CN101971717A - 光电子器件 - Google Patents
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Abstract
提出了一种光电子器件，具有：连接支承体(1)，其包括带有上侧(11)的基本体(12)，其中基本体(12)在至少一个方向(40)中具有最高12*10-6l/K的热膨胀系数，以及芯片支承体(2)，其中芯片支承体(2)具有上侧(21)和下侧(22)，在该上侧上设置有至少一个光电子半导体芯片(3)，在该下侧上有至少一个接触层(23)，该接触层与所述至少一个光电子半导体芯片(3)导电连接，其中芯片支承体以其下侧(22)固定在连接支承体(1)的上侧(21)上，并且借助至少一个接触层(23)与连接支承体(1)导电连接。
Description
提出了一种光电子器件。
一个要解决的任务尤其在于提出一种光电子器件，其特别热稳定。
根据光电子器件的至少一个实施形式，该光电子器件包括连接支承体。连接支承体例如是电路板。也就是说，连接支承体包括基本体以及电连接部位和电印制导线，印制导线结构化地设置在基本体中或者基本体上。在此，基本体在至少一个方向上具有最高12*10-6/K的热膨胀系数。优选的是，基本体在与连接支承体的安装面平行走向的方向上具有该小的热膨胀系数。这意味着，连接支承体在其上侧具有用于安装电子器件的安装面。至少在与该安装面平行走向的方向上，连接支承体的基本体具有最高12*10-6/K的热膨胀系数。
根据光电子器件的至少一个实施形式，该器件包括芯片支承体。芯片支承体具有上侧，至少一个光电子半导体芯片设置在该上侧上。光电子半导体芯片例如是一种发光二极管芯片。也就是说，光电子半导体芯片是一种激光二极管芯片或者发光二极管芯片。此外，光电子半导体芯片也可以是检测器芯片，例如光电二极管芯片。此外也可能的是，不同类型的光电子半导体芯片(例如发光二极管芯片和检测器芯片)设置在芯片支承体的上侧。
此外，芯片支承体具有下侧，其背离上侧。在下侧上有至少一个接触层，该接触层与所述至少一个光电子半导体芯片导电连接。所述至少一个接触层用于电连接所述至少一个光电子半导体芯片。
根据光电子器件的至少一个实施形式，芯片支承体以其下侧固定在连接支承体的上侧上并且借助所述至少一个接触层导电地与连接支承体相连。也就是说，芯片支承体在连接支承体的上侧固定在其上并且通过连接支承体电接触。
根据光电子器件的至少一个实施形式，该器件包括连接支承体，其包括带有上侧的基本体，其中该基本体在至少一个方向上具有最高12*10-6/K的热膨胀系数。此外，光电子器件在该实施形式中具有芯片支承体，其具有上侧和下侧，至少一个光电子半导体芯片设置在该上侧上，至少一个接触层位于该下侧上，该接触层与所述至少一个光电子半导体芯片导电连接。该实施形式的光电子器件是芯片支承体，该芯片支承体以其下侧固定在连接支承体的上侧上，并且借助所述至少一个接触层与连接支承体导电连接。
这里所描述的光电子器件的特征尤其是在于连接支承体的基本体在至少一个方向上的小的热膨胀系数。优选的是，基本体至少在一个方向上具有小的热膨胀系数，该方向平行于连接支承体的安装面走向，其中芯片支承体固定在该安装面上。然而也可能的是，基本体在所有方向上具有这种小的热膨胀系数。基本体的材料可以关于热膨胀系数方面是各向同性的。
在设置在芯片支承体上的所述至少一个光电子半导体芯片的工作中，芯片支承体发热。此外，连接支承体也发热。由于连接支承体的基本体的小的热膨胀系数，减小了在芯片支承体和连接支承体之间的连接部位上的热扭曲。总之，光电子器件因此也在重复加热和随后冷却芯片支承体和连接支承体的情况下在热学上非常稳定。
根据光电子器件的至少一个实施形式，芯片支承体包括基本体，该基本体带有在芯片支承体的上侧上的覆盖面和在芯片支承体的下侧上的底面。此外，芯片支承体的基本体具有至少一个侧面，其将覆盖面和底面彼此连接。在芯片支承体的下侧上的接触层在此构建为金属化物的一部分，该金属化物从底面通过至少一个侧面延伸到芯片支承体的基本体的覆盖面。所述至少一个光电子半导体芯片与金属化物导电连接，并且因此也与接触层导电连接，该接触层通过金属化物的一部分形成。优选的是，接触层在此通过金属化物的如下部分形成：该部分位于芯片支承体的基本体的底面上。也就是说，不是在芯片支承体的基本体的侧面上接触，接触层借助对下侧金属化而布设到芯片支承体的基本体的底面上。芯片支承体通过这种方式可以表面安装，也就是说，其可以以SMT技术(SMT：表面安装技术)安装到连接支承体上。
