专利名称：照明装置的制作方法
照明装置本发明涉及一种照明装置，其尤其适于一般照明。本专利申请要求德国专利申请10 2007 057 671. 6的优先权，其公开内容通过引
用结合于此。在一般照明中，通常希望辐射强度在照明装置的辐射出射侧上横向分布均勻。特 别地，每个出射面的辐射强度应当在辐射出射侧尽可能均勻地分布。由于辐射源的通常受限的空间延伸(该辐射源可以由一个或多个发射辐射的半 导体芯片组成)，在大面积的辐射出射面的情况下(其面积大于被辐射源横向覆盖的面 积)，实现均勻的辐射强度分布通常是困难的。特别地，会形成具有相对于邻接的区域提高 的辐射强度的辐射出射侧区域、所谓的热点(Hot Spots)，这些区域源于直接以光源照明的 区域。这在辐射出射侧需要均勻辐射强度的应用中通常是不希望的。此外，在一般照明中会希望受限的发射角，以便能够清晰受限地对面进行照明。目 前为了射束成形优先适用如透镜的光学元件，其必需精确地针对辐射源来调整并且决定性 地影响照明装置的结构高度。一个要解决的任务是，提出一种带有紧凑结构的照明装置，其使得在横向方向上 在照明装置的辐射出射侧上构建均勻的辐射强度分布变得容易。该任务通过根据权利要求1的照明装置来解决。照明装置的有利的改进方案在从属权利要求中说明。根据本发明的一个有利的实施形式，照明装置包括带有至少一个凹部的芯片壳 体，该凹部通过反射性的内表面形成边界；以及至少一个发射辐射的半导体芯片，该半导体 芯片带有设置在凹部中的芯片面；以及远离芯片的角过滤元件(Winkelfilterelement)， 其集成到芯片壳体中并且在优先方向上设置在半导体芯片之后，其中反射性的内表面至少 为芯片面的十倍大。芯片面由半导体芯片的辐射可以投射在其上的部分面组成。特别地，其为半导体 芯片的侧面以及半导体芯片的朝向角过滤元件的表面。如果半导体芯片具有平的构型，即 当长度和宽度明显大于半导体芯片的高度时，表面的芯片面被设为相同。在多个半导体芯 片的情况下，由各半导体芯片的芯片面之和得到整个芯片面。根据本发明的另一优选的实施形式，反射性的内表面比芯片面大一百倍。有利的是，在反射性的内表面和芯片面之间的面积比例大于10 1、尤其是大于 100 1的情况下，降低了借助该角过滤元件被反射回到芯片壳体中的光束被半导体芯片 吸收的可能性。由于半导体芯片的反射率通常仅仅在20%到80%之间，而通过反射性的内 表面可以实现更高的反射率，因此这是有利的。优选的是，反射性的内表面的反射率为90% 或者更高，优选为95%或者更高，特别优选为98%或者更高。借助这种反射率，可以有利地 提高照明装置的效率，因为在芯片壳体中仅仅由于吸收而损失了较小的辐射部分。如开头已经描述的那样，在辐射出射侧上会出现具有相对于邻接的区域提高的辐 射强度的区域，或者在混色辐射的情况下会形成与相邻的区域相比具有明显不同的光谱组 分的区域。
为了在辐射出射侧上实现对抗的并且均勻的辐射强度分布和/或色彩分布，在此 使用了角过滤元件。根据一个有利的实施形式，由半导体芯片发射的、投射到角过滤元件上的辐射在 第一入射角范围中比在第二入射角范围中更强地被反射，其中第一入射角范围包括比第二 入射角范围小的入射角。该实施形式尤其是在间接的、平面的照明情况下是适合的。根据一个替选的实施形式，由半导体芯片发出的、投射到角过滤元件上的辐射在 第二入射角范围内比在第一入射角范围内更强地被反射。该实施形式尤其是在点照明的情 况中是适合的。此外，角过滤元件可以根据辐射源的辐射特性以及所希望的发射特征将第一入射 角范围内的辐射比第二入射角范围内的辐射更强地反射，或者相反。在角过滤元件上反射的光束向回反射到芯片壳体中，在那里这些光束理想地循 环，直到它们以非临界的入射角投射到角过滤元件上并且可以从照明装置耦合输出。此外，优选可以借助角过滤元件将从照明装置发出的总辐射的发射角减小。在这 方面，角过滤元件负责进行射束成形的光学元件的功能。然而，角过滤元件尤其是具有比传 统的光学元件小的厚度，使得照明装置的结构厚度被有利地减小。在照明装置的一个优选的变形方案中，角过滤元件具有结构元件。