光电组件、光电布置、用于生产光学元件的方法以及用于生产光电组件的方法

摘要

本发明涉及包括具有辐射发射表面的光电半导体芯片的光电组件。光学元件被布置在所述辐射发射表面上。所述光学元件具有光散射颗粒集成到其中的材料。所集成的光散射颗粒的浓度具有梯度，所述梯度形成关于所述辐射发射表面从90°偏离的角度。

说明书

技术领域

本发明涉及如专利权利要求1中要求保护的光电组件、如专利权利要求8中要求保护的光电布置、如专利权利要求10中要求保护的用于生产光学元件的方法以及如专利权利要求15中要求保护的用于生产光电组件的方法。

背景技术

本专利申请要求德国专利申请DE102013222702.7的优先权，其公开内容被通过引用合并到此。

被配置以便侧向发射电磁辐射的光电组件（例如发光二极管组件）从现有技术是已知的。已知的是例如使用这样的光电组件以用于液晶显示器的背光照明。在此情况下，以如下这样的方式来布置光电组件：由光电组件发射的辐射被侧面地照耀进入光导。针对已知的光电组件的辐射的侧向偏离所要求的光学部分限制了减少这样的已知布置的厚度的可能性。

发明内容

本发明的目的是提供一种光电组件。通过具有权利要求1的特征的光电组件来实现该目的。本发明的另一目的是提供一种光电布置。通过具有权利要求8的特征的光电布置来实现该目的。本发明的另一目的是提供一种用于生产光学元件的方法。通过具有权利要求10的特征的方法来实现该目的。本发明的另一目的是提供一种用于生产光电组件的方法。通过具有权利要求15的特征的方法来实现该目的。在从属权利要求中指定各种改良。

一种光电组件，包括：光电半导体芯片，具有辐射发射面。光学元件被布置在所述辐射发射面上。所述光学元件包括其中嵌入光散射颗粒的材料。所嵌入的光散射颗粒的浓度具有造成关于所述辐射发射面成不等于90°的角度的梯度。

有利地，该光电组件的光学元件的材料中所嵌入的光散射颗粒的倾斜浓度梯度的效果是由该光电组件的光电半导体芯片在其辐射发射面处发射的电磁辐射的侧向偏离。所述光电组件因此有利地适合于将电磁辐射耦合到被布置为侧向地挨着所述光电组件并且被平行于所述光电半导体芯片的辐射发射面定向的光导中。归因于光电半导体芯片所发射的电磁辐射的侧向偏离，因此在此情况下不必把光电半导体芯片的辐射发射面转向光导。这使得可以将光电组件的光电半导体芯片在载体上布置得平坦，这允许光电组件的光电半导体芯片的良好热连接。更进一步地，光电组件可以因此例如被配置作为表面可安装的SMD组件，这允许光电组件的简单并且经济的安装。

在所述光电组件的一个实施例中，所述角度在35°和55°之间。优选地，所述角度在40°和50°之间。例如，所述角度可以是大约45°。通过这样有利地实现的效果是，在与辐射发射面垂直的方向上在所述光电组件的光电半导体芯片的辐射发射面处所发射的电磁辐射被由所述光学元件近似地通过直角来进行偏离。

在所述光电组件的一个实施例中，所述材料包括硅酮、聚碳酸酯或玻璃。有利地，所述材料因此形成承载所嵌入的光散射颗粒的光学上本质上透明的基质。

在所述光电组件的一个实施例中，所述光散射颗粒具有在200nm和50μm之间的平均大小。有利地，所述光散射颗粒因此引起由所述光电半导体芯片发射的电磁辐射的有效散射。

在光电组件的一个实施例中，所述光散射颗粒包括TiO₂、Al₂O₃、Hf₂O₅或SiO₂。有利地，所述光散射颗粒因此引起由所述光电半导体芯片发射的电磁辐射的有效散射。

