专利名称：半导体照明设备的制作方法
技术领域：
本公开涉及半导体照明设备(semiconductor luminaire)，具体涉及具有高出光率(light out-coupling efficiency)的半导体照明设备。
发明内容
提供了半导体照明设备，该半导体照明设备包括载体；安装在载体上的光电子半导体芯片，该半导体芯片发出紫外线或可见光辐射；照明设备壳体，其不在主发射度的方向上覆盖半导体芯片；光罩，其在主发射度的方向上放置在半导体芯片的下游；以及折射率匹配层，其位于半导体芯片和光罩之间，其中，光罩提供照明设备的辐射离开面，并且其中，沿着从半导体芯片到辐射离开面的主发射度的方向行进的辐射仅在固体或液体材料中传播。还提供了包括该半导体照明设备的车辆用前照灯。
根据以下结合图描述的代表性示例，该半导体照明设备和车辆用前照灯的有利示例和进展将变得明显。图IA是半导体照明设备的示意截面图。图IB是图IA的半导体照明设备的一部分的分解示意截面图。图2是具有一个半导体芯片的另一照明设备的示意截面图。图3是具有两个半导体芯片的另一照明设备的示意截面图。图4是又一半导体照明设备的示意截面图。图5是另一半导体照明设备的一部分的示意截面图。图6A是又一半导体照明设备的示意截面图。图6B是图6A的半导体照明设备的顶视图。图7A是包括多个光电子半导体芯片的半导体照明设备的一部分的示意截面图。图7B是图7A的半导体照明设备的顶视图。图7C是图7A的半导体照明设备的另一顶视图。图8A是具有多个半导体芯片的半导体照明设备的示意截面图。图8B是图8A的半导体照明设备的顶视图。图9A是结合半导体照明设备的垫圈(gasket)和光罩的示意截面图。图9B是可根据图9A的结构使用的多层结构的示意截面图。图10是又一半导体照明设备的示意截面图。图11是再一半导体照明设备的示意截面图。
具体实施例方式半导体照明设备可包括载体。载体对于半导体照明设备提供机械稳定性。载体还可用作电连接装置。作为示例，载体可以是印刷电路板、电路板、金属芯板、或具有导体路径的陶瓷板。优选地，载体具有低热阻。例如，载体的平均导热性等于或超过40W/(mK)、特别地等于或超过100W (mK)。半导体照明设备可包括至少一个光电子半导体芯片。半导体芯片可安装在载体上，并且能够在照明设备工作期间发出紫外线或可见光辐射。例如，半导体芯片是对于外延生长层具有至多200 μ m、特别是至多20 μ m的薄膜芯片。可以如WO 2005/081319A1或DE 10 2007 004 304A1中所描述地形成半导体芯片，上述文献的与半导体芯片有关的公开内容通过引用被合并于此。特别地，半导体芯片可以是发光二级管或激光二极管或超辐射发光二级管。半导体照明设备还可包括照明设备壳体。在该实例中，该壳体不在主发射度的方向上覆盖半导体芯片。特别地，如果半导体芯片示出郎伯辐射特性(Lambertian radiation characteristic)，则主发射度的方向实质上垂直于半导体芯片的主表面。在这种情况下， 在垂直于半导体芯片的主表面的方向上，不存在照明设备壳体的部分。照明设备壳体优选地由如下材料制成或者包括这样的如下材料该材料对于半导体芯片生成的电磁辐射不透明或半透明。例如，照明设备壳体包括片状金属。半导体照明设备可包括光罩。在半导体芯片的主发射度的方向上，光罩可放置在半导体芯片的下游。换句话说，光电子半导体芯片生成的辐射的主要部分向光罩行进并且优选地穿过光罩。光罩可包括玻璃、塑料等，或由玻璃、塑料等组成。