from the mounting surfaces radiation exit surfaces of the semiconductor chips are the semiconductor chips of
  • the conversion element does not directly adjoin the semiconductor chips, but rather the semiconductor chips and the conversion element do not touch each other. That is, at least the radiation exit surfaces of the semiconductor chips are preferably remote from the conversion element and are not in direct contact therewith.
  • the conversion element may, for example, comprise a matrix material into which a luminescence conversion substance has been introduced.
  • the conversion element is preferably formed mechanically self-supporting.
  • the conversion element may be formed, for example, as a self-supporting dome or shell, which spans the radiation-emitting semiconductor chips.
  • the conversion element is fastened to the connection carrier. That is, the conversion element has a mechanically fixed connection to the connection carrier.
  • the conversion element can be connected to the connection carrier by means of a connection means, for example a thin adhesive layer.
  • the conversion element is bonded, for example, to the connection carrier or connected by means of a press fit with the connection carrier.
  • At least two of the radiation-emitting semiconductor chips of the component differ with regard to the wavelengths of the electromagnetic radiation emitted by them during operation.
  • at least two of the radiation-emitting semiconductor chips emit, for example, light of different colors.
  • the component comprises a connection carrier on which at least two radiation-emitting semiconductor chips are arranged.
  • the component comprises a conversion element which is fastened to the connection carrier, wherein the conversion element spans the semiconductor chips such that the semiconductor chips are surrounded by the conversion element and the connection carrier. At least two of the radiation-emitting semiconductor chips of the component differ from one another with regard to the wavelength of the electromagnetic radiation emitted by them during operation.
  • semiconductor chip is also understood to mean a semiconductor chip which has a semiconductor body, on whose radiation exit surface a further conversion element is applied. That is, the
  • Semiconductor chip then comprises a semiconductor body, in which electromagnetic radiation is generated during operation, as well as a further conversion element, which may be in direct contact with the semiconductor body and this is arranged downstream of a radiation exit surface.
  • Semiconductor chip then emits mixed radiation of primary generated radiation and converted radiation.
  • the conversion element consists of one of the following materials: a ceramic material, a glass ceramic material. That is, the conversion element is not formed by a Lumineszenzkonversionsstoff, which is dissolved in a matrix material such as silicone or epoxy resin, but the conversion element is with a
  • Ceramic material or a glass-ceramic material formed It is possible for the luminescence conversion substance of the conversion element itself to be is a ceramic material and the conversion element consists entirely of the ceramic Lumineszenzkonversionsstoff. Moreover, it is possible for at least one ceramic luminescence conversion substance to be introduced into a ceramic material or into a glass-ceramic material as matrix material and for the conversion element to be formed in this way.
  • a glass-ceramic material or a luminescent ceramic for forming the conversion element are characterized by a heat conductivity which is significantly higher than, for example, the Thermal conductivity of silicone.
  • the conversion element has a thermal conductivity of ⁇ 1, 0 W / mK.
  • the conversion element Due to the attachment of the conversion element to the connection carrier, the conversion element is also thermally conductively connected to the connection carrier and thus, for example, to a heat sink on which the connection carrier can be applied. In the conversion of transmitted radiation in the conversion element generated heat can be dissipated particularly well in this way.
  • the conversion element consists of a YAG: Ce ceramic. Such a conversion element is then characterized by a thermal conductivity of approximately 14 W / mK.
  • a conversion element of a glass-ceramic material or a ceramic material forms a mechanically stable protection of the semiconductor chips
  • Conversion element are spanned, against external influences.
  • An additional housing of the semiconductor chips can therefore be dispensed with.
  • the use of radiation-emitting semiconductor chips with different emission wavelength ranges proves to be advantageous for producing white mixed light of the optoelectronic component, which has a particularly high color rendering index.
  • the optoelectronic component comprises at least one radiation-emitting semiconductor chip which emits electromagnetic radiation from a wavelength range during operation, that of the conversion element not or hardly converted.
  • the semiconductor chip emits red or green light.
  • the device may include a plurality of such semiconductor chips, for example, a semiconductor chip emitting red light and a green light emitting device
  • the optoelectronic component then additionally comprises at least one
  • Radiation-emitting semiconductor chip whose electromagnetic radiation emitted during operation is at least partially converted by the conversion element.
  • this semiconductor chip is a blue light-emitting semiconductor chip, the blue light being partially converted by the conversion element to yellow light and mixing with this yellow light to form white light.
  • the light of a red emitting, radiation-emitting semiconductor chip is partially absorbed by the conversion element. For example, there is an absorption of at least 10%. It has now been found that this supposed disadvantage of absorption is more than compensated by a particularly good mixing of the red light with electromagnetic radiation emitted by semiconductor chips of a different color and by the electromagnetic radiation emitted by the conversion element. That is, the red light is almost ideally mixed with the white light generated in the dome by scattering at the dome-shaped conversion element. The same applies to the light of differently colored semiconductor chips, which is not wavelength converted by the conversion element. With the described component therefore Lichtmischeffizienzen of at least 90% can be achieved. Such high efficiencies can not be realized with alternative solutions for light mixing such as light boxes and microlens arrays.
  • a secondary optics which is arranged downstream of the conversion element in the emission direction, can furthermore be designed to be particularly small and thus cost-effective.
  • secondary optics for example, a simple, for example, parabolically designed, reflector is used. More complicated optical elements such as light boxes or microlens arrays can be omitted.
  • this semiconductor chip is a semiconductor chip which comprises a semiconductor body, to which a further conversion element is arranged downstream of a radiation exit surface, which is at least a part of the in the
  • the further conversion element is, for example, a chip-level conversion element, in which the conversion substance-for example introduced into a matrix material made of silicone-is applied directly to the radiation exit surface of the semiconductor body.
  • the conversion substance of the further conversion element may be identical to or different from a conversion substance of the dome-shaped conversion element. That is, it is here - contrary to the intuition - proposed that generated in a semiconductor body, such as blue, Electromagnetic radiation by means of the further conversion element and the dome-like conversion element so to speak twice to convert. That is, light emitted from the white light emitting semiconductor chip is converted twice, so that conversion of blue light into yellow light largely takes place.
  • This yellow light can serve to form a warm white light source in a particularly simple manner.
  • the dome-like conversion element and the further conversion element comprise different Lumineszenzkonversionsstoffe.
  • the dome-like conversion element for example, comprise conversion substances that are particularly temperature-sensitive, since this conversion element is thermally particularly well connected to the connection carrier.
  • the further conversion element other luminescence conversion materials can be used, which are particularly well suited for chip-near conversion.
  • an optical sensor is mounted on the connection carrier, which is spanned by the conversion element such that the optical
  • the Sensor is surrounded by the conversion element and the connection carrier. That is, the optical sensor as well as the radiation-emitting semiconductor chips are disposed below the dome formed by the conversion element.
  • the optical sensor is, for example, a photodiode.
  • the optical sensor detects scattered light, for example, which is scattered back from the conversion element into the interior of the region spanned by the conversion element becomes. With the sensor, the different spectral parts of the light generated by the radiation-emitting semiconductor chip and the conversion element can be detected.
  • the radiation-emitting semiconductor chips can then be regulated in such a way by means of a drive device, which can likewise be fastened on the connection carrier, that a desired color temperature and / or a desired color locus of the light emitted by the optoelectronic component is established.
  • a drive device which can likewise be fastened on the connection carrier, that a desired color temperature and / or a desired color locus of the light emitted by the optoelectronic component is established.
  • the CX and CY coordinates of the emitted light of the component to be set to a desired white point. This reduces the expense of presorting (so-called binning) of the radiation-emitting semiconductor chips.
  • the optical sensor can be wavelength-selective.
  • the optical sensor then comprises several facets with different spectral sensitivities. Alternatively, it is possible that the radiation-emitting
  • Pulsed semiconductor chips are operated and the optical sensor is a sensor with a single facet.
  • each radiation-emitting semiconductor chip is operated individually or only the radiation-emitting semiconductor chips of the same color for a short time interval, so that only electromagnetic radiation of this semiconductor chip or semiconductor chip of this color can be detected by the sensor.
  • the drive device for controlling the radiation-emitting semiconductor chips may be, for example, a microcontroller, which may be arranged on or outside the connection carrier.
  • a microcontroller which may be arranged on or outside the connection carrier.
  • at least one intermediate region which is filled with a gas, is arranged between the semiconductor chips and the conversion element. That is, the space between the semiconductor chips and the conversion element may be at least locally filled with a gas.
  • the gas may be air. The semiconductor chips are therefore not in direct contact with the conversion element.
  • the radiation-emitting semiconductor chips and, if present, the optical sensor are embedded in a common shaped body. That is to say that the semiconductor chips are enveloped in a form-fitting manner, at least in places, on their exposed outer surfaces by a shaped body which is at least in places in direct contact with the semiconductor chips.
  • the molding can be designed, for example, as potting.
  • the shaped body is as completely permeable as possible to the electromagnetic radiation generated by the radiation-emitting semiconductor chips during operation. That is, the molded body is made of a material that absorbs little or no electromagnetic radiation of the radiation-emitting semiconductor chips.
  • the molded body is formed of a silicone, an epoxy, or of a silicone-epoxy hybrid material.
  • the molded body encloses the semiconductor chips in a form-fitting manner on their free outer surfaces and can for example, have a spherically curved outer surface.
  • the shaped body is preferably free of a light-scattering or radiation-absorbing material, such as a luminescence conversion material. That is, the shaped body has no luminescence conversion substance or diffuser particles except for at most minor impurities.
  • the shaped body is therefore preferably transparent or clear.
  • the intermediate region which is filled with a gas, extends between the molded body and the conversion element, wherein the
  • the shaped body has an outer surface facing away from the semiconductor chip, on which it adjoins the intermediate region.
  • the intermediate region may extend as far as the connection carrier.
  • the intermediate region may be formed like a dome in this case. At its inner surface facing the molding, it follows the shape of the outer surface of the molding. At its outer surface facing the conversion element, it can follow the course of the inner surface of the conversion element.
  • the intermediate region makes use of the following finding: During operation of the optoelectronic component, the heating of the radiation-emitting semiconductor chips also leads to a heating of the shaped body in which the semiconductor chips are embedded. This heating can, especially if the molding contains a silicone, for thermal expansion lead the molding.
  • the intermediate region is now dimensioned such that, despite this thermal expansion, the shaped body does not come into contact with the conversion element. That is, the conversion element and the molded body are preferably always separated from each other by the intermediate region even during operation of the optoelectronic component, so that the molded body and the conversion element are not in direct contact with each other. This prevents, inter alia, that due to the expanding molding at a temperature increase lifting the
  • Conversion element may result due to the pressure of the molding on the conversion element.
  • the optoelectronic component comprises a
  • Coupling lens which is adjacent to the semiconductor chip remote from the outer surface of the conversion element.
  • the decoupling surface may be in direct and direct contact with the outer surface of the conversion element.
