WO2012062641A2 - Halbleiteranordnung und mit dieser aufgebaute funktionseinheit sowie verfahren zur herstellung einer halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung und mit dieser aufgebaute funktionseinheit sowie verfahren zur herstellung einer halbleiteranordnung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a semiconductor device and a radio ⁇ tion unit containing at least one semiconductor device and a method for producing a semiconductor device.
  • the method and apparatus allow cooling or cooling of semiconductor devices.
  • the invention relates to a semiconductor device and constructed using one or more such semiconductor devices functional unit (component) such as a street lamp.
  • semiconductor devices such as light emitting diodes, LED (Light Emitting Devices), organic light emitting diodes (OLED), laser diodes, or components of
  • the cooling of semiconductor devices can, as is known, be effected by heat sinks which are connected to the semiconductor component and deliver the heat generated by the semiconductor component to the environment by convection cooling.
  • the use of heat sinks offers an increased surface area through which the semiconductor component is convection cooled by passing air. Especially in sunlight when using the semiconductor device in the outdoor area, however, the cooling surface by absorption of solar energy so strong be heated, for example, that an active convection cooling with additional fan blower or with fluid flow must be installed. Otherwise, high power LEDs may not work.
  • an active convection ⁇ cooling requires increased effort, space and maintenance requirements and also leads to increased power requirements due to the need for operating the active cooling device, usually electrical, energy.
  • the object of the present invention is to be able to effectively cool a semicon ⁇ conductor arrangement and equipped with one or more such semiconductor devices device with little effort and power requirements, as well as to provide a corresponding manufacturing method.
  • This object is achieved by a method and a device in the form of a semiconductor device, which is provided with a heat sink, which is provided with a selective coating or with a coating system for radiation cooling, in particular via the atmospheric transmission window.
  • a very effective cooling can be achieved with only a small expenditure on equipment, especially in outdoor use.
  • such further cooling measures can additionally be implemented.
  • a semiconductor device having a heat sink and at least one semiconductor device, which is in thermally conductive connection with the heat sink and optionally in Form of at least one light emitting diode array may be formed, created for the use of the semiconductor device in the outdoor area.
  • the heat sink is provided on its atmospheric surface zuwendbaren with a coating in the wavelength range of electromagnetic radiation from 8 ⁇ to 13 ⁇ or 8 ⁇ to nie ⁇ an emissivity of at least 0.8 and in the range below 8 ⁇ an absorbance much less than 0.8 having.
  • the semiconductor device may e.g. may be attached directly to a surface of the heat sink or may be indirectly connected to the heat sink, e.g. via a heat-conductive connection such as a heat pipe in thermally conductive connection.
  • IR is equal to infrared
  • Fig. 1 is a schematic diagram showing the relative
  • Fig. 2 shows an embodiment of the invention in the form of an outdoor lamp, such as a street lamp, the contains an embodiment of a semiconductor device or a corresponding semiconductor device according to the invention,
  • Fig. 3 is a sectional view of an embodiment of a semiconductor device according to the invention.
  • FIGS. 4 to 9 further exemplary embodiments of semiconductor arrangements according to the invention.
  • figure 1 a diagram is shown which illustrates the relati ve ⁇ permeability of the atmosphere with respect to the shafts ⁇ lengths of electromagnetic radiation.
  • the infrared wavelengths exists in the wavelength range of about 8 ⁇ to 13 ⁇ a so-called atmospheric spherical window AF, in which the atmosphere for this wavelength range is substantially transparent.
  • the utilization of the radiation cooling is achieved in embodiments of the present invention, characterized in that the cooling surface is coated so that the pointing towards the atmosphere surface of the cooling surface in the wavelength range of 8 ⁇ to at least 10 ⁇ or possibly up to 13 ⁇ an emissivity of at least 0.8 and in the range below 8 ⁇ an absorbance much less than 0.8.
  • the coating can be made of metal oxides such. As S1O 2 , MgO, T1O 2 , zirconia, or consist of semiconductor materials or other suitable materials.
  • the coating can be applied by sputtering, vapor deposition, electrodeposition, powder coating or by using paint.
  • the selective substances satisfying the above values in terms of absorptivity and emissivity are preferably present as the main pigment, ie, having a pigment content of at least 50%, preferably more than 80%.
  • Embodiments of the invention can be used for radiation cooling instead of active cooling in outdoor applications, for example in airport lighting, street lighting or other exterior lighting, or in general for cooling semiconductor elements.
  • heat sinks in this case provides an increased surface area over which the heat generated in the semiconductor device ⁇ port primarily by Strahlungstrans- in the environment and in particular on the atmospheric windows effectively to the outside can be drained effectively.
  • the coating is not black or dark in order to avoid passive heating of the heat sink by solar radiation or radiation interaction with the environment can.
  • the usable emissivity in the range below 8 ⁇ is not limited.
  • An emissivity in the range below 8 ⁇ smaller than 0.8 is preferred.
  • the lamp 1 shows an embodiment of a fiction, modern ⁇ semiconductor device in the form of a lamp 1 for outdoor use, for example in the form of a lamp is shown.
  • the lamp 1 has a light ⁇ body 2, which is fixedly mounted on a support arm 3.
  • the support arm 3 can, for. B. anchored standing on a street or in a pedestrian area or be designed, for example, for hanging execution.
  • the light ten redesign 2 has a heat sink 4 on which one or more semiconductor elements (semiconductor devices), op tional ⁇ in the form of light emitting diodes (LEDs) 5, are mounted in good thermally conductive connection.
