WO2006012842A2 - Elektromagnetische strahlung emittierendes optoelektronisches bauelement und leuchtmodul - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic component according to the preamble of claim 1 and a lighting module with such a device.
  • EP 0 933 823 A2 discloses a surface-mountable optoelectronic component. This has a lead frame of two metallic bands and a LED chip, which is mounted on one of the metallic bands and electrically connected to the other of the metallic bands by means of a contact wire.
  • the device further has a housing with a cuboid bottom part, which is glued to the bottom of the lead frame, and a rectangular frame part which is fastened from above on the lead frame.
  • the frame part defines a housing cavity, which is covered with a radiation-permeable cover.
  • the radiation intensity of a single radiation-emitting semiconductor chip is not sufficient, but a plurality of semiconductor chips is required. In such cases, a plurality of components each having a semiconductor chip is often used.
  • the individual components serve as Single pixels, which are arranged like a matrix for a surface light or by means of which a spherical lamp is formed in which a plurality of individual pixels or components are grouped around a supply rod around.
  • While such lamps may be well suited for general lighting purposes, their suitability is limited for applications where the highest possible luminance and the lowest possible radiation angle is required.
  • their suitability is limited for applications where the highest possible luminance and the lowest possible radiation angle is required.
  • a trench-like cavity is formed in a component of the type mentioned at the beginning, wherein a plurality of semiconductor chips are arranged in a linear arrangement in the cavity.
  • a cross-section of the radiation cone has a relatively large length and a narrow width compared to it, which is e.g. is advantageous for use in car headlamps, in which vertically a relatively small solid angle, but horizontally the roadway in its full width, i. a relatively large solid angle should be broadcast.
  • two adjacent semiconductor chips to one another advantageously have a spacing which is less than or equal to 1.5 times the lateral edge length of the semiconductor chips and greater than or equal to 0 ⁇ m. Due to the close arrangement of the semiconductor chips, the component is suitable for generating a radiation cone which is as homogeneous as possible and which is emitted in the narrowest possible solid angle, so that the highest possible radiation intensity can be projected onto the smallest possible area.
  • a lateral edge length is to be understood as meaning a distance of mutually opposite chip edges of the semiconductor chips, which is measured in the direction of the arrangement of the semiconductor chips.
  • the neighboring semiconductor chips preferably have a distance of less than or equal to 300 ⁇ m, in particular preferably of less than or equal to 100 microns and greater than or equal to 0 microns.
  • the semiconductor chips are arranged on a printed circuit board (PCB) or on a lead frame.
  • PCB printed circuit board
  • the housing body has on one side along the arrangement of the semiconductor chips an inner wall delimiting the cavity, wherein at least a portion of the inner wall is formed as a diaphragm wall, which is reflective for at least one spectral range of the electromagnetic radiation.
  • a diaphragm wall By such a diaphragm wall, the emission of the radiation can be suppressed in an undesired space area.
  • the diaphragm wall expediently extends substantially at an angle of greater than or equal to 80 ° and less than or equal to 110 ° to a mounting plane of the semiconductor chips.
  • the diaphragm wall extends substantially perpendicular to the mounting plane.
  • the semiconductor chips are advantageously arranged at a distance of less than or equal to 1 mm, preferably of less than or equal to 500 .mu.m, more preferably of less than or equal to 150 .mu.m and greater than or equal to 0 mm to the diaphragm wall.
  • the arrangement of the semiconductor chips has a first and a second end, wherein at the first end at least two semiconductor chips are arranged along a first straight line, which is inclined with respect to a second straight line, along the at least two semiconductor chips at the second Are arranged at the end.
  • the first straight line relative to the second straight line is inclined by an angle of inclination of less than or equal to 20 ° and greater than or equal to 10 °, in particular of approximately 15 °.
  • Such a component is in turn suitable in particular for the application of a motor vehicle headlamp.
  • the headlight cone of a car headlight on the one hand on the left side in the emission direction of the headlight has a horizontally extending upper limit, so that drivers of oncoming vehicles are not dazzled.
  • the right side of the headlight cone has an upper limit, which lies in a tilted by 15 ° relative to the horizontal plane, such that the right in the direction of travel part of the road or the roadside is better or in the direction of travel further illuminated by the headlights as the left part.
  • a headlamp with such properties can be realized with the device in a simple manner.
  • At least one optical element is provided in the component, which reduces a divergence of the electromagnetic radiation and which is assigned to the semiconductor chips together.
  • the optical element is particularly preferably a non-imaging optical concentrator, wherein a radiation input of the optical element is the actual concentrator output, so that the radiation compared with the conventional application of a concentrator for focusing in reverse direction passes through it and is thus not concentrated, but the concentrator leaves with reduced divergence through a radiation output of the optical element.
  • the radiation input preferably has a radiation input surface or a radiation input opening which has a width of less than or equal to 1.5 times a lateral edge length of the semiconductor chips, preferably of less than or equal to 1.25 times the edge length.
  • a lateral edge length is understood to mean an expansion of the semiconductor chip perpendicular to its main emission direction.
  • Such a small radiation input is advantageous in order to reduce the solid angle into which the electromagnetic radiation is emitted with the optical element as close as possible to the semiconductor chip, where a cross-sectional area of the beam cone is small. This is particularly necessary if the component is to be suitable for projecting the highest possible radiation intensity onto the smallest possible area.
  • An important conserved quantity in geometric optics is the etendue, ie the radiance. It is the product of the surface area of a light source and the solid angle into which it radiates.
  • the optical element reduces the divergence of the beam cone in a plane perpendicular to a line along which the semiconductor chips are arranged, such that the beam cone has an opening angle between 0 and 30 °, preferably between 0 and 20 °, particularly preferably between 0 and 10 ° having the boundaries included.
  • the concentrator is preferably a CPC-, CEC- or CHC-type optical concentrator, which here and hereinafter means a concentrator whose reflective sidewalls at least partially and / or at least largely in the form of a compound parabolic concentrator (CPC ), a compound elliptic concentrator (CEC) and / or a compound hyperbolic concentrator (CHC).
  • CPC compound parabolic concentrator
  • CEC compound elliptic concentrator
  • CHC compound hyperbolic concentrator
  • the concentrator advantageously has side walls which connect the radiation input to the radiation output and which are formed such that direct connection lines extending on the side walls between the radiation input and the radiation output are substantially straight.
  • the concentrator expediently has a base body which defines a cavity and whose inner wall is reflective at least for a spectral portion of the electromagnetic radiation.
  • the concentrator is a dieelektrischer concentrator whose base body is one of a dielectric material with a suitable refractive index existing solid body, so that coupled via the radiation input radiation by total reflection at lateral interface of the solid body to the surrounding medium, which connect the radiation input to the radiation output , is reflected.
  • the radiation output of the dielectric concentrator is preferably a lenticular curved surface of the solid body, with which a further reduction of the divergence can be achieved.
  • the semiconductor chips there is a gap between the semiconductor chips and the radiation input of the concentrator, which gap is preferably largely free of solid or liquid matter. It can thereby be achieved that a highly divergent fraction of the electromagnetic radiation does not get into the optical element, as a result of which the divergence of the beam cone emitted by the component can be further reduced, even if at the expense of the emitted radiation intensity.
  • the component preferably has a luminescence conversion element with which, in particular, white light can be generated.
  • the luminescence conversion element is mixed with advantage into a radiation-permeable potting compound, by means of which the semiconductor chips are at least partially encapsulated.
  • the potting compound preferably has a thickness of less than or equal to 200 ⁇ m and greater than or equal to 5 ⁇ m over the semiconductor chips, so that the conversion of the radiation emitted by the semiconductor chips takes place as close as possible to the semiconductor chips.
  • the electromagnetic radiation is irradiated as far as possible to the same extent for all emission angles, i. is converted to as equal an amount as possible.
  • the luminescence conversion element is advantageously applied in a thin layer directly on the semiconductor chips.
  • a radiation-transmissive carrier body is arranged on the semiconductor chips, on which the luminescence conversion element is applied.
  • the luminescence conversion element is preferably arranged on one side of the carrier body, which faces away from the semiconductor chips.
  • the component preferably has a diffuser material with which a beam cone that is as homogeneous as possible in terms of color impression and radiation intensity can be achieved.
  • the lighting module has an optoelectronic component according to one of the previously described embodiments. It is preferably a headlamp module, in particular for an automobile.
  • the light-emitting module preferably has an overvoltage protection for the component, which particularly preferably comprises at least one varistor.
  • FIG. 1 shows a schematic top view of a first exemplary embodiment of the component
  • FIG. 2 shows a schematic spatial representation of a second exemplary embodiment of the component
  • FIG. 3 a schematic spatial representation of a third exemplary embodiment of the component
  • FIG. 4 shows a schematic spatial representation of a lighting module with a component according to a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic spatial representation of a fifth exemplary embodiment of the component
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of a sixth exemplary embodiment of the component
  • FIG. 7 shows a schematic spatial representation of a seventh exemplary embodiment of the component
  • FIG. 9 is a schematic plan view of a ninth exemplary embodiment of the component, FIG.
  • FIG. 10 a schematic spatial representation of a tenth exemplary embodiment of the component
  • FIG. 11 shows a schematic sectional view of a housing of an eleventh exemplary embodiment of the component in a plane perpendicular to a main extension direction of the arrangement of the semiconductor chips, FIG.
  • FIG. 12 shows a schematic sectional view of a housing of a twelfth exemplary embodiment of the component in a plane perpendicular to a main extension direction of the arrangement of the semiconductor chips,
  • Figures 13 to 18 is a schematic sectional view of
  • FIG. 19 a schematic spatial representation of a further exemplary embodiment of a lighting module with the component shown in FIG. 5,
  • FIG. 20 shows a schematic spatial representation of a further exemplary embodiment of a lighting module with a further exemplary embodiment of the component,
  • FIG. 21 shows a further exemplary embodiment of a lighting module with a further exemplary embodiment of the component
  • FIG. 22 shows a schematic spatial representation of the in
  • FIG. 21 in which the component has an additional optical element
  • Figure 23 is a schematic plan view of another
  • Figure 24 is a schematic plan view of another
  • FIGS. 25 and 26 show a schematic spatial representation of the lighting modules illustrated in FIGS. 23 and 24, the component each having an additional optical element,
  • FIG. 27 shows a schematic spatial representation of an optical element according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 28 shows a schematic sectional view of a part of a component in a plane perpendicular to the main extension direction of the arrangement of semiconductor chips with a further exemplary embodiment of an optical element
  • FIG. 29 shows a schematic sectional view of part of a further exemplary embodiment of the component in a plane perpendicular to the main extension direction of the semiconductor chip arrangement
  • FIG. 30 shows a schematic sectional view of part of a further exemplary embodiment of the component in a plane perpendicular to the main extension direction of the semiconductor chip arrangement.
  • the component shown in FIG. 1 has a housing body 2, which comprises a carrier 21 and a frame 22.
  • the frame 22 has inner walls 5 which define a cavity 50.
  • a plurality of semiconductor chips 4 for example five pieces, are arranged in a line-shaped arrangement.
  • the semiconductor chips 4 are arranged along a straight line.
  • the inner walls 5 have a relatively small distance to the semiconductor chips 4, wherein this distance is, for example, less than or equal to a lateral edge length of the semiconductor chips 4.