  • the coupling-out lens can represent a separately manufactured element of the optoelectronic component, which is milled, turned or injection-molded, for example, and is fastened in an assembly step above the conversion element.
  • the coupling lens is fabricated on the other components of the optoelectronic component and, for example, applied directly as a potting on the conversion element.
  • the coupling-out lens is at least substantially transparent to the optoelectronic component and / or of the Conversion element radiated electromagnetic radiation.
  • the coupling-out lens is preferably free of a luminescence conversion substance. This means that the coupling-out lens has no luminescence conversion substance except for at most low impurities.
  • the coupling-out lens has an inner surface, which faces the semiconductor chip and which is enclosed by an inner hemispherical surface with the radius R ⁇ onv e r s i o n. Furthermore, the coupling-out lens to an outer surface which faces away from the semiconductor chip and which is encloses an outer hemispherical surface of radius R au SEN.
  • R au SEN - R ⁇ onversion xn lens / n air are the refractive indices of the output lens or the vicinity of the coupling-out lens, typically that of air.
  • the inner and outer hemispherical surfaces can be purely virtual surfaces which are not necessarily formed or appear in the component as objective features.
  • the coupling-out lens satisfies the above-mentioned condition, also known as the "Weierstrass" condition, when the hemisphere shell, which is formed by inner and outer hemispherical surfaces with said radii, lies in its entirety within the coupling-out lens.
  • the coupling-out lens is designed as a spherical shell whose inner radius is given by R- ⁇ onversion and whose outer radius is given by R au Shen. Due to the manufacturing process, the shape of the Coupling lens slightly deviate from the mathematically exact spherical shape for inner and outer surface.
  • the coupling-out lens when the coupling-out lens satisfies the said condition, the coupling-out lens is shaped and spaced from the semiconductor chips such that the outer surface of the coupling-out lens appears at such a small angle from any point of the semiconductor chips that there is no total reflection on the outside of the coupling-out lens occurs.
  • a coupling-out lens that obeys this condition therefore, has only very low radiation losses due to total reflection on its outer surface. The coupling-out efficiency of the optoelectronic component is thus advantageously increased.
  • the shaped body in which the optoelectronic semiconductor chips are embedded is enclosed by a hemispherical surface having the radius Ri.
  • the semiconductor chips have a total
  • the total radiation exit area is composed of the sum of the radiation exit areas of the semiconductor chips.
  • the area A and the radius R inneB satisfy this condition A ⁇ 1 A x Jl x Rmnen 2 •
  • the area A is ⁇ 1/20 x Jl x R pause n 2 •
  • a single molded article all Radiation-emitting semiconductor chip of the optoelectronic device wrapped.
  • Such a small surface area of the total radiation exit area of the radiation-emitting semiconductor chips ensures that For example, from the conversion element to the semiconductor chips back reflected or radiated electromagnetic radiation with low probability meets the semiconductor chips, where they could be lost, for example, by absorption.
  • a reflective layer is arranged on the side of the connection carrier facing the shaped body, which at least in places directly adjoins the shaped body and has a reflectivity of at least 80%, preferably of at least 90%, both for the electromagnetic radiation generated by the semiconductor chips and by the conversion element , Particularly preferably, the reflective layer has a reflectivity of at least 98%.
  • the reflective layer is preferably located within the hemisphere with the radius Rinn e n- In this way, radiation meets with large
  • connection means for example an adhesive or a solder material, is arranged between the conversion element and the connection carrier.
  • Connecting means can border directly to the conversion element and the connection carrier.
  • the bonding agent in particular the adhesive f, is preferably applied in a thin layer which has a thickness of at most 10 ⁇ m, preferably at most 6 ⁇ m. Such a thin one
  • the conversion element contains a luminescence conversion substance or consists of a luminescence conversion substance which is based on one of the following materials: orthosilicate, thiogallate, sulfide, nitride, fluoride, garnet.
  • the conversion element is formed with a luminescence conversion substance which is activated by at least one of the following dopants: Eu3 +, Mn2 +, Mn4 +.
  • the optoelectronic component described here is based, inter alia, on the following finding:
  • the relatively large distance between the semiconductor chips and the conversion element described here distributes the electromagnetic radiation generated by the semiconductor chips in operation over a relatively large area and to a relatively large volume .
  • slowly decaying phosphors are understood to phosphors having a cooldown of> 1 microseconds. These include, for example, luminescence conversion materials activated with Eu3 +, Mn2 +, Mn4 +. Due to the relatively large distance from the semiconductor chips, conversion element is even with these slowly decaying phosphors a saturation effect unlikely. For faster, luminescence conversion materials activated with Eu3 +, Mn2 +, Mn4 +. Due to the relatively large distance from the semiconductor chips, conversion element is even with these slowly decaying phosphors a saturation effect unlikely. For faster, luminescence conversion materials activated with Eu3 +, Mn2 +, Mn4 +. Due to the relatively large distance from the semiconductor chips, conversion element is even with these slowly decaying phospho
  • Phosphors such as YAG: Ce, which have a shorter cooldown, become saturation effects existing optoelectronic component even completely avoided.
  • luminescence conversion materials which have an increased sensitivity to radiation damage, for example by UV radiation.
  • nitrides such as. B. Sr2Si5N8: Eu and sulfides, oxynitrides and fluids to call.
  • These luminescence conversion materials can be used in the optoelectronic component as described here.
  • the conversion element according to at least one embodiment of the optoelectronic component consists of a ceramic or a glass ceramic, due to the sintering of the luminescence conversion substances, the effective surface of the phosphor is extremely reduced. As a result, but slow chemical reactions with
  • Conversion element which consists of ceramic or a glass ceramic, is thus the life of the
  • luminescence conversion materials can be used with low activator concentrations, with concentration up to 1/100 of the conventional
  • Lumineszenzkonversionsstoffen usual that is, the device described herein also allows the use of luminescent conversion materials which otherwise can not be used because of their poor thermal behavior, their sensitivity to atmospheric gases, or their slow decay time. These include, for example, blue-green to red-orange emitting orthosilicates, thiogallates, sulfides, nitride, fluoride and / or narrow-band f-f line emitters.
  • FIGS 1, 2 and 3 show schematically
  • FIGS. 4 and 5 show, by means of schematic plots, further properties of optoelectronic components described here.
  • the same, similar or equivalent elements are provided in the figures with the same reference numerals.
  • the figures and the proportions of the elements shown in the figures with each other are not to be considered to scale. Rather, individual elements can do better
  • FIG. 1A shows a schematic perspective illustration of a first exemplary embodiment of one described here
  • the component 1 comprises a connection carrier 2.
  • the connection carrier 2 in the present case is a metal-core board having a base body 21, on which a reflective layer 22 is applied, which is reflective for electromagnetic radiation generated by the radiation-emitting semiconductor chips 3 in operation ,
  • the reflective layer 22 is made of aluminum or silver.
  • connection carrier 2 On the connection carrier 2 are presently five
  • the optoelectronic component comprises four blue light emitting, radiation emitting semiconductor chips 3b and a red light emitting semiconductor chip 3r.
  • the blue light-emitting, radiation-emitting semiconductor chips 3b are based, for example, on the InGaN semiconductor material system.
  • the red light-emitting semiconductor chip 3r is based on the InGaAlP semiconductor material system.
  • the radiation-emitting semiconductor chips 3 are positively enclosed by a molded body 7, which in the present case consists of a clear silicone.
  • the optoelectronic component of the exemplary embodiment of FIG. 1A with the converter element 4 is shown.
  • the converter element 4 is attached to the connection carrier 2, for example by means of an adhesive.
  • the converter element 4 spans the shaped body 7 and the radiation-emitting semiconductor chips 3 in the manner of a dome.
  • the converter element 4 is made of a ceramic material or a glass-ceramic material.
  • the converter element 4 consists of a ceramic luminescence conversion substance.
  • the converter element 4 partially absorbs the electromagnetic radiation generated by the blue semiconductor chips 3b and converts it into electromagnetic radiation from the spectral range of yellow light. In this way, the conversion element 4 emits white mixed light, which is composed of the blue unconverted and the yellow converted light.
  • the red light of the radiation-emitting semiconductor chip 3r is admixed particularly uniformly with the generated white light.
  • the conversion element 4 thus serves - in addition to its properties as a converter - as a light-scattering optical element with which a particularly good color mixing is achieved.
  • Semiconductor component thus white light with a red component, wherein the red component is only a fraction of the total radiation.
  • the converter transmits only about 85% of the red light, the efficiency of the optoelectronic component drops to only about 96%, since the red component represents a relatively small proportion of the white mixed light produced.
  • the optoelectronic component in this exemplary embodiment comprises, in addition to red emitting semiconductor chips 3r and blue emitting semiconductor chips 3b, at least one white light emitting semiconductor chip 3g.
  • the white light-emitting semiconductor chip 3g comprises a semiconductor body 30, from which, for example, blue light is emitted during operation.
  • a further conversion element 9 is applied to a radiation exit surface 3a of the semiconductor body 30, for example, in a thin layer.
  • the conversion element 9 converts a part of the radiation generated in the semiconductor body chip 30 into yellow light, so that the white light-emitting semiconductor chip 3 g emits white mixed light as a whole.
  • the white semiconductor light emitting semiconductor chip 3g is thus, a semiconductor chip in which a conversion element 9 is applied directly to the semiconductor body 30. From the dome-shaped conversion element 4, the blue portion of the white light is at least partially further converted to yellow light, so that the light generated by the white light emitting semiconductor chip 3g leaves the optoelectronic device as a whole largely yellow or yellowish light.
  • all color loci along the Planck's curve can be set for correlated color temperatures between 2700K and 6000K.
  • the following light sources can be realized:
  • the optical white semiconductor chip is operated at medium currents and, together with control electronics, serves to set the color coordinates Cx, Cy exactly to the desired white point. The binning problem is thereby eliminated. It should be noted that the efficiency of the semiconductor chips decreases with the current density. For example, the blue emitting semiconductor chips 3b operated constant with currents of 350 mA, where the white semiconductor chip is operated at an average current of 175 mA, the Storm43 to adjust the white point between 0 and 350 mA is variable.
  • a cold white light source with a color temperature of about 6000K and a color rendering index CRI> 90 and an efficiency> 100 Im / W is realized.
  • such cold white light sources have a color rendering index of CRI ⁇ 70 at this efficiency.
  • This provides an adjustable light source with a color temperature of between 6000K and 2700K, which is tunable on the Planckian curve, and a color rendering index CRI> 90 and efficiency> 90 lm / W for all color temperatures.
  • a light mixture of the electromagnetic radiation generated by the differently colored semiconductor chips 3 r, 3 b, 3 g and the electromagnetic radiation re-emitted by the conversion element 4 is again effected via the
  • Conversion element 4 In this way can be dispensed with large optical elements such as light boxes or microlens arrays.