根据光电子器件的至少一个实施形式，芯片支承体的基本体借助陶瓷材料形成。优选的是，芯片支承体的基本体在此由陶瓷材料构成。芯片支承体的基本体借助其形成的陶瓷材料优选具有最高为8*10-6/K的热膨胀系数。例如，基本体可以由AlN构成，其具有4.5*10-6/K的热膨胀系数。此外可能的是，基本体由Al2O3构成，其具有在大约7*10-6/K至8*10-6/K之间的热膨胀系数。芯片支承体的基本体的小的热膨胀系数进一步提高了器件的热稳定性。
根据至少一个实施形式，在芯片支承体的基本体的覆盖面、侧面和底面上的金属化物包含金或者由金构成。金属化物例如构建为薄层金属化物。金属化物可以借助溅射或者气相淀积来结构化地施加到基本体上。金属化物的厚度优选为最大1μm，特别优选为最大500nm。例如由金构成的、特别薄的金属化物的特征尤其在于，由于小的厚度几乎没有金属从金属化物扩散到邻接的焊料中，并且在那里导致脆化并且因此导致热稳定性降低。也就是说，金属化物也会有助于提高光电子器件的热稳定性。
根据光电子器件的至少一个实施形式，在芯片支承体的底面上局部地施加焊接停止层。优选的是，焊接停止层在接触层紧邻的附近，该接触层构建为基本体的金属化物的一部分。在此，焊接停止层优选与接触层邻接。焊接停止层可以由以下材料至少之一构成或者包含以下材料至少之一：铬、铝、二氧化硅、氧化铝、铂、NiCr、漆。焊接停止层可以以与金属化物相同的方式施加在芯片支承体的基本体上。
根据光电子器件的至少一个实施形式，连接支承体的基本体包括铝或者含铝的合金。SiC构成的颗粒被引入该铝或者含铝的合金中。基本体也可以由该材料构成。借助该材料形成或者由该材料形成的基本体可以具有例如在6*10-6/K到12*10-6/K之间的热膨胀系数。
SiC颗粒优选尽可能均匀地分布在基质材料中，也即铝或者铝合金中。碳化硅(SiC)颗粒的颗粒大小例如在5μm到100μm之间。基质材料中的碳化硅颗粒的重量百分比优选在1到40之间，例如在10到20之间。碳化硅颗粒引入基质材料中例如可以通过激光诱导的粉末涂层方法或者Al渗透来进行。
根据光电子器件的至少一个实施形式，连接支承体的基本体包含以下化合物材料至少之一：CuW、CuMo、陶瓷的纤维合成物(CMC：陶瓷基质合成物)。
在合成物CuW和CuMo的情况下，铜被嵌到钨基质或者钼基质中。
此外，基本体可以包含如下合成物或者由其构成：该合成物通过钼形成，其设置在两个铜层之间。
所描述的合成物的特征在于特别小的热膨胀系数，其可以在5*10-6/K至10*10-6/K的范围中。此外，其具有在100W/mK到350W/mK之间的高的导热性。
根据光电子器件的至少一个实施形式，基本体由以下材料之一构成：钼、钨。
根据光电子器件的至少一个实施形式，连接支承体的基本体包含铜-铝合金。铜-铝合金的特征在于特别低的热膨胀系数。铜-铝合金虽然具有比基本的铜小的导热性，然而导热性对于在光电子器件中的应用是足够的。
根据光电子器件的至少一个实施形式，连接支承体的基本体由一种铜-钼-铜合成材料构成，其中至少一个钼层设置在两个铜层之间。
根据光电子器件的至少一个实施形式，连接支承体的基本体包含碳纤维，尤其是石墨纤维，其嵌入在基质材料中。
根据至少一个实施形式，基质材料是铜。碳纤维例如作为石墨纤维网被压入铜中。
由该材料构成的基本体在所述面中、即在平行于安装面的方向上具有1*10-6/K到17*10-6/K之间的热膨胀系数，优选在6*10-6/K到12*10-6/K之间的热膨胀系数。此外，碳纤维在此具有超过铜的导热性。碳纤维优选横向于和/或平行于热吸收侧地走向。也就是说，碳纤维例如平行于或者基本上平行于连接支承体的安装面走向。
由所描述的材料构成的基本体可以具有300W/mK到600W/mK以下的导热性。铜的导热性在此为大约390W/mK，石墨的导热性为大约600W/mK。
根据光电子器件的至少一个实施形式，基质材料是环氧树脂。由包括环氧树脂中的碳纤维的材料构成的基本体可以特别简单地制造，因为碳纤维例如可以简单地浸润在环氧树脂中。随后，环氧树脂被硬化。通过这种方式来制造基本体，其具有大约400W/mK到600W/mK的导热性。此外，基本体在此具有在玻璃的热膨胀系数的范围中的非常小的热膨胀系数。优选的是，热膨胀系数为最高8*10-6l/K。