  • the LEDs can be designed, for example, as individual chips or arrays or hopped modules.
  • the half ⁇ conductor elements 5 are arranged so that they radiate downward, while the heat sink 4 above the conductor elements half 5 is mounted and can radiate into space with its top side up.
  • the luminaire body 2 may further optionally include a cover 6 for protection against contamination or damage, optionally transparent or semi-transparent to the passage of the semiconductor device 5, i.
  • a cover 6 for protection against contamination or damage, optionally transparent or semi-transparent to the passage of the semiconductor device 5, i.
  • the light-emitting diodes, generated radiation or light radiation can be designed.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the semiconductor device according to Inventive ⁇ is illustrated a functional device in the form of a semiconductor device 10 has.
  • the functional device 10 can correspond to the heat sink 4 with the semiconductor component or components 5 mounted thereon according to FIG. 2 and optionally contain an additional cover 6 (not shown).
  • the embodiment shown in Figure 3 embodiment of the embodiment of the semiconductor device 10 are at the bottom of a cooling body 11, one or more half ⁇ conductor devices 13 exist, which act as a heat source and transfer the heat generated during its operation to the heat sink 11 by direct heat transfer.
  • the heat sink 11 may be made of a suitable thermally conductive material such as metal.
  • the semiconductor component (s) 13 can be permanently firmly connected to the heat sink 11 by direct bonding, screwing or otherwise, so that close physical contact is achieved and the generated heat is transmitted directly and effectively to the heat sink.
  • the semiconductor component (s) 13 may, for example, be mounted centrally on the heat sink underside, so that the generated heat can be effectively distributed.
  • the op ⁇ tional may be formed so that the incident solar radiation is reflected 12a, and consequently an up heating of the heat sink 11 by incident sun ⁇ radiation 12a entirely or at least partially prevented becomes.
  • infrared radiation 12b in particular in the region of the atmospheric window AF in the wavelength range of 8 to ⁇ or 8 to 13 ⁇ be emitted from the coating 12, so that the guided by the heat sink 11 in this wavelength range thermal energy can be effectively radiated.
  • the coating 12 preferably has a low emissivity at wavelengths ⁇ ⁇ 8 ⁇ with reflection and incident radiation.
  • the coating 12 has high ⁇ , ie high emissivity, preferably of at least 0.8 in the wavelength range from 8 ⁇ to 10 ⁇ , or in the range of 8 ⁇ to 13 ⁇ or more. In the region below 8 ⁇ the absorption coefficient is preferably very low and is at values much less than 0.8 ("0.8).
  • the coating 12 consists on Example of leadership of Figure 3 from a metal oxide such as S1O 2 , MgO, zirconium oxide, or T1O 2 , but can also be made of semiconductor materials or other materials.
  • the coating 12 may optionally be applied by sputtering, vapor deposition, electrodeposition or powder coating. Alternatively or additionally, the coating can also be applied by paint application to the heat sink 11, for example in liquid form with subsequent curing.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the erfindungsge ⁇ MAESSEN semiconductor device is shown, which may correspond to the embodiment of Figure 3 and the heat sink 11 may have with administratangeem semiconductor device 13 with, for example, central positioning.
  • a coating 14 is in the disclosed embodiment according to Figure 4 which is is shaped as the lichtse--selective coating with high ⁇ for applications such as street lights, which are operated mainly at night.
  • the coating 12 shown in Figure 3 a high ⁇ , ie high emissivity in the range of 8 ⁇ ⁇ ⁇ 10 ⁇ comprising ( ⁇ denotes the wavelength of the emitted from the heat sink and the Be ⁇ coating, the cooling causing radiation), the coating 14 according to Figure 4 no selective properties and can show high ⁇ over the entire range.
  • the emissivity in the range below 8 ⁇ subject in the embodiment of Figure 4 due to the main application in the absence Sun exposure no restriction.
  • An emissivity in the range below 8 ⁇ smaller than 0.8 is preferred.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment, which in turn has the heat sink 11, which carries the at least one semiconductor component 13 on one side, for example the underside.
  • a coating 15 is provided on the semiconductor assembly ⁇ element 13 opposite side of the heat sink 11, which can consist, as in the other embodiments of the same material, but additionally has a microstructured surface for increasing the emissivity ⁇ , As shown, the surface can, for example, have a wave-shaped or roughened course, so that overall the surface area is increased and thus the heat radiation is improved.
  • an additional transparent protective coating 16 is applied to the semiconductor device according to FIG. 5, so that a flat, contamination-insensitive outer surface is obtained which does not impair the heat radiation due to its transparency.
  • the protective coating 16 may consist of transparent plastic, but also consist of other suitable materials.
  • a coating consisting of at least two layers 17, 18 is applied to the heat sink 11 with lower sides, at least one semiconductor component 13 on the upper side, so that , ie facing the At ⁇ phere surface of the heat sink 11, with min ⁇ least two layers 17, 18 is coated, the facing to the atmosphere cooling surface.
  • the outer layer 18 is preferably such that it scatters or reflects incident solar radiation 12a and at the same time for infrared radiation in the range of 8 ⁇ to at least 10 ⁇ or 13 ⁇ is largely transparent.
  • a permeability of at least 70% is referred to here.
  • the layer 18 may contain scattering particles 18a or the solar radiation may be designed to be reflective.