  • a secondary optics may be the optoelectronic Semiconductor chips and the conversion element 4, therefore, a simple executed reflector 23 be downstream, for example, has parabolic inner walls.
  • the optoelectronic component can also have a
  • Terminal block 12 have, which can be arranged on the connection carrier 2, and over which the
  • Radiation-emitting semiconductor chips of the component 1 can be electrically contacted and with the example, a sensor 11 may be connected to a arranged outside the component drive device.
  • FIGS. 2B and 2C show schematically a plan view and a side view, respectively, of the optoelectronic component shown in perspective in connection with FIG. 2A.
  • connection carrier 2 is a printed circuit board.
  • the connection carrier 2 comprises a main body 21, which may be formed from an electrically insulating material, such as a ceramic material or a plastic material. It is beyond that possible that the base body 21 is a metal core board.
  • a reflective layer 22 is applied on the top of the connection carrier.
  • the reflective layer 22 forms a mirroring of the connection carrier 2.
  • the reflective layer 22 is formed of a reflective metal such as gold, silver or aluminum.
  • the reflective layer 22 is a Bragg mirror.
  • connection carrier 2 On the connection carrier 2, the semiconductor chips 3 are applied.
  • the radiation-emitting semiconductor chips 3 are light-emitting diode chips.
  • the radiation-emitting semiconductor chips 3 are on the connection carrier 2.
  • Connection carrier 2 attached and electrically connected.
  • the radiation-emitting semiconductor chips 3 are enveloped by a shaped body 7.
  • the molded body 7 in the present case consists of silicone.
  • the molded body 7 is formed, for example, in the manner of a hemisphere.
  • the radiation-emitting semiconductor chips 3 are enveloped in a form-fitting manner by the molded body 7 on their outer surfaces not facing the connection carrier 2.
  • the molded body 7 is free of a luminescence conversion substance.
  • the shaped body 7 is arranged within a hemispherical surface with the radius Rinn en .
  • the radius grooves is selected such that the surface area of the total radiation exit surface 33a of the radiation-emitting
  • a gap 6 is arranged between molded body 7 and conversion element 4.
  • the gap 6 is filled with air.
  • the intermediate space 6 directly adjoins the molded body 7 and the conversion element 4.
  • the interspace 6 serves inter alia as a buffer, in the event that the molded body 7 expands due to heating in operation of the radiation-emitting semiconductor chips 3. Due to the gap 6, it is ensured in the optoelectronic component 1 that the molded body 7 does not press against the conversion element 4, which could for example lead to detachment of the conversion element 4 from the connection carrier 2 and thus to a deteriorated thermal conductivity from the conversion element 4 to the connection carrier 2.
  • the conversion element 4 spans the radiation-emitting semiconductor chips 3 like a dome.
  • the conversion element 4 is designed in the manner of a hemisphere shell.
  • the conversion element 4 comprises an outer surface 4 a and an inner surface 4 b, which faces the semiconductor chip 3. It consists of a ceramic, for example YAGrCe or a sintered glass ceramic, in which a ceramic luminescence conversion substance is introduced into a glass.
  • the conversion element 4 is designed to be self-supporting, that is, the conversion element 4 is a mechanically stable structure, which needs to obtain the dome-like shape no further support elements.
  • the conversion element 4 is mounted on the connection carrier 2. In the present case, the conversion element 4 is fastened to the connection carrier 2 by means of an adhesive layer made of an adhesive 5 which directly adjoins the connection carrier and the conversion element.
  • the adhesive 5 is preferably an adhesive formed with epoxy resin and / or silicone.
  • the adhesive 5 may consist of one of said materials or contain one of the materials mentioned.
  • one of the materials mentioned it is also possible for one of the materials mentioned to form a matrix material of the adhesive 5 in which metallic particles, for example particles of silver, gold or nickel, are contained.
  • Such an adhesive 5 is characterized by an increased thermal conductivity.
  • the conversion element 4 is attached to the connection carrier 2 by means of a thin adhesive layer of the adhesive 5.
  • the adhesive layer has an even - within the manufacturing tolerance - uniform
  • the thickness of the adhesive layer of the adhesive 5 is preferably between 1 .mu.m and 10 .mu.m, more preferably between 4 .mu.m and 6 .mu.m, for example 5 .mu.m.
  • Such a thin adhesive layer of the adhesive 5 contributes to improved heat dissipation from the conversion element 4 to the connection carrier 2.
  • electromagnetic radiation is emitted in the direction of the conversion element 4.
  • the conversion element 4 contains or consists of a luminescence conversion substance which converts at least part of this radiation into electromagnetic radiation of a different wavelength or of a different wavelength range. In this case, heat is generated, which is discharged from the conversion element 4 to the connection carrier 2.
  • the conversion element 4 is characterized, inter alia, by its high thermal conductivity of at least 1.0 W / mK.
  • the conversion element 4 is followed by an outer coupling lens 8 as seen from the radiation-emitting semiconductor chips in the outer direction.
  • the coupling lens 8 may be formed of glass or a plastic material such as silicone, epoxy or epoxy-silicone hybrid material.
  • the coupling-out lens 8 is transparent at least for radiation in the visible spectral range and in particular free from a luminescence conversion substance.
  • the coupling-out lens 8 has a hemispherical inner surface 8b, which has a radius R ⁇ o nver s on . Further, the output lens 8 on an outer surface 8a which is formed by a hemispherical surface of radius R au ß s. All radii are formed from the point M, which is formed by the intersection of the central axis 10 with the mounting surface of the connection carrier 2.
  • the central axis 10 is preferably the central axis through the
  • the radii for the inner surface 8b and the outer surface 8a of the output lens 8 follow this case the following condition: R au SEN ⁇ R ⁇ onversion * n lens / n air, said n lens of the refractive index of the output lens 8 and n air is the index of refraction of the environment of the output lens.
  • the condition for total reflection on the outer surface 8a of the coupling-out lens 8 is not fulfilled both for electromagnetic radiation generated by the radiation-emitting semiconductor chips during operation, for radiation re-emitted by the conversion element and for radiation reflected by the reflective layer 22.
  • a light source can be specified, the white light of a correlated color temperature (CCT) in a range between 2700 K and 6000 K with high efficiency and relatively high
  • CCT correlated color temperature
  • Color Rendering Index (CRI).
  • the efficiency is above 100 lm / W for all color temperatures, the color rendering index is greater than 90.
  • blue radiation-emitting semiconductor chips 3b and white light-emitting semiconductor chips 3g come under the conversion element
  • the optoelectronic component contains at least one deep red light-emitting semiconductor chip with a total radiation exit area of 1 mm 2 . Furthermore, the optoelectronic component contains at least one blue light emitting semiconductor chip 3b with a total radiation exit area of 4 mm 2 . Furthermore, the optoelectronic component contains at least one red light-emitting semiconductor chip 3r with a total radiation exit area of 2 mm 2 .
  • Figure 5D shows by bar graphs the color rendering index CRI, the color rendering index R9 and the efficiency in Im / W for these three light sources. It can be seen that the
  • the loss of efficiency is only 16%.
  • Patent Application 10 2008 057 140.7 the disclosure of which is hereby incorporated by reference.

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Bauelement (1) angegeben, mit - einem Anschlussträger (2), auf dem zumindest zwei strahlungsemittierende Halbleiterchips (3) angeordnet sind, - einem Konversionselement (4), das am Anschlussträger (2) befestigt ist, wobei - das Konversionselement (4) die Halbleiterchips (3) derart überspannt, dass die Halbleiterchips (3) vom Konversionselement (4) und dem Anschlussträger (2) umgeben sind, und - zumindest zwei der strahlungsemittierenden Halbleiterchips (3) sich hinsichtlich der Wellenlängen der von ihnen im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung voneinander unterscheiden.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Bauelement
Es wird ein optoelektronisches Bauelement angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, ein optoelektronisches Bauelement anzugeben, das im Betrieb Licht mit einem besonders hohen Farbwiedergabeindex emittiert .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst das optoelektronische Bauelement einen Anschlussträger, auf dem zumindest zwei strahlungsemittierende Halbleiterchips angeordnet sind.
Bei dem Anschlussträger handelt es sich beispielsweise um eine Leiterplatte, auf welcher oder in welcher elektrische Leiterbahnen und elektrische Anschlussstellen angeordnet sind, die zur elektrischen Kontaktierung und mechanischen Befestigung der Strahlungsemittierenden Halbleiterchips dienen. Der Anschlussträger kann nach Art einer Platte im Wesentlichen eben ausgebildet sein. Das heißt, der Anschlussträger weist in diesem Fall keine Kavität auf, in welcher ein strahlungsemittierender Halbleiterchip angeordnet ist. Darüber hinaus ist es möglich, dass es sich bei dem Anschlussträger um einen Trägerrahmen (auch: Leadframe) handelt, auf dem die Strahlungsemittierenden Halbleiterchips angeordnet sein können. Insbesondere in diesem Fall ist es auch möglich, dass der Anschlussträger zumindest eine Kavität zur Aufnahme der Strahlungsemittierenden Halbleiterchips aufweist . Bei den strahlungseraittierenden Halbleiterchips handelt es sich vorzugsweise um Lumineszenzdiodenchips, das heißt, um Leuchtdiodenchips oder Laserdiodenchips . Die
Strahlungsemittierenden Halbleiterchips sind vorzugsweise zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung im UV- oder sichtbaren Spektralbereich geeignet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements umfasst das Bauelement ein Konversionselement. Das Konversionselement ist eine
Komponente des optoelektronischen Bauelements, welche einen Lumineszenzkonversionsstoff enthält oder aus einem Lumineszenzkonversionsstoff gebildet ist.
Trifft zum Beispiel von zumindest einem der
Strahlungsemittierenden Halbleiterchips im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung auf das Konversionselement , so kann die elektromagnetische Strahlung vom Lumineszenzkonversionsstoff des Konversionselements vollständig oder teilweise absorbiert werden. Der Lumineszenzkonversionsstoff re-emittiert dann elektromagnetische Strahlung, welche andere, vorzugsweise höhere Wellenlängen umfasst, als die von dem zumindest einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip im Betrieb emittierte elektromagnetische Strahlung. Beispielsweise wird beim
Durchtritt durch das Konversionselement ein Teil der von zumindest einem der strahlungsemittierenden Halbleiterchips im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung aus dem blauen Spektralbereich in elektromagnetische Strahlung aus dem gelben Spektralbereich konvertiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements überspannt das Konversionselement die Strahlungsemittierenden Halbleiterchips derart, dass alle strahlungsemittierenden Halbleiterchips vom
Konversionselement und dem Anschlussträger umgeben sind. Das heißt, das Konversionselement ist beispielsweise nach Art einer Kuppel über die zumindest zwei strahlungsemittierenden Halbleiterchips gespannt. Mit anderen Worten sind die strahlungsemittierenden Halbleiterchips dann zwischen dem Anschlussträger und dem Konversionselement angeordnet. Das Konversionselement bildet zum Beispiel eine Kavität über den Halbleiterchips aus. Mit ihren Montageflächen sind die strahlungsemittierenden Halbleiterchips beispielsweise auf dem Anschlussträger befestigt. An den Seitenflächen der strahlungsemittierenden Halbleiterchips und an den den Montageflächen abgewandten Strahlungsaustrittsflächen der Halbleiterchips sind die Halbleiterchips vom
Konversionselement umgeben. Vorzugsweise grenzt das Konversionselement dabei nicht direkt an die Halbleiterchips, sondern die Halbleiterchips und das Konversionselement berühren sich nicht. Das heißt, zumindest die Strahlungsaustrittsflächen der Halbleiterchips sind vorzugsweise entfernt vom Konversionselement und befinden sich nicht in direktem Kontakt mit diesem.