合适的塑料材料例如是聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、液晶聚合物、环氧树脂或环氧-硅复合材料。优选地，光罩被制作成对于半导体芯片生成的辐射、或至少对于该辐射的一部分为透明的和/或透视的 (see-through)0折射率匹配层可位于半导体芯片和光罩之间。折射率匹配材料由液体或优选地由固体组成。还优选地，折射率匹配层可由如下材料制成该材料对于由用在照明设备中的半导体芯片生成的辐射或至少对于该辐射的一部分为透视的。折射率匹配层可直接接触光罩。换句话说，折射率匹配层的材料可触及光罩的材料。折射率匹配层可具有1. 4至1. 9、特别是1. 55至1. 8之间(包括端值)的光折射率。特别地，折射率匹配层的材料的光折射率在半导体芯片的折射率与光罩的折射率之间。光罩可提供半导体照明设备的辐射离开面。换句话说，光罩包括半导体照明设备的如下表面，半导体芯片生成的辐射通过该表面离开照明设备。因此，光照的辐射离开面也是整个半导体照明设备的外表面。沿着从半导体芯片到辐射离开面的主发射度的方向行进的辐射可仅在固体或液体材料中传播。优选地，在光罩的辐射离开面处发出的所有辐射仅在固体材料中从半导体芯片向辐射离开面行进。换句话说，特别地，在半导体芯片和辐射离开面之间、至少在主发射度的方向上不存在空气间隙。因为这个原因，半导体芯片发出的辐射不必须行进穿过由在光折射率上陡峭的、台阶状的跳跃来限定的边界面。因为这个原因，增大了出辐射率。半导体照明设备可包括载体和安装在载体上的光电子半导体芯片。用在半导体照明设备中，半导体芯片适合于发出紫外线和/或可见光辐射。半导体照明设备还可包括照明设备壳体，该照明设备壳体不在主发射度的方向上覆盖半导体芯片。此外，半导体照明设备可包括光罩，该光罩在主发射度的方向上来看放置在半导体芯片的下游。此外，半导体照明设备可包括位于半导体芯片和光罩之间的折射率匹配层。由此，光罩提供了照明设备的辐射离开面。另外，沿着从半导体芯片到辐射离开面的主发射度的方向行进的辐射仅在固体和/或液体材料中传播。光罩可成型为透镜状的，至少在某些地方成型为透镜状的。因此，借助于光罩，可以以预定方式形成半导体照明设备发出的辐射的辐射分布。例如，光罩校准半导体芯片生成的辐射。半导体照明设备还可包括散热器。散热器可以是无源的散热器或有源的散热器。 例如，散热器包括冷却叶片。散热器还可有可能包括热-电元件，例如，佩尔蒂埃(Peltier) 元件或风扇。另外，可以通过散热器实现由气体或液体的循环进行的冷却效果。载体可以是直接提供在散热器上的印刷电路板。载体直接提供在散热器上意味着在载体和散热器之间仅存在比如焊料的结合剂。因为这个原因，可以实现载体和散热器之间的低热阻。因此，可以通过散热器执行光电子半导体芯片的有效冷却。光罩可包括法兰。法兰例如是底座状的结构，其在横向方向上至少部分围绕光罩的透镜状部分。光罩可借助于照明设备壳体和借助于法兰固定到半导体照明设备。换句话说，法兰例如可以通过照明设备壳体的相异的(distinct)部分被按压到载体。半导体照明设备所包括的垫圈可以位于光罩和半导体壳体之间，以密封载体和半导体芯片，特别是防止灰尘、潮湿和水。优选地，垫圈直接接触光罩和照明设备壳体。垫圈可包括例如橡胶和/或硅，或者由橡胶和/或硅组成。垫圈、照明设备壳体以及光罩可在横向方向上重叠。换句话说，可存在如下一条直线该直线定向为与跨越该垫圈以及照明设备壳体和光罩的主发射度的方向平行。半导体芯片可直接安装在载体上。换句话说，在半导体芯片和载体之间，至多存在比如焊料或导电胶的结合剂。优选地，在半导体芯片和载体之间不存在其他部分、特别是不存在比如具有低导热性的塑料的材料。