Beschreibung

Optisches Element, Strahlungsemittierendes Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements

Die Erfindung betrifft ein optisches Element und ein Strahlungsemittierendes Bauelement, das ein optisches Element aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements.

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102006046301.3, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Aus der Offenlegungsschrift DE 199 45 675 Al ist ein oberflächenmontierbares LED-Gehäuse bekannt, in dem ein LED- Chip angeordnet ist. Dem Chip ist eine Linse nachgeordnet, die ein thermoplastisches Material enthält.

Bei einem thermoplastischen Material besteht bei thermischer Belastung, die beispielsweise während eines Lötvorgangs auftritt, die Gefahr einer Verformung der Linse und darüber hinaus die Gefahr einer Trübung der Linse. Diese Einflüsse können die optischen Eigenschaften der Linse negativ beeinflussen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Element anzugeben, das trotz thermischer Belastungen vergleichsweise stabile optische Eigenschaften aufweist. Diese Aufgabe wird durch ein optisches Element gemäß Patentanspruch 1 gelöst .

Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Strahlungsemittierendes Bauelement anzugeben, das trotz thermischer Belastungen vergleichsweise stabile optische Eigenschaften aufweist. Diese Aufgabe wird durch ein Strahlungsemittierendes Bauelement gemäß Patentanspruch 19 gelöst .

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem das optische Element auf einfache Weise hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 29 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des optischen Elements und des Strahlungsemittierenden Bauelements sowie vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Ein erfindungsgemäßes optisches Element weist einen Grundkörper auf, der ein Grundmaterial enthält, und einen Füllkörper, der ein Füllmaterial enthält, wobei der Füllkörper an dem Grundkörper haftet.

Bevorzugterweise ist das optische Element zur Formung von Strahlung vorgesehen. Beispielsweise kann das optische Element eine abbildende Optik sein.

Besonders bevorzugt bildet der Grundkörper einen Außenbereich des optischen Elements, während der Füllkörper einen Innenbereich des optischen Elements bildet.

Weiter bevorzugt unterscheidet sich das Grundmaterial von dem Füllmaterial. Dies hat den Vorteil, dass abhängig von den unterschiedlichen Anforderungen, die an den Grundkörper und

den Füllkörper gestellt werden, ein geeignetes Material verwendet werden kann.

Bei einer besonderen Variante des optischen Elements weist der Grundkörper einen Hohlraum auf, der mit dem Füllmaterial befüllt ist, wobei die Form des Füllkörpers durch den Hohlraum bestimmt ist. Vorteilhafterweise ist es mittels Befüllung des Grundkörpers möglich, ein optisches Element zu schaffen, dessen Grundkörper und Füllkörper irreversibel miteinader verbunden sind. Das optische Element weist mittels des Grund- und Füllkörpers zwei Bereiche auf, die sich durch ihre optischen Eigeschaften unterscheiden können.

Bei einer bevorzugten Variante des optischen Elements weist der Grundkörper die Form eines Rotationskörpers auf . Insbesondere kann auch der Füllkörper die Form eines Rotationskörpers aufweisen. Beispielsweise kann eine Kontur des optischen Elements annähernd kuppelartig sein. Die Kontur des Grundkörpers kann dabei zumindest abschnittsweise einem Kugel- oder Ellipsensegment gleichen. Beispielsweise kann der Grundkörper etwa nach Art eines Kugelschalensegments geformt sein. Insbesondere kann der Grundkörper die Form einer Halbkugelschale mit einem öffnungsbereich zur Befüllung des Grundkörpers mit Füllmaterial aufweisen. Der Füllkörper hat dann etwa die Form eines Halbkugelinneren. Alternativ kann die Form des Füllkörpers annähernd einem umgekehrten Kegelstumpf entsprechen, der von dem Grundkörper ringartig umgeben ist .

Insbesondere weisen der Füllkörper und der Grundkörper eine gemeinsame Symmetrieachse auf . Vorzugsweise weist auch der öffnungsbereich diese Symmetrieachse auf. Besonders bevorzugt bildet der öffnungsbereich zusammen mit einer den

öffnungsbereich umgebenden Oberfläche des Grundkörpers eine Strahlungsdurchtrittsflache des optischen Elements .

