WO2012022813A1 - Strahlung emittierendes bauelement mit einem konvertermaterial, mit einem thermisch leitenden kontakt und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Strahlung emittierendes bauelement mit einem konvertermaterial, mit einem thermisch leitenden kontakt und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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radiation
filler
transparent body
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Gertrud KRÄUTER
Ralph Wirth
Stefan Lange
Frank Jermann
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
Osram Ag
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Definitions

  • the invention relates to a radiation-emitting component and to a method for producing the component.
  • the converter material converts a portion of the incident radiation into a radiation having a changed, longer wavelength, so that the converted radiation is a
  • the energy difference usually accumulates in the form of heat energy, so that the incident radiation
  • converter material is strongly heated.
  • efficiency of the converter material is temperature-dependent
  • the efficiency of the converter material can be greatly reduced.
  • the color impression of the light emitted by the component may also depend on the temperature in the component.
  • the converter materials can give a component a colored appearance when switched off (so-called "off-state appearance").
  • Converter materials which are excited, for example, by light in the blue spectral range, also absorb incident light, for example daylight, in the switched-off state corresponding wavelength range. Depending on the converter material this then has a yellowish, orange, reddish or green body color.
  • the radiation coupling out is particularly advantageous in the case of components in which a converter material is spatially separated from the radiation-emitting region.
  • radiation-emitting devices are high-efficiency, low-radiation-loss and high
  • Another object to be solved is to specify a method for producing the radiation-emitting component.
  • the invention relates to a radiation-emitting component which comprises a radiation source containing semiconductor materials which, during operation, emits a first radiation having a first wavelength.
  • the radiation-emitting component is also referred to below as the "component".
  • the component comprises a transparent body comprising a matrix material and an inorganic filler.
  • the transparent body is at least partially arranged in the beam path of the first radiation.
  • the inorganic filler is also referred to hereinafter only as a "filler".
  • the component comprises a converter material which is at least partially in the
  • Beam path of the first radiation is arranged.
  • Converter material converts at least a portion of the first radiation into a second radiation having a second, longer wavelength. That is, the first radiation has a higher energy than the second radiation.
  • conversion heat energy difference can be incurred in particular in the form of heat energy.
  • conversion heat The heat energy generated by conversion is also referred to below as "conversion heat”.
  • Converter material at least partially in a thermally conductive contact with at least a portion of the filler of the transparent body. This has the consequence that at least a part of the conversion heat delivered to the filler
  • the converter material is advantageously protected against overheating and / or the efficiency of the converter material is increased.
  • the improved heat dissipation is characterized by the fact that a higher proportion of the first radiation is converted into the second radiation.
  • the improved heat dissipation the device may ⁇ example also be operated at higher currents than conventional radiation emitting devices.
  • the radiation source containing semiconductor materials is, for example, a light-emitting diode (LED) or laser diode.
  • LED light-emitting diode
  • As a radiation source it is also possible to use a plurality of light-emitting diodes and / or laser diodes which emit at the same or at different first wavelengths.
  • the spectrum of the first radiation is referred to as the first wavelength.
  • the first wavelength can be in the visible range of
  • the first radiation can
  • the semiconductor materials are not in the invention.
  • Gallium, aluminum, nitrogen, phosphorus, arsenic, oxygen, silicon, carbon or combinations may be selected, for example indium gallium nitride (InGaN) or indium gallium aluminum phosphide (InGaAlP). Other elements or additions can be used.
  • InGaN indium gallium nitride
  • InGaAlP indium gallium aluminum phosphide
  • converter materials are not limited according to the invention. Ceramics doped with rare-earth metals and / or transition metals may be used as the phosphor described, for example, in WO98 / 12757, the contents of which are hereby incorporated by reference.
  • the converter material may comprise a phosphor or a combination ⁇ nation of different phosphors or consist thereof. By using the converter materials, the color impression of the emitted radiation is modified.
  • the component can emit, for example, radiation with a white color impression or a different color impression. According to another embodiment, the form changes
  • Refractive index of the matrix material and the refractive index of the inorganic filler with temperature is different for the matrix material and ⁇ for the filler as a rule.
  • the refractive index also called refractive index, is determined with a refractometer, in which the temperature can be adjusted and / or regulated. It is assumed as room temperature, a temperature of 20 ° C. The following
  • Refractive indices given have been determined for the wavelength of the sodium D line at 589 nm.
  • the indication of a refractive index at room temperature thus corresponds in this application to the so-called n D 20 .
  • the accuracy of an indication of a refractive index is at least 0.001 and in particular at least 0.0005.
  • the matrix material and the filler are selected according to the invention so that the
  • thermo-optical coefficient dn / dT indicates the change of the refractive index n with the change of the temperature T. That is, it describes the change in the refractive index per ° C.
  • the course of the refractive index with respect to the temperature in the relevant temperature range for both the matrix material and for the filler can be approximately described by a straight line. These lines may have a different pitch, with a
  • Operating temperature is. This temperature may be up to 20 ° C, especially up to 10 ° C and often up to 5 ° C higher or lower than the operating temperature or her
  • thermo-optical coefficient indicates the slope of such a straight line.
  • thermo-optical coefficient can be determined for a material by several measurements of the refractive index at different temperatures.
  • the matrix material at room temperature has a thermo-optical coefficient of -5 * 1 (T 5 to -5 * 1 (T 3 1 / ° C, in particular from -1 * 1 (T 4 to -1 * 1 (T 3 1 / ° C on.
  • thermo-optical coefficient of the filler is usually smaller than the thermo-optical coefficient of the filler
  • the filler has at room temperature a thermo-optical coefficient of up to -5 * 1CT 5 1 / ° C, for example -5 * 1CT 7 to -5 * 1CT 5 1 / ° C on. That is, in the relevant temperature range, the refractive index of the filler usually changes less than the refractive index of the matrix material.
  • the refractive index of the filler as compared to the refractive index of the matrix ⁇ material at least in the relevant temperature range approximately constant.
  • the temperature in the device usually corresponds to the ambient temperature, for example room temperature.
  • the temperature in the component initially rises sharply and usually reaches after some time (at constant current and constant ambient temperature) a relatively constant value. This usually happens within up to 30 minutes.
  • the operating temperature is understood to mean a temperature in the component that is at a
  • Component can be obtained and remain constant.
  • Temperature is also referred to below as "operating temperature ⁇ .
  • the operating temperature is considered constant when the temperature during the ongoing
  • the operating temperature of the component is up to 200.degree.
  • the operation ⁇ temperature is in particular between 70 ° C and 150 ° C, often between 80 ° C and 120 ° C, for example at 110 ° C.
  • the transparent body is preferably at Radiotem ⁇ temperature in the wavelength ranges of the first and second Radiation transparent.
  • a wavelength "transparent" means that a transmission of> 70%, in particular> 80%, for example 86%, is present at the corresponding wavelength.
  • the matrix material has a refractive index which at room temperature is 0.01 to 0.04 and in particular 0.015 to 0.035 higher than that
  • Refractive index of the filler is.
  • the difference between the refractive indices of the matrix material and the filler is ⁇ 0.01, in particular ⁇ 0.0075, for example ⁇ 0.005, at operating temperature.
  • the transparent body has a transmission at a wavelength of 600 nm of> 90%, in particular> 95% and often> 98%, at the operating temperature. This figure does not take into account any Fresnel losses that occur when entering and exiting (each about 4%) of the radiation in the transparent body.
  • the refractive index of the matrix material may be higher or lower than or equal to the refractive index of the filler. Due to the small or nonexistent difference of the refractive indices at the operating temperature, the radiation generated in the component is virtually not scattered and / or absorbed by the transparent body, as a result of which radiation losses are reduced or avoided. In contrast, when
  • the transparent body diffuses light comparatively strongly at room temperature.
  • the transparent body can be opaque. This effect will also be at temperatures near or below room temperature
  • the transparent body scatters even in the off state of the device according to at least one imple mentation form of the application relatively strong incident light, so that the body color of the converter material from the outside, so for the viewer, hardly or ideally no longer perceptible.
  • the transparent body scatters even in the off state of the device according to at least one imple mentation form of the application relatively strong incident light, so that the body color of the converter material from the outside, so for the viewer, hardly or ideally no longer perceptible.
  • Radiation decoupling area of the device therefore in the off state, a white or colorless impression (off-state appearance) on.
  • the transparent body can thus act as a diffuser in the off state.
  • the transparent body can thus act as a temperature-dependent diffuser, which absorbs strong light in the off state, but hardly absorbs light at operating temperature.
  • the component has a much higher efficiency in operation than conventional ones
  • this can reduce the angular dependence of the radiation or improve the color homogeneity.
  • the inorganic filler may comprise or consist of a metal fluoride, for example an alkaline earth fluoride.
  • metal fluoride may be magnesium fluoride
  • LiF lithium fluoride
  • CaF 2 calcium fluoride
  • Barium fluoride (BaF 2 ) or a combination thereof.
  • the metal fluoride may typically be a
  • the filler may be monocrystalline and / or polycrystalline.
  • the inorganic filler may be a glass, quartz, silica gel, SiO 2 particles,
  • the filler comprises or consists of a silicate, a ceramic or a
  • Alumina for example corundum.
  • the matrix material may comprise or consist of a silicone, an epoxy resin, an acrylic resin, a polyurethane, a polycarbonate or a combination thereof.
  • the matrix material may also comprise or consist of a mixture of different plastics and / or silicones.
  • the matrix material may in particular be a silicone, a methyl-substituted silicone, for example poly (dimethylsiloxane) and / or polymethylphenylsiloxane, a cyclohexyl-substituted silicone, for example
  • Poly (dicyclohexyl) siloxane or a combination thereof, or consist thereof.
  • an epoxy resin or an acrylic resin may have a refractive index at room temperature of 1.46 to 1.60,
  • a polycarbonate typically has a higher refractive index, as example ⁇ 1:55 to 1.65, in particular 1:58 to 1.60 to.
  • a silicone has a refractive index of 1.40 to 1.54.
  • Matrix material is set so that it is higher than the refractive index of the filler at room temperature, since often the thermo-optical coefficient of the matrix material is higher than the thermo-optical coefficient of the filler, and thus the refractive index of the matrix material with increasing
  • a borosilicate glass filler may be a matrix material comprising or consisting of an epoxy resin, a polycarbonate, or a combination thereof.
  • a matrix material comprising or consisting of a silicone or an acrylic resin may be suitable.
  • the term is applied to a
  • inorganic filler comprising or consisting of a metal fluoride, a silicone or a combination of
  • silicones used as matrix material It is also possible to use a combination of at least one silicone with at least one other plastic.
  • the refractive index of a silicone depends in particular on the organic substituents R 1 , R 2 and R 3 am
  • Silicon atom as well as the degree of branching of the silicone. Terminal groups of the silicone can be described with R 1 R 2 R 3 SiOi / 2, linear groups with R 1 R 2 SiO 2/2 and branching groups with R 1 SiO 3/2. R 1 and / or R 2 and / or R 3 may be independently selected on each silicon atom. R 1 , R 2 and R 3 are selected from a variety of organic substituents having a different number of carbon atoms. The organic substituents may be in any proportion to one another in a silicone. As a rule, a substituent has 1 to 12, in particular 1 to 8,
  • R 1 , R 2 and R 3 are made Methyl, ethyl, cyclohexyl or phenyl, especially methyl and phenyl.
  • a silicone that is rich in methyl groups may have a low refractive index, for example from 1.40 to 1.44.
  • a silicone rich in phenyl groups or cyclohexyl groups may have a higher refractive index.
  • the refractive indices can be selected by the choice of the substituents and / or by hybrid materials, for example silicone epoxy,
  • a polymethylphenylsiloxane having a refractive index between 1.48 and 1.50, for example 1.49 can be used.
  • a cyclohexyl substituted silicone having a refractive index of 1.47 to 1.49, for example 1.48 may also be suitable for Si0 2 particles.
  • a silicone rich in methyl groups is suitable.
  • poly (dimethylsiloxane) can be used, which is advantageous because it is particularly inexpensive.
  • the matrix material may comprise or consist of a polymer mixture of silicones having different organic substituents. But it is also possible that a silicone co-polymer is produced from different monomers, the
  • a mixture of different silicone co-polymers with different refractive indices may also be used to adjust the refractive index of the matrix material.
  • the transparent body contains
  • Filler for example, 50% by weight filler.
  • a lower filler content may also be used.
  • the filler content may be 5 to 50% by weight.
  • the filler content is usually 10 to 40% by weight, in particular 15 to 30% by weight. In this range, a very good scattering effect of the transparent body is obtained at room temperature. At a very high filler content, the scattering effect at room temperature could decrease somewhat.
  • the filler forms coherent filler paths in the transparent body. These filler paths are also called percolation paths and usually form statistically. They can extend over the entire transparent body.
  • the heat conductivity of the transparent body is increased by filler paths.
  • Matrix material to the filler are reduced or avoided even at a high filler content of> 30% by volume, in particular> 40% by volume, radiation losses or brightness ⁇ losses in the transparent body.
  • the permeability of the transparent body is reduced compared to a conventional matrix of a pure polymer material, in particular of a silicone.
  • the transparent body in particular has a lower permeability to moisture and / or noxious gases. As a result, in particular the radiation source is protected, whereby the life of the device is increased.
  • the thermal expansion coefficient of the transparent body is lower than that of a conventional matrix of a pure polymer material. This allows the Life of the device can be increased because, for example, the risk of cracks in the transparent body is lowered.
  • the filler has an average particle size of up to 100 ⁇ .
  • the by-average ⁇ grain size is usually between 100 nm and 20 ⁇ , in particular from 5 to 20 ⁇ .
  • at least partially smaller particles for example ⁇ with an average diameter ⁇ 1 ⁇ , preferably 200 to 800 nm and in particular 200 to 500 nm, can be used, since with these the radiation can be strongly scattered, resulting in an improved Color homogeneity can lead.
  • Particles having an average diameter of between 100 nm and 1 ⁇ m are particularly suitable for effecting a strong scattering of the transparent body in the switched-off state and a reduced scattering at the operating temperature, that is to provide a temperature-dependent diffuser.
  • the diameter is usually used. The particle diameter is determined by a sieving method.
  • the filler may for example consist of spherical or almost spherical particles, so that the diameter corresponds approximately to the grain size.
  • the filler may also have other particle shapes, for example angular, elongated or amorphous particle shapes. For such particles, the average diameter is used as a measure of the grain size.
  • the filler has a particle size of> 2 ⁇ and in particular of> 4 ⁇ on.