半导体照明设备还可包括芯片壳体，其中半导体芯片放置在芯片壳体中。该壳体可包括引线框(lead frame)和塑料材料以及铸塑材料。可以以如下方式将芯片壳体直接安装在载体上优选地，在芯片壳体或部分芯片壳体和载体之间仅存在结合剂。在该意义上结合剂还也布置在部分芯片壳体和载体之间的导热膏。特别地，芯片壳体包括在其上安装有半导体芯片的热插座(thermal socket)，该插座通过导热膏热接触载体。半导体照明设备可包括多个半导体芯片，其中，所有半导体芯片由光罩覆盖。特别地，在垂直于半导体芯片的主表面的方向上，半导体芯片之后是光罩。因此，半导体芯片生成的辐射的主要部分穿过光罩来行进。光罩可以是一体式的。在这种情况下，半导体照明设备有可能恰好包括一个光罩。光罩可包括透镜矩阵。特别地，透镜矩阵与光罩集成地形成。因此，一体式地形成了光罩和透镜矩阵。光罩的透镜矩阵的每个透镜和每个半导体芯片可相对于彼此以一对一的方式分配。因此，半导体芯片的数量也可以等于透镜矩阵的透镜的数量。
半导体照明设备可包括多个半导体芯片和多个光罩，其中，光罩布置在载体上并且在横向方向上位移。优选地，每个光罩被分配给一个或更多个半导体芯片。在这种情况下，半导体照明设备包括比光罩更多的光电子半导体芯片。光罩的辐射离开面可与照明设备壳体的外表面齐平。这能够实现半导体照明设备的特别平坦的设计。半导体芯片可位于光罩的凹入部中。特别地，半导体芯片可完全由光罩和载体围绕，并且最终还由将光罩和载体彼此锁住的结合剂围绕。此外，提供了车辆用前照灯。前照灯特别适于在诸如汽车或卡车的机动车辆中使用。特别地，车辆用前照灯包括根据前述形式之一的一个或更多个照明设备。因此，针对半导体照明设备所公开的主题内容也是针对车辆用前照灯所公开的主题内容，反之亦然。在代表性示例和图中，类似或类似地作用的组成部分提供有相同附图标记。图中示出的元件和它们的彼此之间的尺寸关系不应该被认为是真实的比例。相反，为了更好的描述和/或为了更好的理解，可以用夸大的尺寸表示各个元件。在图IA中，以截面图示出了半导体照明设备1的示例形式。可以是车辆用前照灯的半导体照明设备1包括光罩6，在图IB中的截面图中更详细地示出了光罩6。半导体照明设备1还包括散热器9，该散热器9具有顶部面90和远离顶部面90的冷却叶片95。载体2布置在顶部面90上。作为示例，载体2是印刷电路板、金属芯板或在载体2的主区域 20上配备有导通路径的陶瓷，主区域20远离散热器9。借助于结合剂11，光电子半导体芯片3安装在载体2的主区域20上。结合剂11 是例如焊料。用在半导体照明设备1中，半导体芯片3适于由箭头所指示地在主发射度的方向M上发出可见光和/或紫外线辐射。作为示例，主发射度的方向M被定向为实质上相对于载体2的主区域20垂直。可以使主区域20反射辐射。在图中未示出的变体中，通过例如在半导体芯片之后的附加的反射镜来使主发射度的方向转向。此外，半导体芯片3在不面对着载体2的表面上围绕有折射率匹配层7。半导体芯片3完全由折射率层匹配层7和载体2围绕。折射率匹配层7大体上成型为半球的形式。层形式的荧光转换材料15附着于半导体芯片3远离载体2的表面上。荧光转换材料15吸收半导体芯片3发出的辐射的至少一部分，并且将该辐射转换成具有另一波长的辐射。因此，半导体照明设备1发出的辐射可以是白光，该白光包括混合有通过转换荧光材料15中的转换生成的辐射的、由半导体芯片3最初发出的辐射。虽然没有在图中明确地画出，但是转换荧光材料15可以出现在所有图中。此外，光罩6包括透镜部分61和法兰62。在透镜部分61中，光罩6被成型为透镜状的。