Weiterhin kann die Strahlungsdurchtrittsflache einen konkav gekrümmten oder ebenen Teilbereich und einen den konkav gekrümmten Teilbereich in einem Abstand zur optischen Achse zumindest teilweise umgebenden, konvex gekrümmten Teilbereich aufweisen, wobei die optische Achse durch den konkav gekrümmten Teilbereich verläuft. Insbesondere kann der öffnungsbereich konkav gekrümmt und die umgebende Oberfläche konvex gekrümmt sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Füllmaterial für die zu formende Strahlung durchlässig. Dies hat den Vorteil, dass die Strahlung durch den Füllkörper hindurchtreten und der Füllkörper so zur Strahlformung beitragen kann.

Vorzugsweise enthält das Füllmaterial transparente Vergussstoffe oder Harze. Beispielsweise kann das Füllmaterial ein Silikonmaterial enthalten. Weiterhin kann ein Silikongel verwendet werden, das sich im Bezug auf Zyklenbeständigkeit, Erwärmung beim Lötvorgang, Alterungsstabilität und Strahlungsbeständigkeit, insbesondere bei thermischen oder mechanischen Belastungen, als vorteilhaft erweist. Unter Wärmeeinwirkung erlaubt der öffnungsbereich eine Ausdehnung des Füllmaterials. Da der Grundkörper den optisch kritischeren Bereich des optischen Elements bildet, führt eine Verformung des Füllkörpers zu einer vernachlässigbaren änderung der optischen Eigenschaften des optischen Elements.

Weitere geeigente Füllmaterialien sind beispielsweise Hybridmaterialien wie z.B. Mischungen aus Epoxidharzen und Silikonharzen, da sie gegenüber Silikonharzen die Vorteile kürzerer Aushärtezeiten und besserer Entformbarkeit aufweisen und gegenüber Epoxidharzen den Vorteil gesteigerter UV- Stabilität.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Grundmaterial für die zu formende Strahlung durchlässig. Somit kann die Strahlung durch den Grundkörper hindurchtreten und der Grundkörper kann so zur Strahlformung beitragen. Beispielsweise kann das Grundmaterial Glas enthalten. Vorzugsweise wird ein Glasmaterial verwendet, das bei Temperaturen größer 300 ⁰ C beständig ist, das heißt, dass bei diesen Temperaturen weder Materialveränderugen, beispielsweise Trübungen oder Verfärbungen, noch Verformungen zu befürchten sind. Diese Temperaturen können mehrere Stunden vorherrschen.

Weiterhin kann das Grundmaterial ein Kunststoffmaterial enthalten. Vorzugsweise ist das Grundmaterial ein Thermoplast. Als Thermoplaste sind beispielsweise Polycarbonate (PC) oder Polymethacrylmethylimide (PMMI) geeignet .

Das optische Element gemäß der Erfindung kann ein refraktives, diffraktives oder dispersives Element sein.

Vorzugsweise ist das optische Element, das beispielsweise Teil eines Strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements ist, bei Temperaturen zwischen 200 ⁰ C und 300° C lötbar. In diesem Temperaturbereich sind weder Materialveränderugen, beispielsweise Trübungen oder Verfärbungen, noch Verformungen

zu befürchten. Typischerweise treten diese Temperaturen wenige Minuten lang auf .

Ein erfindungsgemäßes Strahlungsemittierendes Bauelement weist ein optisches Element wie bisher beschrieben und mindestens einen Strahlungsemittierenden Halbleiterkörper auf, der in den Füllkörper eingebettet ist.

Vorteilhafterweise kann mittels des Füllkörpers nicht nur eine optische Wirkung, sondern darüber hinaus eine Schutzwirkung für den Halbleiterkörper erzielt werden. Der Füllkörper kann als Verguss dienen.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist der Halbleiterkörper ein auf Nitrid-Verbindungshalbleitern basierendes Halbleitermaterial auf. „Auf Nitrid- Verbindungshalbleitern basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie-Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid-III/V- Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamlnx-n-mN umfasst, wobei O ≤ n ≤ l, 0 < ra < 1 und n+m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des Al _n Ga _m Ini_ _n - _m N-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.