  • the layer 18 is a transparent to infrared radiation layer which scatters the incident solar radiation and / or re flexs ⁇ .
  • the layer 18 are MgO, T1O 2, zirconium oxide, or by using reflective metal particles.
  • other scattering or reflective materials 18a may be used.
  • As a matrix or carrier material for receiving the scattering particles 18a are transparent materials for infrared radiation, for.
  • polyethylene used as polyethylene used. The density of the particles and the layer thickness of the layer 18 are selected so that the layer 18 remains transparent as far as possible.
  • the layer 17 of the exemplary embodiment according to FIG. 7 may correspond in terms of its properties and materials used to the layer 12 of the exemplary embodiment according to FIG. 3, but alternatively also to the layers 15 or 16.
  • the inner layer 17 is made of a material having an emission ⁇ ⁇ degree of at least 0.8 in the wavelength range of 8 to ⁇ 10th
  • FIG. 8 another embodiment of he ⁇ inventive semiconductor device is illustrated, which represents a combination of the embodiments according to FIGS 5 and 7.
  • FIG. The coating applied to the heat sink 11 is here designed as a layer system comprising two layers 20 and 21.
  • the outer (upper) layer 20 has the same structure as the layer 18 according to the exemplary embodiment of FIG. 7.
  • the inner layer 21 located between the heat sink 11 and the upper layer 20 is similar to the layer 15 of FIG.
  • Be ⁇ to these layers also apply to the embodiment according to figure 8 in the same way.
  • the microstructured layer 21 is covered and protected by the upper layer 20.
  • the upper layer 20 so ⁇ out leads that 18 it acts as the outer layer according to FIG. 7
  • the underlying surface or layer 21 is treated by microstructuring to have an overall increased emissivity.
  • a further embodiment is Darge ⁇ represents that has a layer system with two layers 22, 23, which is applied to the heat sink 11 on the semi-conductor component 13 opposite ⁇ heat sink top.
  • the upper layer 23 is designed to be like the outer layer 18 in FIG. 7 can act and be trained.
  • the befind including ⁇ Liche surface or layer 23 is a material with a high emissivity, close to the black body and whose emission properties coated.
  • the layer 22 may be formed and embodied like the layer 14 shown in FIG.
  • the layer can be made 22 by black matte color, black Eloxat, black plastic or ⁇ same.
  • a selective radiator with two layers, namely by applying a selectively transparent material to a highly reflective layer .
  • a selectively transparent material for example, SiO or MgO may be used on aluminum.
  • glass on aluminum can be used.
  • radiation cooling of semiconductor devices is achieved by infrared selective coating or coatings. It is a fitting sive heat dissipation of one or more semiconductor devices, eg. B. the semiconductor device 13, in particular of LEDs, implemented in the outdoor area by radiation cooling using radiation-selective coatings or layer systems. This allows the achievement of very good cooling results, inter alia, in applications with high ambient temperature and sunlight with poor convection cooling.
  • Embodiments can be used as airfield lighting, car headlights, daytime running lights and / or street lighting or in other applications.
  • Embodiments of the invention offer the possibility of operating high-power LEDs in the outdoor area in particular ⁇ under sunlight while avoiding active cooling.
  • the purely passive cooling according to embodiments is very effective and does not require any active cooling energy supply.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem Kühlkörper und mindestens einem an einer Oberfläche des Kühlkörpers angebrachten Halbleiterbauelement, optional in Form mindestens einer Leuchtdiodenanordnung. Der Kühlkörper ist für den Einsatz der Halbleiteranordnung im Außenbereich an seiner der Atmosphäre zuwendbaren Oberfläche mit einer Beschichtung versehen, die im Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung von 8μm bis 13μm oder 8μm bis 10μm einen Emissionsgrad von mindestens 0,8 und im Bereich unterhalb von 8μm einen Absorptionsgrad sehr viel kleiner als 0,8 aufweist. Hierdurch lässt sich eine effektive Strahlungskühlung über das atmosphärische Transmissionsfenster erreichen.

Description

Beschreibung
Halbleiteranordnung und mit dieser aufgebaute
Funktionseinheit sowie Verfahren zur Herstellung einer
Halbleiteranordnung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung und eine mindestens eine Halbleiteranordnung enthaltende Funk¬ tionseinheit sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung. Das Verfahren und die Vorrichtung erlauben eine Kühlung oder Entwärmung von Halbleiterbauelementen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Halb- leiteranordnung und eine unter Verwendung einer oder mehrerer solcher Halbleiteranordnungen aufgebaute Funktionseinheit (Bauteils) wie z.B. eine Straßenleuchte. Gemäß einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung ist eine passive Entwärmung, d.h. eine Wärmeabfuhr oder Kühlung von Halbleiterbauelementen wie etwa von Leuchtdioden, LED (Light Emitting Devices), organischen Leuchtdioden (OLED) , Laser-Dioden, oder Bauelementen der
Leistungselektronik, im Außenbereich vorgesehen.
