LED热量和光子提取装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于半导体的光源（15），它包括背部（5）、正面（45）和具有发光表面的至少一个半导体芯片（20）、被安置在所述至少一个半导体芯片（20）下方的至少一个反射光学元件（25）、被布置在所述反射光学元件（25）的面向所述正面（45）的一侧上的具有低折射率的材料（30）（低n材料），其中，所述基于半导体的光源（15）包括在所述正面（45）上的具有高折射率的复合材料（35）（复合高n材料），所述复合材料具有嵌入其中的至少一个衍射光学元件（40），如此以将入射在所述衍射光学元件（40）上的光朝向优选方向引导。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术在第一方面中涉及半导体光源，特别是发光二极管(LED)，并且在封装的发光二极管(LED)的领域中具有特殊适用性。在第二方面中，本专利技术涉及用于半导体器件的热传递装置。 背景通常，LED由掺有杂质的半导体材料如砷化镓(GAAS)、氮化镓(GAN)、铟镓氮化物(INGAN)或类似物的芯片构成，如此以创建所谓的p-n结，其中电流从P侧或阳极流至η侧或阴极，但不在相反方向上流动。用于LED的大多数材料具有非常高的折射率。因此，多数光将被TIR和菲涅耳(Fresnel)反射回在材料/空气表面界面处的材料。因此，LED中的光提取是LED生产的重要方面，受到大量研发的影响。通常，LED发出光，该光具有在从电磁波谱的可见部分之外的红外线至紫外线以及甚至深紫外线的范围内的波长。在实践中，各种LED已被制造，发出的光具有在从约IOOOnm(红外线)至约200nm (深紫外线)的范围中的波长。LED通常以封装的形式出售，该形式包括安装在金属管座上的LED芯片。管座具有反光杯，其中安装了 LED管芯，并且电引线连接到LED管芯。该封装还包括密封LED管芯的模制的透明树脂。密封树脂一般具有名义上的半球形前表面以部分地使从LED管芯发射的光准直。常规的LED封装发射光到空气中，其促使LED封装内部的光子通过全内反射(TIR)和菲涅耳反射保持被俘获并使在LED封装内的热量主要穿过LED封装的背侧逸出到附着的散热器。LED的寿命随由于散热不良和光子到电子的重组导致的温度上升而减少，该重组会输出光子，所述光子最终聚合而加热LED芯片内部。LED芯片接触密封树脂，在许多情况下，密封树脂具有低导热率，并且特别地，短波长的LED随时间使密封树脂恶化，在某种程度上增加了吸收并对光子的发射和内部热量的形成产生不利影响。对于LED应用，有关能量输入(lm/W)、芯片面积(Im/芯片面积)以及生产和/或销售({m/€)的成本的输出容量是重要的。如下面以及权利要求中使用的，表述“低η材料”、“低η层”以及类似物意思是具有低折射率的材料或层，其中低折射率旨在包含I. 4或更低的折射率。如下面以及权利要求中使用的，表述“复合高η材料”、“高η层”以及类似物意思是具有高折射率的材料，其中高折射率旨在包含I. 5或更高的折射率。如下面以及权利要求中使用的，表述“具有高导热率的材料”旨在包含具有200(W · πΓ1 · Γ1)或更高的导热率的材料。简要概述在第一方面中，本专利技术的目的在于提供一种基于半导体的光源，该光源消除或减轻了上述问题并具有改善的输出容量和效率。在第二方面中，本专利技术的目的在于提供一种用于半导体器件的热传递装置，该热传递装置消除或减轻了上述所关注的至少就散热和导热率而言的问题。根据本专利技术的第一方面，上述目的通过基于半导体的光源来实现，所述基于半导体的光源包括背部、正面以及具有发光表面的至少一个半导体芯片、被安置在所述至少一个半导体芯片的下 方的至少一个反射光学元件、被布置在面向所述正面的所述反射光学元件的一侧上的低折射率材料(低η材料)，其中，所述基于半导体的光源包括在所述正面上的具有高折射率的复合材料(复合高η材料)，所述复合材料具有嵌入在其中的至少一个衍射光学元件，如此以将在所述衍射光学元件上入射的光朝向优选方向引导。