根据至少一个实施形式，基质材料替代于碳纤维或者除了碳纤维之外还包含玻璃纤维。混入玻璃纤维可以有助于进一步地机械稳定基本体。
下面借助实施例和附图进一步阐述这里所描述的光电子器件。
图1A、1B、2A、2B示出了根据不同实施例的芯片支承体的示意性俯视图，如其在这里所描述的器件的实施例中所使用的那样。
图3在示意性截面图中示出了这里描述的根据一个实施例的光电子器件。
图4在示意性透视图中示出了这里所描述的器件的连接支承体的基本体。
图5在示意性截面图中示出了这里所描述的根据一个实施例的光电子器件。
相同、类似或者作用相同的元件在附图中设置有相同的附图标记。附图和在附图中示出的元件彼此间的大小关系不能视为是合乎比例的。更确切地说，为了更清楚和/或为了更好的理解，各元件可以被夸大地示出。
图1A在示意性俯视图中示出了针对这里所描述的光电子器件的一个实施例的芯片支承体2的上侧21。图1B在示意性俯视图中示出了芯片支承体的下侧22。
芯片支承体22包括覆盖面27。在覆盖面27上设置有金属化物30。金属化物30从覆盖面27经过侧面29(作为层23a)延伸到底面28。
在底面28上的金属化物30形成了接触层23b。借助接触层23b可以将芯片支承体2安装到连接支承体1上(对此参见图3)，并且在那里以机械方式固定。在图1B中在芯片支承体2的边缘的附近示出的层23a在此例如可以用于电接触和机械固定。在芯片支承体2的中央的大面积的接触层23b例如用于电接触和用于机械固定以及热连接芯片支承体2。
在芯片支承体2的上侧21上固定有光电子半导体芯片3，在此例如为发光二极管芯片。光电子半导体芯片3被框架25包围。光电子半导体芯片3例如在n侧通过线接触6与金属化物30连接。光电子半导体芯片3可以在p侧整面地安装在金属化物30的一部分上，例如焊接在其上。
金属化物30在此由金构成并且具有0.2μm至10μm的厚度，优选为0.5μm的厚度。芯片支承体2包括基本体26，金属化物30施加到该基本体上，该基本体由陶瓷材料例如AlN或者Al2O3构成。
图2A针对这里所描述的光电子半导体芯片的另一实施例在示意性俯视图中示出了另一芯片支承体2的上侧21。图2B在示意性俯视图中示出了该芯片支承体的下侧22。不同于结合图1A和1B所描述的实施例，光电子半导体芯片3在此并未矩阵状地设置，而是沿着线设置。此外，光电子半导体芯片3不同于图1A和1B的实施例不能单个地激励，而是彼此串联连接。
在芯片支承体2的下侧22上，接触层23b(其用于电接触光电子半导体芯片3)通过焊接停止层24与层23a分离。层23a、23b例如由金构成并且具有小于0.5μm的厚度。焊接停止层24例如由以下材料之一构成：铬、铝、二氧化硅、氧化铝、铂、NiCr。
图3在示意性截面图中示出了这里所描述的根据一个实施例的光电子半导体器件。在连接支承体1上在此安装有芯片支承体2，如其结合图1A和1B所描述的那样。截面图在此沿着切割线A-A’得到。连接支承体1包括基本体12。基本体12具有上侧11，芯片支承体2固定在该上侧上。在基本体12上施加有层13，该层可以由电绝缘材料构成(在区域13b中)或者导电地构建(在区域13a中)。在区域13b中将印制导线14结构化到层13上，芯片支承体2通过印制导线来电和/或热和/或机械连接。在连接支承体1和芯片支承体2之间的连接在此优选通过借助焊剂4的焊接连接来进行。连接支承体1的基本体12的特征在于在方向40中的特别小的热膨胀系数，该方向平行于基本体12的安装面12a走向。
基本体12在此可以如上面所说明的那样实施，也就是说，连接支承体1的基本体12包含铝或者含铝的合金，或者由其构成，SiC构成的颗粒嵌入到铝或者含铝的合金中。
此外可能的是，连接支承体1的基本体12包含以下合成物的至少之一或者由以下合成物的至少之一构成：CuW、CuMo、陶瓷的纤维合成物(CMC：陶瓷基质合成物)、Mo、W、Cu-Mo-Cu层材料。
此外，连接支承体1的基本体12可以包含铜-铝合金或者由其构成。
图4示出了这里所描述的光电子器件的另一实施例的连接支承体1的基本体的示意性透视图。在该实施例中，碳纤维51和玻璃纤维52设置在基质材料53中。基质材料53例如是环氧树脂或者铜。玻璃纤维52是可选的，并且可以进一步提高基本体12的机械稳定性。纤维51、52可以在平行于和/或垂直于基本体12的安装面12a的方向上走向。