在所述光电组件的一个实施例中，所述光学元件在与辐射发射面垂直的方向上具有0.1mm和1mm之间的在辐射发射面上的厚度。优选地，所述光学元件具有小于0.3mm的厚度。这有利地使得可以将所述光电组件配置为具有总体上非常小的厚度（高度）。所述光学元件的小的厚度更进一步地使得可以把由所述光电组件的光电半导体芯片发射的电磁辐射耦合到具有小的厚度的光导中。

在所述光电组件的一个实施例中，波长转换颗粒被附加地耦合在所述光学元件的材料中。所述波长转换颗粒可以在此情况下例如被配置作为有机发光材料或无机发光材料。所述波长转换颗粒也可以包括量子点。所述光学元件的材料中所嵌入的所述波长转换颗粒可以被用于转换由所述光电组件的光电半导体芯片发射的电磁辐射的波长。可以例如配置所述光电半导体芯片，以便发射具有蓝色谱范围中的波长的电磁辐射。可以例如配置所述波长转换颗粒，以便将具有蓝色谱范围中的波长的电磁辐射转换为具有白色谱分布的电磁辐射。

一种光电布置，包括：上面提到的类型的光电组件；以及光导。所述光导在此情况下被布置为侧向地挨着所述光学元件。有利地，该光电布置的所述光电组件可以将电磁辐射（例如可见光）耦合到光导中。所述光电布置因此适合于例如用于液晶显示器中的背景照明。有利地，所述光电布置可以被配置为在与所述光电半导体芯片的辐射发射面垂直的方向上非常薄。

在所述光电布置的一个实施例中，所述光导被平行于所述辐射发射面定向。有利地，以此方式，在所述光电布置的所述光电组件的所述光学元件中偏离的电磁辐射可以被耦合到所述光导中，并且由所述光导传送。

一种用于生产光学元件的方法，包括：形成具有嵌入的光散射颗粒的材料的块的步骤，嵌入的光散射颗粒的浓度具有梯度；以及划分所述块以便获得具有下侧的光学元件的步骤，所述梯度造成关于所述下侧成不等于90°的角度。可以通过该方法获得的所述光学元件允许在与下侧垂直的方向上在下侧处偏离进入所述光学元件的电磁辐射。有利地，所述方法允许所述光学元件的简单并且经济的生产。

在所述方法的一个实施例中，为了形成所述块，执行提供具有嵌入的光散射颗粒的材料的层的步骤；允许所述光散射颗粒在所述材料中下沉从而形成浓度梯度的步骤；以及固化所述层的材料以便形成所述块的步骤。有利地，该方法允许特别简单并且经济地形成具有嵌入的光散射颗粒的块，嵌入的光散射颗粒的浓度具有梯度。在此情况下，有利地使用重力以便形成所述梯度。

在所述方法的一个实施例中，为了形成所述块，执行提供所述材料的第一层和所述材料的第二层的步骤，所述第一层具有嵌入的光散射颗粒的第一浓度，并且所述第二层具有嵌入的光散射颗粒的第二浓度；以及平坦接合所述第一层和所述第二层以便形成所述块的步骤。有利地，该方法允许特别精确地控制所述块的材料中所嵌入的所述光散射颗粒的浓度梯度的配置。可以例如借助于粘接剂通过层的粘接接合来执行所述第一层和所述第二层的平坦接合。作为替换，所述第一层和所述第二层可以在所述第一层的材料和所述第二层的材料被完全固化彼此接合。这可以使得能够避免使用分离的粘接剂。

在所述方法的一个实施例中，为了形成所述块，执行共同挤压所述材料的所述第一层和所述材料的所述第二层的步骤，所述第一层具有嵌入的光散射颗粒的第一浓度，并且所述第二层具有嵌入的光散射颗粒的第二浓度，所述第一层和所述第二层在其中一个放于另一个上的同时被共同挤压以便形成所述块。有利地，该方法还允许精确地控制所述块的材料中所嵌入的光散射颗粒的浓度梯度的配置。归因于形成所述块的层的共同挤压，层的后续接合有利地是不必要的。