Das Konversionselement kann zum Beispiel ein Matrixmaterial umfassen, in das ein Lumineszenzkonversionsstoff eingebracht ist.
Das Konversionselement ist vorzugsweise mechanisch selbsttragend ausgebildet. Das Konversionselement kann beispielsweise als selbsttragende Kuppel oder Schale ausgebildet sein, welche die strahlungsemittierenden Halbleiterchips überspannt . Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist das Konversionselement am Anschlussträger befestigt. Das heißt, das Konversionselement weist zum Anschlussträger eine mechanisch feste Verbindung auf. Beispielsweise kann das Konversionselement mittels eines Verbindungsmittels, zum Beispiel einer dünnen KlebstoffSchicht mit dem Anschlussträger verbunden sein. Darüber hinaus ist es möglich, dass das Konversionselement beispielsweise an den Anschlussträger gebondet oder mittels einer Presspassung mit dem Anschlussträger verbunden ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements unterscheiden sich zumindest zwei der strahlungsemittierenden Halbleiterchips des Bauelements hinsichtlich der Wellenlängen der von ihnen im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung. Mit anderen Worten emittieren zumindest zwei der strahlungsemittierenden Halbleiterchips beispielsweise Licht unterschiedlicher Farbe. Dabei ist es möglich, dass zumindest einer der strahlungsemittierenden Halbleiterchips elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich emittiert, der vom Konversionselement nicht oder kaum konvertiert wird. Diese elektromagnetische Strahlung wird vom Konversionselement dann hauptsächlich gestreut und transmittiert , wodurch sich eine besonders gute Mischung mit der von anderen strahlungsemittierenden Halbleiterchips des optoelektronischen Bauelements und der vom Konversionselement re-emittierten elektromagnetischen Strahlung ergeben kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements umfasst das Bauelement einen Anschlussträger, auf dem zumindest zwei strahlungsemittierende Halbleiterchips angeordnet sind. Darüber hinaus umfasst das Bauelement ein Konversionselement, das am Anschlussträger befestigt ist, wobei das Konversionselement die Halbleiterchips derart überspannt, dass die Halbleiterchips vom Konversionselement und dem Anschlussträger umgeben sind. Zumindest zwei der strahlungsemittierenden Halbleiterchips des Bauelements unterscheiden sich hinsichtlich der Wellenlänge der von ihnen im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung voneinander .
Unter dem Begriff "Halbleiterchip" ist dabei auch ein Halbleiterchip zu verstehen, der einen Halbleiterkörper aufweist, auf dessen Strahlungsaustrittsfläche ein weiteres Konversionselement aufgebracht ist. Das heißt, der
Halbleiterchip umfasst dann einen Halbleiterkörper, in dem im Betrieb elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, sowie ein weiteres Konversionselement, das sich in direktem Kontakt mit dem Halbleiterkörper befinden kann und diesem an einer Strahlungsaustrittsflache nachgeordnet ist. Der
Halbleiterchip emittiert dann Mischstrahlung aus primär erzeugter Strahlung und konvertierter Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements besteht das Konversionselement aus einem der folgenden Materialien: einem Keramik-Material, einem Glas- Keramik-Material. Das heißt, das Konversionselement ist nicht durch einen Lumineszenzkonversionsstoff gebildet, der in ein Matrixmaterial wie beispielsweise Silikon oder Epoxidharz gelöst ist, sondern das Konversionselement ist mit einem
Keramik-Material oder einem Glas-Keramik-Material gebildet. Dabei ist es möglich, dass es sich bei dem Lumineszenzkonversionsstoff des Konversionselements selbst um ein Keramik-Material handelt und das Konversionselement vollständig aus dem keramischen Lumineszenzkonversionsstoff besteht. Darüber hinaus ist es möglich, dass zumindest ein keramischer Lumineszenzkonversionsstoff in ein Keramik- Material oder in ein Glas-Keramik-Material als Matrixmaterial eingebracht ist und das Konversionselement auf diese Weise gebildet ist.
Geeignete Keramiken zur Bildung eines solchen Konversionselements sind unter anderem in der Druckschrift WO
2007/148253 näher erläutert, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen wird. Geeignete
Glas-Keramik-Materialien zur Bildung eines
Konversionselements sind beispielsweise in der Druckschrift US 2007/0281851 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen wird.
Das hier beschriebene optoelektronische Bauelement macht dabei unter anderem von den folgenden Erkenntnissen Gebrauch und beruht auf den folgenden Vorteilen: Ein Glas-Keramik- Material oder eine lumineszente Keramik zur Bildung des Konversionselements zeichnen sich durch eine Wärmeleitfähigkeit aus, die deutlich höher ist, als beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit von Silikon. Bevorzugt weist das Konversionselement eine Wärmeleitfähigkeit von ≥ 1, 0 W/mK auf.
Aufgrund der Befestigung des Konversionselements an den Anschlussträger ist das Konversionselement darüber hinaus thermisch leitend an den Anschlussträger und damit beispielsweise an einen Kühlkörper, auf welchem der Anschlussträger aufgebracht sein kann, angeschlossen. Bei der Konversion von durchtretender Strahlung im Konversionselement erzeugte Wärme kann auf diese Weise besonders gut abgeführt werden.
Beispielsweise besteht das Konversionselement aus einer YAG: Ce-Keramik. Ein solches Konversionselement zeichnet sich dann durch eine thermische Leitfähigkeit von zirka 14 W/mK aus .
Darüber hinaus bildet ein Konversionselement aus einem Glas- Keramik-Material oder einem Keramik-Material einen mechanisch stabilen Schutz der Halbleiterchips, die vom
Konversionselement überspannt werden, vor äußeren Einflüssen. Auf eine zusätzliche Häusung der Halbleiterchips kann daher verzichtet werden.
Ferner erweist sich die Verwendung von strahlungsemittierenden Halbleiterchips mit unterschiedlichen Emissionswellenbereichen als vorteilhaft zur Erzeugung von weißem Mischlicht des optoelektronischen Bauteils, das einen besonders hohen Farbwiedergabeindex aufweist. Zwar wird elektromagnetische Strahlung in Wellenlängenbereichen, die vom Konversionselement nicht oder kaum konvertiert werden, zumindest teilweise vom Konversionselement absorbiert, jedoch wird dieser Nachteil in der Effizienz beispielsweise durch eine besonders gute Lichtmischung durch Streuung der elektromagnetischen Strahlung am Konversionselement ausgeglichen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst das optoelektronische Bauelement zumindest einen strahlungsemittierenden Halbleiterchip, der im Betrieb elektromagnetische Strahlung aus einem Wellenlängenbereich emittiert, der vom Konversionselement nicht oder kaum konvertiert wird. Beispielsweise emittiert der Halbleiterchip rotes oder grünes Licht. Darüber hinaus ist es möglich, dass das Bauelement mehrere solche Halbleiterchips, zum Beispiel einen rotes Licht emittierenden Halbleiterchip und einen grünes Licht emittierenden
Halbleiterchip umfasst. Das optoelektronische Bauelement umfasst dann zusätzlich zumindest einen
Strahlungsemittierenden Halbleiterchip, dessen im Betrieb emittierte elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise vom Konversionselement konvertiert wird. Beispielsweise handelt es sich bei diesem Halbleiterchip um einen blaues Licht emittierenden Halbleiterchip, wobei das blaue Licht vom Konversionselement teilweise zu gelbem Licht konvertiert wird und sich mit diesem gelben Licht zu weißem Licht mischt.
Das Licht eines rot emittierenden, strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird vom Konversionselement teilweise absorbiert. Beispielsweise ergibt sich eine Absorption von wenigstens 10 %. Es hat sich nun gezeigt, dass dieser vermeintliche Nachteil der Absorption durch eine besonders gute Mischung des roten Lichts mit von Halbleiterchips anderer Farbe emittierter elektromagnetischer Strahlung und der vom Konversionselement emittierten elektromagnetischen Strahlung mehr als kompensiert wird. Das heißt, das rote Licht wird durch Streuung am kuppelartigen Konversionselement nahezu ideal dem in der Kuppel erzeugten weißen Licht zugemischt. Gleiches gilt auch für das Licht andersfarbiger Halbleiterchips, das vom Konversionselement nicht wellenlängenkonvertiert wird. Mit dem beschriebenen Bauteil sind daher Lichtmischeffizienzen von wenigstens 90 % zu erreichen. Solche hohe Effizienzen sind mit alternativen Lösungen zur Lichtmischung wie Lichtboxen und Mikrolinsenarrays nicht realisierbar. Darüber hinaus sind solche alternativen Möglichkeiten zur Lichtmischung im Vergleich mit dem beschriebenen optoelektronischen Bauelement vergleichsweise teuer und nehmen einen größeren Raum ein, sind also größer. Bei vorliegendem optoelektronischen Bauelement kann darüber hinaus eine Sekundäroptik, die dem Konversionselement in Abstrahlrichtung nachgeordnet ist, besonders klein und damit kostengünstig ausgeführt werden. Als Sekundäroptik kommt beispielsweise ein einfacher, zum Beispiel parabolisch ausgestalteter, Reflektor zum Einsatz. Kompliziertere optische Elemente wie Lichtboxen oder Mikrolinsenarrays können entfallen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements emittiert zumindest einer der Strahlungsemittierenden Halbleiterchips im Betrieb weißes Licht. Beispielsweise handelt es sich bei diesem Halbleiterchip um einen Halbleiterchip, der einen Halbleiterkörper umfasst, dem an einer Strahlungsaustrittsfläche ein weiteres Konversionselement nachgeordnet ist, welches zumindest einen Teil der im
Halbleiterkörper im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung in elektromagnetische Strahlung aus dem Spektralbereich von gelbem Licht umwandelt . Bei dem weiteren Konversionselement handelt es sich zum Beispiel um ein Chiplevel-Konversionselement, bei dem der Konversionsstoff - zum Beispiel eingebracht in ein Matrixmaterial aus Silikon - direkt auf die Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht ist. Der Konversionsstoff des weiteren Konversionselements kann dabei mit einem Konversionsstoff des kuppelartigen Konversionselements identisch oder von diesem verschieden sein. Das heißt, es wird hier - entgegen die Intuition - vorgeschlagen, die in einem Halbleiterkörper erzeugte, beispielsweise blaue, elektromagnetische Strahlung mittels des weiteren Konversionselements und dem kuppelartigen Konversionselement sozusagen zwei Mal zu konvertierten. Das heißt, dass von dem weißes Licht emittierenden Halbleiterchip emittiertes Licht wird zwei Mal konvertiert, sodass weitgehend eine Konversion von blauem Licht in gelbes Licht stattfindet.