图5在示意性截面图中示出了这里所描述的根据一个实施例的光电子器件。不同于结合图3所描述的实施例，连接支承体1以基本体12形成，其包括电绝缘的区域61和导电的区域60。电绝缘的区域61例如通过环氧化物构成的基质材料形成，该基质材料包含玻璃纤维。电绝缘的区域61具有小于17*10-6/K、优选小于12*10-6/K的热膨胀系数。导电的区域60由金属如铜或者铝形成。层13在导电的区域60之上通过可焊接的中间层62形成。
本发明并未通过借助实施例的描述而局限于此。更确切地说，本发明包括任意新的特征和特征的任意组合，尤其是在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说明。
本专利申请要求德国专利申请102008021092.7和102008044641.6的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
Claims (14)
1.一种光电子器件，具有：
-连接支承体(1)，其包括带有上侧(11)的基本体(12)，其中基本体(12)在至少一个方向(40)中具有最高12*10-6l/K的热膨胀系数，以及
-芯片支承体(2)，其中芯片支承体(2)具有上侧(21)和下侧(22)，在该上侧上设置有至少一个光电子半导体芯片(3)，在该下侧上有至少一个接触层(23)，所述至少一个接触层与所述至少一个光电子半导体芯片(3)导电连接，其中
-芯片支承体(2)以其下侧(22)固定在连接支承体(1)的上侧(21)上，并且借助所述至少一个接触层(23)与连接支承体(1)导电连接，
-芯片支承体(2)具有基本体(26)，该基本体带有在芯片支承体(2)的上侧(21)上的覆盖面(27)、在芯片支承体(2)的下侧(22)上的底面(28)以及至少一个侧面(29)，所述侧面将上述两个面彼此连接，
-接触层(23)构建为金属化物(30)的一部分，该金属化物从底面(28)经过所述至少一个侧面(29)延伸至基本体(2)的覆盖面(27)，以及
-所述至少一个光电子半导体芯片(3)与所述金属化物(30)导电连接。
2.根据上一权利要求所述的光电子器件，其中连接支承体(1)的基本体(12)包含在基质材料(53)中的碳纤维(51)。
3.根据上述权利要求至少之一所述的光电子器件，其中连接支承体(1)的基本体(12)包含在基质材料(53)中的玻璃纤维(52)。
4.根据上述权利要求至少之一所述的光电子器件，其中连接支承体(1)的基本体(12)包含在基质材料(53)中的碳纤维(51)和玻璃纤维(52)。
5.根据上述权利要求至少之一所述的光电子器件，其中基质材料(53)是环氧树脂。
6.根据上述权利要求至少之一所述的光电子器件，其中基质材料(53)是铜。
7.根据上述权利要求至少之一所述的光电子器件，其中连接支承体(1)的基本体(12)包含在基质材料(53)中的碳纤维(51)和玻璃纤维(52)，其中基质材料(53)是铜，并且碳纤维(51)和玻璃纤维(52)被压入基质材料(53)中。
8.根据上述权利要求至少之一所述的光电子器件，其中芯片支承体(2)的基本体(26)借助陶瓷材料来形成，该陶瓷材料至少在一个方向(40)中具有最高8*10-6l/K的热膨胀系数。
9.根据上述权利要求至少之一所述的光电子器件，其中金属化物(30)由金构成。
10.根据上述权利要求至少之一所述的光电子器件，其中在芯片支承体(2)的底面(28)上局部地施加焊接停止层(24)。
11.根据上述权利要求至少之一所述的光电子器件，其中焊接停止层(24)包含以下材料的至少之一或者由以下材料之一构成：铬、铝、二氧化硅、氧化铝、NiCr、硅、氮化硅、漆。
12.根据上述权利要求至少之一所述的光电子器件，其中连接支承体(1)的基本体(12)包含铝或者含铝的合金，由SiC构成的颗粒被嵌入到铝或者含铝的合金中。
13.根据上述权利要求至少之一所述的光电子器件，其中连接支承体(1)的基本体(12)包含以下材料的至少之一：CuW、CuMo、陶瓷的纤维合成物、Mo、W。
14.根据上述权利要求至少之一所述的光电子器件，其中连接支承体(1)的基本体(12)包含铜-铝合金。
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