在所述方法的一个实施例中，所述块由多于两个的层形成。有利地，因此可以特别精细地对所述块的材料中所嵌入的光散射颗粒的浓度梯度的的配置进行建模。

一种用于生产光电组件的方法，包括通过上面提到的类型的方法生产光学元件的步骤；提供具有辐射发射面的光电半导体芯片的步骤；以及在所述辐射发射面上布置所述光学元件的步骤。有利地，这允许所述光电组件的简单并且经济的生产。可以通过该方法获得的所述光电组件的所述光学元件可以有利地使由所述光电组件的所述光电半导体芯片发射的电磁辐射偏离。

附图说明

与将有关于附图更详细地解释的示例性实施例的以下描述有关地，本发明的上面描述的性质、特征和优点以及实现它们的方式将变得更清楚并且是全面地可理解的，在附图中，在每种情况下在示意性的表示中：

图1示出光电布置的截面侧视图；

图2示出具有嵌入的光散射颗粒的材料的层的截面侧视图；

图3示出在光散射颗粒的下沉之后的层的截面侧视图；

图4示出由用于生产多个光学元件的层形成的块的截面侧视图；

图5示出用于生产块的多个子层；

图6示出由子层形成的块的截面侧视图；

图7示出用于生产块的多个被共同挤压的子层的截面侧视图；以及

图8示出由被共同挤压的子层形成的块的截面侧视图。

具体实施方式

图1示出光电布置100的示意性截面侧视图。光电布置100可以例如用于液晶显示器（LCD）中的背景照明。例如，光电布置100可以用于便携电子设备（例如蜂窝电话）的液晶显示器中的背景照明。

光电布置100包括光电组件200。光电组件200用于生成并且引导电磁辐射（特别是可见光）。

光电组件200包括光电半导体芯片210。光电半导体芯片210具有辐射发射面211。配置光电半导体芯片210以便在其辐射发射面211处发射电磁辐射（例如可见光）。光电半导体芯片210可以例如被配置作为发光二极管芯片（LED芯片）。

光电半导体芯片210的焊接接触焊盘可以被形成在光电半导体芯片210的与辐射发射面211相对的下侧中的一个上。在此情况下，光电组件200可以被配置作为适合于表面安装的SMD组件。可以例如通过回流焊接提供被布置在光电半导体芯片210的下侧上的焊接接触焊盘以用于电接触。

光电组件200更进一步地包括光学元件300。光学元件300本质上被配置为具有立方体形状，并且具有上侧301以及与上侧301相对的下侧302。光学元件300更进一步地具有第一侧面304以及与第一侧面304相对的第二侧面305。第一侧面304和第二侧面305被分别垂直于光学元件300的上侧301和下侧302定向。

在上侧301与下侧302之间，光学元件300具有垂直于下侧302测量的厚度303。光学元件300的厚度303优选地处于0.1mm和1mm之间。特别优选地，光学元件300的厚度303小于0.3mm。

光学元件300被布置在光电半导体芯片210的辐射发射面211上。在此情况下，光学元件300的下侧302面朝辐射发射面211，并且优选地与之接触。光学元件300的下侧302的大小优选地近似对应于光电半导体芯片210的辐射发射面211的大小。在光电半导体芯片210的辐射发射面211处发射的电磁辐射可以通过下侧302进入光学元件300。

光学元件300具有由光学上本质上透明的材料制成的基质310。例如，光学元件300的基质310可以包括硅酮、聚碳酸酯或玻璃。光散射颗粒320嵌入在光学元件300的基质310中。光散射颗粒320可以例如包括TiO₂、Al₂O₃、Hf₂O₅或SiO₂。光散射颗粒320具有在图1的示意性视图中非常夸张地表示的平均大小321。光散射颗粒320的平均大小321可以例如处于200nm和50μm之间。

