WO2013004737A1 - Verfahren zur herstellung eines konversionselements und konversionselement - Google Patents

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WO2013004737A1
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Angela Eberhardt
Christina Wille
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a conversion element and a conversion element.
  • Conversion ⁇ elements serve in conjunction with optical or optoelectronic devices to change the spectrum and thus the perceived color impression of the emitted by the device electromagnetic radiation.
  • a convergence is sion element to front of the device, such as a light emitting ⁇ semiconductor chip mounted so that the element output by the construction of radiation passing through the conversion element. Phosphors in the conversion element adjust because of the color location and the color temperature.
  • a matrix material and phosphor are mixed together in the production of a conversion element .
  • the matrix material is silicone conventionally USAGE ⁇ det. Silicone is a poor conductor of heat, which is why the phosphors of the conversion element are subjected to increased thermal loading during operation of the light-emitting component and therefore lose their efficiency.
  • Glass as the matrix material has the advantage of better heat ⁇ line, since it is higher compared to silicon by about a factor of 10, whereby the phosphors heat up during operation Weni ⁇ ger and are therefore more efficient.
  • glass high temperatures for embedding the phosphor particles are necessary, whereby the phosphor can be damaged in this process and just so if it can lose efficiency permanently.
  • a conversion element and a cost effective method to provide for its Her ⁇ position with which the efficiency of the conversion element can be improved and with which glasses can also be used with a lower risk of production-related damage of the phosphors as a matrix material for a conversion element become.
  • the commercial conversion elements containing silicone as the matrix material ei ⁇ ne improved heat dissipation during operation of the Kon ⁇ version element and thereby improved efficiency of the phosphors is to be achieved.
  • a glass material is selected as the matrix for the phosphor, as this game as examples to silicone in comparison a particularly high heat dissipation ge ⁇ ensured.
  • the material mixture ultimately used is not subjected to the temperature treatment. Instead, a glass solder and a phosphor-containing material are used, which are successively exposed to different temperature treatment steps. First, it is provided that a glass solder powder for the matrix material alone, ie even without a phosphor (first) temperature treatment is subjected.
  • Temperature and duration of this first temperature treatment step are chosen so that the glazing of the phosphor-free glass solder takes place and thus the glass solder powder layer is converted into a glassy ge, preferably as possible pore-free layer.
  • the production of the bubbles preferably ⁇ free vitreous layer successes even at elevated temperatures can gen.
  • phosphor-containing material for example a solution or suspension containing the phosphor
  • This layer sequence is then subjected to a further, second temperature treatment, through which the phosphor of the phosphor-containing material is introduced into the pre-glazed, i. sinks into the previously glazed layer.
  • the material to be subjected to the (second) heat treatment only has to be heated so far that the phosphor can sink into it.
  • this side is facing the chip (also in the case that the convergence ⁇ sion element is spaced apart from this) so that the luminescent substance is present in relatively chipnah and a smaller layer thickness than in the sintering process.
  • the method steps described above are provided in connection with a transparent substrate, which serves as a base for the applied glass solder layer and is later than ⁇ ter constituent or in any case of the finished carrier Konversi ⁇ onselements.
  • the sinking of the phosphor from the phosphor-containing layer into the glass solder material underneath takes place in the direction of the substrate (at the bottom).
  • the sinking process can be supported by utilizing the force of gravity and / or by mechanically pressing and speeds, depending ⁇ wells in conjunction with the action of heat during the second heat treatment.
  • the transparent substrate (such as glass) has a higher softening temperature than that on ⁇ zuliantde glass solder layer. It can be used during manufacture as a substrate and abutment (or press plate) for the glass solder ⁇ layer and also serve as a simple optical element at the later conversion element.
  • the eigentli- che conversion element then consists of the phosphor Parti ⁇ angles and which serves as a matrix material glass.
  • the second temperature treatment can be carried out at the same or a similar temperature (deviating by at most 100 ° C., preferably at most 50 ° C.) as the first temperature treatment .
  • the temperature of the first temperature treatment is higher than that of the second, since the phosphor is not yet heated with.
  • the phosphor-free glass is lot already glazed, before the fluorescent sedimented in the vorver ⁇ glaste layer.
  • Ver can travel ⁇ particular glass solders for soft glasses and never ⁇ derschmelzende glasses ((with softening temperatures of between 400 and 800 ° C, preferably between 400 and 600 ° C), even lead-free glasses or glass solders with higher expan ⁇ monitoring temperatures than leaded Glasses) are used, are transparent, so have a high transmission in UV-VIS and a low intrinsic color.
  • the phosphor-free glass solder for example, as a printable paste (such as for screen or stencil printing) from glass solder powder, medium
  • the temperature treatment can be done in air.
  • the phosphor-containing material can be applied (as a powder) or in any other manner as for the pressure geeig ⁇ designated paste or alternatively by spraying or brushing (as a liquid or suspension), by electrostatic deposition.
  • the phosphor-containing material may contain the phosphor suspended in, for example, an organic solvent (such as isopropanol).
  • the first phosphor-free glass solder ⁇ layer including, for example, an alkali-containing zinc-containing and / or boron phosphate, a silicate, a borate or a borosilicate may be or include such a material as a main component.
  • Spectral ranges of the secondary spectra can be used. Mixing the phosphors sets the color location. In a partial conversion zusharm ⁇ Lich contributes to the primary radiation. Warm White light can be generated example by partial conversion of a blue-emitting chips with a mixture of garnet and nitride as well as by a mixture of nitride and orthosilicate at ⁇ . Similarly, other light colors can be produced by various combina ⁇ tions. Here it proves to be beneficial ⁇ way, if all types of phosphors can be embedded in the same glass matrix without reacting with it and can cause damage.
  • the procedural ren described here in combination with the above lead-free soldering materials is particularly advantageous because the special ⁇ DERS sensitive nitrides and orthosilicates in the air and un ⁇ ter normal pressure can be embedded. This will do that Process more cost-effective.
  • other lead-free glass solders can be used. Lead-free glass solders usually have a higher softening temperature than lead-containing glass solders, but thanks to the method proposed here, they can now be processed with lower heat load for the phosphors than in the case of mixing with the phosphor before the glazing is carried out. This significantly increases the practicality of lead-free, RoHS-compliant glass solders.
  • an additional scattering layer is formed directly on the transparent substrate, before the first fluorescent material of the actual free glass ⁇ solder layer is applied.
  • the paste of the scattering layer can initially be left unglazed on the substrate and glazed together with the initially phosphor-free glass solder through the first temperature treatment.
  • a separate temperature treatment can be carried out in advance in order to initially vitrify the litter layer individually. In the former case two temperature treatments are required, in the latter case three separate temperature treatments.
  • the Kon ⁇ version element and its production preference is given to using lead-free but low-melting glass solders with softening temperatures between 400 and 600 ° C.
  • zinc borate glasses, zinc bismuth borate glasses, aluminum phosphate glasses, aluminum zinc phosphate glasses or an alkali phosphate glass also in combination with each other and / or mixed with other additives for the (initially) phosphor-free layer be used.
  • the phosphor itself for example, YAG (yttrium aluminum garnet), nitrides or orthosilicates be used.
  • several different phosphors may be used in combination to create two or more different secondary spectra.
  • the matrix materials mentioned above have no inherent color, so that regardless of which phosphors are to be added in which concentration or mixture, always the same composition of the embedding glass matrix can be used.
  • orthosilicates and nitrides are chemically less stable and therefore particularly susceptible to oxidation in the course of thermal treatment, especially at temperatures above 600.degree.
  • Even with bleihalti ⁇ gen soldering materials such as PbO-E> 203-Si02 as the glass solder loading ⁇ drawings 10104 and 10012 of the manufacturer Ferro was observed with increasing Einsinktemperatur a reduced excitability nitride and orthosilikatischer phosphors.
  • the method proposed here makes it possible to gently introduce even oxidation-prone phosphors in a glass matrix.
  • FIGS. 1A to 1C show various method steps of a
  • FIGS. 1A to 1C illustrate various method steps of an exemplary embodiment of the method, wherein in each case a schematic, partially cross-sectional view of the method is shown. sees a transparent substrate 1 and the already arranged thereon further layers is shown. The size ratios, in particular layer thickness ratios are not to scale.
  • the method steps according to FIGS. 1A and 1B are also optional and can therefore be dispensed with;
  • the layer 5 can be omitted in the figures IC to 1F.