Stand der Technik
Die Kühlung von Halbleiterbauelementen kann bekanntlich durch Kühlkörper erfolgen, die mit dem Halbleiterbauelement verbunden sind und die vom Halbleiterbauelement generierte Wärme durch Konvektionskühlung an die Umgebung abgeben. Durch die Verwendung von Kühlkörpern wird eine vergrößerte Oberfläche geboten, über die das Halbleiter- bauelement durch vorbeistreichende Luft konvektions- gekühlt wird. Speziell bei Sonneneinstrahlung bei Einsatz des Halbleiterbauelements im Außenbereich kann jedoch die Kühlfläche durch Absorption der Sonnenenergie so stark erwärmt werden, dass z.B. eine aktive Konvektionskühlung mit zusätzlichem Lüftergebläse oder mit Fluidströmung installiert werden muss. Andernfalls sind Hochleistungs- LEDs eventuell nicht einsetzbar. Eine aktive Konvektions¬ kühlung erfordert jedoch erhöhten Aufwand, Bauraum und Wartungsbedarf und führt zudem zu erhöhtem Leistungsbedarf aufgrund der zum Betrieb der aktiven Kühleinrichtung benötigten, in der Regel elektrischen, Energie.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Halb¬ leiteranordnung sowie ein mit einer oder mehrerer solcher Halbleiteranordnungen ausgestattetes Gerät mit geringem Aufwand und Leistungsbedarf effektiv kühlen zu können, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung in Form einer Halbleiteranordnung gelöst, die mit einem Kühlkörper versehen ist, der mit einer selektiven Beschichtung oder mit einem Beschichtsystem zur Strahlungskühlung insbesondere über das atmosphärische Transmissionsfenster versehen ist. Hierdurch lässt sich insbesondere beim Außeneinsatz eine sehr effektive Kühlung mit nur geringem apparativem Aufwand erreichen. Es muss keine Zwangskühlung in Form einer aktiv erzwungenen Konvektion vorgesehen werden. Optional können selbstverständlich je nach Einsatzgebiet auch solche weiteren Kühlmaßnahmen zusätzlich implementiert sein.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Halbleiteranordnung mit einem Kühlkörper und mindestens einem Halbleiterbauelement, das mit dem Kühlkörper in thermisch leitender Verbindung steht und optional in Form mindestens einer Leuchtdiodenanordnung ausgebildet sein kann, für den Einsatz der Halbleiteranordnung im Außenbereich geschaffen. Der Kühlkörper ist an seiner der Atmosphäre zuwendbaren Oberfläche mit einer Beschichtung versehen, die im Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung von 8μπι bis 13μπι oder 8μπι bis ΙΟμπι einen Emissionsgrad von mindestens 0,8 und im Bereich unterhalb von 8μπι einen Absorptionsgrad sehr viel kleiner als 0,8 aufweist.
Das Halbleiterbauelement kann z.B. direkt an einer Oberfläche des Kühlkörpers angebracht sein oder kann mit dem Kühlkörper indirekt z.B. über eine wärmeleitende Verbindung wie etwa eine Heat-Pipe in thermisch leitender Verbindung stehen.
Mit der Erfindung wird eine Strahlungskühlung von Halbleiterbauelementen durch IR-selektive Beschichtungen erzielt (IR gleich Infrarot) .
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und den weiteren unabhängigen Ansprüchen .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungs¬ beispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaubild, das die relative
Durchlässigkeit der Atmosphäre bezogen auf die Wellenlänge veranschaulicht,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer Außenleuchte, z.B. einer Straßenleuchte, die eine Aus führungs form einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung bzw. eines entsprechenden Halbleiterbauelements enthält,
Fig. 3 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung, und
Fig. 4 bis 9 weitere Aus führungsbeispiele von erfindungs¬ gemäßen Halbleiteranordnungen.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In Figur 1 ist ein Schaubild dargestellt, das die relati¬ ve Durchlässigkeit der Atmosphäre in Bezug zu den Wellen¬ längen der elektromagnetischen Strahlung veranschaulicht. Im Bereich der Infrarot-Wellenlängen existiert im Wellenlängenbereich von ca. 8μπι bis 13μπι ein sogenanntes Atmo- sphärisches Fenster AF, in dem die Atmosphäre für diesen Wellenlängenbereich im Wesentlichen transparent ist.
Die vorliegende Erfindung macht sich die Erkenntnis zu¬ nutze, dass typische Kühlkörpertemperaturen bei der Ent¬ warnung von Halbleiterbauelementen, insbesondere LEDs, im Bereich von TK = 40°C bis 100°C liegen, wobei mit TK die Kühlkörpertemperatur bezeichnet ist. Aufgrund des Wienschen Verschiebungsgesetzes liegt das Emissions¬ maximum bei diesen Temperaturen im Bereich zwischen 8μπι und ΙΟμπι. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die Tatsache ausgenutzt, dass sich dieser Bereich mit dem in Fig. 1 gezeigten, im Wellenlängenbereich von 8μπι bis 13μπι liegenden Atmosphärischen Fenster AF überschneidet, in dem die Erdatmosphäre weitestgehend transparent ist und auch wenig Wärmestrahlung emittiert. Damit können im Idealfall Wärmeströme von maximal
M =σ(Τ* -Ty) = 5.67-1CT8 · (Z^ - (2,7K)4) » 540W Im 2 bis U00W I m2 über Infrarotstrahlung abgeführt werden (Tu bezeichnet die Temperatur des Weltalls) . Mit anderen Worten resultieren für TK-Werte von 40°C (313K) bzw. 100°C (373K) theoretisch Wärmeströme von 1100 W/m2 bis 540 W/m2. Aufgrund der Luftfeuchtigkeit und der geringen Emission der Atmosphäre können sich diese Maximalwerte auf etwa 150 W/m2 reduzieren.