这些结构元件 可以圆锥式地、棱锥式地、棱柱式地或者相同反转的(gleichinverserOCPC式地被构造。结 构元件可以相同大小、相同形状并且有规律地设置。然而也可能的是，结构元件大小不同、 形状不同，并且以不规则的距离设置。结构元件可以具有几微米至几厘米的延伸。在极端 情况下，角过滤元件可以仅仅具有一种结构元件，该结构元件在照明装置的整个辐射出射 面上延伸。根据另一实施形式，角过滤元件是介电过滤器。介电过滤器具有至少两个具有不 同折射率的介电层。对于介电过滤器，含硅的材料是合适的。例如，第一层可以包含氧化硅，而第二层 可以包含氮化硅。此外可以将含钛的材料用于介电过滤器。例如，第一层可以包含氧化硅， 而第二层包含氧化钛。特别地，这些层具有入/如的层厚，其中入^是要反射的辐射的真空 波长，而n是在相应的介电层中的折射率。随后将进一步描述反射性的内表面。反射性的内表面例如可以通过将反射层施加 到芯片壳体的内表面上来构造，例如通过气相淀积金属层例如铝层或者施加金属膜到芯片 壳体上来构造。在这种情况中，芯片壳体不必由反射性的材料来制造。其例如可以包含塑 料材料和/或陶瓷材料。然而也可能的是，芯片壳体由反射性的材料构成。例如芯片可以由唯一的金属部 分构成，例如由深拉的铝部分构成。在这种情况中，在芯片壳体的内表面上不必设置反射 层，因为芯片壳体的反射率已经足够。在一个优选的改进方案中，内表面是平滑的，即其仅仅具有相对于波长、而言小 的粗糙结构。通过这种方式，可以进行镜面反射，也即投射光束的入射角和反射角相对于垂 直线大小相同。然而也可能的是，内表面具有相对于波长\而言大的不平坦部。特别地，内表面 借助不平坦部来粗糙化，使得形成朝向彼此倾斜地走向的平滑的部分面，这些部分面像镜面那样起作用。特别地，在混色辐射的情况下，这种构型是有利的，因为由此在内表面上反 射的情况下可以实现不同颜色部分的更好的混勻。反射性的内表面可以包括至少一个侧面。该侧面在此相对于角过滤元件在其中延 伸的主平面倾斜地被设置。优选的是，该侧面直接与角过滤元件邻接。根据照明装置的一个有利的变形方案，至少一个侧面凹形地被弯曲。借助该侧面 的弯曲，可以有利地影响芯片壳体中的反射。此外，内表面可以具有底面，该底面平行于角过滤元件的主平面地被设置并且由 此倾斜于该侧面地延伸。特别地，照明装置具有平坦的底面以及多个平坦的与底面邻接的 侧面。有利的是，侧面以及底面都具有90%或者更大的反射率，优选95%或者更大的反 射率，特别优选为98%或者更大的反射率。根据一个优选的扩展方案，角过滤元件构成用于芯片壳体的覆盖物。该角过滤元 件可以置于芯片壳体上或者可以恰好匹配地设置在凹部中。在此，角过滤元件可以保护半 导体芯片免受外部影响。通过将角过滤元件设置在芯片壳体上以及通过设置在凹部中，角 过滤元件都被集成到芯片壳体中。角过滤元件集成到芯片壳体中的另一可能性是，芯片壳体的侧壁由与角过滤元 件相同的材料来制造。在该情况中，侧壁和角过滤元件可以被制造为一件式的、自支承的 (selbsttragend)顶盖，其被反拉深在半导体芯片上方。优选的是，顶盖设置在底板上，半导 体芯片也安装在该底板上。例如，顶盖可以包含塑料材料并且借助注塑来制造。在一个有利的变形方案中，照明装置可以具有多个半导体芯片，它们在芯片壳体 中并排设置并且发射具有相同波长的辐射。为了产生混色辐射，在优先方向上在这些半导 体芯片之后可以设置有转换元件，该转换元件让半导体芯片所产生的辐射的第一辐射部分 不改变地通过，使得不改变的辐射部分具有较短的波长，并且该转换元件对第二辐射部分 进行转换，使得被转换的辐射部分具有较长的波长。转换元件可以设置在芯片附近，使得转 换元件直接与半导体芯片邻接。可替选地，转换元件可以远离芯片地设置，使得转换元件并 不直接与半导体芯片邻接。在另一有利的变形方案中，照明装置具有多个半导体芯片，这些半导体芯片在芯 片壳体中并排设置并且发射具有不同波长的辐射。特别地，照明装置以规则的顺序具有发 射红光的半导体芯片、发射绿光的半导体芯片和发射蓝光的半导体芯片。本发明的其他特征、优点和改进方案从下面结合附