  • the actual process thus begins with Fi i gur IC, where a layer of a glass solder 2 a, which is initially free of a phosphor, deposited or otherwise applied - either directly to a transparent substrate 1 or (as shown) to a previously applied to the substrate 1, optional litter layer. 5
  • first scattering layer 5 (Figure 1A) directly on the transparent (preferably flat and plane-parallel ⁇ ) substrate 1 of the substrate or
  • the scattering layer 5 is preferably 5a ei ⁇ nem glass solder material, the scattering particles 6 includes ( Figure 1A), in particular those having a refractive index that significantly preferably differs by at least 0.1 from that of the glass matrix, and / or having a particle size of between 380 nm and 5 ym (as average particle diameter).
  • the scattering layer 5 After application of the scattering layer 5 according to Figure 1A it can be glazed in accordance with either Figure 1B by a separate heat treatment, or alternatively, by the application of a glass solder layer 2 according to Figure IC, subsequently ge ⁇ jointly glazed with the glass solder layer 2, as shown by in Figure 1D the temperature treatment TB1 and the temperature Tl is indicated. If the litter layer 5 is first to be vitrified individually, according to FIG. 1B, first of all a separate temperature treatment TB0 is carried out whose temperature ture and duration will be described later.
  • a layer 2 of a glass solder 2a is applied, which initially does not contain any phosphor.
  • the layer 2 and that with this layer (and optionally with the optional scattering layer 5 the layer thickness d5) covered transparent substrate 1 is subjected in accordance with Figure 1D the (first) temperature treatment Tem ⁇ TB1; the exemplarily selected values for temperature Tl and duration of the temperature treatment TB1 will be described below.
  • the layer thickness d2 of the layer 2 after carrying out the first temperature treatment TB1 is approximately between 1 ⁇ m and 200 ⁇ m, in particular between 5 ⁇ m and 100 ⁇ m. Particularly preferred is a layer thickness d2 between 10 ym and 50 ym.
  • a phosphor-containing layer is carried out in accordance with Figure IE 3 (a layer thickness d3), the phosphor-containing material 3a in particular a form of particles or otherwise distributing ⁇ th phosphor 4; 4a, 4b.
  • the phosphor-containing Ma ⁇ TERIAL is present in particular as a phosphor powder, where the (average) particle size for example between 2 and 20 ym may be ym. It can as darg Treasure several examples play, two types of phosphor particles 4a, 4b be pre ⁇ see, eg of different materials or material combinations to generate later from the same primary spectrum of the optoelectronic component more secondary spectra.
  • the materials of the layer 2 of glass solder 2a of the phosphor-containing layer 3 (ie of the phosphor-containing material 3a and of the phosphor 4 itself) and of the optional scatter layer 5, examples are given. te materials described later in some embodiments.
  • a second temperature treatment TB2 is now carried out, which causes the phosphor 4 from the top, phosphor-containing layer 3 to sink into the layer 2 which was previously free of phosphorus, as shown in FIG. 1F by means of the downward arrows.
  • the glass batch 2a of the layer 2 was already vitrified during the first temperature treatment TB1 according to FIG. 1D.
  • ge ⁇ Telss Figure IE and at the beginning of the second temperature treatment is TB2 as shown in FIG 1F, the layer 2 before vitrified material.
  • exemplary temperatures T2 and time durations are also described later for the temperature treatment TB2 according to FIG. 1F.
  • TB2 is (sinkhole) ⁇ TB1 (glass solder).
  • FIG IG 10 After performing the second heat treatment TB2 corresponds the conversion element shown in FIG IG 10 which now comprises a phosphor-containing glass layer 7, which is arranged UNMIT ⁇ telbar on, or at least over the transparent substrate 1 is (the optional scattering layer 5 is not shown in Figure IG because it can also be omitted).
  • the conversion element 10 now contains phosphor 4; 4a, 4b, which was subjected to a gentler temperature treatment and in particular to a considerably lower thermal budget than was previously required when using a glass matrix. The phosphor can therefore be fully activated for later use with greater reliability.
  • the conversion element 10 produced on a first main surface 1A has a lateral one Placing direction, for example, homogeneous (or alternatively inho ⁇ nous) phosphor, which is in the direction perpendicular to the main surface 1A preferably inhomogeneous and decreases in particular with increasing proximity to the first main surface 1A.
  • DEM in accordance with the gradient shown in Figure IG 11 of the phosphor concentration (see the two arrows in Figure IG) from the first main surface 1A and toward Chryslerge ⁇ translated surface of the conversion element 10 toward which still from the other main surface 1b of the transparent substrate 1 further away.
  • the phosphor concentration in the conversion element 10 is thus near the overhead shown in Figure IG surface of the conversion element 10 on Gr Press ⁇ th; This surface is later, when the conversion element including the substrate is installed, the optical or optoelectronic see-looking device preferably facing.
  • Figures 2 to 7 show some exemplary designs ei ⁇ ner assembly 21, in addition to the proposed conversion element 10 and which has the substrate 1 which was used for its preparation and forming a device 20, NaEM ⁇ Lich an optical and / or opto-electronic component 20.
  • the component 20 is preferably a semiconductor chip 19 whose light exit surface is the conversion element 10 is ⁇ supplied.
  • the conversion element 10, with its phosphor-containing side, can be directly attached to the light exit surface of the light source
  • the conversion element 7; 10 as well as the transparent substrate 1 may be formed plane-parallel and with a constant layer thickness.
  • the substrate serves as a simple optical element.
  • the transparent substrate 1 can also act as an optical element, in particular as a lens 15 serve and thus have a variable across its cross-section thickness. If the phosphor concentration is 11 inhomogeneous in the conversion element 10, and becomes larger with increasing distance from the main surface 1A of the substrate 1, this has the advantage that the light emitted from the device 20 radiation be ⁇ already very close to its light exit surface on a large ⁇ part of the phosphor occurs in the conversion element 10.
  • the unit formed from the transparent substrate 1 and the conversion element 10 can also be installed at a distance from the component 20 or the semiconductor chip 19.
  • a reflector 12 is exemplarily provided according to FIG. 4, which ensures a predetermined distance between a carrier element 13 carrying the semiconductor chip 19 and an outer edge of the transparent substrate 1.
  • the phosphor-containing side is preferably 20 fed ⁇ Wandt the component.
  • the transparent substrate 1 can also be this
  • Arrangement 21 may be formed as an optical lens 15. While the required as a substrate for the production of the Konversionsele ⁇ ments 10 first major surface 1A is flat, preferably, the opposite major surface may be curved 1B of the transparent substrate 1, and so the shape of the transparent substrate 1 as the lens 15 allow.
  • Figures 6 and 7 show developments in which the phosphor-containing glass layer 7, which is formed by introducing the phosphor into the original layer 2, is thinner (at least after performing all temperature treatment steps) than the particle diameter of the phosphor 4.
  • very thin glass solder layers during production in the context of Figures 1A to IG are applied, which no longer completely enclose the phosphor particles 4.
  • the layer thickness of the vitrified layer is smaller than the mean or maximum diameter of the phosphor particles, the layer thickness is at least so large that the phosphor particles 4 firmly adhere to the substrate 1.
  • the projecting (in Figure 6 down), upstanding part of the phosphor particles 4 can then be leveled by a (preferably inorganic and / or high refractive index) adhesive 14 and also directly with the
  • Light exit surface of the optical or optoelectronic device 20 are glued.
  • a further, third temperature treatment can also be used.
  • low-melting glasses with a softening temperature below 500 ° C. can be used as the inorganic adhesive.
  • Figure 7 shows a further development in which the leuchtstoffhal ⁇ term glass layer 7 has at least the thickness of the average particle size of the phosphor 4, depending yet a layer of adhesive 14 is provided similarly as in Figure 6 ⁇ addition.
  • a scattering layer 5 which has been produced, for example, according to FIGS. 1A and 1B.
  • the scattering layer 5 serves to achieve a better homogeneity of the color locus or the mixed color over the light exit-side angle range of the conversion element 10 (or the unit of substrate and conversion element).
  • precisely one single building element 20 or a single semiconductor chip 19 is preferably installed and assigned to the conversion element 10 and / or the transparent substrate 1.
  • a plurality of components for example a plurality of semiconductor chips with identical or different installed different emission spectrum and associated with the conversion element, ie be arranged below it.
  • the refractive index of the scattering particles of the scattering layer 5 is preferably at least 0.1 larger or smaller than derje ⁇ nige of the glass material.
  • the grain size of the scattering particles may be in the range of the visible light wavelength or above, above about 380 nm and below 5 ⁇ m.
  • an alumina powder designated CR1-CR30 from the manufacturer Baikowski may be present in an amount of between 2 and 10, preferably 5% by volume in the original glass solder powder for the litter layer 5.
  • the manufacturer Heraeus medium and binder to form a screen or schablonentikfä ⁇ ELIGIBLE paste is processed for the layer.
  • the glass solder containing the components alkali metal oxide - ZnO - Al 2 O 3 - B2O 3 - P2O5 can be used as glass solder paste and applied as layer 2, for example on an object glass carrier (manufacturer Roth) or another (plane-parallel) glass.