  • the bottom 54 of the cavity 50 has a relatively small area and, for example, along the arrangement of the semiconductor chips 4, has an extension of less than or equal to an eightfold lateral edge length of the semiconductor chips 4 and an extent of less than perpendicular to a main extension direction of the arrangement of the semiconductor chips or equal to twice the lateral edge length of the semiconductor chips 4.
  • the semiconductor chips 4 are electrically mounted in the housing body 2, wherein they are connected, for example, in series with each other.
  • the bottom 54 of the cavity 50 has a plurality of internal electrical contact surfaces 12, the semiconductor chips being e.g. on its side facing the bottom 54 of the cavity 50, e.g. by means of soldering or Leit ⁇ adhesive are electrically conductively connected to the corresponding inner contact surfaces 12, wherein they rest on a portion of the respective contact surface 12.
  • a side of the semiconductor chips 4 facing away from the inner contact surfaces 12 is e.g. by means of a bonding wire 46 with the corresponding contact surface electrically conductively connected (see Figure 1).
  • Two of the inner contact surfaces 12 extend on the carrier 21 up to a region of the carrier 21, which is laterally offset to the frame 22, where they are electrically conductively connected to external contacts 14 of the device 1, via which the device 1 externally electrically can be connected.
  • the semiconductor chips 4 emit during their operation, for example, an electromagnetic radiation from a blue or ultraviolet wavelength range.
  • the inner walls 5 of the frame 22 are formed as reflectors for this electromagnetic radiation, ie the frame 22 has either a reflective material, or it is coated with a reflective material.
  • the inner walls 5 extend obliquely to a mounting plane of the semiconductor chips 4, so that the electromagnetic radiation is reflected in a desired emission direction.
  • the frame comprises or consists of alumina.
  • the frame it is also possible for the frame to be a less reflective material, such as e.g. Aluminum nitride or a liquid crystal polymer (LCP), or consists of and in addition to a well-reflecting layer, e.g. is made of aluminum.
  • LCP liquid crystal polymer
  • the use of LCP as a material for the frame 22 has the advantage that the material can be thermally adapted to the carrier 21.
  • the carrier 21 has as material e.g. Aluminum nitride, which is inexpensive and has a high thermal conductivity.
  • silicon or silicon carbide are possible.
  • the housing body By constructing the housing body with a carrier 21 and a frame 22 and with contact surfaces 12, 14 applied to the carrier 21, a simple production of the component 1 is possible, in which, for example, complicated production of plated-through holes is not required.
  • the housing body may also be formed in one piece, for example by encapsulation of a leadframe, the the respective contacts for the semiconductor chips 4 and the component 1 comprises.
  • the components illustrated in FIGS. 2 and 3 have inner walls 5 which do not run obliquely but are substantially perpendicular to the mounting surface of the semiconductor chips 4. Also in these components 1, the inner walls 5 are e.g. formed reflective so that they at least partially act as a diaphragm wall 51.
  • the components 1 shown in FIGS. 4 to 10 also have at least one diaphragm wall 51 which, in contrast to the other sections of the inner walls 5, runs relatively steeply to a mounting plane of the semiconductor chips 4.
  • a main extension plane of the diaphragm wall encloses an angle between 80 ° and 110 ° with the mounting plane.
  • the diaphragm wall 51 extends straight and is inclined substantially at an angle of 90 ° to the mounting plane.
  • FIG. 11 shows an example of such a diaphragm wall 51 in a schematic sectional view.
  • the semiconductor chip 4 is arranged at a distance 53 of, for example, 100 ⁇ m from the diaphragm wall 51.
  • a distance 53 of, for example, 100 ⁇ m from the diaphragm wall 51.
  • an effective diaphragm effect of the diaphragm wall 51 can be achieved even if the diaphragm wall 51 is formed relatively low, that is, if it has a small height.
  • headlamps such as car headlights
  • headlamps by which a certain solid angle should be illuminated as bright as possible.
  • the driving path i.
  • the road are illuminated as bright as possible
  • oncoming vehicles may not be dazzled, so that a radiation of light in the upper solid angle is undesirable and largely avoided.
  • this can be achieved by a device with a diaphragm wall 51.
  • the stretched arrangement of the semiconductor chips 4 allows a bright and flat, homogeneous illumination of the path or the road across the entire width of the street.
  • a portion of the inner walls 5 is formed on one side along the arrangement of the semiconductor chips 4 as a diaphragm wall 51, whereas the remaining portions of the inner walls 5 significantly oblique to the mounting plane of the semiconductor chips 4, for example, at an angle of about 50 °.
  • FIG. 4 shows a lighting module 150 which has a single component 1.
  • the device 1 has such small dimensions that it can be advantageously used in a variety of ways and easily mounted can be.
  • the component has a length which is smaller than a fifteen-fold lateral edge length of the semiconductor chips 4 and a width which is smaller than an eightfold lateral edge length of the semiconductor chips 4, these exemplary dimensions applying to a component 1 having five semiconductor chips 4.
  • the length of the device will of course depend on the number of semiconductor chips 4, for example, for the general formula
  • L max is the maximum length of the device 1
  • n is the number of semiconductor chips 4
  • k is the lateral edge length of the semiconductor chips 4.
  • the lighting module 150 has a module carrier 18, in which two holes 17 and a recess 15 are introduced.
  • the holes 17 are used for mechanical mounting and alternatively or additionally also for thermal connection of the light module 150.
  • the light module 150 can be plugged with the holes 17 via one or two mounting pins with or without thread and fixed with clamps or screws.
  • the module carrier 18 comprises a first heat-conducting first layer 181 and an electrically insulating second layer 182, which is applied to the first layer (see FIG. 8).
  • the component 1 is applied in a recess of the second layer 182 on the first layer 181 of the module carrier 18 and mechanically and thermally conductively connected thereto, e.g. by means of a solder or an adhesive.
  • the lighting module 150 also has two electrical contact surfaces 16, part of which is inside and outside further part is outside a module frame 19. While the inner part of the electrical contact surfaces 16 is used for electrically connecting the component 1, the outer parts of the contact surfaces 16 form contacts for the external electrical connection of the light module 150.
  • the component 1 can be used in particular for a headlamp module, in particular also for automotive applications.
  • the components 1 shown in FIGS. 8 to 10 are not arranged along only one but along two straight lines, these straight lines having an angle of approximately 15 ° to one another.
  • the lateral inner walls 5 have two sub-sections, each extending parallel to the adjacent arrangement of semiconductor chips and thus also at an angle of about 15 ° to each other and which are also formed as a diaphragm wall 51.
  • a further section of the inner walls 5 extends around the semiconductor chips 4 in the form of a circle segment and is aligned significantly more obliquely with respect to a mounting plane of the semiconductor chips 4 than the diaphragm wall or the diaphragm walls 51.
  • the components 1 shown in FIGS. 9 and 10 have inner walls whose profile around the semiconductor chips 4 is better adapted to the shape of the arrangement of the semiconductor chips 4. That is, the inner wall 5 has no portion extending around the semiconductor chips 4 in the shape of a circle segment, but the corresponding portion of the inner walls 5 is guided around the semiconductor chips 4 in the form of a close-fitting arc. This is for achieving the narrowest possible radiation angle in Connection with the highest possible radiation density advantageous.
  • the component 1 emits, for example, white light, for which it has, for example, a luminescence conversion element 7 which at least partially converts the radiation of a first wavelength range emitted by the semiconductor chips 4 into radiation of a second wavelength range different from the first wavelength range.
  • White light can either be generated by mixing the radiation emitted by the semiconductor chip with the converted radiation, or by having the converted radiation having color components which together give white light.
  • the luminescence conversion material may contain at least one phosphor.
  • phosphors for this purpose, for example, inorganic phosphors, such as with rare earth (in particular Ce) doped garnets, or organic phosphors, such as perylene phosphors are. Further suitable phosphors are listed, for example, in WO 98/12757, the content of which is hereby incorporated by reference.
  • the luminescence conversion element 7 is applied in the form of a thin layer directly onto a radiation output surface of the semiconductor chips 4.
  • the radiation conversion as close as possible to the chip, it is possible to achieve as homogeneous a resulting color impression as possible, which is independent of a radiation angle of the electromagnetic radiation.
  • semiconductor chips 4 in particular surface radiators, such as thin-film LED chips.
  • a thin-film light-emitting diode chip is characterized in particular by the following characteristic features: on a first main surface of a radiation-generating epitaxial layer sequence facing a carrier element, a reflective layer is deposited or formed which reflects at least part of the electromagnetic radiation generated in the epitaxial layer sequence back into it; the epitaxial layer sequence has a thickness in the range of 20 ⁇ m or less, in particular in the range of 10 ⁇ m; and the epitaxial layer sequence contains at least one semiconductor layer with at least one surface which has a mixing structure which, in the ideal case, leads to an approximately ergodic distribution of the light in the epitaxial epitaxial layer sequence, ie it has as ergodically stochastic scattering behavior as possible.
  • a thin-film light-emitting diode chip is to a good approximation a Lambert surface radiator and is therefore particularly well suited for use in the component, in particular for a headlight.
  • one side of the semiconductor chip 4 is electrically connected by means of a bonding wire 46, whereas in the exemplary embodiment illustrated in FIG. 12 the semiconductor chip is embodied such that it has both electrical contact surfaces on the same side. This can do that Application of a thin layer of Lumineszenzkonversions ⁇ material 7 facilitate.
  • the semiconductor chips 4 can either be cast with a potting compound 9 (see FIG. 11), which is based for example on silicone, or covered with a radiation-permeable cover plate 90 (see FIG. 12), whereby they are protected against external influences.
  • a potting compound 9 see FIG. 11
  • the luminescence conversion material can also be mixed into the potting compound 9, with which the semiconductor chips 4 are potted, as shown in FIG.
  • the casting compound above the chips has a maximum height 91 of, for example, 50 ⁇ m.
  • a distance 42 of the chips is shown below each other. This is for example 70 microns.
  • the lateral edge length 41 of the semiconductor chips 4 is shown in FIG.
  • semiconductor chips for example, high-performance light-emitting diodes are used with a lateral edge length 41 of about 1 mm, having an electrical power of greater than at least 1 W, preferably greater than 2W.
  • a chip generates a radiant power of about 200 lumens.
  • the component 1 can be operated, for example, with an electrical power of greater than or equal to 8 W, preferably greater than or equal to 10 W, particularly preferably greater than or equal to 12 W.
  • the semiconductor chips 4 are covered with a carrier body 10, on which a diffuser layer 8 having a diffuser material is applied.
  • a carrier body 10 is, for example, a thin disk made of a glass. It can either be applied directly to the chips, for example by means of an adhesive, or cover the cavity 50 at a certain distance from the semiconductor chips 4.
  • a free surface of the carrier body 10 or the diffuser layer 9 is roughened, for example.
  • a thin layer of luminescence conversion material 7 can also be applied to the carrier body 10 (see FIG. 16 or FIGS. 17 and 18).