图1至7所阐述的实施例中得 到。其中图1示出了根据本发明的照明装置的第一实施例的示意性截面图；图2示出了根据本发明的照明装置的第二实施例的示意性截面图；图3示出了根据本发明的照明装置的第三实施例的示意性截面图；图4A示出了根据本发明的照明装置的第四实施例的示意性俯视图，而图4B示出 了其示意性截面图；图5是示出了根据本发明的照明装置的与反射率相关的提取效率的曲线图；图6是示出了朗伯特辐射器的辐射强度分布的视图7是示出了根据本发明的照明装置的辐射强度分布的视图。在图1中示出的照明装置1具有芯片壳体2，在该芯片壳体中设置有发射辐射的 半导体芯片3。远离芯片的角过滤元件6集成到芯片壳体2中，该角过滤元件在优先方向V 上设置在发射辐射的半导体芯片3之后。在此，优先方向V说明了其中由照明装置1发出的辐射的大部分被发射的方向。发射辐射的半导体芯片3设置在芯片壳体2的凹部5中。凹部5通过内表面4形 成边界，该内表面包括底面7和多个侧面8。侧面8以及底面7是平坦的，其中侧面8垂直 于底面7走向。因为芯片壳体2的长度明显大于高度，所以芯片壳体2具有扁平的构型。芯片壳体2包括带有底面7的底板2b和带有侧面8的侧壁2a。底板2b例如可以 包含陶瓷材料、尤其是具有高的热传导能力的材料，以便在工作中充分地冷却发射辐射的 半导体芯片3。此外，塑料材料适合于侧壁2a。例如，芯片壳体2的内侧可以被镜面化，使得内表面4是反射性的。优选的是，反 射性的内表面4的反射率为90%或者更高，优选为95%或者更高，特别优选为98%或者更 高。借助这种反射率，可以有利地提高照明装置1的效率，因为在芯片壳体2中仅仅较少的 辐射部分由于吸收而损失。半导体芯片3的内表面4和芯片面9 (其中芯片面9在这种情况中是半导体芯片3 的朝向角过滤元件6的表面)相对于彼此以如下方式确定尺寸使得在芯片壳体2中的反 射主要在内表面4上进行。优选的是，内表面4至少为芯片面9的十倍大。特别优选的是， 内表面4比芯片面9大一百倍。例如，内表面4可以为1cm2并且芯片面9可以为1mm2。角过滤元件6具有多个带有合适的侧面的棱锥形的结构元件6a。在所示的实施例 中，在所有结构元件6a中在倾斜的侧面之间的角度大小相同。在本发明的范围中，在70° 到110°之间的角度是优选的。也可能的是，使用在倾斜侧面之间的不同的角度。由此，可 以在被照明的面上抑制所述结构元件6a的轮廓。此外，可以通过如下方式防止形成图案 非旋转对称的结构元件6a相对于彼此旋转和/或不同地成形和/或不规则地设置。在图1的实施例中，结构元件6a设置在角过滤元件6的背离半导体芯片3的表面 上，其中结构元件6朝着优先方向V变细。角过滤元件6的朝向半导体芯片3的表面6b平坦地被构造。表面6b位于角过滤 元件6的主平面中。主平面平行于照明装置1的辐射出射面并且垂直于优先方向V来设置。角过滤元件6例如可以是注塑部件或者由支承小板制造，将漆层施加到该支承小 板上，其中结构元件6a由该漆层来形成。半导体芯片3发射的辐射的一部分可以首先投射到角过滤元件6上。在那里，第 一辐射部分透射通过角过滤元件6，而第二辐射部分被向回反射到芯片壳体2中。借助于角过滤元件6可以在该实施例中将具有在第二入射角范围中的入射角的 光束、即具有比较大的入射角的光束透射通过角过滤元件6。这在图1中通过光束A来表 明。光束A投射到角过滤元件6的表面6b上并且朝向垂直线而“弯折”，其中入射角大 于出射角。光束A通过角过滤元件6并且以非临界角投射到结构元件6a的倾斜的侧面上， 使得光束A可以从角过滤元件6耦合输出。在从角过滤元件6出射时，光束A从垂直线“折 离”并且由此朝向优先方向V偏转。
具有第一入射角范围内的入射角的光束、即具有比较小的入射角的光束可以在该 实施例中通过角过滤元件6来反射。这在图1中通过光束B来表明。光束B基本上平行于优先方向V地投射到角过滤元件6的表面6b上并且因此几 乎不被偏转。在结构元件6a的倾斜的侧面之一上，光束B被全反射并且投射到结构元件6a 的对置的侧面上。在此，光束B重新被全反射。在反射之后，光束B又到芯片壳体2中并且 在那里、尤其是在内表面4上被反射，直到光束B以非临界角投射到角过滤元件6上并且可 以耦合输出。光束B于是具有与优先方向V偏差较少的方向。