光散射颗粒320并非被同质地分布在光学元件300的基质310中。替代地，嵌入在光学元件300的基质310中的光散射颗粒320的浓度具有浓度梯度330，嵌入在基质310中的光散射颗粒320的浓度沿着浓度梯度330增加。浓度梯度330造成关于光学元件300的下侧302成的角度331。浓度梯度330因此还被相对于光电半导体芯片210的辐射发射面211按角度331布置。角度331具有不等于90°的值。浓度梯度330因此不垂直于光学元件300的下侧302以及光电半导体芯片210的辐射发射面211。优选地，角度331具有在35°和55°之间的值。特别优选地，角度331具有在40°和50°之间的值。例如，角度331可以具有45°的值。

因为嵌入在基质310中的光散射颗粒320的浓度沿着浓度梯度330的增加，所以与在被布置得靠近光学元件300的上侧301和第二侧面305的光学元件300的第二子区域中相比，嵌入在基质310中的光散射颗粒320在被布置得靠近下侧302和第一侧面304的光学元件300的第一子区域中具有更低的浓度。在光学元件300的第一子区域中，嵌入在基质310中的光散射颗粒320的浓度可以是例如0°。在光学元件300的第二子区域中，光散射颗粒320的浓度可以是例如25°。

嵌入在光学元件300的基质310中的光散射颗粒320的浓度可以沿着浓度梯度330连续地增加。然而，光散射颗粒320的浓度也可以沿着浓度梯度330按步阶地增加。在此情况下，较之更低的步阶数量更高的步阶数量是优选的。

嵌入在光学元件300的基质310中的光散射颗粒320的浓度梯度330在下侧302处引起进入光学元件300的电磁辐射的偏离。该偏离由于在光散射颗粒320处的电磁辐射的散射而发生。在此情况下，电磁辐射被与浓度梯度330相反地偏离。本质上在与下侧302垂直的方向上在光学元件300的下侧302处进入光学元件300的电磁辐射因此在第一侧面304的方向上在光学元件300中被偏离。在光学元件300的下侧302处进入光学元件300的辐射的大部分可以因此在本质上垂直于第一侧面304定向的方向上通过第一侧面304离开光学元件300。在下侧302处进入光学元件300的辐射的一部分在光学元件300的其它表面处离开光学元件300。

除了光电组件200之外，光电布置100还包括光导110。光导110可以例如被配置作为平坦光导。光导110被以如下这样的方式布置为挨着光电组件200：在光电组件200的光学元件300的第一侧面304处出现的电磁辐射可以进入光导110并且进一步在本质上平行于光电布置100的光电组件200的光学半导体芯片210的辐射发射面211定向的光导方向111上被光导110引导。在光导110中被进一步引导的电磁辐射可以例如用于液晶显示器的背景照明。在与光导方向111垂直的方向上，光导110优选地具有近似地对应于光学元件300的厚度303的厚度。

除了光散射颗粒320之外，波长转换颗粒也可以嵌入在光学元件300的基质310中。波长转换颗粒可以例如包括有机或无机发光材料。波长转换颗粒也可以包括量子点。可以提供波长转换颗粒，以便转换由光电组件200的光电半导体芯片210发射的电磁辐射的波长。为此，可以配置波长转换颗粒，以便吸收具有第一波长的电磁辐射，并且随后发射具有典型地更长的第二波长的电磁辐射。可以例如提供嵌入在光学元件300的基质310中的波长转换颗粒，以便把由具有蓝色谱范围中的波长的光电半导体芯片210发射的电磁辐射转换为具有白色谱分布的电磁辐射。然而，也可以省略在光学元件300的基质310中嵌入波长转换颗粒。

以下将借助图2至图4以及图5至图6以及图7至图8描述用于生产光电布置100的光电组件200的光学元件300的方法的变形。彼此对应的各部分在此情况下在所有的图中被提供有与图1相同的标记，并且将不再详细描述。

图2示出层410的示意性截面侧视图。层410具有上侧401以及与上侧401相对的下侧402。层410包括与光学元件300的基质310的材料对应的或者可以由其形成光学元件300的基质310的材料的材料。层410的材料未被完全固化。