由半导体芯片3和荧光转换材料15发出的辐射的辐射特性可以经由透镜部分61来形成。此外，光罩6包括凹入部65，在该凹入部65中，布置有半导体芯片3和折射率匹配层 7。凹入部65的内表面64直接接触折射率匹配层7。经由在横向方向上可以部分或完全围绕透镜部分61的法兰62，光罩6通过垫圈8 和照明设备壳体5固定到载体2和散热器9。在平行于主发射度的方向M的方向上，光罩6 的法兰62、垫圈8以及照明设备壳体5的一部分彼此堆叠。因此，光罩6通过垫圈和照明设备壳体按压在载体2上。借助于垫圈8，半导体芯片3以及载体2被密封以防止灰尘、水和 /或潮湿。因此，垫圈8直接接触照明设备壳体5和光罩6的法兰62。
通过光罩6形成半导体照明设备1的辐射离开面16。因此，来自半导体芯片3的辐射仅在固体材料中从半导体芯片3向辐射离开面60行进。因此，光罩6的辐射离开面60 也是半导体照明设备1的外表面。照明设备壳体5具有外表面50。照明设备壳体5还包括开口 55，在开口 55中，至少布置了光罩6的透镜部分61。特别地，照明设备壳体的外表面50与光罩6的辐射离开面 60齐平。在图2中，示出了具有一个半导体芯片3的另一照明设备的示例。芯片3位于芯片壳体4中。因此，芯片3不直接接触载体2。此外，在芯片3和透镜16之间存在空气间隙 13。透镜16通过两个支持物12固定到载体2。另外的空气间隙13出现在透镜16和照明设备壳体5之间，照明设备壳体5对于半导体芯片3发出的辐射是透明的。壳体5形成照明设备的外表面50以及辐射离开面50。另外，芯片3在与该芯片生成的辐射的主发射度的方向M平行的方向上由壳体5覆盖。由于空气间隙13，关于芯片3和该空气间隙之间、两个空气间隙13和透镜16之间、以及远离载体2的空气间隙13和壳体5之间的光折射率，存在相对大的不连续性。在这些空气间隙的每个边界表面上，由于光折射率的跳跃，大约5%的辐射被反射回载体2和/ 或芯片3。因此，由于两个空气间隙13，根据图2的照明设备的出光率大体上降低了 10%。 该大约10%的损失没有出现在所选的结构中，诸如，没有出现在例如如图1所描绘的半导体照明设备1中。因此，增大了例如根据图1的半导体照明设备1的效率。在图3中，示出了具有两个半导体芯片3的另一照明设备。根据图3，在光罩6和透镜16之间也存在空气间隙13。由于该空气间隙，与如图1所描绘的半导体照明设备1相比，根据图3的设备的出光率降低了大约5%。在透镜16和半导体芯片3之间还可能存在可以进一步降低照明设备的效率的空气间隙。此外，由于半导体芯片3和散热器9之间的结合剂11、载体2以及壳体，因此存在比较大的热阻。因此，降低了根据图3的照明设备的关于热方面的性能。因为根据图1的半导体芯片3直接安装在载体上并且载体2直接接触散热器90，因此，增大了从半导体芯片 3到散热器9的热传递。图4示出了半导体照明设备1的另一示例。与图1的结构相对照，半导体芯片3 布置在芯片壳体4中，芯片壳体4例如由硅、硅-环氧复合材料、环氧树脂等构成。芯片壳体4被成型为透镜状并且可以用来降低半导体芯片3生成的辐射的发射角。半导体照明设备1可以用在车辆用前照灯中以及诸如图5至11中的所有其他示例中。在这种情况下，半导体照明设备1发出的辐射的辐射特性优选地是不对称的，以满足例如用于汽车的前照灯的需求。在如图5所描绘的示例中，光罩6包括多个透镜部分61，每个透镜部分61形成为显微透镜。可以类似地形成光罩6的透镜部分61。可替选地，透镜部分61还可以彼此不同，以例如形成菲涅尔(Fresnel)透镜状的光罩6。与图4中一样，半导体芯片3布置在芯片壳体4中。经由芯片壳体4，半导体芯片 3发出的辐射高效率地被收集、并且被引导到主发射度的方向M。由于在光罩6中形成了多个透镜部分61，半导体照明设备1可以被形成为非常平坦并且节省体积的。现在，参照根据图6的示例，诸如在图6A的截面图和图6B的顶视图中，半导体照CN 102549459 A