因此，提供基于半导体的光源，其中从半导体芯片的发光表面到周围环境的光的发射的临界角增加，这反过来又增加每单位时间发射的光子数量，从而实现了增强的和改进的输出容量以及因此提高了基于半导体的光源的效率。此外，通过基于半导体的光源的表面的热传递增加，从而对半导体芯片提供了改善的散热并因此提供了改善的冷却，这反过来又有助于提高基于半导体的光源的效率。根据本专利技术的第二方面，上述目的通过用于半导体器件的热传递装置来实现，所述热传递装置适于被安置在半导体器件的与所述半导体器件的发光表面或吸收表面相对的表面上，以及所述热传递装置是各向异性的热传递装置并包括复合材料，所述复合材料包括具有高折射率和高导热率的材料。因此，提供了热传递装置，通过热传递装置，穿过所述半导体器件的表面的热传递增加，从而以特别简单和可靠的方式对半导体器件提供了改善的散热并因此提供了改善的冷却。此外，这样的热传递装置在生产时很便宜。从各自的从属权利要求并从下面的详细描述将发现本专利技术的进一步的实施方式和不同方面的优点是明显的。附图简述整个说明书中，参考了附图，其中相同的参考标号表示相同的元件，并且其中图I示出根据本专利技术的第一方面的基于半导体的光源，图2示出安装在波导上的根据本专利技术的第一方面的基于半导体的光源，以及图3示出根据本专利技术的第二方面的热传递装置。示例性实施方式的详述在下文中，本专利技术的各个方面将借助半导体器件是发光二极管(LED)封装、优选为高亮度发光二极管(LED)封装形式的半导体光源的优选实施方式进行说明。与其相关联的优点被公开在相关实施方式的讨论中。这是为了让读者更充分地理解所要求保护的本专利技术的设计细节和变化。在图I中，示出了根据本专利技术的第一方面的基于半导体的光源的优选实施方式，散热器10连接到LED封装15的背部5，LED封装15包括位于金属镜25的顶部上的LED芯片20，金属镜25通过具有低折射率η的电介质材料30 (在下文中表示为“低η材料30”)中的开口电连接至LED芯片20，低η材料30弓丨起全内反射(TIR)以使光反射回LED芯片20以及具有高折射率η的复合材料35 (在下文中表示为“复合高η材料35”)，复合材料35具有在LED封装正面45下方的嵌入的衍射光学元件40。散热器10通过整个应用的外表面(其中LED封装15被包含)或整个应用的内部通过气流对流连接到外部。复合高η材料35由混合有高导热率和可选的高导电率的高折射率材料(如碳化硅(SiC)和/或金刚石颗粒)的可固化聚合物(如环氧树脂、硅酮或硅烷)构成，所述颗粒的大小小于从LED芯片20发射的光的波长，使得该复合材料具有组合的可调节的折射率，其可更好地匹配LED芯片20用于耦合LED芯片20内部没有光的TIR或菲涅耳反射俘获的最佳光学输出。如前言所描述，从LED芯片20发射的光的波长通常在200nm和IOOOnm之间，这取决于LED的特定类型。任何可固化聚合物可以用于高η材料35，可固化聚合物一般通过施加热量来固化，例如热固性聚合物，或可固化聚合物可通过暴露于光例如紫外光来固化。可固化聚合物和有关固化它们的原理在本领域内是众所周知的。金刚石颗粒，例如金刚石纳米粉尘，可以掺杂硼以提高导电率使得LED芯片20可以通过复合高η材料35电连接。导电率和导热率可以借助在复合材料中包含碳纳米管(CNT)来进一步增强。CNT具有沿长轴方向的高导热率和导电率。CNT可以通过在聚合物被固化之前和在聚合物被固化的时候发送电流来与电场线对准。添加金属离子或透明材料如铟锡氧化物(ΙΤ0)，可以进一步提高导电率。聚合物的固化可以通过短波长的光、热量来实现，或聚合物可以混合为双组分固化聚合物。金刚石的硼掺杂创建了具有减少的在蓝色光谱外的光传输的特征的金刚石，其导致向下入射的所改变的白光的有利过滤，白光可在进入LED芯片20之前通过吸收来衰减并从 而产生更少的热量管理问题。嵌入的衍射光学元件40本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.03.06 DK PA2010001771.