Die Ausnutzung der Strahlungskühlung wird bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass die Kühlfläche so beschichtet wird, dass die in Richtung Atmosphäre zeigende Oberfläche der Kühlfläche im Wellenlängen-Bereich von 8 μπι bis mindestens 10 μπι oder ggf. auch bis 13 μπι einen Emissionsgrad von mindestens 0,8 und im Bereich unterhalb von 8 μπι einen Absorptionsgrad sehr viel kleiner als 0,8 aufweist.
Die Beschichtung kann aus Metalloxiden wie z. B. S1O2, MgO, T1O2, Zirkonoxid, oder aus Halbleitermaterialien oder anderen geeigneten Materialien bestehen. Die Beschichtung kann durch Sputtern, Aufdampfen, elektrische Abscheidung, Pulverbeschichtung oder durch Verwendung von Farbe aufgetragen werden. Bei Verwendung von Farbe liegen die selektiven Substanzen, die die vorstehenden Werte hinsichtlich Absorptionsgrad und Emissionsgrad erfüllen, vorzugsweise als Hauptpigment vor, d.h., mit einem Pigmentanteil von mindestens 50%, vorzugsweise von mehr als 80%. Ausführungsbeispiele der Erfindung lassen sich zur Strahlungskühlung anstelle einer aktiven Kühlung in der Außenanwendung einsetzen, beispielsweise bei einer Flug- platzbeleuchtung, einer Straßenbeleuchtung oder sonstigen Außenbeleuchtungen, oder allgemein zur Kühlung von Halbleiterelementen einsetzen.
Die Verwendung von Kühlkörpern bietet hierbei eine vergrößerte Oberfläche, über die sich die im Halbleiter¬ bauelement erzeugte Wärme primär durch Strahlungstrans- port in die Umgebung und speziell über das atmosphärische Fenster effektiv nach außen wirkungsvoll abführen lässt.
In Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Beschich- tung nicht schwarz oder dunkel, um passive Aufheizung des Kühlkörpers durch Solareinstrahlung oder Strahlungswechselwirkung mit der Umgebung vermeiden zu können .
In einigen Ausführungsbeispielen, bei denen die Halbleiteranordnung hauptsächlich bei fehlender Sonneneinstrahlung, beispielsweise nachts, eingesetzt wird, unter- liegt der verwendbare Emissionsgrad im Bereich unter 8μπι keiner Beschränkung. Ein Emissionsgrad im Bereich unter 8μπι kleiner als 0.8 ist jedoch bevorzugt.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs¬ gemäßen Halbleiteranordnung in Form einer Leuchte 1 für den Außeneinsatz, beispielsweise in Form einer Straßenleuchte, dargestellt. Die Leuchte 1 weist einen Leuchten¬ körper 2 auf, der an einem Tragarm 3 fest montiert ist. Der Tragarm 3 kann z. B. an einer Straße oder in einer Fußgängerzone stehend verankert sein oder beispielsweise auch für hängende Ausführung ausgelegt sein. Der Leuch- tenkörper 2 weist einen Kühlkörper 4 auf, an dem ein oder mehrere Halbleiterelemente (Halbleiterbauelemente) , op¬ tional in Form von Leuchtdioden (LEDs) 5, in thermisch gut leitender Verbindung angebracht sind. Die LEDs können z.B. als Einzel-Chips oder Arrays oder gehauste Module ausgebildet sein.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Halb¬ leiterelemente 5 so angeordnet, dass sie nach unten strahlen, während der Kühlkörper 4 oberhalb der Halb- leiterelemente 5 angebracht ist und mit seiner Oberseite nach oben ins Weltall strahlen kann.
Der Leuchtenkörper 2 kann weiterhin optional eine Abdeckung 6 zum Schutz gegen Verschmutzung oder Beschädigung enthalten, die optional transparent oder halbtrans- parent für den Durchtritt der vom Halbleiterbauelement 5, d.h. hier den Leuchtdioden, generierten Strahlung oder Lichtstrahlung ausgelegt sein kann.
In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungs¬ gemäßen Halbleiteranordnung dargestellt, das eine Funk- tionseinrichtung in Form einer Halbleiteranordnung 10 aufweist. Die Funktionseinrichtung 10 kann dem Kühlkörper 4 mit dem oder den daran montierten Halbleiterbauelementen 5 gemäß Figur 2 entsprechen und optional eine zusätzliche, nicht gezeigte Abdeckung 6 enthalten. Bei der in Figur 3 dargestellten Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels der Halbleiteranordnung 10 sind an der Unterseite eines Kühlkörpers 11 ein oder mehrere Halb¬ leiterbauelemente 13 vorhanden, die als Wärmequelle wirken und die bei ihrem Betrieb erzeugte Wärme auf den Kühlkörper 11 durch direkte Wärmeübertragung übertragen. Der Kühlkörper 11 kann aus geeignetem wärmeleitendem Material wie beispielsweise Metall bestehen. Das oder die Halbleiterbauelemente 13 können durch direkte Verklebung, Verschraubung oder in sonstiger Weise mit dem Kühlkörper 11 dauerhaft fest verbunden sein, so dass enger körperlicher Kontakt gegeben ist und die generierte Wärme direkt und effektiv auf den Kühlkörper übertragen wird. Das oder die Halbleiterbauelemente 13 können beispielsweise mittig an der Kühlkörper-Unterseite angebracht sein, so dass die generierte Wärme wirkungsvoll verteilt werden kann.