Dieses gelbe Licht kann dazu dienen, auf besonders einfache Weise eine warmweiße Lichtquelle zu bilden.
Es ist dabei auch möglich, dass das kuppelartige Konversionselement und das weitere Konversionselement unterschiedliche Lumineszenzkonversionsstoffe umfassen. So kann das kuppelartige Konversionselement beispielsweise Konversionsstoffe umfassen, die besonders temperaturempfindlich sind, da dieses Konversionselement thermisch besonders gut an den Anschlussträger angeschlossen ist. Für das weitere Konversionselement können andere Lumineszenzkonversionsstoffe zum Einsatz kommen, die besonders gut für die chipnahe Konversion geeignet sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements ist auf dem Anschlussträger ein optischer Sensor befestigt, der vom Konversionselement derart überspannt ist, dass der optische
Sensor vom Konversionselement und dem Anschlussträger umgeben ist. Das heißt, der optische Sensor ist ebenso wie die Strahlungsemittierenden Halbleiterchips unterhalb der Kuppel angeordnet, die durch das Konversionselement gebildet ist. Bei dem optischen Sensor handelt es sich beispielsweise um eine Fotodiode. Der optische Sensor detektiert beispielsweise Streulicht, welches vom Konversionselement in das Innere des vom Konversionselement überspannten Bereichs zurückgestreut wird. Mit dem Sensor können die unterschiedlichen Spektralteile des von den Strahlungsemittierenden Halbleiterchips und dem Konversionselement erzeugten Lichts detektiert werden. Beispielsweise können dann mittels einer Ansteuervorrichtung, die ebenfalls auf dem Anschlussträger befestigt sein kann, die Strahlungsemittierenden Halbleiterchips derart geregelt werden, dass sich eine gewünschte Farbtemperatur und/oder ein gewünschter Farbort des von dem optoelektronischen Bauelement emittierten Lichts einstellt. Beispielsweise können durch die
Ansteuervorrichtung die CX- und CY-Koordinaten des emittierten Lichts des Bauteils auf einen gewünschten Weißpunkt eingestellt werden. Dadurch reduziert sich der Aufwand beim Vorsortieren (so genanntes Binning) der Strahlungsemittierenden Halbleiterchips.
Der optische Sensor kann dabei wellenlängenselektiv sein. Der optische Sensor umfasst dann mehrere Facetten mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten. Alternativ ist es möglich, dass die Strahlungsemittierenden
Halbleiterchips gepulst betrieben werden und es sich bei dem optischen Sensor um einen Sensor mit nur einer einzigen Facette handelt. Dabei wird für ein kurzes Zeitintervall jeder Strahlungsemittierende Halbleiterchip einzeln oder nur die strahlungsemittierenden Halbleiterchips gleicher Farbe betrieben, sodass vom Sensor lediglich elektromagnetische Strahlung dieses Halbleiterchips oder Halbleiterchips dieser Farbe detektiert werden kann.
Bei der Ansteuervorrichtung zur Ansteuerung der strahlungsemittierenden Halbleiterchips kann es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller handeln, der auf oder außerhalb des Anschlussträgers angeordnet sein kann. Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements ist zwischen den Halbleiterchips und dem Konversionselement zumindest ein Zwischenbereich angeordnet, der mit einem Gas befüllt ist. Das heißt, der Raum zwischen den Halbleiterchips und dem Konversionselement kann zumindest stellenweise mit einem Gas gefüllt sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Gas um Luft handeln. Die Halbleiterchips befinden sich also nicht in direktem Kontakt mit dem Konversionselement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements sind die Strahlungsemittierenden Halbleiterchips und - falls vorhanden - der optische Sensor in einem gemeinsamen Formkörper eingebettet. Das heißt, die Halbleiterchips sind zumindest stellenweise an ihren freiliegenden Außenflächen formschlüssig von einem Formkörper umhüllt, der sich zumindest stellenweise in direktem Kontakt mit den Halbleiterchips befindet. Der Formkörper kann dabei beispielsweise als Verguss ausgeführt sein. Der Formkörper ist für die von den strahlungsemittierenden Halbleiterchips im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung möglichst vollständig durchlässig. Das heißt, der Formkörper besteht aus einem Material, das kaum oder gar keine elektromagnetische Strahlung der strahlungsemittierenden Halbleiterchips absorbiert.
Beispielsweise ist der Formkörper aus einem Silikon, einem Epoxid, oder aus einem Silikon-Epoxid-Hybridmaterial gebildet. Der Formkörper umschließt die Halbleiterchips an ihren freien Außenflächen formschlüssig und kann beispielsweise eine sphärisch gekrümmte Außenfläche aufweisen.
Der Formkörper ist vorzugsweise von einem Licht streuenden oder Strahlungsabsorbierenden Material, wie beispielsweise einem Lumineszenzkonversionsmaterial, frei. Das heißt, der Formkörper weist bis auf höchstens geringe Verunreinigungen keinen Lumineszenzkonversionsstoff oder Diffusorpartikel auf. Der Formkörper ist also vorzugsweise transparent oder klarsichtig ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements erstreckt sich der Zwischenbereich, der mit einem Gas gefüllt ist, zwischen dem Formkörper und dem Konversionselement, wobei der
Zwischenbereich unmittelbar an den Formkörper grenzt . Das heißt, der Formkörper weist eine den Halbleiterchips abgewandte Außenfläche auf, an der er an den Zwischenbereich grenzt. Der Zwischenbereich kann sich dabei bis zum Anschlussträger erstrecken. Der Zwischenbereich kann in diesem Fall kuppelartig ausgebildet sein. An seiner dem Formkörper zugewandten Innenfläche folgt er der Form der Außenfläche des Formkörpers. An seiner dem Konversionselement zugewandten Außenfläche kann er dem Verlauf der Innenfläche des Konversionselements folgen.
Der Zwischenbereich macht dabei unter anderem von der folgenden Erkenntnis Gebrauch: Im Betrieb des optoelektronischen Bauelements kommt es durch die Erwärmung der Strahlungsemittierenden Halbleiterchips auch zu einer Erwärmung des Formkörpers, in welchem die Halbleiterchips eingebettet sind. Diese Erwärmung kann, insbesondere wenn der Formkörper ein Silikon enthält, zur thermischen Ausdehnung des Formkörpers führen. Der Zwischenbereich ist nun derart dimensioniert, dass der Formkörper trotz dieser thermischen Ausdehnung nicht in Berührung mit dem Konversionselement gelangt. Das heißt, das Konversionselement und der Formkörper sind vorzugsweise auch in Betrieb des optoelektronischen Bauelements stets durch den Zwischenbereich voneinander getrennt, sodass sich Formkörper und Konversionselement nicht in direktem Kontakt miteinander befinden. Dadurch ist unter anderem verhindert, dass sich aufgrund des sich ausdehnenden Formkörpers bei Temperaturerhöhung ein Anheben des
Konversionselements aufgrund des Drucks des Formkörpers auf das Konversionselement ergeben kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst das optoelektronische Bauelement eine
Auskoppellinse, welche an die dem Halbleiterchip abgewandte Außenfläche des Konversionselements grenzt. Die Auskoppelflache kann sich in direktem und unmittelbarem Kontakt mit der Außenfläche des Konversionselements befinden. Die Auskoppellinse kann dabei ein separat gefertigtes Element des optoelektronischen Bauelements darstellen, das beispielsweise gefräst, gedreht oder spritzgegossen ist und in einem Montageschritt über dem Konversionselement befestigt wird.
Darüber hinaus ist es aber auch möglich, dass die Auskoppellinse auf den weiteren Komponenten des optoelektronischen Bauelements gefertigt wird und beispielsweise direkt als Verguss auf das Konversionselement aufgebracht wird.
Die Auskoppellinse ist zumindest im Wesentlichen durchlässig für vom optoelektronischen Bauelement und/oder vom Konversionselement abgestrahlte elektromagnetische Strahlung. Insbesondere ist die Auskoppellinse bevorzugt frei von einem Lumineszenzkonversionsstoff . Das heißt, die Auskoppellinse weist bis auf höchstens geringe Verunreinigungen keinen Lumineszenzkonversionsstoff auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist die Auskoppellinse eine Innenfläche auf, die dem Halbleiterchip zugewandt ist und die von einer inneren Halbkugelfläche mit dem Radius Rκonversion umschlossen ist. Ferner weist die Auskoppellinse eine Außenfläche auf, die den Halbleiterchips abgewandt ist und die eine äußere Halbkugelfläche mit dem Radius Raußen umschließt ist. Dabei folgen die beiden Radien folgender Bedingung: Raußen - Rκonversion x nLinse / nLuft. nLinse und nLuft sind dabei die Brechungsindices der Auskoppellinse beziehungsweise der Umgebung der Auskoppellinse, typischerweise der von Luft.
Bei den inneren und bei den äußeren Halbkugelflachen kann es sich um rein virtuelle Flächen handeln, die nicht notwendigerweise im Bauelement als gegenständliche Merkmale ausgebildet sind oder auftreten. Insbesondere erfüllt die Auskoppellinse die oben genannte Bedingung, auch unter „Weierstrass" -Bedingung bekannt, wenn die Halbkugelschale, welche durch innere und äußere Halbkugelfläche mit den genannten Radien gebildet ist, in ihrer Gesamtheit innerhalb der Auskoppellinse liegt.
Insbesondere ist es auch möglich, dass die Auskoppellinse als Kugelschale ausgebildet ist, deren innerer Radius durch R-κonversion gegeben ist und deren äußerer Radius durch Raußen gegeben ist. Herstellungsbedingt kann dabei die Form der Auskoppellinse in geringer Weise von der mathematisch exakten Kugelform für Innen- und Außenfläche abweichen.
Mit anderen Worten: Erfüllt die Auskoppellinse die genannte Bedingung, so ist die Auskoppellinse derart geformt und von den Halbleiterchips beabstandet, dass die Außenfläche der Auskoppellinse von jedem Punkt der Halbleiterchips aus gesehen unter einem so kleinen Winkel erscheint, dass keine Totalreflexion an der Außenseite der Auskoppellinse auftritt . Eine Auskoppellinse, die dieser Bedingung gehorcht, weist daher nur sehr geringe Strahlungsverluste aufgrund von Totalreflexion an ihrer Außenfläche auf. Die Auskoppeleffizienz des optoelektronischen Bauelements ist damit vorteilhaft erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist der Formkörper, in welchem die optoelektronische Halbleiterchips eingebettet sind, von einer Halbkugelfläche mit dem Radius Rinnen umschlossen. Die Halbleiterchips weisen dabei eine Gesamt-
Strahlungsaustrittsflache mit dem Flächeninhalt A auf . Die Gesamt-Strahlungsaustrittsflache setzt sich dabei aus der Summe der Strahlungsaustrittsflachen der Halbleiterchips zusammen.