  • Such execution ⁇ form may in particular find use in a device, wherein the converter material is arranged directly on or near the radiation source, because in such devices the color impression of the converter material for the
  • the filler has a higher thermal conductivity than the matrix material.
  • the thermal conductivity of the pure matrix material is
  • Silicone has a thermal conductivity of 0.12 to 0.18
  • the inorganic filler has a thermal conductivity of> 1.0 W / mK, in particular of> 10 W / mK.
  • spherical Si0 2 particles have a thermal conductivity of 1.38 W / mK.
  • metal fluorides generally have a significantly higher thermal conductivity, for example MgF 2 a of 14 W / mK, LiF a of 11 W / mK, CaF 2 a of 10 W / mK and BaF 2 a of 12 W / mK.
  • the transparent body has a thermal conductivity of> 0.25 W / mK and
  • the transparent body of the device according to the invention advantageously has a higher thermal conductivity than a conventional matrix of a pure polymer ⁇ material.
  • the heat transfer through the transparent body can be done in particular via trained Grestoffpfade. Even if the filler content below the
  • Percolation threshold is, the thermal conductivity of the transparent body is higher than that of a pure
  • the component has a housing with a recess.
  • the housing may ⁇ example, a plastic, a ceramic, or a combination thereof or consist thereof.
  • the housing may also comprise radiation-reflecting materials, in particular on the side walls of the recess.
  • the radiation source, the transparent body and the converter material can be arranged in the recess.
  • Recess may in particular obliquely to the bottom of the
  • the radiation source is arranged at the bottom of the recess.
  • the transparent body fills the recess at least partially and can perform the function of a potting compound or a scattering body
  • the component comprises a bonding pad and a bonding wire, which conductively connects the radiation source to the bonding pad.
  • the bonding pad can also be arranged in the recess. The bondpad and the
  • Radiation source are connected to electrically conductive terminals, which can lead out of the housing.
  • the electrically conductive terminals may be at least part of a lead frame. According to another embodiment, the
  • Radiation source in thermally conductive contact with a heat sink, such as a part of the lead frame.
  • At least parts of the radiation source, of the electrical connections, and / or of the leadframe have a high thermal conductivity and can serve to dissipate heat from the component and, in particular, from the radiation source. This also heat through the transparent body or on the filler ⁇ paths in the transparent body can be derived.
  • the converter material is at least partially thermally conductive via the transparent body or via the filler paths in the transparent body with the radiation source and / or with the electrically conductive connections and / or with the
  • the temperature on the converter material which is in thermally conductive contact with the filler in the transparent body, can be reduced by up to 40% compared to a conventional component of similar design without filler.
  • the temperature on the converter material can be reduced by 15 to 30%, in particular 22 to 30% and frequently 25 to 30%.
  • the temperature at 40 to 60 wt% filler content by 20 to 40%, in particular by 30 to 40% and often 35 to 40%, can be lowered.
  • the components have a matrix material whose refractive index, as described above, is adapted to the refractive index of the filler such that the difference of the refractive indices of the matrix material and reduces the filler at operating temperature.
  • this results in a more constant color impression for the radiation emitted by the component.
  • ⁇ theta
  • emissive components is reduced because the heat of conversion is efficiently dissipated by the converter material via the transparent body or via the filler paths in the transparent body. As a result, a higher color consistency is advantageously achieved.
  • the transparent body is provided with particles which comprise or consist of a converter material. These particles can be distributed homogeneously in the transparent body.
  • Body can form, for example, together with the particles, a potting compound, which fills the recess of the component in whole or in part.
  • the transparent body can also be produced as a layer, for example, in the recess or in the region of the opening of the recess
  • Converter material is at least partially in
  • the particles are in a thermally conductive contact with at least one
  • a filler path can be interrupted by such a particle and still be normal
  • One such interrupted Filler path may also be understood as two separate filler paths leading out of the transparent body from the particle.
  • the particles with the filler or contiguous paths may also be understood as two separate filler paths leading out of the transparent body from the particle.
  • the particles which comprise the converter material include or consist of, as a rule, a size of up to 60 ⁇ , in particular from 5 to 40 ⁇ and often from 10 to 30 ⁇ on.
  • the component comprises a conversion element.
  • the conversion element comprises the converter material, it can also others
  • the conversion element may be formed as a discrete element, that is, the conversion element by optical methods, for example by light microscopy, clearly from its environment or other parts of the device
  • the conversion element can be self-supporting, so that it can be handled with tweezers or another tool.
  • the transparent body forms a conversion element with particles which contain or consist of the converter material.
  • Conversion element may include other materials such as binders.
  • the conversion element may be formed discretely and / or self-supporting. Due to the thermally conductive contact of the converter material with the filler, the heat of conversion is at least partially removed to the edge of the conversion element.
  • the conversion element which contains the converter material and the
  • a spaced conversion ⁇ element is the so-called "remote phosphor conversion”.
  • a conversion element can also be combined with a second conversion element which is arranged close to or directly on a radiation source (so-called “chip-level conversion").
  • the conversion element is spaced from the radiation source by a potting compound.
  • This potting compound can be a conventional
  • Potting compound of a polymer material may comprise or consist of a transparent body.
  • the conversion heat is removed at least partially via the transparent body or via the filler paths of the conversion element.
  • the component may be a conversion ⁇ element comprising a transparent body, and also include a sealing compound, containing a transparent body or consists thereof.
  • the distance between the conversion element and the radiation source ⁇ 200 ⁇ , and in particular ⁇ 50 ⁇ , so that the conversion near the
  • Conversion element preferably has a platelet or a chip form. Other shapes can also be used.
  • the conversion element is for example cohesively connected by a potting compound with the radiation ⁇ source.
  • the component can be another
  • Vergussmasse include, for example, the remaining
  • At least one of the potting compounds comprises a transparent body or consists of a transparent body.
  • the two potting compounds can also be identical.
  • the conversion element has a distance of> 200 ⁇ , in particular of> 750 ⁇ and often of> 900 ⁇ to the radiation source, so that the conversion takes place at a large distance from the radiation source (remote phosphor conversion).
  • the conversion element can via a potting compound from the radiation source
  • the potting compound may comprise or consist of a silicone, an epoxy resin, an acrylic resin, a polyurethane, a polycarbonate or a combination thereof.
  • the potting compound may also comprise or consist of a transparent body.
  • the conversion element may also be spaced from the radiation source via a cavity. Such a cavity may be filled with air, an inert gas or gas mixture.
  • the conversion element can, as already described above, also a transparent
  • Body include.
  • the conversion element is arranged in the opening of the recess.
  • Conversion element may be formed, for example, as a flat or curved layer.
  • the conversion can ⁇ selement an average layer thickness of 10 to 2000 ⁇ .
  • the Layer thickness can be 50 to 1000 ⁇ , in particular 50 to 500 ⁇ .
  • this encloses
  • Conversion element a curved hollow body.
  • the conversion element encloses a hollow body together with at least one further part of the component.
  • This part may for example be a carrier on which the radiation source is arranged, or a housing, in the recess of which the radiation source is arranged.
  • the conversion element can in this case as
  • the hollow body may, for example, have the shape of a hollow hemisphere, a hollow spherical segment.
  • the radiation source is preferably arranged in the hollow body and can of the
  • Conversion element be spaced, for example,> 750 ⁇ (remote phosphor conversion).
  • the resulting hollow body can be partially or completely filled, for example, with air, an inert gas, but also with a potting compound or a transparent body according to at least one embodiment.
  • the conversion element can
  • the body color of the converter ⁇ material for the viewer from the outside barely or not at all perceptible; rather, the conversion element gives an aesthetically advantageous white or colorless impression.
  • the component comprises a conversion element which contains the converter material and is spaced from the radiation source, wherein the
  • the transparent body on the from the radiation source opposite side of the conversion element is arranged.
  • the transparent body can be directly on the
  • Conversion element may be generated so that the filler is also at least partially in a thermally conductive contact with the converter material.
  • a thermally conductive, transparent layer for example made of glass, silicone or plastic, can be produced therebetween.
  • ⁇ advantageous way legally surrounds the transparent body the conversion ⁇ element, so that it is wrapped from the outside, and thus hardly colored to the viewer at room temperature but
  • the transparent body arranged on the conversion element has an average layer thickness of 50 to 500 ⁇ m. With these low layer thicknesses, only very little is used during operation
  • ⁇ temperature at which the transparent body its form-doping with the converter materials and / or the choice of the converter material, adapted, for example, in a conversion element so highest transparency is meant a deviation of ⁇ 3 ° C, in particular of ⁇ 2 ° C. The deviation can even be ⁇ 1 ° C. Under “highest transparency” becomes thereby one
  • an enveloping layer can be produced on the conversion element at least partially.
  • This layer may in particular consist of glass or a transparent plastic and may also form an outer wall of the component, for example the envelope of a luminaire.
  • Enveloping layer may be arranged a transparent body according to at least one embodiment of the application.
  • the conversion element or a potting compound can form a lens.
  • the lens may, for example, the opening of the recess
  • the lens may have a cavity that may be filled with another material.
  • This material may for example be a gas, a gas mixture, a plastic or a polymeric material, a glass or other material or a
  • the heat of conversion is better dissipated from the converter material because the distance to, for example, the radiation source and / or the electrically conductive terminals and / or the leadframe is short.
  • the converter material in a component with "remote phosphor conversion" construction ⁇ Lich due have a higher efficiency than the same material in converter ⁇ "chip-level conversion". This applies to components in which particles containing or consisting of the converter mat material are mixed with a potting compound. Due to the larger distance to the source of radiation ⁇ the conversion heat often insufficiently Converter material are dissipated.
  • the heat transfer can be at least partially over the transparent body relationship ⁇ , via the Grestoffpfade in the transparent body
  • Remote phosphor conversion or with a potting compound having a transparent body, which is mixed with particles that contain or consist of the converter material, increases the efficiency of the converter material and prevents overheating of the converter material.
  • converter materials can be used for a
  • a device with "remote phosphor conversion" has a better radiation characteristics, since a more diffuse radiation without observer glare, as it can occur in a conversion near the radiation source, can be obtained.
  • the temperature load for radiation source and housing may be lower, whereby the life of the device is increased.
  • Radiation source increases the efficiency, since the housing usually has a higher reflectivity for the radiation of the first and second wavelength than the radiation source.
  • the housing may be provided with a reflector, for example, so that the reflectivity is> 90%, while the reflectivity of the radiation source is often ⁇ 90%.
  • the transparent body can also be used in incandescent lamps, halogen incandescent lamps, in particular halogen incandescent lamps with a large base such as an E27 socket or even compact fluorescent lamps ⁇ .
  • the body color of a converter material or the glow wires or terminals through the transparent body as the
  • the transparent body can be arranged, for example, on or in the enveloping bulb of such a luminaire. At operating temperature then the
  • Refractive index of the matrix material at room temperature equal to or up to 0.04 smaller than the refractive index of
  • this difference When heated to operating temperature, this difference may increase, for example, to 0.04 to 0.08, which spreads the radiation more strongly, which may be desirable to improve color homogeneity.
  • Process steps include:
  • the matrix material in method step (b) is matched to the filler in such a way that it has a refractive index higher by 0.01 to 0.07, in particular 0.01 to 0.05, than the filler at room temperature. Furthermore, the matrix material is chosen such that, at the operating temperature of the component, the difference between the refractive indices of the matrix material and the filler is ⁇ 0.015. This can be especially under
  • the difference in refractive indices at operating temperature is ⁇ 0.01, often ⁇ 0.075, for example ⁇ 0.005.
  • At least one silicone having organic substituents on the silicon atoms is used as the matrix material.
  • the refractive index of the silicone at room temperature in a range of 1.40 to 1.54 can be adjusted by variation and ratio of the organic substituents having a different number of carbon atoms as described above.
  • the refractive index of the matrix material can at least partially be determined by a
  • the refractive index of the matrix material taking into account the thermo-optical coefficient of the matrix material, so that a difference of the refractive indices of the matrix material and the filler at the operating temperature of the component of ⁇ 0.015 results.
  • the difference in refractive indices at operating temperature is ⁇ 0.01, often ⁇ 0.0075, for example ⁇ 0.005.
  • steps (b) and (c) can be carried out together.
  • the matrix material can be mixed with the filler at room temperature or heated slightly for this purpose.
  • the mixing is usually carried out at a temperature ⁇ 70 ° C, in particular ⁇ 60 ° C.
  • This mixture can be filled for example in a recess of the component and the transparent body in
  • steps (b), (c) and (d) are summarized. For example, that can be heated to higher temperatures.
  • Other materials can be
  • This mixture can be filled for example in the recess of the component and form a transparent body which is mixed with the particles in the beam path of the first radiation. If necessary, it can be heated to harden. As a result, a conversion element can also be formed.
  • 1 shows an embodiment of the device
  • 2 shows a further embodiment of the component with a remote conversion element (remote phosphor conversion)
  • Fig. 4 is a diagram showing the dependence of
  • FIG. 5 is a diagram showing the reduced color shift in a device according to the invention compared to a conventional device
  • FIG. 1 shows a schematic cross-section of a radiation-emitting component 1 according to at least one embodiment
  • the component 1 has a housing 5, with a recess 6, in which a semiconductor chip, an LED, is arranged as a radiation source 10 at the bottom of the recess 6.
  • a bonding pad 15 is arranged, which is conductively connected via a bonding wire 16 to the semiconductor chip 10.
  • electrically conductive terminals 17a, 17b which can lead out of the housing 5 of the device 1 and are provided for electrical contacting.
  • the electrically conductive terminals 17a, 17b may be part of the Be ladder frame.
  • the side walls 7 of the recess 6 may comprise a reflective material such as T1O 2 or a metal coating.
  • the recess 6 is filled with a potting compound.
  • the potting compound consists of the transparent body 20 as well as particles containing or consisting of at least one converter material 30.
  • the casting compound may contain 4 to 12% by weight, in particular 5 to 10% by weight, of converter material 30.
  • the potting compound may also contain other materials.
  • the transparent body 20 and the converter material 30 are thus at least partially in the beam path 11, shown here as a dashed arrow arranged.
  • the main emission direction is indicated here for the sake of clarity.
  • the radiation can also be emitted at an angle ⁇ to the main emission direction.
  • the molding compound can form a lens 40 at the upper end of the recess 6.
  • the filler in the transparent body 20 is not shown for clarity.