  • An advantage of this may be that the surface of the Carrier body 10, on which the luminescence conversion material 7 is applied, can be made more planar than surfaces of semiconductor chips, in the production of which it can come due to manufacturing tolerances to not negligible unevenness of the surface. As a result, it is possible to apply the luminescence conversion material 7 more uniformly and more controlledly on a carrier body 10, as a result of which it is possible to produce components with improved homogeneity of the emitted radiation.
  • a diffuser layer 9 is applied on the carrier body 10 on one side and a layer of luminescence conversion material 7 on another side, then this carrier body can be applied to or over the semiconductor chip such that either the luminescence conversion material layer 7 or the diffuser layer 9 faces the semiconductor chips 4 .
  • the former has the advantage that the radiation conversion takes place closer to the chip, whereby a more homogeneous radiation pattern can be achieved.
  • the latter has the advantage that the semiconductor chips 4 and the luminescence conversion material 7 are spatially separated from each other and better insulated from each other thermally. Since both phosphors and semiconductor chips usually have power losses at excessively high temperatures, as well as generate heat even during operation or during radiation conversion, an at least partial thermal isolation of the semiconductor chips 4 and the luminescence conversion material 7 from each other is advantageous.
  • the carrier body 10 with the applied layers can, for example, by means of an adhesive or by means of a potting compound on or over the semiconductor chip be upset.
  • a space between the semiconductor chips 4 and the carrier body 10 which is free of solid or liquid matter.
  • the lighting modules shown in FIGS. 19 to 22 and 23 have mating plugs 160, in which the electrical contact surfaces 16 are integrated, so that the lighting module can be electrically contacted externally by means of a plug.
  • the lighting modules 150 have, for example, an overvoltage protection for the semiconductor chips 4. Such is provided, for example, in the form of at least one varistor 161, which is connected in parallel with the component 1 or with the semiconductor chips 4 (see FIGS. 20 and 21).
  • FIG. 22 essentially shows the lighting module shown in FIG. 23, with the difference that the component 1 additionally has an optical element 3.
  • This is embodied, for example, as a dielectric solid whose outer surfaces comprise a radiation input 32, a radiation output 31 and side walls 33 connecting the radiation input 32 to the radiation output 31.
  • the optical element 3 is, for example, a non-imaging optical concentrator, the radiation input 32 of the optical element 3 being the actual concentrator output, so that the radiation leaves the optical element 3 with reduced divergence through the radiation output 31.
  • the side walls of the optical element are, for example, parabolic or parabolic curved, that is, the concentrator is, for example, a CPC-type concentrator.
  • Such an optical element is shown, for example, in a sectional view in FIG. 28, wherein the section shows a part of the component 1 and runs perpendicular to a main extension direction of the arrangement of the semiconductor chips 4.
  • a divergence of the electromagnetic radiation which is indicated by lines in FIG. 28, can be reduced to a great extent.
  • the radiation input 32 can be applied directly to the semiconductor chips 4.
  • the gap causes the radiation to reflect the greater the proportion of the boundary surface of the radiation input 32, the greater the angle of incidence of the same.
  • this can be roughened, for example, as a result of which the proportion of the radiation reaching the concentrator in the optical element 3 can be increased.
  • the main body of the concentrator consists for example of a transparent glass, crystal or plastic and is manufactured, for example, in a transfer molding or in an injection molding process.
  • the width of the radiation input surface 32 is, for example, 1.2 times as large as the lateral edge length of the semiconductor chips 4.
  • the radiation cone which leaves the radiation output 31, has an opening angle of, for example, 9 ° in a plane perpendicular to a main extension line of the arrangement of the semiconductor chips.
  • the CPC-type concentrator requires a certain minimum length, which is related to the width b of the radiation input 32.
  • the length of the optical element 3 must be about 23 times the width of the radiation input.
  • the length of the optical element 3 must be about 9 times the width of the radiation input 32 and for an opening angle of 20 ° this factor is about 5.5, for an opening angle of 30 ° still about 2 ,. 6
  • the optical element 3 has sidewalls extending in straight lines from the radiation input 32 to the radiation output 31.
  • An example of such an optical element 3 is shown in FIG. It is a dielectric concentrator with a frustoconical basic shape.
  • the radiation output 31 is curved outward in the manner of a spherical or aspherical lens.
  • the advantage of an aspheric curvature compared to a spherical curvature is that the aspheric curvature decreases, for example, with increasing distance from the optical axis of the optical element 3, in order to take account of the fact that the radiation cone reduces its divergence by the optical element 3 is not a point-shaped light radiation source, but a radiation source with a certain extent.
  • Such an optical element has the advantage, compared to a CPC-like optical element, that it has a comparable reduction in the divergence of a radiation cones can be achieved at the same time significant reduction in the height of the optical element 3.
  • a further advantage of the optical element 3 shown in FIG. 27 is that, because of its straight side surfaces 33, it can be produced more easily by means of a spraying method, such as, for example, injection molding or transfer molding.
  • the optical element 3 is, for example, a base body having a cavity with reflective inner walls, as shown, for example, in FIGS. 29 and 30.
  • the optical element 3 may be formed, for example, by the inner walls 5 of the frame 22 or formed integrally with the frame 22.
  • the optical element is a separate element of the device, which is arranged in the frame or over the frame 22.
  • the inner walls of the frame, the cavity of the optical element 3 and the side walls 33 of the dielectric concentrator may be provided with a reflective layer comprising, for example, aluminum.
  • the cavity of the optical element 3 shown in FIG. 30 is not formed symmetrically, as is the case with the optical elements 3 shown in FIGS. 28 and 29. Rather, the inner walls 33 of the optical element 3 and of the frame 22 have a portion which is formed as a diaphragm wall 51, similar to the components shown in Figures 4 to 10.
  • the height of this portion of the inner walls 33 designed as a diaphragm wall 51 is, for example, between 400 ⁇ m inclusive and 1.5 mm inclusive, for example the diaphragm wall is 800 ⁇ m high.
  • the inner wall 33 extends symmetrically to the opposite part of the inner wall 33rd
  • components 1 according to the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 1 to 22 each have only 4 or 5 semiconductor chips 4, it is also possible, for example, for the component to have more than 10, more than 20 or even more than 30 semiconductor chips 4.
  • the components 1 shown in FIGS. 23 and 24 have, for example, 30 semiconductor chips 4. These are not all connected in series, but they have several groups of, for example, each 5 semiconductor chips 4, within which the semiconductor chips 4 are connected to each other in series. The individual groups of semiconductor chips 4 are connected in parallel with each other. Accordingly, these components not only 2, but 12 outer contact surfaces 14, of which 6 are arranged on opposite sides of the component 1 respectively.
  • 23 and 24 described components and lighting modules is for the groups of semiconductor chips any number of semiconductor chips and any number of groups. In the limiting case of only one semiconductor chip per group, all the semiconductor chips are connected in parallel to each other.
  • the module 150 has two mating plugs 160 with electrical contact surfaces 16. In contrast, in FIG. 23, the module 150 has two mating plugs 160 with electrical contact surfaces 16. In contrast, in FIG. 23,
  • lighting module 24 illustrated lighting module for each group of in series switched semiconductor chips 4 on two electricalnaps ⁇ surfaces 16, so that these groups of semiconductor chips 4 can be taken in the module independently in operation and can be operated with different currents Be ⁇ .
  • lighting modules can also have an optical element 3, as shown for example in FIGS. 25 and 26.
  • such lighting modules are particularly suitable for use as headlight modules in automobiles.
  • the use of the components 1 or the lighting modules 150 is by no means limited to motor vehicle headlamps, but encompasses all conceivable types of headlamps.
  • the invention is particularly suitable for a projection light source.
  • the semiconductor chips 4 may be at least partially independently operable so as to be used for sequential projection of different projection images and / or different colors.
  • the scope of the invention is not limited by the description of the invention based on the embodiments of these. For example, it is not absolutely necessary to arrange the semiconductor chips in a single row. Rather, it is also possible, in particular with a high number of semiconductor chips, to arrange these, for example, in two rows, as long as the semiconductor chips are arranged overall in a line. The two rows of semiconductor chips together form the shape of the line and are arranged in particular stretched.
  • the invention includes every new feature as well as any combination of features, what In particular, any combination of features in the claims includes, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the claims or the embodiments.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetische Strahlung emittierendes optoelektronisches Bauelement mit einem Gehäusekörper, der eine Kavität aufweist, wobei die Kavität grabenartig ausgebildet ist und in der Kavität eine Mehrzahl von Halbleiterchips in einer linienförmigen Anordnung angeordnet sind. Zwei benachbarte Halbleiterchips weisen zueinander einen Abstand auf, der kleiner als oder gleich einer und einer halben lateralen Kantenlänge der Halbleiterchips und größer als oder gleich 0 µm ist. Zudem ist ein Leuchtmodul mit einem derartigen Bauelement angegeben.

Description

Beschreibung
Elektromagnetische Strahlung emittierendes optoelektronisches Bauelement und Leuchtmodul
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2004 036 157.6, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Leuchtmodul mit einem derartigen Bauelement.
In der EP 0 933 823 A2 ist ein oberflächenmontierbares optoelektronisches Bauelement offenbart. Dieses weist einen Leiterrahmen aus zwei metallischen Bändern sowie einen Leuchtdiodenchip auf, der auf einem der metallischen Bänder montiert und mit dem anderen der metallischen Bänder mittels eines Kontaktdrahtes elektrisch leitend verbunden ist. Das Bauelement hat weiterhin ein Gehäuse mit einem quaderförmigen Bodenteil, das von unten an den Leiterrahmen geklebt ist, sowie einem rechteckigen Rahmenteil, das von oben auf dem Leiterrahmen befestigt wird. Das Rahmenteil definiert eine Gehäusekavität, die mit einer strahlungsdurchlässigen Abdeckung abgedeckt wird.
Für viele Anwendungen, wie beispielsweise Leuchten oder Lampen, reicht die Strahlungsintensität eines einzigen Strahlungsemittierenden Halbleiterchips nicht aus, sondern es wird eine Mehrzahl von Halbleiterchips benötigt. In solchen Fällen wird häufig eine Mehrzahl von Bauelementen mit jeweils einem Halbleiterchip verwendet. Dies ist in der EP 0 933 823 A2 beschrieben. Hierbei dienen die einzelnen Bauelemente als Einzelpixel, die beispielsweise für eine Flächenleuchte matrixartig angeordnet werden oder mittels denen eine kugelförmige Lampe gebildet wird, bei der mehrere Einzelpixel bzw. Bauelemente um einen Zuleitungsstab herum gruppiert sind.
Während derartige Lampen für allgemeine Beleuchtungszwecke gut geeignet sein können, ist ihre Eignung für Anwendungen, bei denen eine möglichst hohe Leuchtdichte sowie ein möglichst geringer Abstrahlwinkel erforderlich ist, beschränkt. Beispielsweise sind bei einer Verwendung einzelner Bauelemente einer möglichst dichten und kompakten Anordnung mehrerer Halbleiterchips Grenzen gesetzt, was allein schon durch die Größe der Bauelement-Gehäuse bedingt ist. Zudem ist es erforderlich, jedes einzelne Bauelement elektrisch anzuschließen, was ebenfalls Platz kostet und relativ aufwendig sein kann und wodurch Platzbedarf und Herstellungsaufwand weiter steigen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauelement bereitzustellen, das eine kompakte Anordnung von Halbleiterchips ermöglicht und das insbesondere eine Abstrahlcharakteristik aufweist, die für Scheinwerfer¬ applikationen wie beispielsweise Automobilscheinwerfer geeignet ist, bei denen eine hohe Leuchtdichte, ein enger Abstrahlwinkel und eine wohldefinierte, spezielle Form des Abstrahlkegels erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und bevorzugte Weiterbildungen des Bauelements sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Erfindungsgemäß ist bei einem Bauelement der eingangs genannten Art eine grabenartige Kavität ausgebildet, wobei in der Kavität eine Mehrzahl von Halbleiterchips in einer linienförmigen Anordnung angeordnet sind.