Vorzugsweise ist der Brechungsindex des Füllmaterials an die Brechungsindizes des Grundmaterials und weitergehend des

Halbleitermaterials angepasst. Insbesondere weist das Füllmaterial einen Brechungsindex von 1.3 bis 1.7 auf.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Halbleiterkörper ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip. Ein Dünnfilm-Leuchtdioden- Chip zeichnet sich insbesondere durch mindestens eines der folgenden charakteristischen Merkmale aus:

- an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten Hauptfläche einer Strahlungserzeugenden Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert;

- die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20μm oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 μm auf; und

- die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.

Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al . , Appl . Phys . Lett . 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist in guter Näherung ein Lambert'scher Oberflächenstrahler und eignet sich von daher besonders gut für die Anwendung in einem Scheinwerfer.

Zweckmäßigerweise ist bei dem erfindungsgemäßen Strahlungsemittierenden Bauelement der Strahlungsemittierende Halbleiterkörper auf einem Träger angeordnet. Beispielsweise kann der Träger eine Platte sein, die etwa ein Keramikmaterial enthält . Insbesondere kann der Träger elektrische Anschlussbereiche zur Stromversorgung des Halbleiterkörpers aufweisen.

Bei einer bevorzugten Variante des Strahlungsemittierenden Bauelements ist der Grundkörper auf den Träger aufgebracht. Beispielsweise kann die Kontur des Grundkörpers zwei einander zugewandten „S ^λλ gleichen, was heißt, dass die Konturlinie zwei Wendepunkte aufweist. Lediglich ein randseitiges Ende des Grundkörpers liegt dabei auf dem Träger auf, während sich der Restgrundkörper über dem Träger erhebt. Alternativ kann die Kontur des Grundkörpers zwei einander zugewandten Kreissegmenten, insbesondere zwei Viertelkreisen, gleichen.

Bei einer besonders bevorzugten Variante ist der Grundkörper mittels des Füllmaterials mit dem Träger verbunden. Insbesondere haftet der Grundkörper mittels des Füllmaterials auf dem Träger haftet. Vorteilhaftierweise kann hierdurch ein Haftmittel beziehungsweise das Aufbringen eines Haftmittels eingespart werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Grundkörper auf einer dem Träger zugewandten Seite mindestens ein hervorstehendes Befestigungselement zur Befestigung des optischen Elements auf. Das Befestigungselement kann beispielsweise nach Art eines Stiftes ausgebildet sein.

Das Befestigungselement kann zur Verankerung des optischen Elements im Träger oder einem dem Träger nachgeordneten weiteren Element, beispielsweise einer Wärmesenke, dienen. Insbesondere weist der Träger beziehungsweise das weitere Element eine geeignete Einsteckvorrichtung zur mechanischen Verankerung des Befestigungselements auf .

Weiterhin kann zwischen dem optischen Element und dem Träger ein Abstandshalter angeordnet sein, der den Halbleiterkörper vorzugsweise ringartig umgibt. Der Abstandshalter kann eine übermäßige Erwärmung des optischen Elements verhindern. Gleichzeitig kann der ringartige Abstandshalter als Befüllrahmen zur Einbettung des Halbleiterkörpers in Füllmaterial dienen.

Vorzugsweise ist als weiteres Element eine Wärmesenke vorgesehen, die zum Abtransport von Wärme aus dem Bauelement dient und beispielsweise Al enthält. Dies reduziert die Gefahr von Verformungen oder Materialveränderungen des optischen Elements und damit die Gefahr der Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften wie Abstrahlcharakteristik oder Auskoppeleffizienz .

Das Strahlungsemittierende Bauelement besitzt vorzugsweise eine SMT (Surface Mounted Technologie) - Bauform. Dies ermöglicht eine vergleichsweise einfache Montage des Bauelements .