明设备包括多个半导体芯片3和多个光罩6。每个半导体芯片3恰好分配给一个光罩6，并且反之亦然。每个光罩6借助于垫圈8和一体式的照明设备壳体5固定到载体2。因此，可以实现具有高光度的半导体照明设备1。根据图7，诸如在图7A的截面图和图7B及7C的顶视图中，半导体照明设备1包括多个光电子半导体芯片3，并且光罩6包括具有多个透镜部分61的透镜阵列。每个透镜部分61分配给一个半导体芯片3。载体2位于散热器9的凹入部中。因此，载体2的主区域 20与散热器9的顶部面90齐平。如图7C所示，光罩6是包括多个透镜部分的一个工件。作为替选，根据图7B的半导体照明设备1包括更多个光罩6，这些光罩6中的每个包括例如四个透镜部分61。因此， 在这两者情况下，透镜部分61布置在阵列状的结构中。与根据图1和4至6的示例相对照，根据图7，光罩6在横向方向上在载体2上方伸出(project)。因此，在平行于主发射度的方向M的方向上，散热器9、光罩6、垫圈8以及照明设备壳体5依次彼此直接接触。通过光罩6在载体2上方的横向伸出，通过利用散热器9固定光罩6，载体2在机械上解除了负担。根据图8(图8A中的截面图和图8B中的顶视图)，多个半导体芯片3布置在光罩 6的一个公共凹入部65中。照明设备壳体5被成型为U状的，以将光罩6和载体2与散热器9扣紧。在照明设备壳体5的支持部分52和散热器9之间，可以可选地提供额外的密封构件14，以使半导体芯片3和载体2完全密封免受环境/周围情况影响。为了简化图形表示，在图8B中，不同于图8A中的图示，示出了二乘二个半导体芯片3的布置。根据图9A中的截面图，在与半导体芯片3的主发射度的方向M垂直的横向方向上，垫圈8与光罩6齐平。根据图9B中的截面图，载体2可以是多层结构，该多层结构包括电介质层21、导电层22以及掩模层23。电介质层21例如由陶瓷或塑料组成，或包括陶瓷或塑料。优选地， 电介质层21的热阻是可忽略的。导电层22例如是铜层。掩模层23可以是具有结构化的焊料的层。例如，掩模层23仅出现在半导体芯片3的电触点施加到载体2的区域中。载体 2的总厚度可以在100 μ π!至2mm之间(包括端值)、优选地在300 μ m至Imm之间(包括端值)。根据如图10所示的示例的载体2包括调节器或调节装置25。经由具有面对光罩 6的倾斜的横向面的调节装置25，也可以具有倾斜的横向面的光罩6可以以简单的方式相对于载体2被准确地调节。半导体芯片3例如布置在壳体4中。特别地，半导体芯片3可以布置在由高热导材料制成的插座17上，该高热导材料例如借助于导热膏与载体2热接触。可以在安装光罩6之前，将芯片壳体4焊接到载体2。为了通过用于折射率匹配层 7的材料来填充凹入部65，或者为了能够实现释放空气，否则空气会困在凹入部65中，光罩 6可以可选地包括在透镜状部分61的横向表面上的导管66。这样的导管可还以提供在所有示例的光罩中。不同于图10，导管66还可以由用于更好地密封导管66的垫圈8覆盖。如在所有其他示例中的那样，光罩6可以从照明设备壳体5的外表面50突出。