Durch die linienförmige Anordnung der Halbleiterchips kann man eine Form eines von dem Bauelement emittierten Strahlungskegels erreichen, die für viele Anwendungen vorteilhaft ist. So ist es möglich, dass ein Querschnitt des Strahlungskegels eine relativ große Länge und eine verglichen damit kleine Breite aufweist, was z.B. für die Anwendung in Autoscheinwerfern vorteilhaft ist, bei denen vertikal ein relativ kleiner Raumwinkel, horizontal jedoch die Fahrbahn in ihrer vollen Breite, d.h. ein relativ großer Raumwinkel ausgestrahlt werden soll.
Bei dem Bauelement weisen zwei benachbarte Halbleiterchips zueinander vorteilhafterweise einen Abstand auf, der kleiner als oder gleich dem 1,5-fachen der lateralen Kantenlänge der Halbleiterchips und größer als oder gleich 0 μm ist. Durch die enge Anordnung der Halbleiterchips eignet sich das Bauelement zur Erzeugung eines möglichst homogenen Strahlungskegels, der in einen möglichst engen Raumwinkel emittiert wird, so dass eine möglichst hohe Strahlungsintensität auf eine möglichst kleine Fläche projiziert werden kann. Unter einer lateralen Kantenlänge ist ein Abstand einander gegenüber liegender Chipkanten der Halbleiterchips zu verstehen, der in Richtung der Anordnung der Halbleiterchips gemessen ist.
Bevorzugt weisen die benachbarten Halbleiterchips zueinander einen Abstand von kleiner als oder gleich 300 μm, besonders bevorzugt von kleiner als oder gleich 100 μm und größer als oder gleich 0 μm auf.
Zweckmäßigerweise sind die Halbleiterchips auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) oder auf einem Leiterrahmen angeordnet.
Mit besonderem Vorteil weist der Gehäusekörper auf einer Seite entlang der Anordnung der Halbleiterchips eine die Kavität begrenzende Innenwand auf, wobei zumindest ein Abschnitt der Innenwand als eine Blendenwand ausgebildet ist, die für mindestens einen Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung reflektierend ist. Durch eine derartige Blendenwand kann die Emission der Strahlung in einen unerwünschten Raumbereich unterdrückt werden. Hierzu verläuft die Blendenwand zweckmäßigerweise im wesentlichen in einem Winkel von größer als oder gleich 80° und kleiner als oder gleich 110° zu einer Montageebene der Halbleiterchips. Insbesondere verläuft die Blendenwand im wesentlichen senkrecht zu der Montageebene.
Die Halbleiterchips sind mit Vorteil in einem Abstand von kleiner als oder gleich 1 mm, bevorzugt von kleiner als oder gleich 500 μm, besonders bevorzugt von kleiner als oder gleich 150 μm und größer als oder gleich 0 mm zu der Blendenwand angeordnet. Durch einen geringen Abstand der Halbleiterchips zu der Blendenwand trifft ein Teil des Strahlungskegels mit einer relativ hohen Strahlungsdichte auf die Blendenwand, so dass eine effektive Abschirmung erzielt werden kann, mit der gleichzeitigen Möglichkeit, die Strahlung zu einem niederdivergenten Strahlungskegel von hoher Strahlungsdichte zu formen. Die Anordnung der Halbleiterchips weist in einer bevorzugten Ausführungsform des Bauelements ein erstes und ein zweites Ende auf, wobei an dem ersten Ende mindestens zwei Halbleiterchips entlang einer ersten Geraden angeordnet sind, die gegenüber einer zweiten Geraden geneigt ist, entlang der mindestens zwei Halbleiterchips an dem zweiten Ende angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist die erste Gerade gegenüber der zweiten Gerade um einen Neigungswinkel von kleiner als oder gleich 20° und größer als oder gleich 10°, insbesondere von etwa 15° geneigt. Ein derart beschaffenes Bauelement eignet sich wiederum insbesondere für die Anwendung eines Kfz-Scheinwerfers .
Gemäß dem deutschen Standard ECE muss der Scheinwerferkegel eines Autoscheinwerfers einerseits auf der in Abstrahlrichtung des Scheinwerfers linken Seite eine horizontal verlaufende Obergrenze aufweisen, derart, dass Fahrer entgegenkommender Fahrzeuge nicht geblendet werden. Die rechte Seite des Scheinwerferkegels weist dagegen eine Obergrenze auf, die in einer um 15° gegenüber der Horizontalen verkippten Ebene liegt, derart, dass der in Fahrtrichtung rechts liegende Teil der Straße oder des Straßenrandes besser bzw. in Fahrtrichtung weiter durch den Scheinwerfer ausgeleuchtet ist als der linke Teil. Ein Scheinwerfer mit derartigen Eigenschaften kann mit dem Bauelement auf einfache Weise realisiert werden.
Bevorzugt ist bei dem Bauelement mindestens ein optisches Element vorgesehen, das eine Divergenz der elektromagnetischen Strahlung verringert und das den Halbleiterchips gemeinsam zugeordnet ist. Das optische Element ist besonders bevorzugt ein nichtabbildender optischer Konzentrator, wobei ein Strahlungseingang des optischen Elementes der eigentliche Konzentratorausgang ist, so dass die Strahlung verglichen mit der üblichen Anwendung eines Konzentrators zum Fokussieren in umgekehrter Richtung durch diesen läuft und somit nicht konzentriert wird, sondern den Konzentrator mit verringerter Divergenz durch einen Strahlungsausgang des optischen Elementes verlässt.
Der Strahlungseingang weist bevorzugt eine Strahlungs¬ eingangsfläche oder eine Strahlungseingangsöffnung auf, die eine Breite von kleiner als oder gleich 1,5 mal einer lateralen Kantenlänge der Halbleiterchips, bevorzugt von kleiner als oder gleich 1,25 mal der Kantenlänge aufweist. Unter einer lateralen Kantenlänge ist eine Ausdehnung des Halbleiterchips senkrecht zu seiner Hauptabstrahlrichtung zu verstehen.
Ein derart kleiner Strahlungseingang ist vorteilhaft, um den Raumwinkel, in den die elektromagnetische Strahlung emittiert wird, mit dem optischen Element möglichst nah am Halbleiterchip zu verkleinern, wo eine Querschnittsfläche des Strahlenkegels klein ist. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn das Bauelement geeignet sein soll, eine möglichst hohe Strahlungsstärke auf eine möglichst kleine Fläche zu projizieren. Eine wichtige Erhaltungsgröße in der geometrischen Optik ist dabei das Etendue, d.h. die Strahldichte. Sie ist das Produkt aus dem Flächeninhalt einer Lichtquelle und dem Raumwinkel, in den sie abstrahlt. Die Erhaltung des Etendue hat unter anderem zur Konsequenz, dass man das Licht einer diffusen Strahlungsquelle, zum Beispiel einer Halbleiterleuchtdiode, nicht mehr konzentrieren, d.h. nicht mehr auf eine Fläche mit kleinerer Ausdehnung umlenken kann, weshalb es vorteilhaft ist, wenn das Strahlungsbündel mit einem möglichst kleinen Querschnitt in das optische Element eintritt.
Damit bei einem kleinen Strahlungseingang die gesamte von einem Halbleiterchip emittierte Strahlung in das optische Element gelangen kann, ist es entsprechend erforderlich, den Strahlungseingang möglichst nah an den Halbleiterchip zu bringen.
Das optische Element verringert die Divergenz des Strahlenkegels in einer Ebene senkrecht zu einer Linie, entlang der die Halbleiterchips angeordnet sind, derart, dass der Strahlenkegel einen Öffnungswinkel zwischen 0 und 30°, bevorzugt zwischen 0 und 20°, besonders bevorzugt zwischen 0 und 10° aufweist, wobei die Grenzen jeweils einbezogen sind.
Hierfür ist der Konzentrator bevorzugt ein CPC-, CEC- oder CHC-artiger optischer Konzentrator, womit hierbei sowie im Folgenden ein Konzentrator gemeint ist, dessen reflektierende Seitenwände zumindest teilweise und/oder zumindest weitestgehend die Form eines zusammengesetzten parabolischen Konzentrators (Compound parabolic concentrator, CPC) , eines zusammengesetzten elliptischen Konzentrators (Compound elliptic concentrator, CEC) und/oder eines zusammengesetzten hyperbolischen Konzentrators (Compound hyperbolic concentrator, CHC) aufweist.
Alternativ weist der Konzentrator mit Vorteil Seitenwände auf, die den Strahlungseingang mit dem Strahlungsausgang verbinden und die derart ausgebildet sind, dass auf den Seitenwänden verlaufende direkte Verbindungslinien zwischen dem Strahlungsein- und dem Strahlungsausgang im wesentlichen gerade verlaufen.
Dabei weist der Konzentrator zweckmäßigerweise einen Grundkörper auf, der einen Hohlraum definiert und dessen Innenwand zumindest für einen spektralen Teilbereich der elektromagnetischen Strahlung reflektierend ist.
Bei einer vorteilhaften Alternative ist der Konzentrator ein dieelektrischer Konzentrator, dessen Grundkörper ein aus einem dieelektrischen Material mit geeignetem Brechungsindex bestehender Vollkörper ist, so dass über den Strahlungseingang eingekoppelte Strahlung durch Totalreflexion an seitlichen Grenzfläche des Vollkörpers zum umgebenden Medium, die den Strahlungseingang mit dem Strahlungsausgang verbinden, reflektiert wird.
Der Strahlungsausgang des dielektrischen Konzentrator ist bevorzugt eine linsenartig gewölbte Grenzfläche des Vollkörpers, mit der eine weitere Verringerung der Divergenz erreicht werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht zwischen den Halbleiterchips und dem Strahlungseingang des Konzentrators ein Spalt, der bevorzugt weitestgehend frei von fester oder flüssiger Materie ist. Dadurch kann erreicht werden, dass ein hochdivergenter Anteil der elektromagnetischen Strahlung nicht in das optische Element gelangt, wodurch die Divergenz des vom Bauelement emittierten Strahlenkegels weiter verringert werden kann, wenn auch auf Kosten der emittierten Strahlungsintensität . Das Bauelement weist bevorzugt ein Lumineszenzkonversions¬ element auf, mit dem sich insbesondere weißes Licht erzeugen lässt .