  • an object glass carrier manufactured by manufacturing Roth
  • another (plane-parallel) glass for example on an object glass carrier (manufacturer Roth) or another (plane-parallel) glass.
  • the paste is playing applied with a layer thickness d2 of at ⁇ 30 to 70 ym, and in particular of 50 ym and during the first heat treatment is heated to a temperature between 400 and 800 ° C, preferably between 500 and 700 ° C.
  • the temperature treatment may, for example, for a period of 10 to 60, preferably 20 to 40 Mi ⁇ utes be carried out either in air or under exclusion of air.
  • the glazing takes place under normal pressure (1013 mbar).
  • the layer thickness d2 of the layer 2 can, however, also be chosen differently; it may, after performance of the first treatment temperature TB1 between about 1 ym and 200 ym, in particular between 5 and 100 ym ym be (and special ⁇ DERS preferably between 10 and 50 ym ym).
  • Garnets such as YAG: Ce, LuAG etc., a nitride, SiONe or an orthosilicate can then be applied as the phosphor, for example by brushing a corresponding phosphor suspension in isopropanol or another medium.
  • a second temperature treatment is also carried out for sinking or Einsedimentieren the phosphor between 400 and 800 ° C, preferably between 500 and 700 ° C (ideally below 600 ° C), again for 10 to 60, preferably 20 to 40 minutes (for example in the air).
  • the already glazed layer becomes so soft during the second heat treatment that the phosphor can sink into it.
  • the proposed method thus provides a conversion element whose phosphors are more fully activatable after Fer ⁇ tig ein the conversion element with higher probability.
  • the label Glaslotpulver 106038D the manufacturer Ferro (a glass solder ⁇ compound of the system ZnO - B2O3 - S1O2, ie zinciferous Boratglas) as a paste on the transparent glass substrate ⁇ introduced and first heated at a temperature between 500 and 800 ° C, preferably between 550 and 650 ° C for a period of 10 to 60, preferably 20 to 40 minutes in the air.
  • the manufacturer Ferro a glass solder ⁇ compound of the system ZnO - B2O3 - S1O2, ie zinciferous Boratglas
  • the phosphor is applied as in the first embodiment, before sinking the second temperature treatment at a temperature also between 500 and 800 ° C, preferably between 550 and 650 ° C (ideally below 620 ° C) for 10 to 60, preferably 20 to 40 minutes (approximately in the air under Norm ⁇ maldruck of 1013 mbar) is performed.
  • Glaslotpulver the label 8474 of the manufacturer Schott (a Alkaliphosphat- glass solder) as in the first embodiment freelancetra ⁇ gene and initially heated to a temperature between 400 and 600 ° C, preferably between 450 and 550 ° C during a time period of 10 to 60, preferably 20 to 40 minutes in the air, it ⁇ hitzt.
  • phosphor is added before the sinking operation by the second temperature treatment at temperatures also between 400 and 600 ° C, preferably between 450 and 550 ° C (ideally below 500 ° C) during a period of 10 to 60, preferably 20 to 40 minutes in air under atmospheric pressure (1013 mbar) is caused.
  • the sunken phosphors are still fully activated after the (second) temperature treatment.
  • the phosphor can be applied in each case instead of a paste suspended in organic solvents such as isopropanol.
  • the phosphor-containing side of the finished conversion element 10 is preferably at the later Mon ⁇ days the light exit surface of the optoelectronic see element 20 and the semiconductor chip 19 facing.
  • ⁇ remote from the phosphor as a paste is applied may th this paste nitro celluloses, acrylates or ethylcelluloses contained the phosphor-containing material may be other than by Aufdru ⁇ CKEN (in particular by screen or stencil printing) also.
  • the layer 2 of glass solder glass solders can 10 ⁇ / K (referring to the temperature range between 20 and 300 ° C) be used with a ther ⁇ mix expansion coefficient, for example, between 6 x 10 ⁇ / K unc [20 x.
  • the implementation of the methods proposed here at sink temperatures below 700, preferably below 600 ° C under atmospheric pressure allows embedding even sensitive phosphor types such as the nitrides or (ortho) silicates, even in the presence of air.
  • the second temperature treatment or optionally also both Temperaturbe ⁇ actions can also be carried out in vacuo, in a protective gas or in a reducing atmosphere, but which increase the cost of the manufacturing process.
  • TB2 is (sinkhole) ⁇ TB1 (glass solder).
  • the deposition of a scattering layer 5 is provided for the next time.
  • a Glaslotpulver such as the name of the manufacturer F010307 Heraeus
  • a powder of Schotpulver such as the name of the manufacturer F010307 Heraeus
  • a powder of Schotpulver such as the name of the manufacturer F010307 Heraeus
  • a powder of sponding particles preferably having particle sizes above 380 nm.
  • an alumina powder such as the name CR1-CR30 manufacturer Bai- kowski be added to the glass solder powder and mixed with it.
  • the then homogeneous powder mixture is processed with medium and binder to form a printable paste and applied to the transparent substrate.
  • a layer thickness d5 of between 1 ⁇ m and 70 ⁇ m, preferably of 50 ⁇ m.
  • the litter layer Only after the application of this litter layer follow the further processing steps as in the first three embodiments, namely the application of the actual, initially phosphor-free glass solder, the first temperature treatment, the application of the phosphor-containing material and the second temperature treatment.
  • the litter layer and the initially luminescent glass solder layer are then jointly pre-glazed.
  • the litter layer on the substrate can be initially pre-glazed alone.
  • the temperature TO and / or the time duration can be chosen to be similar to that for the subsequent temperature treatments TB1 and / or TB2 or else deviating therefrom.
  • the separate heating process for the litter ⁇ layer then requires three temperature treatments for the manufacturing process as a whole.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements (10) für ein optisches und/oder optoelektronisches Bauelement vorgeschlagen, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines transparenten Substrats (1), b) Aufbringen einer Schicht (2), die pulverförmiges Glaslot enthält, c) Verglasen der Schicht (2) durch eine erste Temperaturbehandlung (TB1), wodurch das Glaslot (2a) der Schicht (2) verglast und dadurch in ein transparentes Glasmaterial (2b) mit geringer Eigenfärbung umgewandelt wird, d) Aufbringen eines leuchtstoffhaltigen Materials auf die Schicht (2), und e) Durchführen einer zweiten Temperaturbehandlung (TB2), wodurch Leuchtstoff (4) des leuchtstoffhaltigen Materials in das Glasmaterial der Schicht (2) einsinkt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements und Kon¬ versionselement
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements und ein Konversionselement. Konversions¬ elemente dienen in Verbindung mit optischen oder optoelektronischen Bauelementen dazu, das Spektrum und somit den wahrgenommenen Farbeindruck der durch das Bauelement abgegebenen elektromagnetischen Strahlung zu verändern. Ein Konver sionselement wird dazu vor dem Bauelement, etwa einem licht¬ emittierenden Halbleiterchip so angebracht, dass die vom Bau element abgegebene Strahlung durch das Konversionselement hindurchtritt. Leuchtstoffe im Konversionselement stellen da bei den Farbort und die Farbtemperatur ein.