  • the filler can be any material
  • Form filler paths that connect the converter material 30 at least partially thermally conductive with the radiation ⁇ source 10 and / or the electrically conductive terminals 17a, 17b and / or the lead frame. This allows us to convert the heat from the converter material 30 during operation
  • the transparent body 20 contains, for example, a cyclohexyl-substituted silicone as a matrix material having a refractive index of 1.47 to 1.49, for example 1.48, and 40 to 50% by weight of Si0 2 particles as a filler. at
  • the radiation is scattered through the transparent body, at 100 ° C, however, the transparent body is transparent with a transmission of> 95%, In particular,> 98%, at a wavelength of 600 nm.
  • the temperature at the converter material is reduced by 15 to 30% compared to a conventional device with a silicone potting compound, whereby the efficiency of the converter material is increased.
  • Figure 2 is a schematic cross section through a
  • the content of converter material 30 may be, for example, 10 to 30% by weight, in particular 15 to 25% by weight, in the conversion element 31.
  • the conversion ⁇ element 31 may also contain a transparent body 20.
  • the distance to the radiation source 10 is> 200 ⁇ , in particular> 750 ⁇ (remote phosphor conversion).
  • the conversion element 31 forms a lens 40.
  • the conversion element 31 is of the
  • Radiation source 10 spaced by a potting compound, which may consist of a transparent body 20.
  • a potting compound which may consist of a transparent body 20.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-section of a
  • a conversion element 31 with the converter material 30 is connected via a transparent body 20, which is the here assume the function of an adhesive, connected to the semiconductor chip 10 cohesively.
  • the conversion ⁇ element 31 may, for example, 20 to 70% by weight, particularly 30 to 60% by weight, contain converter material 30th
  • the distance to the radiation source 10 is ⁇ 200 ⁇ , in particular ⁇ 50 ⁇ (chip-level conversion).
  • the conversion element 31 may include a transparent body (not shown).
  • the conversion element 31 has the shape of a small plate; Other shapes may also be used for the conversion element 31.
  • the recess 6 is filled with a Verguss ⁇ mass, which may consist of a transparent body 20.
  • the molding compound can form a lens 40.
  • FIG. 4 shows the dependence of the thermal conductivity in W / mK (y-axis) on the filler content in% by weight (x-axis) of a potting compound comprising a transparent body 20 made of poly (dimethylsiloxane) as matrix material and a variable percentage on spherical Si0 2 particles as
  • Filler consists and with 7% by weight of particles of a cerium-doped yttrium-aluminum garnet (YAG: Ce) is mixed. Without filler particles, the potting compound has a
  • FIG. 5 shows a diagram which shows the improved color constancy of the component according to an embodiment of the invention 100 in comparison with a conventional one
  • Component 200 shows.
  • the components according to one embodiment of the invention ⁇ has a lens 40 formed into a casting compound made of a transparent body 20 from Poly (dimethylsiloxane) and 50 wt% spherical Si0 2 particles and which is mixed with 7 wt% particles of YAG: Ce.
  • the potting compound of the conventional component consists only of poly (dimethylsiloxane) and 7% by weight of particles
  • Farbortshift in the device 100 according to the invention is significantly lower than that of the conventional device 200th
  • Component 1 with "remote phosphor conversion" according to another disclosed embodiment.
  • a support 2 which includes a leadframe, one or more radiation sources 10 are ⁇ (here, three shown) and is electrically conductively connected. Bonding pads, bonding wire and other electrical connections are not shown here for the sake of clarity.
  • radiation sources 10 LED chips can be used which emit, for example, in the blue or in the red region of the spectrum.
  • the radiation sources 10, a conversion element 31 is arranged in the beam path 11 below, which comprises the converter ⁇ material (not shown separately).
  • the convergence ⁇ sion element and an inorganic filler such as a metal fluoride or Si0 2 particles, and as described above tuned to this matrix material, for example a silicone containing.
  • the conversion element also contains a transparent body 20.
  • the converter material may, for example, be finely distributed in the transparent body, so that filler and converter material at least partially in a thermally conductive contact with each other.
  • the conversion element 31 is here as a layer with an average layer thickness of, for example, 10 to 1000 ⁇ , in particular from 50 to 500 ⁇ , formed and formed as a curved hollow body.
  • This cavity 50 may be filled with air or an inert gas, for example nitrogen or a noble gas. It is also conceivable that the cavity 50 is at least partially filled with a potting compound (not shown here).
  • the matrix material and the filler are matched such that the matrix material ⁇ a higher to 0:01 to 0:05 refractive index and a higher thermo-optic coefficient than the
  • Component 1 is the difference of refractive indices ⁇ 0.015.
  • the transparent body scatters strongly incident light at room temperature, so that the body color of the converter ⁇ material for the viewer from the outside is barely perceptible.
  • the radiation coupling-out region of the component 1 therefore has an aesthetically advantageous matt, white or colorless impression in the switched-off state. In operation, however, the refractive index difference decreases, so that the
  • the transparent body 20 barely absorbs radiation, whereby a high efficiency of the device 1 is obtained.
  • the transparent body 20 or the conversion ⁇ element 31 thus acts as a temperature-dependent diffuser.
  • the filler content in the transparent body is up to 80% by weight.
  • a relatively low filler content of 5 to 50% by weight and in usually 10 to 40 wt% used. In this range, a very good scattering effect of the transparent body is obtained at room temperature.
  • the filler has an average particle size of 100 nm and 20 ⁇ . In the embodiment shown in Figure 6 average diameter ⁇ 1 ⁇ , in particular 200 to 800 nm, which causes a particularly good scattering effect at room temperature or in the off state.
  • an enveloping layer of glass or a transparent plastic can be produced (not shown), which protects the component 1 or the conversion element 31 to the outside.
  • a radiation source 10 emitting in the blue region of the spectrum for example an LED comprising InGaN, and a conversion element 31 (remote phosphor conversion) with a mixture of green and red emitting converter materials may be used to provide a white emitting device 1 ,
  • FIG. 7 shows a schematic cross section through a component 1 according to a further embodiment. The elements of this device 1 may correspond to those of the device of FIG. In the darg Robinsonen in Figure 7
  • the component is a transparent body 20 according to at least one embodiment of the application on one of the
  • Radiation source spaced conversion element 31 is arranged ⁇ .
  • at least part of the filler in the transparent body 20 is in thermally conductive contact with the converter material of the conversion element 31.
  • the transparent body 20 may have an average layer thickness of 50 to 500 ⁇ m.
  • a further transparent layer of, for example, glass, silicone or plastic may be produced, which also produces a thermally conductive contact.
  • the conversion element 31 can optionally also contain, as described for FIG. 6, a further transparent body according to at least one embodiment of the application.
  • a second conversion element 32 is arranged here on a radiation source 10, which is designed, for example, as a converter plate, so that also
  • Second conversion elements 32 may also be present for a plurality of radiation sources 10.
  • One or more second conversion elements may analogously be present in other embodiments of the application.
  • a radiation source 10 emitting in the blue region of the spectrum for example an LED comprising InGaN, can have one in the red region emitting converter material containing second
  • Conversion element 32 chip-level conversion
  • Converter materials in the conversion element 31 are combined to a white
  • Figure 8 is a schematic cross section through a
  • the radiation sources 10 are arranged in a housing 5, which may be connected to the carrier 2.
  • the inner walls of the housing 5 may be designed to be reflective, in which they are coated, for example, with reflective pigments such as T1O 2 or with metal.
  • the beam path 11 In the beam path 11 are a conversion element 31 and subsequently a
  • the transparent body 20 is arranged. These two elements are shown here as flat layers, but they can also be curved.
  • the cavity 50 may also be formed as a recess between housing walls.
  • the housing walls can also be bevelled (not shown here).
  • the radiation sources 10 and conversion elements 31 mentioned in relation to the previous figures can be used analogously to FIGS.

Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung beschreibt ein Strahlung emittierendes Bauelement (1) umfassend: eine Halbleitermaterialien enthaltende Strahlungsquelle (10), die im Betrieb eine erste Strahlung erster Wellenlänge emittiert; einen transparenten Körper (20), der ein Matrixmaterial und einen anorganischen Füllstoff umfasst und der zumindest teilweise im Strahlengang (11) der ersten Strahlung angeordnet ist; und ein Konvertermaterial (30), das zumindest teilweise im Strahlengang (11) der ersten Strahlung angeordnet ist und die erste Strahlung zumindest teilweise in eine zweite Strahlung mit einer zweiten, längeren Wellenlänge konvertiert. Dabei steht das Konvertermaterial (30) zumindest teilweise in einem thermisch leitenden Kontakt mit zumindest einem Teil des Füllstoffs des transparenten Körpers (20).

Description

Beschreibung
STRAHLUNG EMITTIERENDES BAUELEMENT MIT EINEM KONVERTERMATERIAL, MIT EINEM THERMISCH LEITENDEN KONTAKT
UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2010 034 913.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft ein Strahlung emittierendes Bauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements.
In Strahlung emittierenden Bauelementen mit einer Leuchtdiode (LED) werden häufig Konvertermaterialien verwendet. Das Konvertermaterial konvertiert einen Teil der einfallenden Strahlung in eine Strahlung mit einer veränderten, längeren Wellenlänge, so dass die konvertierte Strahlung eine
niedrigere Energie als die einfallende Strahlung aufweist (sogenannte down-conversion) . Die Energiedifferenz fällt meistens in Form von Wärmeenergie an, so dass sich das
Konvertermaterial dabei stark erwärmt. In der Regel ist die Effizienz des Konvertermaterials temperaturabhängig,
insbesondere bei hohen Temperaturen kann die Effizienz des Konvertermaterials stark erniedrigt sein. Der Farbeindruck des vom Bauelement abgegebenen Lichts kann ebenfalls von der Temperatur im Bauelement abhängen.
Des Weiteren können die Konvertermaterialien einem Bauelement im ausgeschalteten Zustand einen farbigen Eindruck verleihen (sogenannte "off-state appearance" ) · Konvertermaterialien, die beispielsweise durch Licht im blauen Spektralbereich angeregt werden, absorbieren auch im ausgeschalteten Zustand einfallendes Licht, zum Beispiel Tageslicht, in dem entsprechenden Wellenlängenbereich. Je nach Konvertermaterial weist dieses dann eine gelbliche, orange, rötliche oder grüne Körperfarbe auf. Insbesondere bei Bauelementen, bei denen ein Konvertermaterial räumlich von dem Strahlung emittierenden Bereich getrennt ist, weist der Strahlung auskoppelnde
Bereich des Bauelements im ausgeschalteten Zustand einen ästhetisch nachteiligen farbigen Eindruck auf, der durch das Konvertermaterial hervorgerufen wird.
Für Anwendungen sind Strahlung emittierende Bauelemente mit hoher Effizienz, geringem Strahlungsverlust und hoher
Farbkonstanz wünschenswert. Des Weiteren sind Strahlung emittierende Bauelemente wünschenswert, dessen Strahlung auskoppelnder Bereich im ausgeschalteten Zustand einen weitgehend weißen beziehungsweise farblosen Eindruck
aufweist .
Eine zu lösende Aufgabe einer Aus führungs form der
vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Strahlung emittierendes Bauelement mit verbesserten Eigenschaften anzugeben .
Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung des Strahlung emittierenden Bauelements anzugeben .
Es wird ein Strahlung emittierendes Bauelement angegeben, das eine Halbleitermaterialien enthaltende Strahlungsquelle umfasst, die im Betrieb eine erste Strahlung mit einer ersten Wellenlänge emittiert. Das Strahlung emittierende Bauelement wird im Folgenden auch kurz das "Bauelement" genannt. Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Bauelement einen transparenten Körper, der ein Matrixmaterial und einen anorganischen Füllstoff umfasst. Der transparente Körper ist zumindest teilweise im Strahlengang der ersten Strahlung angeordnet. Der anorganische Füllstoff wird im Folgenden auch nur als "Füllstoff" bezeichnet.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Bauelement ein Konvertermaterial, das zumindest teilweise im
Strahlengang der ersten Strahlung angeordnet ist. Das
Konvertermaterial konvertiert zumindest einen Teil der ersten Strahlung in eine zweite Strahlung mit einer zweiten, längeren Wellenlänge. Das heißt, die erste Strahlung besitzt eine höhere Energie als die zweite Strahlung. Die
Energiedifferenz kann insbesondere in Form von Wärmeenergie anfallen. Die durch Konversion erzeugte Wärmeenergie wird im Folgenden auch als "Konversionswärme" bezeichnet.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form steht das
Konvertermaterial zumindest teilweise in einem thermisch leitenden Kontakt mit zumindest einem Teil des Füllstoffs des transparenten Körpers. Dies hat zur Folge, dass zumindest ein Teil der Konversionswärme an den Füllstoff abgegeben
beziehungsweise über den Füllstoff vom Konvertermaterial abgeleitet werden kann. Dadurch wird vorteilhafterweise das Konvertermaterial vor Überhitzung geschützt und/oder die Effizienz des Konvertermaterials erhöht. Eine erhöhte
Effizienz zeichnet sich dadurch aus, dass ein höherer Anteil der ersten Strahlung in die zweite Strahlung konvertiert wird. Durch die verbesserte Wärmeableitung kann beispiels¬ weise das Bauelement auch mit höheren Strömen betrieben werden als herkömmliche Strahlung emittierende Bauelemente. Die Halbleitermaterialien enthaltende Strahlungsquelle ist beispielsweise eine Leuchtdiode (LED) oder Laserdiode. Als Strahlungsquelle können auch mehrere Leuchtdioden und/oder Laserdioden verwendet werden, die bei der gleichen oder bei verschiedenen ersten Wellenlängen emittieren. Das Spektrum der ersten Strahlung wird als erste Wellenlänge bezeichnet. Die erste Wellenlänge kann im sichtbaren Bereich des
Spektrums (420 bis 780 nm Wellenlänge), insbesondere im blauen Spektralbereich, im UV-Bereich (< 420 nm) sowie im IR- Bereich (> 780 nm) liegen. Die erste Strahlung kann
insbesondere ein Wellenlängenmaximum unter 600 nm aufweisen. Die Halbleitermaterialien sind in der Erfindung nicht
beschränkt, sofern diese zumindest teilweise eine Elektro- lumineszenz aufweisen können. Es werden beispielsweise
Verbindungen aus Elementen verwendet, die aus Indium,
Gallium, Aluminium, Stickstoff, Phosphor, Arsen, Sauerstoff, Silicium, Kohlenstoff oder Kombinationen gewählt sein können, beispielsweise Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) oder Indium- Gallium-Aluminium-Phosphid (InGaAlP) . Auch andere Elemente oder Zusätze können verwendet werden.