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Lumineszenzkonversionselement mit Vorteil in eine strahlungsdurchlässige Vergussmasse eingemischt, mittels der die Halbleiterchips zumindest teilweise eingekapselt sind. Die Vergussmasse weist bevorzugt über den Halbleiterchips eine Dicke von kleiner als oder gleich 200 μm und größer als oder gleich 5 μm auf, damit die Konversion der von den Halbleiterchips emittierten Strahlung möglichst nah an den Halbleiterchips stattfindet. Dadurch kann erreicht werden, dass die elektromagnetische Strahlung für alle Abstrahlwinkel möglichst im gleichen Maße, d.h. zu einem möglichst gleichen Anteil konvertiert wird.
Alternativ ist das Lumineszenzkonversionselement mit Vorteil in einer dünnen Schicht direkt auf den Halbleiterchips aufgebracht.
Bei einer weiteren vorteilhaften alternativen Ausführungsform des Bauelements ist auf den Halbleiterchips ein strahlungs¬ durchlässiger Trägerkörper angeordnet, auf dem das Lumineszenzkonversionselement aufgebracht ist. Dabei ist das Lumineszenzkonversionselement bevorzugt auf einer Seite des Trägerkörpers angeordnet ist, die von den Halbleiterchips abgewandt ist.
Das Bauelement weist bevorzugt ein Diffusormaterial auf, mit dem ein hinsichtlich Farbeindruck und Strahlungsintensität möglichst homogener Strahlenkegel erzielt werden kann. Das Leuchtmodul weist ein optoelektronisches Bauelement gemäß einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen auf. Es ist bevorzugt ein Scheinwerfermodul, insbesondere für ein Automobil.
Das Leuchtmodul weist bevorzugt einen Überspannungsschutz für das Bauelement auf, welcher besonders bevorzugt mindestens einen Varistor umfasst.
Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Bauelements ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1 bis 30 erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Bauelementes,
Figur 2 eine schematische räumliche Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Bauelementes,
Figur 3 eine schematische räumliche Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des Bauelementes,
Figur 4 eine schematische räumliche Darstellung eines Leuchtmoduls mit einem Bauelement gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels,
Figur 5 eine schematische räumliche Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels des Bauelements,
Figur 6 eine schematische Draufsicht eines sechsten Ausführungsbeispiels des Bauelements, Figur 7 eine schematische raumliche Darstellung eines siebten Ausfuhrungsbeispiels des Bauelements,
Figur 8 das in Figur 4 dargestellte Leuchtmodul mit einem
Bauelement gemäß eines achten Ausfuhrungsbeispiels,
Figur 9 eine schematische Draufsicht eines neunten Ausfuhrungsbeispiels des Bauelements,
Figur 10 eine schematische raumliche Darstellung eines zehnten Ausfuhrungsbeispiels des Bauelements,
Figur 11 eine schematische Schnittansicht eines Gehäuses eines elften Ausfuhrungsbeispiels des Bauelementes in einer Ebene senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Anordnung der Halbleiterchips,
Figur 12 eine schematische Schnittansicht eines Gehäuses eines zwölften Ausfuhrungsbeispiels des Bauelementes in einer Ebene senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Anordnung der Halbleiterchips,
Figuren 13 bis 18 eine schematische Schnittansicht der
Halbleiterchips eines Bauelements in einer Ebene entlang der Anordnung der Halbleiterchips gemäß verschiedenen Ausfuhrungsbeispielen,
Figur 19 eine schematische räumliche Darstellung eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels eines Leuchtmoduls mit dem in Figur 5 dargestellten Bauelement, Figur 20 eine schematische räumliche Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Leuchtmoduls mit einem weiteren Ausführungsbeispiel des Bauelements,
Figur 21 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leuchtmoduls mit einem weiteren Ausführungsbeispiel des Bauelements,
Figur 22 eine schematische räumliche Darstellung des in
Figur 21 dargestellten Scheinwerfermoduls, bei dem das Bauelement ein zusätzliches optisches Element aufweist,
Figur 23 eine schematische Draufsicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines Leuchtmoduls mit einem Bauelement gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
Figur 24 eine schematische Draufsicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines Leuchtmoduls mit einem Bauelement gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels,
Figuren 25 und 26 eine schematische räumliche Darstellung der in Figur 23 und 24 dargestellten Leuchtmodule, wobei das Bauelement jeweils ein zusätzliches optisches Element aufweist,
Figur 27 eine schematische räumliche Darstellung eines optischen Elements gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels, Figur 28 eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Bauelementes in einer Ebene senkrecht zur Haupter- streckungsrichtung der Anordnung Halbleiterchips mit einem weiteren Ausführungsbeispiel eines optischen Elements,
Figur 29 eine schematische Schnittansicht eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels des Bauelements in einer Ebene senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Halbleiterchipanordnung,
Figur 30 eine schematische Schnittansicht eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels des Bauelements in einer Ebene senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Halbleiterchipanordnung.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente der Figuren sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können sie zum besseren Verständnis teilweise übertrieben groß dargestellt sein.
Das in Figur 1 dargestellte Bauelement weist einen Gehäusekörper 2 auf, der einen Träger 21 und einen Rahmen 22 umfasst. Der Rahmen 22 weist Innenwände 5 auf, die eine Kavität 50 begrenzen. In der grabenartig ausgebildeten Kavität 50 ist eine Mehrzahl von Halbleiterchips 4, beispielsweise fünf Stück, in einer linienförmigen Anordnung angeordnet. Bei den in den Figuren 1 bis 7 dargestellten Bauelementen 1 sind die Halbleiterchips 4 entlang einer Geraden angeordnet . Die Innenwände 5 weisen einen relativ geringen Abstand zu den Halbleiterchips 4 auf, wobei dieser Abstand beispielsweise kleiner als oder gleich einer lateralen Kantenlänge der Halbleiterchips 4 ist. Entsprechend weist der Boden 54 der Kavität 50 eine relativ geringe Fläche auf und hat beispielsweise entlang der Anordnung der Halbleiterchips 4 eine Ausdehnung von kleiner als oder gleich einer achtfachen lateralen Kantenlänge der Halbleiterchips 4 und senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Anordnung der Halbleiterchips eine Ausdehnung von kleiner als oder gleich der zweifachen lateralen Kantenlänge der Halbleiterchips 4.
Die Halbleiterchips 4 sind in dem Gehäusekörper 2 elektrisch montiert, wobei sie beispielsweise in Serie zueinander geschaltet sind. Hierzu weist der Boden 54 der Kavität 50 eine Mehrzahl von inneren elektrischen Kontaktflächen 12 auf, wobei die Halbleiterchips z.B. auf ihrer dem Boden 54 der Kavität 50 zugewandten Seite z.B. mittels Löten oder Leit¬ kleber elektrisch leitend mit den entsprechenden inneren Kontaktflächen 12 verbunden sind, wobei sie auf einem Teil der jeweiligen Kontaktfläche 12 aufliegen. Eine von den inneren Kontaktflächen 12 abgewandte Seite der Halbleiter¬ chips 4 ist z.B. mittels eines Bonddrahtes 46 mit der entsprechenden Kontaktfläche elektrisch leitend verbunden (siehe Figur 1) .
Zwei der inneren Kontaktflächen 12 erstrecken sich auf dem Träger 21 bis zu einem Bereich des Trägers 21, der lateral zu dem Rahmen 22 versetzt ist, wo sie elektrisch leitend mit Außenkontakten 14 des Bauelements 1 elektrisch leitend verbunden sind, über die das Bauelement 1 extern elektrisch angeschlossen werden kann. Die Halbleiterchips 4 emittieren bei ihrem Betrieb z.B. eine elektromagnetische Strahlung aus einem blauen oder ultravioletten Wellenlängenbereich. Bei dem in Figur 1 dargestellten Bauelement sind die Innenwände 5 des Rahmens 22 als Reflektoren für diese elektromagnetische Strahlung ausgebildet, d.h. der Rahmen 22 weist entweder ein reflektierendes Material auf, oder er ist mit einem reflektierenden Material beschichtet. Zudem verlaufen die Innenwände 5 schräg zu einer Montageebene der Halbleiterchips 4, so dass die elektromagnetische Strahlung in eine gewünschte Abstrahlrichtung reflektiert wird.
Beispielsweise weist der Rahmen Aluminiumoxid auf oder besteht aus diesem. Alternativ ist es auch möglich, dass der Rahmen ein weniger gut reflektierendes Material, wie z.B. Aluminiumnitrid oder ein Flüssigkristallpolymer (LCP) , aufweist oder aus diesem besteht und zusätzlich mit einer gut reflektierenden Schicht, z.B. aus Aluminium versehen ist. Die Verwendung von LCP als ein Material für den Rahmen 22 hat den Vorteil, dass sich das Material thermisch an den Träger 21 anpassen lässt. Der Träger 21 weist als Material z.B. Aluminiumnitrid auf, welches kostengünstig ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Als alternative Materialien sind beispielsweise auch Silizium oder Siliziumcarbid möglich.
Durch den Aufbau des Gehäusekörpers mit einem Träger 21 und einem Rahmen 22 sowie mit auf dem Träger 21 aufgebrachten Kontaktflächen 12, 14 ist eine einfache Herstellung des Bauelements 1 möglich, bei der z.B. ein aufwendiges Erzeugen von Durchkontaktierungen nicht erforderlich ist. Alternativ kann der Gehäusekörper jedoch auch einstückig ausgebildet sein, beispielsweise durch Umspritzen eines Leadframes, das die jeweiligen Kontakte für die Halbleiterchips 4 und das Bauelement 1 umfasst.
Im Unterschied zu dem vorhergehend anhand Figur 1 erläuterten Bauelement weisen die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Bauelemente Innenwände 5 auf, die nicht schräg, sondern im wesentlichen senkrecht zu der Montagefläche der Halbleiterchips 4 verlaufen. Auch bei diesen Bauelementen 1 sind die Innenwände 5 z.B. reflektierend ausgebildet, so dass sie zumindest teilweise als eine Blendenwand 51 fungieren. Auch die in den Figuren 4 bis 10 dargestellten Bauelemente 1 weisen mindestens eine Blendenwand 51 auf, die im Unterschied zu den übrigen Abschnitten der Innenwände 5 relativ steil zu einer Montageebene der Halbleiterchips 4 verläuft. Eine Haupterstreckungsebene der Blendenwand schließt mit der Montageebene einen Winkel zwischen 80° und 110° ein. Beispielsweise verläuft die Blendenwand 51 gerade und ist im wesentlichen um einen Winkel von 90° zu der Montageebene geneigt.
In Figur 11 ist ein Beispiel für eine derartige Blendenwand 51 in einer schematischen Schnittansicht dargestellt. Der Halbleiterchip 4 ist in einem Abstand 53 von beispielsweise 100 μm zu der Blendenwand 51 angeordnet. Bei einem derart geringen Abstand 53 kann eine effektive Blendenwirkung der Blendenwand 51 auch dann erreicht werden, wenn die Blendenwand 51 relativ niedrig ausgebildet ist, d.h. wenn sie eine geringe Höhe aufweist. Zudem trifft durch diesen geringen Abstand ein Teil der von den Halbleiterchips 4 emittierten elektromagnetischen Strahlung mit einer hohen Strahlungsintensität pro Fläche auf die Blendenwand 51, wodurch sowohl die Vermeidung von Strahlung in einem unerwünschten Raumwinkel als auch das Abstrahlen der elektromagnetischen Strahlung in einen gewünschten, bevorzugt engen Raumwinkel und mit einer hohen Strahlungsdichte ermöglicht wird.