An der der Atmosphäre zugewandten Oberseite des Kühlkörpers 11 ist eine Beschichtung 12 aufgebracht, die op¬ tional so ausgebildet sein kann, dass die auftreffende Sonnenstrahlung 12a reflektiert und demzufolge eine Auf- heizung des Kühlkörpers 11 durch einfallende Sonnen¬ strahlung 12a ganz oder zumindest teilweise verhindert wird. Demgegenüber kann Infrarotstrahlung 12b, insbesondere im Bereich des atmosphärischen Fensters AF im Wellenlängenbereich von 8 bis ΙΟμπι oder 8 bis 13μπι von der Beschichtung 12 emittiert werden, so dass die vom Kühlkörper 11 in diesem Wellenlängenbereich geführte thermische Energie effektiv abgestrahlt werden kann.
Die Beschichtung 12 besitzt vorzugweise geringen Emissionsgrad bei Wellenlängen λ < 8 μπι mit Reflexion und einfallenden Strahlung. Die Beschichtung 12 weist hohes ε, also hohen Emissionsgrad, vorzugsweise von mindestens 0,8 in dem Wellenlängenbereich von 8 μπι bis 10 μπι, oder im Bereich von 8 μπι bis 13 μπι oder mehr auf. Im Bereich unterhalb von 8 μπι ist der Absorptionsgrad vorzugsweise sehr niedrig und liegt bei Werten sehr viel kleiner als 0,8 («0,8) . Die Beschichtung 12 besteht beim Aus- führungsbeispiel gemäß Figur 3 aus einem Metalloxid wie z.B. S1O2, MgO, Zirkonoxid, oder T1O2, kann aber auch aus Halbleitermaterialien oder anderen Materialien hergestellt sein. Die Beschichtung 12 kann ebenso wie die vorstehend oder nachstehend beschriebenen Beschichtungen optional durch Sputtern, Aufdampfen, elektrische Abscheidung oder Pulverbeschichtung aufgebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Beschichtung auch durch Farbauftrag auf den Kühlkörper 11 aufgebracht werden, beispielsweise in flüssiger Form mit nachfolgender Aushärtung.
In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsge¬ mäßen Halbleiteranordnung dargestellt, das dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 entsprechen kann und den Kühlkörper 11 mit unterseitigem Halbleiterbauelement 13 mit beispielsweise mittiger Positionierung aufweisen kann. An Stelle der Beschichtung 12 des Ausführungsbei¬ spiels gemäß Figur 3 ist bei der Aus führungs form nach Figur 4 eine Beschichtung 14 vorgesehen, die als lichtse- lektive Beschichtung mit hohem ε für Anwendungen wie beispielsweise Straßenbeleuchtungen aufgebildet ist, die hauptsächlich nachts betrieben werden. Während die Beschichtung 12 gemäß Figur 3 ein hohes ε, d.h. hohen Emissionsgrad im Bereich von 8 μπι < λ < 10 μπι aufweist (λ bezeichnet die Wellenlänge der vom Kühlkörper und der Be¬ schichtung emittierten, die Kühlung bewirkenden Strahlung) , weist die Beschichtung 14 gemäß Figur 4 keine selektiven Eigenschaften auf und kann hohes ε über den gesamten Bereich zeigen. Der Emissionsgrad im Bereich unter 8 μπι unterliegt beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 aufgrund der hauptsächlichen Anwendung bei fehlender Sonneneinstrahlung keiner Beschränkung. Ein Emissionsgrad im Bereich unter 8μπι kleiner als 0.8 ist jedoch bevorzugt .
In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel darge- stellt, das wiederum den Kühlkörper 11 aufweist, der das mindestens eine Halbleiterbauelement 13 auf einer Seite, beispielsweise der Unterseite trägt. Beim Ausführungs¬ beispiel gemäß Figur 5 ist auf der dem Halbleiterbau¬ element 13 gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers 11 eine Beschichtung 15 vorgesehen, die aus dem gleichen Material wie bei den anderen Ausführungsbeispielen bestehen kann, jedoch noch zusätzlich eine mikrostrukturierte Oberfläche zur Erhöhung des Emissionsgrads ε aufweist. Die Oberfläche kann, wie gezeigt, beispielsweise wellen- förmigen oder aufgerauten Verlauf besitzen, so dass sich insgesamt vergrößerte Oberfläche und damit verbesserte Wärmeabstrahlung ergibt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 ist auf der Halbleiteranordnung gemäß Figur 5 noch eine zusätzliche transparente Schutzbeschichtung 16 aufgebracht, so dass sich eine flache, verschmutzungsunanfällige Außenfläche ergibt, die aufgrund ihrer Transparenz die Wärmeabstrahlung nicht beeinträchtigt. Die Schutzbeschichtung 16 kann aus transparentem Kunststoff bestehen, aber auch aus anderen geeigneten Materialien bestehen.
Bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ist auf dem Kühlkörper 11 mit unterseitigern, mindestens einem Halbleiterbauelement 13 oberseitig eine aus mindestens zwei Schich- ten 17, 18 bestehende Beschichtung aufgebracht, so dass die zur Atmosphäre zeigende Kühlfläche, d.h. die zur At¬ mosphäre weisende Oberfläche des Kühlkörpers 11, mit min¬ destens zwei Schichten 17, 18 beschichtet ist. Dabei ist die äußere Schicht 18 vorzugsweise so beschaffen, dass sie einfallende Sonnenstrahlung 12a streut oder reflektiert und gleichzeitig für Infrarotstrahlung im Bereich von 8 μπι bis mindestens 10 μπι oder 13 μπι weitestgehend transparent ist. Unter weitestgehend wird hier eine Durchlässigkeit von mindestens 70 % bezeichnet. Die Schicht 18 kann streuende Partikel 18a enthalten oder die Sonnenstrahlung reflektierend ausgelegt sein. Die Schicht 18 ist eine für Infrarotstrahlung transparente Schicht, die die einfallende Sonnenstrahlung streut und/oder re¬ flektiert. Für die Schicht 18 sind MgO, T1O2, Zirkonoxid, oder reflektierende Metallpartikel verwendet. Optional können auch andere streuende oder reflektierende Materialien 18a eingesetzt werden. Als Matrix oder Trägermaterial zur Aufnahme der streuenden Partikel 18a werden für Infrarotstrahlung transparente Materialien, z. B. Polyethylen, verwendet. Die Dichte der Partikel und die Schichtdicke der Schicht 18 sind so gewählt, dass die Schicht 18 wietestgehend transparent bleibt.
Die Schicht 17 des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 7 kann hinsichtlich ihrer Eigenschaften und verwendeten Ma- terialien der Schicht 12 des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 3, alternativ aber auch den Schichten 15 oder 16, entsprechen .
Durch die Ausgestaltung gemäß Figur 7 lässt sich eine effektive Ausnützung der Strahlungskühlung realisieren. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 besteht die innere Schicht 17 aus einem Material mit einem Emissions¬ grad von mindestens 0,8 im Wellenlängenbereich von 8 μπι bis 10 μπι . In Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der er¬ findungsgemäßen Halbleiteranordnung dargestellt, das eine Kombination der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 5 und 7 darstellt. Die auf dem Kühlkörper 11 aufgebrachte Beschichtung ist hier als Schichtsystem ausgebildet, das zwei Schichten 20 und 21 umfasst. Die außenseitige (obere) Schicht 20 ist gleichartig aufgebaut wie die Schicht 18 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 7. Die zwischen dem Kühlkörper 11 und der oberen Schicht 20 befindliche innere Schicht 21 ist gleichartig wie die Schicht 15 der Figur 5 ausgebildet. Die vorstehenden Be¬ schreibungen zu diesen Schichten treffen in gleicher Weise auch für das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 zu.
Die mikrostrukturierte Schicht 21 ist durch die obere Schicht 20 abgedeckt und geschützt. Beim Ausführungsbei- spiel gemäß Figur 8 ist die obere Schicht 20 so ausge¬ führt, dass sie wie die äußere Schicht 18 gemäß Figur 7 wirkt. Die darunter befindliche Fläche oder Schicht 21 ist durch Mikrostrukturierung so behandelt, dass sie einen insgesamt erhöhten Emissionsgrad aufweist. In Figur 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel darge¬ stellt, das ein Schichtensystem mit zwei Schichten 22, 23 aufweist, das auf dem Kühlkörper 11 auf der dem Halb¬ leiterbauelement 13 gegenüberliegenden Kühlkörperoberseite aufgebracht ist. Die obere Schicht 23 ist so aus- geführt, dass sie wie die äußere Schicht 18 in Figur 7 wirken und ausgebildet sein kann. Die darunter befind¬ liche Fläche oder Schicht 23 ist mit einem Material mit hohem Emissionsgrad, nahe am schwarzen Körper und dessen Emissionseigenschaften, beschichtet. Die Schicht 22 kann wie die in Figur 4 dargestellte Schicht 14 ausgebildet und ausgeführt sein.
Als Beispiel kann die Schicht 22 durch schwarze matte Farbe, schwarzes Eloxat, schwarzer Kunststoff oder der¬ gleichen gefertigt sein. Bei strukturierten Oberflächen wird im allgemeinen der Emissionsgrad umso größer, je größer das Verhältnis der Strukturtiefe zu ihrer Breite ist. Erzeugt man beispielsweise eine gleichmäßige Verteilung von Löchern, so ist ein Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser von mindestens 2:1 vorteilhaft. Ein Verhältnis von 5:1 oder in diesem Bereich zeigt sehr gute Ergebnisse.
Neben den beschriebenen Schichtsystemen mit einer hoch emittierenden Schicht unter der transparenten Schicht (mit oder ohne Streupartikel) besteht auch gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, einen selektiven Strahler mit zwei Schichten zu erzeugen, und zwar durch Aufbringen eines selektiv transparenten Materials auf eine stark reflektierende Schicht. Optional kann hier zum Beispiel SiO oder MgO auf Aluminium verwendet werden. Alternativ kann auch Glas auf Aluminium benutzt werden.