光散射颗粒320嵌入在层410中。光散射颗粒可以被本质上同质地分布在层410中。嵌入在层410中的光散射颗粒320可以因此本质上具有同质的浓度。

由于层410的材料未被完全固化，因此嵌入在层410中的光散射颗粒320可以在层410的下侧402的方向上在重力的影响下在层410中下沉。这被表示在图3的示意性截面侧视图中。因为嵌入在层410中的光散射颗粒320的在时间的过程中进展的下沉，所以嵌入在层410中的光散射颗粒320的浓度的浓度梯度330形成在层410中。浓度梯度330从层410的上侧401指向下侧402，并且本质上垂直于层410的上侧401和下侧402定向。

一旦嵌入在层410中的光散射颗粒320的浓度梯度330已经被形成到想要的程度，层410的材料就可以被固化。可以例如通过加热处理或利用UV光的处理来执行层410的材料的固化。

通过固化层410的材料来防止光散射颗粒320在层410的材料中的进一步下沉。光散射颗粒320被固定在层410的材料中。因此通过固化层410的材料来由层410形成第一块400。所固化的层410的材料形成第一块400的基质310。嵌入在第一块400的基质310中的光散射颗粒320具有沿着浓度梯度330增加的在基质310中的浓度。浓度梯度330被本质上垂直于形成第一块400的上侧和下侧的层410的上侧401和下侧402定向。图4示出第一块400的示意性截面侧视图。

在随后的处理步骤中，可以划分第一块400以便获得多个光学元件300。可以例如通过切割第一块400来执行第一块400的划分。以如下这样的方式划分第一块400：所形成的光学元件的下侧302造成关于浓度梯度330成不等于90°的角度。光学元件300因此被从第一块400倾斜地分离（例如被切割掉）。

图5示出第一子层510、第二子层520、第三子层530和第四子层540的示意性截面侧视图。采用薄片材的形式配置子层510、520、530、540。在此情况下，子层510、520、530、540具有所建立的厚度。单独的子层510、520、530、540的厚度可以彼此对应或彼此不同。

子层510、520、530、540中的每一个包括对应于光学元件300的基质310的材料的材料。光散射颗粒320嵌入在子层510、520、530、540中的每一个中。嵌入在第一子层510的材料中的光散射颗粒320具有第一浓度。嵌入在第二子层520的材料中的光散射颗粒320具有第二浓度。嵌入在第三子层530的材料中的光散射颗粒320具有第三浓度。嵌入在第四子层540的材料中的光散射颗粒320具有第四浓度。在子层510、520、530、540内，光散射颗粒320的浓度本质上分别是恒定的。然而，光散射颗粒320的第二浓度大于光散射颗粒320的第一浓度。第三浓度进而大于第二浓度。第四浓度大于第三浓度。

子层510、520、530、540可以被平坦地彼此接合以便形成第二块500。在此情况下，第二子层520被布置在第一子层510与第三子层530之间。第三子层530被布置在第二子层520与第四子层540之间。第一子层510的上侧形成第二块500的上侧501。第四子层540的下侧形成第二块500的下侧502。

当然，第二块500也可以由多于四个子层510、520、530、540来形成。在此情况下，单独的子层优选地分别具有所嵌入的光散射颗粒320的按它们彼此接合的顺序的增加的浓度。然而，还可能的是仅由两个子层510、520或由三个子层510、520、530来形成第二块500。

可以例如通过子层510、520、530、540的层叠来执行子层510、520、530、540的接合以形成第二块500。在此情况下，单独的子层510、520、530、540可以例如借助于分离的粘接剂平坦地彼此接合。在此情况下，在子层510、520、530、540的接合之前，子层510、520、530、540的包括所嵌入的光散射颗粒320的材料可以已经被完全固化。

然而，子层510、520、530、540也可以在不使用分离的粘接剂的情况下被彼此接合以便形成第二块500。在此情况下，在子层510、520、530、540的接合期间，子层510、520、530、540的包括所嵌入的光散射颗粒320的材料尚未完全被固化，并且因此允许子层510、520、530、540的永久接合。在子层510、520、530、540的接合之后，子层510、520、530、540的包括所嵌入的光散射颗粒320的材料可以例如通过加热处理或通过利用UV光的处理而固化。