Diese Eigenschaften sind insbesondere bei Scheinwerfern, beispielsweise bei Autoscheinwerfern, erwünscht, durch die ein bestimmter Raumwinkel möglichst hell ausgeleuchtet werden soll. Bei Autoscheinwerfern soll beispielsweise einerseits der Fahrtweg, d.h. insbesondere die Straße möglichst hell ausgeleuchtet werden, andererseits dürfen jedoch entgegen¬ kommende Fahrzeuge nicht geblendet werden, so dass eine Abstrahlung von Licht in den oberen Raumwinkel unerwünscht und weitestgehend vermeiden ist. Eben dies kann durch ein Bauelement mit einer Blendenwand 51 erreicht werden. Zudem ermöglicht die gestreckte Anordnung der Halbleiterchips 4 eine helle und flächige, homogene Ausleuchtung des Weges bzw. der Strasse über die gesamte Breite der Strasse hinweg.
Wenn die Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung in einen bestimmten Raumwinkelbereich einer Raumhälfte vermieden werden soll, ist eine Ausbildung der Innenwände 5, wie sie die in den Figuren 4 bis 7 dargestellten Bauelemente 1 aufweisen, besonders vorteilhaft. Bei diesen ist ein Abschnitt der Innenwände 5 auf einer Seite entlang der Anordnung der Halbleiterchips 4 als Blendenwand 51 ausgebildet, wohingegen die übrigen Abschnitte der Innenwände 5 deutlich schräger zu der Montageebene der Halbleiterchips 4 verlaufen, beispielsweise in einem Winkel von etwa 50°.
In Figur 4 ist ein Leuchtmodul 150 dargestellt, das ein einziges Bauelement 1 aufweist. Das Bauelement 1 hat derart geringe Ausmessungen, dass es vorteilhafterweise auf eine vielfache Art eingesetzt werden kann und einfach montiert werden kann. Beispielsweise hat das Bauelement eine Länge, die kleiner als eine fünfzehnfache laterale Kantenlänge der Halbleiterchips 4 ist, und eine Breite, die kleiner als eine achtfache laterale Kantenlänge der Halbleiterchips 4 ist, wobei diese beispielhaften Abmessungen für ein Bauelement 1 mit fünf Halbleiterchips 4 gelten. Allgemein hängt die Länge des Bauelements selbstverständlich von der Anzahl der Halbleiterchips 4 ab, für die man z.B. die allgemeine Formel
Lmax = kd,5 * n + 6)
aufstellen kann, wobei Lmax die maximale Länge des Bauelements 1, n die Anzahl der Halbleiterchips 4 und k die laterale Kantenlänge der Halbleiterchips 4 ist.
Das Leuchtmodul 150 weist einen Modulträger 18 auf, in den zwei Löcher 17 und eine Ausnehmung 15 eingebracht sind. Die Löcher 17 dienen zur mechanischen Montage und alternativ oder zusätzlich auch zum thermischen Anschließen des Leuchtmoduls 150. Beispielsweise kann das Leuchtmodul 150 mit den Löchern 17 über einen oder zwei Montagestifte mit oder ohne Gewinde gesteckt und mit Klemmen oder Schrauben befestigt werden.
Der Modulträger 18 umfasst eine gut wärmeleitende erste Schicht 181 und eine elektrisch isolierende zweite Schicht 182, die auf der ersten Schicht aufgebracht ist (siehe Figur 8) . Das Bauelement 1 ist in einer Ausnehmung der zweiten Schicht 182 auf der ersten Schicht 181 des Modulträgers 18 aufgebracht sowie mechanisch und thermisch leitend mit dieser verbunden, z.B. mittels eines Lotes oder eines Klebstoffes.
Das Leuchtmodul 150 weist zudem zwei elektrische Kontaktflächen 16 auf, von denen ein Teil innerhalb und ein weiterer Teil außerhalb eines Modulrahmens 19 liegt. Während der innere Teil der elektrischen Kontaktflächen 16 zum elektrischen Anschließen des Bauelements 1 dient, bilden die äußeren Teile der Kontaktflächen 16 Kontakte zum externen elektrischen Anschließen des Leuchtmoduls 150. Das Bauelement 1 kann insbesondere für ein Scheinwerfermodul, insbesondere auch für Automobilanwendungen, verwendet werden.
Im Unterschied zu den vorhergehend anhand der Figuren 1 bis 7 erläuterter Bauelemente sind die in den Figuren 8 bis 10 dargestellten Bauelemente 1 nicht entlang nur einer, sondern entlang von zwei Geraden angeordnet, wobei diese Geraden zueinander einen Winkel von etwa 15° aufweisen. Die seitlichen Innenwände 5 weisen zwei Teilabschnitte auf, die jeweils parallel zu der angrenzenden Anordnung von Halbleiterchips verlaufen und somit ebenfalls zueinander im Winkel von etwa 15° aufweisen und die zudem als Blendenwand 51 ausgebildet sind. Ein weiterer Abschnitt der Innenwände 5 verläuft in Form eines Kreissegmentes um die Halbleiterchips 4 herum und ist bezüglich einer Montageebene der Halbleiterchips 4 deutlich schräger ausgerichtet als die Blendenwand bzw. die Blendenwände 51.
Im Unterschied zu dem in Figur 8 dargestellten Bauelement 1 weisen die in den Figuren 9 und 10 dargestellten Bauelemente 1 Innenwände auf, deren Verlauf um die Halbleiterchips 4 herum besser an die Form der Anordnung der Halbleiterchips 4 angepasst ist. Das heißt, die Innenwand 5 weist keinen Abschnitt auf, der in der Form eines Kreissegmentes um die Halbleiterchips 4 herum verläuft, sondern der entsprechende Abschnitt der Innenwände 5 ist in Form eines eng anliegenden Bogens um die Halbleiterchips 4 herum geführt. Dies ist für das Erzielen eines möglichst engen Abstrahlwinkels in Verbindung mit einer möglichst hohen Strahlungsdichte vorteilhaft.
Das Bauelement 1 emittiert zum Beispiel weißes Licht, wofür es beispielsweise ein Lumineszenzkonversionselement 7 aufweist, das die von den Halbleiterchips 4 emittierte Strahlung eines ersten Wellenlängenbereiches zumindest teilweise in eine Strahlung eines zweiten, von dem ersten Wellenlängenbereich unterschiedlichen Wellenlängenbereiches konvertiert. Weißes Licht kann entweder erzeugt werden, indem die von dem Halbleiterchip emittierte Strahlung mit der konvertierten Strahlung gemischt wird oder indem die konvertierte Strahlung Farbanteile aufweist, die zusammengemischt weißes Licht ergeben.
Das Lumineszenzkonversionsmaterial kann mindestens einen Leuchtstoff enthalten. Dazu eignen sich beispielsweise anorganische Leuchtstoffe, wie mit seltenen Erden (insbesondere Ce) dotierte Granate, oder organische Leuchtstoffe, wie Perylen-Leuchtstoffe. Weitere geeignete Leuchtstoffe sind beispielsweise in der WO 98/12757 aufgeführt, deren Inhalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bei den in den Figuren 11, 12, 14 und 15 ist das Lumineszenzkonversionselement 7 in Form einer dünnen Schicht direkt auf eine Strahlungsauskoppelfläche der Halbleiterchips 4 aufgebracht. Indem die Strahlungskonversion möglichst nah am Chip erwirkt wird, kann man einen möglichst homogenen resultierenden Farbeindruck erreichen, der unabhängig von einem Abstrahlwinkel der elektromagnetischen Strahlung ist. Hierfür eigenen sich als Halbleiterchips 4 insbesondere Flächenstrahler, wie zum Beispiel Dünnfilm-Leuchtdiodenchips. Ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip zeichnet sich insbesondere durch folgende charakteristische 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-Leuchtdiodenchip ist in guter Näherung ein Lambert'scher Oberflächenstrahler und eignet sich von daher besonders gut für die Anwendung in dem Bauelement, insbesondere für einen Scheinwerfer.
Bei dem in Figur 11 dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Seite des Halbleiterchips 4 mittels eines Bonddrahtes 46 elektrisch angeschlossen, wohingegen bei dem in Figur 12 dargestellten Ausführungsbeispiel der Halbleiterchip zum Beispiel derart ausgeführt ist, dass er beide elektrischen Kontaktflächen auf der selben Seite aufweist. Dies kann das Aufbringen einer dünnen Schicht von Lumineszenzkonversions¬ material 7 erleichtern.
Die Halbleiterchips 4 können entweder mit einer Vergussmasse 9 (siehe Figur 11) vergossen sein, die beispielsweise auf Silikon basiert, oder mit einer strahlungsdurchlässigen Abdeckplatte 90 (siehe Figur 12) abgedeckt sein, wodurch sie vor äußeren Einflüssen geschützt sind. Alternativ oder zusätzlich zu einer unmittelbaren Aufbringung einer dünnen Schicht Lumineszenzkonversionsmaterial 7 auf die Halbleiterchips 4 kann das Lumineszenzkonversionsmaterial auch in die Vergussmasse 9 gemischt sein, mit denen die Halbleiterchips 4 vergossen sind, wie in Figur 13 dargestellt. Um bei einer derartigen Vergussmasse 9 ebenfalls einen möglichst homogenen resultierenden Farbeindruck zu erzielen, weist die Vergussmasse oberhalb der Chips eine maximale Höhe 91 von beispielsweise 50 μm auf.
In Figur 13 ist ein Abstand 42 der Chips untereinander dargestellt. Dieser beträgt beispielsweise 70 μm. Zudem ist in Figur 13 die laterale Kantenlänge 41 der Halbleiterchips 4 dargestellt. Für Scheinwerferapplikationen ist häufig eine möglichst hohe Strahlungsleistung und Strahlungsdichte erforderlich, so dass als Halbleiterchips zum Beispiel Hochleistungsleuchtdioden mit einer lateralen Kantenlänge 41 von etwa 1 mm verwendet sind, die eine elektrische Leistung von größer als mindestens 1 W, bevorzugt von größer als 2 W aufweisen. Ein Chip erzeugt beispielsweise eine Strahlungsleistung von etwa 200 Lumen. Das Bauelement 1 ist zum Beispiel mit einer elektrischen Leistung von größer als oder gleich 8 W, bevorzugt von größer als oder gleich 10 W, besonders bevorzugt von größer als oder gleich 12 W betreibbar. Dadurch, dass die Halbleiterchips 4 in einer Reihe sowie gestreckt angeordnet sind, ist trotz des engen Abstandes der Halbleiterchips 4 zueinander eine effektive Wärmeabfuhr einer von den Halbleiterchips bei deren Betrieb erzeugten Verlustwärme möglich, da jeder Halbleiterchip maximal an zwei einander gegenüberliegenden Seiten an einen weiteren Halbleiterchip 4 angrenzt. Somit ist bei jedem Halbleiterchip zumindest an den beiden anderen, einander gegenüberliegenden Seiten eine laterale Wärmeabfuhr möglich, ohne dass sich die Wärme mehrerer Halbleiterchips 4 wesentlich staut.