Die Wahl der Konvertermaterialien ist erfindungsgemäß nicht begrenzt. Es können mit Seltenerdmetallen und/oder Übergangsmetallen dotierte Keramiken als Leuchtstoff verwendet werden, die zum Beispiel in der W098/12757 beschrieben sind, deren Inhalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Das Konvertermaterial kann einen Leuchtstoff oder eine Kombi¬ nation von unterschiedlichen Leuchtstoffen umfassen oder daraus bestehen. Durch den Einsatz der Konvertermaterialien wird der Farbeindruck der emittierten Strahlung modifiziert. Das Bauelement kann beispielsweise Strahlung mit einem weißen Farbeindruck oder einem anderen Farbeindruck emittieren. Gemäß einer weiteren Aus führungs form verändern sich der
Brechungsindex des Matrixmaterials und der Brechungsindex des anorganischen Füllstoffs mit der Temperatur. Der temperaturabhängige Verlauf des Brechungsindexes ist für das Matrix¬ material und für den Füllstoff in der Regel verschieden.
Der Brechungsindex, auch Brechzahl genannt, wird mit einem Refraktometer bestimmt, bei dem die Temperatur eingestellt und/oder reguliert werden kann. Es wird als Raumtemperatur eine Temperatur von 20°C angenommen. Die im Folgenden
angegebenen Brechungsindizes sind für die Wellenlänge der Natrium-D-Linie bei 589 nm bestimmt worden. Die Angabe eines Brechungsindexes bei Raumtemperatur entspricht in dieser Anmeldung also dem sogenannten nD 20. Die Genauigkeit einer Angabe eines Brechungsindexes beträgt mindestens 0.001 und insbesondere mindestens 0.0005.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form sind das Matrixmaterial und der Füllstoff erfindungsgemäß so gewählt, dass das
Matrixmaterial bei Raumtemperatur einen um 0.01 bis 0.07, insbesondere 0.01 bis 0.05, höheren Brechungsindex als der Füllstoff aufweist. Des Weiteren weist das Matrixmaterial einen höheren thermo-optischen Koeffizienten als der
Füllstoff auf, so dass beim Erwärmen auf Betriebstemperatur die Differenz der Brechungsindizes des Matrixmaterials und des Füllstoffs kleiner wird. Bei Betriebstemperatur ist die Differenz der Brechungsindizes < 0.015.
Der thermo-optische Koeffizient dn/dT gibt die Änderung des Brechungsindexes n mit der Änderung der Temperatur T an. Das heißt, er beschreibt die Änderung des Brechungsindexes pro °C. Beispielsweise kann der Verlauf des Brechungsindex gegenüber der Temperatur im relevanten Temperaturbereich sowohl für das Matrixmaterial als auch für den Füllstoff näherungsweise durch eine Gerade beschreibbar sein. Diese Geraden können eine unterschiedliche Steigung aufweisen, wobei ein
Schnittpunkt der Geraden typischerweise im Bereich der
Betriebstemperatur liegt. Diese Temperatur kann bis zu 20°C, insbesondere bis zu 10°C und oft bis zu 5°C höher oder niedriger als die Betriebstemperatur sein oder ihr
entsprechen. Der entsprechende thermo-optische Koeffizient gibt dann die Steigung einer solchen Geraden an.
Der thermo-optische Koeffizient kann für ein Material durch mehrere Messungen des Brechungsindexes bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das Matrixmaterial bei Raumtemperatur einen thermo-optischen Koeffizienten von -5*1(T5 bis -5*1(T3 1/°C, insbesondere von -1*1(T4 bis -1*1(T3 1/°C auf.
Der thermo-optische Koeffizient des Füllstoffs ist in der Regel kleiner als der thermo-optische Koeffizient des
Matrixmaterials. Der Füllstoff weist bei Raumtemperatur einen thermo-optischen Koeffizienten von bis zu -5*1CT5 1/°C, beispielsweise -5*1CT7 bis -5*1CT5 1/°C auf. Das heißt, im relevanten Temperaturbereich ändert sich der Brechungsindex des Füllstoffs meistens weniger als der Brechungsindex des Matrixmaterials .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form kann der Brechungsindex des Füllstoffs im Vergleich zum Brechungsindex des Matrix¬ materials zumindest im relevanten Temperaturbereich näherungsweise als konstant angesehen werden. Als relevanter Temperaturbereich werden die Temperaturen zwischen
Raumtemperatur und Betriebstemperatur verstanden.
Wenn das Bauelement in Betrieb genommen wird, entspricht die Temperatur im Bauelement meistens der Umgebungstemperatur, beispielsweise Raumtemperatur. Nach Inbetriebnahme des
Bauelements steigt die Temperatur im Bauelement zunächst stark an und erreicht üblicherweise nach einiger Zeit (bei konstantem Strom und konstanter Umgebungstemperatur) einen vergleichsweise konstanten Wert. In der Regel geschieht dies innerhalb von bis zu 30 Minuten. Als Betriebstemperatur wird eine Temperatur im Bauelement verstanden, die zu einem
Zeitpunkt von 45 Minuten nach dem Einschalten bei ununterbrochenem Betrieb des Bauelementes vorliegt.
Eine Temperatur, die dem Wert der Betriebstemperatur
entspricht, kann schon zu einem früheren Zeitpunkt im
Bauelement erhalten werden und konstant bleiben. Diese
Temperatur wird im Folgenden ebenfalls als "Betriebs¬ temperatur" bezeichnet. Die Betriebstemperatur gilt als konstant, wenn die Temperatur während des andauernden
Betriebs (bei konstantem Strom und konstanter Umgebungs¬ temperatur) um weniger als 5°C, insbesondere weniger als 3°C und oft weniger als 1°C schwankt.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form beträgt die Betriebstemperatur des Bauelementes bis zu 200°C. Die Betriebs¬ temperatur liegt insbesondere zwischen 70°C und 150°C, oft zwischen 80°C und 120°C, beispielsweise bei 110°C.
Der transparente Körper ist vorzugsweise bei Betriebstem¬ peratur in den Wellenlängenbereichen der ersten und zweiten Strahlung transparent. Bei einer Wellenlänge "transparent" bedeutet, dass eine Transmission von > 70%, insbesondere > 80%, beispielsweise 86%, bei der entsprechenden Wellenlänge vorliegt .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das Matrixmaterial einen Brechungsindex auf, der bei Raumtemperatur um 0.01 bis 0.04 und insbesondere um 0.015 bis 0.035 höher als der
Brechungsindex des Füllstoffs ist.
Gemäß einer Aus führungs form ist bei Betriebstemperatur die Differenz der Brechungsindizes des Matrixmaterials und des Füllstoffs < 0.01, insbesondere < 0.0075, beispielsweise < 0.005.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist der transparente Körper bei Betriebstemperatur eine Transmission bei einer Wellenlänge von 600 nm von > 90%, insbesondere > 95% und oft > 98% auf. In dieser Angabe sind keine Fresnel-Verluste berücksichtigt, die beim Eintritt und beim Austritt (jeweils ca. 4%) der Strahlung in den transparenten Körper auftreten.
Bei Betriebstemperatur kann der Brechungsindex des Matrixmaterials höher oder niedriger als der Brechungsindex des Füllstoffs sein oder diesem entsprechen. Durch die geringe oder gar nicht vorhandene Differenz der Brechungsindizes bei Betriebstemperatur wird die im Bauelement erzeugte Strahlung durch den transparenten Körper so gut wie gar nicht gestreut und/oder absorbiert, wodurch Strahlungsverluste verringert oder vermieden werden. Im Gegensatz dazu wird beim
Einschalten des Bauelements ein im Vergleich zur
Betriebstemperatur höherer Anteil der emittierten Strahlung gestreut und/oder absorbiert, da die Differenz der Brechungsindizes des Matrixmaterials und des Füllstoffs größer ist als bei der Betriebstemperatur.
Aufgrund der Differenz der Brechungsindizes des Füllstoffs und des Matrixmaterials streut der transparente Körper bei Raumtemperatur vergleichsweise stark Licht. Der transparente Körper kann dabei opak sein. Dieser Effekt wird auch bei Temperaturen nahe oder unterhalb der Raumtemperatur
beobachtet. Daher streut der transparente Körper auch im ausgeschalteten Zustand des Bauelementes nach zumindest einer Aus führungs form der Anmeldung vergleichsweise stark einfallendes Licht, so dass die Körperfarbe des Konvertermaterials von außen, also für den Betrachter, kaum oder im Idealfall gar nicht mehr wahrnehmbar ist. Mit Vorteil weist der
Strahlung auskoppelnde Bereich des Bauelements, daher im ausgeschalteten Zustand einen weißen oder farblosen Eindruck (off-state appearance) auf. Der transparente Körper kann also im ausgeschalteten Zustand als Diffusor wirken. Diese
Vorteile werden insbesondere erhalten, wenn größere Mengen an Konvertermaterial räumlich von der Strahlungsquelle getrennt sind .
Wie oben bereits ausgeführt sinkt die Differenz der
Brechungsindizes von Füllstoff und Matrix beim Erwärmen auf Betriebstemperatur. Vorteilhafterweise kann der transparente Körper somit als temperaturabhängiger Diffusor wirken, der im ausgeschalteten Zustand stark, bei Betriebstemperatur jedoch kaum Licht absorbiert. Somit weist das Bauteil im Betrieb eine deutlich höhere Effizienz auf als herkömmliche
Bauelemente, in denen die Körperfarbe des Konvertermaterials im ausgeschalteten Zustand durch beispielsweise Milchglas oder eine aufgeraute Beschichtung aus Glas oder Kunststoff verdeckt wird, welche auch im Betrieb des Bauelementes einen beträchtlichen Teil des erzeugten Strahlung absorbieren.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form kann durch eine kleine Differenz der Brechungsindizes des Matrixmaterials und des Füllstoffs, beispielsweise von 0.01, die Abstrahl¬ charakteristik des Bauelementes verbessert werden.
Beispielsweise kann dadurch eine Winkelabhängigkeit der Abstrahlung vermindert beziehungsweise die Farbhomogenität verbessert werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung kann der anorganische Füllstoff ein Metallfluorid, beispielsweise ein Erdalkalifluorid, umfassen oder daraus bestehen. Das
Metallfluorid kann beispielsweise aus Magnesiumfluorid
(MgF2) , Lithiumfluorid (LiF) , Calciumfluorid (CaF2) ,
Bariumfluorid (BaF2) oder einer Kombination davon gewählt sein. Das Metallfluorid kann typischerweise einen
Brechungsindex bei Raumtemperatur von 1.37 bis 1.50
aufweisen, beispielsweise 1.39 für MgF2, 1.40 für LiF, 1.43 für CaF2 und 1.46 für BaF2. Der Füllstoff kann monokristallin und/oder polykristallin sein.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form kann der anorganische Füllstoff ein Glas, Quarz, Kieselgel, Si02-Partikel ,
insbesondere sphärische Si02-Partikel , ein Borosilicatglas oder eine Kombination davon umfassen oder daraus bestehen. Beispielsweise weisen Si02-Partikel einen Brechungsindex bei Raumtemperatur von 1.46, Glas einen von 1.45 bis 2.14, ein Borosilicatglas einen von 1.50 bis 1.55 auf. Gemäß einer weiteren Aus führungs form umfasst oder besteht der Füllstoff aus einem Silicat, einer Keramik oder einem
Aluminiumoxid, beispielsweise Korund.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form kann das Matrixmaterial ein Silikon, ein Epoxidharz, ein Acrylharz, ein Polyurethan, ein Polycarbonat oder eine Kombination davon umfassen oder daraus bestehen. Das Matrixmaterial kann auch ein Gemisch unterschiedlicher Kunststoffe und/oder Silikone umfassen oder daraus bestehen. Das Matrixmaterial kann insbesondere ein Silikon, ein Methyl substituiertes Silikon, beispielsweise Poly (dimethylsiloxan) und/oder Polymethylphenylsiloxan, ein Cyclohexyl substituiertes Silikon, zum Beispiel
Poly (dicyclohexyl ) siloxan, oder eine Kombination davon umfassen oder daraus bestehen.
Beispielsweise kann ein Epoxidharz oder ein Acrylharz einen Brechungsindex bei Raumtemperatur von 1.46 bis 1.60,
insbesondere von 1.48 bis 1.53 aufweisen. Ein Polycarbonat weist in der Regel einen höheren Brechungsindex, beispiels¬ weise 1.55 bis 1.65, insbesondere 1.58 bis 1.60 auf. Ein Silikon weist einen Brechungsindex von 1.40 bis 1.54 auf.
Besonders vorteilhaft ist der Brechungsindex des
Matrixmaterials so eingestellt, dass er bei Raumtemperatur höher ist, als der Brechungsindex des Füllstoffs, da häufig der thermo-optische Koeffizient des Matrixmaterials höher ist als der thermo-optische Koeffizient des Füllstoffs, und somit der Brechungsindex des Matrixmaterials mit steigender
Temperatur beim Betrieb des Bauelements schneller abnimmt als der Brechungsindex des Füllstoffs. Gemäß einer weiteren Aus führungs form richtet sich die Wahl des Matrixmaterials nach dem anorganischen Füllstoff und erfüllt dabei das vorstehende Kriterium, dass das Matrix¬ material einen höheren Brechungsindex bei Raumtemperatur und einen höheren thermo-optischen Koeffizienten aufweist als der Füllstoff. Beispielsweise kann sich für einen Füllstoff aus Borosilicatglas ein Matrixmaterial, das ein Epoxidharz, ein Polycarbonat oder eine Kombination davon umfasst oder daraus besteht, eignen. Beispielsweise kann sich für einen Füllstoff aus Glas oder aus Si02-Partiken ein Matrixmaterial, das ein Silikon oder ein Acrylharz umfasst oder daraus besteht, eignen .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird für einen
anorganischen Füllstoff, der ein Metallfluorid umfasst oder daraus besteht, ein Silikon oder eine Kombination von
unterschiedlichen Silikonen als Matrixmaterial verwendet. Es kann auch eine Kombination von mindestens einem Silikon mit mindestens einem anderen Kunststoff verwendet werden.