Der Flächeninhalt A und der Radius RinneB erfüllen dabei die Bedingung A ≤ 1A x Jl x Rmnen2 • Vorzugsweise ist der Flächeninhalt A dabei ≥ 1/20 x Jl x Rinnen2 • Dabei wird davon ausgegangen, dass ein einziger Formkörper alle Strahlungsemittierenden Halbleiterchips des optoelektronischen Bauelements umhüllt. Ein derart kleiner Flächeninhalt der Gesamt-Strahlungsaustrittsflache der strahlungsemittierenden Halbleiterchips sorgt dafür, dass beispielsweise vom Konversionselement zu den Halbleiterchips zurückreflektierte oder abgestrahlte elektromagnetische Strahlung mit geringer Wahrscheinlichkeit auf die Halbleiterchips trifft, wo sie beispielsweise durch Absorption verloren gehen könnte .
Beispielsweise ist dabei auf der dem Formkörper zugewandten Seite des Anschlussträgers eine reflektierende Schicht angeordnet, welche zumindest stellenweise direkt an den Formkörper grenzt und sowohl für von den Halbleiterchips als auch vom Konversionselement erzeugte elektromagnetische Strahlung eine Reflektivität von wenigstens 80%, bevorzugt von wenigsten 90% aufweist. Besonders bevorzugt weist die reflektierende Schicht eine Reflektivität von wenigstens 98% auf. Die reflektierende Schicht befindet sich dabei vorzugsweise innerhalb der Halbkugel mit dem Radius Rinnen- Auf diese Weise trifft Strahlung mit großer
Wahrscheinlichkeit auf die reflektierende Schicht und nicht auf die Strahlungsaustrittsflachen der Strahlungsemittierenden Halbleiterchips.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist zwischen dem Konversionselement und dem Anschlussträger ein Verbindungsmittel , zum Beispiel ein Klebstof f oder ein Lotmaterial angeordnet . Das
Verbindungsmittel kann unmittelbar an das Konversionselement und den Anschluss träger grenzen . Das Verbindungsmittel , insbesondere der Klebstof f ist dabei vorzugsweise in einer dünnen Schicht aufgebracht , welche eine Dicke von maximal 10 μm , vorzugsweise maximal 6 μm aufweist . Eine solch dünne
Schicht stellt sicher , dass vom Konversionselement erzeugte Wärme besonders ef f i z ient an den Anschlussträger abgegeben werden kann . Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements enthält das Konversionselement einen Lumineszenzkonversionsstoff oder besteht aus einem Lumineszenzkonversionsstoff, der auf einem der folgenden Materialien basiert: Orthosilikat, Thiogallate, Sulfid, Nitrid, Fluorid, Granat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements ist das Konversionselement mit einem Lumineszenzkonversionsstoff gebildet, der durch zumindest einem der folgenden Dotierstoffe aktiviert ist: Eu3+, Mn2+, Mn4+.
Dem hier beschriebenen optoelektronischen Bauelement liegt dabei unter anderem die folgende Erkenntnis zugrunde: Durch die beim hier beschriebenen optoelektronischen Bauelement relativ große Entfernung zwischen Halbleiterchips und Konversionselement verteilt sich die von den Halbleiterchips im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung auf eine relativ große Fläche und auf ein relativ großes Volumen. Dadurch ist der Einsatz von langsam abklingenden Leuchtstoffen möglich. Unter langsam abklingenden Leuchtstoffe sind dabei Leuchtstoffe verstanden, die eine Abklingzeit von > 1 μs aufweisen. Darunter zählen beispielsweise mit Eu3+, Mn2+, Mn4+ aktivierten Lumineszenzkonversionsmaterialien. Durch die relativ große Entfernung von den Halbleiterchips , Konversionselement wird auch bei diesen langsam abklingenden Leuchtstoffen ein Sättigungseffekt unwahrscheinlich. Für schnellere
Leuchtstoffe, wie beispielsweise YAG: Ce, die eine kürzere Abklingzeit aufweisen, werden Sättigungseffekte beim vorliegenden optoelektronischen Bauelement sogar vollständig vermieden.
Darüber hinaus ist es, aufgrund der Verteilung der elektromagnetischen Strahlung auf eine größere Fläche und auf ein größeres Volumen, möglich,
Lumineszenzkonversionsmaterialien einzusetzen, die eine erhöhte Empfindlichkeit für Strahlungsschäden, beispielsweise durch UV-Strahlung, aufweisen. Hier sind zum Beispiel Nitride, wie z. B. Sr2Si5N8:Eu sowie Sulfide, Oxinitride und Fluide zu nennen. Diese Lumineszenzkonversionsmaterialien können beim optoelektronischen Bauelement, wie es hier beschrieben ist, eingesetzt werden.
Aufgrund der Tatsache, dass das Konversionselement gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements aus einer Keramik oder einer Glaskeramik besteht, ist aufgrund der Sinterung der Lumineszenzkonversionsstoffe die effektive Oberfläche des Leuchtstoffs extrem verringert. Dadurch werden aber langsame chemische Reaktionen mit
Feuchtigkeit, CO2 , Sauerstoff oder anderen atmosphärischen Gasen weitgehend unterbunden, da eine verringerte Reaktionsoberflache zur Verfügung steht. Dies betrifft insbesondere Lumineszenzkonversionsstoffe, wie Sulfide, Orthosilikate oder Nitride. Aufgrund der Verwendung eines
Konversionselements, das aus Keramik oder einer Glaskeramik besteht, ist damit auch die Lebensdauer des
Konversionselements und damit des gesamten optoelektronischen Bauelements erhöht.
Aufgrund der Tatsache, dass langsam abklingende Lumineszenzkonversionsmaterialien, wie schmalbandige f-f- Linienemitter (zum Beispiel. Eu3+, Mn4+) in Verbindung mit Halbleiterchips eingesetzt werden können, die UV-Strahlung emittieren, können hohe Farbwiedergabewerte und Effizienzwerte des optoelektronischen Bauelements erreicht werden. Der Nachteil von früh einsetzenden Sättigungseffekten tritt dabei nicht ein.
Darüber hinaus können beim hier beschriebenen Bauelement Lumineszenzkonversionsstoffe mit niedrigen Aktivatorkonzentrationen verwendet werden, mit Konzentration die bis zu 1/100 des bei herkömmlichen
Lumineszenzkonversionsstoffen Üblichen betragen. Das heißt, das hier beschriebene Bauelement ermöglicht auch den Einsatz von Lumineszenzkonversionsstoffen, die sonst aufgrund ihres schlechten thermischen Verhaltens, ihrer Empfindlichkeit gegen atmosphärische Gase oder ihre langsamen Abklingzeit nicht eingesetzt werden können. Darunter fallen zum Beispiel blau-grün bis rot-orange emittierende Orthosilikate, Thiogallate, Sulfide, Nitrid, Fluorid und / oder schmalbandige f-f-Linienemitter .
Im Folgenden wird das hier beschriebene optoelektronische Bauelement anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert .
Die Figuren 1, 2 und 3 zeigen anhand schematischer
Darstellungen unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements .
Die Figuren 4 und 5 zeigen anhand schematischer Auftragungen weitere Eigenschaften von hier beschriebenen optoelektronischen Bauelementen. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren
Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Die Figur IA zeigt eine schematische Perspektivdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen
Bauelements 1. Das Bauelement 1 umfasst einen Anschlussträger 2. Bei dem Anschlussträger 2 handelt es sich vorliegend um eine Metallkernplatine mit einem Grundkörper 21, auf den eine reflektierende Schicht 22 aufgebracht ist, die für von den Strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung reflektierend ist. Beispielsweise besteht die reflektierende Schicht 22 aus Aluminium oder Silber.
Auf den Anschlussträger 2 sind vorliegend fünf
Strahlungsemittierende Halbleiterchips 3 angeordnet. Das optoelektronische Bauelement umfasst dabei vier blaues Licht emittierende, Strahlungsemittierende Halbleiterchips 3b sowie einen rotes Licht emittierenden Halbleiterchip 3r.
Die blaues Licht emittierenden, Strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3b basieren beispielsweise auf dem InGaN- Halbleitermaterialsystem. Der rotes Licht emittierende Halbleiterchip 3r basiert auf dem InGaAlP- Halbleitermaterialsystem. Die Strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 sind formschlüssig von einem Formkörper 7 umhüllt, der im vorliegenden Fall aus einem klarsichtigen Silikon besteht.
Im Betrieb der Strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird von den Halbleiterchips blaues und rotes Licht emittiert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der Figur IA das optoelektronische Bauelement 1 ohne das Konverterelement 4 dargestellt .
In Verbindung mit der schematischen Perspektivdarstellung der Figur IB ist das optoelektronische Bauelement des Ausführungsbeispiels der Figur IA mit dem Konverterelement 4 dargestellt. Das Konverterelement 4 ist - beispielsweise mittels eines Klebstoffs - auf dem Anschlussträger 2 befestigt. Das Konverterelement 4 überspannt den Formkörper 7 sowie die Strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 nach Art einer Kuppel . Das Konverterelement 4 besteht aus einem Keramik-Material oder einem Glas-Keramik-Material. Beispielsweise besteht das Konverterelement 4 aus einem keramischen Lumineszenzkonversionsstoff .
Das Konverterelement 4 absorbiert die von den blauen Halbleiterchips 3b erzeugte elektromagnetische Strahlung zum Teil und wandelt sie in elektromagnetische Strahlung aus dem Spektralbereich von gelbem Licht um. Auf diese Weise wird vom Konversionselement 4 weißes Mischlicht emittiert, das sich aus dem blauen nicht-konvertierten und dem gelben konvertierten Licht zusammensetzt.
Darüber hinaus wird mittels des Konversionselements 4 das rote Licht des strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3r besonders gleichmäßig dem erzeugten weißen Licht beigemischt. Das Konversionselement 4 dient also - neben seinen Eigenschaften als Konverter - auch als Licht streuendes optisches Element, mit dem eine besonders gute Farbmischung erreicht wird.
Insgesamt emittiert das optoelektronische
Halbleiterbauelement also weißes Licht mit einem Rotanteil, wobei der Rotanteil nur einen Bruchteil der Gesamtstrahlung beträgt. Obwohl der Konverter zirka lediglich 85 % des roten Lichts transmittiert , sinkt die Effizienz des optoelektronischen Bauteils auf nur zirka 96 %, da der rote Anteil einen relativ geringen Anteil am erzeugten weißen Mischlicht darstellt.