Bei dem in Figur 15 dargestellten Ausschnitt eines Bauelements sind die Halbleiterchips 4 mit einem Trägerkörper 10 bedeckt, auf dem eine Diffusorschicht 8 aufgebracht ist, die ein Diffusormaterial aufweist. Durch die Diffusorschicht 8 kann eine verbesserte Homogenität der vom Bauelement 1 emittierten elektromagnetischen Strahlung sowie eine verbesserte Durchmischung der von den Halbleiterchips 4 emittierten und von dem Lumineszenzkonversionsmaterial 7 konvertierten Strahlung erreicht werden. Der Trägerkörper 10 ist beispielsweise eine aus einem Glas gefertigte dünne Scheibe. Sie kann entweder beispielsweise mittels eines Klebstoffs unmittelbar auf den Chips aufgebracht sein oder die Kavität 50 in einem gewissen Abstand zu den Halbleiter¬ chips 4 abdecken. Für eine verbesserte Strahlungsauskopplung ist eine freie Oberfläche des Trägerkörpers 10 oder der Diffusorschicht 9 beispielsweise aufgeraut.
Alternativ oder zusätzliche kann auf dem Trägerkörper 10 auch eine dünne Schicht Lumineszenzkonversionsmaterial 7 aufgebracht sein (siehe Figur 16 bzw. Figuren 17 und 18) . Ein Vorteil hiervon kann sein, dass die Oberfläche des Trägerkörpers 10, auf der das Lumineszenzkonversionsmaterial 7 aufgebracht wird, ebener ausgebildet werden kann als Oberflächen von Halbleiterchips, bei deren Herstellung es aufgrund von Fertigungstoleranzen zu nicht zu vernach¬ lässigenden Unebenheiten der Oberfläche kommen kann. Dadurch lässt sich das Lumineszenzkonversionsmaterial 7 auf einem Trägerkörper 10 unter Umständen gleichmäßiger und kontrollierter aufbringen, wodurch Bauelemente mit einer verbesserten Homogenität der emittierten Strahlung erzeugt werden können.
Sind auf dem Trägerkörper 10 auf einer Seite eine Diffusorschicht 9 und auf einer anderen Seite eine Schicht Lumineszenzkonversionsmaterial 7 aufgebracht, so kann man diesen Trägerkörper derart auf oder über den Halbleiterchips aufbringen, dass den Halbleiterchips 4 entweder die Schicht Lumineszenzkonversionsmaterial 7 oder die Diffusorschicht 9 zugewandt ist. Ersteres hat den Vorteil, dass die Strahlungskonversion näher am Chip stattfindet, wodurch sich ein homogeneres Strahlungsbild erzielen lässt. Letzteres hat dagegen den Vorteil, dass die Halbleiterchips 4 und das Lumineszenzkonversionsmaterial 7 räumlich voneinander getrennt sowie besser thermisch voneinander isoliert sind. Da sowohl Leuchtstoffe als auch Halbleiterchips üblicherweise bei übermäßig hohen Temperaturen Leistungseinbuße aufweisen, als auch jeweils selbst bei Betrieb beziehungsweise bei Strahlungskonversion Wärme erzeugen, ist eine zumindest teilweise thermische Isolierung der Halbleiterchips 4 und des Lumineszenzkonversionsmaterials 7 voneinander vorteilhaft.
Der Trägerkörper 10 mit den aufgebrachten Schichten kann beispielsweise mittels eines Klebstoffs oder mittels einer Vergussmasse auf beziehungsweise über den Halbleiterchip aufgebracht sein. Zudem ist es möglich, dass zwischen den Halbleiterchips 4 und dem Trägerkörper 10 ein Raum besteht, der frei von fester oder flüssiger Materie ist.
Die in den Figuren 19 bis 22 und 23 dargestellten Leuchtmodule weisen Gegenstecker 160 auf, in denen die elektrischen Kontaktflächen 16 integriert sind, so dass das Leuchtmodul mittels eines Steckers extern elektrisch kontaktiert werden kann.
Die Leuchtmodule 150 weisen zum Beispiel einen Überspannungsschutz für die Halbleiterchips 4 auf. Ein solcher ist beispielsweise in Form von mindestens einem Varistor 161 vorgesehen, der zu dem Bauelement 1 beziehungsweise zu den Halbleiterchips 4 parallel geschaltet ist (siehe Figuren 20 und 21) .
In Figur 22 ist im wesentlichen das in Figur 23 dargestellte Leuchtmodul gezeigt, mit dem Unterschied, dass das Bauelement 1 zusätzlich ein optisches Element 3 aufweist. Dieses ist zum Beispiel als ein dielektrischer Vollkörper ausgebildet, dessen Außenflächen einen Strahlungseingang 32, einen Strahlungsausgang 31 sowie den Strahlungseingang 32 mit dem Strahlungsausgang 31 verbindende Seitenwände 33 umfassen.
Das optische Element 3 ist beispielsweise ein nicht- abbildender optischer Konzentrator, wobei der Strahlungseingang 32 des optischen Elementes 3 der eigentliche Konzentratorausgang ist, so dass die Strahlung das optische Element 3 mit verringerter Divergenz durch den Strahlungsausgang 31 verlässt. Die Seitenwände des optischen Elements sind beispielsweise parabelförmig oder parabelartig gekrümmt, das heißt der Konzentrator ist zum Beispiel ein CPC-artiger Konzentrator.
Ein derartiges optisches Element ist beispielsweise in Figur 28 in einer Schnittansicht dargestellt, wobei der Schnitt einen Teil des Bauelements 1 zeigt und senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Anordnung der Halbleiterchips 4 verläuft. Mit diesem optischen Element 3 kann eine Divergenz der elektromagnetischen Strahlung, die in Figur 28 durch Striche angedeutet ist, in starkem Maße verringert werden. Um die Strahlungsdichte der elektromagnetischen Strahlung weitestgehend zu bewahren, ist es dabei erforderlich, das optische Element 3 beziehungsweise den Strahlungseingang 32 des optischen Elements 3 möglichst nah an eine Chipauskoppelfläche der Halbleiterchips 4 zu bringen. Beispielsweise kann der Strahlungseingang 32 direkt auf die Halbleiterchips 4 aufgebracht sein.
Alternativ ist es zum Beispiel auch möglich, dass zwischen den Halbleiterchips 4 und dem Strahlungseingang des Konzen- trators ein Spalt besteht, der zum Beispiel weitestgehend frei von fester oder flüssiger Materie ist. Dadurch wird erreicht, dass insbesondere Strahlen, die in besonders großem Winkel gegenüber einer Hauptabstrahlrichtung der Halbleiter¬ chips 4 emittiert werden und die einen aus dem Strahlungs¬ ausgang 31 emittierten Strahlungskegel zu stark aufweiten würden, nicht auf den Strahlungseingang treffen, sondern seitlich an diesem vorbeilaufen. Im Falle eines dielek¬ trischen Konzentrators führt der Spalt dazu, dass von der Strahlung ein desto größerer Anteil an der Grenzfläche des Strahlungseingangs 32 reflektiert wird, je größer der Ein¬ fallswinkel von diesem ist. Somit wird jeweils ein hoch- divergenter Anteil der auf den Strahlungseingang 32 treffenden Strahlung abgeschwächt.
Wenn man jedoch eine derartige Reflexion am Strahlungseingang 32 vermeiden möchte, so kann dieser zum Beispiel aufgeraut sein, wodurch der Anteil der in den Konzentrator beziehungs¬ weise in das optische Element 3 gelangenden Strahlung erhöht werden kann.
Der Grundkörper des Konzentrators besteht beispielsweise aus einem transparenten Glas, Kristall oder Kunststoff und ist zum Beispiel in einem Spritzpress- oder in einem Spritzguss¬ verfahren gefertigt.
Je näher man den Strahlungseingang 32 an die Halbleiterchips 4 heranbringt, desto kleiner kann man den Strahlungseingang 32 gestalten und desto höher ist die Strahlungsdichte der aus dem Strahlungsausgang 31 emittierten Strahlung, die erreicht werden kann. Die Breite der Strahlungseingangsfläche 32 ist beispielsweise 1,2 mal so groß wie die laterale Kantenlänge der Halbleiterchips 4.
Der Strahlungskegel, der den Strahlungsausgang 31 verlässt, weist in einer Ebene senkrecht zu einer Haupterstreckungs- linie der Anordnung der Halbleiterchips einen Öffnungswinkel von beispielsweise 9° auf. Um dies zu erreichen, benötigt der CPC-artige Konzentrator eine gewisse Mindestlänge, die in Zusammenhang mit der Breite b des Strahlungseingangs 32 steht. Für einen idealen kompakten parabolischen Konzentrator gilt
1 = b/2(l + sinθ) cosθ/sin2θ, wobei 1 die Mindestlänge und θ der maximale Öffnungswinkel des Strahlungskegels in einer Ebene senkrecht zur Haupterstreckungslinie der Anordnung der Halbleiterchips 4 ist. Um einen maximalen Öffnungswinkel von etwa 9° zu erreichen, muss die Länge des optischen Elements 3 etwa 23 mal so groß sein wie die Breite des Strahlungseingangs. Für einen maximalen Öffnungswinkel von 15 ° muss die Länge des optischen Elements 3 etwa 9 mal so groß sein wie die Breite des Strahlungseingangs 32 und für einen Öffnungswinkel von 20 ° beträgt dieser Faktor etwa 5,5, für einen Öffnungswinkel von 30 ° noch etwa 2,6.
Als Alternative zu einem CPC-artigen Konzentrator weist das optische Element 3 zum Beispiel Seitenwände auf, die in geraden Linien von dem Strahlungseingang 32 zum Strahlungsausgang 31 verlaufen. Ein Beispiel für ein derartiges optisches Element 3 ist in Figur 27 dargestellt. Es ist ein dielektrischer Konzentrator mit einer kegelstumpfartigen Grundform. Zusätzlich ist der Strahlungsausgang 31 in der Art einer sphärischen oder asphärischen Linse nach außen gewölbt. Der Vorteil einer asphärischen Wölbung verglichen mit einer sphärischen Wölbung ist, dass die asphärische Wölbung beispielsweise mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse des optischen Elements 3 abnimmt, um den Umstand Rechnung zu tragen, dass der Strahlungskegel, dessen Divergenz durch das optische Element 3 zu verringern ist, keine punktförmige Lichtstrahlungsquelle, sondern eine Strahlungsquelle mit einer gewissen Ausdehnung ist.
Ein derartiges optisches Element hat, verglichen mit einem CPC-artigen optischen Element den Vorteil, dass mit ihm eine vergleichbare Verringerung der Divergenz eines Strahlungs- kegels bei gleichzeitig signifikanter Verringerung der Bauhöhe des optischen Elements 3 erzielt werden kann. Ein weiterer Vorteil des in Figur 27 dargestellten optischen Elements 3 ist, dass dieses aufgrund seiner geraden Seiten¬ flächen 33 einfacher mittels einem Spritzverfahren wie beispielsweise Spritzgießen oder Spritzpressen hergestellt werden kann.