Herkömmlich werden bei der Herstellung eines Konversionselements ein Matrixmaterial und Leuchtstoff miteinander ver¬ mischt. Als Matrixmaterial wird herkömmlich Silikon verwen¬ det. Silikon ist ein schlechter Wärmeleiter, weshalb die Leuchtstoffe des Konversionselements während des Betriebs de lichtemittierenden Bauelements einer erhöhten thermischen Be lastung ausgesetzt sind und deshalb an Effizienz verlieren. Glas als Matrixmaterial hat den Vorteil der besseren Wärme¬ leitung, da diese im Vergleich zu Silikon etwa um den Faktor 10 höher ist, wodurch sich die Leuchtstoffe im Betrieb weni¬ ger erwärmen und dadurch effizienter sind. Andererseits sind bei der Verwendung von Glas als Matrix hohe Temperaturen zum Einbetten der Leuchtstoffpartikel notwendig, wodurch der Leuchtstoff bei diesem Prozess geschädigt werden und so eben falls an Effizienz dauerhaft verlieren kann. In DE 10 2008 021 438 AI wird ein Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements mit Glasmatrix vorgeschlagen, bei dem eine Pulvermischung aus Glas und Leuchtstoff vermischt, verdichtet und versintert wird. Bei diesem Verfahren werden relativ hohe Temperaturen (150 °C oberhalb der Erweichungs¬ temperatur) verwendet. Zudem müssen kostenintensive Formge¬ bungsverfahren eingesetzt werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Konversi- onselement und ein kostengünstiges Verfahren zu seiner Her¬ stellung bereitzustellen, mit denen die Effizienz des Konversionselements verbessert werden und mit denen Gläser auch mit geringerem Risiko einer herstellungsbedingten Schädigung der Leuchtstoffe als Matrixmaterial für ein Konversionselement einsetzbar werden. Gegenüber den handelsüblichen Konversionselementen, die Silikon als Matrixmaterial enthalten, soll ei¬ ne verbesserte Wärmeableitung während des Betriebs des Kon¬ versionselements und dadurch eine verbesserte Effizienz der Leuchtstoffe erreicht werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Konversionselement gemäß Anspruch 10 gelöst. Bei dem Verfahren nach Anspruch 1 wird als Matrix für den Leuchtstoff ein Glasmaterial gewählt, da dieses im Vergleich bei- spielsweise zu Silikon eine besonders hohe Wärmeableitung ge¬ währleistet. Vor allem aber wird während des Herstellungsverfahrens nicht, wie in DE 10 2008 021 438 AI beschrieben, die letztendlich verwendete Materialmischung der Temperaturbehandlung unterzogen. Statt dessen werden ein Glaslot sowie ein leuchtstoffhaltiges Material eingesetzt, die nacheinander verschiedenen Temperaturbehandlungsschritten ausgesetzt werden. Zunächst ist vorgesehen, dass ein Glaslotpulver für das Matrixmaterial alleine, d.h. noch ohne Leuchtstoff einer (ersten) Temperaturbehandlung unterzogen wird. Temperatur und Dauer dieses ersten Temperaturbehandlungsschrittes werden so gewählt, dass die Verglasung des leuchtstofffreien Glaslotes stattfindet und somit die Glaslotpulverschicht in eine glasi- ge, vorzugsweise möglichst porenfreie Schicht umgewandelt wird. Im Vergleich zu dem eingangs genannten Sinterverfahren wird der Leuchtstoff dieser ersten Temperaturbehandlung nicht ausgesetzt, sodass die Herstellung der vorzugsweise blasen¬ freien glasigen Schicht auch bei erhöhten Temperaturen erfol- gen kann.
Erst nach dieser Verglasung wird leuchtstoffhaltiges Material (z.B. eine Lösung oder Suspension, die den Leuchtstoff enthält) auf das bereits verglaste Material aufgebracht, insbe- sondere als weitere Schicht. Diese Schichtenfolge wird dann einer weiteren, zweiten Temperaturbehandlung unterzogen, durch die der Leuchtstoff des leuchtstoffhaltigen Materials in die vorverglaste, d.h. in die zuvor bereits verglaste Schicht einsinkt.
Eine der in dieser Anmeldung ausgenutzten Überlegungen besteht darin, dass das der (zweiten) Temperaturbehandlung zu unterziehende Material nur noch so weit erwärmt werden muss, dass der Leuchtstoff in dieses einsinken kann. Dies führt da- zu, dass der Leuchtstoff nicht homogen in der Glasmatrix vorliegt, sondern tendenziell an der gegenüberliegenden Seite zum Substratglas konzentriert ist. Vorzugsweise wird diese Seite dem Chip zugewandt (auch in dem Fall, dass das Konver¬ sionselement von diesem beabstandet ist) , sodass der Leucht- Stoff relativ chipnah und in einer geringeren Schichtdicke als beim Sinterverfahren vorliegt. Dadurch ist eine verbes¬ serte Abstrahlcharakteristik über den Winkel (etwa zur Vermeidung/Reduzierung des sogenannten „gelben Rings" bei Teil- konversion) gegeben, da diese mitunter von der Dicke der konvertierenden Schicht abhängt (zur Seite austretendes Licht).
Bei dem Sinterverfahren wie in DE 10 2008 021 438 AI be- schrieben erhöhen die schon von Beginn an zugegebenen Leuchtstoffpartikel die Viskosität und erfordern dadurch eine höhe¬ re Temperatur, um eine vergleichbare Blasigkeit bzw. Blasen¬ armut zu erzielen. Selbst bei niederschmelzenden Gläsern kann die dann erforderliche stärkere Temperatureinwirkung einen Anteil des Leuchtstoffs potenziell schädigen und dauerhaft deaktivieren. Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren jedoch wird die herstellungsbedingte thermische Belastung des
Leuchtstoffs durch die Vornahme zweier separater Temperaturbehandlungsschritte (einmal mit und einmal ohne Leuchtstoff) sowie durch die gewählte Reihenfolge der Verfahrensschritte sehr viel geringer als bei einem Sinterverfahren. Eine unbeabsichtigte (teilweise) Deaktivierung von Leuchtstoff ist bei diesem Verfahren daher weniger wahrscheinlich, selbst bei Verwendung bleifreier Glaslote, deren Erweichungstemperaturen höher sind als diejenigen bleihaltiger Glaslote. Dies erhöht die Einsetzbarkeit von Glasmaterialien als Matrixmaterial als Alternative zu Silikon. Gemäß ISO 7884-3 ist die Erweichungs¬ temperatur mit einer Viskosität η = 107'6 dPa-s definiert. Die oben beschriebenen Verfahrensschritte sind in Verbindung mit einem transparenten Substrat vorgesehen, welches als Unterlage für die aufzubringende Glaslotschicht dient und spä¬ ter Bestandteil oder jedenfalls Träger des fertigen Konversi¬ onselements ist.
Das Einsinken des Leuchtstoffs aus der leuchtstoffhaltigen Schicht in das Glaslotmaterial darunter erfolgt in Richtung zum (ganz unten liegenden) Substrat hin. Der Einsinkvorgang kann durch Ausnutzung der Erdanziehungskraft und/oder durch mechanisches Pressen unterstützt und beschleunigt werden, je¬ weils in Verbindung mit der Wärmeeinwirkung während der zweiten Temperaturbehandlung. Das transparente Substrat (etwa aus Glas) besitzt eine höhere Erweichungstemperatur als die auf¬ zubringende Glaslotschicht. Es kann während der Fertigung als Untergrund und Widerlager (bzw. Pressplatte) für die Glaslot¬ schicht verwendet werden und am späteren Konversionselement ferner als einfaches optisches Element dienen. Das eigentli- che Konversionselement besteht dann aus den LeuchtstoffParti¬ keln und dem als Matrixmaterial dienenden Glas.
Die zweite Temperaturbebehandlung kann bei derselben oder einer ähnlichen (um höchstens 100 °C, vorzugsweise höchstens 50 °C abweichenden) Temperatur wie die erste Temperaturbehand¬ lung durchgeführt werden. Vorzugsweise ist die Temperatur der ersten Temperaturbehandlung höher als die der zweiten, da der Leuchtstoff noch nicht mit erhitzt wird. Durch den ersten Temperaturbehandlungsschritt wird das leuchtstofffreie Glas- lot bereits verglast, bevor der Leuchtstoff in die vorver¬ glaste Schicht einsedimentiert . Für das anmeldungsgemäße Ver¬ fahren können insbesondere Glaslote für Weichgläser und nie¬ derschmelzende Gläser (mit Erweichungstemperaturen von zwischen 400 und 800 °C, vorzugsweise zwischen 400 und 600 °C) , sogar bleifreie Gläser bzw. Glaslote (mit höheren Erwei¬ chungstemperaturen als bleihaltige Gläser) eingesetzt werden, transparent sind, also eine hohe Transmission im UV-VIS und eine geringe Eigenfärbung besitzen. Das leuchtstofffreie Glaslot kann beispielsweise als druckfähige Paste (etwa für Sieb- oder Schablonendruck) aus Glaslotpulver, Medium
und/oder Bindemittel gebildet und auf das transparente Sub¬ strat aufgetragen werden. Die Temperaturbehandlung kann an der Luft erfolgen. Das leuchtstoffhaltige Material kann als für den Druck geeig¬ nete Paste oder alternativ durch Aufsprühen oder Aufstreichen (als Flüssigkeit bzw. Suspension), durch elektrostatisches Abscheiden (als Pulver) oder auf sonstige Weise aufgebracht werden. Das leuchtstoffhaltige Material kann den Leuchtstoff etwa in einem organischen Lösungsmittel (wie Isopropanol) suspendiert enthalten. Die zunächst leuchtstofffreie Glaslot¬ schicht darunter kann beispielsweise ein alkalihaltiges , zinkhaltiges und/oder borhaltiges Phosphat, ein Silikat, ein Borat oder ein Borosilikat sein oder solch ein Material als Hauptbestandteil enthalten. Diese Materialien besitzen keine den Farbort verändernde Eigenfärbung. Vor allem aber reagieren sie, wie sich herausgestellt hat, während der Temperatur- behandlung nicht mit den verschiedenen Leuchtstoffarten (wie etwa Granaten, z.B. YAG:Ce, LuAG usw., Nitride, SiONe oder Orthosilikate) , die zur Erzielung der unterschiedlichen
Spektralbereiche der Sekundärspektren (etwa für Grün, Rot etc.) eingesetzt werden. Durch Mischen der Leuchtstoffe wird der Farbort eingestellt. Bei der Teilkonversion trägt zusätz¬ lich die Primärstrahlung dazu bei. Warmweißes Licht kann bei¬ spielsweise durch Teilkonversion eines blau emittierenden Chips mit einer Mischung aus Granat und Nitrid als auch durch eine Mischung aus Nitrid und Orthosilikat erzeugt werden. Ebenso können andere Lichtfarben durch verschiedene Kombina¬ tionen hergestellt werden. Hier erweist es sich als vorteil¬ haft, wenn alle Leuchtstofftypen in die gleiche Glasmatrix eingebettet werden können, ohne dass sie mit ihr reagieren und dadurch geschädigt werden. Das hier beschriebene Verfah- ren in Kombination mit den oben genannten bleifreien Glasloten ist deshalb besonders vorteilhaft, weil auch die beson¬ ders empfindlichen Nitride und Orthosilikate an Luft und un¬ ter Normaldruck eingebettet werden können. Dadurch wird das Verfahren kostengünstiger. Daneben können auch andere bleifreie Glaslote verwendet werden. Bleifreie Glaslote besitzen zwar meist eine höhere Erweichungstemperatur als bleihaltige Glaslote, sind jedoch dank des hier vorgeschlagenen Verfah- rens nunmehr mit geringerer Wärmebelastung für die Leuchtstoffe verarbeitbar als im Falle einer Vermengung mit dem Leuchtstoff vor Durchführung der Verglasung. Dies erhöht die praktische Einsetzbarkeit bleifreier, RoHS-konformer Glaslote erheblich .