一种基于半导体的光源，包括 背部、正面以及具有发光表面的至少一个半导体芯片， 至少一个反射光学元件，其被安置在所述至少一个半导体芯片的下方， 具有低折射率的材料(低η材料)，其被布置在面向所述正面的所述反射光学元件的一侧上， 其中，所述基于半导体的光源包括在所述正面上的具有高折射率的复合材料(复合高η材料)，所述复合材料具有嵌入其中的至少一个衍射光学元件，如此以将入射在所述衍射光学元件上的光朝向优选方向引导。2.如权利要求I所述的光源，还包括连接到所述背部的散热器。3.如权利要求I所述的光源，其中，所述至少一个衍射光学元件包括具有比由所述至少一个半导体芯片发射的光的波长小的图案特征的蛾眼结构，所述蛾眼结构在分别具有高折射率和低折射率的材料之间的过渡处创建渐变的复合折射率，如此以减少菲涅耳反射或引起菲涅耳反射。4.如权利要求I所述的光源，其中，所述至少一个衍射光学元件被压印在低η薄膜上。5.如权利要求I所述的光源，其中，所述至少一个衍射光学元件适于从所述半导体芯片发射的波长。6.如权利要求I所述的光源，其中，所述至少一个衍射光学元件是双面的。7.如权利要求I所述的光源，其中，所述至少一个衍射光学元件被放置在所述光源的发光表面的上方。8.如权利要求I所述的光源，其中，所述至少一个衍射光学元件通过使用第一纳米压印光刻技术进入固化的低η材料并随后借助压印器按入固化的高η复合材料来生产。9.如权利要求I所述的光源，其中，所述至少一个衍射光学元件通过使用嵌入高η复合材料的至少单侧被纳米压印光刻的低η薄膜来生产。10.如权利要求I所述的光源，其中，所述至少一个反射光学元件是镜反射光学元件。11.如权利要求11所述的光源，其中，所述镜反射光学元件是金属镜。12.如权利要求I所述的光源，其中，所述镜反射光学元件是具有全内反射(TIR)的由覆盖金属镜的低η电介质材料形成的镜，所述金属镜创建了从所述复合高η材料的较大的折射率过渡。13.如权利要求I所述的光源，其中，所述复合高η材料由聚合物制成，所述聚合物借助包含碳化硅颗粒(SiC)、金刚石纳米颗粒、掺杂硼的金刚石纳米颗粒、碳纳米管(CNT)、单壁碳纳米管(SWCNT)、陶瓷颗粒或金属颗粒如铟锡氧化物(ITO)、铜、银、金或类似物的颗粒的至少一种而制成导热性的。14.如权利要求13所述的光源，其中，所述CNT和/或SWCNT与连接某点的电场线对齐，所述半导体芯片在固化封装材料之前被安装至该点。15.如权利要求13所述的光源，其中，所述碳化硅颗粒、金刚石颗粒和/或掺杂硼的金刚石纳米颗粒包括小于由所述至少一个半导体芯片发射的光的波长的直径。16.如权利要求13所述的光源，其中，所述聚合物是环氧树脂、硅酮或硅烷中的任何一种。17.如权利要求I所述的光源，其中，所述镜实质上具有直立的脊和90度以上的角度，如此以对将半导体芯片发射向上朝向所述至少一个衍射光学元件的TIR镜反射进行增强。18.如权利要求I所述的光源，其中，多个半导体芯片被布置在具有镜反射表面的沟槽内，所述镜反射表面实质上是直立的脊并且角度在90度以上，如此以对将半导体芯片发射向上朝向所述至少一个衍射光学元件的TIR镜反射进行增强。19.如权利要求I所述的光源，其中，多个半导体芯片被布置在具有镜反射表面的基本上呈圆形延伸的形状内，所述镜反射表面实质上是直立的脊并且角度在90度，以上如此以对将半导体芯片发射向上朝向所述至少一个衍射光学元件的TIR镜反射进行增强。20.如权利要求I所述的光源，其中，一个或多个半导体芯片被安装在具有电介质层的导电反射薄膜上，所述电介质层在所述半导体芯片被安装的地方穿孔。21.如权利要求I所述的光源，其中，一个或多个半导体芯片被安装在具有电介质层的导电反射薄膜上，所述电介质层在所述半导体芯片被安装的地方穿孔，所述一个或多个半导体芯片被电连接和层叠到具有连接到所述半导体芯片的薄反射电极的透明薄膜。22.如权利要求I所述的光源，其中，一个或多个半导体光源被安装在波导器件上，所述波导器件被构造为包括金属构件、内部低η层、高η透明波导、荧光点和外部保护性低η层的层压板。23.如权利要求22所述的光源，其中，所述内部低η层是透明的、滤色的或不透明的，和/或所述外部保护性低η层折射率匹配所述波导或所述高η层。24.如权利要求22所述的光源，还包...

【专利技术属性】
技术研发人员：延司·瓦根伯莱斯特·思达伯·奥斯特格尔德，戴维·斯文森，
申请(专利权)人：柏布里特有限公司，
类型：
国别省市：