从照明装置1发射的辐射可以借助角过滤元件6来有利地混勻(durchmischt)，也 即在照明装置1的辐射出射面的任意区域中，第一和第二角度范围的光束都同样地存在。 在此，辐射出射面垂直于优先方向V延伸。此外，可以借助该角过滤元件6来实现照明装置1发射的辐射的射束成形。特别 地，借助角过滤元件6限制了发射角。优选的是，发射辐射的半导体芯片3在图1的实施例中具有氮化物化合物半导体 并且是薄膜半导体芯片。在制造薄膜半导体芯片3的情况下，包括发射辐射的有源层的半 导体层序列首先在生长衬底上外延生长。随后，将承载体施加到半导体层序列的与生长衬 底对置的表面上并且随后去除生长衬底。因为尤其是针对氮化物化合物半导体所使用的生 长衬底例如SiC、蓝宝石或者GaN比较昂贵，所以该方法尤其是提供了生长衬底可以重复使 用的优点。薄膜LED的基本原理例如在I. Schnitzer等人于1993年10月18日所著的Appl. Phys. Lett. 63(16)第2174-2176页中进行了描述，其公开内容通过引用结合于此。薄膜半导体芯片是具有有利的耦合输出效率的朗伯特辐射器。角过滤元件6恰好匹配地置于芯片壳体2中并且覆盖芯片壳体2的凹部5。由此， 发射辐射的半导体芯片3可以被保护免受外部影响如湿气、灰尘或者其他异物。在发射辐射的半导体芯片3和角过滤元件6之间形成的空腔在该实施例中用空气 填充。由此，可以实现在空腔和角过滤元件6之间的过渡上的有利地高的折射率跳变。在图2中示出的照明装置1具有与图1的照明装置类似的结构。然而，在图2的 实施例中，侧壁2a和角过滤元件6 —件式地构造。特别地，这样形成的自支承的顶盖10是 注塑件。顶盖10被反拉深在半导体芯片3上方并且设置在底板2b上。在将顶盖10设置在底板2b上之前，侧壁2a可以设置有反射层，由此使得侧面8 是反射性的。为了产生混色的辐射，可以在图1中所示的半导体芯片3之后以及在图2中所示 的半导体芯片3之后设置转换元件。其可以直接与半导体芯片3邻接或者与半导体芯片3 间隔地设置。此外，在图1和2中所示的照明装置也可以具有多个半导体芯片，它们产生具 有相同波长的辐射并且在其后必要时设置有转换元件。图3示出了一种具有多个发射辐射的半导体芯片3的照明装置1。这些发射辐射 的半导体芯片3并排设置在底板2b上。在该实施例中，总芯片面积由单个的芯片面积9a和9b的和组成。对于面积比例， 适用的是反射性的内表面4至少是单个的芯片面积9a和9b的和的十倍，优选比它大一百倍。
发射辐射的半导体芯片3产生具有不同波长的辐射。优选的是，照明装置1具有 至少一个产生红光的半导体芯片，至少一个产生蓝光的半导体芯片和至少一个产生绿光的 半导体芯片，使得由照明装置1总体上发射白色光。借助角过滤元件6，可以将不同颜色的辐射在辐射出射平面上有利地混勻，使得并 不出现不同颜色的光斑。凹部5部分地用填料11填充。通过这种方式，可以改进从半导体芯片3的辐射耦 合输出。此外可以借助在填料11和角过滤元件6之间的气隙来实现在至角过滤元件的过 渡上的有利地高的折射系数跳变。在图4A和4B中示出的照明装置1具有带有圆形的俯视图的芯片壳体2和多个发 射辐射的半导体芯片3，这些半导体芯片3设置在芯片壳体2的内部的侧面8上。芯片壳体2具有多个凹部5，它们沿着照明装置1的外壁12设置。被这种照明装 置1照亮的面表现为发光环。如在图4B的横截面视图中可以看到的那样，与半导体芯片3对置的侧面8凹形地 弯曲。由此，可以有利地将半导体芯片3所产生的辐射偏转到优先方向V中。虽然凹部5通过芯片壳体2彼此分离，在辐射出射面中仍然可以借助角过滤元件 6实现由各半导体芯片3所产生的辐射的混勻。在图5的视图中，绘出了根据本发明的照明装置的、关于反射性内表面的反射率R 的提取效率E。如从该视图中表明的，可以通过提高反射率R来提高照明装置的提取效率E。例 如，在95%的反射率R的情况下，半导体芯片所产生的辐射的85%可以从照明装置耦合输