图6示出由子层510、520、530、540形成的第二块500的示意性截面侧视图。彼此接合的子层510、520、530、540的材料形成第二块500的其中嵌入有光散射颗粒320的基质310。在第二块500中，所嵌入的光散射颗粒320具有从第二块500的上侧501指向第二块500的下侧502并且本质上垂直于上侧501和下侧502定向的浓度梯度330。沿着浓度梯度330，嵌入在第二块500的基质310中的光散射颗粒320的浓度按步阶增加。

在随后的处理步骤中，可以通过以与第一块400的借助图4解释的划分相似的方式划分第二块500来由第二块500形成光学元件300。

图7示出第一子层610、第二子层620、第三子层630和第四子层640的示意性截面侧视图。通过借助于挤压冲模650的共同挤压来以薄片材的形式形成子层610、620、630、640。子层610、620、630、640中的每一个具有所建立的厚度。子层610、620、630、640可以分别具有相同的厚度或不同的厚度。

子层610、620、630、640分别包括对应于光学元件300的基质310的材料的材料。光散射颗粒320被分别嵌入在子层610、620、630、640的材料中。在每个子层610、620、630、640内，所嵌入的光散射颗粒320的浓度本质上是恒定的。在第一子层610中，所嵌入的光散射颗粒320具有第一浓度。在第二子层620中，所嵌入的光散射颗粒320具有第二浓度。在第三子层630中，所嵌入的光散射颗粒320具有第三浓度。在第四子层640中，所嵌入的光散射颗粒320具有第四浓度。第二浓度大于第一浓度。第三浓度大于第二浓度。第四浓度大于第三浓度。

在共同挤压期间，子层610、620、630、640被平坦地接合以形成第三块600。在此情况下，第一子层610的上侧形成第三块600的上侧601。第四子层640的下侧形成第三块600的下侧602。第二子层620被布置在第一子层610与第三子层630之间。第三子层630被布置在第二子层620与第四子层640之间。当然，第三块600也可以由少于或多于四个子层610、620、630、640来形成。

图8示出通过子层610、620、630、640的共同挤压形成的第三块600的示意性截面侧视图。子层610、620、630、640的材料形成第三块600的基质310。光散射颗粒320嵌入在第三块600的基质310中。嵌入在基质310中的光散射颗粒320的浓度具有浓度梯度330。浓度梯度330从第三块600的上侧601延伸到下侧602，并且本质上垂直于第三块600的上侧601和下侧602定向。沿着浓度梯度330，嵌入在第三块600的基质300中的光散射颗粒的浓度按步阶增加。

可以通过划分第三块600来由第三块600形成光学元件300。为此，以与借助图4针对第一块400解释的相同的方式划分第三块600。

因此，为了生产光学元件300，初始地形成采用嵌入有光散射颗粒320的基质材料310的块400、500、600，所嵌入的光散射颗粒320的浓度具有浓度梯度330。随后，划分块400、500、600以便获得具有下侧302的至少一个光学元件300。在此情况下以光学元件的下侧302造成关于浓度梯度330成不等于90°的角度这样的方式划分块400、500、600。

已经借助优选的示例性实施例详细图解和描述了本发明。然而本发明不局限于所公开的示例。相反，在不脱离本发明的保护范围的情况下，本领域技术人员可以由此得出其它变形。

标记列表

100光电布置

110光导

111光导方向

200光电组件

210光电半导体芯片

211辐射发射面

300光学元件

301上侧

302下侧

303厚度

304第一侧面

305第二侧面

310基质

320光散射颗粒

321平均大小

330浓度梯度

331角度

400第一块

401上侧

402下侧

410层

500第二块

501上侧

502下侧

510第一子层

520第二子层

530第三子层

540第四子层

600第三块

601上侧

602下侧

610第一子层

620第二子层

630第三子层

640第四子层

650挤压冲模