Der Brechungsindex eines Silikons richtet sich insbesondere nach den organischen Substituenten R1, R2 und R3 am
Siliciumatom sowie nach dem Verzweigungsgrad des Silikons. Endständige Gruppen des Silikons lassen sich mit R1R2R3SiOi/2, lineare Gruppen mit R1R2Si02/2 und verzweigende Gruppen mit R1Si03/2 beschreiben. R1 und/oder R2 und/oder R3 können an jedem Siliciumatom unabhängig gewählt sein. R1, R2 und R3 sind dabei aus einer Variation von organischen Substituenten mit einer unterschiedlichen Anzahl von Kohlenstoffatomen gewählt. Die organischen Substituenten können in einem Silikon in einem beliebigen Verhältnis zueinander stehen. In der Regel weist ein Substituent 1 bis 12, insbesondere 1 bis 8,
Kohlenstoffatome auf. Beispielsweise sind R1, R2 und R3 aus Methyl, Ethyl, Cyclohexyl oder Phenyl, insbesondere Methyl und Phenyl gewählt.
Organische Substituenten mit vielen Kohlenstoffatomen erhöhen in der Regel den Brechungsindex, während kleinere
Substituenten zu einem niedrigeren Brechungsindex führen. Beispielsweise kann ein Silikon, das reich an Methylgruppen ist, einen niedrigen Brechungsindex, beispielsweise von 1.40 bis 1.44 aufweisen. Ein Silikon das zum Beispiel reich an Phenylgruppen oder Cyclohexylgruppen ist, kann hingegen einen höheren Brechungsindex aufweisen.
Ebenso können bei anderen Matrixmaterialien als Silikone die Brechungsindizes über die Wahl der Substituenten und/oder durch Hybridmaterialien, zum Beispiel Silikonepoxy,
eingestellt werden.
Beispielsweise kann für einen Füllstoff aus Si02-Partikeln mit einem Brechungsindex bei Raumtemperatur von 1.46 ein Polymethylphenylsiloxan mit einem Brechungsindex zwischen 1.48 und 1.50, beispielsweise 1.49 eingesetzt werden. Ein Cyclohexyl substituiertes Silikon mit einem Brechungsindex von 1.47 bis 1.49, beispielsweise 1.48, kann ebenfalls für Si02-Partikel geeignet sein. Typischerweise eignet sich für einen Füllstoff aus Magnesiumfluorid oder Lithiumfluorid ein Silikon das reich an Methylgruppen ist. Beispielsweise kann Poly (dimethylsiloxan) verwendet werden, was vorteilhaft ist, da dieses besonders preisgünstig ist.
Weiterhin ist es möglich den Brechungsindex des
Matrixmaterials durch Mischen von unterschiedlichen
Matrixmaterialien einzustellen. Zum Beispiel kann der
Brechungsindex einer Silikonmatrix auch durch Mischen verschiedener Silikone eingestellt werden, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Auf diese Weise kann das Matrixmaterial eine Polymer-Mischung von Silikonen mit unterschiedlichen organischen Substituenten aufweisen oder daraus bestehen. Möglich ist aber auch, dass ein Silikon-Co- Polymer aus verschiedenen Monomeren erzeugt wird, die
unterschiedliche organische Substituenten aufweisen, und so der Brechungsindex des Matrixmaterials entsprechend angepasst wird. Es kann auch eine Mischung verschiedener Silikon-Co- Polymere mit verschiedenen Brechungsindizes verwendet werden, um den Brechungsindex des Matrixmaterials einzustellen.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist der transparente Körper einen Füllstoffgehalt von bis zu 80 Gew-% auf (Gew-% = Gewichtsprozent) . Der transparente Körper enthält
insbesondere 25 bis 70 Gew-% und oft 30 bis 60 Gew-%
Füllstoff, beispielsweise 50 Gew-% Füllstoff. Hierdurch wird insbesondere eine hohe thermische Leitfähigkeit des
transparenten Körpers ermöglicht.
Bei einigen Anwendungen, zum Beispiel wenn der transparente Körper als temperaturabhängiger Diffusor dienen soll, um im ausgeschalteten Zustand des Bauelementes die Körperfarbe des Konvertermaterials zu überdecken, kann auch ein niedrigerer Füllstoffgehalt eingesetzt werden. Gemäß dieser weiteren Aus führungs form kann der Füllstoffgehalt 5 bis 50 Gew-% betragen. Der Füllstoffgehalt beträgt in der Regel 10 bis 40 Gew-%, insbesondere 15 bis 30 Gew-%. In diesem Bereich wird eine sehr gute Streuwirkung des transparenten Körpers bei Raumtemperatur erhalten. Bei einem sehr hohen Füllstoffgehalt könnte die Streuwirkung bei Raumtemperatur etwas sinken. Gemäß einer weiteren Aus führungs form bildet der Füllstoff im transparenten Körper zusammenhängende Füllstoffpfade aus. Diese Füllstoffpfade werden auch Perkolationspfade genannt und bilden sich in der Regel statistisch aus. Sie können sich über den gesamten transparenten Körper erstrecken.
Typischerweise geschieht dies ab einem Füllstoffgehalt zwischen 28 und 35 Vol-%, in der Regel zwischen 30 und 32 Vol-%, der sogenannten Perkolationsschwelle (Vol-% =
Volumenprozent) . Vorteilhafterweise wird durch Füllstoffpfade die Wärmeleitfähigkeit des transparenten Körpers erhöht.
Durch die gezielte Anpassung der Brechungsindizes des
Matrixmaterials an den Füllstoff werden selbst bei einem hohen Füllstoffgehalt von > 30 Vol-%, insbesondere von > 40 Vol-%, Strahlungsverluste beziehungsweise Helligkeits¬ verluste im transparenten Körper verringert oder vermieden.
Des Weiteren wird durch den Füllstoff, insbesondere bei einem hohen Füllstoffgehalt , die Permeabilität des transparenten Körpers im Vergleich zu einer herkömmlichen Matrix aus einem reinen Polymermaterial, insbesondere aus einem Silikon, verringert. Der transparente Körper weist insbesondere eine niedrigere Permeabilität für Feuchtigkeit und/oder Schadgase Gase auf. Dadurch wird insbesondere die Strahlungsquelle geschützt, wodurch die Lebensdauer des Bauelementes erhöht wird .
Zudem können durch den Füllstoff auch die mechanischen
Eigenschaften des transparenten Körpers verbessert werden. Beispielsweise ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des transparenten Körpers niedriger als der einer herkömmlichen Matrix aus einem reinen Polymermaterial. Hierdurch kann die Lebensdauer des Bauelementes erhöht werden, da zum Beispiel die Gefahr von Rissen im transparenten Körper gesenkt wird.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist der Füllstoff eine durchschnittliche Korngröße von bis zu 100 μπι auf. Die durch¬ schnittliche Korngröße liegt in der Regel zwischen 100 nm und 20 μπι, insbesondere bei 5 bis 20 μπι. Für einige Anwendungen können auch zumindest teilweise kleinere Partikel, beispiels¬ weise mit einem durchschnittlichen Durchmesser < 1 μπι, bevorzugt 200 bis 800 nm und insbesondere 200 bis 500 nm, verwendet werden, da mit diesen die Strahlung stark gestreut werden kann, was zu einer verbesserten Farbhomogenität führen kann. Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser zwischen 100 nm und 1 μπι eignen sich insbesondere, um eine starke Streuung des transparenten Körpern im ausgeschalteten Zustand und eine verringerte Streuung bei Betriebstemperatur zu bewirken, also um einen temperaturabhängigen Diffusor bereit zu stellen. Als Parameter für die Korngröße wird in der Regel der Durchmesser verwendet. Der Partikeldurchmesser wird über ein Siebverfahren bestimmt.
Der Füllstoff kann beispielsweise aus sphärischen oder nahezu sphärenförmigen Partikeln bestehen, so dass der Durchmesser näherungsweise der Korngröße entspricht. Der Füllstoff kann auch andere Partikelformen, beispielsweise kantige, längliche oder amorphe Partikelformen aufweisen. Bei solchen Partikeln wird der gemittelte Durchmesser als Maß für die Korngröße verwendet .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist der Füllstoff eine Korngröße von > 2 μπι und insbesondere von > 4 μπι auf.
Kleinere Partikel können über ein Siebverfahren abgetrennt werden. Da Partikel mit einer Korngröße von < als 2 μπι und insbesondere von < 1 μπι an ihrer Oberfläche sehr stark Licht streuen können, werden die Strahlungsverluste im
transparenten Körper verringert und dadurch insgesamt die Effizienz des Bauelementes erhöht. Eine solche Ausführungs¬ form kann insbesondere in einem Bauelement Verwendung finden, bei dem das Konvertermaterial unmittelbar auf oder nahe der Strahlungsquelle angeordnet ist, da in solchen Bauelementen der farbige Eindruck des Konvertermaterials für den
Betrachter weniger auffällig ist.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form besitzt der Füllstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Matrixmaterial. Die Wärmeleitfähigkeit des reinen Matrixmaterials beträgt
typischerweise 0.1 bis 0.2 W/mK. Zum Beispiel weist ein
Silikon eine Wärmeleitfähigkeit von 0.12 bis 0.18,
beispielsweise 0.15 W/mK auf. Der anorganische Füllstoff weist hingegen eine Wärmeleitfähigkeit von > 1.0 W/mK, insbesondere von > 10 W/mK. Beispielsweise weisen sphärische Si02-Partikel eine Wärmeleitfähigkeit von 1.38 W/mK auf.
Vorteilhafterweise weisen Metallfluoride in der Regel eine deutliche höhere Wärmeleitfähigkeit auf, beispielsweise MgF2 eine von 14 W/mK, LiF eine von 11 W/mK, CaF2 eine von 10 W/mK und BaF2 eine von 12 W/mK.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist der transparente Körper eine Wärmeleitfähigkeit von > 0.25 W/mK und
insbesondere > 0.30 W/mK auf. Die Wärmeleitfähigkeit kann, insbesondere mit Metallfluoriden, > 2 W/mK und oft > 5 W/mK sein. Durch die Kombination des Füllstoffs mit dem Matrixmaterial weist der transparente Körper des erfindungsgemäßen Bauelements vorteilhafterweise eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als eine herkömmliche Matrix aus einem reinen Polymer¬ material. Der Wärmetransport durch den transparenten Körper kann dabei insbesondere über ausgebildete Füllstoffpfade erfolgen. Auch wenn der Füllstoffgehalt unterhalb der
Perkolationsschwelle liegt, ist die Wärmeleitfähigkeit des transparenten Körpers höher als die eines reinen
Matrixmaterials .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das Bauelement ein Gehäuse mit einer Ausnehmung auf. Das Gehäuse kann beispiels¬ weise einen Kunststoff, eine Keramik oder eine Kombination davon umfassen oder daraus bestehen. Das Gehäuse kann auch Strahlung reflektierende Materialien, insbesondere an den Seitenwänden der Ausnehmung, umfassen. Die Strahlungsquelle, der transparente Körper und das Konvertermaterial können in der Ausnehmung angeordnet sein. Die Seitenwände der
Ausnehmung können insbesondere schräg zum Boden der
Ausnehmung ausgeformt sein, so dass die Strahlung reflektiert werden kann.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist die Strahlungsquelle am Boden der Ausnehmung angeordnet. Der transparente Körper füllt die Ausnehmung zumindest teilweise aus und kann die Funktion einer Vergussmasse oder eines Streukörpers
übernehmen .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form umfasst das Bauelement ein Bondpad und einen Bonddraht, der die Strahlungsquelle leitend mit dem Bondpad verbindet. Das Bondpad kann ebenfalls in der Ausnehmung angeordnet sein. Das Bondpad und die
Strahlungsquelle sind mit elektrisch leitfähigen Anschlüssen verbunden, die aus dem Gehäuse herausführen können. Die elektrisch leitfähigen Anschlüsse können zumindest ein Teil eines Leiterrahmens (lead frame) sein. Gemäß einer weiteren Aus führungs form steht die
Strahlungsquelle in thermisch leitenden Kontakt zu einer Wärmesenke, beispielsweise einem Teil des Leiterrahmens.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weisen zumindest Teile der Strahlungsquelle, der elektrischen Anschlüsse, und/oder des Leiterrahmens eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und können dazu dienen, Wärme aus dem Bauelement und insbesondere von der Strahlungsquelle abzuleiten. Dabei kann auch Wärme über den transparenten Körper beziehungsweise über die Füllstoff¬ pfade im transparenten Körper abgeleitet werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist das Konvertermaterial zumindest teilweise thermisch leitend über den transparenten Körper beziehungsweise über die Füllstoffpfade im transparenten Körper mit der Strahlungsquelle und/oder mit den elektrisch leitfähigen Anschlüsse und/oder mit dem
Leiterrahmen verbunden. Dadurch kann die Konversionswärme vom Konvertermaterial abgeleitet und dann weiter aus dem Bau¬ element herausgeführt werden. Dadurch wird die Wärmeableitung im Bauelement weiter verbessert.
Konvertermaterialien und insbesondere Konvertermaterialien, die im roten Bereich des Spektrums emittieren und mit einer kurzwelligen Strahlung, beispielsweise im blauen Bereich des Spektrums, angeregt werden, erzeugen viel Konversionswärme und laufen Gefahr zu überhitzen. Des Weiteren kann ihre
Effizienz bei Erwärmen auf Betriebstemperatur stark sinken, beispielsweise um bis zu 50%. Dadurch kann sich beim Erwärmen der Farbeindruck der vom Bauelement emittierten Strahlung ändern. Durch die verbesserte Wärmeleitfähigkeit des
transparenten Körpers im Vergleich zu einer herkömmlichen Matrix aus einem reinen Polymermaterial ohne einen Wärme leitenden Füllstoff wird die Effizienz des Konvertermaterials erhöht. Nach zumindest einer Aus führungs form der Erfindung kann die Temperatur am Konvertermaterial, das im thermisch leitenden Kontakt mit dem Füllstoff im transparenten Körper steht, um bis zu 40% im Vergleich zu einem herkömmlichen Bauelement ähnlicher Bauart ohne Füllstoff gesenkt werden. Beispielsweise können mit 40 bis 50 Gew-% Si02-Partikel im transparenten Körper die Temperatur am Konvertermaterial um 15 bis 30%, insbesondere 22 bis 30% und häufig 25 bis 30%, gesenkt werden. Mit einem Füllstoff aus Metallfluorid kann die Temperatur bei 40 bis 60 Gew-% Füllstoffgehalt um 20 bis 40%, insbesondere um 30 bis 40% und häufig 35 bis 40%, gesenkt werden. Somit wird auch eine Überhitzung des
Konvertermaterials vermieden oder zumindest die Wahrschein¬ lichkeit dafür gesenkt. Zudem weist die vom Bauelement emittierte Strahlung typischerweise einen konstanteren
Farbeindruck auf.