In Verbindung mit den Figuren 2A bis 2C ist anhand schematischer Darstellungen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauteils 1 näher erläutert . Im Unterschied zum in Verbindung mit den Figuren IA und IB erläuterten Ausführungsbeispiel umfasst das optoelektronische Bauteil in diesem Ausführungsbeispiel neben rot emittierenden Halbleiterchips 3r und blau emittierenden Halbleiterchips 3b zumindest einen weißes Licht emittierenden Halbleiterchip 3g. Der weißes Licht emittierende Halbleiterchip 3g umfasst einen Halbleiterkörper 30, von dem im Betrieb beispielsweise blaues Licht emittiert wird. Auf eine Strahlungsaustrittsflache 3a des Halbleiterkörpers 30 ist - beispielsweise in einer dünnen Schicht ausgeführt - ein weiteres Konversionselement 9 aufgebracht. Das Konversionselement 9 wandelt einen Teil der im Halbleiterkörperchip 30 erzeugten Strahlung in gelbes Licht um, sodass der weißes Licht emittierende Halbleiterchip 3g insgesamt weißes Mischlicht emittiert. Bei dem weißes Mischlicht emittierenden Halbleiterchip 3g handelt es sich also um einen Halbleiterchip, bei dem auf dem Halbleiterkörper 30 direkt ein Konversionselement 9 aufgebracht ist. Vom kuppelartigen Konversionselement 4 wird der blaue Anteil des weißen Lichts zumindest teilweise weiter zu gelbem Licht konvertiert, sodass das vom weißes Licht emittierenden Halbleiterchip 3g erzeugte Licht das optoelektronische Bauteil insgesamt als größtenteils gelbes oder gelbliches Licht verlässt.
Beispielsweise lassen sich mit der Kombination eines blau emittierenden Halbleiterchips 3b, eines rot emittierenden Halbleiterchips 3r und eines weiß emittierenden Halbleiterchips 3g alle Farborte entlang der Planck' sehen Kurve für korrelierte Farbtemperaturen zwischen 2700K und 6000 K einstellen.
Beispielsweise lassen sich die folgenden Lichtquellen realisieren :
- Ein optoelektronisches Bauelement mit einer Gesamt- Strahlungsaustrittsflache der blauen Halbleiterchips von 4mm2 , mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsflache der roten Halbleiterchips von 2mm2 und optional mit einer Gesamt- Strahlungsaustrittsflache der weißen Halbleiterchips von lmm2 ; Dadurch ist eine Warmweiß-Lichtquelle mit einer
Farbtemperatur von zirka 3000K und einem Farbwidergabeindex CRI>90 realisiert. Der optinale weiße Halbleiterchip wird bei mittleren Strömen betrieben und dient zusammen mit einer Ansteuerelektronik dazu die Farbkoordinaten Cx, Cy exakt auf den gewünschten Weißpunkt einzustellen. Das Binning-Problem wird dadurch eliminiert. Dabei ist zu beachten, dass die Effizienz der Halbleiterchips mit der Stromdichte abnimmt. Werden zum beispiel die blau emittierenden Halbleiterchips 3b konstant mit Stromstärken von 350 mA betrieben, wo wird der weiße Halbleiterchip bei einer mittleren Stromstärke von 175 mA betrieben, wobei die Stormstärke zu Einstellung des Weißpunkts zwischen 0 und 350 mA varierbar ist.
Ein optoelektronisches Bauelement mit einer Gesamt- Strahlungsaustrittsfläche der blauen Halbleiterchips von 5mm2, mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsflache der roten Halbleiterchips von lmm2 und optional mit einer Gesamt- Strahlungsaustrittsflache der weißen Halbleiterchips von lmm2 ; Dadurch ist eine kaltweiße Lichtquelle mit einer Farbtemperatur von zirka 6000K und einem Farbwidergabeindex CRI>90 und einer Effizienz > 100 Im/W realisert. Überlicherweise haben solche kaltweißen Lichtquellen bei dieser Effizienz einen Farbwiedergabeindex von CRI<70.
Ein optoelektronisches Bauelement mit einer Gesamt- Strahlungsaustrittsflache der blauen Halbleiterchips von 2mm2, mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsflache der roten Halbleiterchips von 2mm2 und mit einer Gesamt- Strahlungsaustrittsfläche der weißen Halbleiterchips von 3mm2 ; Dadurch ist eine einstellbare Lichtquelle mit einer Farbtemperatur von zwischen 6000K und 2700K, die auf der Planckschen Kurve durchstimmbar ist, und einem Farbwidergabeindex CRI>90 und einer Effizienz > 90 lm/W für alle Farbtemperaturen realisert.
Eine Lichtmischung der von den verschiedenfarbigen Halbleiterchips 3r, 3b, 3g erzeugten elektromagnetischen Strahlung sowie der vom Konversionselement 4 re-emittierten elektromagnetischen Strahlung erfolgt wiederum über das
Konversionselement 4. Auf diese Weise kann auf große optische Elemente wie Lichtboxen oder Mikrolinsenarrays verzichtet werden. Als sekundäre Optik kann den optoelektronischen Halbleiterchips sowie dem Konversionselement 4 daher ein einfacher ausgeführter Reflektor 23 nachgeordnet sein, der beispielsweise parabolisch geformte Innenwände aufweist.
Das optoelektronische Bauteil kann darüber hinaus eine
Anschlussleiste 12 aufweisen, die auf dem Anschlussträger 2 angeordnet sein kann, und über die die
Strahlungsemittierenden Halbleiterchips des Bauteils 1 elektrisch kontaktiert werden können und mit der beispielsweise auch ein Sensor 11 mit einer außerhalb des Bauteils angeordneten Ansteuervorrichtung verbunden sein kann.
Die Figuren 2B und 2C zeigen schematisch eine Draufsicht beziehungsweise eine Seitenansicht des in Verbindung mit der Figur 2A perspektivisch dargestellten optoelektronischen Bauelements .
In Verbindung mit der schematischen Schnittdarstellung der Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen optoelektronischen Bauteils 1 näher erläutert. In dieser Ausführungsform des Bauteils können Halbleiterchips sowie ein optischer Sensor Verwendung finden, wie dies beispielsweise in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 näher erläutert ist.
Das optoelektronische Bauelement umfasst einen Anschlussträger 2. Vorliegend handelt es sich bei dem Anschlussträger 2 um eine Leiterplatte. Der Anschlussträger 2 umfasst einen Grundkörper 21, der aus einem elektrisch isolierenden Material, wie einem Keramikmaterial oder einem Kunststoffmaterial gebildet sein kann. Darüber hinaus ist es möglich, dass es sich bei dem Grundkörper 21 um eine Metallkernplatine handelt.
Auf die Oberseite des Anschlussträgers ist eine reflektierende Schicht 22 aufgebracht. Die reflektierende Schicht 22 bildet eine Verspiegelung des Anschlussträgers 2. Beispielsweise ist die reflektierende Schicht 22 aus einem reflektierenden Metall wie Gold, Silber oder Aluminium gebildet. Darüber hinaus ist es möglich, dass es sich bei der reflektierenden Schicht 22 um einen Bragg-Spiegel handelt.
Auf den Anschlussträger 2 sind die Halbleiterchips 3 aufgebracht. Bei den Strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 handelt es sich um Leuchtdiodenchips. Die Strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 sind auf dem
Anschlussträger 2 befestigt und elektrisch angeschlossen.
Die Strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 sind von einem Formkörper 7 umhüllt. Der Formkörper 7 besteht vorliegend aus Silikon. Der Formkörper 7 ist beispielsweise nach Art einer Halbkugel ausgebildet. Die Strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 sind an ihrer nicht dem Anschlussträger 2 zugewandten Außenflächen formschlüssig vom Formkörper 7 umhüllt. Der Formkörper 7 ist frei von einem Lumineszenzkonversionsstoff.
Der Formkörper 7 ist innerhalb einer Halbkugelfläche mit dem Radius Rinnen angeordnet. Der Radius Rinnen ist dabei derart gewählt, dass der Flächeninhalt der Gesamt- Strahlungsaustrittsflache 33a des Strahlungsemittierenden
Halbleiterchips zwischen 1/20 x H x Rinnen2 und 1A x Jl x Rinnen2 liegt. Auf diese Weise ist die Wahrscheinlichkeit, dass beispielsweise vom Konversionselement 4 zurückreflektierte oder emittierte elektromagnetische Strahlung nicht auf die relativ schlecht reflektierenden Strahlungsaustrittsflachen 3a der Strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 trifft, sondern auf die reflektierende Beschichtung 22, von der sie wieder in Richtung der Umgebung des optoelektronischen Bauelements 1 abgestrahlt werden kann, reduziert.
Zwischen Formkörper 7 und Konversionselement 4 ist ein Zwischenraum 6 angeordnet. Der Zwischenraum 6 ist mit Luft gefüllt. Der Zwischenraum 6 grenzt beim Ausführungsbeispiel der Figur 1 unmittelbar an den Formkörper 7 und an das Konversionselement 4. Der Zwischenraum 6 dient unter anderem als Puffer, für den Fall, dass sich der Formkörper 7 aufgrund von Erwärmung im Betrieb der Strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 ausdehnt. Aufgrund des Zwischenraums 6 ist es beim optoelektronischen Bauelement 1 gewährleistet, dass der Formkörper 7 nicht gegen das Konversionselement 4 drückt, was beispielsweise zum Ablösen des Konversionselements 4 vom Anschlussträger 2 und damit zu einer verschlechterten Wärmeleitfähigkeit vom Konversionselement 4 zum Anschlussträger 2 führen könnte.
Das Konversionselement 4 überspannt die Strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 kuppelartig. Das Konversionselement 4 ist nach Art einer Halbkugelschale ausgebildet. Das Konversionselement 4 umfasst eine Außenfläche 4a und eine Innenfläche 4b, welche dem Halbleiterchip 3 zugewandt ist. Es besteht aus einer Keramik, beispielsweise YAGrCe oder einer gesinterten Glaskeramik, bei der ein keramischer Lumineszenzkonversionsstoff in ein Glas eingebracht ist. Das Konversionselement 4 ist dabei selbsttragend ausgebildet, das heißt es handelt sich beim Konversionselement 4 um eine mechanisch tragfähige Struktur, welche zum Erhalt der kuppelartigen Form keiner weiteren Unterstützungselemente bedarf. Das Konversionselement 4 ist auf dem Anschlussträger 2 befestigt. Vorliegend ist das Konversionselement 4 mittels einer KlebstoffSchicht aus einem Klebstoff 5, welcher unmittelbar an den Anschlussträger und das Konversionselement grenzt, am Anschlussträger 2 befestigt .