Gemäß einer Weiterbildung wird eine zusätzliche Streuschicht unmittelbar auf dem transparenten Substrat hergestellt, bevor das zunächst leuchtstofffreie Material der eigentlichen Glas¬ lotschicht aufgebracht wird. Die Paste der Streuschicht kann zunächst unverglast auf dem Substrat belassen und gemeinsam mit dem zunächst leuchtstofffreien Glaslot durch die erste Temperaturbehandlung verglast werden. Alternativ kann auch eine separate Temperaturbehandlung vorab durchgeführt werden, um die Streuschicht zunächst einzeln zu verglasen. Im erste- ren Fall sind zwei Temperaturbehandlungen erforderlich, im letzteren Fall drei separate Temperaturbehandlungen.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele für das Kon¬ versionselement und seine Herstellung aufgeführt. Dabei wer- den vorzugsweise bleifreie, aber niederschmelzende Glaslote mit Erweichungstemperaturen zwischen 400 bis 600 °C verwendet. Insbesondere können zinkhaltige Borat-Gläser, Zink- Wismut-Borat-Gläser, Aluminiumphosphat-Gläser, Aluminium- Zink-Phosphat-Gläser oder ein Alkaliphosphat-Glas, auch in Kombination miteinander und/oder gemischt mit weiteren Zusätzen für die (zunächst) leuchtstofffreie Schicht verwendet werden. Als Leuchtstoff selbst können beispielsweise YAG (Yttrium-Aluminium-Granat) , Nitride oder auch Orthosilikate eingesetzt werden. Zudem können auch mehrere verschiedene Leuchtstoffe in Kombination miteinander verwendet werden, um zwei oder mehr verschiedene Sekundärspektren zu erzeugen. Die oben genannten Matrixmaterialien besitzen keine Eigenfärbung, sodass unabhängig davon, welche Leuchtstoffe in welcher Konzentration oder Mischung hinzugefügt werden sollen, stets dieselbe Zusammensetzung der einbettenden Glasmatrix verwendet werden kann. Allerdings sind Orthosilikate und Nitride chemisch weniger beständig und daher bei der herstellungsbe- dingten thermischen Behandlung besonders oxidationsanfällig, besonders bei Temperaturen über 600 °C. Selbst bei bleihalti¬ gen Glasloten wie PbO-E>203-Si02 wie den Glasloten der Be¬ zeichnungen 10104 und 10012 des Herstellers Ferro wurde mit steigender Einsinktemperatur eine verringerte Anregbarkeit nitridischer und orthosilikatischer Leuchtstoffe beobachtet. Das hier vorgeschlagene Verfahren jedoch ermöglicht es, selbst oxidationsanfällige Leuchtstoffe schonend in eine Glasmatrix einzubringen. Einige Ausführungsbeispiele werden nachstehend mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Es zeigen:
Die Figuren 1A bis IG verschiedene Verfahrensschritte einer
Ausführungsart des hier vorgeschlagenen Verfahrens und die Figuren 2 bis 7 verschiedene Ausführungsbeispiele einer
Anordnung mit einem Konversionselement und einem optischen oder optoelektronischen Bauelement.
Die Figuren 1A bis IG verdeutlichen verschiedene Verfahrens¬ schritte einer exemplarischen Ausführungsart des Verfahrens, wobei jeweils eine schematische, teilweise Querschnittsan- sieht eines transparenten Substrats 1 und der darauf bereits angeordneten weiteren Schichten dargestellt ist. Die Größenverhältnisse, insbesondere Schichtdickenverhältnisse sind nicht maßstäblich. Die Verfahrensschritte gemäß den Figuren 1A und 1B sind zudem optional und können somit entfallen;
dementsprechend kann auch die Schicht 5 in den Figuren IC bis 1F entfallen. Das eigentliche Verfahren beginnt somit mit Fi¬ gur IC, wo eine Schicht aus einem Glaslot 2a, das zunächst noch frei von einem Leuchtstoff ist, abgeschieden oder ander- weitig aufgetragen wird - entweder unmittelbar auf ein transparentes Substrat 1 oder (wie dargestellt) auf eine zuvor auf das Substrat 1 aufgebrachte, optionale Streuschicht 5.
Gemäß einer Weiterbildung wird zunächst diese Streuschicht 5 (Figur 1A) unmittelbar auf das (vorzugsweise ebene und plan¬ parallele) transparente Substrat 1 der Substrat- bzw.
Schichtdicke dl (von vorzugsweise zwischen 10 ym und 5 mm) abgeschieden. Die Streuschicht 5 besteht vorzugsweise aus ei¬ nem Glaslotmaterial 5a, das Streupartikel 6 enthält (Figur 1A) , insbesondere solche mit einem Brechungsindex, der sich deutlich, vorzugsweise um mindestens 0,1 von demjenigen der Glasmatrix unterscheidet, und/oder mit einer Partikelgröße zwischen 380 nm und 5 ym (als mittlerem Partikeldurchmesser) . Nach dem Aufbringen der Streuschicht 5 gemäß Figur 1A kann diese entweder gemäß Figur 1B durch eine separate Temperaturbehandlung verglast werden oder alternativ, nach dem Aufbringen einer Glaslotschicht 2 gemäß Figur IC, anschließend ge¬ meinsam mit dieser Glaslotschicht 2 verglast werden, wie in Figur 1D durch die Temperaturbehandlung TB1 und die Tempera- tur Tl angedeutet ist. Sofern die Streuschicht 5 zunächst einzeln verglast werden soll, wird gemäß Figur 1B zuerst eine separate Temperaturbehandlung TB0 durchgeführt, deren Tempe- ratur TO und Zeitdauer noch weiter nachstehend beschrieben werden .
Gemäß Figur IC wird eine Schicht 2 aus einem Glaslot 2a auf- gebracht, die zunächst noch keinen Leuchtstoff enthält. Die Schicht 2 bzw. das mit dieser Schicht (und gegebenenfalls mit der optionalen Streuschicht 5 der Schichtdicke d5) bedeckte transparente Substrat 1 wird gemäß Figur 1D der (ersten) Tem¬ peraturbehandlung TB1 unterzogen; die exemplarisch gewählten Werte für Temperatur Tl und Zeitdauer der Temperaturbehand¬ lung TB1 werden noch nachstehend beschrieben. Die Schichtdicke d2 der Schicht 2 nach Durchführung der ersten Temperaturbehandlung TB1 liegt etwa zwischen zwischen 1 ym und 200 ym, insbesondere zwischen 5 ym und 100 ym. Besonders bevorzugt ist eine Schichtdicke d2 zwischen 10 ym und 50 ym.