在图11中示出了另一示例。以该形式，载体2与光罩6齐平，以简化半导体照明设备1的安装。照明设备壳体5中的开口 55的横向表面是逐渐变细的(tapered)。此外， 垫圈8固定到照明设备壳体5的面对散热器9的侧面。因此，在半导体照明设备1的安装期间，垫圈8和照明设备壳体5可以被认为是一个工件。由于开口 55的逐渐变细的横向表面，因此可以最小化在横向方向上分别接近外表面50和辐射离开面60的、在照明设备壳体 5和光罩6之间的间隔。以该形式，垫圈8在横向方向上伸出光罩6和载体2上方。该公开不限于基于这些示例来描述的代表性示例。相反，本公开包含任意的新特征以及特征的任意组合，特别地包括权利要求中的特征的任意组合和示例中的特征的任意组合，即使该特征或该组合本身没有在权利要求或示例中明确地指定。
权利要求
1.一种半导体照明设备，包括载体；安装在所述载体上的光电子半导体芯片，所述半导体芯片发出紫外线或可见光辐射；照明设备壳体，其不在主发射度的方向上覆盖所述半导体芯片；光罩，其在主发射度的方向上放置在所述半导体芯片的下游；以及折射率匹配层，其位于所述半导体芯片和所述光罩之间，其中，所述光罩提供照明设备的辐射离开面，并且其中，沿着从所述半导体芯片到所述辐射离开面的主发射度的方向行进的辐射仅在固体或液体材料中传播。
2.根据权利要求1所述的半导体照明设备，其中，所述光罩至少部分被成型为透镜状的。
3.根据权利要求1所述的半导体照明设备，其还包括散热器，其中，所述载体直接提供在所述散热器上。
4.根据权利要求1所述的半导体照明设备，其中，所述光罩包括法兰，所述光罩通过所述照明设备壳体和通过所述法兰固定到所述载体。
5.根据权利要求1所述的半导体照明设备，其还包括垫圈，所述垫圈位于所述光罩和所述照明设备壳体之间，以密封所述载体和所述半导体芯片免受周围情况影响。
6.根据权利要求5所述的半导体照明设备，其中，所述垫圈、所述照明设备壳体以及所述光罩在横向方向上重叠。
7.根据权利要求1所述的半导体照明设备，其中，所述半导体芯片直接安装在所述载体上，所述载体是选自包括如下项的组中的一项电路板、印刷电路板、陶瓷以及金属芯基板。
8.根据权利要求1所述的半导体照明设备，其还包括所述半导体芯片被放置在其中的芯片壳体，所述芯片壳体直接安装在所述载体上。
9.根据权利要求1所述的半导体照明设备，其包括多个半导体芯片，所有半导体芯片由所述光罩覆盖，并且所述光罩是一体式的。
10.根据权利要求1所述的半导体照明设备，其中，所述光罩包括透镜阵列，每个透镜和每个半导体芯片彼此一对一地被分配。
11.根据权利要求1所述的半导体照明设备，其包括多个半导体芯片和多个光罩，所述光罩被布置在所述载体上、在横向方向上位移、并且借助于所述照明设备壳体被固定，每个光罩被分配给一个或更多个半导体芯片。
12.根据权利要求1所述的半导体照明设备，其中，所述光罩的辐射离开面与所述照明设备壳体的外表面齐平。
13.根据权利要求1所述的半导体照明设备，其中，所述半导体芯片位于所述光罩的凹入部中。
14.一种包括根据权利要求1所述的半导体照明设备的车辆用前照灯。
全文摘要
一种半导体照明设备包括载体；安装在载体上的光电子半导体芯片，该半导体芯片发出紫外线或可见光辐射；照明设备壳体，其不在主发射度的方向上覆盖半导体芯片；光罩，其在主发射度的方向上放置在半导体芯片的下游；以及折射率匹配层，其位于半导体芯片和光罩之间，其中，光罩提供照明设备的辐射离开面，并且其中，沿着从半导体芯片到辐射离开面的主发射度的方向行进的辐射仅在固体或液体材料中传播。
文档编号G02B3/00GK102549459SQ200980161631
公开日2012年7月4日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者克里斯托弗·艾克尔伯格, 金伯利·派勒 申请人:欧司朗光电半导体有限公司