Bei dem Klebstoff 5 handelt es sich vorzugsweise um einen Klebstoff, der mit Expoxidharz und/oder Silikon gebildet ist. Der Klebstoff 5 kann dabei aus einem der genannten Materialien bestehen oder eines der genannten Materialien enthalten.
Beispielsweise ist es auch möglich, dass eines der genannten Materialien ein Matrixmaterial des Klebstoffs 5 bildet, in welchem metallische Partikel, wie zum Beispiel Partikel aus Silber, Gold oder Nickel, enthalten sind. Ein derartiger Klebstoff 5 zeichnet sich dann durch eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit aus.
Vorzugsweise wird das Konversionselement 4 mittels einer dünnen KlebstoffSchicht aus dem Klebstoff 5 am Anschlussträger 2 befestigt. Die Klebstoffschicht weist dabei eine - im Rahmen der Herstellungstoleranz - gleichmäßige
Dicke auf. Die Dicke der Klebstoffschicht aus dem Klebstoff 5 beträgt vorzugsweise zwischen 1 μm und 10 μm, besonders bevorzugt zwischen 4 μm und 6 μm, beispielsweise 5 μm.
Eine solch dünne Klebstoffschicht aus dem Klebstoff 5 trägt zur verbesserten Wärmeableitung vom Konversionselement 4 zum Anschlussträger 2 bei. Im Betrieb der strahlungsemittierenden Halbleiterchips wird elektromagnetische Strahlung in Richtung des Konversionselements 4 abgestrahlt. Das Konversionselement 4 enthält oder besteht aus einem Lumineszenzkonversionsstoff, welcher zumindest einen Teil dieser Strahlung in elektromagnetischer Strahlung einer anderen Wellenlänge oder eines anderen Wellenlängenbereichs umwandelt . Dabei entsteht Wärme, welche vom Konversionselement 4 an der Anschlussträger 2 abgegeben wird. Das Konversionselement 4 zeichnet sich dabei unter anderem durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1,0 W/mK aus.
Dem Konversionselement 4 folgt von den strahlungsemittierenden Halbleiterchips in Außenrichtung gesehen eine Außenkoppellinse 8 nach. Die Auskoppellinse 8 kann aus Glas oder einem Kunststoffmaterial wie beispielsweise Silikon, Epoxid oder Epoxid- Silikon- Hybridmaterial gebildet sein. Die Auskoppellinse 8 ist transparent zumindest für Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und insbesondere frei von einem Lumineszenzkonversionsstoff .
Die Auskoppellinse 8 weist eine halbkugelförmige Innenfläche 8b auf, die einen Radius Rκonversion aufweist. Ferner weist die Auskoppellinse 8 eine Außenfläche 8a auf, welche durch eine Halbkugelfläche mit Radius Raußen gebildet ist. Sämtliche Radien sind dabei vom Punkt M aus gebildet, der durch den Schnittpunkt der Mittel-Achse 10 mit der Montagefläche des Anschlussträgers 2 gebildet ist. Die Mittel-Achse 10 ist dabei vorzugsweise die Mittelachse durch die
Strahlungsaustrittsfläche 3a des zentral angeordneten strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3, welche - im Rahmen der Herstellungstoleranz - senkrecht auf epitaktisch gewachsenen Schichten des Strahlungsemittierenden Halbleiterchips 3 steht. Die Radien für die Innenfläche 8b und die Außenfläche 8a der Auskoppellinse 8 folgen dabei folgender Bedingung: Raußen ≥ Rκonversion * nLinse / nLuft, wobei nLinse der Brechungsindex der Auskoppellinse 8 und nLuft der Brechungsindex der Umgebung der Auskoppellinse ist.
Ist diese Bedingung erfüllt, so ist sowohl für von den strahlungsemittierenden Halbleiterchips im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung, für vom Konversionselement reemittierte Strahlung und für von der reflektierenden Schicht 22 reflektierte Strahlung die Bedingung für Totalreflexion an der Außenfläche 8a der Auskoppellinse 8 nicht erfüllt.
Dieses optische Konzept ist - für ein andersartiges optoelektronisches Bauelement - auch in der Druckschrift DE 102007049799.9 erläutert, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen wird.
In Verbindung mit der schematischen Auftragung der Figur 4 ist gezeigt, dass mittels einem hier beschriebenen optoelektronischen Bauelements 1 eine Lichtquelle angegeben werden kann, die weißes Licht einer korrelierten Farbtemperatur (CCT) in einem Bereich zwischen 2700 K und 6000 K mit hoher Effizienz und relativ hohem
Farbwiedergabeindex (CRI) erzeugen kann. Die Effizienz beträgt dabei für alle Farbtemperaturen über 100 lm/W, der Farbwiedergabeindex ist größer als 90. Dabei kommen blaue strahlungsemittierende Halbleiterchips 3b und weißes Licht emittierende Halbleiterchips 3g unter dem Konversionselement
4 zum Einsatz . In Verbindung mit der Figur 5 ist eine warmweiße Lichtquelle bei einer Farbtemperatur von 3000 K beschrieben, die zusätzlich zu einem hohen Farbwiedergabeindex CRI größer 90 einen verbesserten Farbwiedergabeindex R9 für die Darstellung von rotem Licht aufweist. Dazu enthält das optoelektronische Bauelement zumindest einen tief rotes Licht emittierenden Halbleiterchip mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsflache von 1 mm2. Ferner enthält das optoelektronische Bauelement zumindest einen blaues Licht emittierenden Halbleiterchip 3b mit einer Gesamt-Strahlungsaustrittsflache von 4mm2. Weiter enthält das optoelektronische Bauelement zumindest einen rotes Licht emittierenden Halbleiterchip 3r mit einer Gesamt- Strahlungsaustrittsflache von 2 mm2.
Die Figuren 5A bis 5C zeigen anhand schematischer Darstellungen die Spektren von hier beschriebenen Lichtquellen für Werte von R9 = 63, 90 und 98. Die Figur 5D zeigt anhand von Balkendiagrammen den Farbwiedergabeindex CRI, den Farbwiedergabeindex R9 sowie die Effizienz in Im/W für diese drei Lichtquellen. Dabei ist zu sehen, dass der
Verlust an Effizienz für einen Wert von R9 = 90 nur etwa 10 % beträgt. Für einen Wert von R9 = 98 beträgt der Verlust an Effizienz lediglich 16 %.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen
Patentanmeldung 10 2008 057 140.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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. Optoelektronisches Bauelement (1) mit
- einem Anschlussträger (2) , auf dem zumindest zwei Strahlungsemittierende Halbleiterchips (3) angeordnet sind,
- einem Konversionselement (4), das am Anschlussträger (2) befestigt ist, wobei
- das Konversionselement (4) die Halbleiterchips (3) derart überspannt, dass die Halbleiterchips (3) vom Konversionselement (4) und dem Anschlussträger (2) umgeben sind, und
- zumindest zwei der Strahlungsemittierenden Halbleiterchips (3) sich hinsichtlich der Wellenlängen der von ihnen im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung voneinander unterscheiden, wobei das
Konversionselement (4) die Halbleiterchips (3) insbesondere nach einer Art einer Kuppel überspannt.
2. Optoelektronisches Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem zwischen den Halbleiterchips (3) und dem Konversionselement (4) zumindest ein Zwischenbereich (6) angeordnet ist, der mit einem Gas befüllt ist.
3. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen
Ansprüche, bei dem zwischen dem Konversionselement (4) und dem Anschlussträger (2) ein Verbindungsmittel, insbesondere ein Klebstoff (5) angeordnet ist, das unmittelbar an das Konversionselement (41 und den Anschlussträger (2) grenzt.
4. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem das Konversionselement (4) aus einem Keramik-Material oder einem Glas-Keramik-Material besteht.
5. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem zumindest einer der strahlungsemittierenden Halbleiterchips (3) im Betrieb elektromagnetische Strahlung aus dem Spektralbereich von rotem Licht oder von weißem Licht emittiert .
6. Optoelektronisches Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der weißes Licht emittierende Halbleiterchip (3) einen Halbleiterkörper (30) umfasst, dem an einer Strahlungsaustrittfläche ein weiteres Konversionselement (9) nachgeordnet ist, welches zumindest einen Teil der im Halbleiterkörper (30) im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung in elektromagnetische Strahlung aus dem Spektralbereich von gelbem Licht umwandelt.
7. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem auf dem Anschlussträger (2) ein optischer Sensor (11) befestigt ist, der vom Konversionselement (4) derart überspannt ist, dass der optische Sensor (11) vom
Konversionselement (4) und dem Anschlussträger (2) umgeben ist, wobei der optische Sensor (11) eingerichtet ist im Betrieb die von den strahlungsemittierenden Halbleiterchips (3) im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung zu detektieren.
8. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Halbleiterchips (3) und gegebenenfalls der optische Sensor (11) in einem Formkörper (7) eingebettet sind.
9. Optoelektronisches Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem sich der Zwischenbereich (6) zwischen dem Formkörper (7) und dem Konversionselement (4) erstreckt, wobei der Zwischenbereich (7) unmittelbar an den Formköper (7) grenzt.
10. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem eine Auskoppellinse (8) an die den Halbleiterchips (3) abgewandte Außenfläche (4a) des Konversionselements grenzt.
11. Optoelektronisches Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Auskoppellinse (8) aufweist: - eine Innenfläche (8b), die den Halbleiterchips (3) zugewandt ist, und die von einer inneren Halbkugelfläche mit dem Radius Rκonversion umschlossen ist, und
- eine Außenfläche (8a) , die den Halbleiterchips (3) abgewandt ist und die eine äußere Halbkugelfläche mit dem Radius Raußen umschließt, wobei
- die Radien RKonversion und Raußen, folgende Bedingung erfüllen: Raußen ≥ FWversion * nLinse / nLuft , wobei nLinse der Brechungsindex der Auskoppellinse (8) und nLuft der Brechungsindex der Umgebung der Auskoppellinse (8) ist.
12. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem - der Formkörper (7) von einer Halbkugelfläche mit dem Radius Rinnen umschlossen ist,
- die Halbleiterchips (3) eine Gesamt- Strahlungsaustrittsflache (33a) mit dem Flächeninhalt A aufweisen, und
- der Flächeninhalt A und der Radius Rinnen die Bedingung A<l/2*Pi*Rinnen 2 erfüllen.
13. Optoelektronisches Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der Flächeninhalt A und der Radius Rinnen die Bedingung A>l/20*Pi*Rinnen 2 erfüllen.
14. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Konversionselement (4) einen Lumineszenzkonversionsstoff enthält oder aus einem Lumineszenzkonversionsstoff besteht, der auf einem der folgenden Materialien basiert: Orthosilikat , Thiogallate, Sulfid, Nitrid, Fluorid, Granat.
15. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Konversionselement (4) einen Lumineszenzkonversionsstoff enthält oder aus einem
Lumineszenzkonversionsstoff besteht, der mit einem der folgenden Dotierstoffe aktiviert ist: Eu3+, Mn2+, Mn4+.
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