Schließlich erfolgt gemäß Figur IE ein Abscheiden oder anderweitiges Aufbringen einer leuchtstoffhaltigen Schicht 3 (einer Schichtdicke d3) , deren leuchtstoffhaltiges Material 3a insbesondere einen als Partikel oder in anderer Form verteil¬ ten Leuchtstoff 4; 4a, 4b enthält. Das leuchtstoffhaltige Ma¬ terial liegt insbesondere als Leuchtstoffpulver vor, wobei die (mittlere) Korngröße beispielsweise zwischen 2 ym und 20 ym betragen kann. Es können wie dargstellt mehrere, bei- spielsweise zwei Arten von LeuchtstoffPartikeln 4a, 4b vorge¬ sehen sein, etwa aus unterschiedlichen Materialien oder Materialkombinationen, um später aus demselben Primärspektrum des optoelektronischen Bauelements mehrere Sekundärspektren zu erzeugen. Hinsichtlich der Materialien der Schicht 2 aus Glaslot 2a, der leuchtstoffhaltigen Schicht 3 (d.h. des leuchtstoffhaltigen Materials 3a sowie des Leuchtstoffes 4 selbst) und der optionalen Streuschicht 5 werden beispielhaf- te Materialien noch an späterer Stelle in einigen Ausführungsbeispielen beschrieben.
Gemäß Figur 1F wird nun eine zweite Temperaturbehandlung TB2 durchgeführt, die bewirkt, dass der Leuchtstoff 4 aus der obersten, leuchtstoffhaltigen Schicht 3 in die zuvor noch leuchtstofffreie Schicht 2 einsinkt, wie in Figur 1F anhand der nach unten gerichteten Pfeile dargestellt ist. Das Glas¬ lot 2a der Schicht 2 wurde während der ersten Temperaturbe- handlung TB1 gemäß Figur 1D bereits verglast. Somit liegt ge¬ mäß Figur IE und zu Beginn der zweiten Temperaturbehandlung TB2 gemäß Figur 1F die Schicht 2 als verglastes Material vor. Ebenso wie für die Figuren 1B und 1D werden auch für die Temperaturbehandlung TB2 gemäß Figur 1F exemplarische Temperatu- ren T2 und Zeitdauern noch an späterer Stelle beschrieben.
Vorzugsweise ist TB2 (Einsink) < TB1 (Glaslot) .
Nach Durchführung der zweiten Temperaturbehandlung TB2 ent- steht das in Figur IG dargestellte Konversionselement 10, das nun eine leuchtstoffhaltige Glasschicht 7 umfasst, die unmit¬ telbar auf oder jedenfalls über dem transparenten Substrat 1 angeordnet ist (die optionale Streuschicht 5 ist in Figur IG nicht dargestellt, da sie ebenso entfallen kann) . Das Konver- sionselement 10 enthält nun Leuchtstoff 4; 4a, 4b, der einer schonenderen Temperaturbehandlung und insbesondere einem erheblich geringeren thermischen Budget ausgesetzt war, als man bislang bei Verwendung einer Glasmatrix in Kauf nehmen muss- te . Der Leuchtstoff ist daher beim späteren Gebrauch mit hö- herer Zuverlässigkeit vollständig aktivierbar.
Das auf einer ersten Hauptfläche 1A (Figuren 1A bis IG) hergestellte Konversionselement 10 besitzt eine in lateraler Richtung beispielsweise homogene (oder alternativ auch inho¬ mogene) Leuchtstoff erteilung, die in Richtung senkrecht zur Hauptfläche 1A vorzugsweise inhomogen ist und insbesondere mit zunehmender Nähe zur ersten Hauptfläche 1A abnimmt. Dem- entsprechend zeigt der in Figur IG dargestellte Gradient 11 der Leuchtstoffkonzentration (siehe die beiden Pfeile in Figur IG) von der ersten Hauptfläche 1A weg und zur entgegenge¬ setzten Fläche des Konversionselements 10 hin, das von der anderen Hauptfläche 1B des transparenten Substrats 1 noch weiter entfernt ist. Die Leuchtstoffkonzentration im Konversionselement 10 ist somit nahe der in Figur IG obenliegend dargestellten Oberfläche des Konversionselements 10 am grö߬ ten; diese Oberfläche ist später, wenn das Konversionselement samt Substrat verbaut wird, dem optischen bzw. optoelektroni- sehen Bauelement vorzugsweise zugewandt.
Die Figuren 2 bis 7 zeigen einige exemplarische Bauformen ei¬ ner Anordnung 21, die außer dem vorgeschlagenen Konversionselement 10 und dem Substrat 1, das zu seiner Herstellung und Formgebung verwendet wurde, ein Bauelement 20 aufweist, näm¬ lich ein optisches und/oder optoelektronisches Bauelement 20. Das Bauelement 20 ist vorzugsweise ein Halbleiterchip 19, dessen Lichtaustrittsfläche dem Konversionselement 10 zuge¬ wandt ist. Das Konversionselement 10 kann mit seiner leucht- stoffhaltigen Seite direkt an der Lichtaustrittsfläche des
Halbleiterchips 19 bzw. Bauelements 20 montiert werden. Dabei kann wie in Figur 2 dargestellt das Konversionselement 7; 10 ebenso wie das transparente Substrat 1 planparallel und mit konstanter Schichtdicke geformt sein. Das Substrat dient hier als einfaches optisches Element.
Alternativ kann gemäß Figur 3 das transparente Substrat 1 zugleich als optisches Element, insbesondere als Linse 15 dienen und somit eine über seinen Querschnitt variable Dicke besitzen. Wenn die Leuchtstoffkonzentration 11 im Konversionselement 10 inhomogen ist und mit zunehmendem Abstand von der Hauptfläche 1A des Substrats 1 größer wird, hat dies den Vorteil, dass die vom Bauelement 20 emittierte Strahlung be¬ reits sehr nahe an ihrer Lichtaustrittsfläche auf einen Gro߬ teil des Leuchtstoffs im Konversionselement 10 tritt.
Gemäß Figur 4 kann die aus dem transparenten Substrat 1 und dem Konversionselement 10 (bzw. ihrer leuchtstoffhaltigen Glasschicht 7) gebildete Einheit auch beabstandet von dem Bauelement 20 bzw. dem Halbleiterchip 19 verbaut werden. Dazu ist gemäß Figur 4 exemplarisch ein Reflektor 12 vorgesehen, der einen vorgegebenen Abstand zwischen einem den Halbleiter- chip 19 tragenden Trägerelement 13 und einem äußeren Rand des transparenten Substrats 1 sicherstellt. Auch hier ist die leuchtstoffhaltige Seite vorzugsweise dem Bauelement 20 zuge¬ wandt . Gemäß Figur 5 kann das transparente Substrat 1 auch dieser
Anordnung 21 als optische Linse 15 ausgebildet sein. Während die als Untergrund für die Herstellung des Konversionsele¬ ments 10 benötigte erste Hauptfläche 1A vorzugsweise eben ist, kann die entgegengesetzte Hauptfläche 1B des transparen- ten Substrats 1 gekrümmt sein und so die Ausformung des transparenten Substrats 1 als Linse 15 ermöglichen.
Die Figuren 6 und 7 zeigen Weiterbildungen, bei denen die leuchtstoffhaltige Glasschicht 7, die durch Einbringen des Leuchtstoffs in die ursprüngliche Schicht 2 entstanden ist, dünner ist (jedenfalls nach der Durchführung sämtlicher Temperaturbehandlungsschritte) als der Partikeldurchmesser des Leuchtstoffs 4. Somit können auch sehr dünne Glaslotschichten während der Herstellung im Rahmen der Figuren 1A bis IG aufgetragen werden, die die Leuchtstoffpartikel 4 nicht mehr ganz umschließen. Obwohl dann die Schichtdicke der verglasten Schicht kleiner ist als der mittlere oder maximale Durchmes- ser der Leuchtstoffpartikel , ist die Schichtdicke zumindest so groß, dass die Leuchtstoffpartikel 4 fest an dem Substrat 1 haften. Der (in Figur 6 nach unten) überstehende, emporragende Teil der Leuchtstoffpartikel 4 kann dann durch einen (vorzugsweise anorganischen und/oder hochbrechenden) Kleb- Stoff 14 eingeebnet werden und auch unmittelbar mit der
Lichtaustrittsfläche des optischen oder optoelektronischen Bauelements 20 verklebt werden. Beim Verkleben kann außerdem eine weitere, dritte Temperaturbehandlung zum Einsatz kommen. Dabei können etwa niederschmelzende Gläser mit einer Erwei- chungstemperatur unterhalb von 500 °C als anorganischer Kleber zum Einsatz kommen.