Die sinkende Effizienz des Konvertermaterials beim Erwärmen von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur kann bei einigen Aus führungs formen von erfindungsgemäßen Bauelementen
zumindest teilweise durch die sinkende Streuung und/oder Absorption der Strahlung im transparenten Körper kompensiert werden, wenn die Bauelemente ein Matrixmaterial aufweisen dessen Brechungsindex, wie weiter oben beschrieben, an den Brechungsindex des Füllstoffs so angepasst ist, dass sich die Differenz der Brechungsindizes des Matrixmaterials und des Füllstoffs bei Betriebstemperatur verringert. Vorteilhafterweise wird dadurch ein konstanterer Farbeindruck für die vom Bauelement emittierte Strahlung erhalten.
Bei einem Konvertermaterial kann sich zudem mit der
Temperatur auch die Wellenlänge der konvertierten Strahlung ändern, so dass es zu einer Verschiebung des Farborts der konvertierten Strahlung im CIE-Diagramm kommt. Diese
temperaturabhängige Verschiebung des Farbeindruckes der konvertierten Strahlung wird auch als Farbortshift
bezeichnet. Ein solcher Farbortshift ist im Allgemeinen bei einem großen Abstrahlwinkel θ (Θ = Theta) zur Hauptabstrahlrichtung (Θ = 0°) der Strahlungsquelle besonders ausgeprägt. In dem erfindungsgemäßen Bauelement wird ein solcher
Farbortshift im Vergleich zu herkömmlichen Strahlung
emittierenden Bauelementen reduziert, da die Konversionswärme effizient über den transparenten Körper beziehungsweise über die Füllstoffpfade im transparenten Körper vom Konvertermaterial abgeführt wird. Dadurch wird vorteilhafterweise eine höhere Farbkonstanz erzielt.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist der transparente Körper mit Partikeln versetzt, die ein Konvertermaterial umfassen oder daraus bestehen. Diese Partikel können homogen im transparenten Körper verteilt sein. Der transparente
Körper kann beispielsweise zusammen mit den Partikeln eine Vergussmasse ausbilden, die die Ausnehmung des Bauelementes ganz oder teilweise ausfüllt. Der transparente Körper kann beispielsweise auch als Schicht erzeugt sein, die in der Ausnehmung oder im Bereich der Öffnung der Ausnehmung
angeordnet sein kann. Das in den Partikeln enthaltene
Konvertermaterial steht dabei zumindest teilweise in
thermisch leitenden Kontakt mit dem Füllstoff.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form stehen die Partikel in einem thermisch leitenden Kontakt zu mindestens einem
Füllstoffpfad. Ein Füllstoffpfad kann durch einen solchen Partikel unterbrochen werden und dennoch seine normale
Wärmeleitfähigkeit besitzen. Ein solcher unterbrochener Füllstoffpfad kann auch als zwei separate Füllstoffpfade, die von dem Partikel aus dem transparenten Körper herausführen, aufgefasst werden. Beispielsweise können die Partikel mit dem Füllstoff auch zusammenhängende Pfade beziehungsweise
Perkolationspfade ausbilden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weisen die Partikel, die das Konvertermateria . umfassen oder daraus bestehen, in der Regel eine Größe von bis zu 60 μπι, insbesondere von 5 bis 40 μπι und häufig von 10 bis 30 μπι, auf.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung umfasst das Bauelement ein Konversionselement. Das Konversionselement umfasst das Konvertermaterial, es kann auch weitere
Materialien wie beispielsweise Bindemittel enthalten. Das Konversionselement kann als diskretes Element ausgebildet sein, das heißt, dass das Konversionselement durch optische Verfahren, beispielsweise per Lichtmikroskopie, eindeutig von seiner Umgebung oder anderen Teilen des Bauelementes
unterschieden werden kann. Das Konversionselement kann selbsttragend sein, so dass es mit einer Pinzette oder einem anderen Werkzeug handhabbar ist.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form bildet der transparente Körper mit Partikeln, die das Konvertermaterial enthalten oder daraus bestehen, ein Konversionselement aus. Das
Konversionselement kann weitere Materialien beispielsweise Bindemittel, umfassen. Das Konversionselement kann diskret und/oder selbsttragend ausgebildet sein. Durch den thermisch leitenden Kontakt des Konvertermaterials mit dem Füllstoff wird die Konversionswärme zumindest teilweise an den Rand des Konversionselements abgeführt. Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist das Konversionselement, das das Konvertermaterial enthält und den
transparenten Körper umfassen kann, von der Strahlungsquelle beabstandet. Ein Beispiel für ein beabstandetes Konversions¬ element ist die sogenannte "remote phosphor conversion" . Ein solches Konversionselement kann in einigen Anwendungen auch mit einem zweiten Konversionselement, das nahe oder direkt auf einer Strahlungsquelle angeordnet ist (sogenannte "chip- level conversion", kombiniert werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist das Konversionselement durch eine Vergussmasse von der Strahlungsquelle beabstandet. Diese Vergussmasse kann eine herkömmliche
Vergussmasse aus einem Polymermaterial sein. Insbesondere kann die Vergussmasse einen transparenten Körper umfassen oder daraus bestehen. Die Konversionswärme wird zumindest teilweise über den transparenten Körper beziehungsweise über die Füllstoffpfade von dem Konversionselement abgeführt.
Insbesondere wird dadurch die Wärme vom Konversionselement zumindest teilweise weiter an die Strahlungsquelle und/oder an die elektrisch leitfähigen Anschlüsse und/oder an den Leiterrahmen abgeführt. Das Bauelement kann ein Konversions¬ element, das einen transparenten Körper umfasst, und auch eine Vergussmasse umfassen, die einen transparenten Körper enthält oder daraus besteht.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist der Abstand zwischen dem Konversionselement und der Strahlungsquelle < 200 μπι, und insbesondere < 50 μπι, so dass die Konversion nahe der
Strahlungsquelle erfolgt (chip-level conversion) . Das
Konversionselement weist dabei bevorzugt eine Plättchen- oder eine Chipform auf. Andere Formen können ebenfalls verwendet werden. Das Konversionselement ist dabei beispielsweise stoffschlüssig durch eine Vergussmasse mit der Strahlungs¬ quelle verbunden. Das Bauelement kann eine weitere
Vergussmasse umfassen, die beispielsweise die restliche
Ausnehmung ganz oder teilweise ausfüllt. Zumindest eine der Vergussmassen umfasst einen transparenten Körper oder besteht aus einem transparenten Körper. Die beiden Vergussmassen können auch identisch sein.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das Konversionselement einen Abstand von > 200 μπι, insbesondere von > 750 μπι und oft von > 900 μπι zur Strahlungsquelle auf, so dass die Konversion in einem großen Abstand zur Strahlungsquelle erfolgt (remote phosphor conversion) . Das Konversionselement kann über eine Vergussmasse von der Strahlungsquelle
beabstandet sein. Die Vergussmasse kann dabei ein Silikon, ein Epoxidharz, ein Acrylharz, ein Polyurethan, ein Poly- carbonat oder eine Kombination davon umfassen oder daraus bestehen. Die Vergussmasse kann aber auch einen transparenten Körper umfassen oder daraus bestehen. Das Konversionselement kann auch über einen Hohlraum von der Strahlungsquelle beabstandet sein. Ein solcher Hohlraum kann mit Luft, einem inerten Gas beziehungsweise Gasgemisch gefüllt sein. Eine solche Aus führungs form lässt sich vorteilhafterweise
preisgünstig herstellen. Das Konversionselement kann, wie oben bereits beschrieben, ebenfalls einen transparenten
Körper umfassen.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist das Konversionselement in der Öffnung der Ausnehmung angeordnet. Das
Konversionselement kann dabei beispielsweise als ebene oder gewölbte Schicht ausgebildet sein. Dabei kann das Konversion¬ selement eine mittlere Schichtdicke von 10 bis 2000 μπι. Die Schichtdicke kann 50 bis 1000 μπι, insbesondere 50 bis 500 μπι betragen .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form umschließt das
Konversionselement einen gewölbten Hohlkörper. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass das Konversionselement zusammen mit mindestens einem weiteren Teil des Bauteils einen Hohlkörper umschließt. Dieser Teil kann beispielsweise ein Träger sein, auf dem die Strahlungsquelle angeordnet ist, oder ein Gehäuse, in dessen Ausnehmung die Strahlungsquelle angeordnet ist. Das Konversionselement kann hierbei als
Schicht ausgebildet sein, das eine mittlere Schichtdicke wie im vorstehenden Absatz beschrieben aufweist. Der Hohlkörper kann beispielsweise die Form einer hohlen Halbkugel, eines hohlen Kugelabschnitts aufweisen. Die Strahlungsquelle ist bevorzugt im Hohlkörper angeordnet und kann von dem
Konversionselement beabstandet sein, beispielsweise > 750 μπι (remote phosphor conversion) . Der erhaltene Hohlkörper kann beispielsweise mit Luft, einem inerten Gas, aber auch mit einer Vergussmasse oder einem transparenten Körper nach zumindest einer Aus führungs form der Anmeldung teilweise oder vollständig gefüllt sein. Das Konversionselement kann
ebenfalls einen transparenten Körper nach zumindest einer Aus führungs form der Anmeldung enthalten. Somit ist mit
Vorteil bei Raumtemperatur die Köperfarbe des Konverter¬ materials für den Betrachter von außen kaum oder gar nicht wahrnehmbar; das Konversionselement erweckt vielmehr einen ästhetisch vorteilhaften weißen oder farblosen Eindruck.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form umfasst das Bauelement ein Konversionselement, das das Konvertermaterial enthält und von der Strahlungsquelle beabstandet ist, wobei der
transparente Körper auf der von der Strahlungsquelle abgewandten Seite des Konversionselementes angeordnet ist. Der transparente Körper kann dabei unmittelbar auf dem
Konversionselement erzeugt sein, so dass der Füllstoff auch zumindest teilweise in einem thermisch leitenden Kontakt mit dem Konvertermaterial steht. Alternativ kann dazwischen auch eine thermisch leitende, transparente Schicht, zum Beispiel aus Glas, Silikon oder Kunststoff, erzeugt sein. Vorteil¬ hafterweise umgibt der transparente Körper das Konversions¬ element, so dass dieses von außen umhüllt ist und somit für den Betrachter bei Raumtemperatur kaum farbig sondern
weitgehend weiß oder farblos erscheint.
Bei einer Weiterbildung dieser Aus führungs form weist der auf dem Konversionselement angeordnete transparente Körper eine mittlere Schichtdicke von 50 bis 500 μπι auf. Bei diesen geringen Schichtdicken wird im Betrieb nur sehr wenig
Strahlung absorbiert.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist die Dotierung mit den Konvertermaterialien und/oder die Auswahl der Konvertermaterialien, zum Beispiel in einem Konversionselement, so angepasst, dass durch die Konversionswärme bei Betriebs¬ temperatur genau die notwendige Temperatur erreicht wird, bei der der transparente Körper seine höchste Transparenz aufweist. Unter "genau" wird dabei eine Abweichung von < 3°C, insbesondere von < 2°C, verstanden. Die Abweichung kann sogar < 1°C sein. Unter "höchste Transparenz" wird dabei ein
Bereich verstanden, der das Maximum der Transparenz enthält. In diesem Bereich beträgt die Transparenz > 95%, insbesondere > 97%, der maximalen Transparenz. Hierbei kann die
Transparenz sogar > 99% der maximalen Transparenz sein. Gemäß einer weiteren Aus führungs form kann auf dem Konversionselement zumindest teilweise eine umhüllende Schicht erzeugt sein. Diese Schicht kann insbesondere aus Glas oder einem transparenten Kunststoff bestehen und kann auch eine Außenwand des Bauelementes ausbilden, beispielsweise die Hülle einer Leuchte. Zwischen Konversionselement und
umhüllender Schicht kann ein transparenter Körper nach zumindest einer Aus führungs form der Anmeldung angeordnet sein .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form kann das Konversionselement oder eine Vergussmasse eine Linse ausbilden. Die Linse kann beispielsweise die Öffnung der Ausnehmung
ausfüllen oder in dieser angeordnet sein. Die Linse kann einen Hohlraum ausweisen, der mit einem weiteren Material gefüllt sein kann. Dieses Material kann beispielsweise ein Gas, ein Gasgemisch, ein Kunststoff- oder ein Polymermaterial, ein Glas oder ein anderes Material oder eine
Kombination von mehreren Materialien umfassen oder daraus bestehen .
Im Allgemeinen wird in einem Bauelement mit "chip-level conversion" die Konversionswärme besser vom Konvertermaterial abgeführt, da die Distanz beispielsweise zur Strahlungsquelle und/oder zu den elektrisch leitfähigen Anschlüssen und/oder zum Leiterrahmen kurz ist. Jedoch kann bei einem Bauelement mit "remote phosphor conversion" das Konvertermaterial bau¬ lich bedingt eine höhere Effizienz als das gleiche Konverter¬ material bei "chip-level conversion" aufweisen. Dies gilt für Bauelemente in denen Partikel, die das Konvertermatermaterial enthalten oder daraus bestehen, mit einer Vergussmasse vermischt sind. Durch den größeren Abstand zur Strahlungs¬ quelle kann die Konversionswärme häufig nur unzureichend vom Konvertermaterial abgeführt werden. In einer Aus führungs form des erfindungsgemäßen Bauelements kann der Wärmetransport zumindest teilweise über den transparenten Körper beziehungs¬ weise über die Füllstoffpfade im transparenten Körper
erfolgen. Dadurch wird insbesondere in Bauelementen mit
"remote phosphor conversion" oder mit einer Vergussmasse mit einem transparenten Körper, der mit Partikeln vermischt ist, die das Konvertermaterial enthalten oder daraus bestehen, die Effizienz des Konvertermaterials erhöht und eine Überhitzung des Konvertermaterials vermieden.
Allgemeine Vorteile von Bauelementen mit "remote phosphor conversion" gegenüber anderen Konversionsmethoden sind zum Beispiel, dass das Konvertermaterial einer geringeren
Strahlenbelastung ausgesetzt wird. Hierdurch können auch Konvertermaterialien eingesetzt werden, die für eine
Konversion nahe der Strahlungsquelle ungeeignet sind ("chip- level conversion") .