Als Alternative zu einem dielektrischen Konzentrator ist das optische Element 3 beispielsweise ein Grundkörper mit einem Hohlraum mit reflektierenden Innenwänden, wie zum Beispiel in Figuren 29 und 30 dargestellt. Das optische Element 3 kann zum Beispiel durch die Innenwände 5 des Rahmens 22 gebildet sein oder mit dem Rahmen 22 einstückig ausgebildet sein. Alternativ ist es natürlich genauso möglich, dass das optische Element ein separates Element des Bauelements ist, das in dem Rahmen oder über dem Rahmen 22 angeordnet ist. Die Innenwände des Rahmens, des Hohlraums des optischen Elements 3 sowie die Seitenwände 33 des dielektrischen Konzentrators können mit einer reflektierenden Schicht versehen sein, die beispielsweise Aluminium aufweist oder aus diesem besteht.
Der in Figur 30 dargestellte Hohlraum des optischen Elementes 3 ist nicht symmetrisch ausgebildet, wie das bei den in den Figuren 28 und 29 dargestellten optischen Elementen 3 der Fall ist. Vielmehr weisen die Innenwände 33 des optischen Elementes 3 beziehungsweise des Rahmens 22 einen Abschnitt auf, der als eine Blendenwand 51 ausgebildet ist, ähnlich wie bei den in den Figuren 4 bis 10 dargestellten Bauelementen. Die Höhe dieses als Blendenwand 51 gestalteten Abschnitts der Innenwände 33 beträgt zum Beispiel zwischen einschließlich 400 μm und einschließlich 1,5 mm, beispielsweise ist die Blendenwand 800 μm hoch. Im Anschluss an den als Blendenwand 51 ausgebildeten Abschnitt verläuft die Innenwand 33 symmetrisch zu dem gegenüberliegenden Teil der Innenwand 33.
Während die Bauelemente 1 gemäß den in den Figuren 1 bis 22 dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils lediglich 4 oder 5 Halbleiterchips 4 aufweisen, ist es zum Beispiel auch möglich, dass das Bauelement mehr als 10, mehr als 20 oder sogar mehr als 30 Halbleiterchips 4 aufweist.
Die in den Figuren 23 und 24 dargestellten Bauelemente 1 weisen zum Beispiel 30 Halbleiterchips 4 auf. Diese sind nicht alle in Serie geschaltet, sondern sie weisen mehrere Gruppen von beispielsweise jeweils 5 Halbleiterchips 4 auf, innerhalb derer die Halbleiterchips 4 zueinander in Reihe geschaltet sind. Die einzelnen Gruppen von Halbleiterchips 4 sind parallel zueinander geschaltet. Entsprechend weisen diese Bauelemente nicht lediglich 2, sondern 12 Außenkontaktflächen 14 auf, von denen jeweils 6 auf einander gegenüberliegenden Seiten des Bauelements 1 angeordnet sind.
Selbstverständlich ist es bei dem Bauelement 1 generell möglich, die Halbleiterchips beliebig zueinander zu verschalten. Bezogen auf die vorhergehend anhand den Figuren
23 und 24 beschriebenen Bauelemente und Leuchtmodule ist für die Gruppen von Halbleiterchips eine beliebige Anzahl von Halbleiterchips sowie eine beliebige Anzahl von Gruppen. Im Grenzfall von nur einem Halbleiterchip pro Gruppe sind alle Halbleiterchips parallel zueinander geschaltet.
Das Modul 150 weist bei dem in Figur 23 dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Gegenstecker 160 mit elektrischen Kontaktflächen 16 auf. Im Unterschied dazu weist das in Figur
24 dargestellte Leuchtmodul für jede Gruppe von in Reihe geschalteten Halbleiterchips 4 zwei elektrische Kontakt¬ flächen 16 auf, so dass diese Gruppen von Halbleiterchips 4 in dem Modul unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden können sowie mit unterschiedlichen Stromstärken be¬ trieben werden können. Selbstverständlich können auch der¬ artige Leuchtmodule ein optisches Element 3 aufweisen, wie das beispielsweise in den Figuren 25 und 26 dargestellt ist. Wie vorhergehend bereits erwähnt eignen sich derartige Leuchtmodule besonders für die Verwendung als Scheinwerfermodule in Automobilen.
Die Verwendung der Bauelemente 1 beziehungsweise der Leuchtmodule 150 beschränkt sich natürlich keineswegs auf KFZ-Scheinwerfer, sondern umfasst alle denkbaren Scheinwerferarten. Zudem eignet sich die Erfindung insbesondere auch für eine Projektionslichtquelle. Weitergehend können zum Beispiel die Halbleiterchips 4 zumindest teilweise unabhängig voneinander in Betrieb nehmbar sein, so dass sie für eine sequentielle Projektion verschiedener Projektionsbilder und/oder verschiedener Farben verwendet werden.
Der Schutzumfang der Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. So ist es zum Beispiel nicht zwingend erforderlich, die Halbleiterchips in einer einzigen Reihe anzuordnen. Vielmehr ist es, insbesondere bei einer hohen Anzahl von Halbleiterchips, auch möglich, diese zum Beispiel in zwei Reihen anzuordnen, solang die Halbleiterchips insgesamt linienförmig angeordnet sind. Die zwei Reihen von Halbleiterchips bilden gemeinsam die Form der Linie und sind insbesondere gestreckt angeordnet. Die Erfindung umfasst 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 den Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Elektromagnetische Strahlung emittierendes optoelektronisches Bauelement mit einem Gehäusekörper, der eine Kavität aufweist, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Kavität grabenartig ausgebildet ist;
- dass in der Kavität eine Mehrzahl von Halbleiterchips in einer linienförmigen Anordnung angeordnet sind; und dass zwei benachbarte Halbleiterchips zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner als oder gleich der 1,5- fachen lateralen Kantenlänge der Halbleiterchips und größer als oder gleich 0 μm ist.
2. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Halbleiterchips zueinander einen Abstand von kleiner als oder gleich 300 μm und größer als oder gleich 0 μm aufweisen.
3. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Halbleiterchips einen Abstand von kleiner als oder gleich 100 μm und größer als oder gleich 0 μm aufweisen.
4. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterchips auf einer gedruckten Leiterplatte oder auf einem Leiterrahmen angeordnet sind.
5. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusekörper auf einer Seite entlang der Anordnung der Halbleiterchips eine die Kavität begrenzende Innenwand aufweist, wobei zumindest ein Abschnitt der Innenwand als eine Blendenwand ausgebildet ist, die für mindestens einen Spektralbereich der elektromagnetischen Strahlung reflektierend ist.
6. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenwand im wesentlichen in einem Winkel von größer als oder gleich 80° und kleiner als oder gleich 110° zu einer Montageebene der Halbleiterchips verläuft.
7. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterchips in einem Abstand von kleiner als oder gleich 1 mm und größer als oder gleich 0 mm zu der Blendenwand angeordnet sind.
8. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterchips in einem Abstand von kleiner als oder gleich 500 μm und größer als oder gleich 0 μm zu der Blendenwand angeordnet sind.
9. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterchips in einem Abstand von kleiner als oder gleich 150 μm und größer als oder gleich 0 μm zu der Blendenwand angeordnet sind.
10. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Halbleiterchips ein erstes und ein zweites Ende aufweist, wobei an dem ersten Ende mindestens zwei Halbleiterchips entlang einer ersten Geraden angeordnet sind, die gegenüber einer zweiten Geraden geneigt ist, entlang der mindestens zwei Halbleiterchips an dem zweiten Ende angeordnet sind.
11. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gerade gegenüber der zweiten Gerade um einen Neigungswinkel von kleiner als oder gleich 20° und größer als oder gleich 10° geneigt ist.
12. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein optisches Element vorgesehen ist, das eine Divergenz der elektromagnetischen Strahlung verringert und das den Halbleiterchips gemeinsam zugeordnet ist.
13. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein nichtabbildender optischer Konzentrator ist, wobei ein Strahlungseingang des optischen Elementes der eigentliche Konzentratorausgang ist, so dass die Strahlung verglichen mit der üblichen Anwendung eines Konzentrators zum Fokussieren in umgekehrter Richtung durch diesen läuft und somit nicht konzentriert wird, sondern den Konzentrator mit verringerter Divergenz durch einen Strahlungsausgang des optischen Elementes verlässt.
14. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungseingang eine Strahlungseingangsfläche oder eine Strahlungseingangsöffnung aufweist, die eine Breite von kleiner als oder gleich 1,5 mal einer Kantenlänge der Halbleiterchips, bevorzugt von kleiner als oder gleich 1,25 mal der Kantenlänge aufweist.
15. Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung das optische Element in einem Strahlungskegel verlässt, der in einer Ebene senkrecht zu einer Linie, entlang der die Halbleiterchips angeordnet sind, einen Öffnungswinkel zwischen 0 und 30°, bevorzugt zwischen 0 und 20°, besonders bevorzugt zwischen 0 und 10° aufweist, wobei die Grenzen jeweils einbezogen sind.
16. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator ein CPC-, CEC- oder CHC-artiger
Konzentrator ist.
17. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator Seitenwände aufweist, die den Strahlungseingang mit dem Strahlungsausgang verbinden und die derart ausgebildet sind, dass auf den Seitenwänden verlaufende direkte Verbindungslinien zwischen dem Strahlungsein- und dem Strahlungsausgang im wesentlichen gerade verlaufen.
18. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator einen Grundkörper aufweist, der einen Hohlraum definiert und dessen Innenwand zumindest für einen spektralen Teilbereich der elektromagnetischen Strahlung reflektierend ist.
19. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentrator ein dieelektrischer Konzentrator ist, dessen Grundkörper ein aus einem dieelektrischen Material mit geeignetem Brechungsindex bestehender Vollkörper ist, so dass über den Strahlungseingang eingekoppelte Strahlung durch Totalreflexion an seitlichen Grenzfläche des Vollkörpers zum umgebenden Medium, die den Strahlungseingang mit dem Strahlungsausgang verbinden, reflektiert wird.
20. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsausgang eine linsenartig gewölbte Grenzfläche des Vollkörpers ist.
21. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Halbleiterchips und dem Strahlungseingang des Konzentrators ein Spalt besteht.
22. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt weitestgehend frei von fester oder flüssiger Materie ist.
23. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein Lumineszenzkonversionselement aufweist.
24. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Lumineszenzkonversionselement in einer strahlungsdurchlässigen Vergussmasse eingemischt ist, mittels der die Halbleiterchips eingekapselt sind.
25. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse über den Halbleiterchips eine Dicke von kleiner als oder gleich 200 μm und größer als oder gleich 5 μm aufweist.
26. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Lumineszenzkonversionselement auf den Halbleiterchips aufgebracht ist.
27. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 23 und 26, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Halbleiterchips ein strahlungsdurchlässiger Trägerkörper angeordnet ist, auf dem das Lumineszenzkonversionselement aufgebracht ist.
28. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Lumineszenzkonversionselement auf einer Seite des Trägerkörpers angeordnet ist, die von den Halbleiterchips abgewandt ist.
29. Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement ein Diffusormaterial aufweist.
30. Leuchtmodul, dadurch gekennzeichnet, dass es ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 29 aufweist.
31. Leuchtmodul gemäß Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmodul ein Scheinwerfermodul ist.
32. Leuchtmodul gemäß einem der Ansprüche 30 und 31, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überspannungsschutz für das Bauelement vorgesehen ist.
33. Leuchtmodul gemäß Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Überspannungsschutz mindestens einen Varistor umfasst.
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