Figur 7 zeigt eine Weiterbildung, bei der die leuchtstoffhal¬ tige Glasschicht 7 zumindest die Schichtdicke der durch- schnittlichen Partikelgröße des Leuchtstoffs 4 besitzt, je¬ doch zusätzlich eine Schicht aus Klebstoff 14 ähnlich wie in Figur 6 vorgesehen ist. Zusätzlich ist eine Streuschicht 5 vorhanden, die beispielsweise gemäß den Figuren 1A und 1B hergestellt wurde. Die Streuschicht 5 dient dazu, eine besse- re Homogenität des Farbortes bzw. der Mischfarbe über den lichtaustrittsseitigen Winkelbereich des Konversionselements 10 (bzw. der Einheit aus Substrat und Konversionselement) zu erreichen. In den Ausführungsformen der Figuren 2 bis 7 ist vorzugsweise genau ein einziges Baulelement 20 bzw. ein ein- ziger Halbleiterchip 19 verbaut und dem Konversionselement 10 und/oder dem transparenten Substrat 1 zugeordnet. Alternativ kann auch eine Mehrzahl von Bauelementen, beispielsweise eine Mehrzahl von Halbleiterchips mit identischem oder unter- schiedlichem Emissionsspektrum verbaut und dem Konversionselement zugeordnet, d.h. unter ihm angeordnet sein.
Der Brechungsindex der Streupartikel der Streuschicht 5 ist vorzugsweise um mindestens 0,1 größer oder kleiner als derje¬ nige des Glasmaterials. Die Korngröße der Streupartikel kann im Bereich der Wellenlänge des sichtbaren Lichts oder darüber liegen, etwa oberhalb von 380 nm und unterhalb von 5 ym. Als Material für die Streupartikel 6 der Streuschicht 5 können beispielsweise AI2O3, 1O2, SrO, BaO, Y2O3, Zr02, 1^03,
HfC>2, a2Ü3, SnC>2, ZnO, b2Ü3, Seltenerdoxide oder beliebige Kombinationen dieser Materialien eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein Aluminiumoxidpulver der Bezeichnung CR1-CR30 des Herstellers Baikowski in einer Menge von zwi- sehen 2 und 10, vorzugsweise von 5 Vol-% im ursprünglichen Glaslotpulver für die Streuschicht 5 enthalten sein.
Nachfolgend werden einige exemplarische Ausführungsformen hinsichtlich der verwendeten Materialien und der Durchführung der Temperaturbehandlungsschritte näher beschrieben. Die nachfolgenden Ausführungsformen sind mit den in der Beschreibung bis hierhin beschriebenen Ausführungsformen und mit den Ausführungsformen der Zeichnungen und der Patentansprüche jeweils kombinierbar, da sie diese weiter ausgestalten.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird für die Schicht 2 Glaslotpulver der Bezeichnung F010307 des Herstellers Heraeus mit Medium und Binder zu einer sieb- oder schablonendruckfä¬ higen Paste verarbeitet. Beispielsweise kann das Glaslot, welches die Komponenten Alkalioxid - ZnO - AI2O3 - B2O3 - P2O5 enthält, als Glaslotpaste verwendet und als Schicht 2 aufgetragen werden, beispielsweise auf einen Objektglasträger (Hersteller Roth) oder ein sonstiges (planparalleles) Glas- plättchen. Die Paste wird mit einer Schichtdicke d2 von bei¬ spielsweise 30 bis 70 ym, insbesondere von 50 ym aufgetragen und während der ersten Temperaturbehandlung auf eine Temperatur zwischen 400 und 800 °C, vorzugsweise zwischen 500 und 700 °C erhitzt. Die Temperaturbehandlung kann beispielsweise für eine Zeitdauer von 10 bis 60, vorzugsweise 20 bis 40 Mi¬ nuten durchgeführt werden, entweder an der Luft oder unter Luftabschluss . Dabei findet die Verglasung unter Normaldruck (1013 mbar) statt. Die Schichtdicke d2 der Schicht 2 kann je- doch auch abweichend gewählt werden; sie kann nach Durchführung der ersten Temperaturbehandlung TB1 etwa zwischen 1 ym und 200 ym, insbesondere zwischen 5 ym und 100 ym (und beson¬ ders bevorzugt zwischen 10 ym und 50 ym) betragen. Anschließend kann als Leuchtstoff beispielsweise Granat wie etwa YAG:Ce, LuAG usw., ein Nitrid, SiONe oder ein Orthosili- kat aufgetragen werden, etwa durch Aufpinseln einer entsprechenden LeuchtstoffSuspension in Isopropanol oder einem sonstigen Medium. Dann wird zum Einsinken bzw. Einsedimentieren des Leuchtstoffs eine zweite Temperaturbehandlung ebenfalls zwischen 400 und 800 °C, vorzugsweise zwischen 500 und 700 °C (idealerweise unterhalb von 600 °C) durchgeführt, wiederum für 10 bis 60, vorzugsweise 20 bis 40 Minuten (beispielsweise an der Luft) . Die bereits verglaste Schicht wird während der zweiten Temperaturbehandlung so weich, dass der Leuchtstoff in diese einsinken kann. Das vorgeschlagene Verfahren liefert somit ein Konversionselement, dessen Leuchtstoffe nach Fer¬ tigstellung des Konversionselements mit höherer Wahrscheinlichkeit vollständig aktivierbar sind.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel wird Glaslotpulver der Bezeichnung 106038D des Herstellers Ferro (eine Glaslot¬ verbindung des Systems ZnO - B2O3 - S1O2, d.h. zinkhaltiges Boratglas) als Paste auf das transparente Glassubstrat aufge¬ bracht und zunächst bei einer Temperatur zwischen 500 und 800 °C, vorzugsweise zwischen 550 und 650 °C für eine Zeitdauer von 10 bis 60, vorzugsweise 20 bis 40 Minuten an der Luft er- hitzt. Nach dieser Verglasung wird der Leuchtstoff wie im ersten Ausführungsbeispiel aufgebracht, bevor zum Einsinken die zweite Temperaturbehandlung bei einer Temperatur ebenfalls zwischen 500 und 800 °C, vorzugsweise zwischen 550 und 650 °C (idealerweise unterhalb von 620 °C) für 10 bis 60, vorzugsweise 20 bis 40 Minuten (etwa an der Luft unter Nor¬ maldruck von 1013 mbar) durchgeführt wird.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel wird Glaslotpulver der Bezeichnung 8474 des Herstellers Schott (ein Alkaliphosphat- Glaslot) ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel aufgetra¬ gen und zunächst auf eine Temperatur zwischen 400 und 600 °C, vorzugsweise zwischen 450 und 550 °C während einer Zeitdauer von 10 bis 60, vorzugsweise 20 bis 40 Minuten an der Luft er¬ hitzt. Nach dieser Verglasung wird wie im ersten Ausführungs- beispiel Leuchtstoff zugegeben, bevor der Einsinkvorgang durch die zweite Temperaturbehandlung bei Temperaturen ebenfalls zwischen 400 und 600 °C, vorzugsweise zwischen 450 und 550 °C (idealerweise unterhalb von 500 °C) während einer Zeitdauer von 10 bis 60, vorzugsweise 20 bis 40 Minuten in Luft unter Normaldruck (1013 mbar) veranlasst wird.
In allen drei Ausführungsbeispielen sind die eingesunkenen Leuchtstoffe nach der (zweiten) Temperaturbehandlung noch vollständig aktivierbar. Der Leuchtstoff kann jeweils statt als Paste auch in organischen Lösungsmitteln wie Isopropanol suspendiert aufgebracht werden. Die leuchtstoffhaltige Seite des fertigen Konversionselements 10 ist bei der späteren Mon¬ tage vorzugsweise der Lichtaustrittsfläche des optoelektroni- sehen Elements 20 bzw. des Halbleiterchips 19 zugewandt. So¬ fern der Leuchtstoff als Paste (in Verbindung mit einem Binder und einem Lösungsmittel) aufgebracht wird, kann diese Paste Nitrozellulosen, Acrylate oder Ethylzellulosen enthal- ten. Das leuchtstoffhaltige Material kann außer durch Aufdru¬ cken (insbesondere durch Sieb- oder Schablonendruck) auch durch Aufsprühen, Aufpinseln oder elektrostatisches Abscheiden aufgebracht werden. Für die Schicht 2 aus Glaslot können Glaslote mit einem ther¬ mischen Ausdehnungskoeffizienten beispielsweise zwischen 6 x 10~ /K unc[ 20 x 10~ /K (bezogen auf den Temperaturbereich zwischen 20 und 300 °C) verwendet werden. Die Durchführung der hier vorgeschlagenen Verfahren bei Ein- sink-Temperaturen unterhalb von 700, vorzugsweise unterhalb von 600 °C unter Normaldruck ermöglicht eine Einbettung selbst empfindlicher Leuchtstofftypen wie den Nitriden oder (Ortho- ) Silikaten, selbst in Gegenwart von Luft. Die zweite Temperaturbehandlung oder wahlweise auch beide Temperaturbe¬ handlungen können ebenso im Vakuum, in einem Schutzgas oder in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt werden, die aber das Herstellungsverfahren verteuern. Vorzugsweise ist TB2 (Einsink) < TB1 (Glaslot) .