Darüber hinaus verfügt ein Bauelementen mit "remote phosphor conversion" über eine bessere Abstrahlcharakteristik, da eine diffusere Abstrahlung ohne eine Blendung des Betrachters, wie sie bei einer Konversion nahe der Strahlungsquelle auftreten kann, erhalten werden kann. Zudem kann die Temperaturbelastung für Strahlungsquelle und Gehäuse geringer sein, wodurch die Lebensdauer des Bauelements erhöht wird.
Bei einem Bauelement mit "remote phosphor conversion" wird im Vergleich zu einem Bauelement mit Konversion nahe der
Strahlungsquelle die Effizienz erhöht, da das Gehäuse in der Regel eine höhere Reflektivität für die Strahlung erster und zweiter Wellenlänge aufweist als die Strahlungsquelle. Das Gehäuse kann zum Beispiel mit einem Reflektor versehen sein, so dass die Refelektivität > 90% ist, während die Reflektivität der Strahlungsquelle häufig < 90% ist.
Der transparente Körper nach zumindest einer Aus führungs form der Anmeldung kann auch in Glühlampen, Halogenglühlampen, insbesondere Halogenglühlampen mit einem großen Sockel wie beispielsweise ein E27-Sockel oder auch Kompaktleuchtstoff¬ lampen eingesetzt werden. In diesen Bauteilen können die Körperfarbe eines Konvertermaterials oder die Glühdrähte oder Anschlüsse durch den transparenten Körper, der als
temperaturabhängiger Diffusor ausgebildet ist, bei
Raumtemperatur überdeckt werden. Der transparente Körper kann zum Beispiel auf oder in dem Hüllkolben einer solchen Leuchte angeordnet sein. Bei Betriebstemperatur wird dann die
emittierte Strahlung nicht oder nur geringfügig absorbiert, da der transparente Körper dann transparent ist.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann der
Brechungsindex des Matrixmaterials bei Raumtemperatur gleich oder bis zu 0.04 kleiner als der Brechungsindex des
Füllstoffs sein. Beim Erwärmen auf Betriebstemperatur kann sich diese Differenz vergrößern, zum Beispiel auf 0.04 bis 0.08, wodurch die Strahlung stärker gestreut wird, was erwünscht sein kann, um die Farbhomogenität zu verbessern.
Als weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Strahlung emittierenden Bauelementes
angegeben, wobei das Verfahren die folgenden
Verfahrensschritte umfasst:
(a) Bereitstellen einer Halbleitermaterialien enthaltenden Strahlungsquelle, die im Betrieb eine erste Strahlung erster Wellenlänge emittiert;
(b) Erzeugen eines transparenten Körpers, der ein Matrixmaterial und einen anorganischen Füllstoff umfasst;
(c) Anordnen des transparenten Körpers im Strahlengang der ersten Strahlung; und
(d) Anordnen von Konvertermaterial im Strahlengang der ersten Strahlung, so dass zumindest ein Teil des Konvertermaterials im thermisch leitenden Kontakt mit zumindest einem Teil des Füllstoff des transparenten Körpers steht.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form der Erfindung wird im Verfahrensschritt (b) das Matrixmaterial so auf den Füllstoff abgestimmt, dass es bei Raumtemperatur einen um 0.01 bis 0.07, insbesondere 0.01 bis 0.05, höheren Brechungsindex als der Füllstoff aufweist. Des Weiteren wird das Matrixmaterial so gewählt, dass bei Betriebstemperatur des Bauelementes die Differenz der Brechungsindizes des Matrixmaterials und des Füllstoffs < 0.015 ist. Dies kann insbesondere unter
Berücksichtigung der unterschiedlichen thermo-optischen
Koeffizienten des Matrixmaterials und des Füllstoffs
geschehen. Insbesondere ist der Brechungsindex des
Matrixmaterials bei Raumtemperatur 0.01 bis 0.04, oft 0.015 bis 0.035 höher als der des Füllstoffs. Insbesondere ist die Differenz der Brechungsindizes bei Betriebstemperatur < 0.01, oft < 0.075, beispielsweise < 0.005.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird im Verfahrensschritt (b) als Matrixmaterial zumindest ein Silikon mit organischen Substituenten an den Siliciumatomen verwendet. Der Brechungsindex des Silikons bei Raumtemperatur in einem Bereich von 1.40 bis 1.54 kann über Variation und Verhältnis der organischen Substituenten, die eine unterschiedliche Anzahl von Kohlenstoffatomen aufweisen, wie oben beschrieben, eingestellt werden. Gemäß einer weiteren Aus führungs form kann der Brechungsindex des Matrixmaterials zumindest teilweise durch eine
Kombination von unterschiedlichen Kunststoffen und/oder unterschiedlichen Silikonen eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form werden im Verfahrensschritt (b) folgende Teilverfahrensschritte durchgeführt:
1. Bestimmung des Brechungsindexes des Füllstoffs bei
Raumtemperatur und/oder Betriebstemperatur des Bauelementes.
2. Einstellung des Brechungsindexes des Matrixmaterials unter Berücksichtigung des thermo-optischen Koeffizienten des Matrixmaterials, so dass eine Differenz der Brechungsindizes des Matrixmaterials und des Füllstoffs bei Betriebstemperatur des Bauelements von < 0.015 resultiert. Insbesondere ist die Differenz der Brechungsindizes bei Betriebstemperatur < 0.01, oft < 0.0075, beispielsweise < 0.005.
3. Erzeugen des transparenten Körpers.
Es können bei 2. auch zunächst die Brechungsindizes mehrerer unterschiedlicher Kunststoffe und/oder unterschiedlicher Silikone bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form können die Schritte (b) und (c) zusammen ausgeführt werden. Das Matrixmaterial kann bei Raumtemperatur mit dem Füllstoff vermengt werden oder hierzu etwas erwärmt werden. Das Vermengen erfolgt in der Regel bei einer Temperatur < 70°C, insbesondere < 60°C.
Weitere Materialien können zugegeben werden. Diese Mischung kann beispielsweise in eine Ausnehmung des Bauelementes eingefüllt werden und den transparenten Körper im
Strahlengang der ersten Strahlung ausbilden. Zum Aushärten des transparenten Körpers kann auf höhere Temperaturen erhitzt werden. Gemäß einer weiteren Aus führungs form sind die Schritte (b) , (c) und (d) zusammengefasst . Beispielsweise kann das
Matrixmaterial bei Raumtemperatur oder wie oben beschreiben bei < 70°C, insbesondere < 60°C, mit dem Füllstoff sowie Partikeln, die das Konvertermaterial umfassen oder daraus bestehen, vermengt werden. Weitere Materialien können
zugegeben werden. Diese Mischung kann beispielsweise in die Ausnehmung des Bauelementes eingefüllt werden und einen transparenten Körper, der mit den Partikeln vermischt ist, im Strahlengang der ersten Strahlung ausbilden. Zum Aushärten kann gegebenenfalls erhitzt werden. Dadurch kann auch ein Konversionselement ausgebildet werden.
In weiteren Verfahrensschritten, bei denen keine bestimmte Reihenfolge vorgegeben ist, können weitere Bestandteile eines Bauelementes bereitgestellt respektive angeordnet werden. Es können auch weitere Verfahrensschritte mit bereits genannten Verfahrensschritten zusammen ausgeführt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen insbesondere anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei geben gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis vergrößert
und/oder schematisch dargestellt sein.
Es zeigen
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des Bauelements, Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Bauelements mit einem beabstandeten Konversionselement (remote phosphor conversion) ,
Fig. 3 ein
Konversions
conversion)
Fig. 4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der
Wärmeleitfähigkeit eines transparenten Körpers vom
Füllstoffgehalt zeigt,
Fig. 5 ein Diagramm, das den verringerten Farbortshift in einem erfindungsgemäßen Bauelement im Vergleich zu einem herkömmlichen Bauelement zeigt,
Fig. 6 bis Fig.8 weitere Ausführungsbeispiele von
Bauelementen mit einem beabstandeten Konversionselement (remote phosphor conversion) .
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Strahlung emittierenden Bauelements 1 gemäß zumindest einer
Aus führungs form der vorliegenden Erfindung. Das Bauelement 1 besitzt ein Gehäuse 5, mit einer Ausnehmung 6, in der ein Halbleiterchip, eine LED, als Strahlungsquelle 10 am Boden der Ausnehmung 6 angeordnet ist. Am Boden der Ausnehmung 6 ist ein Bondpad 15 angeordnet, das über einem Bonddraht 16 mit dem Halbleiterchip 10 leitend verbunden ist. Der
Halbleiterchip 10 sowie das Bondpad 15 sind mit elektrisch leitfähigen Anschlüssen 17a, 17b verbunden, die aus dem Gehäuse 5 des Bauelements 1 hinausführen können und zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen sind. Die elektrisch leitfähigen Anschlüsse 17a, 17b können ein Teil des Leiterrahmens sein. Die Seitenwände 7 der Ausnehmung 6 können ein reflektierendes Material wie beispielsweise T1O2 oder eine Metallbeschichtung aufweisen.
Die Ausnehmung 6 ist mit einer Vergussmasse ausgefüllt. Die Vergussmasse besteht aus dem transparenten Körper 20 sowie aus Partikeln, die mindestens ein Konvertermaterial 30 enthalten oder daraus bestehen. Die Vergussmasse kann 4 bis 12 Gew-%, insbesondere 5 bis 10 Gew-% Konvertermaterial 30 enthalten. Die Vergussmasse kann auch weitere Materialien enthalten. Der transparente Körper 20 und das Konvertermaterial 30 sind also zumindest teilweise im Strahlengang 11, hier als gestrichelter Pfeil dargestellt, angeordnet. Als Strahlengang 11 ist hier der Übersichtlichkeit halber die Hauptabstrahlrichtung angegeben. Die Strahlung kann auch in einem Winkel Θ zur Hauptabstrahlrichtung emittiert werden. In dieser Aus führungs form kann die Vergussmasse an dem oberen Ende der Ausnehmung 6 eine Linse 40 ausbilden.
Der Füllstoff im transparenten Körper 20 ist der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. Der Füllstoff kann
Füllstoffpfade ausbilden, die das Konvertermaterial 30 zumindest teilweise thermisch leitend mit der Strahlungs¬ quelle 10 und/oder den elektrisch leitfähigen Anschlüssen 17a, 17b und/oder dem Leiterrahmen verbinden. Dadurch wir im Betrieb die Konversionswärme vom Konvertermaterial 30
abgeführt. Der transparente Körper 20 enthält beispielsweise ein Cyclohexyl substituiertes Silikon als Matrixmaterial mit einem Brechungsindex von 1.47 bis 1.49, zum Beispiel 1.48, sowie 40 bis 50 Gew-% Si02-Partikel als Füllstoff. Bei
Raumtemperatur wird die Strahlung durch den transparenten Körper gestreut, bei 100°C hingegen ist der transparente Körper transparent mit einer Transmission von > 95%, insbesondere > 98%, bei einer Wellenlänge von 600 nm. Die Temperatur am Konvertermaterial ist im Vergleich zu einem herkömmlichen Bauelement mit einer Vergussmasse aus Silikon um 15 bis 30% gesenkt, wodurch die Effizienz des Konvertermaterials erhöht wird.
In Figur 2 ist ein schematischer Querschnitt durch ein
Bauelement 1 gemäß einer weiteren Aus führungs form der
Erfindung gezeigt. Im Bereich der Öffnung der Ausnehmung 6 erstreckt sich ein Konversionselement 31, das mindestens ein Konvertermaterial 30 enthält. Der Gehalt an Konvertermaterial 30 kann beispielsweise 10 bis 30 Gew-%, insbesondere 15 bis 25 Gew-%, im Konversionselement 31 betragen. Das Konversions¬ element 31 kann auch einen transparenten Körper enthalten 20. Der Abstand zur Strahlungsquelle 10 ist dabei > 200 μπι, insbesondere > 750 μπι (remote phosphor conversion) . In diesem Ausführungsbeispiel bildet das Konversionselement 31 eine Linse 40 aus. Das Konversionselement 31 ist von der
Strahlungsquelle 10 durch eine Vergussmasse beabstandet, die aus einem transparenten Körper 20 bestehen kann. Insbesondere können sowohl das Konversionselement 31 als auch die
Vergussmasse einen transparenten Körper enthalten
beziehungsweise letztere daraus bestehen.
Im Betrieb wird die Konversionswärme über einen transparenten Körper 20 beziehungsweise über die Füllstoffpfade im
transparenten Körper 20 vom Konvertermaterial 30 abgeführt und dadurch die Effizienz des Konvertermaterials 30 erhöht.
Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines
Bauelementes 1 gemäß einer weiteren Aus führungs form der
Erfindung. Ein Konversionselement 31 mit dem Konvertermaterial 30 ist über einen transparenten Körper 20, der die hier die Funktion eines Klebers übernehmen kann, mit dem Halbleiterchip 10 stoffschlüssig verbunden. Das Konversions¬ element 31 kann beispielsweise 20 bis 70 Gew-%, insbesondere 30 bis 60 Gew-%, Konvertermaterial 30 enthalten. Der Abstand zur Strahlungsquelle 10 ist < 200 μπι, insbesondere < 50 μπι (chip-level conversion) . Das Konversionselement 31 kann einen transparenten Körper enthalten (nicht eingezeichnet) . Das Konversionselement 31 besitzt die Form eines Plättchens; es können auch andere Formen für das Konversionselement 31 verwendet werden. Die Ausnehmung 6 ist mit einer Verguss¬ masse, die aus einem transparenten Körper 20 bestehen kann, ausgefüllt. Bei dieser Aus führungs form kann die Vergussmasse eine Linse 40 ausbilden.
In Figur 4 ist gezeigt die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit in W/mK (y-Achse) vom Füllstoffgehalt in Gew-% (x-Achse) einer Vergussmasse, die einen transparenten Körper 20, der aus Poly (dimethylsiloxan) als Matrixmaterial sowie einem variablen Prozentsatz an sphärischen Si02-Partikeln als
Füllstoff besteht und mit 7 Gew-% Partikeln aus einem mit Cer dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce) vermischt ist. Ohne Füllstoffpartikel besitzt die Vergussmasse eine
Wärmeleitfähigkeit von etwa 0.15 W/mK. Mit 30 Gew-% S1O2- Partikel wird bei der Vergussmasse eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0.23 W/mK und mit 50 Gew-% Si02-Partikel eine
Wärmeleitfähigkeit von etwa 0.35 W/mK beobachtet.