Allgemein wird bei einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele eine Strahlungskühlung von Halbleiterbauelementen durch infrarotselektive Be- Schichtung oder Beschichtungen erzielt. Es ist eine pas- sive Entwärmung eines oder mehrerer Halbleiterbauelemente, z. B. des Halbleiterbauelements 13, insbesondere von LEDs, im Außenbereich durch Strahlungskühlung unter Verwendung von Strahlungsselektiven Beschichtungen oder Schichtsystemen implementiert. Dies erlaubt die Erzielung sehr guter Kühlungsergebnisse unter anderem in Anwendungsbereichen mit hoher Umgebungstemperatur und Sonneneinstrahlung bei mangelhafter Konvektionskühlung. Ausführungsbeispiele können als Flugfeldbeleuchtung, Auto- scheinwerfer, Tagfahrlicht und/oder Straßenbeleuchtung oder in sonstigen Anwendungsfällen angewendet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung bieten die Möglichkeit des Betriebs von Hochleistungs-LEDs im Außenbereich ins¬ besondere auch unter Sonneneinstrahlung unter Vermeidung aktiver Kühlung. Die rein passive Kühlung gemäß Ausführungsbeispielen ist sehr effektiv und benötigt keinerlei aktive Kühlungsenergiezufuhr.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, wodurch jeweils eigenständige neue Ausführungsbeispiele ge¬ schaffen werden. Im Rahmen vorliegender Erfindung liegen auch Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen gemäß den vorstehenden Ausführungsbeispielen, bei denen auf einem Kühlkörper auf der einen Seite ein oder mehrere Halbleiterbauelemente aufgebracht werden und auf der ge¬ genüberliegenden Kühlkörperoberfläche eine oder mehrere Schichten aufgebracht werden, die eine direkte Abstrah- lung über das atmosphärische Fenster zur effizienten Strahlungskühlung ermöglichen. Weiterhin werden mit der Erfindung Aus führungs formen geschaffen, bei denen ein oder mehrere Halbleiteranordnungen gemäß den vorstehenden Erläuterungen in Halbleitermodule oder Leuchten eingebaut sind .

Claims

Ansprüche
Halbleiteranordnung mit einem Kühlkörper (11) und mindestens einem Halbleiterbauelement (13), optional in Form mindestens einer Leuchtdiodenanordnung, das Halbleiterbauelement (13) mit dem Kühlkörper in thermisch leitender Verbindung steht, wobei der Kühlkörper (11) für den Einsatz der Halbleiteranordnung im Außenbereich an seiner anderen, der Atmosphäre zuwendbaren Oberfläche mit einer Beschich- tung (12) versehen ist, die im Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung von 8μπι bis 134μπι oder 8μπι bis ΙΟμπι einen Emissionsgrad von mindestens 0,8 und im Bereich unterhalb von 8μπι einen Absorptionsgrad sehr viel kleiner als 0,8 aufweist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, bei der die Be- schichtung (12) aus Metalloxiden wie z.B. S1O2, MgO, T1O2, Zirkonoxid, oder aus Halbleitermaterial besteht .
Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei de die Beschichtung durch Sputtern, Aufdampfen elektrische Abscheidung, Pulverbeschichtung ode durch Verwendung von Farbe aufgetragen ist.
Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, bei der bei Verwendung von Farbe die selektiven Substanzen, die die in Anspruch 1 angegebenen Werte hinsichtlich Absorptionsgrad und Emissionsgrad erfüllen, als Haupt¬ pigment vorliegen, d.h. mit einem Pigmentanteil von mindestens 50%, vorzugsweise von mehr als 80%.
5. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die der Atmosphäre zugewandte Be- schichtung reflektierend ausgebildet ist, so dass sie auftreffende Sonnenstrahlung reflektiert.
Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei der die Beschichtung eine mikrostruktu rierte Oberfläche zur Erhöhung des Emissionsgrads aufweist .
Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine zusätzliche transparente Schutzbeschichtung (16) aufgebracht ist, so dass sich eine flache, verschmutzungsunanfällige Außenfläche ergibt .
Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die auf dem Kühlkörper (11) ober¬ seitig aufgebrachte Beschichtung aus mindestens zwei Schichten (17, 18) besteht, wobei die äußere Schicht (18) optional so beschaffen ist, dass einfallende Sonnenstrahlung (12a) gestreut oder reflektiert wird. 9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, bei der die äußere Schicht (18) MgO, Ti02, Zirkonoxid, oder reflektierende Metallpartikel enthält, und/oder die innere Schicht (17) aus einem Material mit einem Emissionsgrad von mindestens 0,8 im Wellenlängenbereich von 8 μπι bis 10 μπι besteht. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die auf dem Kühlkörper (11) aufge¬ brachte Beschichtung als Schichtsystem ausgebildet ist, das zwei Schichten (20, 21) umfasst, wobei die innere Schicht (21) als mikrostrukturierte Schicht ausgebildet ist, die durch die außenseitige obere Schicht (20) abgedeckt ist.
Halbleiterbauelement (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Halbleiterbauelement direkt auf dem Kühlkörper (11) aufgebracht ist oder mit dem Kühlkörper über eine wärmeleitende Verbindung, z.B. in Form eines Wärmeleitungsrohr, in thermisch leitender Verbindung steht, 12. Funktionseinheit, insbesondere Leuchte, mit einer Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11, bei dem ein oder mehrere
Halbleiterbauelemente (13) mit einem Kühlkörper (11) in thermisch leitende Verbindung gebracht werden und auf mindestens einer Kühlkörperoberfläche eine oder mehrere Schichten (12) aufgebracht werden, die eine direkte Abstrahlung über das atmosphärische Transmissionsfenster zur effizienten Strahlungskühlung ermöglichen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem ein Schichtsystem mit einer hoch emittierenden Schicht unter einer transparenten Schicht mit oder ohne Streupartikel ausgebildet wird. 15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem ein selektiver Strahler mit zwei Schichten durch Aufbringen eines selektiv transparenten Materials auf eine stark reflektierende Schicht erzeugt wird, wobei optional zum Beispiel SiO oder MgO auf Aluminium, oder Glas auf Aluminium benutzt werden.
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