Es ist denkbar, dass das Bauelement zumindest drei Halbleiterkörper aufweist, die jeweils rotes, grünes und blaues Licht emittieren. Das erzeugte Licht kann mittels des optischen Elements gemischt werden.

Das Strahlungsemittierende Bauelement gemäß der Erfindung ist für Hinterleuchtungs- und Beleuchtungszwecke geeignet.

Das erfindungsgemäße optische Element ist auf einfache Weise herstellbar. Vorzugsweise wird zunächst der Grundkörper geformt, der einen befüllbaren Hohlraum aufweist. In den Hohlraum kann das Füllmaterial, das beispielsweise ein Gel enthält, mittels eines öffnungsbereichs des Grundkörpers eingefüllt werden, wodurch der Füllkörper gebildet wird.

Beispielsweise kann der Grundkörper mittels eines

Tiefziehverfahrens aus einem Glasmaterial abgeformt werden.

Vorteilhafterweise können die optischen Eigenschaften des optisch kritischen Grundkörpers durch die thermische Stabilität des Glasmaterials auch bei starker Wärmezufuhr im Wesentlichen gewahrt bleiben.

Weiterhin kann der Grundkörper mittels eines Spritzguss- oder Spritzpressverfahrens aus einem Kunststoffmaterial hergestellt werden. Beispielsweise kann der Grundkörper aus einem Thermoplastmaterial hergestellt werden, während der Füllkörper aus einem Silikonmaterial gebildet wird.

Bei Erwärmung kann sich das Füllmaterial vorteilhafterweise in Richtung des öffnungsbereichs ausdehnen.

Gemäß einer bevorzugten Variante zur Herstellung des erfindungsgemäßen Strahlungsemittierenden Bauelements wird der bereits gefertigte Grundkörper auf den Träger aufgebracht. Die Größe des öffnungsbereichs kann derart an die Anzahl der zu montierenden Halbleiterkörper angepasst

sein, dass eine Montage der Halbleiterkörper durch den öffnungsbereich hindurch möglich ist.

Weitere bevorzugte Merkmale, vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie Vorteile eines optischen Elements beziehungsweise eines Strahlungsemittierenden Bauelements gemäß der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 näher erläuterten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strahlungsemittierenden Bauelements ,

Figur 2 eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strahlungsemittierenden Bauelements .

Bei dem in Figur 1 schematisch dargestellten

Strahlungsemittierenden Bauelement 10 sind im Querschnitt ein optisches Element 1 und zwei Strahlungsemittierende Halbleiterkörper 4 gezeigt. Die Halbleiterkörper 4 sind in einen Füllkörper 3 eingebettet, der ein Füllmaterial 7 aufweist. Der Füllkörper 3 ist nur teilweise von einem Grundkörper 2 umgeben. Im Bereich der Halbleiterkörper 4 weist der Grundkörper 2 einen öffnungsbereich 6 auf. Dadurch ist es möglich, die Halbleiterkörper 4 nach einer Montage des Grundkörpers 2 durch den öffnungsbereich 6 hindurch auf einem Träger 5 anzuordnen. Ferner dient der öffnungsbereich 6 zur Befüllung des Grundkörpers 2 mit dem Füllmaterial 7, das bei der Befüllung vorzugsweise gelartig ist. Der Grundkörper 2

ist dabei formbeständig. Der Grundkörper 2 und der Träger 5 begrenzen einen Hohlraum, der mit dem Füllmaterial 7 ausgefüllt wird. Dadurch wird der Füllkörper 3 gebildet. Der Füllkörper 3 ist für von den Halbleiterkörpern 4 erzeugte Strahlung durchlässig.

Das Füllmaterial 7, das zwischen dem Grundkörper 2 und dem Träger 5 angeordnet ist, weist bei dieser Ausführungsform Haftwirkung auf und kann somit als Haftmittel dienen, das den Grundkörper 2 beziehungsweise das optische Elment 1 und den Träger 5 zusammenhält/.

Vorzugsweise enthält das Füllmaterial 7 ein Silikongel.