In Figur 5 ist ein Diagramm wiedergegeben, das die verbesserte Farbkonstanz des Bauelements nach einer Aus führungs form der Erfindung 100 im Vergleich zu einem herkömmlichen
Bauelement 200 zeigt. Das Bauelemente nach einer Ausführungs¬ form der Erfindung weist eine zu einer Linse 40 ausgebildete Vergussmasse aus einem transparenten Körper 20 auf, der aus Poly (dimethylsiloxan) und 50 Gew-% sphärischen Si02-Partikeln besteht und der mit 7 Gew-% Partikeln aus YAG:Ce vermischt ist. Die Vergussmasse des herkömmlichen Bauelementes besteht nur aus Poly (dimethylsiloxan) und 7 Gew-% Partikeln aus
YAG:Ce. Der Cx-Wert ist auf der y-Achse aufgetragen, der Winkel Θ zur Hauptabstrahlrichtung (Θ = 0°) ist auf der x- Achse aufgetragen. Gemessen wurde bei Raumtemperatur
unmittelbar nach Inbetriebnahme des Bauelements. Der
Farbortshift im erfindungsgemäßen Bauelement 100 ist deutlich geringer als der des herkömmlichen Bauelementes 200.
In Figur 6 in ein schematischer Querschnitt durch ein
Bauelement 1 mit "remote phosphor conversion" gemäß einer weiteren Aus führungs form gezeigt. Auf einem Träger 2, der einen Leadframe umfasst, sind eine oder mehrere Strahlungs¬ quellen 10 (hier drei dargestellt) angeordnet und elektrisch leitend angeschlossen. Bondpads, Bondraht und sonstige elektrische Anschlüsse sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Als Strahlungsquellen 10 können LED-Chips verwendet werden, die beispielsweise im blauen oder im roten Bereich des Spektrums emittieren.
Den Strahlungsquellen 10 ist im Strahlengang 11 nachfolgend ein Konversionselement 31 angeordnet, das das Konverter¬ material umfasst (nicht separat eingezeichnet) . In dem in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel enthält das Konver¬ sionselement auch einen anorganischen Füllstoff, zum Beispiel ein Metallfluorid oder Si02-Partikel , und ein wie oben beschrieben darauf abgestimmtes Matrixmaterial, zum Beispiel ein Silikon. Somit enthält in diesem Ausführungsbeispiel das Konversionselement auch einen transparenten Körper 20. Das Konvertermaterial kann zum Beispiel im transparenten Körper fein verteilt vorliegen, so dass Füllstoff und Konverter- material zumindest teilweise in einem thermisch leitenden Kontakt miteinander stehen. Das Konversionselement 31 ist hier als Schicht mit einer mittleren Schichtdicke von zum Beispiel 10 bis 1000 μπι, insbesondere von 50 bis 500 μπι, ausgebildet und als gewölbter Hohlkörper ausgeformt. Zwischen dem Konversionselement 31 und den Strahlungsquellen liegt ein Hohlraum 50. Dieser Hohlraum 50 kann mit Luft oder einem inerten Gas, zum Beispiel Stickstoff oder ein Edelgas, gefüllt sein. Es ist auch denkbar, dass der Hohlraum 50 zumindest teilweise mit einer Vergussmasse gefüllt ist (hier nicht dargestellt) .
Im transparenten Körper 20 sind das Matrixmaterial und der Füllstoff derart aufeinander abgestimmt, dass das Matrix¬ material einen um 0.01 bis 0.05 höheren Brechungsindex und einen höheren thermo-optischen Koeffizienten als der
Füllstoff aufweist, so dass bei Betriebstemperatur des
Bauelements 1 die Differenz der Brechungsindizes < 0.015 ist. Somit streut der transparente Körper bei Raumtemperatur stark einfallendes Licht, so dass die Körperfarbe des Konverter¬ materials für den Betrachter von außen kaum wahrnehmbar ist. Der Strahlung auskoppelnde Bereich des Bauelementes 1 weist daher einen ästhetisch vorteilhaften matten, weißen oder farblosen Eindruck im ausgeschalteten Zustand auf. Im Betrieb sinkt jedoch die Brechungsindexdifferenz, so dass der
transparente Körper 20 kaum noch Strahlung absorbiert, wodurch eine hohe Effizienz des Bauelements 1 erhalten wird. Der transparente Körper 20 beziehungsweise das Konversions¬ element 31 wirkt also als temperaturabhängiger Diffusor.
Der Füllstoffgehalt im transparenten Körper beträgt bis zu 80 Gew-%. Vorzugweise wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein relativ niedriger Füllstoffgehalt von 5 bis 50 Gew-% und in der Regel 10 bis 40 Gew-% eingesetzt. In diesem Bereich wird eine sehr gute Streuwirkung des transparenten Körpers bei Raumtemperatur erhalten. Der Füllstoff hat dabei eine durchschnittliche Korngröße von 100 nm und 20 μπι. In dem in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt durchschnittliche Durchmesser < 1 μπι, insbesondere 200 bis 800 nm, was bei Raumtemperatur beziehungsweise im ausgeschalteten Zustand eine besonders gute Streuwirkung bewirkt.
Auf dem Konversionselement 31 kann eine umhüllende Schicht aus Glas oder einem transparenten Kunststoff erzeugt sein (nicht gezeigt) , die das Bauelement 1 beziehungsweise das Konversionselement 31 nach außen hin schützt.
Zum Beispiel können eine im blauen Bereich des Spektrums emittierende Strahlungsquelle 10, zum Beispiel eine LED umfassend InGaN, und ein Konversionselement 31 (remote phosphor conversion) mit einer Mischung aus im grünen und roten Bereich emittierenden Konvertermaterialien verwendet werden, um ein weiß emittierendes Bauteil 1 bereitzustellen.
Es kann auch zum Beispiel eine Kombination von einer im roten Bereich emittieren Strahlungsquelle 10, zum Beispiel eine LED umfassend InGaAlP, mit einer im blauen Bereich emittierenden Strahlungsquelle 10, zum Beispiel eine LED umfassend InGaN, eingesetzt werden, so dass das Bauteil 1 unterschiedlich emittierende unterschiedliche Strahlungsquellen 10 enthält. Hierbei kann ebenfalls Konversion mit einem Konversions¬ element 31 (remote phosphor conversion) , das zum Beispiel eine Mischung aus im grünen und roten Bereich emittierenden Konvertermaterialien umfasst, verwendet werden, um ein weiß emittierendes Bauteil 1 bereitzustellen. In Figur 7 ist ein schematischer Querschnitt durch ein Bauelement 1 gemäß einer weiteren Aus führungs form gezeigt. Die Elemente dieses Bauelements 1 können denen des Bauelements aus Figur 6 entsprechen. In dem in Figur 7 dargstellten
Bauelement ist ein transparenter Körper 20 nach zumindest einer Aus führungs form der Anmeldung auf einem von der
Strahlungsquelle beabstandeten Konversionselement 31 ange¬ ordnet. Somit steht zumindest ein Teil des Füllstoffs in dem transparenten Körper 20 in einem thermisch leitenden Kontakt mit dem Konvertermaterial des Konversionselementes 31. Der transparente Körper 20 kann eine mittlere Schichtdicke von 50 bis 500 μπι aufweisen.
Gegebenenfalls kann zwischen dem transparenten Körper 20 und dem Konversionselement 31 auch eine weitere transparente Schicht aus zum Beispiel Glas, Silikon oder Kunststoff erzeugt sein, die ebenfalls einen thermisch leitenden Kontakt herstellt. Das Konversionselement 31 kann optional, wie zu Figur 6 beschrieben, ebenfalls einen weiteren transparenten Körper nach zumindest einer Aus führungs form der Anmeldung enthalten .
Beispielhaft ist hier auf einer Strahlungsquelle 10 ein zweites Konversionselement 32 angeordnet, das zum Beispiel als Konverterplättchen ausgebildet ist, so dass auch
Konversion nahe der Strahlungsquelle 10 erfolgt (chip-level conversion) . Zweite Konversionselemente 32 können auch für mehrere Strahlungsquellen 10 vorhanden sein. Ein oder mehrere zweite Konversionselemente können analog auch bei anderen Aus führungs formen der Anmeldung vorhanden sein. Beispielsweise kann in einem Bauelement 1 eine im blauen Bereich des Spektrums emittierende Strahlungsquelle 10, zum Beispiel eine LED umfassend InGaN, mit einem einen im roten Bereich emittierenden Konvertermaterial enthaltenden zweiten
Konversionselement 32 (chip-level conversion) und mit einer Mischung aus im grünen und roten Bereich emittierenden
Konvertermaterialien im Konversionselement 31 (remote phosphor conversion) kombiniert werden, um ein weiß
abstrahlendes Bauelement 1 zu erhalten.
In Figur 8 ist ein schematischer Querschnitt durch ein
Bauelement 1 gemäß einer weiteren Aus führungs form gezeigt. Hier sind die Strahlungsquellen 10 in einem Gehäuse 5 angeordnet, das mit dem Träger 2 verbunden sein kann. Die Innenwände des Gehäuses 5 können reflektierend ausgestaltet sein, in dem sie zum Beispiel mit reflektierenden Pigmenten wie T1O2 oder mit Metall beschichtet sind. Im Strahlengang 11 sind ein Konversionselement 31 und nachfolgend ein
transparenter Körper 20 angeordnet. Diese beiden Elemente sind hier als ebene Schichten dargestellt, sie können jedoch auch gewölbt sein. Der Hohlraum 50 kann auch als Ausnehmung zwischen Gehäusewänden ausgebildet sein. Die Gehäusewände können auch abgeschrägt sein (hier nicht gezeigt) . Bei dem hier gezeigten Bauteil 1 können beispielsweise die in Bezug auf die vorherigen Figuren genannten Strahlungsquellen 10 und Konversionselemente 31, analog Figuren eingesetzt werden.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist .

Claims

Patentansprüche
1. Strahlung emittierendes Bauelement (1) umfassend:
eine Halbleitermaterialien enthaltende Strahlungsquelle (10), die im Betrieb eine erste Strahlung erster
Wellenlänge emittiert;
einen transparenten Körper (20), der ein Matrixmaterial und einen anorganischen Füllstoff umfasst und der
zumindest teilweise im Strahlengang (11) der ersten
Strahlung angeordnet ist;
ein Konvertermaterial (30), das zumindest teilweise im Strahlengang (11) der ersten Strahlung angeordnet ist und die erste Strahlung zumindest teilweise in eine zweite Strahlung mit einer zweiten, längeren Wellenlänge
konvertiert ;
wobei das Konvertermaterial (30) zumindest teilweise in einem thermisch leitenden Kontakt mit zumindest einem Teil des Füllstoffs des transparenten Körpers (20) steht.
2. Bauelement (1) nach Anspruch 1,
wobei das Matrixmaterial bei Raumtemperatur einen um 0.01 bis 0.07 höheren Brechungsindex und einen höheren thermo- optischen Koeffizienten als der Füllstoff aufweist, so dass bei einer Betriebstemperatur des Bauelements (1) eine Differenz der Brechungsindizes < 0.015 ist.
3. Bauelement (1) nach Anspruch 2,
wobei das Matrixmaterial einen Brechungsindex aufweist, der bei Raumtemperatur um 0.01 bis 0.04 und insbesondere um 0.015 bis 0.035 höher als der Brechungsindex des
Füllstoffes ist.
4. Bauelement (1) nach Anspruch 2,
wobei bei Betriebstemperatur die Differenz der
Brechungsindizes < 0.01 und insbesondere < 0.0075 ist.
5. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Füllstoff ein Metallfluorid, insbesondere MgF2, LiF, CaF2, BaF2 oder eine Kombination davon, umfasst.
6. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Füllstoff Glas, Quarz, sphärische S1O2- Partikel, ein Borosilicatglas oder eine Kombination davon umfasst .
7. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Füllstoff im transparenten Körper (20)
zusammenhängende Füllstoffpfade ausbildet.
8. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der transparente Körper (20) eine Wärmeleit¬ fähigkeit von > 0.25 W/mK und insbesondere > 0.30 W/mK aufweist .
9. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der transparente Körper (20) mit Partikeln versetzt ist, die das Konvertermaterial (30) umfassen.
10. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bauelement (1) ein Konversionselement (31) umfasst, das den transparenten Körper (20) und das
Konvertermaterial (30) umfasst und das von der
Strahlungsquelle (10) beabstandet ist.
11. Bauelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Konversionselement (31) einen gewölbten
Hohlkörper umschließt.
12. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und 11,
wobei das Bauelement ein Konversionselement (31) umfasst, das das Konvertermaterial (30) enthält und von der
Strahlungsquelle (10) beabstandet ist, wobei der
transparente Körper auf der von der Strahlungsquelle (10) abgewandten Seite des Konversionselementes (31)
angeordnet ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Strahlung emittierenden Bauelements (1) nach den Ansprüchen 1 bis 12, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
(a) Bereitstellen einer Halbleitermaterialien
enthaltenden Strahlungsquelle (10), die im Betrieb eine erste Strahlung erster Wellenlänge emittiert;
(b) Erzeugen eines transparenten Körpers (20), der ein Matrixmaterial und einen anorganischen Füllstoff umfasst;
(c) Anordnen des transparenten Körpers (20) im
Strahlengang (11) der ersten Strahlung; und
(d) Anordnen von Konvertermaterial (30) im Strahlengang (11) der ersten Strahlung, so dass zumindest ein Teil des Konvertermaterials (30) in einem thermisch leitenden Kontakt mit zumindest einem Teil des Füllstoff des transparenten Körpers (20) steht.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
wobei im Verfahrensschritt (b) das Matrixmaterial so auf den Füllstoff abgestimmt wird, dass es bei Raumtemperatur einen um 0.01 bis 0.07 höheren Brechungsindex aufweist und bei Betriebstemperatur des Bauelements (1) die Differenz der Brechungsindizes < 0.015 ist. Verfahren nach Anspruch 14,
wobei im Verfahrensschritt (b) als Matrixmaterial zumindest ein Silikon mit organischen Substituenten an den Siliciumatomen verwendet wird, und der Brechungsindex des mindestens einen Silikons bei Raumtemperatur in einem Bereich von 1.40 bis 1.54 über Variation und Verhältnis der organischen Substituenten mit einer unterschiedlichen Anzahl von Kohlenstoffatomen eingestellt wird.
PCT/EP2011/064395 2010-08-20 2011-08-22 Strahlung emittierendes bauelement mit einem konvertermaterial, mit einem thermisch leitenden kontakt und verfahren zu dessen herstellung WO2012022813A1 (de)

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