出o图6示出了在辐射出射面中朗伯特辐射器的辐射强度分布。黑色的圆圈线表示 38°的发射角。如可以看到的那样，通过朗伯特辐射器几乎完全照亮了在黑色的圆圈线内 的圆面。与此相对，可以通过根据本发明的照明装置来限制发射角，使得如图7中所示，通 过黑色的圆圈线限制的圆面的仅仅内部的部分被照亮。在该内部的部分中，出现辐射强度 的均勻分布。本发明并未通过借助实施例的描述而受到限制。更确切地说，本发明包括任意新 的特征和特征的任意组合，尤其是包含权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或者该 组合本身并未明确地在权利要求或者实施例中进行说明。
权利要求
照明装置(1)，具有-带有至少一个凹部(5)的芯片壳体(2)，该凹部通过反射性的内表面(4)形成边界；-至少一个发射辐射的半导体芯片(3)，该半导体芯片(3)带有设置在凹部(5)中的芯片面(9)；-远离芯片的角过滤元件(6)，该角过滤元件(6)被集成到该芯片壳体(2)中并且在优先方向(V)上设置在该半导体芯片(3)之后，其中所述反射性的内表面(4)至少为芯片面(9)的十倍大。
2.根据权利要求1所述的照明装置(1)，其中所述反射性的内表面⑷比所述芯片面 (9)大一百倍。
3.根据上述权利要求中的任一项所述的照明装置(1)，其中所述反射性的内表面(4) 具有90%或者更高、优选为95%或者更高、特别优选为98%或者更高的反射率。
4.根据上述权利要求中的任一项所述的照明装置(1)，其中由该半导体芯片(3)发出 的、投射到所述角过滤元件(6)上并且在第一入射角范围中的辐射比在第二入射角范围中 的辐射更强地被反射，其中第一入射角范围包括比第二入射角范围更小的入射角。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的照明装置(1)，其中由所述半导体芯片(3) 发出的、投射到所述角过滤元件(6)上并且在第二入射角范围内的辐射比在第一入射角范 围内的辐射更强地被反射，并且第一入射角范围包括比第二入射角范围更小的入射角。
6.根据上述权利要求中的任一项所述的照明装置(1)，其中借助角过滤元件(6)将由 所述照明装置(1)发出的辐射的发射角减小。
7.根据上述权利要求中的任一项所述的照明装置(1)，其中所述反射性的内表面(4) 包括至少一个侧面(8)。
8.根据权利要求7所述的照明装置(1)，其中该侧面(8)凹形地被弯曲。
9.根据权利要求7所述的照明装置(1)，其中内表面⑷具有平坦的底面(7)以及多 个平坦的侧面(8)，这些侧面倾斜于该底面(7)延伸。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的照明装置(1)，其中所述角过滤元件(6)形成 用于该芯片壳体(2)的覆盖物。
11.根据上述权利要求中的任一项所述的照明装置(1)，其中所述角过滤元件(6)具有 结构元件(6a)，这些结构元件圆锥式地、棱锥式地、棱柱式地或者相同反转的CPC式地被构 造。
12.根据权利要求11所述的照明装置(1)，其中所述结构元件(6a)朝着优先方向(V)变细。
13.根据权利要求1至10中的任一项所述的照明装置(1)，其中所述角过滤元件(6) 是介电过滤器。
14.根据上述权利要求中的任一项所述的照明装置(1)，其中所述凹部(5)部分地用填 料(11)填充。
15.根据权利要求14所述的照明装置(1)，其中在所述填料(11)和角过滤元件(6)之间存在气隙。
全文摘要
本发明提出了一种照明装置(1)，具有带有至少一个凹部(5)的芯片壳体(2)，该凹部通过反射性的内表面(4)形成边界。此外，该照明装置包括至少一个发射辐射的半导体芯片(3)，该半导体芯片带有设置在凹部(5)中的芯片面(9)；以及远离芯片的角过滤元件(6)，其集成到芯片壳体(2)中并且在优先方向(v)上设置在半导体芯片(3)之后，其中反射性的内表面(4)至少为芯片面(9)的十倍大。
文档编号H01L33/00GK101878542SQ200880118332
公开日2010年11月3日 申请日期2008年11月26日 优先权日2007年11月30日
发明者R·沃思 申请人:奥斯兰姆奥普托半导体有限责任公司