Gemäß einem weiteren, vierten Ausführungsbeispiel ist zu¬ nächst die Abscheidung einer Streuschicht 5 vorgesehen. Diese kann neben einem Glaslotpulver (etwa der Bezeichnung F010307 des Herstellers Heraeus) zusätzlich ein Pulver aus hochbre¬ chenden Partikeln, vorzugsweise mit Korngrößen oberhalb von 380 nm enthalten. Beispielsweise kann ein Aluminiumoxidpulver (AI2O3) , etwa der Bezeichnung CR1-CR30 des Herstellers Bai- kowski dem Glaslotpulver beigegeben und damit vermischt werden. Die dann homogene Pulvermischung wird mit Medium und Binder zu einer druckfähigen Paste verarbeitet und auf das transparente Substrat aufgebracht. Nach der ersten Tempera- turbehandlung ergibt sich hierfür eine Schichtdicke d5 von zwischen 1 ym und 70 ym, vorzugsweise von 50 ym.
Erst nach dem Auftragen dieser Streuschicht folgen die weiteren Bearbeitungsschritte wie in den ersten drei Ausführungs- beispielen, nämlich das Aufbringen des eigentlichen, zunächst leuchtstofffreien Glaslotes, die erste Temperaturbehandlung, das Aufbringen des leuchtstoffhaltigen Materials und die zweite Temperaturbehandlung. Während der ersten Temperaturbehandlung werden dann die Streuschicht und die zunächst leuchtstofffreie Glaslotschicht gemeinsam vorverglast. Alter¬ nativ kann auch die Streuschicht auf dem Substrat zunächst alleine vorverglast werden. Dabei können die Temperatur TO und/oder die Zeitdauer ähnlich wie für die nachfolgenden Temperaturbehandlungen TB1 und/oder TB2 oder auch abweichend da- von gewählt werden. Der separate Heizprozess für die Streu¬ schicht erfordert dann allerdings drei Temperaturbehandlungen für das Herstellungsverfahren insgesamt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Konversionselements (10) für ein optisches und/oder optoelektronisches Bauelement (20), wobei das Verfahren mindestens die folgenden
Schritte umfasst:
a) Bereitstellen eines transparenten Substrats (1), b) Aufbringen einer Schicht (2), die pulverförmiges Glaslot (2a) enthält,
c) Verglasen der Schicht (2) durch eine erste Tempera¬ turbehandlung (TB1), wodurch das Glaslot (2a) der
Schicht (2) verglast und dadurch in ein transparentes Glasmaterial (2b) mit geringer Eigenfärbung umgewandelt wird,
d) Aufbringen eines leuchtstoffhaltigen Materials (3a) auf die Schicht (2) und
e) Durchführen einer zweiten Temperaturbehandlung (TB2), wodurch Leuchtstoff (4) des leuchtstoffhaltigen Materials (3a) in das Glasmaterial (2b) der Schicht (2) ein¬ sinkt .
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Temperaturbehandlung (TB2) bei einer Temperatur (T2) durchgeführt wird, die höchstens 50 °C von ei¬ ner Temperatur (Tl), bei der die erste Temperaturbehand¬ lung (TB1) durchgeführt wird, abweicht oder identisch mit der Temperatur (Tl) der ersten Temperaturbehandlung (TB1) ist, wobei die jeweilige Temperatur (Tl, T2) je¬ weils zwischen 400 und 800 °C, vorzugsweise zwischen 450 und 650 °C liegt und wobei die Dauer der ersten (TB1) und zweiten Temperaturbehandlung (TB2) jeweils zwischen 5 und 90 Minuten, vorzugsweise zwischen 20 und 60 Minu¬ ten beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das leuchtstoffhaltige Material (3a) einen Leuchtstoff (4) oder eine Mischung verschiedener Leuchtstoffe (4; 4a, 4b) aufweist, die homogen in dem leuchtstoffhaltigen Material (3a) verteilt sind, und dass das leuchtstoff- haltige Material (3a) in Schritt d) auf die gesamte Flä¬ che der Schicht (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Schritt b) als Glaslot (2a) ein bleifreies, aber nie¬ derschmelzendes Glaslot (2a) , das eine Erweichungstempe¬ ratur von zwischen 400 und 600 °C besitzt, insbesondere ein zinkhaltiges Borat-Glas, Zink-Wismut-Borat-Glas, Aluminiumphosphat-Glas , Aluminium-Zink-Phosphat-Glas oder ein Alkaliphosphat-Glas aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Schritt a) ein Glaslotmaterial (5a) , welches Streupartikel (6), vorzugsweise solche Streupartikel (6) mit einem Partikeldurchmesser zwischen 380 nm und 5 ym und/oder mit einem optischen Brechungsindex, der sich um mindestens 0,1 von dem Brechungsindex der Glasmatrix un¬ terscheidet, enthält, als Streuschicht (5) unmittelbar auf das transparente Substrat (1) aufgebracht wird, be¬ vor der Schritt b) durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Streuschicht (5) aus dem die Streupartikel (6) ent¬ haltenden Glaslotmaterial (5a) in Schritt c) gemeinsam mit der in Schritt b) aufgebrachten Schicht (2) erhitzt und dabei verglast wird.
Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Streuschicht (5) aus dem die Streupartikel (6) ent¬ haltenden Glaslotmaterial (5a) bereits vor dem Schritt b) durch eine separate Temperaturbehandlung (TBO) verglast wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Schritt d) als leuchtstoffhaltiges Material (3b) pul- verförmiger Leuchtstoff (4; 4a, 4b) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das leuchtstoffhaltige Material (3a) in Schritt d) durch Aufsprühen oder Aufstreichen, durch elektrostatisches Abscheiden oder durch Aufdrucken als Paste, insbesondere durch Siebdruck oder Schablonendruck aufgebracht wird.
Konversionselement (10) für ein optisches und/oder op¬ toelektronisches Bauelement (20), wobei das Konversions¬ element (10) zumindest folgendes aufweist:
- ein transparentes Substrat (1),
- eine Schicht (2) aus einem Glasmaterial (2b), wobei die Schicht (2) auf oder über einer Hauptfläche (1A) des transparenten Substrats (1) angeordnet ist und mit dem transparenten Substrat (1) fest verbunden ist, - wobei die Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b)
Leuchtstoff (4; 4a, 4b) enthält,
- wobei die Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) die eine Hauptfläche (1A) des transparenten Substrats (1) vollständig oder nahezu vollständig bedeckt, wohingegen eine andere, entgegengesetzte Hauptfläche (1B) des transparenten Substrats (1) freiliegt,
- wobei der Leuchtstoff (4) über die gesamte Ausdehnung der Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) in dieser Schicht (2) verteilt ist und
- wobei die Konzentration des Leuchtstoffs (4) in der Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) über die Schicht¬ dicke (d2) dieser Schicht (2) variiert und in Richtung zum transparenten Substrat (1) hin abnimmt.
Konversionselement nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) und dem transparenten Substrat (1) eine Streuschicht (5) an¬ geordnet ist, die Streupartikel (6), vorzugsweise solche Streupartikel (6) mit einem Partikeldurchmesser zwischen 380 nm und 5 ym und/oder mit einem Brechungsindex, der sich um mindestens 0,1 von dem Brechungsindex der Glas¬ matrix unterscheidet, enthält.
Konversionselement nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) als Hauptbe¬ standteil ein bleifreies, aber niederschmelzendes Glas mit einer Erweichungstemperatur zwischen 400 und 600 °C, vorzugsweise ein zinkhaltiges Borat-Glas, Zink-Wismut- Borat-Glas, Aluminiumphosphat-Glas, Aluminium-Zink- Phosphat-Glas oder ein Alkaliphosphat-Glas enthält.
13. Konversionselement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Konversionselement (10) an einem optischen
und/oder optoelektronischen Bauelement (20), insbesonde¬ re einem Halbleiterbauelement (19) montiert ist,
- wobei die den Leuchtstoff (4) enthaltende Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) entweder an dem Bauelement (20) befestigt, insbesondere angeklebt, oder von dem Bauelement (20) beabstandet montiert ist und
- wobei die den Leuchtstoff (4) enthaltende Schicht (2) aus dem Glasmaterial (2b) dem Bauelement (20) zugewandt ist . 14. Konversionselement nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass
das Glasmaterial (2b) einen oder mehrere der Leucht¬ stofftypen Granat, Nitrid und Orthosilikat enthält. 15. Konversionselement nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass
das transparente Substrat (1) so geformt ist, dass es entweder planparallel und mit konstanter Schichtdicke (dl) ausgebildet ist oder alternativ als Linse (15) mit variierender Dicke geformt ist.
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