Eine Strahlungsdurchtrittsflache des optischen Elements 10 setzt sich aus einer den öffnungsbereich 6 umgebenden Oberfläche des Grundkörpers 2 und einer innerhalb des öffnungsbereichs 6 angeordneten Oberfläche des Füllkörpers 3 zusammen.

Der Grundkörper 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Glasmaterial auf und kann mittels eines Tiefziehverfahrens hergestellt werden. Das Glasmaterial ist für den optisch kritischen Bereich besonders geeignet, da es selbst bei Temperaturen größer als 300 ⁰ C form- und materialbeständig ist. Diese Temperaturen können bei der Herstellung und Montage des Strahlungsemittierenden Bauelements 10 bis zu mehreren Stunden auftreten.

Der Träger 5 ist im dargestellten Fall eine Platte, die vorzugsweise ein Keramikmaterial mit vorteilhaften thermischen Eigenschaften zur ausreichenden Kühlung des Bauelements 10 aufweist. über dem Träger 5 erhebt sich das

optische Element 10 kuppelartig. Insbesondere gleicht die Kontur des Grundkörpers 2 zwei einander zugewandten „S", was heißt, dass die Konturlinie zwei Wendepunkte aufweist. Lediglich ein randseitiges Ende des Grundkörpers 2 berührt den Träger 5.

Der Träger 5 kann zur Stromversorgung der Halbleiterkörper 4 elektrische Anschlussbereiche aufweisen, mit welchen die Halbleiterkörper 4 elektrisch leitend verbunden sind.

Mit Vorteil weist der Füllkörper 3 gemäß dieses Ausführungsbeispiels eine Schutzwirkung auf, und kann somit als Verguss für die Halbleiterkörper 4 dienen.

Figur 2 zeigt ein Strahlungsemittierendes Bauelement 10 mit , einem Träger 5 und einem optischen Element 1, das auf einer dem Träger 5 zugewandten Seite Befestigungselemente 11 aufweist. Diese sind zur Verankerung des optischen Elements 1 in einem weiteren Element 9 vorgesehen. Das weitere Element 9 weist Vertiefungen auf, in welche die stiftartig geformten Befestigungselemente 11 eingreifen. Vorzugsweise sind die Befestigungselemente 11 mit dem Grundkörper 2 einstückig ausgebildet. Die Herstellung kann beispielsweise mittels Spritzguss erfolgen, wobei der Grundkörper 2 und die Befestigungselemente 11 vorzugsweise aus einem Thermoplastmaterial hergestellt werden.

Da das Thermoplastmaterial im Vergleich zum Glasmaterial bei Erwärmung leichter verformbar ist, weist das

Strahlungsemittierende Bauelement 10 zur Abführung von Wärme mit Vorteil eine Wärmesenke auf . Insbesondere ist das weitere Elment 9, auf welchem der Träger 5 angeordnet ist, eine Wärmesenke. Wie dargestellt kann die Wärmesenke eine Platte

sein, die vorzugsweise ein Metall, beispielsweise Al, enthält .

Das optische Element 1 kann mittels eines Abstandshalters 12 zum Träger 5 beabstandet sein. Alternativ kann das optische Element 1 auf dem Träger 5 aufsitzen, wobei dann der Grundkörper 2 die Halbleiterkörper 4 umfangseitig umgibt. Der Abstandshalter 12 ist ebenso wie ein vom Grundkörper 2 innenseitig begrenzter Hohlraum mit dem Füllmaterial 7 ausgefüllt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Füllmaterial 7 ein Silikongel enthalten. Neben der optischen Wirkung kann mittels des Füllkörpers 3, in welchem die Halbleiterkörper 4 angeordnet sind, eine Schutzwirkung für die Halbleiterkörper 4 erzielt werden.

Vorzugsweise ist der Brechungsindex des Füllmaterials 7 an den Brechungsindex des Grundmaterials 13 und an den Brechungsindex des für die Halbleiterkörper 4 verwendeten Halbleitermaterials angepasst.

Trotz Kühlung des Bauelements 10 kann bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Verformung des optischen Elments 1 auftreten. Mit Vorteil kann sich der Füllkörper 3 durch den öffnungsbereich 6 hindurch nach oben ausdehnen .

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.